亚热带典型森林类型可燃物载量分配特征

李建华,夏虹露*,唐卫平,黄 晗

(1.国家林业和草原局华东调查规划设计院,浙江 杭州 310019;2.兰溪市野生动植物保护管理站,浙江 金华 321100;3.兰溪市林场,浙江 金华 321100)

可燃物载量是森林火灾发生的重要物质基础[1],明确森林可燃物载量分配特征对林火发生预测预报、林火行为预报、灭火及森林可持续经营具有重要的理论和参考意义[2-4]。

森林地表可燃物载量是国内外林火研究的核心议题之一。国外学者主要探究了可燃物载量的影响因素及监测技术,许多学者对可燃物载量与林分因子的关系进行了探讨,如构建数学模型[5-6],分析胸径、冠幅、郁闭度等林分因子对地表可燃物载量的影响[7-9]。近年来,许多学者试图利用各类遥感方式获取森林可燃物特征,如地基雷达[10]、Landsat影像[11]等。有研究表明,森林可燃物特征因树种不同而存在差异[12-13]。国内学者主要对森林可燃物载量特征及其影响因素进行了大量有益的探索,主要集中于马尾松(Pinusmassoniana)林[14]、木荷(Schimasuperba)林[15]、兴安落叶松(Larixgmelinii)林[16]、云杉(Piceaasperata)林[17]、云南松(Pinusyunnanensis)林[18],以及飞播林等[19]。梁瀛等[17]以天山云杉林为研究对象,采用相关分析方法研究了地表可燃物载量与林分和地形因子的关系,认为海拔、坡度、树高和郁闭度对天山中部天山云杉林可燃物载量均有一定影响,其中郁闭度影响最显著。赵璇等[19]对秦岭东段油松(Pinustobuliformis)飞播林地表可燃物载量进行了系统测定,比较不同密度林分之间的差异,结果表明不同密度林分地表可燃物载量差异较大,并认为定期清理林下枯枝落叶和易燃灌草,合理调整林分密度并引进难燃阔叶树种营造结构合理的防火混交林是该区域油松飞播林进行可燃物调控和林火管理的关键。以上研究多数仅针对某单一森林类型,而针对某个区域多种典型森林类型可燃物载量的系统性研究工作相对较少,特别是对亚热带地区。

本研究以浙江省湖州市典型亚热带森林类型为对象,通过野外样地调查、实验室测定及统计分析等方法,探讨森林及其组分类型对可燃物载量的影响,并针对各森林类型乔木层单位面积蓄积量与组分单位面积可燃物载量的相关关系进行回归分析,旨在为该地区森林的可持续经营提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

浙江省湖州市(119°14′～120°29′E,30°22′～31°11′N)处于浙江北部,太湖南岸,东西长126 km,南北宽90 km,总面积5 820 km2。东部为平原地区,平均海拔3 m,西部多山,最高峰龙王山海拔1 587 m。属于典型的亚热带季风气候区,气温适中,年平均气温12.2～17.3 ℃,无霜期224～246 d。植被类型为典型的亚热带常绿阔叶林。森林覆盖率为48.2%,植被类型丰富,主要树种为毛竹(Phyllostachysedulis)、马尾松、杉木(Cunninghamialanceolata)等。灌木主要有窄基红褐柃(Euryarubiginosa)、三花冬青(Ilextriflora)、映山红(Rhododendronsimsii)、毛果南烛(Lyoniaovalifolia)、薄叶山矾(Symplocosanomala)、东方古柯(Erythroxylumsinense)、黄檀(Dalbergiahupeana)、盐肤木(Rhuschinensis)、尖叶山茶(Camelliacuspidata)、翅柃(E.alata)、美丽胡枝子(Lespedezaformosa)等。草本主要有白茅(Imperatacylindrica)、菝葜(Smilaxchina)等。

1.2 研究方法

1.2.1 样方布设

依据湖州市森林防火普查数据[20],筛选典型森林类型样地,并结合补充选设的有代表性的临时样地进行森林可燃物载量调查,获得防火调查数据,样地大小规格为20 m×20 m,共361块。所选的典型森林类型为9种,分别为杉木纯林地(115块)、栎类(Quercusspp.)纯林地(62块)、马尾松纯林地(49块)、毛竹纯林地(20块)、木荷纯林地(34块)、其他软阔叶林地(30块)、其他硬阔叶林地(36块)、其他针叶纯林地(9块)、针阔混交林地(6块)。分别于所布设样地的4个角点位置设置5 m×5 m的灌木调查样方,每个灌木样方中心位置分别布设1 m×1 m的草本调查样方。在所调查的20 m×20 m样地内,随机选设20 cm×20 cm的凋落物和腐殖质调查样方2个。

1.2.2 样方调查

对所布设的20 m×20 m临时样地进行每木检尺,乔木起测胸径为5 cm。对灌木样方和草本样方,均采用全部收获法分别测定样方内全部灌木和草本的鲜质量(精确度 0.01 g),并利用牛皮纸信封进行采样带回。对于枯落物和腐殖质调查样方,采用全部收获法测定其各层鲜质量,利用牛皮纸信封采样带回。将各临时样地内的2个枯落物和腐殖质调查样方测定的平均值作为该临时样地的枯落物和腐殖质各层的真实值,同一层次的样品混合均匀后再进行取样。根据凋落物在自然界中的分解情况,将凋落物层分3个层次分别进行调查,分别为枯落物层1(未分解层)、枯落物层2(半分解层),和枯落物层3(全分解层)。取样分层标准[21]:未分解层位于枯落物的表层,形成时间小于 1 a,未分解、未压缩成块状;半分解层已开始分解,但叶片形状尚完整,未压缩成块状;全分解层叶片形状已不完整或已不能辨认,通常压缩成块状,紧挨表土层。调查20 m×20 m临时样地内的全部枯倒木情况,测定总鲜质量,并取样带回。

1.2.3 室内分析

将野外采集的不同组分的可燃物样品放入烘箱内,在105 ℃下连续烘干24 h至质量恒定,利用电子秤称量烘干样品的干质量(精确至0.01 g)。根据样品的干湿比计算各类型可燃物载量,具体计算公式如下:

(1)

式中:D为样品的干湿比;md为烘干后样品和信封的总恒定质量,g;mb为烘干后信封的干质量,g;mn为取样的样品和塑料袋的总鲜质量,g;ma为正常状态下塑料袋的质量,g。

(2)

式中:M为可燃物载量,t/hm2;S为样方面积,m2;100为单位转换系数;ms为样方内可燃物的总鲜质量,g。

利用适用于当地的一元材积表[22]及每木检尺数据计算各森林类型的单木材积,进而计算其单位面积蓄积量,m3/hm2。根据已有的生物量方程[23]及每木检尺数据计算各森林类型的乔木层单位面积可燃物载量,t/hm2。

1.2.4 数据处理

应用SPSS 22.0,采用单因素方差分析法(One-way ANOVA)分析不同森林类型及各组分的单位面积可燃物载量差异,进行Duncan多重比较(α=0.05),分别统计其平均值和标准偏差。利用Origin 2016进行回归拟合并作图。

2 结果与分析

2.1 不同森林类型组分的可燃物载量

森林可燃物载量在不同森林类型及不同组分间的分配差异如表1所示。多数森林类型的组分单位面积可燃物载量的大小顺序均呈现出乔木层显著高于枯倒木层(P<0.05),枯倒木层又显著高于灌木层、草本层、枯落物层1、枯落物层2、枯落物层3及腐殖质层(P<0.05)。其他针叶纯林的乔木层单位面积可燃物载量显著高于灌木层、草本层、枯落物层1、枯落物层2、枯落物层3、腐殖质层及枯倒木层(P<0.05)。毛竹纯林单位面积枯倒木层可燃物载量显著高于其他组分单位面积可燃物载量(P<0.05)。

表1 不同森林类型及各组分的单位面积可燃物载量

对于乔木层单位面积可燃物载量,栎类纯林、木荷纯林和针阔混交林相对其他森林类型较高,而毛竹纯林最低。对于灌木层单位面积可燃物载量,其他针叶纯林相对其他森林类型较高,毛竹纯林最低。木荷纯林的枯落物层1和枯落物层2的单位面积可燃物载量相对于其他森林类型较高。针阔混交林、木荷纯林和其他软阔叶林的枯落物层3的单位面积可燃物载量较其他森林类型高。木荷纯林的腐殖质层相对其他森林类型具有较高的单位面积可燃物载量。毛竹纯林的枯倒木层单位面积可燃物载量较高。

2.2 乔木层蓄积与组分可燃物载量关系

各森林类型组分单位面积可燃物载量与乔木层单位面积蓄积量的相关性见表2和图1。

图1 乔灌草及枯倒木层单位面积可燃物载量与单位面积蓄积量的关系Fig. 1 The relationship between fuel load per unit area of tree, shrub, herb and fallen dead wood layer and storage per unit area

表2 枯落物及腐殖质层单位面积可燃物载量与单位面积蓄积量线性相关性

结果显示,绝大多数森林类型的乔木层单位面积可燃物载量与其单位面积蓄积量之间存在着明显线性相关性,其中,栎类纯林的相关性最高(R2=0.89),马尾松纯林、木荷纯林、其他硬阔叶林、其他针叶纯林相关性较高,R2分别为0.65、0.68、0.64和0.69。所有森林类型的乔木层单位面积可燃物载量与其单位面积蓄积量之间均呈正相关关系。多数森林类型的灌木层、草本层的单位面积可燃物载量与乔木层单位面积蓄积量之间也存在一定程度的相关性(R2<0.60),且随着乔木层单位面积蓄积量的增加,灌木层、草本层单位面积可燃物载量呈现下降趋势。

多数森林类型的枯倒木层单位面积可燃物载量随着乔木层单位面积蓄积量的增加,变化趋势不显著。马尾松纯林的枯落物层1、枯落物层2、枯落物层3的单位面积可燃物载量随着乔木层单位面积蓄积量的增加而上升的趋势较为明显。随着乔木层单位面积蓄积量的增大,杉木纯林和栎类纯林的枯落物层1、枯落物层2、枯落物层3和腐殖质层的可燃物载量呈现了略微下降的趋势。针阔混交林的腐殖质层单位面积可燃物载量随着乔木层单位面积蓄积量的增大呈现了较明显的下降趋势。

3 讨 论

森林可燃物载量特征影响林火的发生、发展及火烧强度,是森林火灾的物质基础,是森林可燃物可持续管理的基本依据[24]。森林结构组成影响水平、垂直可燃物的分配,进而影响森林综合抗火能力及发生重大或特大森林火灾的概率[25-26],对不同森林类型可燃物载量分配的探究,有利于林火的预防、管控及森林可燃物可持续管理。本研究结果表明绝大多数森林类型的乔木层单位面积可燃物载量最大,枯倒木层次之,且均显著高于灌木层、草本层等其他组分,这说明该地区森林可燃物载量的最主要贡献来自乔木层和枯倒木层,在森林内部垂直分布上存在着显著差异,这与前人的研究结果相类似[27-28]。其中,枯倒木层的单位面积可燃物载量较大是本区域森林可燃物载量的重要特征,尤其是毛竹纯林,这可能是由于相应林分密度较大的原因。为了降低火灾发生风险和森林可燃物可持续管理,针对枯倒木层较多的林分可以考虑采取综合抚育间伐的方法适当进行乔木层密度调整和林下枯倒木、濒死木的移除,加强林分抚育工作,改善林分环境和健康水平,达到提质增效、降低风险的目的。本研究结果还显示栎类纯林、木荷纯林和针阔混交林乔木层单位面积可燃物载量最高,其他针叶纯林的灌木层单位面积可燃物载量较高,这说明树种组成对组分单位面积可燃物载量具有一定的影响[12, 29-32]。相比于木荷纯林等其他森林类型,针阔混交林和其他软阔叶林的枯落物层1、枯落物层2的单位面积可燃物载量较低而枯落物层3的单位面积可燃物载量较高,说明针阔混交林和其他软阔叶林的凋落物相比之下更容易分解,组成树种的凋落物的种类丰富度及其分解难度对森林地表可燃物的分配具有重要影响。乔木层单位面积可燃物载量与乔木层单位面积蓄积量间呈较显著的正相关关系,这可能是由于树干部分是乔木层可燃物载量的主体,说明乔木层单位面积蓄积量对于森林组分可燃物载量的分析和预测具有重要的参考价值。随着乔木层单位面积蓄积量的增大,绝大多数森林类型的枯落物层和腐殖质层的单位面积可燃物载量也呈增加趋势,其中马尾松纯林的增加速率最大,而针阔混交林枯落物层1和腐殖质层的单位面积可燃物载量呈下降趋势,这可能是由于马尾松纯林的针叶分解速率较慢造成凋落物可燃物载量积累慢[14, 33-35],而针阔混交林凋落物及其分解速率相对较快[36-37]。研究结果还表明,随着乔木层单位面积蓄积量的增加,灌木层、草本层单位面积可燃物载量呈现下降趋势,这可能是由于乔木层蓄积量的增加导致林下光照强度的下降,从而影响林下灌草的生长,这可以通过控制乔木层的林分结构间接调控林下植被的生长。

乔木层和枯倒木层可燃物载量是亚热带各森林类型可燃物载量的主体。毛竹纯林的枯倒木层单位面积可燃物载量更需要重点关注。乔木层单位面积蓄积量与单位面积可燃物载量关系密切,是森林组分可燃物载量分析和预测的重要参考指标。乔木层树种组成对森林地表可燃物的分配具有重要影响。在亚热带森林可燃物经营管理过程中应充分考虑不同森林类型可燃物载量的分配特征差异及组分间的相互联系。