木荷生長與防火效益的相關(guān)性研究

劉政沈泉周宇峰施擁軍羅民強

（1浙江省長興縣林業(yè)局 313100；2浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點實驗室 浙江臨安 311300）

木荷生長與防火效益的相關(guān)性研究

劉政1沈泉1周宇峰2施擁軍2羅民強1

（1浙江省長興縣林業(yè)局 313100；2浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點實驗室 浙江臨安 311300）

利用SPSS13和MATLAB7.0軟件綜合分析5個不同年齡段木荷的樹高、胸徑、枝下高和冠幅生長因子擬合木荷生長曲線，并綜合分析木荷樹高、胸徑、枝下高和冠幅生長因子，對木荷防火林帶開始正常發(fā)揮防火作用的初始防火年齡進行確定，得到木荷產(chǎn)生良好作用的防火初始年齡為8年。通過對不同年齡木荷林分比較分析認(rèn)為，年齡對木荷防火存在顯著影響，生長良好的木荷林帶有利于森林防火。此外，還提出了木荷防火成熟齡。

木荷；生長模型；森林防火林帶；防火效益

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，影響著全球的生態(tài)環(huán)境。但森林經(jīng)常遭到各種自然和人為的災(zāi)害的破壞，在危害森林的諸因子中又以火災(zāi)危害最為嚴(yán)重。森林火災(zāi)既屬于自然災(zāi)害，又屬于人為災(zāi)害，具有突發(fā)性強、危害性大特點。大量研究表明，隨著全球氣溫的升高，火災(zāi)的頻率、破壞性會升高[1,2]。全球平均每年大約有0.1%的森林遭受火災(zāi)的影響[3]。由于森林火災(zāi)的破壞性大，特別是近年來世界各地不斷發(fā)生森林大火，不僅燒毀森林，造成森林退化、地表裸露、加速土壤侵蝕、影響生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)、增加大氣中CO2含量、導(dǎo)致全球氣溫升高等一系列環(huán)境問題。因此，如何防治森林火災(zāi)已受到當(dāng)今世界各國的備加關(guān)注。加強森林防火研究工作，最大限度地減少森林火災(zāi)造成的損失和危害，已經(jīng)成為當(dāng)前和今后一個時期亟待解決的重要課題。

木荷生物防火林帶在預(yù)防、控制和減少森林火災(zāi)方面具有十分重要的作用，在我國南方一些地方生物防火林帶的建設(shè)已初具規(guī)模，在實踐中起到良好的防火作用，取得了顯著的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益。木荷樹種具有如下主要特性:①葉厚、含水量高，樹皮厚，含灰分、油脂少，需熱性高；②適生能力強，生長較快，時效長；③萌芽能力強，恢復(fù)生長快；④枝葉茂盛，排它性強等[5]。雖然木荷著火溫度高、含水量大、熱值小、含灰分多，但是它在不同的年齡階段的各種物質(zhì)含量都是不一樣的[6]。含水量越大，油脂量越少，含灰分越多越難著火，因此要達到防火的最大效益，這些因素也必需達到最佳值。這就說明了不同年齡階段的木荷效應(yīng)是不一樣的。

對木荷林帶阻火機理的深入研究具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實價值。但是，對木荷生長到什么年齡階段時開始具有良好的防火性能，在什么年齡階段是獲得了最佳防火性能，最終在什么年齡階段防火性能開始老化等的研究還較缺乏。而對木荷防火林帶不同生長期的阻火機理的比較研究又具有十分重要意義，本文針對這些問題展開研究。

1 研究地區(qū)概況

試驗地選擇浙江省天目山、浙江省長興縣、浙江省建德市三個地點，都地處亞熱帶中部，具有典型的季風(fēng)氣候特點，氣候溫暖濕潤，四季分明，熱量流足，雨量充沛。

分三次調(diào)查了2、8、11、25、30年生5個不同年齡段的木荷林。其中2年生木荷林是在長興雉城鎮(zhèn)五豐村五豐水庫周邊山林，地理坐標(biāo)為E119°55′09″，N31°01′10″。8、25、30年生木荷林是2009年7月在浙江省建德林場姜塢山、教場后山和建德壽昌林場譚下村等地調(diào)查，地理坐標(biāo)為E 119°29′18″，N 29°33′05″。11年生木荷林是2009年4月在浙江天目山自然保護區(qū)調(diào)查，地理坐標(biāo)為E 119°12′22″，N 29°29′14″。每個不同年齡段的木荷樣地至少進行了三次以上重復(fù)。

試驗地木荷林帶都為人工種植純林，其種植密度平均為1.8m×1.8m。在木荷林分郁閉前進行了人工除草撫育，2年生的進行人工撫育，8年生以上林分已經(jīng)郁閉。木荷林內(nèi)基本沒有灌木和草本。與木荷林相鄰的林分一般都為易燃的馬尾松和杉木針葉林，其林內(nèi)物種較為豐富。灌草層主要有箬竹（Indocalamus latifolius）、繼木（Loropetalum chinense.）、山胡椒（Lindera glauca）、白櫟（Quercus fabric Hance）、紫藤（Wisteria sinensis）、掌葉覆盆子（Rubus chingii Hu）、油茶（Camellia oleifera Abel）、芒萁（Dicranopteris dichotoma）、菝葜（Rhizoma Smilacis Chinen）、絡(luò)石（Trachelospermum jasminoides）、山莓（Rubus corchorifolius）等。

2 研究方法

在木荷防火林帶選擇有代表性的地段，設(shè)置10m×10m的標(biāo)準(zhǔn)地。標(biāo)準(zhǔn)地面積因受林帶寬度限制，所以通過增加標(biāo)準(zhǔn)地數(shù)來彌補面積過小帶來的缺陷。每個年齡段的木荷林標(biāo)準(zhǔn)地數(shù)設(shè)12個，總的標(biāo)準(zhǔn)地數(shù)為60個。記錄每個標(biāo)準(zhǔn)地的海拔高度、坡度、坡向、郁閉度等，調(diào)查喬木層的胸徑、樹高、郁閉度、枝下高、（南北、東西）冠幅等。由于木荷林內(nèi)基本沒有草灌，所以不對草灌層設(shè)置小樣方進行調(diào)查。

3 結(jié)果與分析

木荷生長的優(yōu)劣在森林防火中起關(guān)鍵作用，生長良好、樹冠高大、枝繁葉茂、林分的郁閉度高將有利于阻擋地表火，特別是林冠火；而樹高矮化，枝葉稀疏，則不利于防火。因此，對木荷樹高生長進行曲線擬合具有重要意義。

3.1 木荷的生長曲線擬合

表1為5個不同年齡段的木荷胸徑、樹高、枝下高和冠幅群落結(jié)構(gòu)因子平均值。

表1 不同年齡木荷群落結(jié)構(gòu)因子

利用SPSS13軟件對胸徑和樹高進行非線性回歸分析，利用迭代方法估計非線性回歸模型[7]。

利用MATLAB7.1及最小二乘原理進行編程[8,9]，采用經(jīng)典的生長理論方程[10]Logistic方程y=a/(1+be-ct)，對平均胸徑(D)、平均高(H)進行曲線擬合。生長方程擬合的參數(shù)及殘差平方和(Q)、剩余標(biāo)準(zhǔn)差(S)、復(fù)相關(guān)系數(shù)(R2)見表2。從圖1可看出，Logistic方程擬合胸徑、平均高、枝下高和冠幅的生長效果都很好。

表2 Logistic生長方程擬合結(jié)果

圖1 Logistic方程擬合生長曲線

3.2 木荷防火初始年齡的確定

木荷防火林帶防火初始年齡的確定與樹高的生長有很大相關(guān)性。樹高生長的規(guī)律表明，當(dāng)樹高生長加速度達到極小值點時，樹高生長基本進入生長穩(wěn)定狀態(tài)[11]。此時木荷的高度所對應(yīng)的年齡為初始防火年齡，而胸徑生長及樹冠生長也影響防護效益的發(fā)揮[12]，木荷的枝下高對防火也具有一定影響。因此本研究從樹高、胸徑及樹冠及生長模型確定防火初始年齡。

對于研究區(qū)的樹高生長方程采用Logistic方程擬合:

此模型反映了樹高與年齡的關(guān)系，其一階導(dǎo)數(shù)H′(A)為樹高連年生長量，其二階導(dǎo)數(shù)H″(A)為樹高生長的加速度，樹高生長加速度的極小值時對應(yīng)的林齡即為防護防火初始年齡，利用MATLAB進行求導(dǎo)及非線性方程求解，求出H″(A)=0時的林齡為6.4675，取整為7年，將A=7代入原樹高生長方程得出防火初始年齡時的樹高即成林高H=5.3042，取整為6m。防火初始年齡及成林高的確定對防護林間距的設(shè)計具有重要意義。

對于研究區(qū)的胸徑生長方程采用Logistic方程擬合:

求出D"(A)=0時的林齡為8.8647，取整為9年，將A=9代入原樹高生長方程得出防火初始年齡時的樹高即成胸徑D=6.7513，取整為7cm。

冠幅生長方程采用Logistic方程擬合:

求出GF"(A)=0時的林齡為6.5674， 取整為7年，將將A=7代入原樹高生長方程得出防火初始年齡時的冠幅GF=2.2850，取整為2.3m。

枝下高生長方程采用Logistic方程擬合:

求出ZXG"(A)=0時的林齡為17.0805， 取整為18年，將A=18代入枝下高生長方程得出防火初始年齡時的冠幅ZXG=2.5013，取整為2.5m。

綜合分析樹高、胸徑、枝下高和冠幅木荷生長因子，得到樹高、胸徑和冠幅的防火初始年齡分別為7年、9年、7年；而枝下高的防火初始年齡為18年，但是，木荷作為防火林帶時起決定作用的林分因子是樹高和冠幅。因此，取防火初始年齡的平均值為8年。將A＝8分別代入Logistic生長方程得到樹高為6.1m；胸徑為6.0cm；枝下高為0.61m；冠幅為2.5m。

根據(jù)浙江省2004～2006年發(fā)生火災(zāi)的40個樣地的實際調(diào)查數(shù)據(jù)（2006～2007年調(diào)查）得到平均樹高為6.3m，相比利用理論計算的木荷防火初始年齡計算值6.1m略小，但木荷防火林帶一般種植在山腰和山脊，主要防上山火，因此具有一定高度的優(yōu)勢。

此外還可以木荷生物防火林帶防火成熟齡的確定，其思路是木荷林分生物量的作為阻火燃料，當(dāng)生物量增長達到穩(wěn)定時的年齡為防火成熟齡。

4 結(jié)論與討論

利用防火樹種營建的生物防火林帶能夠有效降低森林自身的燃燒性，降低森林火災(zāi)損失，同時能發(fā)揮多種效益。實踐證明，木荷是一種優(yōu)良的防火樹種，通過對不同年齡段的木荷調(diào)查分析得到以下結(jié)論:

綜合分析木荷樹高、胸徑、枝下高和冠幅生長因子，得到木荷防火初始年齡為8年。將年齡8代入Logistic生長方程，得到樹高為6.1m；胸徑為6.0cm；枝下高為0.61m；冠幅為2.5m。

對木荷林帶防火初始年齡的確定，由于受調(diào)查地的限制，只得到了5個年齡段的木荷生長因子，最好能夠獲得更多的不同年齡段的木荷，使結(jié)果更具意義。

此外，提出木荷生物防火林帶防火成熟齡的概念。其確定方法思路，是將木荷林分生物量作為阻火燃料，當(dāng)生物量增長達到穩(wěn)定時的年齡為防火成熟齡。另外，下一步工作重點將是對試驗區(qū)的木荷在不同的年齡階段的含水量，油脂含量，含灰分等分析，比較其變化特征。

[1]Kasischke E S， French N F， Bourgenu－Chavez L L， et al.Estimating release of Carbon from 1990 and 1991 forest fires in Alaska[J].Geoghys Res，1995（100）:2941－2951.

[2]Li Z，F(xiàn)raser R H，Jin J，et al.Evaluation of satellite －based algorithms for fire detection and mapping within North America[J].Geoghys Res，2003 （102）:1902－2001.

[3] Fraser R H，Li Z.Estimating fire－related Parameters in boreal forest using spot vegetation.Remote Sens[J].Environ.，2002，（82）:95－110.

[4]呂愛鋒，田漢勤，劉永強.火干擾與生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)[J].生態(tài)學(xué)報，2005，25（10）:2735－2743.

[5]林中大，付海真，練麗.木荷防火林帶效益初探[J].中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2006，25（2）:53－55.

[6]張萍.木荷地理種源變異及分子基礎(chǔ)[D].中國林業(yè)科學(xué)研究院，2004.

[7]李志輝，羅平主編.SPSS for Windows統(tǒng)計分析教程（第2版）[M].北京:電子工業(yè)出版社，2003: 289－294.

[8]羅建軍，楊琦.精講多練MATLAB[M].西安:西安交通大學(xué)出版社，2002:42－45.

[9]林雪松，周婧，林德新.MATLANB7.0應(yīng)用集錦[M].北京:機械工業(yè)出版社，2005:282－315.

[10]孟憲宇.測樹學(xué)（第2版）[M].北京:中國林業(yè)出版社，1995.

[11]姜鳳岐，朱教君，周新華，等.林帶的防護成熟與更新[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，1994，5（4）:337－341.

[12]李春靜，蔣仁忠.平原農(nóng)田防護林楊樹生長模型及應(yīng)用研究[J].信陽師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，18（3）:307－309.

S762.3+3

B

1004-7743（2015）01-0044-04

2014-12-13

浙江省重點科技創(chuàng)新團隊項目（2010R50030）