不同程度火烧迹地兴安落叶松延迟性死亡特征1)

李威 周梅 赵鹏武

(内蒙古农业大学，呼和浩特，010018) (内蒙古赛罕乌拉森林生态系统国家定位研究站(内蒙古农业大学))

舒洋 王梓璇 张今奇

(内蒙古农业大学)

森林火灾导致的树木延迟性死亡是一种常见自然现象，火烧后树木的存活率取决于树木的损伤类型和程度、未烧前树木的活力以及火后环境对树木生存的影响。火后环境包括病虫害、土壤及气候条件等因素。随着树木的损伤程度的增加，由各种原因引起的延迟性死亡概率上升[1]。Ryan et al.[2]对美国黄石公园1988年森林火灾后的4个针叶树种在4年内生存状况进行了研究，表明虫害与火灾是影响树木延迟性死亡率的主要原因，由火灾引起的树木延迟性死亡率高于虫害。Robert et al.[3]在加州北部火灾后一年内收集了1 024棵红杉树的火烧损害数据，量化了树木死亡率对影响因子的响应，认为胸径、形成层死亡和树冠烧焦率是树木延迟性死亡率的重要预测因子。内蒙古大兴安岭汗马国家级自然保护区在2018年6月2日发生特大森林火灾，过火面积5 100 hm2。通过对火烧迹地2 a内兴安落叶松生存情况进行调查，量化火烧程度与胸径对兴安落叶松延迟性死亡率的影响程度，为研究火烧后树木延迟性死亡规律提供参考。

1 研究区概况

内蒙古汗马国家级自然保护区位于内蒙古大兴安岭林区中北部，属于永久冻土区，东临黑龙江省，南接甘河林业局，西与金河林业局为界，北与阿龙山林业局毗邻。地理坐标为东经122°23′34″～122°52′46″，北纬51°20′2″～51°49′48″，行政隶属于内蒙古根河市管辖。保护区总面积107 348 hm2，森林覆盖率为88.4%。汗马国家级自然保护区地处大兴安岭主脊西侧，海拔较高，属中山山地，剥蚀苔原区。总体趋势是北高南低，四周环山，形成较狭长的南北走向河谷，南北长56 km，东西宽32 km。海拔高度840～1 455 m，山脊呈圆弧状或长岗状，山坡较缓，坡度10°～20°，个别坡度40°以上。该区属寒温带大陆性气候，冬季寒冷而漫长，积雪深厚，夏季温凉暂短，湿润多雨。年平均气温-5.3 ℃，极端高温35.4 ℃，极端低温-49.6 ℃，年日照时间为2 630.6 h，≥10 ℃的年有效积温为1 316 ℃。年平均相对湿度71%，年降水量在437.4 mm左右，主要集中在6—8月份，占全年总降水量的70%左右。主要土壤类型为棕色针叶林土。山谷较宽阔平坦，季节性积水或常年积水，多形成丛桦灌木和塔头草甸及冻层落叶松“老头林”。主要树种有兴安落叶松(Larixgmelinii(Rupr.) Kuzen.)、白桦(BetulaplatyphyllaSuk.)、山杨(Populusdavidiana)、甜杨(PopulussuaveolensFisch)、樟子松(PinussylvestrisL. var.mongolicalitv)、钻天柳(Choseniaarbutifolia(Pall.) A. Skv)等[4]。

2 研究方法

2.1 样地调查

在2018年汗马国家级自然保护区火烧迹地内设置30 m×30 m标准样地9个，火烧程度划分为轻度火烧(树木死亡率≤30%)、中度火烧(30%<树木死亡率≤70%)、重度火烧(树木死亡率>70%)；径级划分为7个等级：1～5、6～10、11～15、16～20、21～25、26～30、31～35 cm。于2018与2019年7月对所有研究样地每木检尺，记录所有立木的种类、数量、胸径、树高及存活状态，样地概况见表1。使用SPSS 25.0进行数据分析处理。

表1 样地概况

2.2 基于Logistic回归模型的兴安落叶松延迟性死亡率预测

将全部样本(760个)分为建模样本(80%)和检验样本(20%)，采用Logistic回归模型对兴安落叶松延迟性死亡率进行模拟。设发生延迟性死亡的概率为P，未发生延迟性死亡的概率为1-P，则公式如下：

式中：P为延迟性死亡率；m为协变量个数；β1、β2、…、βm为自变量系数；x1、x2、…、xm为影响延迟性死亡率的自变量。

2.3 延迟性死亡预测模型的检验

为保证检验有效性，将所有检验样本(150个)均分为5个子样本，采用特征曲线(ROC)检验法，重复模拟6次，对模型的预测效果进行评价。AU,C表示特征曲线下面积，一般情况下AU,C取值范围0.5～1.0，AU,C越接近1，表示模型的预测效果越好。根据“约登指数”(敏感性指数+特异性指数-1)界定最优阈值，如果模型的预测概率大于阈值，判定发生延迟性死亡；小于阈值，判定未发生延迟性死亡[5]。

3 结果与分析

3.1 不同火烧程度兴安落叶松延迟性死亡特征

由表2、表3可知，轻度火烧样地中，兴安落叶松延迟性死亡率随径级增加而逐级降低，降低幅度分别为8.5%、28.5%、17.4%，胸径大于20 cm的树木延迟性死亡率为0；在所有延迟性死亡树木中，主要为胸径小于10 cm的树木，比例为76.8%。中度火烧样地中，兴安落叶松延迟性死亡率随径级增加也逐级降低，但降低幅度没有轻度火烧样地明显，胸径大于25 cm的树木延迟性死亡率为0；在所有延迟性死亡树木中，主要为胸径6～15 cm的树木，比例为86.8%。重度火烧样地中，各径级兴安落叶松延迟性死亡率明显升高，最低为66.7%，最高为100%，大径级树木的延迟性死亡率显著高于轻度和中度火烧样地。胸径为26～35 cm的树木没有发生延迟性死亡。

3.2 兴安落叶松延迟性死亡率的影响因子与建模

对延迟性死亡率与径级和火烧程度进行相关分析，火烧程度与延迟性死亡率显著正相关(r=0.452，P<0.05)；径级与延迟性死亡率呈极显著负相关(r=-0.740，P<0.01)。

表2 不同火烧程度兴安落叶松延迟性死亡率

表3 不同火烧程度兴安落叶松延迟性死亡数量各径级比例

由表4可知，采用logistic回归方程建模，径级和火烧程度2个因子对兴安落叶松延迟性死均极显著相关(P<0.01)。径级的优势比(OR)为0.725，表示径级每增加一个等级，兴安落叶松延迟性死亡风险约降低为原来的0.7倍；火烧程度的优势比(OR)为3.208，表示火烧程度每增加一个等级，兴安落叶松延迟性死亡风险约增加至原来的3.2倍。

表4 logistic回归模型参数

3.3 回归预测模型评价

由表5可知，对兴安落叶松延迟性死亡率Logistic回归模型的预测效果进行评价，5个子样本预测发生的准确率范围为59.1%～84.6%，总样本准确率为71.7%；预测未发生的准确率范围为54.5%～72.5%，总样本准确率为60.4%。各样本的AU,C值范围为0.660～0.870，总样本AU,C值为0.764，表明预测模型准确率较高，拟合效果良好(见图1)。

表5 兴安落叶松延迟性死亡预测模型准确率

图1 兴安落叶松延迟性死亡预测模型ROC曲线

4 讨论与结论

树木死亡是一个组织器官与环境之间的热力学平衡概念，代表树木不再具有驱动能量梯度用于代谢或者更新的能力[6]。森林火灾通过外部着火，将高温传导到树木内部组织，致使树木的某些重要生理机能超过阈值，从而导致树木死亡[7]。森林火灾对树木的树冠、树根和树干造成的伤害及其对土壤和气候的影响是长久的，并且受损的树木更易感染虫害，因此火烧后的树木延迟性死亡现象会持续很多年[8-10]。火烧对树木的影响取决于树种、径级、年龄、林分结构、燃烧季节、天气、可燃物负荷量、地形及火灾严重程度，这些因素决定了树木的损伤程度和立即或延迟性死亡的可能性[10]。Ryan et al.[11]认为冠体积烧焦比是一种预测火烧后树木延迟性死亡率的可靠指标，树冠受损程度超过80%的树木无法存活。而Oswald et al.[12]发现休眠季的森林火灾后，一小部分树冠烧焦达90%的树木能够恢复，认为火烧后树木的存活也取决于燃烧季节。Mantgem et al.[13]认为火烧后树木相关形成层损伤高度依赖于树皮厚度，而树皮厚度取决于树种和树木胸径。Ryan et al.[14]、Stephens et al.[15]对美国黄松的研究发现，树干焦化超过50%或树冠焦化超过90%，在5 a或更短的时间内死亡率极高。考虑到黄松是最耐火的树种之一，相同的损伤百分比将导致其它树种更高的死亡率[16]。Logistic回归模型已被广泛用于火烧后的树木存活概率的预测，这些模型考虑了森林地表可燃物消耗量和根系死亡率的影响，并纳入了火灾后虫害、干旱和病原体等协同效应综合预测树木延迟性死亡率[16]。本研究量化了火烧程度与胸径对兴安落叶松延迟性死亡率的影响，但没有考虑到其它影响因素，这是需要以后补充研究的方向。