興安落葉松人工林地表可燃物分布研究

周澗青，劉曉東，張思玉

（1.南京森林警察學(xué)院 森林消防學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.國家林業(yè)局森林防火工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210023；3.北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，北京 100083；4.省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

森林可燃物是森林燃燒的物質(zhì)基礎(chǔ)，其分布對森林火險(xiǎn)的預(yù)報(bào)以及林火行為預(yù)測具有重要影響[1]。在具備火源和氧氣等必要燃燒條件時(shí)，森林可燃物管理較易于人為控制。對森林可燃物的分布進(jìn)行研究，有助于定量分析森林可燃物及其燃燒性，從而更好地進(jìn)行可燃物管理和林火預(yù)測預(yù)報(bào)。大興安嶺地區(qū)是我國森林火災(zāi)高發(fā)區(qū)。近年來全球溫室效應(yīng)和厄爾尼諾現(xiàn)象使我國東北地區(qū)冬季增溫明顯，春秋兩季干燥少雨，尤其是春季氣溫回升較快且常伴有大風(fēng)天氣，林內(nèi)的高大枯立木又是造成夏季雷擊火的主要原因，發(fā)生森林火災(zāi)的隱患逐年增加。興安落葉松林是該地區(qū)的主要樹種。因此，研究興安落葉松林的可燃物負(fù)荷量及空間分布，對有效預(yù)防和控制該地區(qū)的森林火災(zāi)具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部的呼倫貝爾市境內(nèi)。地處內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部伊勒呼里山東南部余脈，地理坐標(biāo)為123°45′～124°26′E，50°09′～50°35′N，屬于我國北方最大的寒溫帶針葉林原始林區(qū)—大興安嶺林區(qū)，面積1587 km2。該區(qū)域?yàn)榇箨懶缘募撅L(fēng)氣候，夏短冬長，年平均溫度-2～4℃，年降水量為450～500 mm。土壤為棕色針葉林土和棕色泰加林土，平均厚度22 cm。該區(qū)地帶性植被類型為寒溫性針葉林，森林類型以興安落葉松（Larix gmelinii）及其混交林為主，主要樹種有興安落葉松和樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica）、白 樺（Betula platyphylla）、蒙古 櫟（Quercus mongolica）和山楊（Populus davidiana）等。

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置與林分調(diào)查

在黑龍江大興安嶺林業(yè)集團(tuán)公司森林經(jīng)營部林業(yè)技術(shù)推廣站所轄林區(qū)，根據(jù)立地因子（海拔、坡向、坡度）和林分特征（郁閉度、密度、平均樹高、平均胸徑等）選擇林相整齊、具有代表性的4個(gè)主要林型（杜鵑-興安落葉松林、杜香-興安落葉松林、白樺-興安落葉松林、草類-興安落葉松林），在距離林緣5～10 m，遠(yuǎn)離河道、道路等且受人為干擾較少的實(shí)驗(yàn)林分共設(shè)置12 塊面積為400 m2（20 m×20 m）的標(biāo)準(zhǔn)地。

喬木層調(diào)查：記錄林分的樹種組成，在標(biāo)準(zhǔn)地的四角拉兩條對角線，計(jì)算林冠投影到其中一條對角線上的長度之和與對角線長度（28 m）之比，得出的值即為郁閉度；進(jìn)行每木檢尺，測定其胸徑并求其平均值；選取3株標(biāo)準(zhǔn)木，使用勃魯萊氏測高儀測量每株標(biāo)準(zhǔn)木的樹高（m）并求其平均值；選取3 株標(biāo)準(zhǔn)木，使用生長錐測其樹齡并求其平均值。同時(shí)記錄第一活枝高、第一死枝高，記錄枯立木的高度及株數(shù)。

灌草層調(diào)查：包括灌木、幼樹和草本。在灌木樣方內(nèi)調(diào)查灌木和幼樹的種類、高度、數(shù)量、蓋度等，在草本樣方內(nèi)調(diào)查草本的種類、高度、數(shù)量、蓋度等。

2.2 可燃物調(diào)查

采用收獲法調(diào)查可燃物水平分布，灌木層設(shè)置2 m×2 m 樣方（每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地5 個(gè)），草本層采用1 m×1 m樣方（每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地5個(gè)），將樣方內(nèi)的灌木、草本全部割除并稱其濕重；其中，灌木、幼樹、草本按其高度，分1.5 m以下和1.5 m以上分別測定。將距地面1.5 m 以內(nèi)的可燃物定為地表可燃物，主要包括枯枝落葉、雜草、低于1.5 m 的灌木；1.5 m以上定為梯狀可燃物，為區(qū)分1.5 m 以下和1.5 m以上的灌木，1.5 m以下的灌木稱為小灌木。地表枯落物層用1 m×1 m樣方（每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地5 個(gè)），將枯落物分為落葉和枯枝兩大類，落葉分為上層落葉和下層落葉；枯枝分為1 h 時(shí)滯枯枝（直徑＜0.64 cm）、10 h 時(shí)滯（0.64 cm≤直徑≤2.54 cm）和100 h 時(shí)滯（2.54 cm＜直徑≤7.62 cm）3 個(gè)等級，測量落葉厚度，對各類可燃物取近100 g，分別裝入信封，帶回實(shí)驗(yàn)室烘干，計(jì)算絕干重量并取平均值。

2.3 數(shù)據(jù)處理

1）可燃物含水率測定：

式中：HU為可燃物相對含水率（%）；DH為可燃物干濕比，無量綱；WN為在自然狀態(tài)下采集樣品時(shí)稱得的重量（g）；WD為樣品烘干后的重量（g）；WA為信封濕重（g）；WB為信封干重（g）。

2）地表可燃物負(fù)荷量測定：

式中：WE為地表可燃物負(fù)荷量（t/hm2）；WS為地表可燃物質(zhì)量（t）；S為可燃物調(diào)查面積（m2）。

3 結(jié)果與分析

3.1 興安落葉松林地表可燃物負(fù)荷量分析

興安落葉松是大興安嶺南部最具有代表性的喬木樹種，在海拔350～1200m 內(nèi)均有生長。本研究所涉及的4個(gè)落葉松類型分別為：杜鵑-落葉松林、杜香-落葉松林、白樺-落葉松林、草類-落葉松林，4種興安落葉松林的地表可燃物負(fù)荷量調(diào)查結(jié)果如圖1所示。

圖1 興安落葉松林主要地表可燃物負(fù)荷量水平分布

由圖1 可知，在杜鵑-落葉松林中，可燃物總負(fù)荷量為14.095 t/hm2，易燃可燃物占59.47%，其中1 h 時(shí)滯可燃物的負(fù)荷量最大，為6.936 t/hm2，占整個(gè)林分地表可燃物總負(fù)荷量的49.21%。在杜香-落葉松林中，可燃物總負(fù)荷量為15.741 t/hm2，易燃可燃物占49.95%，1 h時(shí)滯可燃物的負(fù)荷量最大，為6.047 t/hm2，占整個(gè)林分地表可燃物總負(fù)荷量的38.42%。在白樺-落葉松林中，可燃物總負(fù)荷量為12.572 t/hm2，易燃可燃物占55.49%，其中1 h 時(shí)滯可燃物的負(fù)荷量最大，為4.343 t/hm2，占整個(gè)林分地表可燃物總負(fù)荷量的34.55%。在草類-落葉松林中，可燃物總負(fù)荷量為12.531 t/hm2，易燃可燃物占52.21%，其中1 h時(shí)滯可燃物的負(fù)荷量最大，為5.243 t/hm2，占整個(gè)林分地表可燃物總負(fù)荷量的41.84%。

如上所述，不同林分中1 h 時(shí)滯可燃物負(fù)荷量大小順序?yàn)椋憾霹N-落葉松林＞杜香-落葉松林＞草類-落葉松林＞白樺-落葉松林。杜鵑和杜香落葉松林內(nèi)溫度較低，可燃物分解緩慢，可燃物長期堆積導(dǎo)致負(fù)荷量較大；草類和白樺落葉松林內(nèi)初期陽性灌草較多，隨著林分郁閉，濕度增加，加快了對地表枯落物的分解，故1 h 時(shí)滯可燃物負(fù)荷量相對較少。10 h時(shí)滯可燃物負(fù)荷量大小順序?yàn)椋憾畔?落葉松林＞草類-落葉松林＞杜鵑-落葉松林＞白樺-落葉松林。隨著落葉松林的生長，林分平均高度不斷增加，冠幅也隨之增大，白樺作為先鋒樹種，生長逐漸受到抑制，故白樺-落葉松林10 h 時(shí)滯可燃物負(fù)荷量逐漸減少。100 h時(shí)滯可燃物負(fù)荷量大小順序?yàn)椋憾畔?落葉松林＞白樺-落葉松林＞草類-落葉松林＞杜鵑-落葉松林。杜香-落葉松林間伐作業(yè)后殘留有未清理的枝條，白樺-落葉松林分自然稀疏產(chǎn)生了大量枯枝，故杜香和白樺-落葉松林內(nèi)100 h 時(shí)滯可燃物負(fù)荷量相對較多。灌木可燃物負(fù)荷量大小順序?yàn)椋喊讟?落葉松林＞杜鵑-落葉松林＞杜香-落葉松林＞草類-落葉松林，草本可燃物負(fù)荷量大小順序?yàn)椋翰蓊?落葉松林＞白樺-落葉松林＞杜香-落葉松林＞杜鵑-落葉松林。白樺-落葉松林內(nèi)的灌木高度發(fā)達(dá)，灌木可燃物負(fù)荷量高于其他3種林分，杜鵑-落葉松林內(nèi)草本相對較少，草本可燃物負(fù)荷量低于其他3種林分。

3.2 影響不同林型可燃物負(fù)荷量空間分布的因子排序

如表1所示，兩期CCA排序的前4個(gè)排序軸的累積可燃物-環(huán)境解釋量分別為97.8%和100%，表明前4個(gè)排序軸集中了全部排序軸所反映可燃物-環(huán)境關(guān)系的絕大部分信息。

在CCA 排序圖中第1、2 軸的關(guān)系中，箭頭連線的長度代表著環(huán)境因子與可燃物分布相關(guān)程度的大小，連線越長，說明相關(guān)性越大；反之越小。箭頭連線與排序軸的夾角大小代表環(huán)境因子與排序軸相關(guān)性的大小，相互垂直的因子之間相關(guān)性不顯著，夾角小于90°的因子之間彼此正相關(guān)，大于90°的因子彼此負(fù)相關(guān)，夾角越小，相關(guān)性越高；反之越低。箭頭所處的象限表示環(huán)境因子與排序軸之間相關(guān)性的正負(fù)。從可燃物類型到代表環(huán)境因子的箭頭的投影位置用來表示不同可燃物與某種環(huán)境因子下的相關(guān)性程度，距離箭頭位置越近，代表該類可燃物與此環(huán)境因子的正相關(guān)性越大，位于箭頭另一端的則表示負(fù)相關(guān)性越大。

由圖2 可知，CCA 第一排序軸主要反映了海拔、坡度、胸徑和郁閉度的變化，沿第一軸從左到右，海拔、坡度、郁閉度和胸徑逐漸減小。CCA 第二排序軸主要反映了樹高、林分密度和坡向的變化，沿第二軸從下到上，樹高和密度呈增大趨勢，坡向逐漸朝陰。影響地表可燃物負(fù)荷量的主要環(huán)境因子為林分密度、坡向、坡度和郁閉度，海拔、樹高和胸徑對地表可燃物的影響較小。草本可燃物與郁閉度呈負(fù)相關(guān)，灌木可燃物與林分密度呈負(fù)相關(guān)，1 h時(shí)滯和10 h時(shí)滯可燃物負(fù)荷量林分密度和胸徑呈正相關(guān)。

圖2 地表可燃物分布-環(huán)境因子排序圖

3.3 影響不同林型地表可燃物負(fù)荷量的相關(guān)因子分析

針對地表可燃物負(fù)荷量及其影響因子，利用Pearson 相關(guān)分析進(jìn)行影響因素相關(guān)分析。表2展示不同林分因子，灌草可燃物負(fù)荷量、1 h 時(shí)滯枯枝負(fù)荷量、10 h 時(shí)滯枯枝負(fù)荷量、100 h 時(shí)滯可燃物負(fù)荷量的影響。

如表2 所示，灌木可燃物負(fù)荷量與林分密度呈負(fù)相關(guān)。平均密度越大，林下的光線越弱，林下灌木生長受上層喬木壓制，因此密度較大的林分灌木可燃物負(fù)荷量相對較小。草本可燃物負(fù)荷量與坡度、郁閉度和平均胸徑呈負(fù)相關(guān)。隨著坡度的增加，土壤厚度變薄，水分逐漸減少，不利于草本植被的生長。在林分未郁閉前，林下具備耐蔭、喜陰草本的生長條件，隨著林分生長，林木平均胸徑也逐漸增大，林下小環(huán)境發(fā)生改變，林下光線十分微弱，加之喬冠層生長所吸取的養(yǎng)分增多，草本可燃物負(fù)荷量逐漸減少。1 h時(shí)滯可燃物負(fù)荷量與郁閉度和平均胸徑呈正相關(guān)，10 h 時(shí)滯可燃物負(fù)荷量與郁閉度呈正相關(guān)，100 h時(shí)滯可燃物負(fù)荷量與密度呈負(fù)相關(guān)。隨著林分冠幅逐漸增加，林分的平均胸徑越來越大，林木自然整枝產(chǎn)生的枯落物逐漸增加；隨著胸徑增大，單位面積能夠生長的樹木越少，自然整枝現(xiàn)象越明顯。郁閉度增加后的林分內(nèi)相對濕度增大，溫度降低，枯落物分解速度較慢，從而使得可燃物常年積累，負(fù)荷量逐漸增多。

表2 各林分因子與地表可燃物負(fù)荷量的相關(guān)系數(shù)

4 討論與結(jié)論

實(shí)地調(diào)查和數(shù)據(jù)分析表明，草本可燃物主要與坡度、郁閉度、林分密度和平均胸徑相關(guān)；灌木可燃物主要與坡向、林分密度相關(guān)；1 h時(shí)滯可燃物負(fù)荷量與郁閉度和平均胸徑相關(guān)；10 h時(shí)滯可燃物負(fù)荷量與郁閉度和平均樹高相關(guān)；100 h時(shí)滯可燃物負(fù)荷量與林分密度相關(guān)，與平均樹高相關(guān)。各林型地表可燃物負(fù)荷量排序?yàn)椋憾畔?興安落葉松林＞杜鵑-興安落葉林＞草類-興安落葉松林＞白樺-興安落葉松林。

郁閉度、林分密度、平均樹高和平均胸徑是影響大興安嶺南部4 種主要林型可燃物負(fù)荷量的主要因素，這與以往研究所得出的結(jié)論一致[2-4]，本研究雖然也對地形因子與可燃物負(fù)荷量的影響相關(guān)性分析，但相關(guān)性并不顯著，這可能是由于大興安嶺南部地形的整體差異較小所致。國內(nèi)也有學(xué)者研究認(rèn)為森林可燃物負(fù)荷量與林齡密切相關(guān)[5-7]，而本文研究結(jié)果與林齡無明顯的相關(guān)關(guān)系，可能是由于研究區(qū)各林分齡級比較接近造成的。林分可燃物空間分布的連續(xù)性是研究可燃物空間分布特征的重點(diǎn)，森林可燃物的空間分布涉及樹高、枝下高、灌木高度、草本高度、冠幅、灌木蓋度、死地被物層的連續(xù)性等指標(biāo)，本研究僅對此進(jìn)行了初步的探索，后續(xù)的研究可以向確定統(tǒng)一的可燃物空間連續(xù)性指數(shù)方面傾斜。

森林經(jīng)營活動(dòng)應(yīng)逐漸重視保護(hù)森林物種的多樣性與森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對森林可燃物的管理應(yīng)更加突出生態(tài)效益，選擇有針對性的可燃物管理措施，不僅要降低潛在森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，在營林工作中還應(yīng)注重保護(hù)森林物種多樣性，提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)、人力資源的優(yōu)化配置。