內(nèi)蒙古大興安嶺根河林業(yè)局主要可燃物類型地表細小可燃物特征及其影響因素

關(guān)鍵詞：細小可燃物；影響因素；冗余分析；根河林業(yè)局

中圖分類號：S762 文獻標志碼：A 文章編號：1673-923X（2023）12-0094-10

林火是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要干擾因子，破壞力極強，嚴重影響森林的結(jié)構(gòu)和功能[1-2]。近年來，在全球尺度上發(fā)生的重大野火事件也表明，大規(guī)模森林火災(zāi)已經(jīng)成為很多國家所面臨的重點災(zāi)害和環(huán)境問題[3]。森林火災(zāi)的發(fā)生不是一個單一的過程，而是由多個相互關(guān)聯(lián)的部分組成，并且受多種因素的影響，如可燃物、氣象條件、地形因素等[4-5]。其中森林細小可燃物是森林地表可燃物的重要組成部分，也是森林火災(zāi)最危險的引燃物，據(jù)統(tǒng)計59% 以上的林火都是由地表細小可燃物首先引起的[6-8]。森林可燃物是森林火災(zāi)發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是影響林火蔓延的關(guān)鍵因素[9]。所以基于可燃物特征，制定有效的可燃物管理對策，是降低林火損失的重要途徑[10]。

地表可燃物作為引發(fā)林火發(fā)生的重要因素，國內(nèi)外學(xué)者早就認識到地表可燃物在林火管理中的重要性，一直以來都是研究重點，并做了許多相關(guān)的研究[11]。李威等[12]、巫清蕓等[13]、Skowronski 等[14]、劉劍釗[15] 通過研究確定了不同林分類型的可燃物載量特征，并建立了環(huán)境因子與可燃物載量之間的關(guān)系?？扇嘉锖时徽J為是影響林火行為的重要因子之一，已被廣泛應(yīng)用于火災(zāi)危險的評估[16-17]?？扇嘉锖士梢酝ㄟ^遙感估測法、平衡含水率法和氣象要素回歸模型來進行預(yù)測，其中基于氣象要素的預(yù)測在研究中應(yīng)用最廣泛[18-22]。雖然目前針對可燃物的研究較多，但是受地理位置、森林結(jié)構(gòu)、自然和人為干擾等因素的影響，森林可燃物在空間上存在很大的變異性[11]，所以針對區(qū)域范圍內(nèi)的森林可燃物研究還需要進一步加強。

可燃物是林火發(fā)生的三要素之一，可燃物載量、表面積體積比、含水率、熱值等特征，對林火的強度、蔓延速率等火行為都存在不同程度的影響。而對于可燃物特征來說，不同的森林群落、地形和林分因子等條件又會影響可燃物分布、組成和結(jié)構(gòu)等特征。內(nèi)蒙古自治區(qū)是我國主要的林火發(fā)生區(qū)，其東部的大興安嶺林區(qū)由于氣溫高、降雨少，森林火災(zāi)頻繁發(fā)生，是森林防火的重點防范區(qū)[23]。其中位于腹地的根河林業(yè)局森林資源豐富，天然林面積廣闊，森林防火工作十分繁重[24]。本研究以根河林業(yè)局主要可燃物類型為對象，通過野外調(diào)查和室內(nèi)試驗，確定該林業(yè)局主要可燃物類型的地表細小可燃物特征以及環(huán)境因子對其的影響，并掌握不同可燃物類型細小可燃物的燃燒性，旨在為進一步預(yù)防森林火災(zāi)的發(fā)生和森林可燃物的管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)是我國四大國有林區(qū)之一，面積達10.67 萬km2，是我國面積最大、集中連片、以天然林為主的重點國有林區(qū)。研究區(qū)位于內(nèi)蒙古大興安嶺根河林業(yè)局的林區(qū)，地處大興安嶺西坡中段腹地（120°41′30″ ～ 122°42′30″E，50°25′30″ ～ 51°17′00″N），平均海拔848 m，是我國主要的高緯度多年凍土區(qū)之一。該地氣候?qū)俸疁貛駶櫺蜕謿夂?，具有大陸性季風(fēng)氣候的某些特征，年平均氣溫為-5.5 ℃。植被類型是以興安落葉松Larix gmelinii 為主的北方針葉林，闊葉樹種以白樺Betula platyphylla 和山楊Populusdavidiana 為主， 林下常見植被有杜香Ledumpalustre、興安杜鵑Rhododendron dahurica、越桔Vaccinium vitis-idaea 等[25-26]。

2 材料與方法

2.1 野外調(diào)查

近年來受全球氣候變暖影響，北方林區(qū)暖干化趨勢明顯，春季積雪提前融化，導(dǎo)致春季林火發(fā)生期提前到來；受氣候條件的影響，大興安嶺林區(qū)在秋季防火期的后期就開始降雪，加之秋季新凋落的可燃物相比于風(fēng)化一段時間的可燃物含水率較高，所以春季防火期的形勢更為嚴峻[27-29]。于2021 年春季防火期（5 月5—8 日）前往內(nèi)蒙古大興安嶺根河林業(yè)局進行調(diào)查取樣，選取該林業(yè)局主要可燃物類型為研究對象，具體包括：杜鵑-白樺興安落葉松混交林、杜香- 興安落葉松林、草類- 興安落葉松林、柴樺- 興安落葉松林、樟子松人工林、山楊林、白樺林。在每種可燃物類型下隨機選取3 塊30 m×20 m 的樣地，調(diào)查記錄樣地的基本情況，具體包括：海拔、經(jīng)緯度、樹高、胸徑、郁閉度等（表1）。

2.2 可燃物調(diào)查

本研究以地表細小可燃物為研究對象，指的是直徑小于0.64 cm 的小枝、樹葉以及雜草，主要包括：草本、凋落物層、雜亂物1 h 時滯可燃物（直徑小于等于0.64 cm 的小枝）。在每塊實驗樣地的對角線處選取3 塊2 m×2 m 的樣方，之后在該樣方內(nèi)再設(shè)置1 m×1 m 的小樣方，草本、凋落物層的調(diào)查在1 m×1 m 的小樣方內(nèi)進行，雜亂物1 h時滯可燃物的調(diào)查在2 m×2 m 的樣方內(nèi)進行。

首先測量樣方內(nèi)的雜亂物1 h 時滯可燃物、草本、凋落物層高度；之后測量草本、枯枝落葉的葉片厚和莖粗；最后采集樣方內(nèi)的所有草本、枯枝落葉、凋落物等可燃物，稱量可燃物的總鮮質(zhì)量，使用信封采集部分可燃物樣品稱量樣品總質(zhì)量，之后將可燃物帶回實驗室。

2.3 可燃物特征計算

基于野外調(diào)查數(shù)據(jù)，計算地表可燃物載量和表面積體積比等特征。具體計算方法參考單延龍[30]有關(guān)可燃物特征的計算方法。使用鼓風(fēng)干燥箱、全自動量熱儀、連續(xù)灰分測定儀測定細小可燃物的含水率、熱值、灰分指標。

2.4 統(tǒng)計分析

使用SPSS 26.0 軟件方差分析方法對比分析主要可燃物類型的地表細小可燃物特征之間的差異，多重比較方法LSD，顯著水平P ＜ 0.05。通過冗余分析方法（RDA）確定環(huán)境因子與地表細小可燃物特征的關(guān)系；結(jié)果圖中虛線為解釋變量（環(huán)境因子），實線為響應(yīng)變量（可燃物特征），其中解釋變量連接線越長，表明影響程度越大，解釋變量與響應(yīng)變量的夾角為銳角則呈正相關(guān)關(guān)系，鈍角則呈負相關(guān)關(guān)系；冗余分析在R 語言vegan包中完成。

基于不同細小可燃物的載量、表面體積比、含水率、熱值、灰分特征，對不同可燃物類型細小可燃物的燃燒性進行排序。排序之前為了消除不同量綱對結(jié)果的影響，采用極值法對數(shù)據(jù)進行標準化處理；使用隨機森林方法計算各個指標的重要值，隨機森林的計算在R 語言的randomForest包中完成；基于各指標的重要值使用綜合評價方法計算主要可燃物類型燃燒性的綜合得分。最后使用SPSS 的系統(tǒng)聚類方法，對主要可燃物類型的燃燒性進行分類。

當細小可燃物特征與燃燒性呈正相關(guān)時，數(shù)據(jù)標準化公式如（1）所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 主要可燃物類型的地表細小可燃物特征

根河林業(yè)局主要可燃物類型的細小可燃物載量、表面積體積比、灰分、熱值、含水率等可燃物特征大多數(shù)都存在顯著差異，其中凋落物層可燃物的表面積體積比、載量、含水率之間存在顯著差異（P ＜ 0.05）；草本可燃物的熱值之間存在極其顯著差異（P ＜ 0.01），表面積體積比、灰分、含水率之間存在顯著差異（P ＜ 0.05）；雜亂物1 h 時滯可燃物的表面積體積比、載量、熱值、含水率之間存在顯著差異（P ＜ 0.05）。

由表2可知，主要可燃物類型的凋落物層表面積體積比之間存在較大差異，其中柴樺- 興安落葉松林的表面積體積最大（141.44 cm^-1），其次是山楊林（135.75 cm^-1）、樟子松人工林（111.22 cm^-1），白樺林的表面積體積比最小，僅為73.63 cm^-1，且與前3 種可燃物類型之間都存在顯著差異。不同可燃物類型的凋落物層載量之間差異較小，除杜鵑- 白樺興安落葉松混交林的載量最高外（3 066.34 kg/m²）， 其他可燃物類型的載量之間都不存在差異。主要可燃物類型之間凋落物層可燃物的熱值和灰分之間不存在差異，分別在25 421.10 ～ 27 223.13 kJ/kg 和6.45% ～ 12.83% 之間。凋落物層含水率普遍較高，其中柴樺- 興安落葉松林（95.45%）、白樺林（83.53%）、杜香-興安落葉松林（81.50%）的含水率較高，樟子松人工林的含水率最低（19.53%），且與其他可燃物類型之間都存在顯著差異。

由表3 可知， 草類- 興安落葉松林（124.79 cm^-1）、白樺林（114.22 cm^-1）、杜鵑-白樺興安落葉松混交林（113.51 cm^-1）的草本可燃物表面積體積比較高，且三者之間不存在顯著差異，其他4 種可燃物類型的表面積體積比較低，且也不存在差異。草本可燃物的載量相近不存在差異。草本可燃物以杜鵑- 白樺興安落葉松混交林的熱值最低（23 268.20 kJ/kg），與其他可燃物類型之間相差較大，但其他6 種可燃物類型的熱值之間則不存在差異。樟子松人工林的草本可燃物灰分含量最高（11.60%），遠高于其他可燃物類型，山楊林的灰分含量最低，僅為3.95%。主要可燃物類型中，以杜香- 興安落葉松林的草本可燃物含水率最高，為148.90%，與其他可燃物類型之間都存在顯著差異。

由表4 可知，主要可燃物類型的雜亂物1 h 可燃物以杜鵑- 白樺興安落葉松混交林的表面積體積比最?。?.55 cm^-1），與其他可燃物類型之間都存在顯著差異。雜亂1 h 時滯可燃物的載量不同可燃物類型之間差異不大，除草類- 興安落葉松林的載量最高外（1 847.29 kg/m²），其他可燃物類型的載量之間則不存在顯著差異。柴樺- 興安落葉松林（28 368.95 kJ/kg）、山楊林（27 791.90 kJ/kg）、杜鵑- 白樺興安落葉松混交林（27 494.37 kJ/kg）的雜亂物1 h 時滯可燃物熱值相近，其他4 種可燃物類型之間的熱值也不存在顯著差異。不同可燃物類型之間的灰分含量則波動不大。白樺林的雜亂物1 h 時滯可燃物含水率要顯著高于其他可燃物類型（65.33%），與其他6 種可燃物類型之間都存在顯著差異。

3.2 環(huán)境因子對地表細小可燃物特征的影響

由表5 可知，通過環(huán)境因子對草本、凋落物層和雜亂物1 h 時滯可燃物影響的冗余分析結(jié)果可知，兩個排序軸對草本、凋落物、雜亂物1 h時滯可燃物的累計解釋量分別達到了99.85%、99.90%、99.99%，可以很好地解釋環(huán)境因子對可燃物特征變化的影響。其中郁閉度和胸徑因子對草本可燃物特征的影響較大（R² ≥ 0.5），根據(jù)重要值和得分結(jié)果，影響大小依次為胸徑（-0.83）、郁閉度（0.67）；胸徑對凋落物層可燃物特征影響較大（R² ≥ 0.5），胸徑的影響大小為-0.98；海拔、郁閉度、樹高對雜亂物1 h 時滯可燃物特征影響較大（R² ≥ 0.5），影響大小依次為郁閉度（0.90）、樹高（-0.88）、海拔（0.77）。

由圖1 可知，草本可燃物的載量、熱值、含水率受環(huán)境因子影響較大，其中載量與郁閉度、胸徑之間呈負相關(guān)關(guān)系（鈍角）；含水率與胸徑呈正相關(guān)關(guān)系（銳角），與郁閉度之間呈負相關(guān)關(guān)系（鈍角）；熱值則與郁閉度之間呈正相關(guān)關(guān)系（銳角），與胸徑之間呈負相關(guān)關(guān)系（鈍角）。凋落物層可燃物的載量和熱值受環(huán)境因子影響較大，且與胸徑之間都存在正相關(guān)關(guān)系（銳角）。雜亂物1 h 時滯可燃物的載量和熱值也受環(huán)境因子影響較大，其中載量與海拔和郁閉度呈負相關(guān)關(guān)系（鈍角），與樹高呈正相關(guān)關(guān)系（銳角）；熱值則與海拔、郁閉度之間呈正相關(guān)關(guān)系（銳角），與樹高呈負相關(guān)關(guān)系（鈍角）。

3.3 主要可燃物類型地表細小可燃物的燃燒性

由表6 可知，根河林業(yè)局主要可燃物類型細小可燃物以山楊林（3.27）的燃燒性最高，其次是草類- 興安落葉松林（3.10）、柴樺- 興安落葉松林（3.07）、杜鵑- 白樺興安落葉松混交林（2.87）、樟子松人工林（2.75）、杜香- 興安落葉松林（2.05）、白樺林（2.01）。

使用不同細小可燃物特征標準化后的數(shù)據(jù)進行聚類分析。根據(jù)圖2 聚類分析結(jié)果可知，主要可燃物類型細小可燃物的燃燒性可以分為3 類，其中山楊林、草類- 興安落葉松林、柴樺- 興安落葉松林的燃燒性最高，杜鵑- 白樺興安落葉松混交林的燃燒性較高，樟子松林、杜香- 興安落葉松林、白樺林的燃燒性一般。

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

近年來，隨著森林防火工作力度的加強以及預(yù)防、監(jiān)測、撲救技術(shù)和設(shè)備的不斷提高，林火的發(fā)生次數(shù)和面積都得到了有效的遏制，但是長時間受到保護和沒有被林火干擾的林分內(nèi)也積累了大量的可燃物，這極大地提高了林火發(fā)生風(fēng)險[31-32]，所以通過掌握可燃物特征，制定合理有效的可燃物管理對策就顯得十分迫切。本研究發(fā)現(xiàn)，根河林業(yè)局主要可燃物類型的細小可燃物特征絕大多數(shù)之間都存在顯著差異，而解國磊等[33]、閆想想等[34]、牛樹奎等[35] 在相關(guān)研究中也表明，不同森林類型的可燃物特征之間存在差異，這與本研究結(jié)論相符。根據(jù)細小可燃物特征研究發(fā)現(xiàn)，主要可燃物類型的凋落物層可燃物載量要遠高于草本和雜亂物1 h 時滯可燃物的載量，這主要由于大興安嶺地區(qū)受氣候和地理條件的影響，地表的凋落物層分解速率很慢[36]，所以導(dǎo)致地表積累了大量的凋落物。有研究指出，當?shù)乇砜扇嘉锟偭看笥? 500 kg/hm² 時發(fā)生森林火災(zāi)的可能性就較大[31]，而根河林業(yè)局個別可燃物類型僅凋落物層載量就超過了2 500 kg/hm²，由此可見多年積累的可燃物存在很大的火災(zāi)隱患。對于細小可燃物含水率來說，雜亂物1 h 時滯可燃物的含水率較低，其主要是由凋落在地表的細小枯枝組成；林火發(fā)生時最容易被引燃的就是地表的枯落物和草本植物[34]，而根據(jù)研究結(jié)果可知該林業(yè)局地表草本植物載量較低，加之雜亂物1 h 時滯可燃物的含水率較低，所以一旦有火源，雜亂物1 h 時滯可燃物就成為了引燃林火的主體。

根據(jù)冗余分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，根河林業(yè)局主要可燃物類型的細小可燃物特征受環(huán)境因子影響較大，在其他相關(guān)研究中也表明，海拔、胸徑、樹高等因子對可燃物特征的變化存在影響[13，31，37-39]?？扇嘉镙d量作為可以直接影響林火行為的因素，對森林火災(zāi)的防控工作具有重要現(xiàn)實意義[40]。研究表明草本可燃物的載量與胸徑和郁閉度呈負相關(guān)，這是由于徑階大的林木生長茂盛[13]，林分郁閉程度高、林隙小，生長在地表的草本植物受林冠影響大，吸收陽光少，所以長勢較差，載量也小；而對于凋落物載量來說，徑階大的林木代表生長時間長，可燃物積累多，且高海拔地區(qū)凋落物層分解慢[41]，所以積累的凋落物層載量也高。雜亂物1 h時滯可燃物的載量與樹高呈正相關(guān)，與海拔和郁閉度呈負相關(guān)；這是由于林冠高、郁閉度低的林分，其枝丫量大，枯落的樹枝也多，加之低海拔地區(qū)風(fēng)小，有助于枯枝保留[31，42]，所以雜亂物1 h時滯可燃物的載量高。對于可燃物熱值來說，熱值越大釋放的能量越多，火強度越大，燃燒速度越快[43]。在本研究中，胸徑大、郁閉度高、海拔高的細小可燃物熱值也高，這與王立軒等[44] 研究結(jié)果相符?？扇嘉锾卣鞒耸芎０?、胸徑、樹高等因子影響外，氣象因素也對可燃物的載量、含水率、組成和結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生影響，接下來本團隊將會進一步研究氣象因素對可燃物特征的影響，探明氣象因子與可燃物特征變化之間的關(guān)系。

根據(jù)綜合得分和聚類分析的結(jié)果可知，山楊林、草類- 興安落葉松林、柴樺- 興安落葉松林的細小可燃物燃燒性最高。其中山楊林在根河林業(yè)局主要分布在高海拔地區(qū)，高海拔地區(qū)風(fēng)大[31]，導(dǎo)致地表細小可燃物含水率較低，所以一旦發(fā)生林火，很可能迅速擴散蔓延，形成急進地表火。草類-興安落葉松林的地表草本可燃物主要由塔頭組成，在干旱條件下，當?shù)乇硇纬煞€(wěn)進地表火時，遇到干旱的塔頭地表火就會向下蔓延形成地下火[45]，所以針對這種可燃物類型在撲救地表火的同時，還需要通過深挖地下可燃物來預(yù)防地下火的發(fā)生和蔓延。柴樺作為大興安嶺地區(qū)的主要林下植被[46]，其高度要遠大于杜香和越桔等，所以當柴樺- 興安落葉松林有林火發(fā)生時，很容易沿著柴樺蔓延至林冠，形成危害更大的樹冠火?？扇嘉锶紵且粋€非常復(fù)雜的理化過程，除基于理化性質(zhì)對可燃物燃燒性進行評價外，本團隊下面將基于熱重分析技術(shù)分析可燃物的熱解過程，更加深入和直觀地對可燃物燃燒性進行研究。

4.2 結(jié)論

根河林業(yè)局主要可燃物類型的地表細小可燃物特征之間絕大多數(shù)都存在顯著差異（P ＜ 0.05），其中凋落層的可燃物載量最高，草本可燃物的載量較低，雜亂物1 h 時滯可燃物的含水率較低；凋落物層和雜亂物1 h 時滯可燃物是根河林業(yè)局森林地表火燃燒的主要可燃物，為降低林火的發(fā)生風(fēng)險，建議對這兩種類型的可燃物進行具有針對性的清理。環(huán)境因子對細小可燃物的載量和熱值影響較大。山楊林、草類- 興安落葉松林、柴樺- 興安落葉松林的細小可燃物燃燒性最高，杜鵑- 白樺興安落葉松混交林的燃燒性較高，樟子松人工林、杜香- 興安落葉松林、白樺林的燃燒性一般；草類-興安落葉松林具有形成地下火的風(fēng)險，柴樺- 興安落葉松林具有形成樹冠火的風(fēng)險，建議針對這兩種可燃物類型地表火撲救時，制定多種類型林火交織發(fā)生的撲救對策。

[ 本文編校：羅列]