李建華,夏虹露*,唐衛(wèi)平,黃 晗

(1.國家林業(yè)和草原局華東調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院,浙江 杭州 310019;2.蘭溪市野生動(dòng)植物保護(hù)管理站,浙江 金華 321100;3.蘭溪市林場(chǎng),浙江 金華 321100)

可燃物載量是森林火災(zāi)發(fā)生的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[1],明確森林可燃物載量分配特征對(duì)林火發(fā)生預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、林火行為預(yù)報(bào)、滅火及森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)具有重要的理論和參考意義[2-4]。

森林地表可燃物載量是國內(nèi)外林火研究的核心議題之一。國外學(xué)者主要探究了可燃物載量的影響因素及監(jiān)測(cè)技術(shù),許多學(xué)者對(duì)可燃物載量與林分因子的關(guān)系進(jìn)行了探討,如構(gòu)建數(shù)學(xué)模型[5-6],分析胸徑、冠幅、郁閉度等林分因子對(duì)地表可燃物載量的影響[7-9]。近年來,許多學(xué)者試圖利用各類遙感方式獲取森林可燃物特征,如地基雷達(dá)[10]、Landsat影像[11]等。有研究表明,森林可燃物特征因樹種不同而存在差異[12-13]。國內(nèi)學(xué)者主要對(duì)森林可燃物載量特征及其影響因素進(jìn)行了大量有益的探索,主要集中于馬尾松(Pinusmassoniana)林[14]、木荷(Schimasuperba)林[15]、興安落葉松(Larixgmelinii)林[16]、云杉(Piceaasperata)林[17]、云南松(Pinusyunnanensis)林[18],以及飛播林等[19]。梁瀛等[17]以天山云杉林為研究對(duì)象,采用相關(guān)分析方法研究了地表可燃物載量與林分和地形因子的關(guān)系,認(rèn)為海拔、坡度、樹高和郁閉度對(duì)天山中部天山云杉林可燃物載量均有一定影響,其中郁閉度影響最顯著。趙璇等[19]對(duì)秦嶺東段油松(Pinustobuliformis)飛播林地表可燃物載量進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)定,比較不同密度林分之間的差異,結(jié)果表明不同密度林分地表可燃物載量差異較大,并認(rèn)為定期清理林下枯枝落葉和易燃灌草,合理調(diào)整林分密度并引進(jìn)難燃闊葉樹種營(yíng)造結(jié)構(gòu)合理的防火混交林是該區(qū)域油松飛播林進(jìn)行可燃物調(diào)控和林火管理的關(guān)鍵。以上研究多數(shù)僅針對(duì)某單一森林類型,而針對(duì)某個(gè)區(qū)域多種典型森林類型可燃物載量的系統(tǒng)性研究工作相對(duì)較少,特別是對(duì)亞熱帶地區(qū)。

本研究以浙江省湖州市典型亞熱帶森林類型為對(duì)象,通過野外樣地調(diào)查、實(shí)驗(yàn)室測(cè)定及統(tǒng)計(jì)分析等方法,探討森林及其組分類型對(duì)可燃物載量的影響,并針對(duì)各森林類型喬木層單位面積蓄積量與組分單位面積可燃物載量的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行回歸分析,旨在為該地區(qū)森林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

浙江省湖州市(119°14′～120°29′E,30°22′～31°11′N)處于浙江北部,太湖南岸,東西長(zhǎng)126 km,南北寬90 km,總面積5 820 km2。東部為平原地區(qū),平均海拔3 m,西部多山,最高峰龍王山海拔1 587 m。屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),氣溫適中,年平均氣溫12.2～17.3 ℃,無霜期224～246 d。植被類型為典型的亞熱帶常綠闊葉林。森林覆蓋率為48.2%,植被類型豐富,主要樹種為毛竹(Phyllostachysedulis)、馬尾松、杉木(Cunninghamialanceolata)等。灌木主要有窄基紅褐柃(Euryarubiginosa)、三花冬青(Ilextriflora)、映山紅(Rhododendronsimsii)、毛果南燭(Lyoniaovalifolia)、薄葉山礬(Symplocosanomala)、東方古柯(Erythroxylumsinense)、黃檀(Dalbergiahupeana)、鹽膚木(Rhuschinensis)、尖葉山茶(Camelliacuspidata)、翅柃(E.alata)、美麗胡枝子(Lespedezaformosa)等。草本主要有白茅(Imperatacylindrica)、菝葜(Smilaxchina)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣方布設(shè)

依據(jù)湖州市森林防火普查數(shù)據(jù)[20],篩選典型森林類型樣地,并結(jié)合補(bǔ)充選設(shè)的有代表性的臨時(shí)樣地進(jìn)行森林可燃物載量調(diào)查,獲得防火調(diào)查數(shù)據(jù),樣地大小規(guī)格為20 m×20 m,共361塊。所選的典型森林類型為9種,分別為杉木純林地(115塊)、櫟類(Quercusspp.)純林地(62塊)、馬尾松純林地(49塊)、毛竹純林地(20塊)、木荷純林地(34塊)、其他軟闊葉林地(30塊)、其他硬闊葉林地(36塊)、其他針葉純林地(9塊)、針闊混交林地(6塊)。分別于所布設(shè)樣地的4個(gè)角點(diǎn)位置設(shè)置5 m×5 m的灌木調(diào)查樣方,每個(gè)灌木樣方中心位置分別布設(shè)1 m×1 m的草本調(diào)查樣方。在所調(diào)查的20 m×20 m樣地內(nèi),隨機(jī)選設(shè)20 cm×20 cm的凋落物和腐殖質(zhì)調(diào)查樣方2個(gè)。

1.2.2 樣方調(diào)查

對(duì)所布設(shè)的20 m×20 m臨時(shí)樣地進(jìn)行每木檢尺,喬木起測(cè)胸徑為5 cm。對(duì)灌木樣方和草本樣方,均采用全部收獲法分別測(cè)定樣方內(nèi)全部灌木和草本的鮮質(zhì)量(精確度 0.01 g),并利用牛皮紙信封進(jìn)行采樣帶回。對(duì)于枯落物和腐殖質(zhì)調(diào)查樣方,采用全部收獲法測(cè)定其各層鮮質(zhì)量,利用牛皮紙信封采樣帶回。將各臨時(shí)樣地內(nèi)的2個(gè)枯落物和腐殖質(zhì)調(diào)查樣方測(cè)定的平均值作為該臨時(shí)樣地的枯落物和腐殖質(zhì)各層的真實(shí)值,同一層次的樣品混合均勻后再進(jìn)行取樣。根據(jù)凋落物在自然界中的分解情況,將凋落物層分3個(gè)層次分別進(jìn)行調(diào)查,分別為枯落物層1(未分解層)、枯落物層2(半分解層),和枯落物層3(全分解層)。取樣分層標(biāo)準(zhǔn)[21]:未分解層位于枯落物的表層,形成時(shí)間小于 1 a,未分解、未壓縮成塊狀;半分解層已開始分解,但葉片形狀尚完整,未壓縮成塊狀;全分解層葉片形狀已不完整或已不能辨認(rèn),通常壓縮成塊狀,緊挨表土層。調(diào)查20 m×20 m臨時(shí)樣地內(nèi)的全部枯倒木情況,測(cè)定總鮮質(zhì)量,并取樣帶回。

1.2.3 室內(nèi)分析

將野外采集的不同組分的可燃物樣品放入烘箱內(nèi),在105 ℃下連續(xù)烘干24 h至質(zhì)量恒定,利用電子秤稱量烘干樣品的干質(zhì)量(精確至0.01 g)。根據(jù)樣品的干濕比計(jì)算各類型可燃物載量,具體計(jì)算公式如下:

(1)

式中:D為樣品的干濕比;md為烘干后樣品和信封的總恒定質(zhì)量,g;mb為烘干后信封的干質(zhì)量,g;mn為取樣的樣品和塑料袋的總鮮質(zhì)量,g;ma為正常狀態(tài)下塑料袋的質(zhì)量,g。

(2)

式中:M為可燃物載量,t/hm2;S為樣方面積,m2;100為單位轉(zhuǎn)換系數(shù);ms為樣方內(nèi)可燃物的總鮮質(zhì)量,g。

利用適用于當(dāng)?shù)氐囊辉姆e表[22]及每木檢尺數(shù)據(jù)計(jì)算各森林類型的單木材積,進(jìn)而計(jì)算其單位面積蓄積量,m3/hm2。根據(jù)已有的生物量方程[23]及每木檢尺數(shù)據(jù)計(jì)算各森林類型的喬木層單位面積可燃物載量,t/hm2。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS 22.0,采用單因素方差分析法(One-way ANOVA)分析不同森林類型及各組分的單位面積可燃物載量差異,進(jìn)行Duncan多重比較(α=0.05),分別統(tǒng)計(jì)其平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。利用Origin 2016進(jìn)行回歸擬合并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同森林類型組分的可燃物載量

森林可燃物載量在不同森林類型及不同組分間的分配差異如表1所示。多數(shù)森林類型的組分單位面積可燃物載量的大小順序均呈現(xiàn)出喬木層顯著高于枯倒木層(P<0.05),枯倒木層又顯著高于灌木層、草本層、枯落物層1、枯落物層2、枯落物層3及腐殖質(zhì)層(P<0.05)。其他針葉純林的喬木層單位面積可燃物載量顯著高于灌木層、草本層、枯落物層1、枯落物層2、枯落物層3、腐殖質(zhì)層及枯倒木層(P<0.05)。毛竹純林單位面積枯倒木層可燃物載量顯著高于其他組分單位面積可燃物載量(P<0.05)。

表1 不同森林類型及各組分的單位面積可燃物載量

對(duì)于喬木層單位面積可燃物載量,櫟類純林、木荷純林和針闊混交林相對(duì)其他森林類型較高,而毛竹純林最低。對(duì)于灌木層單位面積可燃物載量,其他針葉純林相對(duì)其他森林類型較高,毛竹純林最低。木荷純林的枯落物層1和枯落物層2的單位面積可燃物載量相對(duì)于其他森林類型較高。針闊混交林、木荷純林和其他軟闊葉林的枯落物層3的單位面積可燃物載量較其他森林類型高。木荷純林的腐殖質(zhì)層相對(duì)其他森林類型具有較高的單位面積可燃物載量。毛竹純林的枯倒木層單位面積可燃物載量較高。

2.2 喬木層蓄積與組分可燃物載量關(guān)系

各森林類型組分單位面積可燃物載量與喬木層單位面積蓄積量的相關(guān)性見表2和圖1。

圖1 喬灌草及枯倒木層單位面積可燃物載量與單位面積蓄積量的關(guān)系Fig. 1 The relationship between fuel load per unit area of tree, shrub, herb and fallen dead wood layer and storage per unit area

表2 枯落物及腐殖質(zhì)層單位面積可燃物載量與單位面積蓄積量線性相關(guān)性

結(jié)果顯示,絕大多數(shù)森林類型的喬木層單位面積可燃物載量與其單位面積蓄積量之間存在著明顯線性相關(guān)性,其中,櫟類純林的相關(guān)性最高(R2=0.89),馬尾松純林、木荷純林、其他硬闊葉林、其他針葉純林相關(guān)性較高,R2分別為0.65、0.68、0.64和0.69。所有森林類型的喬木層單位面積可燃物載量與其單位面積蓄積量之間均呈正相關(guān)關(guān)系。多數(shù)森林類型的灌木層、草本層的單位面積可燃物載量與喬木層單位面積蓄積量之間也存在一定程度的相關(guān)性(R2<0.60),且隨著喬木層單位面積蓄積量的增加,灌木層、草本層單位面積可燃物載量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

多數(shù)森林類型的枯倒木層單位面積可燃物載量隨著喬木層單位面積蓄積量的增加,變化趨勢(shì)不顯著。馬尾松純林的枯落物層1、枯落物層2、枯落物層3的單位面積可燃物載量隨著喬木層單位面積蓄積量的增加而上升的趨勢(shì)較為明顯。隨著喬木層單位面積蓄積量的增大,杉木純林和櫟類純林的枯落物層1、枯落物層2、枯落物層3和腐殖質(zhì)層的可燃物載量呈現(xiàn)了略微下降的趨勢(shì)。針闊混交林的腐殖質(zhì)層單位面積可燃物載量隨著喬木層單位面積蓄積量的增大呈現(xiàn)了較明顯的下降趨勢(shì)。

3 討 論

森林可燃物載量特征影響林火的發(fā)生、發(fā)展及火燒強(qiáng)度,是森林火災(zāi)的物質(zhì)基礎(chǔ),是森林可燃物可持續(xù)管理的基本依據(jù)[24]。森林結(jié)構(gòu)組成影響水平、垂直可燃物的分配,進(jìn)而影響森林綜合抗火能力及發(fā)生重大或特大森林火災(zāi)的概率[25-26],對(duì)不同森林類型可燃物載量分配的探究,有利于林火的預(yù)防、管控及森林可燃物可持續(xù)管理。本研究結(jié)果表明絕大多數(shù)森林類型的喬木層單位面積可燃物載量最大,枯倒木層次之,且均顯著高于灌木層、草本層等其他組分,這說明該地區(qū)森林可燃物載量的最主要貢獻(xiàn)來自喬木層和枯倒木層,在森林內(nèi)部垂直分布上存在著顯著差異,這與前人的研究結(jié)果相類似[27-28]。其中,枯倒木層的單位面積可燃物載量較大是本區(qū)域森林可燃物載量的重要特征,尤其是毛竹純林,這可能是由于相應(yīng)林分密度較大的原因。為了降低火災(zāi)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)和森林可燃物可持續(xù)管理,針對(duì)枯倒木層較多的林分可以考慮采取綜合撫育間伐的方法適當(dāng)進(jìn)行喬木層密度調(diào)整和林下枯倒木、瀕死木的移除,加強(qiáng)林分撫育工作,改善林分環(huán)境和健康水平,達(dá)到提質(zhì)增效、降低風(fēng)險(xiǎn)的目的。本研究結(jié)果還顯示櫟類純林、木荷純林和針闊混交林喬木層單位面積可燃物載量最高,其他針葉純林的灌木層單位面積可燃物載量較高,這說明樹種組成對(duì)組分單位面積可燃物載量具有一定的影響[12, 29-32]。相比于木荷純林等其他森林類型,針闊混交林和其他軟闊葉林的枯落物層1、枯落物層2的單位面積可燃物載量較低而枯落物層3的單位面積可燃物載量較高,說明針闊混交林和其他軟闊葉林的凋落物相比之下更容易分解,組成樹種的凋落物的種類豐富度及其分解難度對(duì)森林地表可燃物的分配具有重要影響。喬木層單位面積可燃物載量與喬木層單位面積蓄積量間呈較顯著的正相關(guān)關(guān)系,這可能是由于樹干部分是喬木層可燃物載量的主體,說明喬木層單位面積蓄積量對(duì)于森林組分可燃物載量的分析和預(yù)測(cè)具有重要的參考價(jià)值。隨著喬木層單位面積蓄積量的增大,絕大多數(shù)森林類型的枯落物層和腐殖質(zhì)層的單位面積可燃物載量也呈增加趨勢(shì),其中馬尾松純林的增加速率最大,而針闊混交林枯落物層1和腐殖質(zhì)層的單位面積可燃物載量呈下降趨勢(shì),這可能是由于馬尾松純林的針葉分解速率較慢造成凋落物可燃物載量積累慢[14, 33-35],而針闊混交林凋落物及其分解速率相對(duì)較快[36-37]。研究結(jié)果還表明,隨著喬木層單位面積蓄積量的增加,灌木層、草本層單位面積可燃物載量呈現(xiàn)下降趨勢(shì),這可能是由于喬木層蓄積量的增加導(dǎo)致林下光照強(qiáng)度的下降,從而影響林下灌草的生長(zhǎng),這可以通過控制喬木層的林分結(jié)構(gòu)間接調(diào)控林下植被的生長(zhǎng)。

喬木層和枯倒木層可燃物載量是亞熱帶各森林類型可燃物載量的主體。毛竹純林的枯倒木層單位面積可燃物載量更需要重點(diǎn)關(guān)注。喬木層單位面積蓄積量與單位面積可燃物載量關(guān)系密切,是森林組分可燃物載量分析和預(yù)測(cè)的重要參考指標(biāo)。喬木層樹種組成對(duì)森林地表可燃物的分配具有重要影響。在亞熱帶森林可燃物經(jīng)營(yíng)管理過程中應(yīng)充分考慮不同森林類型可燃物載量的分配特征差異及組分間的相互聯(lián)系。