冰雪灾害对川南森林可燃物的影响

田晓瑞,刘 斌,舒立福,王明玉,赵凤君

(中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,国家林业局森林保护学重点实验室,北京 100091)

冰雪灾害对川南森林可燃物的影响

田晓瑞,刘 斌,舒立福,王明玉,赵凤君

(中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,国家林业局森林保护学重点实验室,北京 100091)

冰雪灾害是影响森林的一个重要气象干扰因素,并会引起生态系统中其他次生干扰。研究冰雪灾害对森林可燃物的影响,提出可行的灾后可燃物管理技术将为今后应对类似的极端气候事件提供科学依据。基于对川南典型森林雪灾后受损情况调查,定量分析雪灾对各类可燃物的影响。按不同森林类型和受灾强度测定林分基本特征和各类可燃物载量,地表可燃物载量调查采用线状相交可燃物调查方法。结果表明:森林受害程度与树种、林龄、海拔、地形等因素有关,针叶林和针阔混交林树冠受损程度为5%～45%,阔叶林树冠受损程度为3%～8%。雪灾引起的主要是较大径级可燃物载量显著增加,径级≥7.0cm的可燃物占可燃物增量的48%～100%。灾后阔叶林地表径级可燃物载量达1.75 kg/m2,其他林分为0.18kg/m2～0.55 kg/m2。雪灾还改变可燃物空间分布,大量断枝和折断树干增加了可燃物垂直分布连续性,地表火更容易发展为树冠火。受灾严重的林分郁闭度下降,也会引起林下草本增加,有利于火灾的发生与发展。建议对受灾林分的地表可燃物清理以人工或机械清理为主。

冰冻灾害;森林可燃物;火环境

0 引言

生态干扰可能对森林生态系统结构和组成产生很大影响[1]。自然干扰的生态作用取决于干扰类型、频率、强度和空间尺度。重要的生态干扰包括火烧、病虫害、风倒、冰雪灾害[2,3]。尽管这些干扰事件是随机的,但不一定是相互独立的。例如,风倒或病虫害等干扰导致地表可燃物载量增加而引起火灾发生概率增大[4]。冰雪灾害是自然干扰的重要形式,并会引起生态系统中其他次生干扰。

2008年1月10日至2月初,由于大气环流异常导致我国南方大范围持续低温雨雪冰冻灾害,其主要特征为灾害范围广、灾害强度大、连续低温时间长、雨雪持续时间长、冰冻日数多和灾害损失严重[5,6]。冰雪灾害影响了森林可燃物的结构和组成,灾后湖南省火灾次数、过火面积和人员伤亡人数的异常增高已经超出了气温和降水对火发生正常影响的范围[7]。冰雪灾害造成森林内大面积灌木和草类冻枯冻死,森林中有效可燃物负荷量在短期内成倍地增长,连续性变强[8],森林火灾扑救极为困难[9]。

冰雪灾害对森林的影响主要取决于冰的载荷、灾害的持续时间、立地条件及树木的特性[10]。当森林遭遇冰雪灾害后,凋落物会大量增加,发生森林火灾的概率也大大增加。密西西比林业委员会[11]估计冰雪灾害导致可燃物载量增加3～6倍。1998年1月纽约东北部的冰雪灾害使松树木质可燃物载量增加 40吨/公顷,增加了发生灾难性野火的概率[12,13]。Hooper等[3]发现1998年1月魁北克省圣伊莱尔山区冰雪灾害后老龄硬木林受害后有19.9吨/公顷(风干重)的木质可燃物落到地面,大约是地上总生物量的7%～10%,是北美洲东北部的温带典型阔叶林年生长量的10倍～20倍。马泽清等[14]分析了2008年初低温雨雪冰冻灾害对我国南方森林生态系统的影响,认为持续低温、阴雨潮湿等气象条件是导致湿地松林受损的直接原因,强降水和大风,加剧了灾害程度。李东升等[15]发现湖北省主要用材林树种受雪压危害,断稍与断干、弯斜与弯曲两种受害类型比较普遍。

虽然已经有些研究探讨了冰雪灾害导致的可燃物增加与火灾发生和火行为的关系[8,16,17],但还没有定量分析冰雪灾害对可燃物载量及其空间分布的影响。因此,本文基于对川南典型森林受损情况的详细调查,分析冰雪灾害对森林可燃物的影响,定量分析各类可燃物的空间分布变化,为今后研究应对类似的极端气候事件和森林可持续经营管理提供科学依据。

1 研究区概况

研究区设在四川省古蔺县,属于四川盆地南缘,地貌系云贵高原向四川盆地过渡的中、低山类型区,地表起伏大,多为中、低丘陵,海拨300m～1843m,地势西高东低,南陡北缓。气候属亚热带湿润气候区,气温较高,日照充足,雨量充沛,四季分明,季风气候明显,春秋季暖和,夏季炎热,冬季不太冷。年均温17℃,年均降水量743.5mm。火险期为11月～翌年5月。

古蔺县森林面积88640.7公顷,主要林区分布在西北部,森林覆盖率43.7%。人工林以杉木(Cunninghamia lanceolata)、马尾松(Pinus massoniana)、柏木(Cupressus funebris)、柳杉(Cryptomeria fortunei)为主,原始林区则以常绿阔叶林为主,主要树种包括青冈(Cyclobalanopsis glauca)、泡桐(Paulowinia fortunei)、擦木(Sassafras tzumu)、冬青(I-lex chinensis)、黑壳楠 (Lindera megaphylla)等 ,灌木类有乌泡(Rubus multibracteatus)、山茶(Camellia japonica)、火棘(Pyracantha fortuneana)、碎米柴(Desmodium microphyllum)等。

2 研究方法

2.1 标准地调查

在2008年9月按不同森林类型和受灾强度分别设置标准地,调查可燃物状况和林分受灾状况,测定林分基本特征和各类可燃物载量与分布特征。乔木层采用20m×20m标准地,下木层调查采用2m×2m样方,草本层采用样方1m×1m,分别设置3个重复。

乔木受害类型分为未受损、断稍、树干断裂且劈裂不超过1米、树干折断且劈裂超过1米和倒木等5个类型;按照树冠受损程度分为6个类型,包括未受损、受损<10%、10%～30%、30%～50%、50%～70%和>70%。

2.2 地表可燃物调查

地表可燃物载量调查采用线状相交可燃物调查方法[18,19],按不同径级调查可燃物载量,共分6个径级0.0cm～0.49cm、0.5cm～0.99cm、1.0cm～2.99cm、3.0cm～4.99cm、5.0cm～6.99cm和≥7.0cm。在标准地内采用30m等边三角形样线调查,分别测定不同径级可燃物数量,并沿每个样线均匀测定5处腐殖质层厚度。地表凋落层(未分解的落叶、球果等)采用小样方(0.5m×0.5m)称重法测定,每个试验地5个重复。对地表凋落物、腐殖质层(0cm～6cm)、不同径级的地表枯枝等可燃物进行取样,每份样品6个重复,带回实验室内烘干,测定可燃物的含水率。

线状相交可燃物调查方法是通过估计可燃物体积,采用具体的木质材料密度计算可燃物重量[1]。可燃物载量的计算公式如下:

3 结果分析

3.1 森林受害程度

研究区主要森林类型包括针叶林、阔叶林和针阔混交林(杉木擦木混交林),其中针叶林和针阔混交林为人工林,阔叶林为天然林。标准地基本概况见表1,其中标准地8、9和10受害较轻,4和6受害最重,1、3和7受害程度中等(标准地2和5林地已经进行了灾后清理,文中不再进行分析)。森林受害程度与树种、林龄、海拔、地形等因素有关。如标准地7杉木人工林林龄大、海拔低受害较轻,其他两个标准地受灾较重,大量树干折断。柳杉、杉木等针叶树树枝韧度低,受害相对严重,阔叶林比针叶林受害轻。

针叶林和针阔混交林树冠受损程度为5%～45%,平均树干折断高度为0.5m～2.2m(图1)。阔叶林树冠受损程度为3%～8%,平均树干折断高度为0.3m～0.7m。

表1 标准地概况Table 1 Summery of the plots

图1 各林分树冠树冠受害程度Fig.1 The canopy damages of the plots

3.2 各类可燃物变化

地表易燃可燃物(包括草本、落叶、半腐殖质和枯枝等)载量是影响森林火灾发生和发展的重要因子,因此,本文主要分析各林分在雪灾后易燃可燃物的变化。灾后调查结果表明落叶松林下可燃物最少(0.58kg/m2),天然阔叶林地表易燃可燃物载量最高(3.15kg/m2),其他针叶林地表可燃物载量在1.26kg/m2～1.66kg/m2(图2)。落叶松林下草本很少(0.09kg/m2),柳杉、杉木和针阔混交林下草本较多(0.47kg/m2～0.74kg/m2),天然落叶林草本载量较小(0.10kg/m2)。各林分落叶载量为0.12kg/m2～0.29kg/m2,但各林分半腐殖质层可燃物载量差别很大,天然阔叶林半腐殖质载量为1.03kg/m2～1.10kg/m2,其他林分的半腐殖质载量为0.16kg/m2～0.45kg/m2。地表径级可燃物载量差别明显,阔叶林载量高(1.38kg/m2～1.75kg/m2),其他林分为0.18kg/m2～0.55kg/m2,这与受灾程度密切相关。受害较轻的杉木林(样地8)地表径级可燃物载量为0.18kg/m2,但受害重的杉木林(样地 7)载量为0.45kg/m2。

图2 地表可燃物载量分布Fig.2 ground fuel loads of the plots

因雪灾引起的地表可燃物(含2m以下的空中可燃物)载量增加主要是较大径级(直径5.0cm)可燃物载量显著增加(图3)。如受害较重的柳杉林和杉木林灾后增加的5.0cm～6.99cm可燃物占所有增量的33%～52%,径级≥7.0cm的可燃物占可燃物增量的48%～100%。

3.3 可燃物空间分布变化

图3 因雪灾增加的径级可燃物载量Fig.3 Ice storm damage results in fuel increments

由于雪灾造成大量树枝和树干折断,造成大量树枝和树干折断,这些折断的树枝不但增加了地表可燃物载量,而且形成可燃物梯,改变火行为,使地表火更容易发展成为树冠火。受灾严重的林分郁闭度下降,特别是受害严重的针叶林树冠损失达45%(样地3和7),林下光照增加,林下湿度也比未受灾林分低,草本明显增加,有利于火灾的发生与发展。如受灾明显的杉木林(样地3和7)林下草本盖度比受害较轻的林分(样地8)高22%～24%,树冠折断平均高度超过2m,而这些林分的平均枝下高为2.2m～2.8m,这使得灾后易燃可燃物垂直连续分布,地表火蔓延为树冠火的概率显著增加。柳杉林和落叶松林的枝下高更低(1.3m～1.6m),而树干折断平均长度为分别为1.5m和1.8m,可燃物在垂直方向呈连续分布。

4 结论与讨论

雪灾影响了四川南部的主要森林的可燃物分布,人工针叶林受害比天然阔叶林重。受害程度与树种、林龄、海拔、地形等因素有关。受灾林分地表易燃可燃物载量增加,由于天然阔叶林倒木较多,地表易燃可燃物载量最高。因雪灾引起的地表可燃物载量增加主要是较大径级可燃物载量显著增加,特别是径级≥7.0cm的可燃物。

大量断枝和折断树干增加了可燃物分布的连续性,更容易发生树冠火。受灾严重的林分郁闭度下降,也会引起林下草本增加,有利于火灾的发生与发展。

木质可燃物载量的大量增加将有利于火灾的发生和火线强度的提高。火线强度超过1700kW/m就很难扑救[20]。加拿大魁北克省老龄硬木林在1998年冰雪灾害后地表木质可燃物载量增加19 t/ha[3]。川南受灾严重的森林地表木质可燃物载量增加达10.2t/ha,部分阔叶林地表木质可燃物载量达到17.5 t/ha,这将对火行为产生显著影响。灾害对森林生态系统的影响很大程度上取决于经营者对灾后可燃物的处理措施[21,22]。为了避免森林火灾的发生,部分受灾林分的地表可燃物需要得到清理。鉴于可燃物载量高,计划火烧强度难以控制,人工或机械清理是最适当的管理方式。

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Influences of ice storm on fuels in southern Sichuan

TIAN Xiao-rui,LIU Bin,SHU Li-fu,WANG Ming-yu,ZHAO Feng-jun

(Research Institute of Forest Ecology,Environment and Protection,Key Open Laboratory of Forest Protection,State Forestry Administration,CAF Beijing 100091,China)

Ice storms are important meteorological disturbance to affect forests,which can cause other secondary disturbances in ecosystems.Study of the impacts of snow disaster on forest fuel and development of fuel management techniques for post-disaster will be scientific bases for dealing with similar extreme weather events in the future.This paper conducts quantitative analysis to examine the influences of ice storm on various types of fuels,based on the wild investigations on the typical forests after the snowstorm in southern Sichuan.Basic characteristics of the forests fuel loads were measured in terms of forest type and damage rating.Linear intersect method was used to measure the ground fuel loads.The results show the correlation of forest damages with tree species stand age,altitude and terrain.It was indicated that the canopy of coniferous forest and mixed coniferous were damaged from 5%to 45%,and broadleaf forests 3%～8%.Ice storm mainly caused fuel loads increments with large diameters,especially the diameter≥7.0cm,which accounted for 48%～100%of the increments.Ice storm damage caused woody debris of nearly 1.75kg/m2in broad-leaved forests,and 0.18kg/m2～0.55kg/m2in other forests.The damage also changed the spatial distribution of fuels.A large number of snags and broken trunks increase the fuel loads in vertical direction,and benefit the transition from surface fire to crown fire.The canopy density decreased after the disaster and also led to an increase of herbs understory,which benefit fire occurrence and development.It is suggested to clear fuels by using manual or mechanical means.

Ice storms;Forest fuel;Fire environment

S762

A

1004-5309(2011)-0043-05

2010-10-28;修改日期:2010-12-21

国家科技支撑计划项目(2007BAC03A02)资助。

田晓瑞(1971-),男,中国林业科学研究院副研究员,研究方向为林火管理。