不同强度火干扰对兴安落叶松林可燃物载量的影响

武 超，罗夏琴，刘春延，娄 阳，石加成，韩博文，孙 龙

（东北林业大学林学院，哈尔滨 150040）

火因子是森林生态系统重要的干扰因子，对森林生态系统的结构和功能具有重要影响［1］，特别是森林特大火灾的频繁出现，与森林可燃物载量有着密切的关系［2］。可燃物载量的多少显著影响着森林火灾的强度及蔓延，森林可燃物作为林火预测预报的重要参数，对于预测分析火灾发生具有重要意义。然而我国目前尚未建成国家层面的火险等级预测预报系统，对森林可燃物相关方面的研究数据还很缺乏，尤其是不同等级森林火灾中实际消耗的森林可燃物量。因此，研究不同强度火干扰下不同森林类型可燃物载量消耗量，对构建我国火险区火干扰下的森林可燃物载量基础数据库及构建国家层面的森林火灾等级预测预报系统均具有十分重要的意义。

国外对森林可燃物载量的研究较早，Dubois［3］、Sprhak［4］和 Harnby［5］等通过野外实测，分别对某个林型可燃物载量进行了估测。Olson［6］推导出了计算细小可燃物的公式;Brown［7］对美国赤松和班克松林冠下可燃物载量进行了细致的研究;Rothermel和 FhiPot［8］首次提出了可燃物载量的动态模型，更真实地模拟出了森林可燃物载量的动态变化。1980年，William［9］等第一次将时间因子纳入到可燃物载量的模型构建中;1982年南非林学家Vanvilgen［10］建立了灌木总负荷量、灌木大枝负荷量随灌木直径变化的数学模型，并将典型林分因子加入到可燃物载量的模型中。2001年，Robert E.Keane［11］提出综合运用地理信息系统（GIS）、遥感技术（RS）和生态模型相结合的方式研究可燃物载量，并取得了较为理想的效果;澳大利亚Kate Brandis［12］提出利用遥感影像，结合火灾历史资料、GIS并运用植物分类法估算可燃物载量，可见“3S”技术的运用是可燃物载量估测研究的未来发展趋势。

国内对可燃物载量研究起步较晚，1984年肖功武［13］等对东北地区次生林经火干扰后细小可燃物分布格局进行了调查研究;1986年郑焕能和杜秀文［14］对大兴安岭地区森林可燃物类型进行了初步研究;1988年胡海清和郑焕能［15］开始对红松林几种可燃物类型进行定量综合分析，得出各类可燃物的分布格局;2001年高国平［16］等人将不同类型可燃物载量与典型林分因子和立地条件同时纳入到森林可燃物载量的研究中，取得较好的估测精度。2005年胡海清［17］按时滞将可燃物进行了分类，将大兴安岭林区不同林型的可燃物与林分因子进行回归分析，建立了可燃物载量模型，并取得了较好地拟合效果;1990年李云海［18］等研究了低强度火对人工林红松地表可燃物的影响，第一次将火烧强度纳入到研究范畴;2000年赵宪文［19］利用遥感影像资料，通过林分因子、植物干材重、叶重和凋落物重的关系建立了可燃物载量模型。虽然近年来，国内对可燃物的研究日益深入，但是关于火干扰后森林可燃物载量的变化方面的研究还很缺乏。

本论文通过对大兴安岭南瓮河自然保护区2006年火烧迹地进行调查，选择不同强度火干扰区，量化不同火强度干扰后兴安落叶松林可燃物载量动态变化，对于丰富大兴安岭地区森林可燃物载量基础数据以及进一步开展火干扰后森林生态系统碳排放估算具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究地区概况

研究区位于黑龙江省大兴安岭南瓮河森林生态定位研究站，该站位于大兴安岭林区东南部松岭区境内。地理坐标为 51°05′07″N ～51°39′24″N，125°07′55″E ～125°50′05″E。该区总面积为229523 hm2，全部为国有林地。海拔高度为500～800m，属低山丘陵地带，河谷宽阔，气候类型为寒温带大陆性季风气候，年平均气温为－3℃，极端最低温度为－48℃，年日照时数为2 500 h，无霜期90～100 d，植物生长期为110 d，年降雨量为500 mm。本地区地带性土壤为棕色针叶林土。该区属于寒温带针叶林区，典型植被类型为兴安落叶松，其他树种有白桦、樟子松、蒙古栎和山杨等。2006年4月大兴安岭地区松岭区砍都河798高地因雷击发生森林火灾，火场面积为12×104～15×104hm2，林地总过火面积超过5×104hm2，本研究区域位于本次火场范围内。

1.2 研究方法

1.2.1 外业调查

采用机械布点法，分别在对照样地、轻度火烧迹地、中度火烧迹地和重度火烧迹地各设置3块20m×20m的标准样地，共12块样地。记录每株乔木的树高、胸径，并记录各样地的郁闭度、坡度和坡位等立地因子。同时在标准样地内按对角线法设置5个1m×1m的小样方，收割样方内所有灌木，称量，取样标记后带回实验室进行内业测定及分析。地表可燃物种类按时滞等级划分为:1 h、10 h、100 h，灌木（在各样地内分别设置3块20m×20m的临时样地应用称重法进行调查采样）。

1.2.2 内业分析

（1）地表及灌木层可燃物载量分析

将样品带回到室内后及时放入烘箱，在105℃下连续烘干24 h至恒重（间隔6 h两次称量所得的含水率差小于0.1%即视为恒重），用精度0.01g的电子天平称重，计算出每个样方内不同种类可燃物含水率:可燃物含水率=（鲜重－干重）/干重×100%。根据小样方内可燃物含水率及外业记录的可燃物鲜重推算出每块样地1 h、10 h、100 h时滞可燃物及灌木可燃物载量（t/hm2）。进而分别求出兴安落叶松林受到轻度、中度、重度火干扰后及未过火林地地表和灌木可燃物载量及相应的标准差。

（2）乔木层可燃物载量

通过内业数据处理分析得到兴安落叶松林的平均胸径和平均高。利用适用于该区兴安落叶松林的异速生长方程（W=a（D2H）b）［20］得到兴安落叶松林乔木层可燃物载量。

国外对于火强度的界定主要依赖火线强度、火焰高度、火蔓延速度和可燃物载量等指标;国内对于火强度的确定则主要来自对火烧迹地的实际调查［21］。通过对不同火烧强度火烧迹地调查得出:重度火烧区林木88.04%被烧死，林下灌木全部烧毁，枯枝落叶层和半腐层全被烧掉，树干熏黑高度平均5.86 m，树皮仅剩原来的10% ～17%，平均值为13.5%;中度火烧区林木64.60%被烧死，灌木大部分被烧毁，枯枝落叶层和半腐层被烧毁，半腐层以下颜色不变，树干熏黑高度平均2.32 m，树皮为原来的46% ～51%，平均值为48.5%，树枝还剩原来的37% ～42%，平均值为39.5%;轻度火烧区林木39.91% 被烧死，林下灌木大部分被烧毁，树干熏黑高度平均1.45 m，树皮为原来的85% ～94%，平均值为 89.5%，树枝为原来的75% ～82%，平均值为 78.5%，树叶为原来的43%～49%，平均值为46%。乔木层可燃物载量为树干α、树皮β、树枝γ、树叶μ等载量之和，各部分的可燃物载量均可通过对应的异速生长方程（W=a（D2H）b，式中:W为可燃物载量;D为胸径;H为树高;a，b为常数）求得。方程中 α、β、γ、μ的系数以上述各平均值确定，计算公式为:

式中:y01为对照样地乔木层可燃物载量;y02为轻度火烧迹地乔木层可燃物载量;y03为中度火烧迹地乔木层可燃物载量;y04为重度火烧迹地乔木层可燃物载量;α为树干载量;β为树皮载量;γ为树枝载量;μ为树叶载量。

1.2.3 林地总可燃物载量的确定

总可燃物载量包括地表可燃物载量（1 h、10 h和100 h时滞可燃物）、灌木层可燃物载量和乔木层可燃物载量，其计算公式为:

式中:Y为总可燃物载量;y1为1 h时滞可燃物载量;y2为10 h时滞可燃物载量;y3为100 h时滞可燃物载量;y4为灌木层可燃物载量;y0为乔木层可燃物载量。

1.2.4 不同强度火干扰下可燃物载量的消耗量的确定

不同强度火干扰对兴安落叶松林地可燃物载量的消耗量不同，将对照样地总可燃物载量与不同强度火烧干扰后林地总可燃物载量分别作差，即可得到不同强度火干扰对兴安落叶松林可燃物载量的消耗量，其计算公式为:

式中:ΔY1为轻度火干扰可燃物消耗量;ΔY2为中度火干扰可燃物消耗量;ΔY3为重度火干扰可燃物消耗量

2 结果与分析

林地可燃物载量是乔木层、灌木层、地表（按时滞划分为1 h、10 h和100 h时滞可燃物）可燃物载量的总和。测定结果如图1所示，从图1可以看出，兴安落叶松林总可燃物载量由大到小的顺序为对照样地，轻度火烧迹地，中度火烧迹地和重度火烧迹地。其中，总可燃物载量最大的是对照样地兴安落叶松林，为73.15 t/hm2，是重度火烧迹地的2.19倍。对照样地乔木层可燃物载量最大，为68.63 t/hm2，占样地总可燃物载量的93.8%;对照样地内灌木可燃物载量最少，为8.63 t/hm2，可能是由于兴安落叶松林郁闭度大，林内光照少，不利于阳性灌木生长;10 h时滞可燃物载量占对照样地地表总可燃物载量的47.5%，这是由于林内凋落物中多以中等大小的树枝为主，且林内半分解层较厚;而对照样地内1 h和100 h时滞可燃物载量分布相对比较均匀。在相同火干扰强度下，不同种类可燃物载量大小不同，乔木层可燃物载量最大，100 h时滞可燃物载量最小。

图1 大兴安岭兴安落叶松林可燃物载量Fig.1 The fuel load of L.gmelinii in Daxing'anling

根据森林可燃物载量的外业调查及测定结果，不同强度火干扰对林地可燃物载量的消耗量见表1。从表1可以看出，不同强度火干扰对林地可燃物载量的消耗量不同。重度火干扰后林地可燃物载量消耗量最大，为39.99 t/hm2，与未过火林地相比减少了54.67%，轻度火干扰后林地可燃物载量消耗量最小为18.26 t/hm2，与未过火林地相比减少了24.96%。中度火干扰后林地可燃物载量消耗量为 28.29 t/hm2，与未过火林地相比减少了38.67%。因此，火强度越大，森林总可燃物载量消耗量越大。

重度火烧迹地1 h时滞可燃物、灌木层和乔木层可燃 物分 别 消 耗 了 46.89%、51.00% 和58.30%，而10 h和100 h时滞可燃物经过重度火干扰后分别增加了8.62%和105.32%。其原因是重度火干扰对林内可燃物的消耗很大。火干扰后林内大量地表可燃物烧毁使1 h、10 h和100 h时滞可燃物减少，但火后形成的特殊的迹地小气候使火烧迹地光照增加，风速增大，烧死木含水率进一步下降，烧死木在火后环境条件的作用下易落下枯枝，使林内10 h和100 h时滞可燃物载量增加;乔木在重度火干扰后被大量烧死使其可燃物载量大量减少;而灌木虽在火后有所减少，但减少量却不及轻度和中度火烧迹地，这是由于兴安落叶松林在受到高强度火干扰后6 a已有一定程度的恢复更新，弥补了火后灌木层可燃物载量的消耗。

中度火烧迹地1 h、10 h时滞可燃物、灌木层和乔木层可燃物分别消耗了 22.42%、2.30%、79.98%和41.15%，而100 h时滞可燃物经过中度火干扰后增加了39.36%。其原因是中度火干扰将林内积累的大量枯枝落叶和部分乔木烧毁，使1 h、10 h时滞可燃物和乔木层可燃物载量减少，但减少的程度没有重度火烧迹地相应的可燃物减少的多;中度火烧迹地内10 h时滞可燃物载量增加是由于林内环境条件的改变使光照增加，风速增大，烧死木在火后环境条件的作用下易落下枯枝，使林内10 h时滞可燃物增加;灌木层可燃物较轻、重度火烧迹地消耗最多，这是由于中度火干扰使林内灌木大量烧死，而6 a后林内灌木的火后更新的速度比较慢，灌木层可燃物载量没能及时恢复。

轻度火烧迹地1 h时滞可燃物、灌木层和乔木层可燃物载量分别消耗了 33.64%、67.23%和26.58%，10 h和100 h时滞可燃物载量分别增加了8.04%和59.57%。原因是轻度火干扰对林内可燃物载量消耗量较小，只有39.91%兴安落叶松被烧死，乔木层可燃物载量减少;对灌木层可燃物载量的消耗量小于中度火烧迹地且灌木火后更新速度小于重度火烧迹地;10 h和100 h时滞可燃物载量的增加是由于火后形成的迹地小气候使火烧迹地光照增加，风速增大，烧死木含水率下降，烧死木在火后环境条件的作用下易落下枯枝，使林内10 h和100 h时滞可燃物载量增加;林地内的枯枝落叶含水率低，极易燃，即使是受到轻度火干扰也会大量燃烧，1 h时滞可燃物载量减少。

另外由于本样地选择的兴安落叶松林为火后6 a的火烧迹地，时间相对较长，尤其林下灌木层、地表可燃物存在一定程度的恢复，且在不同强度火烧迹地中表现不一致，会对可燃物载量造成一定的影响;火烧迹地中动物和人类的活动同样会造成火后实际可燃物载量的变化，这在本研究中尚未给予考虑。

表1 大兴安岭兴安落叶松林不同组分可燃物消耗量（平均值±标准差）Tab.1 Different types of fuel consumption of L.gmelinii in Daxing'anling（Mean ±SD）单位:t/hm2

3 结论与讨论

不同强度火干扰后6 a大兴安岭兴安落叶松林可燃物载量发生了明显变化。兴安落叶松林受到不同强度火干扰后林地总可燃物载量显著减少且可燃物载量的消耗量与火强度呈正相关关系。轻度和中度火干扰对林内灌木层可燃物载量影响最大，分别减少了原来的67.23%和79.98%。重度火干扰对林内100 h时滞可燃物影响最大，增加到原来的1.05 倍。

6 a后对兴安落叶松林火烧迹地的调查对研究结果有一定的影响。火后短期内重度火烧区林木88.04%被烧死，林下灌木全部烧毁，枯枝落叶层和半腐层全被烧掉;中度火烧区林木64.60%被烧死，灌木大部分被烧毁，枯枝落叶层和半腐层被烧毁;轻度火烧区林木39.91% 被烧死，灌木大部分被烧毁。但6 a后的火烧迹地已经在一定程度上恢复，尤其是地表和灌木层可燃物。重度火烧迹地6 a后乔木层可燃物载量为28.61 t/hm2，6 a后恢复了30.04%（含林地烧死木）;灌木层可燃物载量6 a后恢复了49%;地表可燃物载量6 a后较火后当时增加了67%;中度火烧迹地6 a后乔木层可燃物载量为40.39 t/hm2，6 a后恢复了 23.60%（含林地烧死木）;灌木层可燃物载量6 a后恢复了20%;地表可燃物载量6 a后较火后当时增加了15%;轻度火烧迹地6 a后乔木层可燃物载量为50.38 t/hm2，6 a后恢复了12.91%（含林地烧死木）;灌木层可燃物载量6 a后恢复了33%;地表可燃物载量6 a后较火后当时增加了106%。灌木层火后大量减少，且火强度越大，减少越多，但由于不同强度火干扰后上层林木损失比例不同，林下透光程度不一样，重度火烧迹地几乎暴露在全光条件下，因此阳性灌木及时更新，中度火烧迹地次之，轻度火烧迹地受干扰程度最低林下灌草更新恢复最慢，一定程度上影响了灌木层火后的消耗量;地表可燃物主要由地表枯枝落叶组成，6 a后火烧迹地地表可燃物（1 h、10 h和100 h时滞可燃物）载量的变化与迹地环境条件和动物、人为因素密切相关，火烧迹地形成的特殊的迹地小气候使林下光照增加，风速增大，烧死木含水率进一步下降，烧死木在火后环境条件的作用下易落下枯枝等凋落物对迹地地表可燃物载量造成不同程度的影响;乔木层可燃物载量的影响则主要来自乔木的火后更新，但6 a内影响效果不大，并未对实验结果有明显的影响。

研究不同强度火干扰下不同森林类型可燃物载量消耗量，对构建我国火险区火干扰下的森林可燃物载量基础数据库及构建国家层面的森林火灾等级预测预报系统均具有十分重要的意义。在开展森林火灾碳排放估算中最难的问题在于火后可燃物的消耗量估算，因该部分的估测不确定性导致了火灾森林碳排放数据的不准确，因此本研究对我国北方森林生态系统进一步开展火干扰下的碳排放估算提供了数据基础。而且开展火后可燃物载量持续动态监测对进一步研究火后生态系统恢复以及科学对待火干扰对森林生态系统的影响意义重大。

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