棲霞山老齡楓香林凋落物載荷量及潛在燃燒性分析

王健宇，邵加云，李星亮，張思玉，閆德民

（1.南京森林警察學(xué)院 森林消防學(xué)院/火燒跡地植被恢復(fù)與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023；2.安徽省馬鞍山市和縣國(guó)有雞籠山林場(chǎng)，安徽 和縣 238200）

森林火災(zāi)，特別是近年來(lái)重大森林火災(zāi)的頻繁出現(xiàn)，與森林地表凋落物載荷量積累有密切的關(guān)系。凋落物作為地表可燃物的重要組分，其載荷量具有空間分布的復(fù)雜性和隨時(shí)間變化的特點(diǎn)[1，2]。地表凋落物相比于植物活體組分更容易燃燒，由于凋落物類型、載荷量、含水率、熱值、灰分含量及堆積緊實(shí)程度等方面的差異，導(dǎo)致林火發(fā)生概率及火行為不同。天然林保護(hù)工程實(shí)施以來(lái)，重要林區(qū)地表凋落物載荷量呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，成為誘發(fā)森林火災(zāi)的主導(dǎo)因素。地表凋落物載荷量是決定地表可燃物潛在能量的重要指標(biāo)，潛在能量則是指森林可燃物在理想狀態(tài)下充分燃燒所釋放出的能量。地表凋落物潛在能量主要受到凋落物類型、載量、熱值及含水率的影響[3]。目前針對(duì)潛在能量研究主要有黑龍江大興安嶺森林地表草本植物、長(zhǎng)白山森林主要地表植物細(xì)根、云南地盤松地表凋落物潛在能量等相關(guān)研究案例[4-6]。

楓香（Liquidambar formosana Hance.）屬金縷梅科楓香亞科楓香屬，是優(yōu)良的造林綠化樹種，具有較好的生態(tài)效益和社會(huì)效益，其存在價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值相對(duì)較高，在生產(chǎn)和科研上備受重視。楓香植株根系較深，維護(hù)地力作用較明顯，是人工林樹種結(jié)構(gòu)調(diào)整的首選樹種之一[7]。楓香是落葉喬木，秋季會(huì)產(chǎn)生大量的凋落物。由于長(zhǎng)期人類活動(dòng)的干擾，我國(guó)楓香林幾乎被砍伐殆盡。南京市及周邊有紫金山、棲霞山、滁州等地古寺廟周邊有殘存成片老齡楓香林。老齡林地表可燃物積累數(shù)量較大，具有一定誘發(fā)森林火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)，以楓香林為例研究老齡林地表凋落物載量和燃燒特性對(duì)于老齡林保護(hù)具有現(xiàn)實(shí)意義[8]。

1 研究區(qū)概況

棲霞山位于江蘇省南京市棲霞區(qū)，東經(jīng)118°14′～118°22′、北緯32°09′～32°10′，最高海拔286 m，面積825.40 hm2。山體結(jié)構(gòu)主要由石灰?guī)r、砂巖等組成，土壤以黃棕壤為主。棲霞山屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，日照充足，雨量充沛，年平均降水量1000 mm，集中在夏季，冬季干燥少雨，年平均日照1628.8 h，平均氣溫15.3 ℃，無(wú)霜期322 d。該區(qū)域?qū)儆诒眮啛釒蚺瘻貛н^(guò)渡區(qū)，林區(qū)植物以落葉闊葉林為主，植被覆蓋率達(dá)90%以上。楓香林自20 世紀(jì)30年代以來(lái)一直是該區(qū)域相對(duì)穩(wěn)定的森林類型，是棲霞山森林群落中的優(yōu)勢(shì)樹種，目前保留有多處成片的老齡楓香林；其他典型植被有栓皮櫟、糯米椴等。棲霞山植被類型豐富，野生維管植物有500余種[9]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

實(shí)驗(yàn)樣地選擇在桃花湖東側(cè)的老齡楓香林內(nèi)，林分郁閉度為0.95，楓香平均胸徑（DBH）為40～60 cm，通過(guò)生長(zhǎng)錐鉆取樹芯測(cè)定林齡均在60年以上。2017年11月，對(duì)該區(qū)域老齡林進(jìn)行踏查，選取不同坡向、林分密度和胸徑較為一致的楓香林。分別設(shè)置3個(gè)10 m×10 m樣方，并在每個(gè)樣方內(nèi)沿對(duì)角線設(shè)置1 m×1 m 的小樣方3 塊用于凋落物的取樣。在樣地內(nèi)對(duì)楓香進(jìn)行株數(shù)查定和每木檢尺，同時(shí)測(cè)定樣地海拔、坡向、坡度等地形因子。

2.2 凋落物分層取樣

地表凋落物采集利用自上而下分層取樣方法，將樣地內(nèi)凋落物分為上、中、下3 層。上層為枯枝條（直徑≥1 cm），中層為較完整的落葉及細(xì)枝條（直徑＜1 cm），下層為破碎葉和腐爛細(xì)小枝條等。采集后用便攜式電子秤稱取鮮重后裝入封口袋內(nèi)備用。同時(shí)對(duì)樣方相鄰?fù)鈧?cè)挖取可燃物剖面進(jìn)行分層厚度測(cè)定并記錄。

2.3 可燃物載荷量及燃燒參數(shù)測(cè)定

將采集樣品用電子天平稱量鮮重后放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，溫度80℃烘干至恒重，稱量絕干質(zhì)量，計(jì)算不同層次樣品的絕對(duì)含水率（%）。利用樣方不同層次可燃物鮮重質(zhì)量和絕干含水率估算地表凋落物總的載荷量（kg/m2）。將所有烘干樣品取出一部分運(yùn)用粉碎機(jī)粉碎過(guò)篩裝袋備用。利用ZDHW-8全自動(dòng)量熱儀對(duì)粉碎后的凋落物樣品進(jìn)行熱值測(cè)定，熱值單位取kJ·kg-1，每個(gè)樣品測(cè)定3次取均值。地表凋落物潛在能量用單位面積熱量來(lái)表征，即單位面積可燃物在絕干狀態(tài)下完全燃燒所釋放出的熱量，也就是用可燃物絕干載荷量與其熱值的乘積作為指標(biāo)來(lái)評(píng)估地表凋落物的潛在燃燒性。

2.4 數(shù)據(jù)分析處理

用Excel 2000對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 楓香林凋落物特征

棲霞山桃花湖東側(cè)老齡楓香林連續(xù)成片分布，林下灌木有雞爪槭、山胡椒、枸骨等，草本有毛蕨、天葵、沿階草、絡(luò)石、山麥冬等。凋落物厚度平均為6.8±3.5 cm，中層為當(dāng)年掉落楓香落葉和細(xì)枝，厚度為4.5±2.6 cm，下層為往年落葉和細(xì)枝條厚度為2.3±1.8 cm。老齡楓香林地較為偏僻，植被保存較為完好，受到人為干擾較少。

3.2 凋落物含水率

凋落物含水率是森林火險(xiǎn)等級(jí)劃分、林火預(yù)報(bào)的重要指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)森林火災(zāi)發(fā)生危險(xiǎn)程度的關(guān)鍵指標(biāo)。測(cè)試結(jié)果表明，老齡楓香林地表凋落物含水率由上往下逐漸增加（圖1）。凋落物上層位于地表，與空氣直接接觸的面積大，受空氣流動(dòng)產(chǎn)生的汽化作用明顯；凋落物下層相對(duì)含水率較大是由于和地下水交換的結(jié)果，加上上層阻礙，阻擋了與外界的水汽交換。相同層次陰坡凋落物含水率均高于陽(yáng)坡，陰坡的上層、中層和下層含水率分別比陽(yáng)坡高出32.8%、31.8%和27.8%（圖1）。這一結(jié)果是由于陽(yáng)坡溫度較高、相對(duì)濕度較小，凋落物水分蒸發(fā)作用明顯。結(jié)合李胤德等2015 的研究結(jié)果，森林可燃物含水率與森林火險(xiǎn)的關(guān)系可分出5個(gè)類型[10]，本研究中取樣時(shí)段老齡林楓香林中凋落物除上層枝條含水率低于20%外，中層和下層的相對(duì)含水率均大于20%，應(yīng)處于難燃和幾乎不燃的狀態(tài)。

圖1 不同層次地表凋落物含水率

3.3 凋落物的載量

可燃物載荷量指單位面積上可燃物絕干質(zhì)量，是預(yù)測(cè)一個(gè)地區(qū)火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要參數(shù)。老齡楓香林陽(yáng)坡地表凋落物平均高出陰坡24.4%，不同層次載荷量相比較，中層＞下層＞上層，陽(yáng)坡凋落物載荷量分別為0.681 kg·m-2、0.357 kg·m-2和0.218 kg·m-2，陰坡分別為0.520 kg·m-2、0.243 kg·m-2和0.186 kg·m-2。下層凋落物載荷低是因?yàn)橥寥牢⑸飳?duì)葉片和細(xì)枝的分解作用。一般認(rèn)為地表凋落物載荷量低于0.25 kg·m-2時(shí)，即使被點(diǎn)燃也不易維持火的蔓延。棲霞山老齡楓香林凋落物載荷高于此值，具有一定的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。凋落物載量大小決定著森林火災(zāi)發(fā)生的火強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，基于凋落物載荷研究對(duì)預(yù)防森林火災(zāi)和科學(xué)管理森林地表凋落物具有重要意義[11,12]。

3.4 地表凋落物熱值

熱值是指植物干物質(zhì)完全燃燒后釋放的能量值。植物熱值由于植物種類、植物器官、群落類型及層次、林齡等因素不同而存在一定差異，導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生時(shí)蔓延速度及火強(qiáng)度不同。老齡楓香林相同層次陽(yáng)坡和陰坡凋落物熱值差異不明顯，不同層次之間熱值比較見(jiàn)圖2。本研究中老齡楓香林地表凋落物熱值均值為17 728 kJ·kg-1，同我國(guó)不同氣候區(qū)植物干葉片的熱值比較來(lái)看屬于較低值[13]（圖3）。

3.5 凋落物潛在燃燒性

圖2 不同層次地表凋落物熱值

圖3 我國(guó)不同氣候區(qū)常見(jiàn)樹種葉片熱值分布

在森林燃燒過(guò)程中，熱量主要通過(guò)輻射的方式傳遞給周邊可燃物。熱值直接影響可燃物著火溫度、蔓延速度和火強(qiáng)度。我們利用單位面積熱量作為評(píng)價(jià)地表凋落物潛在燃燒性的關(guān)鍵指標(biāo)。從老齡楓香林不同層次地表凋落物潛在能量來(lái)看：陽(yáng)坡高于陰坡，陽(yáng)坡凋落物單位面積總潛在能量比陰坡高出32.7%。其中，陽(yáng)坡上層、中層和下層分別比陰坡高出16.4%、32.4%和46.8%（圖4）。這與陽(yáng)坡植被光合作用強(qiáng)、有機(jī)質(zhì)積累效率高和地表凋落物載量較高有關(guān)。森林地表火在蔓延過(guò)程中，枯枝由于含水率低且熱值高最容易先燒完，逐步引燃凋落物中層和下層，使地表火持續(xù)向縱深蔓延。地表凋落物潛在熱值高會(huì)致使地表火駐留時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)土壤生物群落及植被根系造成較大影響。

圖4 不同層次地表凋落物潛在能量

4 討論與結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，棲霞山老齡楓香林地表凋落物陽(yáng)坡和陰坡載荷量分別達(dá)到了1.256 kg·m-2和0.949 kg·m-2，遠(yuǎn)高于臨界值0.25 kg·m-2，表明可燃物處于比較高的載荷量。盡管不同層次凋落物熱值略低于國(guó)內(nèi)不同氣候區(qū)常見(jiàn)樹種葉片，但地表凋落物擁有相對(duì)較高的潛在能量。特別是陽(yáng)坡，枯枝和葉片都是較易燃的物質(zhì)，干燥時(shí)極易著火。一旦著火會(huì)燃燒釋放出大量潛在能量，具有引發(fā)森林火災(zāi)的潛在可能。

對(duì)于老齡林的防火，特別是類似楓香林這種具有較高價(jià)值植被的防火，關(guān)鍵要注意減少地表凋落物載荷量，降低其潛在能量。建議采取定期清理地表凋落物或者進(jìn)行計(jì)劃燒除，以有效減少森林地表可燃物的積累。