火干擾后的油松林地表死可燃物負荷及影響因子

田 野, 牛樹奎, 陳 鋒, 王 婕, 曹 萌

(北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京 100083)

林火作為一個生態(tài)干擾因子[1-2]，一方面會破壞森林的生態(tài)平衡，對森林健康產(chǎn)生負面影響；另一方面，適度的林火在維持森林的生態(tài)平衡和物種多樣性方面具有積極作用[3-7].森林可燃物是林火發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，地表死可燃物負荷量與林火發(fā)生頻率和林火強度有密切關(guān)系[8]，有效減少地表可燃物負荷量是防止森林火災(zāi)的重要舉措之一[9].因此，地表死可燃物負荷量已成為林火生態(tài)學(xué)的重點研究內(nèi)容之一[10-12].影響地表死可燃物負荷量的因子很多，如群落類型、地形差異、自然和人為干擾等因素，這些因子的影響程度不同，因子之間的關(guān)系也很復(fù)雜[13-14].

近年來，關(guān)于地表死可燃物負荷量的研究逐漸增多.吳志偉等[15]利用DCCA排序法對豐林保護區(qū)的死可燃物負荷量與環(huán)境因子的關(guān)系進行了研究.周澗青等[16]對大興安嶺南部林區(qū)地表可燃物負荷量的影響因子進行了研究.武超等[17]探討了火干擾對落葉松林地表死可燃物負荷量的影響.還有一些學(xué)者通過地表負荷量與森林環(huán)境因子(坡度、坡向、海拔等)建立的模型，預(yù)測森林可燃物載量.李明澤等[18]通過遙感信息結(jié)合樣地數(shù)據(jù)建立地面可燃物載量估測模型.姜宏志[19]建立楓樺紅松林地被死可燃物載量與林分因子(樹高、胸徑、郁閉度等)以及環(huán)境因子(坡度、坡向、坡位等)的回歸模型，結(jié)果表明郁閉度、坡位和平均胸徑可以很好估算楓樺紅松林地被死可燃物負荷量.目前有關(guān)火燒強度與火后油松林地表死可燃物負荷量綜合影響的研究鮮有報道.

為了深入研究不同火干擾強度后油松林地表死可燃物負荷量的變化以及地形、林分等因子對地表死可燃物負荷量的影響，本研究以冀北遼河源的油松林(Pinustabulaeformis)火燒跡地為對象，選擇不同火燒強度的油松林地，分析了不同強度火干擾后油松地表死可燃物負荷量的動態(tài)變化，同時對油松林地表死可燃物負荷量及其影響因素進行探討，為制定科學(xué)的可燃物管理制度和森林火災(zāi)損失評估標準提供依據(jù).

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省平泉縣境內(nèi)的遼河源森林公園(118°22′—118°37′E,41°01′—41°21′N).東鄰遼寧，北接內(nèi)蒙，是冀、蒙、遼三省交界的遼河源頭，也是京津冀地區(qū)重要的綠色生態(tài)屏障.該地屬溫帶大陸性季風(fēng)型山地氣候，年平均氣溫7.3 ℃，年均降水量540 mm，年均蒸發(fā)量1 800 mm,全年無霜期約110～125 d.代表性土壤類型主要有褐土和棕土.森林植被主要是油松天然次生林，其主要伴生種為山楊(Populusdavidiana)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、白樺(Betulaplatyphylla)等.林下植被主要有毛榛(Corylusmandshurica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、土莊繡線菊(Spiraeapubescens)、照山白(Rhododendronmieranthum)、小紅菊(Dendranthemachanetii)、雞腿堇菜(Violaacuminata)、玉竹(Polygonatumodoratum)、石竹(Dianthuschinensis)等.

2 研究方法

2.1 火干擾強度劃分

火燒跡地的死亡樹木并非全是直接被火燒死，有些樹冠層還殘留枯枝枯葉的死亡樹木是由于火燒導(dǎo)致林木缺失水分和營養(yǎng)成分而枯死；有些樣地內(nèi)樹木全部死亡，且樹冠層沒有任何枯葉，說明林火直接蔓延到樹冠，樹木直接被燒死[20].實地觀測發(fā)現(xiàn)：當(dāng)熏黑高度低于樹高2/3時，僅有地表火痕跡，并未燒及樹冠；而熏黑高度超過2/3時，樹木全部死亡.以樹木熏黑高度、死亡狀況和燒死木株數(shù)占比為依據(jù)，對火燒強度進行以下劃分[21-24]：熏黑高度低于樹高的1/3，燒死木株數(shù)占比小于等于30%，且樹冠有綠葉的樣地為輕度火燒跡地；熏黑高度為樹高的1/3～2/3，燒死木株數(shù)占比為30%～69%，且樹冠頂層有少部分綠葉的樣地為中度火燒跡地；熏黑高度超過樹高的2/3，且燒死木株數(shù)占比大于等于70%的樣地為重度火燒跡地.

2.2 樣方設(shè)置

圖1 樣地照片F(xiàn)ig.1 Photo of sampling plots

2016年7—8月對河北平泉大窩鋪林場的火后第2年油松林火燒跡地進行調(diào)查，圖1為火后林地照片.選取具有一定代表性且生境條件基本一致的過火林地和未過火林地，設(shè)置不同火燒強度、林分因子的火燒樣地和未火燒(對照)樣地共24塊，每塊樣地大小為20 m×20 m，記錄每塊樣地的海拔、坡度、坡向、坡位、樹木熏黑高度和燒傷等級等因子，研究火燒強度對地表死可燃物負荷量的影響.在每塊樣地采用定點打樁的方法劃分出16個5 m×5 m的小樣方，24塊樣地中共計384個小樣方.樣地概況如表1所示.

2.3 地表死可燃物調(diào)查

地表死可燃物采用全部稱重法調(diào)查，按照可燃物標準劃分1 h時滯可燃物(直徑<0.64 cm的小枝，包括上、下層枯葉可燃物)、10 h時滯可燃物的枝干(0.64 cm<直徑≤2.60 cm)、100 h時滯可燃物的粗枝(2.60 cm<直徑≤7.60 cm)，并進行采集[25].每塊樣地兩條對角線以及中央設(shè)置5塊1 m×1 m小樣方和5塊5 m×5 m小樣方，在1 m×1 m小樣方中采集1h時滯可燃物，在5 m×5 m小樣方采集10 h時滯可燃物和100 h時滯可燃物.在野外對各個規(guī)格可燃物樣品稱濕重并帶回實驗室，在105 ℃下烘至絕干，記錄其干重.

表1 樣地概況Table 1 General situation of sampling plots

2.4 指標計算

式中，R為相對含水率，WH為可燃物濕重，WD為可燃物干重，MH為信封濕重；MD為信封干重.

式中，F(xiàn)為地表死可燃物負荷量；i為可燃物類別，表示1 h時滯可燃物、10 h時滯可燃物、100 h時滯可燃物、上層枯葉可燃物和下層枯葉可燃物；W為可燃物濕重，R為可燃物相對含水率.

2.5 數(shù)據(jù)處理

采用方差分析和多重比較對不同火干擾強度下油松林地表可燃物負荷量的差異性進行分析；運用冗余分析(RDA)對地表死可燃物負荷量和環(huán)境因子的關(guān)系進行研究[26-27].植被數(shù)據(jù)采用24塊樣地的地表死可燃物負荷量，環(huán)境因子包括燒死木百分比、坡度、坡位、坡向、胸徑、樹高、熏黑高和樹高百分比.坡位和坡向需要進行數(shù)字轉(zhuǎn)換.坡位轉(zhuǎn)換規(guī)則：1表示上坡，2表示中坡，3表示下坡，數(shù)字越小坡位越小.坡向轉(zhuǎn)換規(guī)則：1表示東北坡，2表示東坡，3表示東南坡，4表示南坡，5表示西南坡，6表示西坡，7表示西北坡，8表示北坡.采用SPSS 21.0分析地表死可燃物負荷量的差異性和各環(huán)境因子與RDA排序軸的相關(guān)性.

3 結(jié)果與分析

3.1 火燒跡地火燒強度等級的劃分

通過計算火燒樣地的熏黑高度與樹高的比值和燒死木株數(shù)占比，對24塊火燒樣地進行火燒強度的劃分，得出重度火燒樣地6塊，中度火燒樣地6塊，輕度火燒樣地6塊.由表2可知，6塊重度火燒樣地的熏黑高度與樹高的比值為0.73～1.00，燒死木株數(shù)占全部株數(shù)的百分比在71.52%以上；6塊中度火燒樣地的熏黑高度與樹高的比值為0.36～0.52，燒死木百分比為39.72%～61.35%；6塊輕度火燒樣地的熏黑高度與樹高的比值低于0.21，燒死木百分比不超過20.04%(表2).

表2 火燒樣地火強度等級的劃分Table 2 The division of fire intensity

3.2 火干擾對地表死可燃物負荷量的影響

由表3可知，火干擾后油松林的地表死可燃物負荷量減小，與火燒強度呈正比.重度火燒樣地、中度火燒樣地和輕度火燒樣地的地表死可燃物負荷量分別為(5 595.66±540.88) kg·hm-2、(6 903.02±639.41) kg·hm-2和(8 458.35±349.96) kg·hm-2，分別較未火燒樣地(12 127.48±322.13) kg·hm-2減少了6 531.28、5 224.46和3 669.13 kg·hm-2.

表3 不同火燒強度下的地表死可燃物負荷量(平均值±標準差)1)Table 3 Surface dead fuel load under different fire intensities (mean±standard deviation) kg·hm-2

1)不同小寫字母表示不同強度火燒樣地同類型可燃物負荷量的差異(P<0.05).

方差分析表明，火干擾對不同程度火燒樣地地表死可燃物負荷量的影響不同.1 h輕度、中度和重度火燒樣地的時滯可燃物負荷量分別比未火燒樣地減少29.27%、42.58%和54.12%；未火燒樣地與火燒樣地中，中度和重度火燒的時滯可燃物負荷量存在顯著差異(P<0.05)，與輕度火燒差異不明顯；火燒樣地中，輕度火燒的時滯可燃物負荷量與中度火燒、重度火燒存在顯著差異(P<0.05)；10 h時滯地表可燃物類型中，重度、中度和輕度火燒樣地的時滯可燃物負荷量較未火燒樣地分別減少了54.48%、40.67%和41.39%，中度火燒樣地的時滯可燃物負荷量較輕度火燒樣地增加了9.02 kg·hm-2.這可能是因為中度、重度火燒后沒有枝葉遮擋，導(dǎo)致林內(nèi)光照增強，風(fēng)速增大，主干殘留枯枝落葉易脫落，使得10 h時滯可燃物負荷量增加.未火燒樣地與火燒樣地的時滯可燃物負荷量均存在顯著差異(P<0.05)，而火燒樣地不存在顯著差異.100 h時滯地表可燃物類型中，中度和輕度火燒的時滯可燃物負荷量分別減少了48.99%和26.74%，與未火燒樣地差異顯著(P<0.05)；重度火燒后時滯可燃物負荷量減少了88.79%，與未火燒樣地差異極顯著(P<0.01).總負荷量中，未火燒樣地與火燒樣地中的中度、重度火燒的時滯可燃物負荷量之間存在顯著差異，與輕度火燒不存在顯著差異.

3.3 地表死可燃物負荷量與地形、林分因子的關(guān)系

在分析地表可燃物與地形、林分因子之間的關(guān)系之前，需通過DCA排序分析確定統(tǒng)計方法[25].當(dāng)DCA分析得出的第1排序軸小于3.0，則采用冗余分析(RDA)；若第1排序軸大于4.0，則采用典范對應(yīng)分析(CCA)；當(dāng)?shù)?排序軸為3.0～4.0，則兩種方法都可以選用.本研究通過DCA排序軸分析得出的第1排序軸的職位為0.266(小于3.000)，表明采用RDA效果好.

RDA分析結(jié)果(表4)表明，排序軸1解釋了地表死可燃物負荷量與立地、林分因子的關(guān)系為45.5%，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.829；排序軸2解釋了地表死可燃物負荷量與立地、林分因子的關(guān)系為8.1%，兩者相關(guān)系數(shù)為0.579；排序軸1和排序軸2累計解釋了53.6%的地表死可燃物負荷量與立地、林分等因子的關(guān)系，對負荷量與地形、林分等因子關(guān)系的累計貢獻率達95.4%.前2個軸包含了較全面的可燃物負荷量特征信息，同時P=0.02<0.05，表明RDA排序結(jié)果良好，可以較好反映地表可燃物負荷量與地形、林分等因子之間的關(guān)系.

表4 RDA結(jié)果Table 4 Results of redundancy analysis

圖2是地表枯死可燃物負荷量與地形、林分等因子的RDA排序圖.數(shù)字1～24表示樣地編號，箭頭表示影響地表死可燃物負荷量的相關(guān)因子，箭頭與原點連線的長度代表地形、林分等因子對地表死可燃物負荷量的解釋量大小.林分、地形因子變量的箭頭方向與負荷量之間的余弦值代表它們之間的相關(guān)性，余弦值為正值表示正相關(guān)關(guān)系，反之為負相關(guān)關(guān)系[19].由圖2可知，林分因子中，胸徑、熏黑高與樹高的比值以及燒死木百分比均表現(xiàn)出對地表負荷量變化較高的解釋量；地形因子中，坡向?qū)Φ乇碡摵闪看笮〉慕忉屃勘绕渌匦我蜃痈?所有因子中，胸徑線段長度最長，所以胸徑表現(xiàn)了對地表負荷量較高的解釋量，與負荷量呈正相關(guān)；其次是熏黑高與樹高的比值以及燒死木百分比，與地表負荷量呈負相關(guān).地形因子中坡向、坡位與地表負荷量呈正相關(guān)，坡度對地表負荷量的影響較小(表5).

BWP:燒死木百分比.CD：郁閉度.DHC：平均胸徑.MH：平均樹高.BHR：熏黑高與樹高的比值.SL：坡度.AS：坡向.SP：坡位.1～6為重度火燒樣地，7～12為中度火燒樣地，13～18為輕度火燒樣地，19～24為未火燒樣地.圖2 地表死可燃物負荷量的RDA排序圖Fig.2 RDA sort graph of surface dead fuel load

影響因子軸1軸2影響因子軸1軸2平均胸徑(DBH)0.697 30.172 9熏黑高與樹高的比值(BHR)-0.524 50.277 0平均樹高(MH)0.453 2-0.013 6坡度(SL)-0.052 20.145 4郁閉度(CD)0.419 4-0.148 5坡向(AS)0.441 80.071 4燒死木百分比(BWP)-0.494 60.189 5坡位(SP)0.252 80.259 2

4 小結(jié)與討論

本研究結(jié)果表明：(1)不同強度火干擾對油松林地表死可燃物負荷量影響顯著，油松林地表死可燃物負荷量大小順序為未火燒樣地>輕度火燒樣地>中度火燒樣地>重度火燒樣地.火燒樣地和未火燒樣地之間差異顯著(P<0.05)，1 h時滯(輕度火燒除外)、10 h時滯、100 h時滯可燃物負荷量隨著火燒強度的增強顯著減??；不同火燒樣地中1 h時滯的負荷量之間存在顯著差異(P<0.05)，而10 h時滯和100 h時滯不同火燒程度的負荷量之間無顯著差異；

(2)通過RDA冗余分析解釋了地形、林分等因子與地表死可燃物負荷量之間的關(guān)系，林分因子中胸徑表現(xiàn)了對地表負荷量較高的解釋量，與負荷量呈較顯著正相關(guān)；其次是熏黑高與樹高的比值以及燒死木百分比，兩者與地表負荷量呈較顯著的負相關(guān).地形因子中坡向、坡位因子與地表負荷量呈正相關(guān)，而坡度對地表負荷量的影響較小.火干擾對遼河源油松林地表死可燃物負荷量有明顯的影響，火燒樣地的地表死可燃物負荷量較未火燒樣地顯著減少，且重度火燒樣地的減少程度大于中度和輕度火燒樣地.而針對不同時滯地表死可燃物，火干擾的影響程度不同，1 h時滯可燃物負荷量在火燒后減少，除了輕度火燒，重度和中度火燒樣地與未火燒樣地差異顯著減小(P<0.05)；10、100 h時滯可燃物在火燒后均顯著減小(P<0.05).在火燒后，地表死可燃物分配格局也會發(fā)生變化，1 h時滯、100 h時滯可燃物負荷量比重隨火燒強度的增強而減少，10 h時滯可燃物負荷量未表現(xiàn)出明顯的變化趨勢.這是因為林火會直接燒毀地表未分解的枯落物，從而導(dǎo)致地表死可燃物負荷量減少，且火燒也會燒掉部分草本、灌木和喬木，導(dǎo)致地表死可燃物的來源減少；同時，火燒改變了林分環(huán)境，使得地表輻射增強，地表死可燃物的分解速度加快，也會導(dǎo)致地表死可燃物量減少.由于調(diào)查時間是在火災(zāi)后第2年，輕度和中度火燒部分樹木沒有直接死亡，輕度火燒只燒掉了林下枯落物，對林木造成的影響小；中度火燒燒掉樹木部分枝條，還留有部分枝葉.后期樹木死亡，主干上枝葉脫落，導(dǎo)致林下負荷量增加，這可能是中度火燒未表現(xiàn)出明顯變化的原因.本研究結(jié)論與現(xiàn)有的火燒減少地表死可燃物負荷量的結(jié)論[29-30]一致.而與武超等[16]研究得出的10 h時滯、100 h時滯的可燃物負荷量在火燒后會增加的結(jié)論不同，主要原因可能是由于火后調(diào)查時間不同，本試驗是在火后第2年對火燒跡地進行調(diào)查，武超等是在火后第6年進行調(diào)查.

從RDA排序圖中可知，胸徑線段長度最長，說明胸徑是地表負荷量的主要林分因子，這是因為喬木隨著胸徑增大，自然整植過程產(chǎn)生的大量枯枝在林下積累，導(dǎo)致林下可燃物負荷量增多[15]，燒死木百分比、熏黑高與樹高的比值與地表死可燃物呈顯著負相關(guān)，表明不同火強度對地表死可燃物負荷量有明顯的影響.坡度與地表負荷量之間相關(guān)性小，可能是由于林區(qū)整體地勢較為平坦，調(diào)查樣地之間坡度差異性小，因此不存在顯著相關(guān)性.

由于冀北遼河源林區(qū)屬于低山山區(qū)，海拔變化不大，而此次林火發(fā)生也相對集中，海拔差異性小，因此未將海拔因子考慮進去.同時，本研究只分析了各地形因子以及林分因子對地表死可燃物負荷量的影響，而忽視了環(huán)境因子之間的相互作用以及其他因素，例如土壤、氣象等因子共同作用.