塞罕坝林场不同林型地表枯落物特性及对应火险特征研究

丁永全 舒立福 吴 松 李 华 孙文国 王明玉 赵凤君

（1.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，国家林业和草原局森林保护学重点实验室，北京 100091；2.大兴安岭地区农业林业科学研究院，黑龙江嫩江源森林生态系统国家定位观测研究站，黑龙江 加格达奇 165000；3.塞罕坝机械林场总场护林防火办公室，河北 承德 068466）

森林火灾是全球陆地生态系统中最重要的自然干扰过程之一，也是森林面临的主要自然灾害，其突发性强、破坏性大、危险性高、处置困难，甚至引发生态灾难和社会危机。以变暖为主要特征的气候变化在某些区域已经显著增加了森林火灾的发生频率[1]。随着全球变暖的持续，火灾发生风险将进一步加大[2]。地表枯落物是森林火灾燃烧的最有效可燃物，直接影响着森林火灾的引燃率、成灾率、蔓延速度和火强度[3-7]。林龄、郁闭度、树种、平均树高、平均胸径、立地条件等是影响枯落物载量的重要因子[8-9]。林分不同引发森林火灾的潜在火行为存在差异；不同树种的可燃物理化性质差异较大，影响树种的易燃性；不同森林类型的地表可燃物负荷量差异，影响地表火强度的关键因素；冠层可燃物垂直分布及冠基高度与树冠火发生类型关系密切[10-11]。对于林相整齐的人工林，枯落物厚度在反映森林火灾发生危险性方面的作用几乎等同于枯落物的载量，且同时具有测定快速、便捷的特点，特别适合于大面积森林区域火灾发生危险性的评估[12]。地表枯落物的密实度对火灾发生有重要影响。密实度小的枯落物层，空隙大，有充足的空气可满足可燃物燃烧；而密实度大的枯落物层，空隙小或无空隙，不能为可燃物燃烧提供充足的氧气[13]。

塞罕坝林场位于冀北山地与蒙古高原交汇区，是亚洲最大的国有人工林场，森林覆盖率约76.14%[14-15]。在全球气候变暖背景下，林场的火灾发生形势极其严峻；特别是塞罕坝林场以落叶松（Larixspp.）等针叶纯林为主要植被类型的特殊森林生态系统格局，使其在防灾救灾上的压力逐年激增[16-18]，当前急需对林场不同森林的火灾发生危险性进行评估，以制定有针对性的林火防控措施，将林火对自然资源的破坏降到最低。本研究以塞罕坝林场小班为研究单位，以地表枯落物及林分特征为主要研究内容，结合树种生物学特性和枯落物理化性质，对林场不同森林的火灾发生危险性进行分析，以期为林场森林火灾防控措施的制定提供参考。

1 研究区概况

塞罕坝林场（116°51′～117°39′E，42°02′～42°36′N）地处内蒙古高原南缘，属阴山山脉与大兴安岭余脉的交接地带，地势北高南低，呈现由北向南倾斜之势。由坝缘山脉、高原丘陵和曼甸组成，东部北部多为曼甸，西部为波状起伏的半固定沙丘，地势平坦，南部为坝缘山地，山高坡陡。海拔1010～1940 m，平均坡度20°左右。

林场北与内蒙古自治区接壤，西与御道口林场相邻，东、南与围场县相连，南北长58.6 km，东西宽65.6 km，距北京市460 km，土地总面积92634.7 hm2，其中有林地面积68842.5 hm2。塞罕坝林场为全国重点大型人工林林场，有6 个分场，30 个营林区。

塞罕坝林场属寒温性大陆季风气候，冬季漫长，低温寒冷；春短，干燥多风；夏季不明显，光照强烈。昼夜温差大，降水少、蒸发量大，风多且大，易春旱，生长期短。大风、沙暴、干旱、霜冻等灾害性天气较多。年均气温−1.2 ℃，年均降水量452 mm，主要集中于6—8 月，年均积雪日数169 d，年均相对湿度为68%。风多是本区气候的主要特点之一，年均6 级以上的大风日数68.7 d，以西北风为主。干燥多风的春季和秋季，特别是春季，是林场火灾发生的主要季节。林场自建场以来始终实施严格的防火措施，近60 年来从未有成规模的森林火灾发生[19]。据统计，2007—2016 年间发生火警（火面积1 hm2以下）37 起。

2 研究方法

2.1 样地设置

地表枯落物主要包括枯叶、枯草、直径小于0.64 cm 的凋落小枝等细小可燃物，为1 h 时滞可燃物[20-21]。枯落物厚度通过在小班内设置调查样地的方式获得，共调查了13101 个小班。调查样地规格10 m×10 m，设置在远离道边的位置，避免过多的人为干扰。由于小班面积差异较大，从0.04 hm2到84.7 hm2不等，因此小班内样地设置数量不同；10 hm2以内的小班，设置3 块样地；小班面积超过10 hm2的，每增加10 hm2面积，即增加1 块样地，但最多不超过5 块样地。

2.2 样地调查方法

样地调查时，记录小班地理位置、面积、海拔、树种、林龄、郁闭度等信息。样地内沿对角线设置调查样线，样线上每隔2 m 设置1 个调查样点，每个样地共5 个调查样点。每个调查样点设20 cm × 20 cm 小样方；用铁锹或小铲至少把小样方的一个纵切面清理整齐，在保持表层可燃物结构和形状没有干扰的情况下，用刻度尺量测枯落物厚度，精确到0.1 cm。

2.3 林分因子

1）树种：树种分为4 组，分别为落叶松、樟子 松（Pinus sylvestrisvar.mongolica）、桦树（Betulaspp.）和其他。落叶松主要是华北落叶松（Larix principis–rupprechtii），其是林场的地带性植被类型，属寒温性落叶针叶林。林场的樟子松林属于寒温性常绿针叶林，均为人工种植；桦树，主要是白桦（Betula platyphylla）；白桦林在林场内分布面积较广，为林场主要的天然次生林。“其他”包括栽培杨（Populussp.）、柞树（Quercus mongolica）、山杨（Populus tremula）、山丁子（Malus baccata）、山杏（Prunns mandshurica）、柳树（Salix matsudana）、榆树（Ulmus pumila）、云杉（Picea asperata）、油松（Pinus tabuliformis）等。

2）龄组：龄组的划分依据中华人民共和国林业行业标准《主要树种龄级与龄组划分》（LY/T 2908—2017）[22]，即幼龄林≤20 a，中龄林21～30 a，近熟林31～40 a，成熟林41～60 a，过熟林≥61 a。

3）郁闭度：郁闭度指森林中乔木树冠在阳光直射下在地面的总投影面积（冠幅）与此林地（林分）总面积的比值[23]。它是反映森林结构和森林环境的一个重要因子，森林郁闭度大小直接影响林下可燃物的数量、含水率和林内光线、温度和风速等小气候的变化，一般情况下郁闭度愈大，林内光线愈弱，温度愈低，蒸发量愈小，湿度愈大，不易燃烧；郁闭度愈小，杂草愈多，则发生火灾的可能性愈大。但是，郁闭度大，树冠相接紧密，一旦着火，能助长树冠火的发展；而郁闭度小则易形成地表火，且蔓延速度较快[24-25]。

2.4 火行为指标

地表枯落物厚度是预测森林火险的主要参数之一，再结合树种生物学特性和枯落物理化性质，对塞罕坝林场不同森林的火灾发生危险性进行分析，主要林火行为包括：火强度、林火引燃难易、树冠火引燃难易、林火对林木的伤害等[13]。

1）火强度：在单位面积上单位时间内燃烧释放的能量（或功率），是衡量林火危害性的定量指标，用来估算某种林型经过火烧后的受害程度[10]。

2）林火引燃难易：是引起森林火灾的先决条件，可燃物能否燃烧，取决于最低引火能量，影响林火引燃的因素有可燃物燃点、可燃物含水率、火源种类等。林地引火物多、最低引火能量愈小，则愈易着火[9]。

3）树冠火引燃难易：树冠火是由地表火遇强风或遇到幼树群、枯立木或低垂树枝，烧至树冠并顺风扩展，长期干旱的针叶林、幼中林或异龄林易发生树冠火[13]。

4）林火对林木的伤害：林火对树木的伤害是多方面的，从树木本身到种群和群落，也决定于树木对火的抗适应能力，一般抗火性强、易萌生的树种受火灾影响较小[13]。

2.5 数据分析

本研究中利用SPSS 软件按树种、龄组分类统计不同森林的面积占比、郁闭度和枯落物厚度的平均值并进行分析；采用Excel 软件进行图表绘制。

3 结果与分析

3.1 塞罕坝林场不同树种森林地表枯落物的差异

塞罕坝林场不同树种森林面积占比见图1。由图1 可知，落叶松林面积占比最大为52.04%，其次为白桦林25.36%，樟子松林占比12.15%，三者占到全部有林地面积的89.55%，其他树种仅占比10.45%。落叶松林在全林区分布最广，白桦林与落叶松林相间分布，二者主要分布在林场的中部和东部，特别是向北和向南延展的两翼上；樟子松林的分布较集中，主要位于向西伸展的区域，因为西部是地势平坦的半固定沙丘，为樟子松的适生区域。

图1 塞罕坝林场不同森林面积占比Fig.1 Percent of area of different forests in Saihanba forestry center

塞罕坝林场森林地表枯落物普遍较厚，平均厚度4.3 cm（表1），不同树种森林的地表枯落物厚度有明显的差异，最厚为落叶松林4.9 cm，其次为白桦林4.6 cm，其他林分3.2 cm，最薄为樟子松林2.1 cm。

面积占比最大的地表枯落物厚度分级为5.0～5.9 cm，占比32.8%；其后依次为厚度2.0～2.9 cm，占比13.9%；厚度3.0～3.9 cm，占比13.7%；厚度<1.0 cm，占比10.9%；厚度>6.0 cm，面积占比17.8%，主要分布在林场的东部特别是向北延展的区域，即落叶松林和白桦林分布区。地表枯落物厚度大，林火一旦引燃，地表火强度大，火焰高，延烧树冠引燃树冠火的机率大。

塞罕坝不同树种地表枯落物厚度差异与树种本身的生物学特性有关，由图2 可知，不同树种的森林地表枯落物特征存在差异。

图2 不同树种森林的地表枯落物Fig.2 Litter of different forests

3.2 塞罕坝林场不同郁闭度森林地表枯落物的差异

塞罕坝林场的总体郁闭度较大，均值为0.63（表1）。面积占比最大的郁闭度分级为0.70～0.79，占比23.3%，其后依次为郁闭度0.60～0.69，占比21.5%；郁闭度0.80～0.89，占比18.0%；郁闭度0.50～0.59，占比>11.3%；郁闭度大于0.90的林分面积占比达到7.5%。林分郁闭度大，则林内光照不足，林分自然整枝效果明显，地表枯落物数量增多；同时，林火一旦被引燃，树冠火发生概率大。

表1 不同树种的不同龄组森林的面积占比、郁闭度、地表枯落物厚度Table 1 Percent of forest area,crown density and depth of litter of different forests

不同树种森林的郁闭度范围在0.54～0.68 之间，整体差异较小。白桦林郁闭度最大0.68，其次为落叶松林0.64，樟子松和其他林分郁闭度较小，分别为0.56 和0.54。

不同郁闭度森林的地表枯落物厚度存在差异。一般情况下，森林郁闭度大的森林，其地表枯落物较厚，如白桦近熟林郁闭度最高为0.71，地表枯落物厚度最大5.8 cm；白桦中龄林和幼林龄郁闭度分别为0.69、0.67，其枯落物厚度分别为4.8、4.1 cm。但是也有例外，落叶松林郁闭度高的地表枯落物厚度反而较小，如落叶松中龄林郁闭度为0.67，地表枯落物厚度为4.8 cm，过熟林郁闭度为0.60，而地表枯落物厚度为5.6 cm，主要是由于落叶松针叶难以腐烂分解的原因。

3.3 塞罕坝林场不同龄组森林地表枯落物的差异

塞罕坝林场森林的龄组集中在幼龄林、中龄林和近熟林（图3），面积占比分别为32.71%、31.87%、30.85%，三者之和为95.43%；近熟林和过熟林面积占比较少，仅4.28%和0.29%。

图3 塞罕坝林场不同龄组森林的面积占比Fig.3 Percent of forest area of different age groups in Saihanba forestry center

落叶松近熟林面积占比最大（表1），占所有落叶松林的49.01%，全部有林地的25.33%，且在林场内分布相对均匀；其次为中龄林，占所有落叶松林的26.83%，全部有林地的13.87%；幼龄林分别占20.15% 和10.41%；成熟林占比较小，分别占3.98% 和2.06%；过熟林很少。白桦中龄林占比最大，分别占所有白桦林和全部有林地的43.83%和11.11%，其次为幼龄林，分别占比为36.62%和9.28%；再次为近熟林，分别占比为14.22%和3.61%。樟子松中龄林和幼龄林占所有樟子松林的44.49% 和44.36%，二者总和占到樟子松林的88.85%。其他林分绝大部分为幼龄林，占比70.90%。

不同龄组森林的郁闭度都呈现随林龄先增后降的趋势（表1）。樟子松幼龄林的郁闭度为0.41，中龄林郁闭度增加到最大值0.69，近熟林下降到0.68，成熟林最小为0.63；其他林分幼龄林0.51，中龄林增加到0.56，近熟林达到最大为0.72，成熟林下降到最低为0.59；白桦幼龄林的郁闭度为0.67，中龄林增加到0.69，近熟林达到最大值0.71，而后成熟林下降到0.67，过熟林0.66；落叶松各龄组的郁闭度差异相对较小，幼龄林最小0.63，随后中龄林郁闭度增加到最大值0.67，近熟林、成熟林和过熟林的郁闭度逐渐下降到0.63、0.62、0.60。

塞罕坝林场地表枯落物厚度随林龄增加会逐渐增加，如落叶松幼龄林枯落物厚度为3.8 cm，中龄林增加到4.8 cm，近熟林为5.3 cm，成熟林和过熟林增加不多，分别为5.4 cm 和5.6 cm。樟子松幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林的枯落物厚度分别为1.1、2.9、2.6、3.0 cm，从幼龄林到中龄林变化很大，枯落物厚度增加了近2.0 cm，应该是林分郁闭度由0.40 增加到0.67 导致林内枯落物大量增加所致，中龄林到成熟林枯落物厚度仅有缓慢增加。其他林分的幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林、过熟林的枯落物厚度的变化趋势与落叶松林和樟子松林相似，厚度分别为2.9、

3.5、4.0、4.4、4.3 cm。

白桦林地表枯落物厚度变化趋势与以上林分不同，其幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林、过熟林的枯落物厚度的变化呈先增加后降低的趋势，厚度分别为4.1、4.8、5.8、3.3、3.5 cm。这是由于白桦成熟林和过熟林中自然死亡林木增加，导致数量较少，加上它的叶片易碎、易腐烂，导致地表死可燃物较少。

3.4 塞罕坝林场地表枯落物对火灾的影响

3.4.1 对地表火强度的影响

枯落物是地表火消耗的主要可燃物，枯落物厚，可燃物载量大，则火强度大。塞罕坝林场地表枯落物普遍较厚（表1），表明最易燃的有效可燃物载量极大，具有发生高强度地表火的潜在危险。

从枯落物厚度的角度，地表火强度最大的森林是落叶松林，其次是白桦林。落叶松林中枯落物最厚的是过熟林5.6 cm，其次是成熟林5.4 cm和近熟林5.3 cm。虽然落叶松近熟林的枯落物不是最厚的，但其面积占比是落叶松林的49.01%，全部有林地的25.33%，且林分郁闭度由中龄林的0.67 降到0.63，会使林内光照增强，地表可燃物含水率降低，枯落物更易燃烧，所以落叶松中龄林内枯落物一旦被引燃，地表火强度会最大。白桦近熟林的枯落物厚度5.8 cm，是所有白桦林中最厚的，也是地火表强度较大的林分。

3.4.2 对火灾引燃的影响

枯落物含水率是林火能否被引燃的关键因素。林分郁闭度和枯落物密实度是影响枯落物含水率的重要因子。郁闭度低的林分，林内有更多的光照，枯落物更易干燥。密实度小的枯落物层含有较多的空隙，更易被引燃。

樟子松林郁闭度0.56，其他森林0.54，白桦林0.68 和落叶松林0.64。幼龄林郁闭度低，林内充分的光照使地表枯落物含水率低，且易滋生杂草，干枯后即成为极易燃的细小可燃物。樟子松幼龄林郁闭度仅0.41，地表枯落物大部分为干枯的林间杂草，易被引燃。虽然白桦林郁闭度高，但秋季树叶全部脱落，干燥多风的春季和秋季使地表枯落物含水率大幅下降，易被引燃。

落叶松林枯落物主要是细密的针叶，密实度最大（图2）；樟子松林为寒温性常绿针叶林，每年仅有部分针叶脱落，地表枯落物厚度比落叶松林和桦树林低，但由于樟子松针叶较大，枯落物密实度较小，一方面利于枯落物的干燥，另一方面也利于枯落物的引燃和燃烧蔓延[26]。白桦林枯落物主要是落叶，其密度实最小；同时随着林龄增大，含油脂的桦树皮大片干燥脱落，大大增强被引燃的概率[27]。

3.4.3 对树冠火发生的影响

树冠火一般由高强度地表火通过阶梯状可燃物延烧至树冠而形成。人工林经营往往采取密植的方式，随着林木生长，林分郁闭度快速增大，中下部枝条因得不到阳光而死亡，死枝仍存留在树干上，变成极易燃的阶梯可燃物，在发生高强度地表火时，即有引发树冠火的隐患。

落叶松幼龄林地表枯落物虽然没有近熟林厚（表1），但也有3.8 cm，地表火一旦被引燃，火强度也会很大，若此时幼龄林仍未修枝，引燃树冠火的概率大大增加。林场最西端的三道河口分场基本都在塞罕坝国家级自然保护区范围内，林内植被覆盖率高且未进行修枝，树冠火隐患大。

3.4.4 对林木的伤害

火对林木的伤害，除取决于火强度外，还决定于林木自身对火的抵抗能力。白桦自身萌蘖能力强，即使火烧死了地上枝干，其也可以通过根孽萌生出新的枝条。针叶幼树对林火的抵抗力最低，一旦树冠着火，必然死亡；随着林木长大，树冠层远离地表，且树皮增厚，中龄林、近熟林对林火的抵抗力逐渐增强。

快速生长的落叶松幼龄林，一般不会进行修枝，即使进行修枝，高度也不超过树高的1/3，一旦发生地表火，极易灼烧至树冠，导致幼树死亡。樟子松幼龄林的情况尤其严重，因为其郁闭度很低，仅0.41，林内光照充足，地表枯落物含水率不仅低，还有大量干枯的杂草，是最易被引燃的林分。其他森林的幼龄林面积占比71%，林分郁闭度虽比樟子松幼龄林高，但也仅有0.51，属较低林分郁闭度，林内较多的干枯杂草和低含水率的地表枯落物导致其易燃性高，林火一旦引燃，林木受伤害较大[28]。

4 结论与讨论

塞罕坝林场森林中落叶松林占比超过50%，其次为白桦林（25%）和樟子松林（12%）。森林以幼龄林和中龄林为主，二者之和超过全部有林地的65%；近熟林占全部林地的31%，主要是落叶松林。森林郁闭度普遍较大，平均为0.63；地表枯落物较厚，平均为4.3 cm。从地表枯落物厚度的角度，潜在地表火强度最大的森林是落叶松近熟林，其次是白桦近熟林；最易被引燃的森林是樟子松幼龄林，其次是白桦过熟林和成熟林；最易引燃树冠火的是未修枝的落叶松林和樟子松林；最易受伤害的是落叶松幼龄林和樟子松幼龄林。

塞罕坝林场所有林分中近熟林的郁闭度较大，幼龄林的郁闭度较小。幼龄林郁闭度低，林分光照充足，林内杂草生长旺盛，导致易燃细小可燃物数量增多，且含水率低，地表可燃物极易被引燃，形成地表火；同时，由于郁闭度低，林分整枝不良，存在大量阶梯可燃物，地表火一旦引燃，易随阶梯可燃物延烧到树冠，引发高强度树冠火；幼龄林木树皮薄，抗火性弱，且通常较矮，即使地表火也会导致针叶被灼伤甚至烧死，因此幼龄林易被引燃，且引燃后造成的林木伤害远大于其他龄组的林分。

树种生物特性差异，引起不同树种林分地表枯落物差异，如落叶松林为寒温性针叶落叶林，每年落叶，针叶狭小、细密，且死可燃物的分解较其他树种缓慢，在林地表面易形成一层很密实的枯落物层。樟子松林为寒温性常绿针叶林，每年针叶只部分凋落，所以枯落物积累速度会低于落叶松林。白桦为阔叶树种，叶片较多，每年落叶，但白桦叶片比松针易碎、易腐烂，因此地表积累的死可燃物较多，但少于落叶松林。其他林分中多为阔叶林，每年落叶，枯落物厚度积累也较快。

地表枯落物是森林燃烧性的主要决定因子之一，对林火行为有着重要的影响[29]。本研究对表征有效可燃物载量的枯落物厚度进行了研究，取得了较好的研究结果，为评估林场不同森林的火灾危险性提供了数据支撑。含水率是枯落物的另一个重要参数[13]，其与可燃物载量一起共同决定枯落物对火灾的影响。本研究在论述枯落物厚度对火灾影响时，同时描述了林分因子（林龄、郁闭度等）对含水率的影响，从枯落物载量和含水率二者耦合的角度分析不同森林的火灾发生危险性。

塞罕坝林场地势北高南低，呈现由北向南倾斜之势，由坝缘山脉、高原丘陵和曼甸组成，总体上地形起伏不大，但不同小班间地形差异对枯落物厚度也会有一定的影响，本研究是在小班调查获得枯落物厚度的基础上重点评估现有不同树种森林的火灾发生危险性，下一步将开展地形对可燃物厚度的影响研究。

塞罕坝林场森林集中连片，一旦发生火灾很难扑救，且火灾发生最危险的季节是春季，风大且可燃物干燥；其次是秋季，而冬季森林地表被雪覆盖，夏季为雨季，火灾发生的危险性都很小。虽然林场集约经营，且高度重视森林防火工作，自建场至今未发生过成规模的森林火灾[19]，但林内大量的易燃可燃物逐年累积，已使该区域具有了发生大规模森林火灾的物质条件。在气候变暖的背景下，林场森林火灾的防控除人力和物力更多的投入外，还需加大林火科研的投入，研发科学的林火管理措施，结合营林抚育，开展修枝、清除地表杂草、计划烧除、建设防火隔离带等，从可燃物管理的角度防控森林火灾的发生和降低潜在火灾的危害[30-32]。