山東半島昆崳山地區(qū)主要森林類型可燃物垂直分布及影響因子

解國磊，馬丙堯，馬海林，杜振宇，劉方春，囤興建

(1.山東省林業(yè)科學(xué)研究院 山東省森林植被生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250014；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山東 泰安 271018)

火行為是指森林發(fā)生火災(zāi)時(shí)所呈現(xiàn)的燃燒特征，對其有影響的因素頗多，作用機(jī)制也較復(fù)雜[1-4]，其中火行為的主要影響因子之一是森林可燃物的空間分布特征[5-6]。前人研究得出，可燃物垂直分布的連續(xù)性對地表火能否轉(zhuǎn)成樹冠火具有決定性作用[7]，可燃物的連續(xù)性愈大，火的蔓延速度就愈快，火的強(qiáng)度也就愈強(qiáng)[8-10]?？梢姡骄靠扇嘉锏拇怪狈植几窬峙c其連續(xù)性能加深對林火種類與火行為特征的認(rèn)識，為森林可燃物的科學(xué)管理提供理論基礎(chǔ)，并合理有效地?fù)錅缁蚩刂谱×只?，避免重大事故的發(fā)生[11]。目前對于可燃物垂直分布及火行為特征的研究較為全面，較多的集中于樹冠火的危險(xiǎn)性等級[12]、樹冠火發(fā)生的內(nèi)在原因[13]、易燃可燃物負(fù)荷量的垂直分布及其對林火種類和火行為的影響[14-15]，也有研究根據(jù)可燃物種類負(fù)荷量垂直分布和樹冠火發(fā)生的關(guān)系，建立可燃物垂直連續(xù)性指數(shù)和評估等級[16]、基于BehavePlus火模型系統(tǒng)，對不同林型進(jìn)行火行為研究[17]。目前研究較多集中分析了針葉純林內(nèi)可燃物垂直分布和火行為特征，而對于不同林分類型與不同混交林模式下的可燃物垂直分布與火行為分析的研究較少。

山東半島昆崳山自然保護(hù)區(qū)，森林資源豐富，主要森林類型有針葉純林、針葉混交林、針闊混交林和闊葉純林。由于30多a來的封山育林，目前，枯立木和倒木隨處可見，同時(shí)近年來山東半島的降雨量偏少，日積月累的可燃物易變干，在雨水少的冬春季節(jié)極易引起人為森林火災(zāi)[18]。所以，研究昆崳山地區(qū)主要森林類型內(nèi)可燃物垂直分布以及潛在火行為對于本地森林防火滅火具有重要意義。

1 研究地概況

昆崳山自然保護(hù)區(qū)位于山東半島東部(121°37′0″-121°51′0″E，37°12′20″-37°18′50″N)。屬暖溫帶季風(fēng)型大陸性氣候，多年均氣溫11.9℃，多年均降水984.4 mm，多年均相對濕度71%。該保護(hù)區(qū)是我國與東北亞赤松原生地及天然分布中心，有典型的暖溫帶植物區(qū)系成分，區(qū)內(nèi)分布的天然赤松林生態(tài)系統(tǒng)目前是我國面積最大且保護(hù)最為完整，同時(shí)還有赤松闊葉混交林。

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置與可燃物調(diào)查

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置 2015年防火期內(nèi)，在煙臺市昆崳山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，篩選出赤松(Pinusdensiflora)純林(Ⅰ)、火炬松(Pinustaeda)純林(Ⅱ)、華山松(Pinusarmandii)純林(Ⅲ)、麻櫟(Quercusacutissima)純林(Ⅳ)、赤松-華山松林(Ⅴ)、赤松-刺杉(Cunninghamialaneolata)林(Ⅵ)、赤松-麻櫟林(Ⅶ)、赤松-火炬松林(Ⅷ)8種林型，分別選擇整齊一致的地段各設(shè)3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地(長×寬為20 m×20 m)，然后對可燃物負(fù)荷量開展詳細(xì)調(diào)查，具體指標(biāo)如表1所示。另外，對赤松純林的可燃物負(fù)荷量亦進(jìn)行調(diào)查。

表1 樣地概況

2.1.2 冠層可燃物調(diào)查 在標(biāo)準(zhǔn)地對角線上相等距離設(shè)置直徑為6 m的樣圓，各標(biāo)準(zhǔn)地分別選擇2～5株(標(biāo)準(zhǔn)木(其中混交林為3～5株，純林為2株)，在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)木上選取標(biāo)準(zhǔn)枝(活、枯枝)，要求葉與枝的分布及載量多少需有典型性[12]。

以地表為準(zhǔn)，將冠層高度在10 m內(nèi)以1 m為間隔等分為10個(gè)層次和冠層高度>10 m外的第11層次，對每株各冠層的枯枝與活枝可燃物負(fù)荷量進(jìn)行分別調(diào)查，并測定標(biāo)準(zhǔn)枝數(shù)量，然后依次分類、稱重與取樣。

2.1.3 地表可燃物調(diào)查 采用樣方法對林下可燃物進(jìn)行調(diào)查，在樣圓內(nèi)設(shè)2 m×2 m的大樣方，待符合要求后依次進(jìn)行割除、稱重、取樣；在樣圓內(nèi)設(shè)1 m×1 m的小樣方，先調(diào)查草本層的種類及高度，然后將草本植物割除并依次稱重、取樣，同時(shí)對小樣方內(nèi)未分解層(地表上層)與半分解層(下層枯落葉)的濕重分別測定之后取樣。

2.2 可燃物負(fù)荷量計(jì)算

地表可燃物樣品的采集與干燥的參考文獻(xiàn)[19]進(jìn)行，可燃物干濕比(D)、第i層可燃物負(fù)荷量(Fi)、林下可燃物負(fù)荷量(FF)的計(jì)算公式參照文獻(xiàn)[18]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS18.0對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)與相關(guān)性分析，采用單因素方差分析比較不同數(shù)據(jù)組間的差異，用Pearson相關(guān)系數(shù)分析不同因子間的內(nèi)在相關(guān)性，顯著性水平為α=0.05。使用Excel2003軟件繪圖。采用BehavePlus 5軟件計(jì)算各林型的林火行為指標(biāo)[20]。

3 結(jié)果與分析

3.1 可燃物垂直分布

各林型的可燃物負(fù)荷量在垂直分布上存在顯著差異(P<0.05)(圖1)。本研究區(qū)域各林型地表可燃物負(fù)荷量在388.15～1 691.48 g/m2，林型最大地表可燃物負(fù)荷量是最小林型的4.4倍。各林型地表可燃物負(fù)荷量由大到小的次序?yàn)榱中廷?1 693.45 g/m2)>林型Ⅱ(1 681.56 g/m2)>林型Ⅵ(1 598.55 g/m2)>林型Ⅴ(1 414.56 g/m2)>林型Ⅲ(1 377.85 g/m2)>林型Ⅷ(1 209.96 g/m2)>林型Ⅶ(451.74 g/m2)>林型Ⅳ(386.25 g/m2)。林型Ⅰ的地表可燃物負(fù)荷量最大，為1 693.45 g/m2，并且草本層和灌木層負(fù)荷量均為最高值。地表可燃物負(fù)荷量僅次于林型Ⅰ的是林型Ⅱ，為1 681.56 g/m2，與林型Ⅰ差別不大，林型Ⅱ內(nèi)枯落物層負(fù)荷量大，下層、上層枯落葉負(fù)荷量分別達(dá)到935.48、750.26 g/m2，其中下層枯落葉負(fù)荷量為所調(diào)查林型內(nèi)最大；這是因?yàn)樵摿中陀糸]度較高，枝下高高，自然整枝嚴(yán)重，地表枯落物層厚度大，達(dá)6.8 cm，故其枯落物層負(fù)荷量大。林型Ⅵ內(nèi)地表可燃物負(fù)荷量也較高，達(dá)1 598.56 g/m2。不同林型冠層的可燃物負(fù)荷量變化范圍為261.15～470.42 g/m2。林型Ⅴ冠層可燃物負(fù)荷量最大，為470.42 g/m2，林型Ⅳ最小，為261.15 g/m2，各類型冠層可燃物負(fù)荷量大小表現(xiàn)為林型Ⅴ(470.42 g/m2)>林型Ⅵ(465.25 g/m2)>林型Ⅲ(441.85 g/m2)>林型Ⅷ(436.57 g/m2)>林型Ⅶ(398.34 g/m2)>林型Ⅱ(395.46 g/m2)>林型Ⅰ(312.87 g/m2)>林型Ⅳ(261.15 g/m2)。其中，林型Ⅵ冠層每個(gè)層次均有可燃物分布，冠層可燃物負(fù)荷量較大。林型Ⅰ、Ⅴ、Ⅶ各冠層基本都有可燃物分布(0～1 m層除外)；林型Ⅰ、Ⅴ、Ⅶ冠層的可燃物分別主要分布在4～8 m、3～10 m及以上、3～10 m。林型Ⅷ冠層0～2 m無可燃物分布，其余層次均有可燃物分布，主要集中分布在4～10 m及以上。林型Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ冠層0～4 m無可燃物分布，其余層次均有可燃物分布，林型Ⅱ、Ⅲ均主要集中分布在4～10 m及以上，林型Ⅳ主要分布在5～10 m及以上。

不同垂直層次可燃物的分布狀況能夠顯著影響林火的種類。若可燃物由地表至樹冠呈現(xiàn)連續(xù)性分布狀態(tài)，則地表火很容易形成樹冠火，產(chǎn)生高強(qiáng)度的森林火災(zāi)，造成較嚴(yán)重的損失；若呈不連續(xù)或間斷分布，地表火形成樹冠火的幾率則會明顯減小，相應(yīng)的火災(zāi)損失也較小。從圖1可見，林型Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的冠層可燃物距地表可燃物的間隔有3～4 m，垂直的連續(xù)性較差，火焰不容易向上蔓延，所以發(fā)生樹冠火的概率較低。林型Ⅰ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ的冠層可燃物與地表可燃物間距只有1 m左右，垂直連續(xù)性較好，地表火較易轉(zhuǎn)化為樹冠火。

注：Ⅰ：赤松林；Ⅱ：火炬松林；Ⅲ：華山松林；Ⅳ：麻櫟林；Ⅴ：赤松-華山松林；Ⅵ：赤松-刺衫林；Ⅶ：赤松-麻櫟林；Ⅷ：赤松-火炬松林。將枯，各圖橫軸的數(shù)值(20、40、60、80和100)分別代表落層負(fù)荷量的5個(gè)等級(a、b、c、d和f)[18]，8種林分的枯落上層與下層的可燃物負(fù)荷量大小依次為：Ⅰ(924.25、627.17 g/m2)，Ⅱ(935.48、750.26 g/m2)，Ⅲ(724.56、625.18 g/m2)，Ⅳ(106.26、156.34 g/m2)，Ⅴ(776.54、579.46 g/m2)，Ⅵ(450.28、946.68 g/m2)，Ⅶ(236.57、195.26 g/m2)，Ⅷ(640.18、527.86 g/m2)。

3.2 火行為分析

不同森林類型地表火轉(zhuǎn)化為樹冠火的概率由大到小依次為林型Ⅵ、林型Ⅰ、林型Ⅴ、林型Ⅷ、林型Ⅲ、林型Ⅱ、林型Ⅶ和林型Ⅳ(表2)。能夠轉(zhuǎn)化為樹冠火的林型共有3種，分別為林型Ⅵ、Ⅰ、Ⅴ。其中，林型Ⅵ的地表火形成樹冠火的概率最大，究其原因與冠層第1枝下高只有0.6 m，且林內(nèi)的灌木數(shù)量較多有密切關(guān)聯(lián)。林型Ⅷ地表可燃物負(fù)荷量屬于較高水平，枝下高也較低，為2.5 m，樹冠火轉(zhuǎn)化比率為0.91，接近1，可見，該林型也有地表火轉(zhuǎn)化為樹冠火的危險(xiǎn)性，只要發(fā)生火災(zāi)，亦會引起高強(qiáng)度的地表火。其他林型形成樹冠火的概率均較低(0.02～0.36)，但是原因各不一樣，林型Ⅱ、Ⅲ雖然地表可燃物負(fù)荷量處于較高水平，但由于這2種林分枝下高均較高，均>4 m，并且林內(nèi)灌木分布極少或者沒有，冠層可燃物與地表可燃物間隔大，所以地表火一般不會轉(zhuǎn)化為樹冠火；林型Ⅶ雖然枝下高為1.7 m，較低，但是地表可燃物負(fù)荷量很低，地表火較難形成樹冠火；林型Ⅳ的地表可燃物負(fù)荷量所處的狀態(tài)較低，且枝下高高(4.2 m)，冠層可燃物與地表可燃物之間間隔大，不利于轉(zhuǎn)化為樹冠火，所以林型Ⅳ轉(zhuǎn)化為樹冠火的比率最低，僅為0.02。

表2 不同林型林火行為

3.3 環(huán)境因子與可燃物負(fù)荷量的關(guān)系

將不同立地條件下的赤松純林林下枯落層、草本層、灌木層和冠層可燃物負(fù)荷量分別與立地因子(坡度、坡位和海拔)、林分因子(平均樹高、平均胸徑和郁閉度)進(jìn)行相關(guān)分析(表3)，結(jié)果表明，枯落物層枯落物層負(fù)荷量與郁閉度、胸徑呈顯著正相關(guān)，與海拔呈顯著負(fù)相關(guān)，這與隨著林分郁閉度和平均胸徑的不斷增加，其冠幅呈持續(xù)增加趨勢有關(guān)。草本層和灌木層負(fù)荷量均分別與坡位、郁閉度呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)性，草本層負(fù)荷量還與樹高、胸徑呈顯著負(fù)相關(guān)，這是因?yàn)槠挛辉礁?，林?nèi)土壤水、肥條件越差，林分郁閉度越大，林內(nèi)光線越弱，這些因素均不利于林下草、灌木的生長；并且喬木樹高、胸徑的增加，說明喬木層生長所吸取的養(yǎng)分增加，使得可供林下草本植物吸收的養(yǎng)分減少，從而使草本植物生長受限，草本層的負(fù)荷量減小。冠層可燃物負(fù)荷量與林分郁閉度、海拔均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)雖然與樹高、胸徑有正相關(guān)，但沒有達(dá)到顯著水平。

表3 昆崳山6種針葉林各因子與可燃物負(fù)荷量相關(guān)系數(shù)

4 討論

山東半島昆崳山地區(qū)主要森林類型的可燃物垂直分布之間的差異存在顯著性。不同林型的地表火在相同的燃燒條件下向上蔓延發(fā)展成樹冠火的概率有差別，會形成各異的林火行為，從而引起有較大差別的火災(zāi)后果。各林型地表火形成樹冠火的概率由大到小的順序?yàn)榱中廷?、林型Ⅰ、林型Ⅴ、林型Ⅷ、林型Ⅲ、林型Ⅱ、林型Ⅶ、林型Ⅳ?？梢钥闯觯樔~林地表火轉(zhuǎn)化為樹冠火的幾率大于闊葉林與針闊混交林，這和張景群等[12]、王叁等[17]的試驗(yàn)研究結(jié)果相類似。而且不同種類針葉林之間地表火轉(zhuǎn)化為樹冠火的幾率也各不相同，不同種類針葉林之間地表火轉(zhuǎn)化為樹冠火的幾率也各不相同，這主要與林分特征(地表可燃物負(fù)荷量、枝下高等)有關(guān)。林型Ⅵ、Ⅰ、Ⅴ地表火轉(zhuǎn)化為樹冠火的幾率均超過1，并且林型Ⅵ、Ⅴ冠層可燃物負(fù)荷量均屬于較高水平，一旦起火，這2種林分將產(chǎn)生高強(qiáng)度林火，建議進(jìn)行營林防火工作時(shí)，對林型Ⅵ、Ⅰ、Ⅴ這3種林分地表可燃物、梯度可燃物進(jìn)行重點(diǎn)清理，而且要對林型Ⅵ、Ⅴ冠層可燃物進(jìn)行適當(dāng)修枝，減少冠層可燃物負(fù)荷量。雖然針葉林Ⅱ、Ⅲ、Ⅶ地表火轉(zhuǎn)化為樹冠火的幾率較小，但是冠層可燃物負(fù)荷量均屬于較高水平，有外來火源的情況下，會產(chǎn)生高強(qiáng)度、高蔓延速度的樹冠火，建議營林防火時(shí)，對這3種林型進(jìn)行冠層修枝，減少冠層可燃物負(fù)荷量，從而降低潛在的樹冠火危險(xiǎn)。

相關(guān)分析結(jié)果顯示，赤松林枯落物層負(fù)荷量與郁閉度、胸徑呈顯著正相關(guān)，與海拔呈顯著負(fù)相關(guān)。草本層和灌木層負(fù)荷量均分別與坡位、郁閉度呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)性，草本層負(fù)荷量還與樹高、胸徑呈顯著負(fù)相關(guān)，這與王文娟[21]、周澗青[22]等研究結(jié)果基本一致。冠層可燃物負(fù)荷量海拔、郁閉度呈顯著正相關(guān)?？煽闯霾煌瑢哟慰扇嘉镓?fù)荷量影響因子各不相同，并且可燃物負(fù)荷量受多個(gè)環(huán)境因子影響。國內(nèi)有學(xué)者認(rèn)為，林下可燃物負(fù)荷量及其分布與林齡密切相關(guān)[23-24]，本研究所調(diào)查林分較少，沒有涉及到林齡對可燃物負(fù)荷量的影響。本研究研究地海拔也較低，所調(diào)查赤松純林最高海拔僅650 m，所以對其余林分因子和地形因子與可燃物負(fù)荷量之間的關(guān)系有待進(jìn)一步深入研究。此外，本研究中，山東半島昆崳山地區(qū)不同森林類型內(nèi)可燃物負(fù)荷量分布具有較大差異性，因此在制定森林可燃物管理措施時(shí)，不僅僅考慮管理措施對降低森林潛在火險(xiǎn)等級的影響，還要保持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，凸顯森林可燃物科學(xué)管理的生態(tài)效益[25-26]。

5 結(jié)論

通過對山東半島昆崳山地區(qū)主要森林類型的地表可燃物和冠層可燃物負(fù)荷量的研究得出，不同林分之間可燃物垂直分布存在顯著性差異，不同林分地表火轉(zhuǎn)化為樹冠火的幾率大小次序?yàn)槌嗨?刺衫林>赤松純林>赤松-華山松林>赤松-火炬松林>華山松純林>火炬松純林>赤松-麻櫟林>麻櫟純林；相關(guān)分析表明，枯落物層負(fù)荷量與郁閉度、胸徑呈顯著正相關(guān)，與海拔呈顯著負(fù)相關(guān)；草本層和灌木層負(fù)荷量均分別與坡位、郁閉度呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)性，草本層負(fù)荷量還與樹高、胸徑存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；冠層可燃物負(fù)荷量與海拔、郁閉度有顯著正相關(guān)關(guān)系。綜上，3個(gè)地形因子(坡度、坡位和海拔)、3個(gè)林分因子(平均樹高、平均胸徑和郁閉度)與山東半島昆崳山地區(qū)主要森林類型的地表可燃物和冠層可燃物負(fù)荷量有密切的內(nèi)在聯(lián)系。