粤北地区典型人工林林下森林可燃物的特征研究

付志高,王志龙,肖以华,许 涵,史 欣

(1.中国林业科学研究院热带林业研究所,广州 510520；2.梅州市林业局,广东 梅州 514000)

森林可燃物是森林火灾发生的必要条件之一,也是森林火灾的物质基础和重要载体,其包括空间结构上的地下、地表和空中的可燃物。已有研究表明,此3类可燃物引发的火灾中,以地表可燃物居多[1-2]。地表森林可燃物是引发地表火从而导致森林火灾发生的主要原因。可燃物的燃烧中,除需要具备可燃物和火源等燃烧条件外,其还受制于林分中可燃物含水率、平衡含水率、热值和燃点等理化性质的影响[3]。

表征森林可燃物特性的指标主要包括:绝干含水率、平衡含水率、热值和燃点等,干鲜比是指干重和鲜重的百分比,代表着绝干含水率的高低[4-5]；平衡含水率代表着可燃物于恒温、恒湿条件下,一段时间后其含水率达到的一个动态平衡值[6]；热值是燃烧一定燃料所释放的最大能量的量度,其值越高,则意味着释放的能量越多,林火强度则越大；燃点为物质在空气中加热时,开始并继续燃烧的最小温度。关于森林可燃物的研究主要集中于基于可燃物特性等的火险预测研究[7-8],可燃物可燃性的多维度分析(可燃性、热释放和火灾蔓延率),燃烧产生的环境效应,从空间上探究火灾蔓延态势,以及基于遥感技术开展这方面的研究等[9-10]。国外20世纪60年代便有关于应用数学模型来阐述森林可燃物与林分因子关系的研究报道[11-12],后又研究基于可燃物特性参数,对特定行政区内的森林可燃物进行可燃物模型建立[13]。如,美国构建了20个不同类型的可燃物模型并应用于林火预报[14],加拿大建立了14个不同类型的可燃物模型来模拟当地林火发生行为[15]。近年来,国外的研究侧重于可燃物的空间分布特征及其与环境因子的关系、预测模型的性能、可燃物的燃烧评价和环境效应等,如,Bilgili等[16]模拟了地表可燃物的水分含量与气候条件等的关系；Lee等[17]比较了基于3种可燃物10h含水率预测模型的性能；Baranovskiy等[18]阐述了森林可燃物热解和树冠火的数学模拟对火险评估的重要意义。国内目前主要侧重于可燃物特征、燃烧行为和环境效应、火灾风险评估、遥感等技术应用等方面。我国云南、辽宁、内蒙古、北京、江西、福建、新疆等省(自治区、直辖市)都开展了关于天然林、人工林等林分可燃物的持水性、平衡含水率时滞、燃烧特性等方面的研究[19-23],但位于华南地区的广东省,有关森林林下可燃物的研究报道相对较少,这一方面的工作亟待开展。

因社会经济的快速发展和人为干扰,广东省所分布的大面积森林类型属于人工林林分,林地面积占全省的59.9%[24]。人工林纯林结构单一,抵御各种自然灾害的能力弱,火灾是人工林最主要的破坏因子之一,轻度火灾影响林木的生长和营林效益,重度火灾可导致多年的投资和经营付之一炬,在当前气候变暖、森林火灾频发的背景下,人工林的林火管理面临严峻挑战,森林可燃物管理显得尤为重要[25]。本研究选择粤北地区的5种典型人工林:桉树(Eucalyptusrobusta)林、马尾松(Pinusmassoniana)林、杉木(Cunninghamialanceolata)林、毛竹(Phyllostachyspubescens)林和木荷(Schimasuperba)林为研究对象,测定了典型森林的可燃物理化性质(干鲜比、平衡含水率、热值和燃点的特征),初步探究了该区域森林类型的可燃物特征,为进一步开展森林林下可燃物研究、区域防火区划和林火管理等提供理论基础。同时,该研究可丰富森林林下可燃物的研究资料,为增强区域森林火灾防控、降低森林火灾风险等工作的开展提供科学参考。

1 采样地和林分概况

选取紫金县、广东石门台国家级自然保护区、乐昌市和始兴县4个典型粤北林区的林分作为研究(每种林分设置12个采样样地,每个研究区每种林分类型设置3个样地)。紫金县地理坐标为23°10′～23°45′N,114°40′～115°30′E,年平均气温20.5℃,年平均降水1 733.9mm,属南亚热带季风气候,气候温和、光照充足、雨量充沛,该地季风明显,夏长冬短。广东石门台国家级自然保护区,地理坐标为24°23′～24°28′N,113°16′～113°20′E,年平均气温和降水量分别为20.9℃和1 882.8mm,处于南亚热带与中亚热带的过渡地带,光照充足、温暖湿润、雨量充沛、雨热同季。乐昌市地理坐标为23°53′～25°31′N,112°53′～114°45′E,年平均气温和降水量分别达21.0℃和1 700.0mm,中亚热带季风气候,春秋过渡快、四季分明、雨热同季、雨量充沛。始兴县地理坐标为24°31′～25°60′N,113°54′～114°22′E,平均气温和降水量分别为19.6℃和1 468.0mm,亚热带季风气候,全年热量充足、雨量充沛,县境风冷暖交替清晰[26]。

上述4个县区中,选取区域的典型人工林分,包括:桉树林、马尾松林、杉木林、毛竹林和木荷林,林分的信息如表1所示。

表1 不同人工林林分内样地区域基本信息

2 研究方法

2.1 样地设置和取样方法

依据粤北地区的森林资源本底调查资料和实地踏查结果,2021年11月在4个研究区选取代表性强的林分类型和样地,每种林分设置12个采样样地,每个研究区每种林分类型设置3个样地。样地设置采用载波相位差分技术(Real-time kinematic,RTK)测量出样地的西南角,之后按顺时针方向测设样地的边界,形成一个边长为25.82m,面积为0.066 7hm2(1亩)的正方形,样地边界的闭合差小于1/200,之后在距离每个角顶点两边3m处设置4个2m×2m的灌木层的调查样方,并于每个样方内设置1m×1m草本、枯落物和腐殖质调查样方。灌木(Ⅰ)样品的采集:对4个灌木样方中所有灌木进行全收获,之后将样品混合,按照叶、枝、干比例取500 g鲜样。草本(Ⅱ)样品取样:对草本样方内的草本植物全收获取样(包括H<30cm的灌木),充分混合后取300 g鲜样。枯落物层分为枯落物Ⅳ(直径d<0.6cm,小枝条、叶和杂草)、枯落物Ⅴ(直径0.6cm≤d<2.5cm)和枯落物Ⅵ(直径2.5cm≤d<7.62cm),每种类型各取200 g。腐殖质(Ⅲ)的样品取样:获取4个草本样方中的腐殖质,之后将样品混合后取500 g鲜样。将上述样品带回实验室分别测定干鲜比、平衡含水率、热值和燃点。

2.2 样品测定与计算方法

1)干鲜比的测定:先称样品鲜重,然后将样品放置在80 ℃条件下烘箱连续烘干,直至质量不再变化,记录样品的干质量,森林林下可燃物的干鲜比计算公式如下:

DQR(%)=md/mf×100

工科新教师的“教师”特质先天不足：教学知识零基础、教学实践零参与、教学技能无训练、教学能力少锻炼。基于此，工科新教师培训的实践价值凸显。但在工科新教师培训中，存在六种典型偏离，严重削弱培训效果，制约工科新教师教学能力提升，影响工程人才培养质量。

(1)

式中:DQR(Dry-to-fresh Quality Ratio)为干鲜比(%)；md是样品的最终干重；mf是样品的鲜重量。

2)平衡含水率的测定:对烘干后腐殖质和3种类型枯落物的每个样品分别称3个10 g样品,装入尼龙袋,用去离子水浸泡24 h至样品饱和。放置通风处2 h去除样品表面水分,然后测定其浸泡后的饱和质量,再将样品放入恒温湿箱中(设置温度为25℃,相对湿度为30%),每隔2 h称量一次质量并记录,直到前后两次称量结果计算出的含水率的差值小于1%,计算样品的平衡含水率[27]。

(2)

式中:EMC(Equilibrium Moisture Content)为平衡含水率(%),m2则是达到平衡时的重量,m1是样品的重量。

3)称取3个10 g烘干后样品,粉碎成小颗粒的样品(一般小于1.3 mm),用于测定燃点和热值。燃点:按照可燃物种类,采用微机燃点测定仪(TRRD-2A)测定,称量样品0.1 g,加入0.075 g的亚硝酸钠,研磨混合放入石英小试管内,再应用仪器测定。热值:采用高智能高精度量热仪(OR2021A型)测定,简单操作流程为,把剪好的专用纸张放入千分位天平称称重并将数值输入仪器界面中,称量1g样品,并把数值也输入到仪器的界面中,用纸包裹样品,卡入点火丝后置入装有10mL水的氧弹,充入氧气放入仪器测定。

4)林分抗火性:应用熵权法对其抗火性进行排序,依据森林林下可燃物理化指标反映出客观信息来确定其权重的大小,当林分4种理化指标中某项指标的抗火性信息携带量越大,其熵值则越小,表示该指标对林分抗火性影响较大,则该指标在抗火性排序中所占权重越大[28]。

熵权法的计算过程具体如下:

首先,数据的标准化处理,对4个指标的原始数据进行标准化处理。平衡含水率和燃点与抗火性呈正向关系,干鲜比和热值与抗火性呈反向关系,采用极值法对数据进行标准化处理。标准化公式如式(3)—(4)所示。

(3)

(4)

式中:Yij为标准化处理后的数据；xij为第j项指标下第i个树种指标值；xj max为第j项指标下的最大值；xj min为第j项指标下的最小值。

其次,指标的信息熵的计算如式(5)—(7)所示。

(5)

k=1/lnn

(6)

(7)

式中:Yij为标准化处理后的数据；Ej为第j项指标的熵值；Pij为第j项指标下第i个林分指标值的比重；k为信息熵系数；n为林分的种类数。

再次,计算指标所占权重,计算公式如式(8)所示。

(8)

式中:Wj为第j项指标的权重；m为指标个数。

最后,基于指标的权重,使用综合评价法计算各林分抗火性的综合得分。计算公式如式(9)所示。

(9)

式中:Zi为第i种林分的最终得分；Wj为各个指标的权重；Yij为标准化值。

2.3 数据处理与分析

数据的处理,采用Excel 2010和SPSS 25.0进行数据整理和分析,方差分析中采用Duncan′s法进行多重比较[29]。使用类群间平均链锁法对5种森林类型的可燃性指标进行系统聚类,初步评价林分的抗火性。相关性分析采用Person相关系数法,运用Origin 2021进行绘图。

3 结果与分析

3.1 不同森林类型的可燃物种类的干鲜比特征

如图1所示,桉树林、杉木林、马尾松林、毛竹林和木荷林5种森林林分中,可燃物Ⅰ(灌木)的干鲜比值为45.85%～50.02%,Ⅱ(草本)的则是36.67%～50.26%,Ⅲ(腐殖质)的则达72.86%～82.34%,Ⅳ(枯落物d<0.6cm)的72.16%～82.95%,Ⅴ(枯落物0.6cm≤d<2.5cm)则是82.26%～87.24%,Ⅵ(枯落物2.5cm≤d<7.62cm)为66.64%～85.23%。5种典型人工林间可燃物干鲜比具有相似性,均无显著的差异(P>0.05)。灌木和草本层干鲜比最大均是杉木林,最小则不同,林分类型间有差别,木荷林分灌木的干鲜比最小,而草本层则是竹林中最小的。腐殖质和枯落物干鲜比最小均是木荷,最大的林分则不同,马尾松林腐殖质干鲜比达最大值,枯落物的则是桉树林最大(图1(a)和(b))。方差分析结果表明,粤北地区森林林下可燃物干鲜比在林分间无显著差异,但属于易燃林分的马尾松林和桉树林可燃物干鲜比高于木荷林等难燃林分。

图1 5种典型森林的干鲜比差异

分析表明,所有森林的林下可燃物干鲜比值变幅为41.88%～85.99%,可燃物类型中,Ⅴ(枯落物0.6cm≤d<2.5cm)的干鲜比值极显著地高于类型Ⅰ(灌木)和Ⅱ(草本)的值(P<0.01),Ⅲ(腐殖质)、Ⅳ(枯落物d<0.6cm)和Ⅵ(枯落物2.5cm≤d<7.62cm)则为过度组别(图2)。5种人工林林下森林可燃物的总体平均值中,Ⅴ(枯落物0.6cm≤d<2.5cm)的干鲜比最大,即干物质含量最大,其可燃性相对灌木和草本的高。死可燃物的干鲜比高于活可燃物,即前者的含水率低于后者的,究其原因,一方面,是活可燃物含水率主要受蒸腾失水和根部吸水相对速率的影响；另一方面,在植物的生长过程中,生理机能的调节作用促使活可燃物对外界环境的变化做出反应,以维持水分等的稳态。而死可燃物不具备活机体的调节作用,其内部细胞间隙、纤维和细胞等有机结构完好保存,水分的流动主要是受外界环境因子影响而产生的吸水和失水。

注:Ⅰ为灌木层,Ⅱ为草本层,Ⅲ为腐殖质层,Ⅳ为枯落物1(d<0.6cm),Ⅴ为枯落物2(0.6cm≤d<2.5cm),Ⅵ为枯落物3(2.5cm≤d<7.62cm)。大写字母表示0.01水平下差异显著,小写字母为0.05水平差异显著。

3.2 典型人工林林下可燃物类型间平衡含水率的差异

由图3可知,5种典型森林的腐殖质层(Ⅲ)、枯落物Ⅳ(d<0.6cm)、枯落物Ⅴ(0.6cm≤d<2.5cm)和枯落物Ⅵ(2.5cm≤d<7.62cm)的平衡含水率分别为4.77%～5.01%,6.86%～7.27%,8.26%～9.64%和9.94%～10.58%,且5种森林类型之间的这3个指标的差异具有共性,均未呈现显著性。腐殖质层和枯落物Ⅳ的平衡含水率最大的均是杉木林,最小则不同,腐殖质层的是木荷林,枯落物Ⅳ的则是桉树林,枯落物Ⅴ平衡含水率最大的是毛竹林,最小与Ⅳ相同,枯落物Ⅵ桉树林和毛竹林分别达最大和最小值(图3(a))。5种人工林可燃物Ⅲ-Ⅵ平衡含水率的总体平均值变幅为4.86%～10.26%,可燃物类型间,可燃物Ⅵ的平衡含水率总体平均值极显著地高于Ⅲ(P<0.01),且平衡含水率与可燃物的直径成正比,即伴随着可燃物直径的增加,平衡含水率随之升高(图3(b))。

注:Ⅲ为腐殖质层,Ⅳ为枯落物1(d<0.6cm),Ⅴ为枯落物2(0.6cm≤d<2.5cm),Ⅵ为枯落物3(2.5cm≤d<7.62cm)；大写字母表示0.01水平下差异显著,小写字母为0.05水平差异显著。

3.3 可燃物的燃点和热值

由图4可知,5种人工林分中Ⅲ(腐殖质)和Ⅳ-Ⅴ(枯落物样品Ⅳ直径d<0.06cm和Ⅴ0.6cm≤d<2.5cm混合样)的燃点分别为264.67～271.00℃和248.00～255.17℃,腐殖质层燃点最大和最小的林分分别是桉树林和马尾松林,枯落物Ⅳ-Ⅴ混合样中木荷林的值最大,杉木林分最小(图4(a))。上述2指标的热值则分别达8.47～11.50kJ/g和16.11～17.92kJ/g,腐殖质层中,毛竹林和马尾松林热值分别达最大和最小值,枯落物的值则与腐殖质相反(图4(b))。整体来看,人工林中地表腐殖质燃点的值极显著地高于枯落物(P<0.01),热值则相反,枯落物极显著地高于腐殖质(P<0.01),燃点和热值负相关,即燃点越高热值越低(图4(c))。燃点和热值统计分析结果表明,林分中腐殖质、枯落物的燃点和热值不仅受到林分主要树种特性如木质紧实度、纤维和含脂量等的制约,还受林分的结构、物种的多样性、地形因素和可燃物载量等影响。

3.4 可燃物特性间的关系

Person相关分析结果表明(图5),正相关关系中,可燃物Ⅰ和Ⅱ,Ⅱ和Ⅳ干鲜比均呈现极显著正相关关系(P<0.01),Ⅰ干鲜比分别和Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ干鲜比则是显著正相关(P<0.05)；可燃物Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ和Ⅵ的干鲜比两两之间极显著正相关(P<0.01)；Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ和Ⅳ的干鲜比与Ⅳ-Ⅴ(Ⅳ和Ⅴ混合样)热值均正相关,但相关性大小不同,Ⅳ与其之间极显著正相关(P<0.01),其余3相指标显著正相关(P<0.05)；此外,Ⅲ热值分别与Ⅱ干鲜比和Ⅳ平衡含水率显著正相关(P<0.05)。负相关关系中,仅Ⅲ的燃点和其热值呈现显著的负相关关系(P<0.05，图5)。5种人工林林分中,可燃物Ⅰ-Ⅵ的干鲜比之间具有正向共性,即可燃物类型两两之间干鲜比正相关。对于同种森林林下可燃物而言,燃点越高则热值越低。平衡含水率对于燃点的影响大于干鲜比的。

注:图中的值是Person相关系数,红色表示正相关,蓝色表示负相关；Ⅰ表示灌木层,Ⅱ草本层,Ⅲ腐殖质层,Ⅳ枯落物d<0.6cm,Ⅴ枯落物0.6cm≤d<2.5cm,Ⅵ枯落物2.5cm≤d<7.62cm,Ⅳ-Ⅴ则是枯落物1和2的混合样。

3.5 林分抗火性评价

林分最终抗火性得分中,木荷林最大(3.073),其次是毛竹林(2.647),桉树林、马尾松林和杉木林的最终得分分别是2.304,2.456和2.306(表2)。

表2 不同森林的抗火性综合得分

应用组间平均链锁方法(Between-groups linkage)对5种森林抗火性指标进行系统聚类(图6),得出粤北地区5种人工林的抗火性分类。森林基于抗火性指标的强度被划分成3类,第1类为木荷林,第2类是毛竹林,第3类包括马尾松林、杉木林和桉树林。5种林分中,木荷林为抗火性强林分,毛竹林居中,马尾松林、杉木林和桉树林则为易燃林分。

图6 森林抗火性指标的聚类分析

应用5种森林的可燃性指标进行主成分分析,结果表明,轴1可解释33.4%的变异,轴2累积解释14%的变异(图7)。在森林的可燃性评价中,除需依据森林的可燃物的可燃性指标之外,还需综合考虑林分(郁闭度、林分密度)、立地(地貌、海拔、坡度、坡位和坡向)和气象条件因素(温度、湿度、降雨量和风速)等。

图7 主成分分析结果

4 讨论与结论

4.1 讨论

可燃物在森林中所处的位置不同,扑救措施也不同。目前,关于森林的抗火性研究主要偏向于依据树种的器官抗火性状选出抗火性强树种[30-31],本研究则以林分为切入点,综合评价林分的抗火性,于研究地的防火管理具有重要意义。但研究未细分测定林分优势树种和灌木的枝、叶和树皮的抗火性指标,而是测定了其混合样抗火性,后续研究中可补充测定林分垂直层落的优势种器官的抗火性指标,使得林分抗火性评价结果更合理。

本研究中,不同直径(d<0.6cm,0.6cm≤d<2.5cm和2.5cm≤d<7.6cm)的森林可燃物间平衡含水率存在差异,这与韩岳宏等[32]对沈阳国家森林公园的5种林型开展的地表细小可燃物组成对平衡含水率和时滞的影响研究结果相似,直径d<0.6cm的可燃物主要是由叶构成,而剩余的两个径级的主要由枝构成,树枝相较于树叶而言,其表面积小,吸水能力强,失水速度慢,故前者的平衡含水率更大。因此,在森林抗火性研究中,死可燃物中直径组分的占比应考虑加入到评价依据之中。王婕[33]对安宁地区云南松(Pinusyunnanensis)、滇青冈(Cyclobalanopsisglaucoides)、蓝桉(Eucalyptusglobulus)和尼泊尔桤木(Alnusnepalensis)4种林分的火险等级研究结果表明,枯落物(d<0.64cm,0.64cm≤d≤2.54cm,2.54cm

抗火性是指植物抵抗和忍耐林火燃烧的能力,林分的抗火性主要受燃烧性影响,而燃烧性主要取决于林分可燃物理化性质(如含水率、灰分含量、抽提物含量等),但林分中树种的生物学和生态学特性也会直接影响林分的燃烧性[35]。本文结合森林抗火性指标进行系统聚类对林分的抗火强度进行初步探究和评价,得出粤北地区5种典型人工林的抗火性强度分类,第1类为木荷林,属抗火性强林分,第2类是毛竹林,属抗火性中等林分,第3类包括马尾松林、杉木林和桉树林,属易燃林分。文中基于林分的4种实测理化指标,应用聚类分析对林分的抗火性进行评价,有待后续增加燃烧因子、生态学和生物学因子,使林分的抗火性评价结果更合理。

4.2 结论

桉树林、马尾松林、杉木林、毛竹林和木荷林5种人工林中,可燃物Ⅰ-Ⅵ干鲜比的值分别为45.85%～50.02%,36.67%～50.26%,72.86%～82.34%,72.16%～82.95%,82.26%～87.24%和66.64%～85.23%。林分间干鲜比未呈现显著的差异,但可燃物类型间5种林分的总平均值位于41.88%～85.99%,且Ⅴ(枯落物0.6cm≤d<2.5cm)干鲜比极显著地高于Ⅰ(灌木)和Ⅱ(草本)的值(P<0.01)。可燃物Ⅲ-Ⅵ的平衡含水率分别为4.77%～5.01%,6.86%～7.27%,8.26%～9.64%和9.94%～10.58%,且平衡含水率与可燃物的直径成正比,即伴随着可燃物直径的增加,平衡含水率随之升高。5种林分腐殖质、Ⅳ-Ⅴ混合样的燃点分别为264.67～271.00℃和248.00～255.17℃,热值则分别达8.47～11.50kJ/g和16.11～17.92kJ/g,与干鲜比的分析结果相似,林分间的热值和燃点均无显著差异,但同一可燃物的5种林分总体平均值中,腐殖质的燃点极显著地高于枯落物(P<0.01),热值则相反,燃点越高热值越低。Person相关分析结果表明,可燃物Ⅰ-Ⅵ的干鲜比具有正向共性,即两两之间干鲜比正相关,平衡含水率对于燃点的影响大于干鲜比。林分基于其抗火性指标,应用组间平均链锁方法对林分抗火性进行系统聚类,5种典型人工林的抗火性强度被划分成3类,木荷林为相对抗火性强林分,毛竹林居中,马尾松林、杉木林和桉树林则为易燃林分。