栖霞山老龄枫香林凋落物载荷量及潜在燃烧性分析

王健宇，邵加云，李星亮，张思玉，闫德民

（1.南京森林警察学院 森林消防学院/火烧迹地植被恢复与管理重点实验室，江苏 南京 210023；2.安徽省马鞍山市和县国有鸡笼山林场，安徽 和县 238200）

森林火灾，特别是近年来重大森林火灾的频繁出现，与森林地表凋落物载荷量积累有密切的关系。凋落物作为地表可燃物的重要组分，其载荷量具有空间分布的复杂性和随时间变化的特点[1，2]。地表凋落物相比于植物活体组分更容易燃烧，由于凋落物类型、载荷量、含水率、热值、灰分含量及堆积紧实程度等方面的差异，导致林火发生概率及火行为不同。天然林保护工程实施以来，重要林区地表凋落物载荷量呈逐年增长的趋势，成为诱发森林火灾的主导因素。地表凋落物载荷量是决定地表可燃物潜在能量的重要指标，潜在能量则是指森林可燃物在理想状态下充分燃烧所释放出的能量。地表凋落物潜在能量主要受到凋落物类型、载量、热值及含水率的影响[3]。目前针对潜在能量研究主要有黑龙江大兴安岭森林地表草本植物、长白山森林主要地表植物细根、云南地盘松地表凋落物潜在能量等相关研究案例[4-6]。

枫香（Liquidambar formosana Hance.）属金缕梅科枫香亚科枫香属，是优良的造林绿化树种，具有较好的生态效益和社会效益，其存在价值和经济价值相对较高，在生产和科研上备受重视。枫香植株根系较深，维护地力作用较明显，是人工林树种结构调整的首选树种之一[7]。枫香是落叶乔木，秋季会产生大量的凋落物。由于长期人类活动的干扰，我国枫香林几乎被砍伐殆尽。南京市及周边有紫金山、栖霞山、滁州等地古寺庙周边有残存成片老龄枫香林。老龄林地表可燃物积累数量较大，具有一定诱发森林火灾的风险，以枫香林为例研究老龄林地表凋落物载量和燃烧特性对于老龄林保护具有现实意义[8]。

1 研究区概况

栖霞山位于江苏省南京市栖霞区，东经118°14′～118°22′、北纬32°09′～32°10′，最高海拔286 m，面积825.40 hm2。山体结构主要由石灰岩、砂岩等组成，土壤以黄棕壤为主。栖霞山属于亚热带季风气候，四季分明，日照充足，雨量充沛，年平均降水量1000 mm，集中在夏季，冬季干燥少雨，年平均日照1628.8 h，平均气温15.3 ℃，无霜期322 d。该区域属于北亚热带向暖温带过渡区，林区植物以落叶阔叶林为主，植被覆盖率达90%以上。枫香林自20 世纪30年代以来一直是该区域相对稳定的森林类型，是栖霞山森林群落中的优势树种，目前保留有多处成片的老龄枫香林；其他典型植被有栓皮栎、糯米椴等。栖霞山植被类型丰富，野生维管植物有500余种[9]。

2 研究方法

2.1 样地设置

实验样地选择在桃花湖东侧的老龄枫香林内，林分郁闭度为0.95，枫香平均胸径（DBH）为40～60 cm，通过生长锥钻取树芯测定林龄均在60年以上。2017年11月，对该区域老龄林进行踏查，选取不同坡向、林分密度和胸径较为一致的枫香林。分别设置3个10 m×10 m样方，并在每个样方内沿对角线设置1 m×1 m 的小样方3 块用于凋落物的取样。在样地内对枫香进行株数查定和每木检尺，同时测定样地海拔、坡向、坡度等地形因子。

2.2 凋落物分层取样

地表凋落物采集利用自上而下分层取样方法，将样地内凋落物分为上、中、下3 层。上层为枯枝条（直径≥1 cm），中层为较完整的落叶及细枝条（直径＜1 cm），下层为破碎叶和腐烂细小枝条等。采集后用便携式电子秤称取鲜重后装入封口袋内备用。同时对样方相邻外侧挖取可燃物剖面进行分层厚度测定并记录。

2.3 可燃物载荷量及燃烧参数测定

将采集样品用电子天平称量鲜重后放入电热恒温鼓风干燥箱，温度80℃烘干至恒重，称量绝干质量，计算不同层次样品的绝对含水率（%）。利用样方不同层次可燃物鲜重质量和绝干含水率估算地表凋落物总的载荷量（kg/m2）。将所有烘干样品取出一部分运用粉碎机粉碎过筛装袋备用。利用ZDHW-8全自动量热仪对粉碎后的凋落物样品进行热值测定，热值单位取kJ·kg-1，每个样品测定3次取均值。地表凋落物潜在能量用单位面积热量来表征，即单位面积可燃物在绝干状态下完全燃烧所释放出的热量，也就是用可燃物绝干载荷量与其热值的乘积作为指标来评估地表凋落物的潜在燃烧性。

2.4 数据分析处理

用Excel 2000对数据进行分析处理并作图。

3 结果与分析

3.1 枫香林凋落物特征

栖霞山桃花湖东侧老龄枫香林连续成片分布，林下灌木有鸡爪槭、山胡椒、枸骨等，草本有毛蕨、天葵、沿阶草、络石、山麦冬等。凋落物厚度平均为6.8±3.5 cm，中层为当年掉落枫香落叶和细枝，厚度为4.5±2.6 cm，下层为往年落叶和细枝条厚度为2.3±1.8 cm。老龄枫香林地较为偏僻，植被保存较为完好，受到人为干扰较少。

3.2 凋落物含水率

凋落物含水率是森林火险等级划分、林火预报的重要指标，也是评价森林火灾发生危险程度的关键指标。测试结果表明，老龄枫香林地表凋落物含水率由上往下逐渐增加（图1）。凋落物上层位于地表，与空气直接接触的面积大，受空气流动产生的汽化作用明显；凋落物下层相对含水率较大是由于和地下水交换的结果，加上上层阻碍，阻挡了与外界的水汽交换。相同层次阴坡凋落物含水率均高于阳坡，阴坡的上层、中层和下层含水率分别比阳坡高出32.8%、31.8%和27.8%（图1）。这一结果是由于阳坡温度较高、相对湿度较小，凋落物水分蒸发作用明显。结合李胤德等2015 的研究结果，森林可燃物含水率与森林火险的关系可分出5个类型[10]，本研究中取样时段老龄林枫香林中凋落物除上层枝条含水率低于20%外，中层和下层的相对含水率均大于20%，应处于难燃和几乎不燃的状态。

图1 不同层次地表凋落物含水率

3.3 凋落物的载量

可燃物载荷量指单位面积上可燃物绝干质量，是预测一个地区火灾危险性的重要参数。老龄枫香林阳坡地表凋落物平均高出阴坡24.4%，不同层次载荷量相比较，中层＞下层＞上层，阳坡凋落物载荷量分别为0.681 kg·m-2、0.357 kg·m-2和0.218 kg·m-2，阴坡分别为0.520 kg·m-2、0.243 kg·m-2和0.186 kg·m-2。下层凋落物载荷低是因为土壤微生物对叶片和细枝的分解作用。一般认为地表凋落物载荷量低于0.25 kg·m-2时，即使被点燃也不易维持火的蔓延。栖霞山老龄枫香林凋落物载荷高于此值，具有一定的火灾风险。凋落物载量大小决定着森林火灾发生的火强度和持续时间，基于凋落物载荷研究对预防森林火灾和科学管理森林地表凋落物具有重要意义[11,12]。

3.4 地表凋落物热值

热值是指植物干物质完全燃烧后释放的能量值。植物热值由于植物种类、植物器官、群落类型及层次、林龄等因素不同而存在一定差异，导致火灾发生时蔓延速度及火强度不同。老龄枫香林相同层次阳坡和阴坡凋落物热值差异不明显，不同层次之间热值比较见图2。本研究中老龄枫香林地表凋落物热值均值为17 728 kJ·kg-1，同我国不同气候区植物干叶片的热值比较来看属于较低值[13]（图3）。

3.5 凋落物潜在燃烧性

图2 不同层次地表凋落物热值

图3 我国不同气候区常见树种叶片热值分布

在森林燃烧过程中，热量主要通过辐射的方式传递给周边可燃物。热值直接影响可燃物着火温度、蔓延速度和火强度。我们利用单位面积热量作为评价地表凋落物潜在燃烧性的关键指标。从老龄枫香林不同层次地表凋落物潜在能量来看：阳坡高于阴坡，阳坡凋落物单位面积总潜在能量比阴坡高出32.7%。其中，阳坡上层、中层和下层分别比阴坡高出16.4%、32.4%和46.8%（图4）。这与阳坡植被光合作用强、有机质积累效率高和地表凋落物载量较高有关。森林地表火在蔓延过程中，枯枝由于含水率低且热值高最容易先烧完，逐步引燃凋落物中层和下层，使地表火持续向纵深蔓延。地表凋落物潜在热值高会致使地表火驻留时间较长，对土壤生物群落及植被根系造成较大影响。

图4 不同层次地表凋落物潜在能量

4 讨论与结论

现场测试表明，栖霞山老龄枫香林地表凋落物阳坡和阴坡载荷量分别达到了1.256 kg·m-2和0.949 kg·m-2，远高于临界值0.25 kg·m-2，表明可燃物处于比较高的载荷量。尽管不同层次凋落物热值略低于国内不同气候区常见树种叶片，但地表凋落物拥有相对较高的潜在能量。特别是阳坡，枯枝和叶片都是较易燃的物质，干燥时极易着火。一旦着火会燃烧释放出大量潜在能量，具有引发森林火灾的潜在可能。

对于老龄林的防火，特别是类似枫香林这种具有较高价值植被的防火，关键要注意减少地表凋落物载荷量，降低其潜在能量。建议采取定期清理地表凋落物或者进行计划烧除，以有效减少森林地表可燃物的积累。