煙臺(tái)市赤松-黑松林林分結(jié)構(gòu)因子對(duì)地表可燃物載量的影響

苗杰 路兆軍 王淑惠 李保進(jìn) 張專文 張聲凱 王益星 張靖川 孫太元

摘要?[目的]為制訂降低地表可燃物載量的森林經(jīng)營(yíng)措施提供科學(xué)依據(jù)。[方法]通過(guò)分析煙臺(tái)市赤松-黑松林林分結(jié)構(gòu)因子對(duì)地表可燃物載量的影響，建立林分結(jié)構(gòu)因子和地表可燃物載量相關(guān)性，對(duì)林分結(jié)構(gòu)因子和可燃物類型進(jìn)行主成分分析。[結(jié)果]隨著林分密度的增加，地表可燃物載量顯著增大（P<0.05），不同樹(shù)高、胸徑和枝下高條件下無(wú)顯著差異，可燃物類型載量總體表現(xiàn)為腐殖質(zhì)>枯落物>死地被物>灌木;地表可燃物載量與林分密度、樹(shù)高、枝下高呈顯著正相關(guān)（R2=0.869，P<0.05），死地被物載量與枝下高呈極顯著負(fù)相關(guān)（R2=0.652，P<0.01），枯落物載量與林分平均胸徑呈極顯著正相關(guān)（R2=0.671，P<0.01）;林分結(jié)構(gòu)因子中主要影響地表可燃物載量的因素為林分空間和樹(shù)木個(gè)體生長(zhǎng)，腐殖質(zhì)和枯落物是地表可燃物的主要組成成分。[結(jié)論]可通過(guò)間伐、修枝等森林經(jīng)營(yíng)措施調(diào)整林分結(jié)構(gòu)，減少煙臺(tái)市赤松-黑松林地表可燃物載量（腐殖質(zhì)和枯落物）。

關(guān)鍵詞?赤松-黑松林;林分結(jié)構(gòu)因子;可燃物載量;可燃物類型;煙臺(tái)市

中圖分類號(hào)?S762?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A?文章編號(hào)?0517-6611（2021）09-0109-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.09.027

Abstract?[Objective] In order to provide a scientific basis for formulating forest management measures to reduce surface fuel load. [Method] By analyzing the effect of forest structure factors of Pinus densiflora and P. thunbergii forest in Yantai on its surface fuel load， the relationship between forest structure factors and surface fuel load was established， and the principal component analysis of stand structure factors and fuel types was carried out. [Result] The results showed that the surface fuel load was significantly increased with forest density （P<0.05）. But the situation didnt appeared again in other three forest structure factors， height， DBH and height of under branch. We found that there was a tendency of changing from high to low as follows in four fuel types： humus > litter > dead covering plant > shrub. The result of stepwise regression between forest structure factors and surface fuel types load showed that， there was a positive correlation between forest surface fuel load and forest density， height and height of under branch （R2=0.869，P<0.05）. The same correlation was found between litter and average DBH （R2=0.671，P<0.01）. But the correlation between dead covering plant and height of under branch showed an opposite tendency （R2=0.652，P <0.01）. Both of the stand space and individual tree growth was the main factor of forest structure factors which affected surface fuel load， and?both of humus and litter was the main composing component of surface fuel load. [Conclusion] Forest structure can be adjusted by thinning， pruning and other forest management measures to reduce the surface fuel load （humus and litter） of P. densiflora and P. thunbergii forest in Yantai.

Key words?P. densiflora and P. thunbergii forest;Forest structure factors;Fuel load;Fuel type;Yantai City

煙臺(tái)市主要森林植被類型以赤松（P.densiflora）、黑松（P.thunbergii）針葉樹(shù)種為主，間雜有麻櫟（Quercus acutissima）和刺槐（Robinia pseudoacacia）等闊葉樹(shù)種。目前對(duì)于赤松、黑松的研究主要集中于生長(zhǎng)特性[1]、葉片生理生化[2]和病蟲(chóng)害防治[3-4]等方面。然而，關(guān)于赤松-黑松林地表可燃物的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。近年來(lái)，由于煙臺(tái)市赤松-黑松林森林資源和林內(nèi)可燃物載量不斷增加，加之氣候的異常變化和野外用火增多，發(fā)生重大森林火災(zāi)的可能性增大，森林防火形勢(shì)嚴(yán)峻，森林防火工作受到了各級(jí)黨委政府和社會(huì)各界的高度重視。

森林中一切有機(jī)物質(zhì)均可成為林火燃燒的物質(zhì)基礎(chǔ)[5]，這是由于林火多起源于地表可燃物的燃燒，進(jìn)而形成地表火，然后上升為林冠火，最終形成人為難以控制的森林火災(zāi)，大面積燒毀森林植被[6-8]。森林地表可燃物是人為控制林火的主要研究對(duì)象[5，9]。關(guān)于森林地表可燃物的研究主要側(cè)重于載量估算、林分影響因子和燃燒性等方面。陳宏偉等[10]和劉志華等[6]分別研究了林分影響因子和空間格局對(duì)呼中林區(qū)不同林型內(nèi)地表可燃物載量的影響。梁瀛等[11]對(duì)影響天山云杉林地表可燃物的地形因子和林分因子進(jìn)行了研究，建立了海拔、坡度和郁閉度與地表可燃物載量的相關(guān)性。吳志偉等[12]利用系統(tǒng)聚類法分別從林分結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)和地表可燃物覆蓋類型等因素出發(fā)，對(duì)豐林自然保護(hù)區(qū)建立3種標(biāo)準(zhǔn)森林可燃物模型。胡海清[13]通過(guò)對(duì)大興安嶺區(qū)興安落葉松林、樟子松林和白樺林3種林型68塊樣地林分因子進(jìn)行研究，建立了林分因子與地表可燃物載量的數(shù)學(xué)模型。梁瀛等[9]對(duì)天山中部9種主要樹(shù)種可燃性指標(biāo)進(jìn)行了綜合性評(píng)價(jià)。賀紅士等[5]對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于地表可燃物的特性、類型與火行為、載量等方面進(jìn)行了綜合性報(bào)道。

利用林分結(jié)構(gòu)因子對(duì)森林地表可燃物載量的影響能夠較好地預(yù)測(cè)可燃物性狀特征[13]，進(jìn)而更好地開(kāi)展森林火災(zāi)預(yù)測(cè)和制訂防火工作方案，為森林火災(zāi)管理提供科學(xué)管理方法?；诖耍P者通過(guò)對(duì)煙臺(tái)市赤松-黑松針葉林森林地表可燃物及其林分結(jié)構(gòu)因子進(jìn)行研究，分析林分結(jié)構(gòu)因子與地表可燃物載量的關(guān)系，探索影響地表可燃物載量的主要林分結(jié)構(gòu)因素和主要構(gòu)成類型，提出降低地表可燃物載量的森林經(jīng)營(yíng)措施，旨在避免或減少森林火災(zāi)的發(fā)生，為煙臺(tái)市赤松-黑松林森林經(jīng)營(yíng)管理和林火管控技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1?研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于山東半島煙臺(tái)市，該地區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候，年均降水量651.9 mm，年平均氣溫11.8 ℃，年均空氣相對(duì)濕度68%，年平均日照時(shí)數(shù)2 698.4 h，年均太陽(yáng)輻射總量5 224.4 MJ/m2，平均全年無(wú)霜期為210 d，砂質(zhì)棕壤土，平均海拔100～300 m。研究區(qū)域內(nèi)赤松、黑松林均為1988年前后煙臺(tái)市政府組織的“三年大造林”活動(dòng)時(shí)所營(yíng)造，林齡均為35年左右，至今無(wú)較大人為干擾（如透光伐、衛(wèi)生伐或拾草砍柴等）。目前該地區(qū)喬木樹(shù)種主要有赤松、黑松、麻櫟和刺槐等;灌木樹(shù)種主要有胡枝子（Lespedeza bicolor）、華北繡線菊（Spiraea fritschiana）、紫穗槐（Amorpha fruticosa）、牛奶子（Elaeagnus umbellata）等;草本主要有針薹草（Carex dahurica）、白茅（Imperata cylindrica）、南牡蒿（Artemisia eriopoda）、地榆（Sanguisorba officinalis）、狹葉珍珠菜（Lysimachia pentapetala）、大花野豌豆（Vicia bungei）等。

2?研究方法

2.1?樣地設(shè)置及林分調(diào)查

樣地設(shè)置在山東省煙臺(tái)市蓬萊區(qū)大柳行鎮(zhèn)、福山區(qū)回里鎮(zhèn)和牟平區(qū)龍泉鎮(zhèn)（以下簡(jiǎn)稱“蓬萊”“回里”“牟平”），地理位置、海拔、坡向、坡度及坡位信息見(jiàn)表1。于2018年4月初（春季干旱防火期，調(diào)查前連續(xù)15 d內(nèi)無(wú)降雨降雪等天氣）分別在回里、牟平、蓬萊設(shè)置3個(gè)20 m×30 m樣地，共計(jì)9塊標(biāo)準(zhǔn)樣地。各樣地內(nèi)進(jìn)行每木檢尺（起測(cè)徑階為2 cm），記錄樹(shù)種名稱、樹(shù)高、胸徑、枝下高。

2.2?森林地表可燃物載量調(diào)查

各標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置15塊1 m×1 m小樣方，將小樣方內(nèi)可燃物分為灌木（包括地上活體灌木和死體灌木）、死地被物（僅包括地表苔蘚和草本）、枯落物（包括喬木和灌木樹(shù)種枯落枝條、球果、葉片等，以其形態(tài)尚未開(kāi)始自然分解為標(biāo)準(zhǔn)）和腐殖質(zhì)（以枯落枝條、球果、葉片及草本等植物組織形態(tài)已開(kāi)始部分或完全自然分解為標(biāo)準(zhǔn)）4種類型，使用野外電子秤稱取各小樣方內(nèi)不同類型可燃物鮮重，計(jì)算地表可燃物載量。

2.3?數(shù)據(jù)分析

根據(jù)林分調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)林分平均密度、平均樹(shù)高、平均胸徑和平均枝下高進(jìn)行方差分析（ANOVA，檢查方差齊性和正態(tài)性，下同）和多重比較;對(duì)各樣地內(nèi)及樣地間可燃物載量及可燃物類型（灌木、死地被物、枯落物和腐殖質(zhì)）載量進(jìn)行方差分析和多重比較;采用逐步回歸方法，建立可燃物類型和載量與林分結(jié)構(gòu)因子之間的線性關(guān)系;利用主成分分析方法對(duì)林分結(jié)構(gòu)因子和可燃物類型因子轉(zhuǎn)換，判斷影響地表可燃物載量的林分結(jié)構(gòu)和組成物質(zhì)的主要因素。

3?結(jié)果與分析

3.1?林分結(jié)構(gòu)因子對(duì)地表可燃物載量的影響

通過(guò)方差分析結(jié)果可知，林分密度對(duì)赤松-黑松林地表可燃物載量具有極顯著差異（P<0.01），樹(shù)高、胸徑和枝下高3個(gè)林分結(jié)構(gòu)因子差異不顯著（P>0.05）。

圖1顯示，高密度林分下地表可燃物載量為2 676.8 kg/hm2，顯著大于中密度（928.5 kg/hm2）和低密度林分（483.6 kg/hm2）（P<0.05），總體表現(xiàn)出隨林分密度的增大，地表可燃物載量逐漸增大的趨勢(shì)。可見(jiàn)，林分密度越低，地表火的燃燒物質(zhì)基礎(chǔ)越少。

由表2可知，相同林分密度下，當(dāng)林分密度較低時(shí)，腐殖質(zhì)和枯落物載量較高，顯著高于灌木載量和死地被物載量（P<0.05），死地被物載量顯著大于灌木載量（P<0.05）;當(dāng)林分密度較高時(shí)，腐殖質(zhì)載量為最高，顯著大于其他地表可燃物載量（P<0.05），死地被物與枯落物載量無(wú)差異，顯著高于灌木載量（P<0.05）。地表可燃物載量表現(xiàn)為腐殖質(zhì)>枯落物>死地被物>灌木。

不同林分密度之間，高密度林分內(nèi)灌木和枯落物載量差異顯著（P<0.05），其他類型林分密度差異不顯著，死地被物和腐殖質(zhì)載量均隨林分密度的增加而顯著增大（P<0.05）。由此可知，林分密度的差異對(duì)于灌木和枯落物載量的影響較小，對(duì)死地被物和腐殖質(zhì)載量的影響較大。

3.2?不同林分因子與可燃物載量的逐步回歸線性關(guān)系

由表3可知，對(duì)不同林分因子與可燃物載量建立逐步回歸線性方程后，地表可燃物載量與林分密度、樹(shù)高和枝下高均呈顯著正相關(guān)（P<0.05），與胸徑無(wú)關(guān)，即林分密度越大，樹(shù)高和枝下高越高，林地內(nèi)地表可燃物載量累積越多;死地被物載量與枝下高呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），即枝下高越低，死地被物累積越多;枯落物載量與胸徑呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），即胸徑越大，枯落物載量累積越多。

3.3?林分結(jié)構(gòu)因子和可燃物類型因子主成分分析

林分結(jié)構(gòu)因子中特征值大于1的主分量有2個(gè)，累計(jì)貢獻(xiàn)率為69.4%，選取前2個(gè)主成分進(jìn)行分析（表4）。林分結(jié)構(gòu)因子第1主成分特征值（即標(biāo)準(zhǔn)差，下同）為1.265，方差貢獻(xiàn)率為40.0%，主成分載荷系數(shù)絕對(duì)值較大的為林分密度和枝下高，命名為林分空間因素;第2主成分特征值為1.085，貢獻(xiàn)率為29.4%，主成分載荷系數(shù)絕對(duì)值較大的為樹(shù)高和胸徑，命名為樹(shù)木個(gè)體生長(zhǎng)因素（表5）。因此，影響地表可燃物載量的主要因素為林分空間因素，次要因素為樹(shù)木個(gè)體生長(zhǎng)因素。

可燃物類型因子中特征值大于1的主分量有2個(gè)，累計(jì)貢獻(xiàn)率為84.6%，選取前2個(gè)主成分進(jìn)行分析（表6）。可燃物類型因子中第1主成分特征值為1.439，貢獻(xiàn)率為51.7%，主成分載荷系數(shù)絕對(duì)值最大的是腐殖質(zhì);第2主成分特征值為1.146，貢獻(xiàn)率為32.9%，主成分載荷系數(shù)絕對(duì)值最大的是枯落物（表7）。因此，地表可燃物載量的主要構(gòu)成成分為腐殖質(zhì)，次要構(gòu)成成分為枯落物。

4?討論

從林分結(jié)構(gòu)因子來(lái)看，煙臺(tái)市赤松-黑松林地表可燃物載量在不同林分密度條件下存在顯著差異（P<0.05），總體表現(xiàn)為隨著林分密度的增加，可燃物載量呈增大趨勢(shì)，這與前人研究結(jié)果一致[14-16]。這是由于林木每年持續(xù)不斷的新陳代謝作用，森林內(nèi)樹(shù)木的樹(shù)皮、枯死枝葉、樹(shù)干等可燃物掉落至地面，經(jīng)年積累后，形成較多枯落物，同時(shí)枯落物降解形成腐殖質(zhì)。王曉榮等[17]研究認(rèn)為，隨著林分密度的增大，枯落物分解速率較快，這是由于林分密度不同，林內(nèi)光的有效性、氣溫、土壤等微環(huán)境差異較大，土壤理化性質(zhì)、微生物種類和活性等對(duì)枯落物的分解速率也不同[18-19]。該研究中，不同林分密度條件下，地表可燃物各類型中均以形態(tài)尚可分辨的枯落物和形態(tài)已經(jīng)開(kāi)始或者完全分解的腐殖質(zhì)載量最大，這與刁嬌嬌等[20]和梁晶等[21]的研究結(jié)論一致。從差異性分析結(jié)果來(lái)看，樹(shù)高、胸徑和枝下高3個(gè)林分結(jié)構(gòu)因子對(duì)地表可燃物載量的影響較小。

王叁等[22]研究認(rèn)為，樹(shù)種組成、林分密度、樹(shù)高、胸徑、枝下高等因子造成林分之間的差異，進(jìn)而對(duì)森林地表可燃物的類型及其載量造成影響。從該研究結(jié)果來(lái)看，赤松、黑松林的林分結(jié)構(gòu)因子對(duì)地表可燃物的載量具有顯著相關(guān)性，其中地表可燃物載量與林分密度、樹(shù)高和枝下高均呈顯著正相關(guān)（P<0.05），死地被物與枝下高呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），枯落物與胸徑呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）?？傮w表現(xiàn)出林分密度越大，平均胸徑越小，枝下高越低，且地表可燃物載量越大的趨勢(shì)。這可能是由于林分密度越大，樹(shù)木個(gè)體枝條發(fā)育越多，為爭(zhēng)取更多的光照和生長(zhǎng)空間，枝葉自然稀疏強(qiáng)度加大[23]，從而增加了地表可燃物中纖維素和半纖維素等易燃類可燃物的載量[24];樹(shù)冠離地高度越低，進(jìn)入林分的光照越多，地表草本和灌木獲取光能越多，生長(zhǎng)越旺盛，反之則越少。有研究表明，云杉林[11]、樟子松林[13]、呼中林區(qū)[10]內(nèi)地表可燃物載量均與林分郁閉度呈正相關(guān)關(guān)系，這與該研究結(jié)果相一致。該研究結(jié)果顯示，樹(shù)高與地表可燃物載量不具有線性相關(guān)關(guān)系，這與梁瀛等[11]和胡海清[13]的研究結(jié)果不一致，可能與煙臺(tái)市范圍內(nèi)赤松-黑松林林齡和海拔較為一致，樹(shù)木個(gè)體高度差異較小有關(guān)。

從煙臺(tái)市赤松-黑松林不同林分結(jié)構(gòu)因子對(duì)地表可燃物載量的貢獻(xiàn)程度來(lái)看，林分空間因素為主要貢獻(xiàn)因素，樹(shù)木個(gè)體生長(zhǎng)因素為次要貢獻(xiàn)因素;從地表可燃物的組成類型貢獻(xiàn)程度來(lái)看，腐殖質(zhì)和枯落物是其主要組成物質(zhì)，其主要來(lái)源是林木的枯枝落葉等。因此，可以認(rèn)為，煙臺(tái)市赤松-黑松林地表可燃物載量主要受到林分空間和樹(shù)木個(gè)體生長(zhǎng)2個(gè)因素的影響，通過(guò)間伐和修枝等營(yíng)林措施降低林分密度，提高林分平均枝下高，擴(kuò)展單株林木生長(zhǎng)空間，增加地表火至林冠之間距離，實(shí)現(xiàn)減少森林火災(zāi)的燃燒物質(zhì)基礎(chǔ)和降低林冠火發(fā)生的目標(biāo)。

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