閩北4種林分特征及其林下可燃物載量研究

劉劍釗

(福建省林業(yè)勘察設(shè)計院，福建 福州 350001)

森林火災(zāi)在失去人為控制下對森林生態(tài)系統(tǒng)、自然資源以及人類帶來的一定危害，甚至造成嚴(yán)重破壞。根據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2020年全國發(fā)生森林火災(zāi)1153起，重大森林火災(zāi)7起。森林火災(zāi)嚴(yán)重制約著我國森林資源可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)。我國地域遼闊，植被、氣候、地形地貌等類型存在顯著差異，因此森林可燃物，特別是林下可燃物的格局分布難以預(yù)測。在全球氣候變化的背景下，通過分析林下可燃物載量，提出森林防火對策，降低森林火災(zāi)的發(fā)生概率，減少森林火災(zāi)引起的碳減排，對改善森林結(jié)構(gòu)、森林資源可持續(xù)經(jīng)營以及碳中和等方面具有重要意義。

可燃物是森林火災(zāi)的物質(zhì)基礎(chǔ)，其數(shù)量、特性、分布直接影響森林火災(zāi)的引燃和蔓延[1]。而可燃物是可以通過人為干擾(或控制)來預(yù)防森林火災(zāi)的發(fā)生或降低發(fā)生的概率[1-3]。林分由不同的樹種組成，因此具有不同的森林燃燒特征[4]，這不僅與樹種本身的林學(xué)、生物學(xué)特性有關(guān)，也與林下不同結(jié)構(gòu)層(灌木層、草本層、腐殖質(zhì)層、枯落物層)的可燃物載量緊密相關(guān)[5,6]。截止目前，有大量學(xué)者采用不同的方法開展了我國不同地區(qū)的森林可燃物研究工作?？傊?，我國各地區(qū)的森林可燃物方面的研究可概括為可燃物載量估算、影響因素、預(yù)測預(yù)報等方面，而不同地區(qū)不同植被類型可燃物載量差異較大。

福建作為生態(tài)大省，森林覆蓋率常位居全國第一，而閩北是福建省重要生態(tài)屏障，森林資源豐富，保護(hù)和利用森林資源對閩北乃至福建省的森林資源可持續(xù)發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。然而，至今尚未存在關(guān)于閩北森林資源的林分特征及其與可燃物載量的關(guān)系研究的相關(guān)報道。因此，開展不同優(yōu)勢樹種林分因子的調(diào)查及其林下可燃物載量的定量分析，對預(yù)防、預(yù)測預(yù)報森林火災(zāi)具有重要的指導(dǎo)意義。研究結(jié)合全國自然災(zāi)害綜合風(fēng)險普查工作，以閩北浦城縣的森林為研究對象，通過布設(shè)樣地，采集樣地林業(yè)調(diào)查因子數(shù)據(jù)以及研究林下不同結(jié)構(gòu)層可燃物負(fù)荷量和水分貯量的差異，探究各因子對可燃物載量的影響，旨在為閩北地區(qū)森林經(jīng)營與防火管護(hù)生產(chǎn)實(shí)踐提供科學(xué)依據(jù)[4]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)為南平市浦城縣，地處福建省最北端，為閩、浙、贛三省七縣結(jié)合部。該區(qū)屬于典型中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，全年氣候溫和，雨量充沛，光照充足，土壤肥沃；年平均氣溫17.4℃，年平均日照總時數(shù)1797.9h，年平均降雨量1700mm，森林覆蓋率達(dá)73.1%，是中國南方林業(yè)重點(diǎn)縣。

1.2 樣地設(shè)置與調(diào)查

2020年，采用機(jī)械布點(diǎn)法在南平市浦城縣境內(nèi)的馬尾松林、毛竹林、杉木林、硬闊葉林內(nèi)布設(shè)25.82m×25.82m樣地，其中，樣地數(shù)量分別為30、31、35、24。利用圍徑尺調(diào)查每木胸徑，測高器測定樹高，并記錄樣地坡位、坡向、郁閉度、冠幅、植物名稱等數(shù)據(jù)；按每個標(biāo)準(zhǔn)地的灌木數(shù)量設(shè)置4m×4m的小樣方，收割樣方內(nèi)所有的灌木，同時稱取鮮質(zhì)量；在25.82m×25.82m臨時樣地對角線上，等距選取草本、腐殖質(zhì)層、枯落物層小樣方(1m×1m)，收集地面上所有的枯落物層，收割所有的草本，利用鐵鏟清理整齊切面收集腐殖質(zhì)層，同時稱取鮮質(zhì)量；所有樣品記錄好后帶回實(shí)驗(yàn)室備用。本次共布設(shè)樣地120個，收集灌木層樣品120個，草本層、腐殖質(zhì)層、枯落物層各120個。

1.3 可燃物負(fù)荷量、含水量指標(biāo)的測定

樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，利用電子天平測定各樣品的鮮質(zhì)量，采用烘干法測定可燃物載量[7,8]，設(shè)定烘箱溫度為100℃，烘干時間為48h至樣品絕干，測定各樣品的干質(zhì)量，最后根據(jù)樣方內(nèi)可燃物鮮質(zhì)量和含水率計算可燃物的負(fù)荷量(見表1)。

表1 林分調(diào)查特征與林下可燃物載量情況Tab.1 Characteristics of Stand Investigation and Understory Combustible Matter Load

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計，采用 SPSS20.0軟件進(jìn)行方差分析與多重比較。采用Excel 2010軟件進(jìn)行繪圖和構(gòu)建各種模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 群落林分調(diào)查因子差異分析

1)經(jīng)F值統(tǒng)計量檢驗(yàn)可知，4種林分樣地尺度的平均胸徑和平均樹高差異均不顯著，但蓄積量存在顯著差異。馬尾松林D(10.5cm)和H(9.1m)略大于其他3種林分類型，而硬闊葉林和杉木的非常接近。馬尾松林M最高，最低的為硬闊葉林。本次采集的4種林分特征量較接近，可用于分析林下可燃物載量差異。

2)為后期可燃物普查及數(shù)據(jù)更新中喬木層胸徑和樹高調(diào)查提供便利，以采用的4種樣地尺度的林分為研究對象，繪制散點(diǎn)圖，根據(jù)散點(diǎn)趨勢，選用線性、冪函數(shù)、多項式、指數(shù)、邏輯斯蒂等模型為備選方程，以殘差、相關(guān)系數(shù)、平均系統(tǒng)誤差、絕對誤差為模型擬合優(yōu)選指標(biāo)，利用SPSS求解方差參數(shù)，依據(jù)殘差最小、相關(guān)系數(shù)最大、平均系統(tǒng)誤差趨近于0、絕對誤差最小的原則，得到4種林分最優(yōu)樹高曲線為y=a×ln(x)+b，其中a、b為方差參數(shù)，y為平均樹高，x為平均胸徑，結(jié)果見下式。

H馬=3.2826ln(D馬)+3.0179，R2=0.8542

(1)

H毛=12.945ln(D毛)-16.548，R2=0.8674

(2)

H硬=8.0115ln(D硬)-10.4，R2=0.8935

(3)

H杉=8.4792ln(D杉)-10.369，R2=0.8861

(4)

各林分樹高曲線擬合的相關(guān)系數(shù)均高于0.8且接近0.9；從平均系統(tǒng)誤差、絕對誤差來看，平均系統(tǒng)誤差在±10%范圍內(nèi)，絕對誤差在10%范圍內(nèi)，說明本次擬合的研究區(qū)樹高曲線可用于森林火災(zāi)普查中林分平均高的估計，同時也可用于研究區(qū)森林資源小班數(shù)據(jù)庫的更新和林業(yè)設(shè)計調(diào)查等林業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐上。

2.2 不同林分的可燃物負(fù)荷量差異分析

根據(jù)收集的4種林分下的灌木層、草本層、腐殖質(zhì)層、枯落物層4種林下結(jié)構(gòu)的可燃物負(fù)荷量，經(jīng)統(tǒng)計，得到不同林分的可燃物負(fù)荷量(表2)。

表2 不同林下結(jié)構(gòu)的可燃物平均負(fù)荷量Tab.2 Average Load of Combustibles in Different Understory Structures

由表2可見，不同林分、林下結(jié)構(gòu)層，可燃物負(fù)荷量存在極顯著差異。從平均可燃物負(fù)荷量來看，腐殖質(zhì)層>灌木層>枯落物層>草本層；雖然灌木層調(diào)查樣方為4m2，但其可燃物負(fù)荷量比腐殖質(zhì)層的還低；最小的為草本層。從林分來看，灌木層和腐殖質(zhì)層均表現(xiàn)出馬尾松>硬闊葉林>杉木林>毛竹林的分布特征；馬尾松林下灌木種類和數(shù)量較多；而毛竹林中，由于其他樹種存在，種間競爭較激烈，且毛竹林屬于短輪伐期、集約經(jīng)營林分，林下植被受人為干擾較大，因此，毛竹林下各結(jié)構(gòu)層的可燃物負(fù)荷量均低于其他林分；硬闊葉林中，由于闊葉樹葉片較針葉樹種的腐化，形成腐殖質(zhì)，所以腐殖質(zhì)層高于其他3種類型的林分。由此也說明，本次采集的數(shù)據(jù)符合森林生態(tài)系統(tǒng)群落可燃物負(fù)荷量分布規(guī)律。

2.3 群落可燃物水分貯量與分布

由圖1不同群落林層的可燃物水分貯量可知，4種林分均表現(xiàn)出草本>灌木>枯落物>腐殖質(zhì)的含水率分布特征。而不同林分下相同的林下結(jié)構(gòu)可燃物水分貯量存在一定規(guī)律，如灌木層上，馬尾松林、毛竹林、硬闊葉林、杉木林的可燃物水分平均貯量較為接近；經(jīng)SPSS計算F值，得到各層的檢驗(yàn)結(jié)果分別為0.131、0.542、1.953、4.784*，說明除了枯落物層外，其他3種林分中各層可燃物水分平均貯量的差異不顯著。

圖1 不同群落林層的可燃物水分貯量Fig.1 Moisture Storage of Combustibles in Different Community Forest Layers

2.4 可燃物載量與林分調(diào)查因子的相關(guān)性

1)綜合圖1可燃物水分貯量以及林分生長量可知，可燃物水分貯量與喬木林種類關(guān)系不緊密，與林分蓄積量不相關(guān)。為進(jìn)一步探究可燃物載量與其他林分調(diào)查因子相關(guān)性問題，利用SPSS計算各層可燃物載量與郁閉度、平均胸徑、平均樹高、坡位、坡向的相關(guān)性(表3)。

表3 可燃物載量與林分調(diào)查因子的相關(guān)性Tab.3 Correlation between Fuel Load and Stand Survey Factors

3)由表3可知，各層可燃物載量與郁閉度、平均胸徑、平均樹高呈正相關(guān)，與坡位呈負(fù)相關(guān)；灌木、草本與坡向呈正相關(guān)，腐殖質(zhì)、枯落物與其呈負(fù)相關(guān)。其中灌木與郁閉度、平均胸徑、平均高、坡向呈極顯著正相關(guān)，與坡位呈顯著負(fù)相關(guān)；草本與郁閉度、平均胸徑、平均高呈極顯著正相關(guān)，與坡向和坡位相關(guān)性不顯著；腐殖質(zhì)僅與平均高存在呈顯著正相關(guān)；枯落物與郁閉度、平均胸徑、平均高呈極顯著正相關(guān)，與坡向和坡位呈顯著正相關(guān)。

3 討論與結(jié)論

1)樹高曲線是探討樹高與胸徑關(guān)系的重要方法和反演復(fù)雜模型的基礎(chǔ)[9,10]。大量研究報道可知，模型方式主要分為傳統(tǒng)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和混合模型3類[11,12]。但從森林防火視角出發(fā)，通過建立林分類型的樹高曲線用于森林火災(zāi)普查的研究較少。本文研究發(fā)現(xiàn)各林分樣地尺度的樹高曲線一般式為y=a×ln(x)+b，方程擬合相關(guān)系數(shù)較高，平均系統(tǒng)誤差在±10%范圍內(nèi)，絕對誤差在10%范圍內(nèi)，表明建立的樹高曲線可用于研究區(qū)森林火災(zāi)普查中林分平均高的估計。

2)可燃物載量是森林可燃物燃燒釋放能量的大小，相關(guān)研究表明，當(dāng)可燃物載量小于250g/m2時，森林火災(zāi)難以維持；當(dāng)其大于1000g/m2時，森林火災(zāi)可能會發(fā)生為大火[13]。而本次研究區(qū)林下各層的可燃物負(fù)荷量中，除了馬尾松腐殖質(zhì)層，其他均低于1000g/m2時，其余各林分類型的可燃物載量較高，因此需要加強(qiáng)森林防火宣傳，以減少森林火災(zāi)的發(fā)生。

3)4種林分標(biāo)準(zhǔn)樣地尺度的各層可燃物負(fù)荷量存在差異，且符合森林生態(tài)系統(tǒng)群落可燃物負(fù)荷量分布規(guī)律。而可燃物水分貯量與喬木樹種的類型關(guān)系不緊密，與本身的林學(xué)和生物學(xué)特征相關(guān)。