山东半岛昆嵛山地区主要森林类型可燃物垂直分布及影响因子

解国磊，马丙尧，马海林，杜振宇，刘方春，囤兴建

(1.山东省林业科学研究院 山东省森林植被生态修复工程技术研究中心，山东 济南 250014；2.山东农业大学 林学院，山东 泰安 271018)

火行为是指森林发生火灾时所呈现的燃烧特征，对其有影响的因素颇多，作用机制也较复杂[1-4]，其中火行为的主要影响因子之一是森林可燃物的空间分布特征[5-6]。前人研究得出，可燃物垂直分布的连续性对地表火能否转成树冠火具有决定性作用[7]，可燃物的连续性愈大，火的蔓延速度就愈快，火的强度也就愈强[8-10]。可见，探究可燃物的垂直分布格局与其连续性能加深对林火种类与火行为特征的认识，为森林可燃物的科学管理提供理论基础，并合理有效地扑灭或控制住林火，避免重大事故的发生[11]。目前对于可燃物垂直分布及火行为特征的研究较为全面，较多的集中于树冠火的危险性等级[12]、树冠火发生的内在原因[13]、易燃可燃物负荷量的垂直分布及其对林火种类和火行为的影响[14-15]，也有研究根据可燃物种类负荷量垂直分布和树冠火发生的关系，建立可燃物垂直连续性指数和评估等级[16]、基于BehavePlus火模型系统，对不同林型进行火行为研究[17]。目前研究较多集中分析了针叶纯林内可燃物垂直分布和火行为特征，而对于不同林分类型与不同混交林模式下的可燃物垂直分布与火行为分析的研究较少。

山东半岛昆嵛山自然保护区，森林资源丰富，主要森林类型有针叶纯林、针叶混交林、针阔混交林和阔叶纯林。由于30多a来的封山育林，目前，枯立木和倒木随处可见，同时近年来山东半岛的降雨量偏少，日积月累的可燃物易变干，在雨水少的冬春季节极易引起人为森林火灾[18]。所以，研究昆嵛山地区主要森林类型内可燃物垂直分布以及潜在火行为对于本地森林防火灭火具有重要意义。

1 研究地概况

昆嵛山自然保护区位于山东半岛东部(121°37′0″-121°51′0″E，37°12′20″-37°18′50″N)。属暖温带季风型大陆性气候，多年均气温11.9℃，多年均降水984.4 mm，多年均相对湿度71%。该保护区是我国与东北亚赤松原生地及天然分布中心，有典型的暖温带植物区系成分，区内分布的天然赤松林生态系统目前是我国面积最大且保护最为完整，同时还有赤松阔叶混交林。

2 研究方法

2.1 标准地设置与可燃物调查

2.1.1 标准地设置 2015年防火期内，在烟台市昆嵛山自然保护区内，筛选出赤松(Pinusdensiflora)纯林(Ⅰ)、火炬松(Pinustaeda)纯林(Ⅱ)、华山松(Pinusarmandii)纯林(Ⅲ)、麻栎(Quercusacutissima)纯林(Ⅳ)、赤松-华山松林(Ⅴ)、赤松-刺杉(Cunninghamialaneolata)林(Ⅵ)、赤松-麻栎林(Ⅶ)、赤松-火炬松林(Ⅷ)8种林型，分别选择整齐一致的地段各设3个标准地(长×宽为20 m×20 m)，然后对可燃物负荷量开展详细调查，具体指标如表1所示。另外，对赤松纯林的可燃物负荷量亦进行调查。

表1 样地概况

2.1.2 冠层可燃物调查 在标准地对角线上相等距离设置直径为6 m的样圆，各标准地分别选择2～5株(标准木(其中混交林为3～5株，纯林为2株)，在每个标准木上选取标准枝(活、枯枝)，要求叶与枝的分布及载量多少需有典型性[12]。

以地表为准，将冠层高度在10 m内以1 m为间隔等分为10个层次和冠层高度>10 m外的第11层次，对每株各冠层的枯枝与活枝可燃物负荷量进行分别调查，并测定标准枝数量，然后依次分类、称重与取样。

2.1.3 地表可燃物调查 采用样方法对林下可燃物进行调查，在样圆内设2 m×2 m的大样方，待符合要求后依次进行割除、称重、取样；在样圆内设1 m×1 m的小样方，先调查草本层的种类及高度，然后将草本植物割除并依次称重、取样，同时对小样方内未分解层(地表上层)与半分解层(下层枯落叶)的湿重分别测定之后取样。

2.2 可燃物负荷量计算

地表可燃物样品的采集与干燥的参考文献[19]进行，可燃物干湿比(D)、第i层可燃物负荷量(Fi)、林下可燃物负荷量(FF)的计算公式参照文献[18]。

2.3 数据处理

利用SPSS18.0对试验数据进行显著性检验与相关性分析，采用单因素方差分析比较不同数据组间的差异，用Pearson相关系数分析不同因子间的内在相关性，显著性水平为α=0.05。使用Excel2003软件绘图。采用BehavePlus 5软件计算各林型的林火行为指标[20]。

3 结果与分析

3.1 可燃物垂直分布

各林型的可燃物负荷量在垂直分布上存在显著差异(P<0.05)(图1)。本研究区域各林型地表可燃物负荷量在388.15～1 691.48 g/m2，林型最大地表可燃物负荷量是最小林型的4.4倍。各林型地表可燃物负荷量由大到小的次序为林型Ⅰ(1 693.45 g/m2)>林型Ⅱ(1 681.56 g/m2)>林型Ⅵ(1 598.55 g/m2)>林型Ⅴ(1 414.56 g/m2)>林型Ⅲ(1 377.85 g/m2)>林型Ⅷ(1 209.96 g/m2)>林型Ⅶ(451.74 g/m2)>林型Ⅳ(386.25 g/m2)。林型Ⅰ的地表可燃物负荷量最大，为1 693.45 g/m2，并且草本层和灌木层负荷量均为最高值。地表可燃物负荷量仅次于林型Ⅰ的是林型Ⅱ，为1 681.56 g/m2，与林型Ⅰ差别不大，林型Ⅱ内枯落物层负荷量大，下层、上层枯落叶负荷量分别达到935.48、750.26 g/m2，其中下层枯落叶负荷量为所调查林型内最大；这是因为该林型郁闭度较高，枝下高高，自然整枝严重，地表枯落物层厚度大，达6.8 cm，故其枯落物层负荷量大。林型Ⅵ内地表可燃物负荷量也较高，达1 598.56 g/m2。不同林型冠层的可燃物负荷量变化范围为261.15～470.42 g/m2。林型Ⅴ冠层可燃物负荷量最大，为470.42 g/m2，林型Ⅳ最小，为261.15 g/m2，各类型冠层可燃物负荷量大小表现为林型Ⅴ(470.42 g/m2)>林型Ⅵ(465.25 g/m2)>林型Ⅲ(441.85 g/m2)>林型Ⅷ(436.57 g/m2)>林型Ⅶ(398.34 g/m2)>林型Ⅱ(395.46 g/m2)>林型Ⅰ(312.87 g/m2)>林型Ⅳ(261.15 g/m2)。其中，林型Ⅵ冠层每个层次均有可燃物分布，冠层可燃物负荷量较大。林型Ⅰ、Ⅴ、Ⅶ各冠层基本都有可燃物分布(0～1 m层除外)；林型Ⅰ、Ⅴ、Ⅶ冠层的可燃物分别主要分布在4～8 m、3～10 m及以上、3～10 m。林型Ⅷ冠层0～2 m无可燃物分布，其余层次均有可燃物分布，主要集中分布在4～10 m及以上。林型Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ冠层0～4 m无可燃物分布，其余层次均有可燃物分布，林型Ⅱ、Ⅲ均主要集中分布在4～10 m及以上，林型Ⅳ主要分布在5～10 m及以上。

不同垂直层次可燃物的分布状况能够显著影响林火的种类。若可燃物由地表至树冠呈现连续性分布状态，则地表火很容易形成树冠火，产生高强度的森林火灾，造成较严重的损失；若呈不连续或间断分布，地表火形成树冠火的几率则会明显减小，相应的火灾损失也较小。从图1可见，林型Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的冠层可燃物距地表可燃物的间隔有3～4 m，垂直的连续性较差，火焰不容易向上蔓延，所以发生树冠火的概率较低。林型Ⅰ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ的冠层可燃物与地表可燃物间距只有1 m左右，垂直连续性较好，地表火较易转化为树冠火。

注：Ⅰ：赤松林；Ⅱ：火炬松林；Ⅲ：华山松林；Ⅳ：麻栎林；Ⅴ：赤松-华山松林；Ⅵ：赤松-刺衫林；Ⅶ：赤松-麻栎林；Ⅷ：赤松-火炬松林。将枯，各图横轴的数值(20、40、60、80和100)分别代表落层负荷量的5个等级(a、b、c、d和f)[18]，8种林分的枯落上层与下层的可燃物负荷量大小依次为：Ⅰ(924.25、627.17 g/m2)，Ⅱ(935.48、750.26 g/m2)，Ⅲ(724.56、625.18 g/m2)，Ⅳ(106.26、156.34 g/m2)，Ⅴ(776.54、579.46 g/m2)，Ⅵ(450.28、946.68 g/m2)，Ⅶ(236.57、195.26 g/m2)，Ⅷ(640.18、527.86 g/m2)。

3.2 火行为分析

不同森林类型地表火转化为树冠火的概率由大到小依次为林型Ⅵ、林型Ⅰ、林型Ⅴ、林型Ⅷ、林型Ⅲ、林型Ⅱ、林型Ⅶ和林型Ⅳ(表2)。能够转化为树冠火的林型共有3种，分别为林型Ⅵ、Ⅰ、Ⅴ。其中，林型Ⅵ的地表火形成树冠火的概率最大，究其原因与冠层第1枝下高只有0.6 m，且林内的灌木数量较多有密切关联。林型Ⅷ地表可燃物负荷量属于较高水平，枝下高也较低，为2.5 m，树冠火转化比率为0.91，接近1，可见，该林型也有地表火转化为树冠火的危险性，只要发生火灾，亦会引起高强度的地表火。其他林型形成树冠火的概率均较低(0.02～0.36)，但是原因各不一样，林型Ⅱ、Ⅲ虽然地表可燃物负荷量处于较高水平，但由于这2种林分枝下高均较高，均>4 m，并且林内灌木分布极少或者没有，冠层可燃物与地表可燃物间隔大，所以地表火一般不会转化为树冠火；林型Ⅶ虽然枝下高为1.7 m，较低，但是地表可燃物负荷量很低，地表火较难形成树冠火；林型Ⅳ的地表可燃物负荷量所处的状态较低，且枝下高高(4.2 m)，冠层可燃物与地表可燃物之间间隔大，不利于转化为树冠火，所以林型Ⅳ转化为树冠火的比率最低，仅为0.02。

表2 不同林型林火行为

3.3 环境因子与可燃物负荷量的关系

将不同立地条件下的赤松纯林林下枯落层、草本层、灌木层和冠层可燃物负荷量分别与立地因子(坡度、坡位和海拔)、林分因子(平均树高、平均胸径和郁闭度)进行相关分析(表3)，结果表明，枯落物层枯落物层负荷量与郁闭度、胸径呈显著正相关，与海拔呈显著负相关，这与随着林分郁闭度和平均胸径的不断增加，其冠幅呈持续增加趋势有关。草本层和灌木层负荷量均分别与坡位、郁闭度呈显著或极显著负相关性，草本层负荷量还与树高、胸径呈显著负相关，这是因为坡位越高，林内土壤水、肥条件越差，林分郁闭度越大，林内光线越弱，这些因素均不利于林下草、灌木的生长；并且乔木树高、胸径的增加，说明乔木层生长所吸取的养分增加，使得可供林下草本植物吸收的养分减少，从而使草本植物生长受限，草本层的负荷量减小。冠层可燃物负荷量与林分郁闭度、海拔均存在显著的正相关关系，同时虽然与树高、胸径有正相关，但没有达到显著水平。

表3 昆嵛山6种针叶林各因子与可燃物负荷量相关系数

4 讨论

山东半岛昆嵛山地区主要森林类型的可燃物垂直分布之间的差异存在显著性。不同林型的地表火在相同的燃烧条件下向上蔓延发展成树冠火的概率有差别，会形成各异的林火行为，从而引起有较大差别的火灾后果。各林型地表火形成树冠火的概率由大到小的顺序为林型Ⅵ、林型Ⅰ、林型Ⅴ、林型Ⅷ、林型Ⅲ、林型Ⅱ、林型Ⅶ、林型Ⅳ。可以看出，针叶林地表火转化为树冠火的几率大于阔叶林与针阔混交林，这和张景群等[12]、王叁等[17]的试验研究结果相类似。而且不同种类针叶林之间地表火转化为树冠火的几率也各不相同，不同种类针叶林之间地表火转化为树冠火的几率也各不相同，这主要与林分特征(地表可燃物负荷量、枝下高等)有关。林型Ⅵ、Ⅰ、Ⅴ地表火转化为树冠火的几率均超过1，并且林型Ⅵ、Ⅴ冠层可燃物负荷量均属于较高水平，一旦起火，这2种林分将产生高强度林火，建议进行营林防火工作时，对林型Ⅵ、Ⅰ、Ⅴ这3种林分地表可燃物、梯度可燃物进行重点清理，而且要对林型Ⅵ、Ⅴ冠层可燃物进行适当修枝，减少冠层可燃物负荷量。虽然针叶林Ⅱ、Ⅲ、Ⅶ地表火转化为树冠火的几率较小，但是冠层可燃物负荷量均属于较高水平，有外来火源的情况下，会产生高强度、高蔓延速度的树冠火，建议营林防火时，对这3种林型进行冠层修枝，减少冠层可燃物负荷量，从而降低潜在的树冠火危险。

相关分析结果显示，赤松林枯落物层负荷量与郁闭度、胸径呈显著正相关，与海拔呈显著负相关。草本层和灌木层负荷量均分别与坡位、郁闭度呈显著或极显著负相关性，草本层负荷量还与树高、胸径呈显著负相关，这与王文娟[21]、周涧青[22]等研究结果基本一致。冠层可燃物负荷量海拔、郁闭度呈显著正相关。可看出不同层次可燃物负荷量影响因子各不相同，并且可燃物负荷量受多个环境因子影响。国内有学者认为，林下可燃物负荷量及其分布与林龄密切相关[23-24]，本研究所调查林分较少，没有涉及到林龄对可燃物负荷量的影响。本研究研究地海拔也较低，所调查赤松纯林最高海拔仅650 m，所以对其余林分因子和地形因子与可燃物负荷量之间的关系有待进一步深入研究。此外，本研究中，山东半岛昆嵛山地区不同森林类型内可燃物负荷量分布具有较大差异性，因此在制定森林可燃物管理措施时，不仅仅考虑管理措施对降低森林潜在火险等级的影响，还要保持生态系统的稳定性，凸显森林可燃物科学管理的生态效益[25-26]。

5 结论

通过对山东半岛昆嵛山地区主要森林类型的地表可燃物和冠层可燃物负荷量的研究得出，不同林分之间可燃物垂直分布存在显著性差异，不同林分地表火转化为树冠火的几率大小次序为赤松-刺衫林>赤松纯林>赤松-华山松林>赤松-火炬松林>华山松纯林>火炬松纯林>赤松-麻栎林>麻栎纯林；相关分析表明，枯落物层负荷量与郁闭度、胸径呈显著正相关，与海拔呈显著负相关；草本层和灌木层负荷量均分别与坡位、郁闭度呈显著或极显著负相关性，草本层负荷量还与树高、胸径存在显著的负相关关系；冠层可燃物负荷量与海拔、郁闭度有显著正相关关系。综上，3个地形因子(坡度、坡位和海拔)、3个林分因子(平均树高、平均胸径和郁闭度)与山东半岛昆嵛山地区主要森林类型的地表可燃物和冠层可燃物负荷量有密切的内在联系。