大興安嶺南部主要林分地表可燃物負(fù)荷量及其影響因子研究

周澗青，劉曉東，郭懷文

(1 北京林業(yè)大學(xué) 省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，北京100083；2 武警黑龍江森林總隊大興安嶺地區(qū)支隊，黑龍江 大興安嶺165000)

森林地表可燃物是林火發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，地表可燃物負(fù)荷量影響著森林火災(zāi)發(fā)生時的潛在火強(qiáng)度等林火行為指標(biāo)。森林地表可燃物的燃燒是林火的初始階段，其燃燒強(qiáng)弱不僅取決于自身的尺寸大小、結(jié)構(gòu)狀態(tài)等理化性質(zhì)，還取決于地表可燃物的數(shù)量及其分布格局[1]。在既定的環(huán)境條件下，森林可燃物的負(fù)荷量大小顯著影響著林火的行為特征[2-4]。因此，林火生態(tài)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)一直包括對森林可燃物負(fù)荷量及其影響因子的研究[5]。利用林分因子來建立可燃物負(fù)荷量模型的研究最早始于美國[6-7]；Ryu等[8]提出通過火燒減少可燃物負(fù)荷量從而降低森林的燃燒性；Finney[9]認(rèn)為應(yīng)制定長期有效的可燃物管理措施，定期監(jiān)測林內(nèi)的可燃物，從而采取相應(yīng)的措施清理可燃物來降低森林火險。我國對可燃物及其管理的研究起步相對較晚，邸雪穎等[10]、劉曉東等[11]建立了大興安嶺林區(qū)1，10和100 h時滯的地表可燃物負(fù)荷量數(shù)學(xué)模型。田曉瑞等[12]對大興安嶺南部地區(qū)春季火燒后可燃物消耗的研究發(fā)現(xiàn)，地表可燃物負(fù)荷量在不同火燒程度下有一定差異，而可燃物與林火間關(guān)系的研究是探究森林火災(zāi)碳排放的基礎(chǔ)。王明玉等[13]對北京西山的可燃物進(jìn)行研究后，認(rèn)為草類和其他枯落物的負(fù)荷量及分布對森林火災(zāi)初始蔓延速度具有重要決定作用。舒立福等[14]認(rèn)為，由于可燃物的特性不同，其對林火行為的影響也不同，可以通過清理采伐現(xiàn)場或其他林火管理措施來減少可燃物。陳宏偉等[15]在分析不同時滯及總可燃物負(fù)荷量的基礎(chǔ)上，建立了大興安嶺呼中林區(qū)典型森林地表死可燃物負(fù)荷量及其影響因子的多元線性回歸方程。郭利峰等[16]對北京八達(dá)嶺林場人工油松林內(nèi)地表死可燃物負(fù)荷量與立地、林分因子的相關(guān)性進(jìn)行研究后認(rèn)為，可燃物負(fù)荷量與林分平均胸徑、平均樹高和密度呈正相關(guān)，與郁閉度、坡度呈負(fù)相關(guān)。胡海清[17]研究了大興安嶺森林地被可燃物負(fù)荷量與林分因子之間的關(guān)系，建立了各類可燃物負(fù)荷量模型，證明了利用林分特征因子估測地表可燃物負(fù)荷量是可行的。

大興安嶺南部地區(qū)氣候寒冷，地表可燃物分解速率慢，林下可燃物大量累積，一遇火源即有可能發(fā)生較強(qiáng)的火災(zāi)，其火災(zāi)類型以地表火為主[18-19]。其對該地區(qū)主要森林類型興安落葉松和白樺林內(nèi)的地表可燃物負(fù)荷量及其影響因子進(jìn)行了分析，以期為該地區(qū)森林可燃物的管理、林火行為預(yù)報及生物防火林帶的建設(shè)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

加格達(dá)奇位于大興安嶺南部余脈，屬低山丘陵地帶，地理坐標(biāo)為東經(jīng)123°45′-124°26′，北緯50°09′-50°35′。地勢西北偏高，東南偏低，平均海拔為472 m，土壤為棕色森林土，平均厚度22 cm。加格達(dá)奇地處高緯度寒溫帶地區(qū)，屬大陸性季風(fēng)氣候；夏季短暫，不超過1個月；冬季寒冷而漫長，冰凍期長達(dá)半年之久；春秋兩季天氣變化強(qiáng)烈，高溫、干燥和大風(fēng)天氣常見，因而春季和秋季是林火的高發(fā)期。全年平均溫度-2～4 ℃，年溫差較大，年有效積溫1 700～2 100 ℃，無霜期為85～130 d。年降水量為450～500 mm，且多集中在夏季，7-8月降水量占全年降水量的85%～90%[20]。

該區(qū)地帶性植被類型為寒溫性針葉林，森林類型以興安落葉松(Larixgmelinii)及其混交林為主，主要的針葉喬木樹種有興安落葉松和樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)，闊葉喬木樹種由白樺(Betulaplatyphylla)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、山楊(Populusdavidiana)等組成。林下植被由偃松(Pinuspumila)、杜香(Ledumpalustre)、興安杜鵑(Rhododendrondauricum)、越橘(Vacciniumvitis-idaea)等為主的灌木層和以地榆(Sanguisorbaofficinalis)、貝加爾唐松草(Thalictrumbaicalense)、三穗薹草(Carextristachya)等為主的草本層組成。

1.2 研究方法

1.2.1 林分選擇 本研究于2012-09在大興安嶺加格達(dá)奇林業(yè)局境內(nèi)選擇具有代表性的興安落葉松林和白樺林，根據(jù)立地因子(海拔、坡度、坡位)和林分特征(林齡、郁閉度、密度、平均樹高、平均胸徑等)，各設(shè)置樣地6塊。樣地面積均為20 m×20 m，記錄樣地的海拔、坡度、坡位等立地因子，同時記錄郁閉度、胸徑、樹高、林齡等林分因子和林下凋落物層的厚度及腐殖質(zhì)層厚度，具體方法如下。1)郁閉度測定。在每個樣地拉2條對角線，計算樹冠投影到其中一條對角線上的長度之和與對角線長度(28 m)之比，得出的值即為郁閉度[21]。2)平均胸徑測定。在每個樣地內(nèi)對所有樹木進(jìn)行每木檢尺，測得胸徑(cm)并求其平均值。3)平均樹高測定。在每個樣地內(nèi)選取3株標(biāo)準(zhǔn)木，使用勃魯萊氏測高儀測量每株標(biāo)準(zhǔn)木的樹高(m)并求其平均值。4)平均林齡測定。在每個樣地選取3株標(biāo)準(zhǔn)木，使用生長錐測其林齡并求其平均值。5)凋落物及腐殖質(zhì)厚度測定。使用切刀切取死地被物層剖面，最大限度保持凋落物及腐殖質(zhì)的結(jié)構(gòu)形態(tài)，用刻度尺測量其厚度[22]。

試驗所選取樣地的基本概況見表1。

表1 大興安嶺南部興安落葉松林與白樺林樣地的基本概況

1.2.2 可燃物調(diào)查 本研究對以灌木、幼樹、草本、枯落物為主的地表可燃物負(fù)荷量進(jìn)行測定。在樣地對角線上設(shè)置3塊1 m×1 m的小樣方，用紙袋對樣方內(nèi)的地表可燃物按照1 h時滯(直徑<0.64 cm)、10 h時滯(0.64 cm≤直徑≤2.54 cm)、100 h時滯(2.54 cm<直徑≤7.62 cm)的標(biāo)準(zhǔn)分級采集[23]，在野外稱量其濕質(zhì)量，并取樣帶回實(shí)驗室測定其含水率。

易燃可燃物又稱為細(xì)小可燃物，本研究易燃可燃物主要包括大部分位于地表的枯草、枯葉、枯枝等死可燃物，這些可燃物輕薄細(xì)小，形成結(jié)構(gòu)疏松的可燃物層，彼此間空隙大，水分易流失，干燥、易燃，含水率隨大氣濕度變化而變化[24]。大部分草本、幼樹葉和小枝(基徑>1 cm)、灌木葉和小枝(基徑<1 cm)等小直徑活可燃物，在氣象條件發(fā)生改變時，含水率降至臨界點(diǎn)也極易燃燒。分布在林下地表的不同種類易燃可燃物是森林火災(zāi)的引火物和地表火水平蔓延的基礎(chǔ)。

1.2.3 室內(nèi)分析 將野外采集的樣品放入烘箱內(nèi)，恒溫105 ℃下連續(xù)烘干24～72 h至恒質(zhì)量，用電子天平稱得可燃物絕干質(zhì)量。采用北京林業(yè)大學(xué)王曉麗等[25]建立的公式計算地表可燃物負(fù)荷量，其公式如下：

(1)

式中：Fl為可燃物負(fù)荷量(g/m2)；i為可燃物類別，代表灌木、草本可燃物、1 h時滯可燃物、10 h時滯可燃物或100 h時滯可燃物；Wi g為第i類可燃物樣品烘干后的質(zhì)量(g)；Wi n為n個樣方單位面積第i類可燃物的平均濕質(zhì)量(g)，其中灌木n=5，草本、枯枝n=10；Wi G為第i類可燃物的濕質(zhì)量(g)；WB為紙袋干質(zhì)量(g)；WA為紙袋濕質(zhì)量(g)；

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 使用SPSS 21.0(IBM，2012)對興安落葉松和白樺林下各類別的森林地表可燃物與立地和林分因子進(jìn)行相關(guān)性分析，使用Origin 8.0(OriginLab，2007)繪制興安落葉松和白樺林下各級別地表可燃物的數(shù)量分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 大興安嶺南部興安落葉松林與白樺林的地表可燃物負(fù)荷量

根據(jù)公式(1)計算12塊樣地的地表可燃物負(fù)荷量，結(jié)果如表2所示。

對表2的樣地數(shù)據(jù)進(jìn)行整理求取興安落葉松林和白樺林內(nèi)地表可燃物平均負(fù)荷量，結(jié)果見圖1。

圖1 大興安嶺南部興安落葉松林與白樺林下各類地表可燃物的平均負(fù)荷量

由圖1可知，在興安落葉松林下，灌草平均可燃物負(fù)荷量為2.90 t/hm2，白樺林下此類可燃物平均負(fù)荷量為2.26 t/hm2；興安落葉松林下1 h時滯平均可燃物負(fù)荷量為6.34 t/hm2，白樺林下此類可燃物平均負(fù)荷量為2.65 t/hm2；興安落葉松林下10 h時滯平均可燃物負(fù)荷量為3.51 t/hm2，白樺林下此類可燃物平均負(fù)荷量為2.00 t/hm2；興安落葉松林下100 h時滯平均可燃物負(fù)荷量為3.05 t/hm2，白樺林下此類可燃物平均負(fù)荷量為1.58 t/hm2。興安落葉松林下的平均可燃物總負(fù)荷量為15.80 t/hm2，其中58.46%為易燃可燃物(灌木小枝、草本和1 h時滯可燃物)。白樺林下的平均可燃物負(fù)荷總量為8.48 t/hm2，其中57.91%為易燃可燃物。

由圖1還可知，興安落葉松林下的可燃物負(fù)荷量明顯高于白樺林。大興安嶺南部地區(qū)白樺林受火干擾影響較大[26]，地表可燃物有所損耗，林下更新較多。而興安落葉松林在充分郁閉前，林下生長著許多喜光易燃雜草，隨著林分密度的增大，林冠郁閉程度也隨之增加，林內(nèi)溫度變低，使林下枯落物分解速度減慢，林內(nèi)的可燃物大量積累，因而各類可燃物負(fù)荷量水平較高。

2.2 大興安嶺南部興安落葉松林地表可燃物負(fù)荷量的影響因子

對整個興安落葉松林的立地因子、林分因子與各類地表可燃物的負(fù)荷量進(jìn)行相關(guān)分析，其相關(guān)系數(shù)見表3。由表3可知，地形因子與各類地表可燃物負(fù)荷量相關(guān)性較低。就整個興安落葉松林而言，灌木可燃物負(fù)荷量與林分密度呈極顯著負(fù)相關(guān)，表明林分平均密度越大，林下的光線越弱，林下灌木生長受上層喬木壓制，因此密度較大的林分灌木可燃物負(fù)荷量相對較小。草本可燃物負(fù)荷量也與林分密度呈極顯著負(fù)相關(guān)，這是由于在林分未郁閉前，林下具備耐蔭、喜陰草本的生長條件，隨著林分密度逐漸增大，林下小環(huán)境發(fā)生改變，林下光照減弱，加之喬冠層生長所吸取的養(yǎng)分增多，草本可燃物負(fù)荷量逐漸減少。1 h時滯、10 h時滯可燃物負(fù)荷量與林分郁閉度、平均胸徑和平均樹高呈顯著或極顯著正相關(guān)，這是因為隨著林分郁閉度、平均胸徑和樹高的增大，林分的冠幅越來越大，林下的枯落物逐漸增加[27]，從而使得1 h時滯和10 h時滯可燃物越來越多。100 h時滯可燃物負(fù)荷量與林分的郁閉度、平均胸徑和平均樹高呈顯著或極顯著正相關(guān)，是因為隨著郁閉度、樹高和胸徑的增加，單位面積內(nèi)樹木的生長空間減小，自然稀疏現(xiàn)象在林分內(nèi)就越明顯，較大的枯枝越來越多地出現(xiàn)在林下[28]，使得100 h時滯可燃物負(fù)荷量增加。

地表的自然情況也會影響林內(nèi)的地表可燃物負(fù)荷量，對興安落葉松林下的地表可燃物與凋落物厚度、腐殖質(zhì)厚度間的關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步研究，結(jié)果見表3。從表3可以看出，灌木和草本可燃物負(fù)荷量與地被物層無顯著相關(guān)性，1 h時滯、10 h時滯、100 h時滯可燃物負(fù)荷量與凋落物厚度、腐殖質(zhì)厚度呈顯著或極顯著正相關(guān)，凋落物厚度越大，枯落物在林內(nèi)的積累越多，腐殖質(zhì)厚度逐漸增大。

表3 大興安嶺南部興安落葉松林各因子與地表可燃物負(fù)荷量的相關(guān)系數(shù)

2.3 大興安嶺南部白樺林地表可燃物負(fù)荷量的影響因子

對白樺林的林分、地形因子與各類地表可燃物的負(fù)荷量進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見表4。由表4可知，立地因子對白樺林各類可燃物負(fù)荷量無顯著影響。白樺林中灌木和草本可燃物負(fù)荷量與林分密度呈極顯著負(fù)相關(guān)，這是因為隨著林分密度的增加郁閉度增大，林內(nèi)光線減弱,不宜灌草生長，同時密度大的林分物種的生長競爭也較為激烈，隨著林分密度的增大可燃物負(fù)荷量減小。1 h時滯、10 h時滯和100 h時滯可燃物負(fù)荷量與林分平均胸徑、腐殖質(zhì)層厚度呈顯著或極顯著正相關(guān)，這是因為隨著林分平均胸徑的增大，其冠幅逐漸增加，郁閉度增大，使林內(nèi)溫度降低，林木自然整枝產(chǎn)生的枯枝在林下積累，使腐殖質(zhì)層也隨之增加，導(dǎo)致可燃物負(fù)荷量增大。

表4 大興安嶺南部白樺林各因子與地表可燃物負(fù)荷量的相關(guān)系數(shù)

3 討論與結(jié)論

在大興安嶺南部地區(qū)，興安落葉松林下的平均可燃物負(fù)荷總量為15.80 t/hm2，其中58.46%為易燃可燃物。白樺林下的平均可燃物負(fù)荷總量為 8.48 t/hm2，其中57.91%為易燃可燃物?？傮w而言，大興安嶺南部地區(qū)的地表可燃物負(fù)荷量水平較低；郁閉度、平均樹高和平均胸徑是影響林分地表可燃物負(fù)荷量的主要因子。相關(guān)分析結(jié)果表明，興安落葉松林下灌木與草本可燃物負(fù)荷量主要與林分密度呈負(fù)相關(guān)；1 h時滯、10 h時滯和100 h時滯可燃物負(fù)荷量與郁閉度、平均胸徑、平均樹高呈正相關(guān)。白樺林下灌木、草本可燃物負(fù)荷量與林分密度呈負(fù)相關(guān)，1 h時滯、10 h時滯和100 h時滯可燃物負(fù)荷量主要與平均胸徑呈正相關(guān)。這與以往研究所得出的結(jié)論一致。胡海清[17]、陳宏偉等[15]、郭利峰等[16]的研究認(rèn)為，可燃物負(fù)荷量與海拔、坡度、坡向等立地因子的相關(guān)性也較高。本研究雖然也涉及地形因子與可燃物負(fù)荷量的相關(guān)性分析，但相關(guān)性并不顯著，這可能是由于大興安嶺南部地區(qū)地形的整體差異較小所致。國內(nèi)有學(xué)者研究認(rèn)為，林下可燃物負(fù)荷量及其分布與林齡密切相關(guān)[29-31]，而本研究顯示可燃物負(fù)荷量與林齡無明顯的相關(guān)關(guān)系，這可能是由于研究區(qū)興安落葉松林和白樺林林分的齡級比較接近造成的。

森林地表可燃物主要包括林下植被、枯落物層和地被物層，其生物量是地表可燃物負(fù)荷量的重要組成部分。研究森林地表可燃物負(fù)荷量的影響因子，可以對大興安嶺南部地區(qū)相似林分類型的可燃物管理提供一定的參考依據(jù)。本研究結(jié)果表明，研究區(qū)可燃物負(fù)荷量在不同林分內(nèi)的分布特點(diǎn)各有不同，因此在進(jìn)行可燃物管理時，應(yīng)選擇合理適宜的措施。例如，郁閉度顯著影響著林下可燃物的負(fù)荷量，因此對郁閉度較高、人類活動頻繁的林分應(yīng)該定期清理林下可燃物，以減少可燃物的負(fù)荷量。在現(xiàn)今森林生態(tài)系統(tǒng)不斷受到危害的嚴(yán)峻形勢下，森林經(jīng)營活動應(yīng)逐漸重視保護(hù)森林物種的多樣性與森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；對森林可燃物的管理應(yīng)更加突出生態(tài)效益，選擇有針對性的可燃物管理措施，降低潛在森林火災(zāi)風(fēng)險；在營林工作中應(yīng)注重保護(hù)森林物種的多樣性，提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而科學(xué)地管理大興安嶺南部地區(qū)森林可燃物[32]。

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