山東省不同林分地表可燃物載量及其燃燒性研究

秦乃花,陳 瑞,呂常笑,秦曉銳,吳 可*,周志強(qiáng)

(1.山東省國土空間規(guī)劃院,山東 濟(jì)南 250014;2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué),山東 泰安 271018)

林火是存在于森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要生態(tài)因子[1-2],森林可燃物是林火發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)。根據(jù)空間分布劃分森林可燃物,可分為地下、地表和空中可燃物[3-4]。林火多起源于地表可燃物的燃燒,形成地表火,進(jìn)而上升為樹冠火[5]。不同林分地表可燃物載量及其燃燒性決定了林火行為的特征。研究分析不同林分森林可燃物載量及其燃燒特性,對地表可燃物的管理和林火預(yù)測預(yù)報(bào)具有重要意義[6-8]。不同學(xué)者對森林可燃物做了大量研究,單延龍等[9]對長白山林區(qū)主要林型進(jìn)行對比,得出落葉松林可燃物載量相對較高。Casals 等[10]調(diào)查地中海松林,其中Roc Estret 地區(qū)地表可燃物載量較高,為 1.06 kg·m-2。

生態(tài)系統(tǒng)各環(huán)境因子的作用影響森林可燃物載量的大小和分布。云麗麗等[6]對阜新地區(qū) 4 種易燃林可燃物載量進(jìn)行調(diào)查研究,得出喬木林可燃物載量大于灌木林可燃物載量。賈斌英等[11]研究發(fā)現(xiàn)油松人工純林更易燃,其載荷量林分密度、林齡呈正相關(guān)且與坡向、坡位都有密切關(guān)系。Ivanova 等[12]對西伯利亞針葉林中的黑松林可燃物進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)地表可燃物載量與胸徑、樹高和林齡呈顯著正相關(guān)。Lydersen等[13]認(rèn)為地表可燃物與郁閉度相關(guān)性較大。胡海清[14]通過林分因子建立地表可燃物模型,其擬合結(jié)果較好。森林燃燒性是森林可燃物被引燃的難易程度和著火后的燃燒狀態(tài)及燃燒速度等的綜合反應(yīng)[15]。王剛等[16]研究了4種不同樹種的理化性質(zhì)參數(shù)對其燃燒性的影響,得出森林可燃物的燃燒性受化學(xué)組成的綜合影響。祝必琴等[17]通過測定可燃物理化性質(zhì)和燃燒性,得出不同林型中,針葉林燃燒性最強(qiáng)、最易燃,且樹葉易燃性強(qiáng),樹枝則是燃燒性較強(qiáng)。裴建元等[18]通過研究江西南昌10種常綠闊葉樹種的熱值和燃點(diǎn),發(fā)現(xiàn)熱值越高,燃點(diǎn)越低,火強(qiáng)度越大,可燃物越容易著火。李艷芹等[19]通過K-Means聚類分析法,從生物學(xué)和生態(tài)學(xué)角度對50個(gè)樹種的燃燒性質(zhì)進(jìn)行分析。王雷等[20]對呼和浩特市21種園林樹種進(jìn)行燃燒性研究,應(yīng)用主成分分析進(jìn)行排序,篩選出地區(qū)園林抗火樹種。李旭等[21]運(yùn)用層次分析法,對滇中地區(qū)15種木本植物的燃燒性進(jìn)行分析。而對于山東省主要林分地表可燃物載量及燃燒性的研究較少,本研究以山東省11種林分的地表可燃物為對象,測定可燃物載量、含水率、燃點(diǎn)、熱值,應(yīng)用主成分分析法比較11種林分的燃燒性并進(jìn)行綜合排序。研究結(jié)果可為山東省地表可燃物管理、林火預(yù)測預(yù)報(bào),以及有關(guān)森林防火技術(shù)體系的建設(shè)和滅火措施的制定提供科學(xué)的依據(jù)[12]。

1 研究區(qū)概況

山東省位于中國東部沿海(34°22.9′-38°24.01′N,114°47.5′-122°42.3′E),屬暖溫帶季風(fēng)氣候,無霜期180～220 d。夏季多雨,春季少雨,多年平均降水量為676.5 mm。全省中部以山地為主,西南、西北低洼平坦,東部緩丘起伏,形成以山地丘陵為骨架、平原盆地交錯(cuò)環(huán)列其間的地形。據(jù)統(tǒng)計(jì),森林覆蓋率為20.18%。

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置與可燃物采集

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置 結(jié)合全國第9次森林資源清查成果和山東省各地區(qū)優(yōu)勢樹種的分布情況,在全省范圍內(nèi)選擇具有代表性的黑松林(Pinusthunbergii)、赤松林(P.densiflora)、側(cè)柏林(Platycladusorientalis)、油松林(P.tabuliformis)、麻櫟林(Quercusacutissima)、刺槐林(Robiniapseudoacacia)、楊樹林(Populus)、黑松-刺槐林,赤松-麻櫟林,側(cè)柏-刺槐林,刺槐-麻櫟林,設(shè)置25.82 m×25.82 m的正方形標(biāo)準(zhǔn)地,林分因子和立地因子情況見表1。

表1 各林分因子調(diào)查概況Table 1 General information of the stand factor survey

2.1.2 可燃物樣品采集 于2021年3-6月、9-11月進(jìn)行采樣。灌木層采樣:在樣地內(nèi)設(shè)置5個(gè)2 m×2 m的小樣方,收獲、測定其地上干、枝和葉鮮重?；旌?個(gè)樣方內(nèi)的灌木,不少于 500 g,帶回實(shí)驗(yàn)室測定其干鮮比。

2.2 室內(nèi)試驗(yàn)與計(jì)算

將采集樣品放入80 ℃烘箱內(nèi)烘干48 h至絕干,電子天平稱重,計(jì)算其可燃物載量和含水率[33]。將烘干后的枯落物和腐殖質(zhì)樣品用植物粉碎機(jī)磨成粉末狀,過40目篩。用DW-02型點(diǎn)著溫度測定儀測定燃點(diǎn),用ZDHW-6000微機(jī)全自動(dòng)量熱儀測定熱值。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

運(yùn)用Excel 2010對數(shù)據(jù)整理,SPSS Statistics 25進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn),利用Pearson相關(guān)性分析來檢驗(yàn)相關(guān)性,origin2019b(32bit)作圖。對地表可燃物的載量、含水率、燃點(diǎn)、熱值進(jìn)行主成分分析,并對樹種燃燒性進(jìn)行排序。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林分地表可燃物載量

由圖1可見,各林分中枯落物1和腐殖質(zhì)載量占地表可燃物總載量高,草本層和枯落物3載量占比較低。黑松、麻櫟、刺槐、楊樹、黑松-刺槐林、赤松-麻櫟林、側(cè)柏-刺槐林和刺槐-麻櫟林8種林分中,枯落物1載量占地表可燃物總載量分別為43.02%、52.67%、44.78%、40.36%、44.56%、65.61%、51.88%、49.48%,草本層載量占地表可燃物總載量依次為1.45%、2.11%、3.76%、0.26%、1.88%、1.43%、3.20%、2.32%。在赤松林中,枯落物1載量占其林分地表可燃物總載量最高,枯落物3載量占地表可燃物總載量最低,分別為48.16%、0.22%;側(cè)柏林中,枯落物1載量占其林分地表可燃物總載量最高,枯落物3占地表可燃物總載量最低,分別為53.54%、0.69%。油松林分中地表可燃物總載量占比最高的是腐殖質(zhì)層,為37.36%,占比最低的是枯落物3,為2.30%。

不同小寫字母表示林分各層可燃物載量在0.05水平上存在顯著性差異。下同。圖1 同一林分不同層次地表可燃物載量Fig.1 Surface combustible fuel load of different layers in the same forest

由圖2可知,黑松的可燃物總載量最高為20.644 t·hm-2,楊樹林的總載量最低為8.483 t·hm-2。各林分枯落物2和枯落物3載量均無顯著差異。油松林的灌木層與赤松林的灌木層載量無顯著差異,與楊樹林灌木層載量差異較顯著。油松林的草本層載量與赤松林、楊樹林、赤松-麻櫟林、刺槐-麻櫟林草本層載量差異顯著。赤松-麻櫟林的枯落物1載量最高,與油松林、刺槐林、楊樹林、側(cè)柏-刺槐林、刺槐-麻櫟林的枯落物1載量有顯著差異。油松林的腐殖質(zhì)層載量與麻櫟林、刺槐林、楊樹林、赤松-麻櫟、側(cè)柏-刺槐林、刺槐-麻櫟林的腐殖質(zhì)層載量有顯著差異。

圖2 同一層次不同林分地表可燃物載量Fig.2 Surface combustible fuel load of different stands at the same level

3.2 不同林分地表可燃物含水率

林下灌木層和草本層都是活可燃物,含水率遠(yuǎn)高于其他死可燃物,自然環(huán)境下極難被引燃。因此,只對枯落物層和腐殖質(zhì)層進(jìn)行含水率分析。由表2可知,不同林分間楊樹林枯落物層含水率最高,為39.70%,油松林的枯落物層含水率最低,為19.41%。楊樹林腐殖質(zhì)層含水率最高,為40.73%,黑松林腐殖質(zhì)層含水率最低,為20.35%。

表2 不同林分地表可燃物含水率Table 2 Surface fuel moisture content of different forest (%)

3.3 不同林分地表可燃物燃點(diǎn)、熱值

單位質(zhì)量可燃物完全燃燒時(shí)所放出的熱量值叫作熱值[22]。熱值越高,火行為的強(qiáng)度越大[23-25]。易燃物質(zhì)在被迫著火后,將外來火源移去仍能保持繼續(xù)燃燒,且燃燒時(shí)間不少于5 s的最低溫度稱為燃點(diǎn)或者著火點(diǎn)[26]。由表3可知,同一林分中,枯落物燃點(diǎn)<腐殖質(zhì)燃點(diǎn),枯落物熱值>腐殖質(zhì)熱值。因此,枯落物比腐殖質(zhì)發(fā)生火險(xiǎn)的概率更大?？萋湮镏?油松燃點(diǎn)最低,為265.67 ℃,黑松次之,為268.81 ℃;刺槐-麻櫟林燃點(diǎn)最高,為283.15 ℃。油松林熱值最高,為21 911.78 J·g-1,楊樹林熱值最低,為15 432.05 J·g-1。整體來看針葉林比闊葉林和混交林更易燃燒。這可能是因?yàn)獒樔~樹種內(nèi)含大量油脂類成分,引起燃燒的可能性更大。

表3 不同林分地表可燃物燃點(diǎn)、熱值Table 3 Ignition points and calorific values of surface fuel of different forest

3.4 地表可燃物載量與影響因子的相關(guān)性

將不同林分的可燃物總載量與立地因子(海拔、坡度)、林分因子(郁閉度、林分密度、平均樹高、平均胸徑、平均枝下高和林齡)進(jìn)行相關(guān)分析(圖3),發(fā)現(xiàn)海拔與油松林的可燃物總載量呈顯著負(fù)相關(guān),這可能是因?yàn)殡S著海拔的升高,油松林分密度變小,枯枝落葉凋落量少。海拔與麻櫟林的可燃物總載量呈顯著正相關(guān)。麻櫟屬闊葉樹種,葉片面積較大,增加了與空氣接觸面,再加上海拔高的地區(qū)風(fēng)力較大,加速了枯枝的凋落。油松林與側(cè)柏林的可燃物總載量與坡度呈極顯著負(fù)相關(guān),隨著坡度的增大,植物附著力降低且土壤趨于干燥、貧瘠,樹木生長緩慢,植株細(xì)弱,枝、葉凋落量減少。麻櫟林與郁閉度呈顯著正相關(guān)。郁閉度增大,枝葉茂盛、自然整枝,使枯落物累積量增加,腐殖質(zhì)載量也相應(yīng)增加,高郁閉度環(huán)境適合耐陰草本植物的生長,同時(shí)郁閉環(huán)境使林內(nèi)氣溫低,濕度大,降低了微生物對枯落物和腐殖質(zhì)的降解能力。側(cè)柏林與林分密度呈極顯著正相關(guān),林分密度大,林下凋落物越多。油松林、黑松林、赤松林、刺槐林和側(cè)柏林與平均樹高呈顯著或極顯著正相關(guān)。油松林和麻櫟林與平均枝下高呈顯著或極顯著正相關(guān)。赤松林、側(cè)柏林、麻櫟林、刺槐林和側(cè)柏-刺槐林與平均胸徑呈顯著或極顯著正相關(guān)。平均樹高、平均枝下高越高,林下空間充足,空氣流通好,灌木層和草本層載量相應(yīng)增大。平均胸徑越大,自身代謝加快,凋落枯枝增多。赤松-麻櫟林與平均枝下高呈顯著負(fù)相關(guān),這可能是因?yàn)榛旖涣值牧址纸M成有關(guān)。油松林、黑松林與林齡呈極顯著正相關(guān),麻櫟林、黑松-刺槐林與林齡呈顯著正相關(guān)。刺槐林與林齡呈顯著負(fù)相關(guān)。刺槐生長年限較短,林齡越大,刺槐枯死的可能性就越大,再加上地表微生物對枯落物和腐殖質(zhì)的分解,因此林下可燃物的載量變小。

生理指標(biāo)：用光合儀（便攜式LI－6400）在大喇叭口期測定功能葉片（第1片完全展開葉）的凈光合速率和蒸騰速率。

圖3 地表可燃物載量與林分因子及地形因子的相關(guān)性Fig.3 Correlation between surface fuel load and stand factor and terrain factor

3.5 地表可燃物燃燒性的主成分分析

把載量、含水率、燃點(diǎn)、熱值(X1,X2,X3,X4)4個(gè)指標(biāo)作為地表可燃物燃燒性研究的主要變量因子,基于主成分分析法對不同林分燃燒性進(jìn)行綜合評價(jià)。

從表4可以看出,枯落物中,主成分1的貢獻(xiàn)率最大,為76.94%,特征值為3.078,說明主成分1起主導(dǎo)作用。在主成分1中載量、含水率、熱值載荷值較高,且這3個(gè)指標(biāo)對主成分1產(chǎn)生正向影響,說明載量、含水率、熱值對于燃燒性的分析評價(jià)影響顯著,燃點(diǎn)則產(chǎn)生負(fù)向影響。主成分2的貢獻(xiàn)率為15.754%,特征值為0.630,其中載量載荷值較高,產(chǎn)生正向影響,含水率和熱值產(chǎn)生負(fù)向影響。

表4 枯落物中不同指標(biāo)的主成分分析Table 4 Principal component analysis of different indicators in litter

從表5可以看出,腐殖質(zhì)中主成分1的特征值為3.769,貢獻(xiàn)率達(dá)到94.222%,載量、含水率、熱值載荷值較高,燃點(diǎn)對腐殖質(zhì)有負(fù)影響。

3.6 不同林分地表可燃物燃燒性的綜合評價(jià)

結(jié)合所提取主成分的情況,構(gòu)建地表可燃物燃燒性的評估模型。再以主成分所對應(yīng)載荷值及特征值來獲得相關(guān)的特征向量。

枯落物建立因子得分模型如下。

f1=0.413X1+0.546X2-0.508X3+0.523X4

(1)

f2=0.859X1-0.093X2+0.494X3-0.103X4

(2)

腐殖質(zhì)層建立因子得分模型如下。

f=0.521X1+0.538X2-0.529X3+0.525X4

(3)

式中:f1、f2為枯落物層主成分1、2的得分;f為腐殖質(zhì)主成分1的得分,以各主成分的貢獻(xiàn)率為權(quán)重,計(jì)算得到各層綜合評價(jià)函數(shù)。

F枯=(76.943×f1+15.754×f2)/92.697

F腐=94.222×f/94.222

(4)

通過10位專家打分確定各層所占權(quán)重:枯落物層權(quán)重為0.73,腐殖質(zhì)層權(quán)重為0.27,帶入下列公式

F總=F枯×0.73+F腐×0.27

(5)

由表6可知,不同林分林下地表可燃物燃燒特性強(qiáng)弱排序?yàn)?油松林>黑松林>赤松林>黑松-刺槐混交林>赤松-麻櫟混交林>側(cè)柏林>麻櫟林>側(cè)柏-刺槐林>刺槐林>刺槐-麻櫟林>楊樹林。油松林的燃燒特性最強(qiáng),楊樹林的燃燒特性最弱。

表6 不同林分綜合得分及排序Table 6 Comprehensive score and ranking of different stands

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

選取載量、含水率、燃點(diǎn)、熱值4個(gè)能直接反應(yīng)可燃物燃燒性的因子,來研究不同林分地表可燃物的燃燒特性,得出黑松的可燃物總載量最高,含水率低;楊樹林的總載量最低,含水率最高。同一林分中,枯落物燃點(diǎn) <腐殖質(zhì)燃點(diǎn),枯落物熱值>腐殖質(zhì)熱值。各林分地表可燃物載量與地形因子中的海拔、坡度相關(guān)性較大,與林分因子中的林齡、平均樹高、平均胸徑相關(guān)性較大。不同林分地表可燃物燃燒特性中,油松林的燃燒特性最強(qiáng),楊樹林的燃燒特性最弱。

由于時(shí)間和試驗(yàn)條件的限制,未考慮灰分、粗脂肪、蔓延速度等因素對于燃燒性的影響,下一步還需要繼續(xù)完善。此外,本地區(qū)還分布有其他林分,在以后研究中,可以對更多林分進(jìn)行調(diào)查和分析,以完善對山東省不同林分類型地表可燃物的研究,從而制定更加科學(xué)合理的森林可燃物管理措施。

4.2 討論

4.2.1 不同林分可燃物載量對其燃燒性的影響 森林地表可燃物是林火發(fā)生的基礎(chǔ),各種環(huán)境要素通過不同的方式影響著植物群落的生長,進(jìn)而影響著可燃物的載量,不同層次可燃物載量影響著火行為特征[26]。研究表明,可燃物的積累大大增加了火災(zāi)發(fā)生的概率[27-29]。秋冬季節(jié)闊葉樹種葉片大量凋落,地表枯落物累積量劇增,地表總載量顯著增多,加上冬季氣溫低,風(fēng)速大,空氣相對干燥,容易引發(fā)森林火災(zāi)。本文研究了山東省11種林分地表可燃物載量的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn),油松林、黑松林、赤松林、側(cè)柏林、麻櫟林、刺槐林、楊樹林、黑松-刺槐林、赤松-麻櫟林、側(cè)柏-刺槐林、刺槐-麻櫟林的可燃物總量分別為20.154、20.644、18.392、13.789、14.773、11.407、8.047、17.521、16.714、9.127、10.431 t·hm-2,針葉林和針闊混交林的地表總可燃物載量遠(yuǎn)高于10 t·hm-2,闊葉林的地表總可燃物載量略高于10 t·hm-2,闊葉混交林地表總可燃物載量低于10 t·hm-2,這可能是因?yàn)獒樔~樹種體內(nèi)含有大量油脂,該成分較為特殊,不易分解,隨著樹木生長,枯枝落葉逐漸積累,加上布設(shè)樣地區(qū)域長期未進(jìn)行可燃物清理,使針葉林地表可燃物載量增加,具有較高的森林火災(zāi)隱患。因此我們要加強(qiáng)對林下可燃物尤其是針葉林林下可燃物的清理,通過清理采伐減少地表可燃物的載量[30]。

相關(guān)結(jié)果分析表明,地表可燃物載量大小與地形因子和林分因子有密切關(guān)系[31]。本研究結(jié)果表明,海拔、坡度、平均樹高、平均胸徑、平均枝下高、林齡是影響地表可燃物載量的主要因子,結(jié)果與王叁等[32]基本一致。劉趙東[33]認(rèn)為北京地區(qū)油松林地表可燃物總載量與海拔和坡度呈顯著正相關(guān)關(guān)系,這與本研究結(jié)果相反,這是因?yàn)檠芯繀^(qū)油松多為成熟林,郁閉度小,長勢緩慢,此外高海拔地區(qū)地表可燃物受風(fēng)力影響得不到補(bǔ)充。坡度越大,土壤越干燥,地表可燃物穩(wěn)固性差,出現(xiàn)緩坡聚集現(xiàn)象,使地表總可燃物載量減少。苗杰等[5]研究認(rèn)為,煙臺市赤松、黑松林地表可燃物載量與樹高無線性相關(guān)關(guān)系,本研究結(jié)果表明,平均樹高與地表可燃物載量呈顯著正相關(guān),這與樣地的選擇有較密切關(guān)系。刺槐林中,平均胸徑與林分密度中存在顯著負(fù)相關(guān),這與艾也博等[34]的研究結(jié)果一致。國內(nèi)有學(xué)者研究認(rèn)為,地表可燃物載量與林齡密切相關(guān)[32,35-36],本研究通過相關(guān)性分析得出林齡是影響可燃物載量的一個(gè)重要因子。

4.2.2 不同林分可燃物含水率、燃點(diǎn)、熱值對其燃燒性的影響 可燃物熱值的高低反映了林火強(qiáng)度,熱值越高釋放的能量越多,林火強(qiáng)度越大,燃燒速度越快[37]。燃點(diǎn)高低是判斷可燃物易燃性的重要指標(biāo)。通過對11種林分可燃物含水率、燃點(diǎn)及熱值的測定分析得出,油松的含水率低,熱值最高,燃點(diǎn)最低,說明油松較其他樹種易燃,這可能是由于油松枝干內(nèi)樹脂、木質(zhì)素等化合物含量較高,不易溶解,使得含水率偏低、熱值偏高[38]。這與何曉等[39]、賈斌英等[11]研究針葉樹種較闊葉樹種有較高熱值且針葉林比闊葉林易燃性強(qiáng)的結(jié)論一致。通過主成分分析法對不同林分的地表可燃物燃燒性進(jìn)行了排序,得出油松林的燃燒特性最強(qiáng),楊樹林的燃燒特性最弱。這與解國磊等[40]的研究結(jié)果一致。