EF-3级龙卷风干扰后火炬松(Pinus taeda L.)人工林森林指标(forest metrics)的时空变化

《Forest Science》：Spatiotemporal Changes in Forest Metrics after a Catastrophic Tornado in Planted Loblolly Pine (Pinus taeda L.) Stands

　　

摘要：龙卷风会剧烈影响集约经营的人工林景观，改变林分结构、物种组成及经济价值。美国龙卷风频发，且预测表明其主要产材区——东南部地区龙卷风发生频率将上升。量化集约经营人工林景观中龙卷风造成的损害，对制定经营管理决策及模拟灾后恢复、挽回经济损失具有重要意义。研究人员评估了美国北卡罗来纳州Shallotte地区一条长35 km、损毁带宽250 m的EF-3级龙卷风过后，13–17年生火炬松(Pinus taeda L.)人工林在灾后第1个生长季(2021年)和第3个生长季(2023年)林分结构、立木蓄积量(stem volume)及碳库的时空效应。研究人员沿龙卷风路径布设36个样地，重建风暴前林分特征并与灾后两个时期进行对比。为评估损害的空间分布，研究人员在龙卷风路径正下方、路径边缘以及同一林分内未受干扰的相邻林区分别取样。研究发现损害呈局部化特征：龙卷风轨迹正下方的每公顷株数(trees per hectare)、胸高断面积(basal area)、立木蓄积量及地上碳储量(aboveground carbon stock)降低约50%，而位于边缘或未受干扰区域的样地仅受轻微影响。至第3个生长季，龙卷风轨迹内各指标（除树木密度外）均有所回升，立木蓄积量恢复至灾前水平。这表明同龄、空间均一化的松树人工林在龙卷风事件中边缘及林内受影响极小的情况下可实现快速恢复。通过记录森林结构的局部化损失及各指标的特异性恢复过程，本研究为理解同龄松人工林中龙卷风的短期影响建立了实证基线，可为制定针对性的灾后经营管理决策提供参考。

论文解读：EF-3级龙卷风干扰后火炬松(Pinus taeda L.)人工林森林指标(forest metrics)的时空变化

本研究发表于《Forest Science》。目前关于森林风灾干扰的研究多集中于飓风（hurricane）和飑线（derecho），针对龙卷风——尤其是商业化管理同龄单树种人工林中龙卷风——造成的影响及恢复动态研究较为匮乏。龙卷风在美国东南部产材区频发且预计增强，会造成严重 timber经济损失（年均超2.5亿美元）及碳储量波动，但现有森林经营与碳核算常简化或忽略这种高局部化、高强度的风灾干扰。此外，已有文献大多关注天然或混交林，而美国南部广泛分布的火炬松(Pinus taeda L.)同龄人工林具高密度、单树种、定期抚育等特征，其对龙卷风的响应模式尚不清楚。因此，研究人员开展本研究，旨在量化EF-3级龙卷风对火炬松人工林林分指标（密度、断面积、蓄积量、地上碳）的时空变化及单株损伤模式，为灾后经营决策及碳核算提供实证依据。研究人员发现龙卷风损害高度局部化，轨迹内指标约减半，边缘与未扰区无显著差异；灾后第3年增长势恢复使蓄积量回到灾前水平，但树木密度因延迟死亡持续偏低，地上碳仅部分恢复。该结果说明同龄松人工林具较快的结构恢复能力，但碳动态与结构恢复不同步，且 salvage采伐(decision)应聚焦于轨迹内部。

主要关键技术方法：

研究在2021年2月北卡罗来纳州Brunswick County EF-3级龙卷风（风速260 km/h，路径长35 km，损毁带宽250 m）影响区域内，选取6块13–17年生火炬松人工林（5块2008年造林，1块2004年造林）。沿龙卷风路径按距轨迹中心位置分三区布点：轨迹正内（inside）、轨迹边缘（距路径≈35 m，edge）、未受干扰区（距路径≈150 m，outside），每区2个半径10 m圆形样地/林分，共36个样地。通过现存枯立木、倒木及残留活立木重建灾前DBH（diameter at breast height，胸径，1.3 m处直径）与树高，灾前及灾后第1生长季（2021年7月）、第3生长季（2023年9月）测定所有DBH＞10 cm火炬松的DBH与全高，记录单株存活状态及损伤等级（1=完好直立；0.75=冠部折断；0.5=干中部折断；0.25=干基部折断；0=连根拔起uprooting）。采用Sherrill等火炬松专用立木蓄积方程计算单株及每公顷蓄积量，标准公式计算断面积，Zhao等生物量方程及各组分含碳率（干材45.8%、树皮48.4%、枝46.7%、叶47.9%）估算地上活体碳。统计分析包括单因素ANOVA比较区位差异，线性混合效应模型（含林分重复随机效应）分析时间重复测量差异，泊松广义线性模型(GLM)分析单株损伤类别分布，事后Tukey检验（Bonferroni校正），α=0.05，使用R完成。

研究结果

Proximity to Tornado Path（距龙卷风路径远近的影响）：

灾前各区位间每公顷株数(F_2,30=1.973, p=0.157)、蓄积量(F_2,30=3.13, p=0.058)及地上碳(F_2,30=3.256, p=0.053)无显著差异，断面积边缘略高于轨迹内(p=0.041)。灾后第1年，轨迹内每公顷株数较外部低48.10%(F_2,30=15.294, p＜0.001)，蓄积量低49.90%(F_2,30=14.800, p＜0.001)，断面积低49.52%(F_2,30=18.280, p＜0.001)，地上碳低50.20%(F_2,30=14.900, p＜0.001)；边缘与未扰区无显著差异。第3年空间格局持续：轨迹内株数、断面积、碳仍低于边缘及外部(p＜0.05或p＜0.01)，蓄积虽部分恢复但仍低于边缘/外部(p＜0.05)。结论：龙卷风损害严格局限于轨迹内部，边缘效应不显著。

Sampling Timeframe（采样时间进程的影响）：

轨迹内：株数灾前＞第1年≈第3年(χ²=104.843, p＜0.001)；蓄积量第1年下降，第3年回升(χ²=18.888, p＜0.001)，第3年与灾前无统计学差异；断面积灾前＞第1年、第3年(χ²=33.772, p＜0.001)；地上碳仅灾前＞第1年(χ²=9.226, p=0.010)。边缘：株数随时间递减(pre＞Y1＞Y3, χ²=32.990, p＜0.001)；蓄积、断面积、碳第3年高于灾前/第1年(p＜0.05)。未扰区：株数不变，蓄积、断面积、碳第3年显著高于灾前及第1年(p＜0.001)，反映正常生长。结论：轨迹内幸存木快速径向生长使蓄积3年内复原，但株数因延迟死亡(delayed mortality)未恢复，碳仅部分恢复。

Tree Damage（单株损伤分布）：

轨迹内约50%植株完好直立，～13%连根拔起，～23%干基部折断，～9%干中部折断，～2%冠部折断；边缘84%完好，其余轻微受损；未扰区98%完好。GLM显示损伤类别比例依距轨迹距离显著不同(Estimate_(outside)=4.311, p＜0.001)。结论：轨迹内呈现多样化折断/拔根模式，边缘与未扰区基本无损。

讨论与结论总结：

讨论指出：(1)龙卷风造成高度局部化损害（轨迹内各指标≈50%损失），与文献一致，边缘与未扰区无差异说明同龄均质松林形成锐利损害边界，不同于异龄/混交林的渐变梯度，故经营上可集中 salvage logging于轨迹内部；(2)第3年幸存木生长释放致立木蓄积复原，支持"延迟 salvage或择伐促剩余大径材生长"的管理选项，但需注意折断高度影响回收材价值；(3)株数持续下降反映风灾诱导的延迟死亡（根系隐性损伤、次期害虫如Ips typographus等爆发风险），强调及时评估必要性；(4)地上碳仅部分恢复而蓄积复原，提示以结构恢复代理碳恢复会高估固碳量，碳项目须单独核算扰动排放。研究局限为单事件、小样本，未来需结合遥感扩大验证。

结论翻译归纳：研究结果凸显在集约经营松林系统评估龙卷风损害时需兼顾空间分层与时间序列。局部化重度损失揭示单树种系统对极端风事件的脆弱性。灾后第3季部分指标（除株数、断面积）未达灾前，经营上应根据损毁带规模与可达性决定针对性salvage logging或补植，边缘零星延迟死亡区可被动恢复监测。结果对森林资源清查、生长预测及碳核算（常简化空间均一假设）有重要修正意义，并为风驱森林动态建模提供同龄人工林短时干扰的实证基础。