秦嶺東段不同密度油松飛播林地表可燃物載量及其影響因素研究

趙 璇，游 瑋，晁 志，李書學(xué)，盧永民，龐 越，吳普俠，王得祥*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊陵 712100；2.陜西省山陽縣林業(yè)綜合服務(wù)中心，陜西 山陽 726400；3.陜西省丹鳳縣流嶺國有林場，陜西 丹鳳 726200；4.陜西省林業(yè)科學(xué)院 黃土高原水土保持與生態(tài)修復(fù)國家林業(yè)和草原局重點實驗室，陜西 西安 710000)

地表火是最常見的一種森林火災(zāi)，能夠直接燒死幼樹、灌木和下木，燒傷大樹干基和裸露根系，影響林木生長和森林更新，危害極大。而地表可燃物是發(fā)生地表火的基礎(chǔ)，其載量是估計地表火行為指標(biāo)的重要參數(shù)。研究地表可燃物載量及其影響因素對于林火管理、森林火險預(yù)測預(yù)報以及林分健康經(jīng)營具有重要意義[1]。森林地表可燃物載量一直是國內(nèi)外林火研究的重點。從20世紀(jì)60年代就有國外學(xué)者通過數(shù)學(xué)模型來表示地表可燃物載量與林分因子的關(guān)系[2-4]。近年來，也有不少學(xué)者繼續(xù)研究地表可燃物載量與胸徑、冠幅、郁閉度等林分因子的關(guān)系[5-7]。國內(nèi)研究起步稍晚，20世紀(jì)80年代起才有學(xué)者陸續(xù)開展可燃物載量研究。目前國內(nèi)主要集中在對馬尾松(Pinusmassoniana)林、杉木(Cunninghamialanceolata)林、側(cè)柏(Platycladusorientalis)林、興安落葉松(Larixgmelinii)林、紅松(P.koraiensis)林、白樺(Betulaplatyphylla)林等人工林或天然林地表可燃物載量的研究[8-17]，但對飛播林，尤其是油松(P.tabuliformis)飛播林地表可燃物載量特征及其影響因素的研究還鮮有報道。

油松是北方地區(qū)主要的飛播造林樹種[18]。秦嶺東段集中連片的油松飛播林發(fā)揮了重要的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益[19]。但油松飛播林多分布于干旱且土壤瘠薄的高山、遠(yuǎn)山地區(qū)，對其多采取簡單粗放的封育措施，林內(nèi)枯枝落葉累積較厚，遇到火源極易引發(fā)森林火災(zāi)。因此，對秦嶺東段油松飛播林進(jìn)行林火管理和林分健康經(jīng)營的關(guān)鍵是研究該區(qū)域油松飛播林地表可燃物載量特征及其影響因素。

本研究通過野外實地調(diào)查、室內(nèi)測定及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等手段研究秦嶺東段不同密度油松飛播林地表可燃物載量特征，探討林分因子對地表可燃物載量的影響，從而對該區(qū)域森林可燃物調(diào)控、林火預(yù)防工作以及林分健康經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于秦嶺東段南麓的丹鳳縣，地處33°21′32″-33°57′04″N、110°07′49″-110°49′33″E，屬于北亞熱帶向暖溫帶過渡的季風(fēng)性半濕潤山地氣候區(qū)。年日照總時數(shù)2 056 h，無霜期217 d。年平均氣溫13.8 ℃。年平均降水量687.4 mm，集中在7-9月的降水約占年降水量的41.4%[20-21]。林區(qū)土壤類型主要為山地棕壤和山地黃棕壤[22]。丹鳳縣飛播造林始于1975年，至今共完成飛播造林11.18×104hm2(含復(fù)播2.59×104hm2)。飛播造林使全縣森林覆蓋率提高約16.7%，極大加速了荒山綠化進(jìn)程[21]。飛播造林樹種以油松為主，總成林面積達(dá)5.33×104hm2，大部分飛播區(qū)域油松長勢優(yōu)良、成林狀況好、林相整齊。流嶺林區(qū)是商洛飛播林基地的主要組成部分，2.87×104hm2飛播林中僅油松飛播純林就有1.73×104hm2。油松飛播林多為純林，少量與天然櫟類混交。林下灌木主要有繡線菊(Spiraeasalicifolia)、黃櫨(Cotinuscoggygria)、胡枝子(Lespedezabicolor)、馬桑(Coriarianepalensis)、野薔薇(Rosamultiflora)、鹽膚木(Rhuschinensis)、連翹(Forsythiasuspensa)等。草本植物主要有萱草(Hemerocallisfulva)、苔草(Carextristachya)、香青(Anaphalissinica)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣方設(shè)置 2019年7-8月，對研究區(qū)油松飛播林進(jìn)行充分踏查，采用典型取樣在1975年飛播的油松純林中選擇地形因子相似、林相較好的林分，設(shè)置14塊面積為20 m×25 m的樣方。參考陶觀護等[22]、黃青平等[23]對油松飛播林密度等級的劃分方法，結(jié)合研究區(qū)油松飛播林密度特征將所設(shè)14塊樣方劃分為3個密度梯度。其中低密度樣方(小于1 500株·hm-2)3塊，中密度樣方(1 500～3 000株·hm-2)6塊，高密度樣方(大于3 000株·hm-2)5塊。通過5點取樣法在每個樣方的4個角及中心位置設(shè)置5個面積為2 m×2 m的灌木樣方，5個面積為1 m×1 m的草本樣方、枯落物樣方和更新樣方。

1.2.2 樣方調(diào)查

1.2.2.1 樣方基本信息調(diào)查 記錄每個樣方的海拔、坡向、坡位、坡度等基本信息(表1)。對樣方內(nèi)胸徑大于等于5 cm的喬木進(jìn)行每木檢尺，測其胸徑、樹高、枝下高和冠幅。

表1 油松飛播林樣方基本信息Table 1 Basic information of the sample plots of aerially seeded P.tabuliformis forests

1.2.2.2 地表可燃物載量測定

1)灌木層(含幼樹)可燃物載量測定 調(diào)查、記錄灌木樣方內(nèi)全部灌木及幼樹的種名、高度、蓋度等(由于未達(dá)到喬木起測徑階且高度小于2 m的幼樹在森林火災(zāi)中的作用與灌木相似，故按灌木調(diào)查方法來調(diào)查[25])。根據(jù)灌木燃燒特性，將灌木分為活枝和枯枝?；钪Π粗睆絼澐郑褐睆酱笥? cm的劃分為大枝，直徑小于等于1 cm的劃分為小枝?？葜Π磿r滯分為4個等級[26](表2)。由于本研究樣方中灌木層100 h時滯和1 000 h時滯可燃物幾乎沒有，所以只調(diào)查1 h時滯、10 h時滯枯死灌木。通過收割法將小樣方內(nèi)的灌木及幼樹全部挖取、分類，稱其鮮質(zhì)量，并取樣帶回實驗室。

表2 枯死可燃物等級劃分Table 2 Classification of combustible dead fuels

2)草本層可燃物載量測定 調(diào)查記錄草本樣方內(nèi)全部草本的種名、叢數(shù)、蓋度等。采用收割法將小樣方內(nèi)的草本全部挖取，稱其鮮重，取樣帶回實驗室。

3)枯落物層可燃物載量測定 先分別測量枯落物樣方內(nèi)上層枯落物和下層枯落物厚度，再分別將其全部收獲并稱取鮮重，取樣帶回實驗室?？萋湮飿臃絻?nèi)的地表枯枝可燃物也按時滯分為4個等級。由于本研究樣方中地表枯枝1 000 h時滯可燃物幾乎沒有，所以只調(diào)查1 h時滯、10 h時滯和100 h時滯地表枯枝，分別全部收獲稱取鮮重并取樣帶回實驗室。

1.3 室內(nèi)測定

將野外調(diào)查帶回的各可燃物樣品放入烘箱內(nèi)，在105 ℃下連續(xù)烘24～48 h至恒重，用電子天平稱其絕干質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 可燃物載量計算 各類型可燃物載量根據(jù)以下公式計算[27]：

(1)

式中：D為樣品的干濕比；Md為烘干后樣品和信封總恒重質(zhì)量，g；Mb為烘干后信封的干質(zhì)量，g；Mn為取樣的樣品和塑封袋的總鮮質(zhì)量，g；Ma為正常狀態(tài)下塑封袋的質(zhì)量，g。

(2)

式中：M為可燃物載量，(t·hm-2)；S為樣方面積，m2；100為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)；Ms為樣方內(nèi)可燃物的總鮮質(zhì)量，g。

1.4.2 易燃可燃物分類及載量計算 易燃可燃物具有燃點低、燃燒迅速、降雨后干燥快等特點，森林起火和蔓延都是從易燃可燃物引燃開始的[28-29]。本研究中易燃可燃物包括活可燃物和死可燃物?；羁扇嘉锇ú荼局参?、灌木及幼樹的小枝。死可燃物包括上層枯落物、地表枯枝1 h時滯可燃物和灌木枯枝1 h時滯可燃物。易燃可燃物載量根據(jù)公式(1)和(2)計算。

1.4.3 數(shù)據(jù)處理 對不同密度油松飛播林地表可燃物載量進(jìn)行方差分析，對地表可燃物載量與林分因子進(jìn)行相關(guān)性分析。所有統(tǒng)計分析通過SPSS23.0、Excel 2016進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 油松飛播林地表可燃物載量特征

由表3可知，秦嶺東段油松飛播林地表總可燃物載量為19.90～58.08 t·hm-2，其中64%的油松飛播林總可燃物載量大于30 t·hm-2，超過發(fā)生重特大森林火災(zāi)的臨界條件，有較大的森林火災(zāi)隱患。總可燃物載量中，占比最大的是下層枯落物，達(dá)60%～88%；其次是上層枯落物，達(dá)8%～24%；占比最小的是灌木枯枝1、10 h可燃物和地表枯枝100 h可燃物。油松飛播林內(nèi)易燃可燃物載量為4.05～11.75 t·hm-2，在總可燃物載量中占比達(dá)11%～29%。

表3 油松飛播林地表可燃物載量基本情況Table 3 Surface fuel loads of aerially seeded P.tabuliformis forests (t·hm-2)

2.2 不同密度油松飛播林地表可燃物載量差異

由表4可見，秦嶺東段3個密度梯度油松飛播林灌木枯枝1 h時滯可燃物載量表現(xiàn)為高密度林分顯著(P<0.05)大于中密度林分；地表枯枝1 h時滯可燃物載量表現(xiàn)為高密度林分顯著(P<0.05)大于低密度林分；下層枯落物載量表現(xiàn)為低密度林分顯著(P<0.05)大于中、高密度林分；總可燃物載量由大到小表現(xiàn)為：低密度、高密度、中密度，其中低密度林分顯著(P<0.05)大于中密度林分。低密度林分中絕大多數(shù)可燃物載量都不大，但占比最大的下層枯落物載量最多，導(dǎo)致低密度油松飛播林可燃物總載量也最大。高密度林分中大多數(shù)可燃物載量均最多，但都是質(zhì)量較輕的易燃可燃物，其下層枯落物載量較少，所以地表可燃物總載量低于低密度林分。中密度林分中各類型可燃物載量均較少，所以地表可燃物總載量最小。

表4 不同密度油松飛播林地表可燃物載量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 4 Surface fuel loads of aerially seeded P.tabuliformis forests with different density levels(Mean±SD) (t·hm-2)

2.3 油松飛播林地表可燃物載量與林分因子的相關(guān)性

秦嶺東段油松飛播林地表可燃物載量與林分因子的相關(guān)性見表5，地表枯枝1 h時滯可燃物載量與密度呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)，與胸徑呈極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān)，與樹高和枝下高呈顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān)。灌木枯枝1 h時滯可燃物載量與密度呈顯著(P<0.05)正相關(guān)，與胸徑、枝下高呈顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān)，與樹高呈極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān)。林分因子對地表枯枝1 h時滯可燃物載量和灌木枯枝1 h時滯可燃物載量影響相似，地表枯枝1h時滯可燃物載量和灌木枯枝1h時滯可燃物載量隨著林分密度的增大而增大，隨著油松胸徑、樹高和枝下高的減小而增大。灌木枯枝10 h時滯可燃物載量與樹高和冠幅呈顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān)，表現(xiàn)為隨著樹高和冠幅的增大，灌木枯枝10 h時滯可燃物載量減少。草本層可燃物載量與冠幅呈顯著(P<0.05)正相關(guān)，表現(xiàn)為隨著冠幅的增大，草本層可燃物載量增大。

表5 林分因子與可燃物載量的相關(guān)性Table 5 Correlation coefficients between fuel loads and stand factors

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

秦嶺東段油松飛播林地表可燃物載量高，發(fā)生森林火災(zāi)的可能性大。3個密度梯度油松飛播林地表可燃物載量差異明顯：低密度林分可燃物總載量最大；中密度林分可燃物總載量最??；高密度林分中易燃可燃物如上層枯落物、灌木小枝、1 h時滯可燃物等載量最大。地表枯枝1 h時滯、草本層、灌木枯枝1 h時滯及灌木枯枝10 h時滯等可燃物易受密度、胸徑、樹高、枝下高和冠幅等林分因子影響。

3.2 討論

可燃物載量是估計林火蔓延、火強度、火焰高度和能量釋放等的重要參數(shù)[1]。胡志東等[30]研究表明，當(dāng)總地表可燃物載量<2.5 t·hm-2時，發(fā)生森林火災(zāi)可能性較小，而當(dāng)總地表可燃物載量>10 t·hm-2時，有發(fā)展成大的森林火災(zāi)的可能性。秦嶺東段油松飛播林總地表可燃物載量均>10 t·hm-2，其中64%的林分總可燃物載量>30 t·hm-2，超過發(fā)生重特大森林火災(zāi)的臨界條件，說明該區(qū)域油松飛播林具有發(fā)生較大森林火災(zāi)的物質(zhì)基礎(chǔ)。地表可燃物中枯落葉、細(xì)小枯枝和草本植物等是容易引起森林火災(zāi)的易燃可燃物，其載量大小反映引起森林火災(zāi)的難易程度。秦嶺東段油松飛播林內(nèi)易燃可燃物載量較高，為4.05～11.75 t·hm-2，一遇火源就會迅速被引燃，引發(fā)森林火災(zāi)。下層枯落物載量在總可燃物載量中占比最大，這與劉趙東[27]、李偉明[31]和閆泳霖[32]等的研究結(jié)果一致。油松飛播林大多分布在人力難以到達(dá)的深山遠(yuǎn)山區(qū)，因長期封育沒有進(jìn)行合理經(jīng)營管理，林內(nèi)枯枝落葉常年累積，有較大的森林火災(zāi)隱患[27,31-35]。

低密度林分下層枯落物載量顯著大于中、高密度林分。林娜[36]研究不同林齡不同密度油松林凋落物分解特點時發(fā)現(xiàn)，近熟林在密度為1 375株·hm-2時分解最快。本研究中低密度林分密度與1 375株·hm-2接近，林下空間較大，通風(fēng)較良好，枯枝落葉分解速率較快，處于分解和半分解狀態(tài)的下層枯落物載量相應(yīng)較高。高密度林分灌木枯枝1 h時滯可燃物載量顯著大于中密度林分，這是由于密度高的林分空間狹小，灌木層植物之間競爭大，長勢弱、枝條纖細(xì)的灌木及幼樹處于競爭劣勢，容易枯死。高密度林分地表枯枝1 h時滯可燃物顯著大于低密度林分，這是由于密度大的飛播林內(nèi)喬木分布密集，枝條交錯生長，對空間和陽光的競爭較大，細(xì)小枝梢容易折斷掉落于地面。總可燃物載量表現(xiàn)為低密度林分最大，且顯著大于中密度林分，這與李成杰[37]、盧中波[38]、李縉[39]研究地表可燃物載量隨密度增大而減小的結(jié)果基本一致。這是因為低密度林分中下層枯落物載量最多，導(dǎo)致總載量也最大，而中密度林分中下層枯落物載量最小，各類型可燃物載量也較小，所以總載量最小。

密度、胸徑、樹高、枝下高和冠幅對油松飛播林地表可燃物載量的影響主要體現(xiàn)在對灌木枯枝1、10 h時滯可燃物、地表枯枝1 h時滯可燃物以及草本層可燃物的影響上。灌木枯枝1 h時滯可燃物載量與密度呈顯著正相關(guān)，與胸徑、枝下高呈顯著負(fù)相關(guān)，與樹高呈極顯著負(fù)相關(guān)。這是因為隨著林分密度的增大，油松生長競爭激烈，侵占林下灌木生長空間、掠奪土壤中的水分和養(yǎng)分，導(dǎo)致灌木長勢差，枝條容易枯死。灌木枯枝10 h時滯可燃物載量與樹高和冠幅呈顯著負(fù)相關(guān)，這是因為干形通直、冠形圓滿的油松林下空間較大，有利于灌木層植物生長，灌木長勢較好不易枯死。地表枯枝可燃物載量均與密度正相關(guān)，這與周澗青[40]的研究結(jié)果一致。這是由于生存空間和營養(yǎng)物質(zhì)有限，密度越大，喬木層油松間種內(nèi)競爭就越大，不僅不利于油松的生長，對灌木層和草本層植物的生長也極為不利，整個林分活力低，地表枯枝就相應(yīng)較多。地表枯枝中1 h時滯可燃物載量與樹高、枝下高呈顯著負(fù)相關(guān)，與胸徑呈極顯著負(fù)相關(guān)，這是因為油松飛播林的密度比天然林、人工林大得多[41-42]，密度大的林分喬木層生長空間狹小，油松生長競爭大，整體較為低矮、纖細(xì)，長勢不佳，細(xì)枝末梢容易枯死掉落在地面。草本層可燃物載量與冠幅呈顯著正相關(guān)，這是由于冠幅大的林分油松分布較為稀疏，林下空間相對較大，草本層生長狀況良好，載量較大。

秦嶺東段油松飛播林密度大，林內(nèi)樹木生長狀況不佳，易受病蟲鼠害侵?jǐn)_，再加上長期封育，林內(nèi)地表可燃物大量堆積，有發(fā)生重大森林火災(zāi)的可能性。應(yīng)及時對油松飛播林進(jìn)行適當(dāng)撫育，定期伐除遭受病蟲鼠兔侵害以及雪壓、風(fēng)折的病死木和枯立木，引進(jìn)難燃闊葉鄉(xiāng)土樹種營造防火混交林。并定期清理林下堆積的枯枝落葉，對叢生易燃的灌草進(jìn)行選擇性地機械割除。