冰雪災害是一種極端的自然氣候。在溫帶大部分地區(qū)，冰雪災害是森林生態(tài)系統(tǒng)重要的非生物干擾因子，也是森林結構和組成的主要驅動因素之一。森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和平衡對于維持我國自然生態(tài)系統(tǒng)格局、功能和過程具有重要意義。冰雪災害引起樹木掘根、折斷，產生林窗和大量的林冠殘體，改變森林中的光照、濕度、水分、溫度等自然環(huán)境，進而使森林微地貌、土壤和森林生物群落發(fā)生變化。目前，自然資源的不合理開發(fā)和環(huán)境破壞導致了全球氣候異常，影響森林結構和森林生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的碳水交換，改變和增大了冰雪災害的地域、頻率和強度 。北美地區(qū)東北部的冰雪災害核心區(qū)在每50年內會發(fā)生冰災，森林遭到破壞。我國南北橫跨中低緯度，除了東北3省，冰雪災害鮮有發(fā)生，因此對有關冰雪災害的科學研究較少。2008年初中國南部發(fā)生了50年一遇的冰雪災害，持續(xù)時間長，分布范圍大，超過1800萬hm2的森林遭到破壞，涉及了19個?。▍^(qū)），最深的積冰達160 mm，對森林生態(tài)系統(tǒng)造成了大規(guī)模的生態(tài)擾動。

土壤條件是決定林分遭受冰害影響程度的因素之一，也是恢復和重建退化森林生態(tài)系統(tǒng)以及改善受災森林的關鍵所在。在冰雪強度相似的情況下，對2014年中歐南部（斯洛文尼亞）災后研究表明，在淺坡地巖石生長的樹木冠層損傷嚴重，在土壤較深的地方冰載荷可能導致樹木在主要冠層損害發(fā)生前產生根拔。

目前，有關冰雪災害的研究主要集中在樹木損害、森林動態(tài)和恢復、林下光照水平、植被動態(tài)和再生等方面。冰雪災害改變了土壤特性，但罕見其對土壤影響的研究，限制了我們關于冰雪災害對土壤影響的理解。因此，研究冰雪災害后的森林土壤性質變化，對生態(tài)恢復和重建具有重要意義，可以為受損森林生態(tài)系統(tǒng)的修復提供依據(jù)。

1  冰雪災害對土壤物理特性的影響

冰雪災害初期，林冠層破壞嚴重，林冠開度增加，雨水被林冠殘體攔蓄，提高了土壤的持水性能。另外，林冠殘體作為森林土壤有機質的補充且自身分解后釋放的養(yǎng)分，有利于團聚體的形成，改善土壤的孔隙度和透氣透水性，提高土壤肥力。災害后形成大量林窗，提供了更多的光照、水分和熱量，可促進凋落物的分解。此外，土壤容重與土壤孔隙度有一定的負相關關系。陳鳳霞等報道，災害降低了土壤容重，使土壤孔隙配比更合理，大幅度提高總孔隙、毛管孔隙和非毛管孔隙；相比小林隙和郁閉森林土壤，非毛細孔隙度在大林隙土壤中較低，土壤容重則下降。許建新等報道，與2008年相比，2011年杉木林地土壤容重降低，而土壤毛管持水量、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和通氣孔隙度均升高。整體來說，在冰雪災害后的一兩年短時間內林地整體的土壤物理性質得到改善，有利于林下植物生長。但從長期來看，冰雪災害后增加了森林地表和大氣之間的輻射交換，林冠殘體分解后，凋落物輸入減少，土壤物理性質惡化，例如出現(xiàn)土壤緊實度增加和孔隙度減少。

土壤溫度和濕度對土壤質量產生重大影響。在許多地區(qū)，冰雪災害的主要表現(xiàn)為冠層干擾冰雪災害對地下環(huán)境的影響相對較小，一般通過冠層擾動產生的林隙來增加太陽輻射和減少植物水分吸收，進而改變土壤環(huán)境。因此，土壤表層溫度和水分與災害前的郁閉森林有差異。一般而言，林冠受損后引起的太陽輻射增加，提高了土壤溫度，林冠殘體對雨水吸收及對林地的覆蓋作用顯著增加了土壤含水量，土壤濕度是影響森林幼苗株高的主要因素。因此，災害后土壤濕度的增加在一定層度上有利于森林的恢復。但林隙大小對土壤溫度和水分的影響應不明顯。大林隙由于太陽輻射增加和植被覆蓋減少，比小林隙具有更高的土壤溫度和更多的土壤水分蒸發(fā)。另一方面，大林隙葉面積減少引起森林蒸騰速率的下降，導致土壤水分增加。一般認為，冰雪災害對森林小氣候的影響往往隨著時間的推移而減弱，恢復到冰雪災害前的小氣候所需時間取決于干擾的嚴重程度和森林植被的恢復速度。

2  冰雪災害對土壤化學特性的影響

土壤pH值受到太陽輻射的影響。由于太陽直接輻射隨著林隙的增大而增加，有助于提高空氣和土壤溫度，加速森林地表的枯枝落葉分解過程。在凋落物分解過程中釋放出大量的酸性物質，從而降低了土壤的pH值。所以，大林隙中的土壤pH值低于小林隙和郁閉的森林土壤。

土壤有機質是土壤質量的最重要指標，對土壤的化學和生物學特性有影響。災害后林隙的增加導致透光率增加、氣溫和土壤溫度升高，通過分解和礦化過程可促進土壤有機質的釋放。但是，由于災害后森林土壤緊實度增加，不利于土壤呼吸和空氣流動以及土壤養(yǎng)分累積。不同林隙尺寸的土壤樣地有機質有顯著差異。Scharenbroch等報道，林隙大小影響土壤養(yǎng)分，因為大林隙土壤礦化水平較高，植物吸收減少，可溶性養(yǎng)分增加，雨水淋洗造成的養(yǎng)分損失大于郁閉森林的土壤。Muscolo等發(fā)現(xiàn)，中等林隙、大林隙、郁閉森林與小林隙相比，其光透射率和土壤溫度較高，而有機質含量較低。Xu等報道，冰災通過光照強度對不同尺寸林隙的氣溫、水分和土壤溫度的影響具有差異性，但都促進森林地面的分解過程，導致杉木林土壤有機物含量高低排序為郁閉森林>小林隙>大林隙。SanClements等報道，大林隙中的林冠殘體的新鮮針葉數(shù)量增加，加速了凋落物分解，隨后新鮮針葉減少，導致大林隙中的有機積累減少。因此，在災害后幾年中，大林隙中的土壤有機質損失可能大于小林隙。這是因為有機質對大、小林隙和郁閉森林土壤礦化過程的敏感性不同，即林冠殘體的碎屑中有大量的綠色針葉，其非木質素的有機成分比正常的凋落葉更豐富，容易通過雨水淋洗而流失或者微生物快速代謝，因此分解速度更快。此外，坡度產生的土壤表面侵蝕可以造成土壤有機質減少。

在冰雪災害期間，樹木枝葉上形成的冰柱逐漸加大，當林冠的冰凍負荷過大時，易引起大量的枝干折斷，造成林冠殘體覆蓋林地；同時根拔產生的大量倒木，為森林生態(tài)系統(tǒng)提供了更多的額外養(yǎng)分輸入，影響森林的養(yǎng)分循環(huán)。冰雪災害短期促進了林冠和樹干殘體以及凋落物的分解與養(yǎng)分釋放，土壤全N、全P和全K、堿解N和速效P含量大幅增加，這得益于大量非正常凋落物和樹干殘體的分解，而速效K含量由于雨水淋洗而減少。Houlton等報道，1997年1月份美國新英格蘭哈伯德布魯克森林發(fā)生冰雪災害后，林隙太陽輻射的增強刺激了微生物分解（礦化）和隨后因硝化作用產生的N超過生物的需求，加上樹木受傷降低了根系對NO3 –的吸收，受害林分土壤溶液的NO3濃度升高，對N循環(huán)產生擾動。原因可能是在生長季初期，高C/N的枯枝落葉增加導致土壤微生物對N的固定增強。但到了8月份，受損害樹木對N的季節(jié)性吸收量減少，加上土壤可溶性N充足，導致N在土壤中隨水分下滲，以及森林土壤下層的NO3-濃度升高。此外，土壤溶液硝酸鹽、全N和全P流失隨著林隙的增大而增加。

3  冰雪災害對土壤生化特性的影響

作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成之一，土壤微生物與森林生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量流動、生物地化循環(huán)過程以及生態(tài)系統(tǒng)功能維持有密切關系。冰雪災害改變了喬木的冠層結構，土壤理化性質發(fā)生了大幅度變化，增加了土壤緊實度，不利于土壤呼吸和空氣的傳導以及土壤養(yǎng)分的累積，從而降低土壤微生物功能多樣性和種群數(shù)量。微生物對外界環(huán)境變化的反應比植物和動物更敏感。森林土壤養(yǎng)分和肥力的提高，可以促進微生物代謝，有利于增加微生物功能多樣性。Chen等報道，土壤肥力低的桉樹林土壤微生物群落的C代謝功能較低。Lagerlöf等研究發(fā)現(xiàn)，土壤養(yǎng)分的增加有利于提高微生物多樣性。Tian等也報道，土壤有機質和養(yǎng)分的減少降低了土壤微生物群落的代謝多樣性。此外，土壤水分也影響微生物多樣性。Bossio等研究發(fā)現(xiàn)，微生物代謝多樣性與土壤水分含量之間存在著顯著相關性，因為土壤含水量降低可能會減少碳水化合物和羧酸等C化合物的利用率。在冰雪災害之后，林隙大小對土壤微生物多樣性起著關鍵作用。林隙大小決定光照的分布和強度，可改變土壤溫度和土壤水分等微氣候，進而影響土壤微生物群落。區(qū)余端等報道，冰雪災害后形成的大林隙，其土壤微生物群落的豐富度、多樣性和均勻度都低于小林隙的；土壤微生物功能多樣性也低于后者。原因是大林隙太陽輻射增大導致氣溫和土壤溫度的升高和波動，加快了土壤水分蒸發(fā)，降低了土壤水分含量，不利于土壤微生物活動，從而降低了土壤微生物群落的代謝活動。小林隙因為有更大的空間異質性、下層植被多樣性以及下層植被提供了多樣化的凋落物和根系分泌物，有利于增加土壤微生物的多樣性。

土壤酶對維持森林土壤有機物形成和營養(yǎng)循環(huán)起著重要的作用，是影響土壤質量的重要因素。土壤生態(tài)系統(tǒng)中的酶活性水平隨有機質含量、生物活性和生物過程強度而變化。由于林冠折損引起林地光照和溫度變化幅度大，導致土壤微生物數(shù)量減少，從而降低脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性。此外，土壤酶活性對不同林隙土壤的響應不同。Xu等報道，災害3年后的杉木林小林隙與郁閉森林土壤的酸性磷酸酶、脲酶或過氧化氫酶活性之間沒有顯著差異，而大林隙中土壤有機質含量低導致脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶活性顯著下降。此后，由于林冠逐漸郁閉、樹木恢復生長加快，根系分泌物增加及微生物日趨活躍，土壤酶活性有所提高。

4  研究展望

隨著全球氣候變暖，雨雪冰凍災害等自然干擾的發(fā)生頻率隨之增長，且由于大多數(shù)雨雪冰凍災害發(fā)生的偶然性和難以預測，通過加強冰雪災害后的森林修復研究，掌握雨雪冰凍發(fā)生的機制，提出相應預防措施及災后恢復措施非常重要。今后的研究熱點如下：

1）關于冰雪災害后的森林恢復研究目前主要集中在造林方面，對生長中的林分結構特征，如林木受害程度和特點、樹種豐富度以及樹種組成等也進行了較多的研究。對于冰雪災害引起的土壤物理、化學和生物性質的變化，例如冰雪災害后的養(yǎng)分循環(huán)、土壤微生物的變化等研究較少。加強災后森林養(yǎng)分循環(huán)和土壤微生物以及森林土壤修復的長期研究非常必要，以期為加快受損土壤生態(tài)系統(tǒng)的恢復和提高森林的恢復速度提供經營參考。

2）對于冰雪災害后的森林調查目前局限于零散的受災林地，所得到的數(shù)據(jù)系統(tǒng)性差。3S（遙感技術RS、地理信息系統(tǒng)GIS、全球定位系統(tǒng)GPS）技術的出現(xiàn)為森林資源現(xiàn)狀的測量以及森林動態(tài)系統(tǒng)變化的監(jiān)測等提供了更為方便快捷、簡單有效的手段，可以用于監(jiān)測和估算受災前后森林生物量、生產力、蓄積量等的動態(tài)變化。將生態(tài)系統(tǒng)尺度與景觀尺度（樣地調查與3S）相結合，是未來對受災森林快速評估研究的方向之一，可以為災后森林系統(tǒng)的恢復提供依據(jù)。

3）目前的調查一般都是以受災嚴重的一些林分為對象進行研究，調查方法和指標各異，尚無統(tǒng)一的能夠準確評估森林災害的指標體系和準則。所得數(shù)據(jù)雖然有一定的參考價值，但是難以反映大面積受災林分的規(guī)律。因此，運用統(tǒng)計學的方法將相關的文獻數(shù)據(jù)進行整合分析，選擇最有效而重要的指標，建立和完善受災森林生態(tài)系統(tǒng)評估體系是今后研究的主要方向之一。

4）目前，缺乏復雜的建模技術來準確預測森林土壤恢復特性。需要通過建立數(shù)學模型和計算機模擬方法預測環(huán)境變化對森林土壤恢復的影響，以達到對森林土壤恢復進行動態(tài)定量化研究。由于模型的復雜性，需要開展生態(tài)學、應用生態(tài)學、計算機和統(tǒng)計學等多學科聯(lián)合攻關。

5）加強土壤微生物群落、土壤呼吸和土壤理化性質相互關系和作用機理的研究，找出主導因子并進行調控，可以豐富和完善森林系統(tǒng)恢復的理論和指導森林管理。

6）建立以森林生產力、森林種群動態(tài)、土壤理化性質、微生物群落為基本因子的生態(tài)修復模型，結合計算機進行模擬，以預測冰雪災害后的森林恢復過程。

7）土壤種子庫反映了森林群落未來的發(fā)展?jié)摿?，這在很大程度上決定了植物群落發(fā)展的進度和方向。加強冰雪災害后森林群落土壤種子庫研究，對于災后森林系統(tǒng)的恢復非常重要。