落葉松林地表死可燃物含水率的空間異質(zhì)性和取樣方法1)

毛衛(wèi)星 童德海 張 程 趙丹丹 丁一陽 金 森

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

森林可燃物是森林燃燒的物質(zhì)基礎(chǔ)，研究地表死可燃物含水率的變化規(guī)律和測(cè)定可燃物含水率的取樣方法，對(duì)火險(xiǎn)預(yù)報(bào)和林火行為預(yù)測(cè)等都有重要意義［1－3］?？扇嘉锖蚀嬖跁r(shí)空差異，可燃物床層結(jié)構(gòu)的含水率存在不連續(xù)分布，具有空間異質(zhì)性，空間異質(zhì)性狀況影響了可燃物的火行為［4］。因此，搞清森林可燃物含水率的異質(zhì)性十分必要。目前，對(duì)于林下可燃物含水率空間異質(zhì)性的研究很少，雖然美國(guó)一些研究人員對(duì)林木個(gè)體不同部位含水率異質(zhì)性進(jìn)行了研究［1－2］，但未提及林下可燃物的異質(zhì)性狀況。對(duì)于水分分布的空間異質(zhì)性研究已經(jīng)有了很多的例證，在技術(shù)及理論上已經(jīng)是相當(dāng)成熟，在研究土壤的含水率空間異質(zhì)性、礦質(zhì)元素的空間異質(zhì)性、作物吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的空間異質(zhì)性等方面有著巨大的應(yīng)用。另外，野外取樣方法對(duì)含水率測(cè)定值的影響很大，確定合理的取樣方式和取樣間隔，對(duì)于減少誤差尤其重要。

本文主要在兩個(gè)方面對(duì)落葉松林下可燃物含水率的空間異質(zhì)性進(jìn)行研究:一是通過對(duì)落葉松林下地表死可燃物的分層帶狀取樣(凋落物層和腐殖質(zhì)層)，并測(cè)定含水率，揭示可燃物含水率的空間異質(zhì)性狀況;二是通過對(duì)取樣數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定取樣方法對(duì)可燃物含水率估計(jì)準(zhǔn)確度的影響。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地為東北林業(yè)大學(xué)老爺嶺生態(tài)站，位于黑龍江省尚志市境內(nèi)(127°30'～127°34'E，45°20'～45°25'N)，屬長(zhǎng)白山系支脈張廣才嶺西北部小嶺的余脈，大陸性氣候，年平均氣溫2.8℃;年平均濕度70%，常年偏西南風(fēng)，年降水量可達(dá)723.8 mm，年蒸發(fā)量1093.9 mm。該地區(qū)由于各種干擾(采伐、火燒、開墾等)，又經(jīng)幾十年的封育恢復(fù)成為現(xiàn)在的天然次生林，林下積累大量的可燃物，其中38年生白樺林地表掉落物載量可達(dá) 13.644 t/hm2［5］。本研究中選取的林分為30年生落葉松(Larix gmelini)人工林，林分平均高約21 m，胸徑約25 cm，郁閉度0.8，緩坡，林下主要植被有春榆(Ulmus japonica)、雞樹條莢蒾(Vibumum sargentii Koehne)、忍冬(Lonicera Japonica)、蚊子草(Filipendula palmata)等，植被分布相對(duì)均勻。

2 研究方法

2.1 野外取樣

在落葉松林分中設(shè)定100 m×100 m樣地，如圖1所示，在樣地中布設(shè)3個(gè)方向的樣帶，即沿坡上至坡下定為垂直方向，水平方向、斜向樣帶分布，如圖1所示，每條樣帶的長(zhǎng)度為84 m，并在樣帶上布點(diǎn)，其中前4 m為每20 cm一個(gè)間隔共得到20個(gè)取樣點(diǎn)，后80 m為每1 m一個(gè)間隔，如此一條樣帶上共設(shè)100個(gè)點(diǎn)。2010年10月初，在連續(xù)一周無降水情況下，分層取林下的凋落物層和腐殖質(zhì)層，即每一樣點(diǎn)取兩份樣品。取得的可燃物樣品裝入標(biāo)準(zhǔn)信封中，及時(shí)測(cè)定鮮質(zhì)量。樣品帶回，用烘箱在105℃下烘干24 h，測(cè)定可燃物的絕干質(zhì)量。

圖1 取樣示意圖

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 可燃物含水率空間異質(zhì)性數(shù)據(jù)處理

根據(jù)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以利用可燃物含水率公式計(jì)算可燃物含水率，公式如下:

利用式(1)求得含水率后，利用常規(guī)統(tǒng)計(jì)方法，得到含水率的最大值、最小值、平均值、方差和變異系數(shù)等基本統(tǒng)計(jì)量。采用變異函數(shù)分析方法建立變異函數(shù)理論模型。變異函數(shù)是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，分析自然現(xiàn)象空間變異和空間相關(guān)的統(tǒng)計(jì)學(xué)，變異函數(shù)分析在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用被證明是一個(gè)有效的描述空間數(shù)據(jù)的方法［6－9］。文中采用地統(tǒng)計(jì)軟件GS+Version 9進(jìn)行半方差分析。

變異函數(shù)的計(jì)算公式為:

式中:γ(h)是變異函數(shù);Z為區(qū)域化隨機(jī)變量;Z(xi)和Z(xi+h)分別為變量Z在空間位置xi和xi+h上的取值;N(h)是取樣間隔為h時(shí)的樣本對(duì)總數(shù)。通過應(yīng)用變異函數(shù)的球狀模型、指數(shù)模型和高斯模型對(duì)含水率和分隔距離進(jìn)行擬合。據(jù)各模型可以計(jì)算出反映空間特征的參數(shù):塊金值C0、基臺(tái)值C0+C、結(jié)構(gòu)性方差C0/(C0+C)、變程A0。

為比較含水率在各個(gè)方向上的變異大小，采用各向異性公式計(jì)算。各向異性公式為:

式中:γ(h，θ1)和 γ(h，θ2)分別為兩個(gè)方向 θ1和 θ2上的變異函數(shù)。如果K(h)等于或接近于1，則空間異質(zhì)性為各向同性的，否則稱為各向異性的。

各向異性和半方差分析中的4個(gè)參數(shù)可以作為反應(yīng)空間異質(zhì)性的依據(jù)［7］。

2.2.2 采樣方法對(duì)可燃物含水率估計(jì)精度的數(shù)據(jù)處理

以試驗(yàn)測(cè)得的含水率總體平均值作為樣地的總體含水率，利用含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬取樣分析。3種采樣方法為模擬控制取樣、非控制取樣和隨機(jī)取樣。取樣強(qiáng)度即為在84 m樣帶上取樣的個(gè)數(shù)。

誤差為:

控制取樣即以h為間距在整條樣帶上取m個(gè)樣本的取樣方法。在模擬過程中，控制取樣強(qiáng)度m=1，2，…，20，對(duì)含水率數(shù)據(jù)按間距 h進(jìn)行分組，即間距 h=1，2，…，8 m 的劃分為一組，用 Eh，m表示取樣間距為h、取樣強(qiáng)度為m時(shí)的誤差。導(dǎo)出誤差公式為:

式(5)中:n為樣點(diǎn)數(shù)目;i為距離xi處的含水率值;ˉx為樣地平均含水率。

模擬非控制取樣試驗(yàn)中，即盡可能多地取樣，在一定長(zhǎng)度的樣帶上，間隔距離越小可取樣本就越多。用取樣強(qiáng)度m最大的數(shù)值計(jì)算含水率誤差，m最大可取值為n/h。

模擬隨機(jī)取樣利用Visual Foxpro6.0隨機(jī)數(shù)組實(shí)現(xiàn)，對(duì)各條樣帶取樣點(diǎn)含水率數(shù)據(jù)隨機(jī)抽取m個(gè)樣，取樣強(qiáng)度 m=1，2，3，…，25，每組取樣強(qiáng)度隨機(jī)抽取1次計(jì)算1次誤差，重復(fù)100萬組，并分別求各取樣強(qiáng)度下的誤差平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 可燃物含水率空間異質(zhì)性

從表1可以看出，可燃物凋落物層含水率為83.86%，腐殖質(zhì)層129.23%，比凋落物層高45.37%，水平方向凋落物層含水率最低為69.28%，可能與林緣較近有關(guān)。變異系數(shù)反映了含水率變異程度的參數(shù)，兩個(gè)層次取樣數(shù)據(jù)變異均為中等變異，且凋落物層的變異比腐殖質(zhì)層顯著。在方向變異方面，凋落物層水平方向變異較弱，腐殖質(zhì)層的差異不明顯。腐殖質(zhì)層的含水率較高，可能是由于凋落物層的覆蓋所致，而不同方向上的變異不同可能與微地形變化、植被的分布和凋落物載量等有關(guān)。

表1 落葉松林下可燃物含水率描述

3.1.1 可燃物含水率的半方差分析

表2和圖2給出了可燃物含水率變異函數(shù)模型曲線和各參數(shù)?？梢钥闯?凋落物層除水平方向外符合球體模型，水平方向?yàn)榫€性模型，腐殖質(zhì)層符合指數(shù)模型。擬合相關(guān)性方面，水平方向最差，此方向上凋落物層和腐殖質(zhì)層的相關(guān)系數(shù)僅為0.036和0.029。

基臺(tái)值(C0+C)表示系統(tǒng)屬性或區(qū)域化變量最大變異，C0+C越大，表示總的空間異質(zhì)性程度越高［7］。比較發(fā)現(xiàn)，凋落物層斜向基臺(tái)值最大(0.1632)，垂直方向次之，水平方向最小;腐殖質(zhì)層水平方向最大(0.1276)，單個(gè)方向值都在0.12左右?？傮w上看，除水平方向外，腐殖質(zhì)層的空間異質(zhì)性程度比腐殖質(zhì)層高。結(jié)構(gòu)方差比C0/(C0+C)反映了系統(tǒng)變量的空間自相關(guān)程度，若比值小于25%，說明系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的相關(guān)性;若比值在25% ～75%之間，表明系統(tǒng)具有中等空間相關(guān)性;若比值大于75%，說明系統(tǒng)空間相關(guān)性很弱［6］。除水平凋落物層外，各樣帶都表現(xiàn)出強(qiáng)烈或較強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，最低為0.0006(表2)。變程A是變異函數(shù)達(dá)到基臺(tái)值時(shí)的分隔距離，分隔距離大于A后空間相關(guān)性消失。在垂直方向和斜向凋落物層的變程都為2～3 m，表示空間異質(zhì)性尺度為2～3 m，在這個(gè)距離內(nèi)空間相關(guān)性強(qiáng)烈，且能表現(xiàn)出斑塊特征。

表2 各樣帶可燃物含水率變異函數(shù)模型及相關(guān)參數(shù)

圖2 落葉松林下可燃物含水率半方差分析圖

3.1.2 可燃物含水率的各向異性

林下可燃物含水率的變異在各方向上是不同的，主要原因是由于地形、郁閉度、植被條件等影響［8］。在取樣的3個(gè)方向的各向異性比較中，如果各向異性比K(h)等于或接近于1，則空間異質(zhì)性為各向同性的，否則稱為各向異性的。

通過圖3的各相異性比較可以看出，K(h)取值均偏離1，在凋落物層的數(shù)據(jù)中，水平方向的變異小于斜方向和垂直方向的變異，并且表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間各向異性，各向異性比較結(jié)果為斜向＞垂直方向＞水平方向。

圖3 不同樣帶地表可燃物含水率各向異性比K(h)

在腐殖質(zhì)層(即下層)的各向異性變化復(fù)雜或無各向異性。對(duì)于水平方向與垂直方向各向異性的比較中發(fā)現(xiàn)，20～30 m范圍內(nèi)，水平方向變異大于垂直方向，其余距離中各向異性比在1附近波動(dòng)，表明在此范圍上各向異性不明顯;水平方向與斜向比較中，0～26 m范圍內(nèi)，水平方向變異較大，而＞26 m后，斜向變異大于水平方向;斜向與垂直方向比較中，各向異性比在0.7～1.25之間波動(dòng)，顯示出復(fù)雜的變異趨勢(shì)。以上分析表明，腐殖質(zhì)層的含水率變化各向異性不明顯或復(fù)雜。

從以上結(jié)果可以看出，落葉松林下可燃物含水率各向異性十分明顯，空間變異在各方向具有復(fù)雜性。

3.2 采樣方式對(duì)可燃物含水率估計(jì)的影響

對(duì)含水率數(shù)據(jù)的模擬取樣分析表明，如圖4，對(duì)于非控制取樣，即應(yīng)盡可能多地取樣，研究發(fā)現(xiàn)，取樣間隔越大，誤差也有隨之增大的趨勢(shì)。盡可能縮小取樣間隔可以減小誤差，但這種取樣方法由于取樣強(qiáng)度很大，對(duì)現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義不大。

圖4 非控制取樣模擬誤差分析

在控制取樣模擬時(shí)，如圖5和圖6所示，垂直方向和斜向可以得出相似結(jié)論:1～8 m取樣間隔內(nèi)，取樣間隔增大時(shí)，誤差略微減小，取樣強(qiáng)度增大時(shí)，誤差減小，且減小的幅度都是先快后慢，最后趨于水平;在取樣間隔距離為2～8 m、取樣數(shù)為6個(gè)以上時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)誤差已經(jīng)減少至10%以下;在垂直方向上以間距為2 m，取樣強(qiáng)度為8個(gè)樣點(diǎn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)誤差為9.77%，斜向以間隔為3 m，取樣強(qiáng)度為7個(gè)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)誤差為9.85%。

圖5 控制取樣垂直方向模擬誤差分析

圖6 控制取樣斜向模擬誤差分析

水平方向的模擬取樣誤差分析如圖7所示，結(jié)果表明:在取樣間隔為5、6、8 m，取樣強(qiáng)度為6個(gè)以上時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)誤差突降，這可能與此樣帶的含水率空間分布與另兩條帶不同有關(guān)。

利用樣地含水率數(shù)據(jù)模擬隨機(jī)取樣，如圖8，結(jié)果表明:取樣強(qiáng)度不斷增大，標(biāo)準(zhǔn)誤差下降，最終趨于平緩，在模擬取樣強(qiáng)度的范圍內(nèi)，誤差仍大于10%，即使標(biāo)準(zhǔn)誤差在15%以下，也要取10個(gè)以上的樣本。由于隨機(jī)取樣的隨機(jī)性，在與定距取樣方法進(jìn)行比較時(shí)，并沒有顯示出其優(yōu)良性。

圖7 控制取樣水平方向模擬誤差分析

圖8 隨機(jī)取樣模擬誤差分析

4 結(jié)語

落葉松林下可燃物含水率具有強(qiáng)烈的空間異質(zhì)性。其中，凋落物層含水率異質(zhì)性程度比腐殖質(zhì)層的高，斜向的空間異質(zhì)性最強(qiáng)。模擬取樣試驗(yàn)表明，采用間距2～8 m的采樣最佳，取樣強(qiáng)度為7個(gè)以上時(shí)，誤差可達(dá)到10%以下，具有很好的代表性。采用定距的方式進(jìn)行取樣，取樣距離在合適范圍內(nèi)可以減少取樣強(qiáng)度，達(dá)到更精確的含水率估測(cè)。

由于本研究所取樣本的含水率情況比較高，還不能很好地反映出含水率空間異質(zhì)性的干濕差異，但是林下可燃物含水率在小尺度上的空間異質(zhì)性得到了很好的證明。今后應(yīng)進(jìn)一步研究較低含水率時(shí)的空間差異狀況。

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