沿降雪梯度日本扁柏（Cryptomeria japonica D. Don）人工林雪压致基部倒伏的空间变异

《Forest Ecology and Management》：Spatial variation of snow-pressure-induced basal sweep in Japanese cedar ( Cryptomeria japonica D. Don) plantations along a snow gradient

　　

**要点**

• 干形等级组成能够反映林分内基部弯垂的严重程度分布。
• 积雪深度、立地指数、坡度及坡向解释了干形等级的空间格局。
• 当年均最大积雪深度超过0.5米时，通直干显著减少。
• 雪滑阈值在坡度响应中表现为15°和32°两个断点。
• 该模型为积雪压力损伤风险评估提供了空间框架。

**引言**

积雪与风一起，是寒温带、海洋性温带及山地森林中最主要的非生物干扰因子之一（Nyk?nen等，1997；Peltola等，2000）。仅在欧洲联盟内部，每年约有400万立方米的木材因积雪损害而损失（Nyk?nen等，1997），若将北美和东亚的积雪及山地森林纳入考量，其经济影响更大。近期的事件更凸显了损失的规模：在2017–2018年冬季，芬兰仅一次严重的积雪损害事件就造成森林所有者估计700万至1000万欧元的损失（Tomppo等，2019）。在积雪降雪的格局发生改变的情况下，积雪损害的发生频率和严重程度将如何变化，是适应性森林管理面临的主要问题。在北欧，适宜发生积雪和冰损害的气候区域预计将向北迁移（Suvanto等，2021；Ven?l?inen等，2020）；在中欧，人们提出缩短轮伐期作为减轻积雪和风风险的更广泛策略的一部分（Zimovà等，2020）。

树木的积雪损害传统上根据受影响的树木发育阶段区分为两种机制上不同的类型（Noomote，1989；Shidei，1954；Taira，1987）。树冠积雪损害发生在冠层积雪重量超过树干弯曲或根系锚固能力时，导致树干折断、冠层折断或树木倒伏。它影响从幼树、亚成林至成熟林，并强烈受树干锥度、树冠形态和林分密度等树木和林分层级结构因子的调节（P??talo，2000；Peltola和Kellom?ki，1993；Peltola等，1997；Petty和Worrell，1981）。对于北欧和中欧的欧洲赤松（*Pinus sylvestris*）和欧洲云杉（*Picea abies*）人工林，树冠积雪和冰损害机制模型（Gardiner等，2000；Peltola等，1999）已纳入林分层级的管理指南。

相比之下，积雪压力损害发生在幼苗和幼树被积雪掩埋后，在掩埋期间持续受到蠕变和滑动力的作用，导致树干基部出现特征性的弯垂（Shidei，1954；Taira，1982；Taira，1985）。树冠积雪损害是急性的、事件驱动的，影响林分中的一部分树木；而积雪压力损害是慢性的、累积性的，在幼树阶段连续多个冬季作用于林分中几乎所有树木，造成可伐材积和木材等级的持续性下降（Hada，1960；Kataoka和Sato，1959；Zushi和Kato，2015）。本研究针对的就是后者。

全球各地多雪和山地森林中均有积雪引起的树干变形报道。在欧洲阿尔卑斯山亚高山带，陡坡上的积雪蠕变和滑动对幼龄欧洲五针松（*Pinus cembra*）和落叶松（*Larix decidua*）产生持续的向下剪切力，导致倒伏和树干变形（Frutiger和Kuster，1967；H?ller等，2009；In der Gand，1968；Leitinger等，2008）。在北美落基山脉的深雪带，同样记录了幼龄针叶树类似的匍匐和树干变形现象（Leaphart等，1972；Schmidt和Schmidt，1979）。尽管气候和地形条件不同，这些现象共享一种共同机制：幼树在积雪掩埋期间反复承受积雪载荷，变形随树干成熟而不断累积。

日本列岛日本海沿岸是世界上最雪多的地区之一。当来自西伯利亚的冷季风气旋经过日本海时，它从对马暖流中吸收大量水汽；由此形成的湿暖气团在抵达列岛山脉时被地形抬升，在本州日本海沿岸形成了异常深厚且持久的积雪层。在这种气候下，其他主要造林针叶树如日本扁柏（*Chamaecyparis obtusa*）和日本落叶松（*Larix kaempferi*）对积雪压力损害耐受性低（Kono，1934；Taira，1987），因此日本扁柏（*Cryptomeria japonica* D. Don）成为占主导地位的人工造林树种。然而，日本扁柏本身并不能完全避免幼树期的积雪匍匐，基部弯垂是该地区人工林的普遍特征（Hada，1960；Kataoka和Sato，1959）。

日本扁柏人工林幼树期的积雪压力损害起始于冬季初冠层积雪使树干倾斜，随后被侵入的积雪层蠕变和滑动力从基部压弯（Shidei，1954；Taira，1982）。树干基部附近的变形（基部弯垂）通过倒伏期间的根系损伤和压缩木形成而累积，二者共同促使积雪融化后树干回直，并将残余弯曲固定（Taira，1991）。特定地点的损害严重程度首先受两个因子支配：积雪深度和积雪掩埋窗口期内幼树的高生长速度（Noomote，1992）。树木在被掩埋的风险中，直到其树高达到积雪深度约2.0–2.5倍为止，且当树高与积雪深度相当时载荷最大（Shidei，1954）。因此，更快的高生长缩短了积雪掩埋窗口，减少了累积变形。由于高生长速度受立地产量的支配，在其余条件相同的情况下，立地指数较高的立地应产出基部弯垂程度较低的树木。地形会调节这些效应：更陡的坡面增大了被掩埋树干匍匐的角度（Kataoka和Sato，1959；Kono，1934；Taira，1987；Tsukahara等，1975），而坡向通过日照控制积雪的滞留时间，北坡积雪滞留时间更长，累积载荷更大（Kono，1934）。

虽然基部弯垂是单株现象，但它影响林分中几乎所有树木，因此表现为林分层级的木材质量下降。量化其大范围空间变异性具有多方面的实用意义。首先，基部弯垂直接决定可伐材积和产品等级特异材积（Zushi和Kato，2015；Zushi等，2017）；其空间分布是区域木材供给按产品等级估算的前提。其次，减轻积雪压力的措施严重依赖"扶苗"（*yuki-okoshi*），即对倾斜幼树进行人工扶正，这能有效减少最终变形。由于该措施在重度积雪人工林的运营成本中占很大比例（Noomote，1984；Zushi，2024），对高风险和低风险区域的空间识别有助于营林努力的成本效益配置和造林场址的选择。第三，将基部弯垂表达为环境驱动因子的函数，为预测未来降雪格局的变化如何改变干形质量以及设计长期适应策略（包括树种和引种源的选择）提供了基础。尽管有这些动机，尚无以基部弯垂为响应变量的空间模型报道，这与欧洲已完善的树冠积雪和冰损害空间风险模型形成鲜明对比（P??talo，2000；Suvanto等，2021）。

大范围实地调查基部弯垂需要一个（i）能快速应用于多个林分、（ii）保留林分内变形严重程度分布的指标。单株指标如弧线上升量或干轴偏离（Hada，1960；Kataoka和Sato，1959；Taira，1982；Tsukahara等，1975）均不满足这两条标准：它们劳动密集，且汇总为林分均值时丢失了林分内变形严重程度分布的信息。相比之下，干形等级体系（Imanaga等，1979；Zushi和Kato，2015）将每株树木目视归类为五个有序严重程度等级，操作上简便快速，且在林分层级上产生一个组成向量（各等级的相对频率），保留了林分内变异的多维结构。

我们在日本本州中部富山县日本扁柏人工林中调查了638个样地，并以林分层级的干形等级组合作为响应变量进行分析。研究目标为：（1）表征干形等级组成在林分间变异的结构性特征以及林分间差异的主导轴；（2）使用随机森林模型量化四个机制推导的环境协变量——年最大积雪深度、立地指数、坡度梯度和北向程度——对该变异的贡献，特别关注阈值和饱和响应；（3）将拟合模型应用于整个研究区，阐明不同区域和高程带上的干形质量空间分布。本研究将欧洲为树冠型事件驱动积雪损害所发展的空间建模传统，移植到海洋性重度积雪区特征性的慢性积雪压力驱动变形上，以林分组成结构层级表达响应，并从损害形成机制出发，以简明的环境驱动因子集合推导其大范围变异。

**研究区**

研究在日本本州中部富山县由富山县农林水产公社（以下简称TAFPC）管理的日本扁柏人工林中开展（36°24′40″–36°58′8″N，136°47′26″–137°38′2″E；海拔7–1223米；图1）。人工造林始于1966年，在1970年代达到高峰，当时每年造林300–400公顷；此后造林速度逐渐下降，持续到2004年。截至2023年，TAFPC管理着346个场址共7406公顷的人工林。

**林分层级的干形等级组成及其在林分间的变异性**

在638个样地中调查的17954株树木中，分别有27.0%、29.3%、26.4%和17.3%被归类为c1、c2、c3和c4级。各样地的平均组成为：c2 36.2%、c3 30.5%、c1 19.1%和c4 14.2%，表明在林分层级上中等变形等级占主导，尽管在将所有树木汇总计算时四个等级的整体频率大致相近。

对数比方差矩阵（表4）和基于中心化对数变换的主成分分析双序图（图3）揭示了强烈结构化

**组成结构与方法学贡献**

我们通过林分层级干形等级的组成结构，刻画了日本扁柏人工林中积雪压力所致基部弯垂的大范围空间变异。主成分分析双序图和对数比方差矩阵表明，组成变异由一条单一的反向轴主导，该轴区分c1与c3和c4（PC1，解释方差的75.6%），并伴有一条以c2为主导的独立轴（PC2，16.3%）。这一二维结构概括了林分间的

**结论**

日本扁柏多雪人工林中林分层级的干形组成主要受积雪深度和立地产量控制，且二者的效应呈强烈非线性。一旦年均最大积雪深度超过约0.5米，通直干产量便急剧下降，在超过约1.8米以上几乎完全不可能获得；而更高的立地产量通过缩短积雪掩埋窗口来弥补这一损失。

坡度通过两个断点（15°和32°）调节这些效应，后者

**作者贡献声明**

Zushi Kotaro：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，软件，方法学，正式分析，数据整理，概念化。Kato Akio：撰写——审稿与编辑，调查研究。Sugita Hisashi：撰写——审稿与编辑，调查研究。

**生成式AI与AI辅助技术在写作过程中的声明**

在本工作准备过程中，作者使用了Claude（Anthropic）将日语初稿翻译成英语，并改善英文文本的语言和可读性。使用该工具后，作者对内容进行了审查和必要编辑，并对已发表论文的内容承担全部责任。该工具未用于研究设计、数据收集、数据分析、结果解释或参考文献的选择与生成，所有

**基金**

本研究未获得公共、商业或非营利部门基金机构的任何专项资助。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本论文中报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**

我们感谢富山县农林水产公社提供人工林和清查记录的使用权限，感谢富山县农业林业研究中心森林研究所的工作人员在野外工作方面的协助。

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