大兴安岭南部主要林分地表可燃物负荷量及其影响因子研究

周涧青，刘晓东，郭怀文

(1 北京林业大学 省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京100083；2 武警黑龙江森林总队大兴安岭地区支队，黑龙江 大兴安岭165000)

森林地表可燃物是林火发生的物质基础，地表可燃物负荷量影响着森林火灾发生时的潜在火强度等林火行为指标。森林地表可燃物的燃烧是林火的初始阶段，其燃烧强弱不仅取决于自身的尺寸大小、结构状态等理化性质，还取决于地表可燃物的数量及其分布格局[1]。在既定的环境条件下，森林可燃物的负荷量大小显著影响着林火的行为特征[2-4]。因此，林火生态研究领域的热点一直包括对森林可燃物负荷量及其影响因子的研究[5]。利用林分因子来建立可燃物负荷量模型的研究最早始于美国[6-7]；Ryu等[8]提出通过火烧减少可燃物负荷量从而降低森林的燃烧性；Finney[9]认为应制定长期有效的可燃物管理措施，定期监测林内的可燃物，从而采取相应的措施清理可燃物来降低森林火险。我国对可燃物及其管理的研究起步相对较晚，邸雪颖等[10]、刘晓东等[11]建立了大兴安岭林区1，10和100 h时滞的地表可燃物负荷量数学模型。田晓瑞等[12]对大兴安岭南部地区春季火烧后可燃物消耗的研究发现，地表可燃物负荷量在不同火烧程度下有一定差异，而可燃物与林火间关系的研究是探究森林火灾碳排放的基础。王明玉等[13]对北京西山的可燃物进行研究后，认为草类和其他枯落物的负荷量及分布对森林火灾初始蔓延速度具有重要决定作用。舒立福等[14]认为，由于可燃物的特性不同，其对林火行为的影响也不同，可以通过清理采伐现场或其他林火管理措施来减少可燃物。陈宏伟等[15]在分析不同时滞及总可燃物负荷量的基础上，建立了大兴安岭呼中林区典型森林地表死可燃物负荷量及其影响因子的多元线性回归方程。郭利峰等[16]对北京八达岭林场人工油松林内地表死可燃物负荷量与立地、林分因子的相关性进行研究后认为，可燃物负荷量与林分平均胸径、平均树高和密度呈正相关，与郁闭度、坡度呈负相关。胡海清[17]研究了大兴安岭森林地被可燃物负荷量与林分因子之间的关系，建立了各类可燃物负荷量模型，证明了利用林分特征因子估测地表可燃物负荷量是可行的。

大兴安岭南部地区气候寒冷，地表可燃物分解速率慢，林下可燃物大量累积，一遇火源即有可能发生较强的火灾，其火灾类型以地表火为主[18-19]。其对该地区主要森林类型兴安落叶松和白桦林内的地表可燃物负荷量及其影响因子进行了分析，以期为该地区森林可燃物的管理、林火行为预报及生物防火林带的建设提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

加格达奇位于大兴安岭南部余脉，属低山丘陵地带，地理坐标为东经123°45′-124°26′，北纬50°09′-50°35′。地势西北偏高，东南偏低，平均海拔为472 m，土壤为棕色森林土，平均厚度22 cm。加格达奇地处高纬度寒温带地区，属大陆性季风气候；夏季短暂，不超过1个月；冬季寒冷而漫长，冰冻期长达半年之久；春秋两季天气变化强烈，高温、干燥和大风天气常见，因而春季和秋季是林火的高发期。全年平均温度-2～4 ℃，年温差较大，年有效积温1 700～2 100 ℃，无霜期为85～130 d。年降水量为450～500 mm，且多集中在夏季，7-8月降水量占全年降水量的85%～90%[20]。

该区地带性植被类型为寒温性针叶林，森林类型以兴安落叶松(Larixgmelinii)及其混交林为主，主要的针叶乔木树种有兴安落叶松和樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)，阔叶乔木树种由白桦(Betulaplatyphylla)、蒙古栎(Quercusmongolica)、山杨(Populusdavidiana)等组成。林下植被由偃松(Pinuspumila)、杜香(Ledumpalustre)、兴安杜鹃(Rhododendrondauricum)、越橘(Vacciniumvitis-idaea)等为主的灌木层和以地榆(Sanguisorbaofficinalis)、贝加尔唐松草(Thalictrumbaicalense)、三穗薹草(Carextristachya)等为主的草本层组成。

1.2 研究方法

1.2.1 林分选择 本研究于2012-09在大兴安岭加格达奇林业局境内选择具有代表性的兴安落叶松林和白桦林，根据立地因子(海拔、坡度、坡位)和林分特征(林龄、郁闭度、密度、平均树高、平均胸径等)，各设置样地6块。样地面积均为20 m×20 m，记录样地的海拔、坡度、坡位等立地因子，同时记录郁闭度、胸径、树高、林龄等林分因子和林下凋落物层的厚度及腐殖质层厚度，具体方法如下。1)郁闭度测定。在每个样地拉2条对角线，计算树冠投影到其中一条对角线上的长度之和与对角线长度(28 m)之比，得出的值即为郁闭度[21]。2)平均胸径测定。在每个样地内对所有树木进行每木检尺，测得胸径(cm)并求其平均值。3)平均树高测定。在每个样地内选取3株标准木，使用勃鲁莱氏测高仪测量每株标准木的树高(m)并求其平均值。4)平均林龄测定。在每个样地选取3株标准木，使用生长锥测其林龄并求其平均值。5)凋落物及腐殖质厚度测定。使用切刀切取死地被物层剖面，最大限度保持凋落物及腐殖质的结构形态，用刻度尺测量其厚度[22]。

试验所选取样地的基本概况见表1。

表1 大兴安岭南部兴安落叶松林与白桦林样地的基本概况

1.2.2 可燃物调查 本研究对以灌木、幼树、草本、枯落物为主的地表可燃物负荷量进行测定。在样地对角线上设置3块1 m×1 m的小样方，用纸袋对样方内的地表可燃物按照1 h时滞(直径<0.64 cm)、10 h时滞(0.64 cm≤直径≤2.54 cm)、100 h时滞(2.54 cm<直径≤7.62 cm)的标准分级采集[23]，在野外称量其湿质量，并取样带回实验室测定其含水率。

易燃可燃物又称为细小可燃物，本研究易燃可燃物主要包括大部分位于地表的枯草、枯叶、枯枝等死可燃物，这些可燃物轻薄细小，形成结构疏松的可燃物层，彼此间空隙大，水分易流失，干燥、易燃，含水率随大气湿度变化而变化[24]。大部分草本、幼树叶和小枝(基径>1 cm)、灌木叶和小枝(基径<1 cm)等小直径活可燃物，在气象条件发生改变时，含水率降至临界点也极易燃烧。分布在林下地表的不同种类易燃可燃物是森林火灾的引火物和地表火水平蔓延的基础。

1.2.3 室内分析 将野外采集的样品放入烘箱内，恒温105 ℃下连续烘干24～72 h至恒质量，用电子天平称得可燃物绝干质量。采用北京林业大学王晓丽等[25]建立的公式计算地表可燃物负荷量，其公式如下：

(1)

式中：Fl为可燃物负荷量(g/m2)；i为可燃物类别，代表灌木、草本可燃物、1 h时滞可燃物、10 h时滞可燃物或100 h时滞可燃物；Wi g为第i类可燃物样品烘干后的质量(g)；Wi n为n个样方单位面积第i类可燃物的平均湿质量(g)，其中灌木n=5，草本、枯枝n=10；Wi G为第i类可燃物的湿质量(g)；WB为纸袋干质量(g)；WA为纸袋湿质量(g)；

1.2.4 数据处理 使用SPSS 21.0(IBM，2012)对兴安落叶松和白桦林下各类别的森林地表可燃物与立地和林分因子进行相关性分析，使用Origin 8.0(OriginLab，2007)绘制兴安落叶松和白桦林下各级别地表可燃物的数量分布图。

2 结果与分析

2.1 大兴安岭南部兴安落叶松林与白桦林的地表可燃物负荷量

根据公式(1)计算12块样地的地表可燃物负荷量，结果如表2所示。

对表2的样地数据进行整理求取兴安落叶松林和白桦林内地表可燃物平均负荷量，结果见图1。

图1 大兴安岭南部兴安落叶松林与白桦林下各类地表可燃物的平均负荷量

由图1可知，在兴安落叶松林下，灌草平均可燃物负荷量为2.90 t/hm2，白桦林下此类可燃物平均负荷量为2.26 t/hm2；兴安落叶松林下1 h时滞平均可燃物负荷量为6.34 t/hm2，白桦林下此类可燃物平均负荷量为2.65 t/hm2；兴安落叶松林下10 h时滞平均可燃物负荷量为3.51 t/hm2，白桦林下此类可燃物平均负荷量为2.00 t/hm2；兴安落叶松林下100 h时滞平均可燃物负荷量为3.05 t/hm2，白桦林下此类可燃物平均负荷量为1.58 t/hm2。兴安落叶松林下的平均可燃物总负荷量为15.80 t/hm2，其中58.46%为易燃可燃物(灌木小枝、草本和1 h时滞可燃物)。白桦林下的平均可燃物负荷总量为8.48 t/hm2，其中57.91%为易燃可燃物。

由图1还可知，兴安落叶松林下的可燃物负荷量明显高于白桦林。大兴安岭南部地区白桦林受火干扰影响较大[26]，地表可燃物有所损耗，林下更新较多。而兴安落叶松林在充分郁闭前，林下生长着许多喜光易燃杂草，随着林分密度的增大，林冠郁闭程度也随之增加，林内温度变低，使林下枯落物分解速度减慢，林内的可燃物大量积累，因而各类可燃物负荷量水平较高。

2.2 大兴安岭南部兴安落叶松林地表可燃物负荷量的影响因子

对整个兴安落叶松林的立地因子、林分因子与各类地表可燃物的负荷量进行相关分析，其相关系数见表3。由表3可知，地形因子与各类地表可燃物负荷量相关性较低。就整个兴安落叶松林而言，灌木可燃物负荷量与林分密度呈极显著负相关，表明林分平均密度越大，林下的光线越弱，林下灌木生长受上层乔木压制，因此密度较大的林分灌木可燃物负荷量相对较小。草本可燃物负荷量也与林分密度呈极显著负相关，这是由于在林分未郁闭前，林下具备耐荫、喜阴草本的生长条件，随着林分密度逐渐增大，林下小环境发生改变，林下光照减弱，加之乔冠层生长所吸取的养分增多，草本可燃物负荷量逐渐减少。1 h时滞、10 h时滞可燃物负荷量与林分郁闭度、平均胸径和平均树高呈显著或极显著正相关，这是因为随着林分郁闭度、平均胸径和树高的增大，林分的冠幅越来越大，林下的枯落物逐渐增加[27]，从而使得1 h时滞和10 h时滞可燃物越来越多。100 h时滞可燃物负荷量与林分的郁闭度、平均胸径和平均树高呈显著或极显著正相关，是因为随着郁闭度、树高和胸径的增加，单位面积内树木的生长空间减小，自然稀疏现象在林分内就越明显，较大的枯枝越来越多地出现在林下[28]，使得100 h时滞可燃物负荷量增加。

地表的自然情况也会影响林内的地表可燃物负荷量，对兴安落叶松林下的地表可燃物与凋落物厚度、腐殖质厚度间的关系进行进一步研究，结果见表3。从表3可以看出，灌木和草本可燃物负荷量与地被物层无显著相关性，1 h时滞、10 h时滞、100 h时滞可燃物负荷量与凋落物厚度、腐殖质厚度呈显著或极显著正相关，凋落物厚度越大，枯落物在林内的积累越多，腐殖质厚度逐渐增大。

表3 大兴安岭南部兴安落叶松林各因子与地表可燃物负荷量的相关系数

2.3 大兴安岭南部白桦林地表可燃物负荷量的影响因子

对白桦林的林分、地形因子与各类地表可燃物的负荷量进行相关分析，结果见表4。由表4可知，立地因子对白桦林各类可燃物负荷量无显著影响。白桦林中灌木和草本可燃物负荷量与林分密度呈极显著负相关，这是因为随着林分密度的增加郁闭度增大，林内光线减弱,不宜灌草生长，同时密度大的林分物种的生长竞争也较为激烈，随着林分密度的增大可燃物负荷量减小。1 h时滞、10 h时滞和100 h时滞可燃物负荷量与林分平均胸径、腐殖质层厚度呈显著或极显著正相关，这是因为随着林分平均胸径的增大，其冠幅逐渐增加，郁闭度增大，使林内温度降低，林木自然整枝产生的枯枝在林下积累，使腐殖质层也随之增加，导致可燃物负荷量增大。

表4 大兴安岭南部白桦林各因子与地表可燃物负荷量的相关系数

3 讨论与结论

在大兴安岭南部地区，兴安落叶松林下的平均可燃物负荷总量为15.80 t/hm2，其中58.46%为易燃可燃物。白桦林下的平均可燃物负荷总量为 8.48 t/hm2，其中57.91%为易燃可燃物。总体而言，大兴安岭南部地区的地表可燃物负荷量水平较低；郁闭度、平均树高和平均胸径是影响林分地表可燃物负荷量的主要因子。相关分析结果表明，兴安落叶松林下灌木与草本可燃物负荷量主要与林分密度呈负相关；1 h时滞、10 h时滞和100 h时滞可燃物负荷量与郁闭度、平均胸径、平均树高呈正相关。白桦林下灌木、草本可燃物负荷量与林分密度呈负相关，1 h时滞、10 h时滞和100 h时滞可燃物负荷量主要与平均胸径呈正相关。这与以往研究所得出的结论一致。胡海清[17]、陈宏伟等[15]、郭利峰等[16]的研究认为，可燃物负荷量与海拔、坡度、坡向等立地因子的相关性也较高。本研究虽然也涉及地形因子与可燃物负荷量的相关性分析，但相关性并不显著，这可能是由于大兴安岭南部地区地形的整体差异较小所致。国内有学者研究认为，林下可燃物负荷量及其分布与林龄密切相关[29-31]，而本研究显示可燃物负荷量与林龄无明显的相关关系，这可能是由于研究区兴安落叶松林和白桦林林分的龄级比较接近造成的。

森林地表可燃物主要包括林下植被、枯落物层和地被物层，其生物量是地表可燃物负荷量的重要组成部分。研究森林地表可燃物负荷量的影响因子，可以对大兴安岭南部地区相似林分类型的可燃物管理提供一定的参考依据。本研究结果表明，研究区可燃物负荷量在不同林分内的分布特点各有不同，因此在进行可燃物管理时，应选择合理适宜的措施。例如，郁闭度显著影响着林下可燃物的负荷量，因此对郁闭度较高、人类活动频繁的林分应该定期清理林下可燃物，以减少可燃物的负荷量。在现今森林生态系统不断受到危害的严峻形势下，森林经营活动应逐渐重视保护森林物种的多样性与森林生态系统的稳定性；对森林可燃物的管理应更加突出生态效益，选择有针对性的可燃物管理措施，降低潜在森林火灾风险；在营林工作中应注重保护森林物种的多样性，提高生态系统的稳定性，从而科学地管理大兴安岭南部地区森林可燃物[32]。

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