馬尾松林地表可燃物載荷及其影響因子分析

周緒佳，閆德民，2，王 鵬，徐 晗

（1.南京森林警察學院，江蘇 南京 210023 2.南京森林警察學院 火燒跡地植被恢復(fù)與管理重點實驗室，江蘇 南京 210023）

可燃物載荷量作為可燃物重要的特性之一，是影響燃燒劇烈程度的主要因素之一，已成為森林火災(zāi)研究的焦點[1-3]。森林地表可燃物作為森林燃燒基礎(chǔ)物質(zhì)之一，其負荷量的多少直接影響著火蔓延和火強度[4]。迄今為止，許多學者都將目光投向了可燃物的載荷量及其分布特征、碳儲量及生物量、燃燒性能及指標、分布及影響因子、可燃物含水率、負荷量建模等方面。

早在上世紀初期，Dubois、Harnby等就已經(jīng)對林分的某種類型可燃物進行了比較粗獷的探索性研究，開啟了森林可燃物研究的大門[5]。緊接著Robert等完成了利用遙感圖像對可燃物載荷量等特征的研究；S.Saatchi等利用雷達遙感技術(shù)對森林可燃物載量進行了估測，極大程度地提高了精度[6-7]。我國對于森林可燃物負荷量的研究始于20世紀80年代[8]，邸雪穎、劉曉東、胡海清、周澗青[9-12]等對大興安嶺林區(qū)地表可燃物負荷量進行了調(diào)查，并建立了數(shù)學模型；郭利峰、牛樹奎等[13]調(diào)查了北京八達嶺人工油松林不同地形條件下地表枯死可燃物載量，用線性相關(guān)分析法對各因子和負荷量進行分析，并建立估測模型；金琳等[14]運用單樣本的K-S檢驗法，對十三陵林場的調(diào)查數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗；王叁等[15]對云南松林可燃物的垂直分布及影響因子進行了分析，并運用國際通用軟件CANOCO 4.5完成CCA分析；李成杰[16]對寬甸地區(qū)森林類型和地表可燃物負荷量的分布情況進行了研究，發(fā)現(xiàn)地表可燃物負荷量的分布與林分密度和林齡有關(guān)；趙雪巍[17]對沈陽地區(qū)主要林型地表可燃物載荷量及分布進行了研究，發(fā)現(xiàn)當林分密度低于一定閾值時，地表可燃物載量明顯要高于其他密度，針葉樹比闊葉樹表現(xiàn)更明顯；劉志華、常禹等[18]利用統(tǒng)計學方法，依據(jù)時滯分類標準對大興安嶺呼中林區(qū)地表死可燃物進行了對比研究；張思玉等[19-20]對芒萁馬尾松林下可燃物分布及其燃燒性進行了研究并且對杉木、馬尾松人工林地表可燃物的利用潛力進行了分析。

雖然目前國內(nèi)外在森林地表可燃物方面已經(jīng)開展了較多研究，但在馬尾松林地表可燃物載荷及其影響因子的研究方面仍存在著空白。眾所周知，馬尾松在我國的分布極廣，北自河南，南至兩廣，東自沿海，西至四川中部，遍布于華中華南各地，是經(jīng)濟價值高，資源較豐富的速生豐產(chǎn)鄉(xiāng)土針葉樹種，在我國人工林生產(chǎn)中享有重要地位[21]。為了探究不同因子與馬尾松林地表可燃物載量的相關(guān)性，本研究以南京老山國家森林公園和丁山為實驗地點，對馬尾松林地表可燃物的載量進行了測定，以期為我國馬尾松林火災(zāi)預(yù)防及可燃物科學管理提供實測數(shù)據(jù)，為國家森林公園森林防火和可燃物管理提供參考。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究地區(qū)概況

樣地位于南京市老山國家森林公園與丁山。南京市老山國家森林公園（30°40′N，118°30′E）位于南京市浦口區(qū)，橫貫浦口區(qū)境內(nèi)，東起浦口高新區(qū)，南臨長江，北枕滁河，西達安徽和縣，總面積80 km2，森林覆蓋率高達80%。老山山勢呈西南至東北走向，且西段較高，山體由震旦系灰?guī)r、千枚巖及寒武系灰?guī)r、白堊系砂巖等構(gòu)成，土壤種類受成土母質(zhì)影響，有石灰土、黃棕壤、紫色土等，氣候溫和，屬于亞熱帶季風氣候，年平均氣溫15.3℃，無霜期228天，年降水量1000 mm。公園境內(nèi)植物資源十分豐富，自然植被類型屬落葉闊葉與常綠闊葉混交林，主要樹種有馬尾松、濕地松、火炬松、黑松、水杉、毛竹、剛竹、槐、櫟、樸、櫸、椿等，林木蓄積量33萬m3。

1.2 樣地設(shè)置與調(diào)查

2018年5-12月，在南京市老山國家森林公園和丁山按照不同林齡（幼齡林、中齡林）、不同密度（低密度、中密度、高密度）和不同坡向（陰坡、陽坡）等因子進行踏查，選擇符合要求的12種馬尾松林樣地。樣地面積均為20 m×20 m，在每塊樣地內(nèi)隨機選擇1 m×1 m的小樣方4～8塊不等，經(jīng)過篩選，共設(shè)置了78塊有效樣方。按照Burrows等[22]提出的可燃物三級分類方法進行樣品分類，即：1 h時滯可燃物（直徑＜0.64 cm的小枝、樹葉及雜草）、10 h時滯可燃物（直徑0.64～2.54 cm的細小枝條、樹皮、球果等）、100 h時滯可燃物（直徑2.54～7.62 cm的枯枝、樹皮等）。用塑料袋進行可燃物的分類采集，野外利用手稱稱量各類可燃物濕重、利用凋落物水分析儀（DUFFDMM600）測量1h時滯可燃物樣品的含水率，利用生長錐測定樣地內(nèi)每株馬尾松的林齡取平均值，分別記錄數(shù)據(jù)，并用信封在每種樣地內(nèi)取樣，帶回實驗室進行烘干測定其含水率。試驗所選取樣地的基本概況如表1所示。

1.3 室內(nèi)分析

將野外采集的各類可燃物樣品放入烘箱內(nèi)，在105℃下連續(xù)烘干24 h至恒重，用電子天平稱量其干質(zhì)量（g）。計算樣品含水率的公式[13]：

式中，RMC為相對含水率，WH為可燃物濕重（g），WD為可燃物烘干后的絕干重量（g）。

計算樣地載荷量的公式[17]：

表1 不同種類馬尾松林樣地各因子的基本概況

式中，F(xiàn)L為總載荷量（g/㎡），WH為可燃物濕重（g），Q為含水量，S為樣地面積（㎡）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運用Excel軟件進行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計，利用SPSS18.0軟件進行相關(guān)性分析和顯著性檢驗，用Pearson相關(guān)系數(shù)評價不同因子間的相關(guān)性，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樣地內(nèi)馬尾松林地表可燃物載荷量

根據(jù)公式（1）、（2）計算12種樣地的各類地表可燃物載荷量，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，不同林型的馬尾松林地表可燃物載荷量差異較大。12種樣地中1 h時滯地表可燃物載荷量的分布范圍為421.56g/m2～1217.27g/m2，12種樣地中10 h時滯地表可燃物載荷量的分布范圍為46.12 g/m2～298.69 g/m2,100 h時滯地表可燃物載荷量的分布范圍為37.5 g/m2～559.38 g/m2，地表可燃物總載荷量的分布范圍為541.77 g/m2～1873.03 g/m2；單就地表可燃物總載荷量而言，超過1500 g/m2的只有3種樣地，低于800 g/m2的只有2種樣地，大部分樣地的總載荷量分布在800 g/m2～1500 g/m2之間；12種樣地中6號樣地（樣地類型為陽坡中齡林高密度）無論是1 h、10 h、100 h時滯地表可燃物載荷量，還是總載荷量都比較突出，而7號樣地（樣地類型為陰坡幼齡林低密度）無論是1 h、10 h、100 h時滯地表可燃物載荷量，還是總載荷量都最少。由此可以斷定不同坡向、樹種林齡、林分密度對馬尾松林地表可燃物載荷量存在著不同程度的影響。

2.2 坡向?qū)︸R尾松林地表可燃物載荷量分布的影響

對表1、表2的數(shù)據(jù)進行整理，利用控制變量法探究坡向、林齡、密度三種因子分別對馬尾松林地表可燃物總載荷量的影響，結(jié)果分別見圖1、圖2、圖3。

由圖1可知，當控制林齡和密度兩個變量一致時，無論是幼齡林低密度、幼齡林中密度、幼齡林高密度樣地，還是中齡林低密度、中齡林中密度、中齡林高密度樣地，對于馬尾松林而言，總有陽坡地表可燃物總載荷量大于陰坡地表可燃物總載荷量這一現(xiàn)象。這個結(jié)果符合自然的客觀規(guī)律，陽坡光照條件更充足，導致林內(nèi)樹木長勢較好，凋落物相對較多，再加上陽坡林下草、灌植物受到的光照相對于陰坡較多，生長就相對旺盛，致使可燃物分解緩慢，總可燃物載荷量相對增多。

表2 不同影響因子下馬尾松林各類地表可燃物載荷量

圖1 不同坡向?qū)︸R尾松林地表可燃物總載荷量的影響

2.3 林齡對馬尾松林地表可燃物載荷量分布的影響

圖2 不同林齡對馬尾松林地表可燃物總載荷量的影響

由圖2可知，當控制坡向和密度兩個變量一致時，無論是哪種樣地，中齡林地表可燃物總載荷量總是高于幼齡林地表可燃物總載荷量。主要原因是隨著樹種的生長，林分的平均胸徑與平均樹高相對增加，即林分的生長量相對加快，自然整枝能力增強，導致大量的枯枝落葉脫落，使地表可燃物總載荷量相對增加。

2.4 密度對馬尾松林地表可燃物載荷量分布的影響

圖3 不同密度對馬尾松林地表可燃物總載荷量的影響

由圖3可知，當控制坡向和林齡兩個變量一致時，在陽坡幼齡林、陽坡中齡林、陰坡幼齡林、陰坡中齡林4種樣地中，地表可燃物總載荷量均隨著密度的增加而增加。主要原因是實驗調(diào)查的馬尾松林中，幼齡林樹種年齡的平均值處于7～14年之間，中齡林樹種年齡的平均值處于25～28年之間，兩者正好屬于馬尾松林郁閉前和郁閉后的生長加速期，所以隨著林分密度的增加和林分生長量的加快，林內(nèi)的郁閉度提高，自然整枝能力加強，導致大量枯枝落葉的凋落，再加上枯枝落葉的理化性質(zhì)不易分解，以及郁閉度的增加會影響林內(nèi)的小氣候，使林內(nèi)相對濕度較大，風速較小，溫度較低，枯落物分解的速度緩慢，大量的可燃物就會常年累積在林地內(nèi)，使得地表可燃物總載荷量相對增加。

2.5 馬尾松林內(nèi)各因子與地表可燃物載量的相關(guān)性分析

由表3可看出，坡向這一因子除了與10 h時滯地表可燃物載荷量呈極顯著負相關(guān)以外，與其他各類地表可燃物載荷量的相關(guān)性都較低；林齡與各類地表可燃物載荷量均呈極顯著正相關(guān)；密度與10 h時滯地表可燃物載荷量呈極顯著正相關(guān)，與地表總可燃物載荷量呈顯著正相關(guān)。從整體上來看，馬尾松林內(nèi)各級地表可燃物載荷量與林齡這一因子的相關(guān)性和顯著性都要更高，即林齡這一影響因子對于馬尾松林內(nèi)各級地表可燃物載荷量的影響要明顯高于其他兩種因子。

表3 馬尾松林內(nèi)各因子與地表可燃物載量的相關(guān)分析

3 討論與結(jié)論

以往研究表明，當總地表可燃物載量小于2.5 t/hm2時，難以維持正常燃燒；而當總地表可燃物載量大于10 t/hm2時，有發(fā)展成大的森林火災(zāi)的可能性[23]。所以，研究林分內(nèi)的地表可燃物載荷量是探究森林防火與探測森林火險的關(guān)鍵要素。在南京老山國家森林公園和丁山地區(qū)，馬尾松林下地表總可燃物載荷量的平均值為1157.54 g/m2，其中1h時滯地表可燃物占67.95%，10 h時滯地表可燃物占11.8%，100 h時滯地表可燃物占20.25%。雖然相對于周澗青[12]、李成杰[16]等在大興安嶺和寬甸地區(qū)所測的數(shù)據(jù)而言，南京地區(qū)馬尾松林內(nèi)的地表可燃物載荷量水平相對較低，但是其仍有發(fā)展成大型森林火災(zāi)的可能性。

本項研究結(jié)果顯示，陽坡地表可燃物載荷量要高于陰坡，這與以往研究的結(jié)果一致，但坡向只和10 h時滯地表可燃物載荷量呈極顯著負相關(guān)，與其他各級地表可燃物載荷量的相關(guān)性都較低，這一結(jié)論與盧中波等[1]的研究結(jié)果存在差異。盧中波等的研究結(jié)果顯示，坡向與1 h時滯和總地表可燃物載荷量呈極顯著負相關(guān)。這主要是因為本次實驗樣地地理位置的海拔相對較低，處于陽坡和陰坡中的樣地距離相對較近，山上植被沒有高海拔山體中那么明顯的梯度變化，所以我們雖然證實了馬尾松林地表可燃物載量在陽坡比陰坡要高，但兩者之間的差異并不顯著。

國內(nèi)有學者研究認為，地表可燃物載荷量有隨林齡的增加而減少的趨勢[5，16]，或地表可燃物載荷量與林齡相關(guān)性不大[12，17]，而本研究結(jié)果顯示林齡與各類地表可燃物載荷量均呈極顯著正相關(guān)。這可能是因為本研究所劃分的樹種林齡正好處于馬尾松林的生長加速期階段，所以會有地表可燃物載荷量隨林齡增長而增加的趨勢。李成杰[16]、盧中波[1]、李縉[5]等的研究認為地表可燃物載荷量隨林分密度增加而減少，而本項研究結(jié)果顯示，馬尾松林下地表可燃物載荷量隨林分密度增加而增加，這一結(jié)論與郭利峰[13]、趙雪巍[17]等的研究結(jié)果基本一致。周澗青等[12]的研究結(jié)果顯示灌木、草本可燃物負荷量與林分密度呈極顯著負相關(guān)，1 h、10 h、100 h時滯可燃物負荷量與林分密度呈正相關(guān)，地表總可燃物負荷量與林分密度呈負相關(guān)，由此可見，地表可燃物負荷量受灌木、草本的影響較大。而本實驗調(diào)查的地表可燃物載荷量排除了灌木、草本兩種可燃物，這也就減少了隨著林分密度增加，郁閉度對于林下灌木、草本的影響，此時，隨著林分密度的增加，自然整枝能力的增強，馬尾松林下地表可燃物的載荷量主要受10 h時滯可燃物的影響，從而出現(xiàn)了密度與10 h時滯地表可燃物載荷量呈極顯著正相關(guān)，與地表總可燃物載荷量呈顯著正相關(guān)的結(jié)論。

從實驗結(jié)果來看，在南京老山國家森林公園和丁山的12種樣地中，陽坡中齡林高密度的樣地載荷量最高，相對而言發(fā)生大型森林火災(zāi)的可能性較高，所以應(yīng)注意該種樣地內(nèi)枯枝落葉的定期清理。此外，本研究只討論了南京市老山國家森林公園與丁山范圍內(nèi)坡向、林齡、密度三大因子對于馬尾松地表可燃物載荷量的影響情況，研究結(jié)論會存在一定的局限性。