火干扰后的油松林地表死可燃物负荷及影响因子

田 野, 牛树奎, 陈 锋, 王 婕, 曹 萌

(北京林业大学林学院，北京 100083)

林火作为一个生态干扰因子[1-2]，一方面会破坏森林的生态平衡，对森林健康产生负面影响；另一方面，适度的林火在维持森林的生态平衡和物种多样性方面具有积极作用[3-7].森林可燃物是林火发生的物质基础，地表死可燃物负荷量与林火发生频率和林火强度有密切关系[8]，有效减少地表可燃物负荷量是防止森林火灾的重要举措之一[9].因此，地表死可燃物负荷量已成为林火生态学的重点研究内容之一[10-12].影响地表死可燃物负荷量的因子很多，如群落类型、地形差异、自然和人为干扰等因素，这些因子的影响程度不同，因子之间的关系也很复杂[13-14].

近年来，关于地表死可燃物负荷量的研究逐渐增多.吴志伟等[15]利用DCCA排序法对丰林保护区的死可燃物负荷量与环境因子的关系进行了研究.周涧青等[16]对大兴安岭南部林区地表可燃物负荷量的影响因子进行了研究.武超等[17]探讨了火干扰对落叶松林地表死可燃物负荷量的影响.还有一些学者通过地表负荷量与森林环境因子(坡度、坡向、海拔等)建立的模型，预测森林可燃物载量.李明泽等[18]通过遥感信息结合样地数据建立地面可燃物载量估测模型.姜宏志[19]建立枫桦红松林地被死可燃物载量与林分因子(树高、胸径、郁闭度等)以及环境因子(坡度、坡向、坡位等)的回归模型，结果表明郁闭度、坡位和平均胸径可以很好估算枫桦红松林地被死可燃物负荷量.目前有关火烧强度与火后油松林地表死可燃物负荷量综合影响的研究鲜有报道.

为了深入研究不同火干扰强度后油松林地表死可燃物负荷量的变化以及地形、林分等因子对地表死可燃物负荷量的影响，本研究以冀北辽河源的油松林(Pinustabulaeformis)火烧迹地为对象，选择不同火烧强度的油松林地，分析了不同强度火干扰后油松地表死可燃物负荷量的动态变化，同时对油松林地表死可燃物负荷量及其影响因素进行探讨，为制定科学的可燃物管理制度和森林火灾损失评估标准提供依据.

1 研究区概况

研究区位于河北省平泉县境内的辽河源森林公园(118°22′—118°37′E,41°01′—41°21′N).东邻辽宁，北接内蒙，是冀、蒙、辽三省交界的辽河源头，也是京津冀地区重要的绿色生态屏障.该地属温带大陆性季风型山地气候，年平均气温7.3 ℃，年均降水量540 mm，年均蒸发量1 800 mm,全年无霜期约110～125 d.代表性土壤类型主要有褐土和棕土.森林植被主要是油松天然次生林，其主要伴生种为山杨(Populusdavidiana)、蒙古栎(Quercusmongolica)、白桦(Betulaplatyphylla)等.林下植被主要有毛榛(Corylusmandshurica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、土庄绣线菊(Spiraeapubescens)、照山白(Rhododendronmieranthum)、小红菊(Dendranthemachanetii)、鸡腿堇菜(Violaacuminata)、玉竹(Polygonatumodoratum)、石竹(Dianthuschinensis)等.

2 研究方法

2.1 火干扰强度划分

火烧迹地的死亡树木并非全是直接被火烧死，有些树冠层还残留枯枝枯叶的死亡树木是由于火烧导致林木缺失水分和营养成分而枯死；有些样地内树木全部死亡，且树冠层没有任何枯叶，说明林火直接蔓延到树冠，树木直接被烧死[20].实地观测发现：当熏黑高度低于树高2/3时，仅有地表火痕迹，并未烧及树冠；而熏黑高度超过2/3时，树木全部死亡.以树木熏黑高度、死亡状况和烧死木株数占比为依据，对火烧强度进行以下划分[21-24]：熏黑高度低于树高的1/3，烧死木株数占比小于等于30%，且树冠有绿叶的样地为轻度火烧迹地；熏黑高度为树高的1/3～2/3，烧死木株数占比为30%～69%，且树冠顶层有少部分绿叶的样地为中度火烧迹地；熏黑高度超过树高的2/3，且烧死木株数占比大于等于70%的样地为重度火烧迹地.

2.2 样方设置

图1 样地照片Fig.1 Photo of sampling plots

2016年7—8月对河北平泉大窝铺林场的火后第2年油松林火烧迹地进行调查，图1为火后林地照片.选取具有一定代表性且生境条件基本一致的过火林地和未过火林地，设置不同火烧强度、林分因子的火烧样地和未火烧(对照)样地共24块，每块样地大小为20 m×20 m，记录每块样地的海拔、坡度、坡向、坡位、树木熏黑高度和烧伤等级等因子，研究火烧强度对地表死可燃物负荷量的影响.在每块样地采用定点打桩的方法划分出16个5 m×5 m的小样方，24块样地中共计384个小样方.样地概况如表1所示.

2.3 地表死可燃物调查

地表死可燃物采用全部称重法调查，按照可燃物标准划分1 h时滞可燃物(直径<0.64 cm的小枝，包括上、下层枯叶可燃物)、10 h时滞可燃物的枝干(0.64 cm<直径≤2.60 cm)、100 h时滞可燃物的粗枝(2.60 cm<直径≤7.60 cm)，并进行采集[25].每块样地两条对角线以及中央设置5块1 m×1 m小样方和5块5 m×5 m小样方，在1 m×1 m小样方中采集1h时滞可燃物，在5 m×5 m小样方采集10 h时滞可燃物和100 h时滞可燃物.在野外对各个规格可燃物样品称湿重并带回实验室，在105 ℃下烘至绝干，记录其干重.

表1 样地概况Table 1 General situation of sampling plots

2.4 指标计算

式中，R为相对含水率，WH为可燃物湿重，WD为可燃物干重，MH为信封湿重；MD为信封干重.

式中，F为地表死可燃物负荷量；i为可燃物类别，表示1 h时滞可燃物、10 h时滞可燃物、100 h时滞可燃物、上层枯叶可燃物和下层枯叶可燃物；W为可燃物湿重，R为可燃物相对含水率.

2.5 数据处理

采用方差分析和多重比较对不同火干扰强度下油松林地表可燃物负荷量的差异性进行分析；运用冗余分析(RDA)对地表死可燃物负荷量和环境因子的关系进行研究[26-27].植被数据采用24块样地的地表死可燃物负荷量，环境因子包括烧死木百分比、坡度、坡位、坡向、胸径、树高、熏黑高和树高百分比.坡位和坡向需要进行数字转换.坡位转换规则：1表示上坡，2表示中坡，3表示下坡，数字越小坡位越小.坡向转换规则：1表示东北坡，2表示东坡，3表示东南坡，4表示南坡，5表示西南坡，6表示西坡，7表示西北坡，8表示北坡.采用SPSS 21.0分析地表死可燃物负荷量的差异性和各环境因子与RDA排序轴的相关性.

3 结果与分析

3.1 火烧迹地火烧强度等级的划分

通过计算火烧样地的熏黑高度与树高的比值和烧死木株数占比，对24块火烧样地进行火烧强度的划分，得出重度火烧样地6块，中度火烧样地6块，轻度火烧样地6块.由表2可知，6块重度火烧样地的熏黑高度与树高的比值为0.73～1.00，烧死木株数占全部株数的百分比在71.52%以上；6块中度火烧样地的熏黑高度与树高的比值为0.36～0.52，烧死木百分比为39.72%～61.35%；6块轻度火烧样地的熏黑高度与树高的比值低于0.21，烧死木百分比不超过20.04%(表2).

表2 火烧样地火强度等级的划分Table 2 The division of fire intensity

3.2 火干扰对地表死可燃物负荷量的影响

由表3可知，火干扰后油松林的地表死可燃物负荷量减小，与火烧强度呈正比.重度火烧样地、中度火烧样地和轻度火烧样地的地表死可燃物负荷量分别为(5 595.66±540.88) kg·hm-2、(6 903.02±639.41) kg·hm-2和(8 458.35±349.96) kg·hm-2，分别较未火烧样地(12 127.48±322.13) kg·hm-2减少了6 531.28、5 224.46和3 669.13 kg·hm-2.

表3 不同火烧强度下的地表死可燃物负荷量(平均值±标准差)1)Table 3 Surface dead fuel load under different fire intensities (mean±standard deviation) kg·hm-2

1)不同小写字母表示不同强度火烧样地同类型可燃物负荷量的差异(P<0.05).

方差分析表明，火干扰对不同程度火烧样地地表死可燃物负荷量的影响不同.1 h轻度、中度和重度火烧样地的时滞可燃物负荷量分别比未火烧样地减少29.27%、42.58%和54.12%；未火烧样地与火烧样地中，中度和重度火烧的时滞可燃物负荷量存在显著差异(P<0.05)，与轻度火烧差异不明显；火烧样地中，轻度火烧的时滞可燃物负荷量与中度火烧、重度火烧存在显著差异(P<0.05)；10 h时滞地表可燃物类型中，重度、中度和轻度火烧样地的时滞可燃物负荷量较未火烧样地分别减少了54.48%、40.67%和41.39%，中度火烧样地的时滞可燃物负荷量较轻度火烧样地增加了9.02 kg·hm-2.这可能是因为中度、重度火烧后没有枝叶遮挡，导致林内光照增强，风速增大，主干残留枯枝落叶易脱落，使得10 h时滞可燃物负荷量增加.未火烧样地与火烧样地的时滞可燃物负荷量均存在显著差异(P<0.05)，而火烧样地不存在显著差异.100 h时滞地表可燃物类型中，中度和轻度火烧的时滞可燃物负荷量分别减少了48.99%和26.74%，与未火烧样地差异显著(P<0.05)；重度火烧后时滞可燃物负荷量减少了88.79%，与未火烧样地差异极显著(P<0.01).总负荷量中，未火烧样地与火烧样地中的中度、重度火烧的时滞可燃物负荷量之间存在显著差异，与轻度火烧不存在显著差异.

3.3 地表死可燃物负荷量与地形、林分因子的关系

在分析地表可燃物与地形、林分因子之间的关系之前，需通过DCA排序分析确定统计方法[25].当DCA分析得出的第1排序轴小于3.0，则采用冗余分析(RDA)；若第1排序轴大于4.0，则采用典范对应分析(CCA)；当第1排序轴为3.0～4.0，则两种方法都可以选用.本研究通过DCA排序轴分析得出的第1排序轴的职位为0.266(小于3.000)，表明采用RDA效果好.

RDA分析结果(表4)表明，排序轴1解释了地表死可燃物负荷量与立地、林分因子的关系为45.5%，两者的相关系数为0.829；排序轴2解释了地表死可燃物负荷量与立地、林分因子的关系为8.1%，两者相关系数为0.579；排序轴1和排序轴2累计解释了53.6%的地表死可燃物负荷量与立地、林分等因子的关系，对负荷量与地形、林分等因子关系的累计贡献率达95.4%.前2个轴包含了较全面的可燃物负荷量特征信息，同时P=0.02<0.05，表明RDA排序结果良好，可以较好反映地表可燃物负荷量与地形、林分等因子之间的关系.

表4 RDA结果Table 4 Results of redundancy analysis

图2是地表枯死可燃物负荷量与地形、林分等因子的RDA排序图.数字1～24表示样地编号，箭头表示影响地表死可燃物负荷量的相关因子，箭头与原点连线的长度代表地形、林分等因子对地表死可燃物负荷量的解释量大小.林分、地形因子变量的箭头方向与负荷量之间的余弦值代表它们之间的相关性，余弦值为正值表示正相关关系，反之为负相关关系[19].由图2可知，林分因子中，胸径、熏黑高与树高的比值以及烧死木百分比均表现出对地表负荷量变化较高的解释量；地形因子中，坡向对地表负荷量大小的解释量比其他地形因子高.所有因子中，胸径线段长度最长，所以胸径表现了对地表负荷量较高的解释量，与负荷量呈正相关；其次是熏黑高与树高的比值以及烧死木百分比，与地表负荷量呈负相关.地形因子中坡向、坡位与地表负荷量呈正相关，坡度对地表负荷量的影响较小(表5).

BWP:烧死木百分比.CD：郁闭度.DHC：平均胸径.MH：平均树高.BHR：熏黑高与树高的比值.SL：坡度.AS：坡向.SP：坡位.1～6为重度火烧样地，7～12为中度火烧样地，13～18为轻度火烧样地，19～24为未火烧样地.图2 地表死可燃物负荷量的RDA排序图Fig.2 RDA sort graph of surface dead fuel load

影响因子轴1轴2影响因子轴1轴2平均胸径(DBH)0.697 30.172 9熏黑高与树高的比值(BHR)-0.524 50.277 0平均树高(MH)0.453 2-0.013 6坡度(SL)-0.052 20.145 4郁闭度(CD)0.419 4-0.148 5坡向(AS)0.441 80.071 4烧死木百分比(BWP)-0.494 60.189 5坡位(SP)0.252 80.259 2

4 小结与讨论

本研究结果表明：(1)不同强度火干扰对油松林地表死可燃物负荷量影响显著，油松林地表死可燃物负荷量大小顺序为未火烧样地>轻度火烧样地>中度火烧样地>重度火烧样地.火烧样地和未火烧样地之间差异显著(P<0.05)，1 h时滞(轻度火烧除外)、10 h时滞、100 h时滞可燃物负荷量随着火烧强度的增强显著减小；不同火烧样地中1 h时滞的负荷量之间存在显著差异(P<0.05)，而10 h时滞和100 h时滞不同火烧程度的负荷量之间无显著差异；

(2)通过RDA冗余分析解释了地形、林分等因子与地表死可燃物负荷量之间的关系，林分因子中胸径表现了对地表负荷量较高的解释量，与负荷量呈较显著正相关；其次是熏黑高与树高的比值以及烧死木百分比，两者与地表负荷量呈较显著的负相关.地形因子中坡向、坡位因子与地表负荷量呈正相关，而坡度对地表负荷量的影响较小.火干扰对辽河源油松林地表死可燃物负荷量有明显的影响，火烧样地的地表死可燃物负荷量较未火烧样地显著减少，且重度火烧样地的减少程度大于中度和轻度火烧样地.而针对不同时滞地表死可燃物，火干扰的影响程度不同，1 h时滞可燃物负荷量在火烧后减少，除了轻度火烧，重度和中度火烧样地与未火烧样地差异显著减小(P<0.05)；10、100 h时滞可燃物在火烧后均显著减小(P<0.05).在火烧后，地表死可燃物分配格局也会发生变化，1 h时滞、100 h时滞可燃物负荷量比重随火烧强度的增强而减少，10 h时滞可燃物负荷量未表现出明显的变化趋势.这是因为林火会直接烧毁地表未分解的枯落物，从而导致地表死可燃物负荷量减少，且火烧也会烧掉部分草本、灌木和乔木，导致地表死可燃物的来源减少；同时，火烧改变了林分环境，使得地表辐射增强，地表死可燃物的分解速度加快，也会导致地表死可燃物量减少.由于调查时间是在火灾后第2年，轻度和中度火烧部分树木没有直接死亡，轻度火烧只烧掉了林下枯落物，对林木造成的影响小；中度火烧烧掉树木部分枝条，还留有部分枝叶.后期树木死亡，主干上枝叶脱落，导致林下负荷量增加，这可能是中度火烧未表现出明显变化的原因.本研究结论与现有的火烧减少地表死可燃物负荷量的结论[29-30]一致.而与武超等[16]研究得出的10 h时滞、100 h时滞的可燃物负荷量在火烧后会增加的结论不同，主要原因可能是由于火后调查时间不同，本试验是在火后第2年对火烧迹地进行调查，武超等是在火后第6年进行调查.

从RDA排序图中可知，胸径线段长度最长，说明胸径是地表负荷量的主要林分因子，这是因为乔木随着胸径增大，自然整植过程产生的大量枯枝在林下积累，导致林下可燃物负荷量增多[15]，烧死木百分比、熏黑高与树高的比值与地表死可燃物呈显著负相关，表明不同火强度对地表死可燃物负荷量有明显的影响.坡度与地表负荷量之间相关性小，可能是由于林区整体地势较为平坦，调查样地之间坡度差异性小，因此不存在显著相关性.

由于冀北辽河源林区属于低山山区，海拔变化不大，而此次林火发生也相对集中，海拔差异性小，因此未将海拔因子考虑进去.同时，本研究只分析了各地形因子以及林分因子对地表死可燃物负荷量的影响，而忽视了环境因子之间的相互作用以及其他因素，例如土壤、气象等因子共同作用.