木荷生长与防火效益的相关性研究

刘政沈泉周宇峰施拥军罗民强

（1浙江省长兴县林业局 313100；2浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室 浙江临安 311300）

木荷生长与防火效益的相关性研究

刘政1沈泉1周宇峰2施拥军2罗民强1

（1浙江省长兴县林业局 313100；2浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室 浙江临安 311300）

利用SPSS13和MATLAB7.0软件综合分析5个不同年龄段木荷的树高、胸径、枝下高和冠幅生长因子拟合木荷生长曲线，并综合分析木荷树高、胸径、枝下高和冠幅生长因子，对木荷防火林带开始正常发挥防火作用的初始防火年龄进行确定，得到木荷产生良好作用的防火初始年龄为8年。通过对不同年龄木荷林分比较分析认为，年龄对木荷防火存在显著影响，生长良好的木荷林带有利于森林防火。此外，还提出了木荷防火成熟龄。

木荷；生长模型；森林防火林带；防火效益

森林是陆地生态系统的主体，影响着全球的生态环境。但森林经常遭到各种自然和人为的灾害的破坏，在危害森林的诸因子中又以火灾危害最为严重。森林火灾既属于自然灾害，又属于人为灾害，具有突发性强、危害性大特点。大量研究表明，随着全球气温的升高，火灾的频率、破坏性会升高[1,2]。全球平均每年大约有0.1%的森林遭受火灾的影响[3]。由于森林火灾的破坏性大，特别是近年来世界各地不断发生森林大火，不仅烧毁森林，造成森林退化、地表裸露、加速土壤侵蚀、影响生态系统水分循环、增加大气中CO2含量、导致全球气温升高等一系列环境问题。因此，如何防治森林火灾已受到当今世界各国的备加关注。加强森林防火研究工作，最大限度地减少森林火灾造成的损失和危害，已经成为当前和今后一个时期亟待解决的重要课题。

木荷生物防火林带在预防、控制和减少森林火灾方面具有十分重要的作用，在我国南方一些地方生物防火林带的建设已初具规模，在实践中起到良好的防火作用，取得了显著的经济、社会和生态效益。木荷树种具有如下主要特性:①叶厚、含水量高，树皮厚，含灰分、油脂少，需热性高；②适生能力强，生长较快，时效长；③萌芽能力强，恢复生长快；④枝叶茂盛，排它性强等[5]。虽然木荷着火温度高、含水量大、热值小、含灰分多，但是它在不同的年龄阶段的各种物质含量都是不一样的[6]。含水量越大，油脂量越少，含灰分越多越难着火，因此要达到防火的最大效益，这些因素也必需达到最佳值。这就说明了不同年龄阶段的木荷效应是不一样的。

对木荷林带阻火机理的深入研究具有重要的科学意义和现实价值。但是，对木荷生长到什么年龄阶段时开始具有良好的防火性能，在什么年龄阶段是获得了最佳防火性能，最终在什么年龄阶段防火性能开始老化等的研究还较缺乏。而对木荷防火林带不同生长期的阻火机理的比较研究又具有十分重要意义，本文针对这些问题展开研究。

1 研究地区概况

试验地选择浙江省天目山、浙江省长兴县、浙江省建德市三个地点，都地处亚热带中部，具有典型的季风气候特点，气候温暖湿润，四季分明，热量流足，雨量充沛。

分三次调查了2、8、11、25、30年生5个不同年龄段的木荷林。其中2年生木荷林是在长兴雉城镇五丰村五丰水库周边山林，地理坐标为E119°55′09″，N31°01′10″。8、25、30年生木荷林是2009年7月在浙江省建德林场姜坞山、教场后山和建德寿昌林场谭下村等地调查，地理坐标为E 119°29′18″，N 29°33′05″。11年生木荷林是2009年4月在浙江天目山自然保护区调查，地理坐标为E 119°12′22″，N 29°29′14″。每个不同年龄段的木荷样地至少进行了三次以上重复。

试验地木荷林带都为人工种植纯林，其种植密度平均为1.8m×1.8m。在木荷林分郁闭前进行了人工除草抚育，2年生的进行人工抚育，8年生以上林分已经郁闭。木荷林内基本没有灌木和草本。与木荷林相邻的林分一般都为易燃的马尾松和杉木针叶林，其林内物种较为丰富。灌草层主要有箬竹（Indocalamus latifolius）、继木（Loropetalum chinense.）、山胡椒（Lindera glauca）、白栎（Quercus fabric Hance）、紫藤（Wisteria sinensis）、掌叶覆盆子（Rubus chingii Hu）、油茶（Camellia oleifera Abel）、芒萁（Dicranopteris dichotoma）、菝葜（Rhizoma Smilacis Chinen）、络石（Trachelospermum jasminoides）、山莓（Rubus corchorifolius）等。

2 研究方法

在木荷防火林带选择有代表性的地段，设置10m×10m的标准地。标准地面积因受林带宽度限制，所以通过增加标准地数来弥补面积过小带来的缺陷。每个年龄段的木荷林标准地数设12个，总的标准地数为60个。记录每个标准地的海拔高度、坡度、坡向、郁闭度等，调查乔木层的胸径、树高、郁闭度、枝下高、（南北、东西）冠幅等。由于木荷林内基本没有草灌，所以不对草灌层设置小样方进行调查。

3 结果与分析

木荷生长的优劣在森林防火中起关键作用，生长良好、树冠高大、枝繁叶茂、林分的郁闭度高将有利于阻挡地表火，特别是林冠火；而树高矮化，枝叶稀疏，则不利于防火。因此，对木荷树高生长进行曲线拟合具有重要意义。

3.1 木荷的生长曲线拟合

表1为5个不同年龄段的木荷胸径、树高、枝下高和冠幅群落结构因子平均值。

表1 不同年龄木荷群落结构因子

利用SPSS13软件对胸径和树高进行非线性回归分析，利用迭代方法估计非线性回归模型[7]。

利用MATLAB7.1及最小二乘原理进行编程[8,9]，采用经典的生长理论方程[10]Logistic方程y=a/(1+be-ct)，对平均胸径(D)、平均高(H)进行曲线拟合。生长方程拟合的参数及残差平方和(Q)、剩余标准差(S)、复相关系数(R2)见表2。从图1可看出，Logistic方程拟合胸径、平均高、枝下高和冠幅的生长效果都很好。

表2 Logistic生长方程拟合结果

图1 Logistic方程拟合生长曲线

3.2 木荷防火初始年龄的确定

木荷防火林带防火初始年龄的确定与树高的生长有很大相关性。树高生长的规律表明，当树高生长加速度达到极小值点时，树高生长基本进入生长稳定状态[11]。此时木荷的高度所对应的年龄为初始防火年龄，而胸径生长及树冠生长也影响防护效益的发挥[12]，木荷的枝下高对防火也具有一定影响。因此本研究从树高、胸径及树冠及生长模型确定防火初始年龄。

对于研究区的树高生长方程采用Logistic方程拟合:

此模型反映了树高与年龄的关系，其一阶导数H′(A)为树高连年生长量，其二阶导数H″(A)为树高生长的加速度，树高生长加速度的极小值时对应的林龄即为防护防火初始年龄，利用MATLAB进行求导及非线性方程求解，求出H″(A)=0时的林龄为6.4675，取整为7年，将A=7代入原树高生长方程得出防火初始年龄时的树高即成林高H=5.3042，取整为6m。防火初始年龄及成林高的确定对防护林间距的设计具有重要意义。

对于研究区的胸径生长方程采用Logistic方程拟合:

求出D"(A)=0时的林龄为8.8647，取整为9年，将A=9代入原树高生长方程得出防火初始年龄时的树高即成胸径D=6.7513，取整为7cm。

冠幅生长方程采用Logistic方程拟合:

求出GF"(A)=0时的林龄为6.5674， 取整为7年，将将A=7代入原树高生长方程得出防火初始年龄时的冠幅GF=2.2850，取整为2.3m。

枝下高生长方程采用Logistic方程拟合:

求出ZXG"(A)=0时的林龄为17.0805， 取整为18年，将A=18代入枝下高生长方程得出防火初始年龄时的冠幅ZXG=2.5013，取整为2.5m。

综合分析树高、胸径、枝下高和冠幅木荷生长因子，得到树高、胸径和冠幅的防火初始年龄分别为7年、9年、7年；而枝下高的防火初始年龄为18年，但是，木荷作为防火林带时起决定作用的林分因子是树高和冠幅。因此，取防火初始年龄的平均值为8年。将A＝8分别代入Logistic生长方程得到树高为6.1m；胸径为6.0cm；枝下高为0.61m；冠幅为2.5m。

根据浙江省2004～2006年发生火灾的40个样地的实际调查数据（2006～2007年调查）得到平均树高为6.3m，相比利用理论计算的木荷防火初始年龄计算值6.1m略小，但木荷防火林带一般种植在山腰和山脊，主要防上山火，因此具有一定高度的优势。

此外还可以木荷生物防火林带防火成熟龄的确定，其思路是木荷林分生物量的作为阻火燃料，当生物量增长达到稳定时的年龄为防火成熟龄。

4 结论与讨论

利用防火树种营建的生物防火林带能够有效降低森林自身的燃烧性，降低森林火灾损失，同时能发挥多种效益。实践证明，木荷是一种优良的防火树种，通过对不同年龄段的木荷调查分析得到以下结论:

综合分析木荷树高、胸径、枝下高和冠幅生长因子，得到木荷防火初始年龄为8年。将年龄8代入Logistic生长方程，得到树高为6.1m；胸径为6.0cm；枝下高为0.61m；冠幅为2.5m。

对木荷林带防火初始年龄的确定，由于受调查地的限制，只得到了5个年龄段的木荷生长因子，最好能够获得更多的不同年龄段的木荷，使结果更具意义。

此外，提出木荷生物防火林带防火成熟龄的概念。其确定方法思路，是将木荷林分生物量作为阻火燃料，当生物量增长达到稳定时的年龄为防火成熟龄。另外，下一步工作重点将是对试验区的木荷在不同的年龄阶段的含水量，油脂含量，含灰分等分析，比较其变化特征。

[1]Kasischke E S， French N F， Bourgenu－Chavez L L， et al.Estimating release of Carbon from 1990 and 1991 forest fires in Alaska[J].Geoghys Res，1995（100）:2941－2951.

[2]Li Z，Fraser R H，Jin J，et al.Evaluation of satellite －based algorithms for fire detection and mapping within North America[J].Geoghys Res，2003 （102）:1902－2001.

[3] Fraser R H，Li Z.Estimating fire－related Parameters in boreal forest using spot vegetation.Remote Sens[J].Environ.，2002，（82）:95－110.

[4]吕爱锋，田汉勤，刘永强.火干扰与生态系统的碳循环[J].生态学报，2005，25（10）:2735－2743.

[5]林中大，付海真，练丽.木荷防火林带效益初探[J].中南林业调查规划，2006，25（2）:53－55.

[6]张萍.木荷地理种源变异及分子基础[D].中国林业科学研究院，2004.

[7]李志辉，罗平主编.SPSS for Windows统计分析教程（第2版）[M].北京:电子工业出版社，2003: 289－294.

[8]罗建军，杨琦.精讲多练MATLAB[M].西安:西安交通大学出版社，2002:42－45.

[9]林雪松，周婧，林德新.MATLANB7.0应用集锦[M].北京:机械工业出版社，2005:282－315.

[10]孟宪宇.测树学（第2版）[M].北京:中国林业出版社，1995.

[11]姜凤岐，朱教君，周新华，等.林带的防护成熟与更新[J].应用生态学报，1994，5（4）:337－341.

[12]李春静，蒋仁忠.平原农田防护林杨树生长模型及应用研究[J].信阳师范学院学报（自然科学版），2005，18（3）:307－309.

S762.3+3

B

1004-7743（2015）01-0044-04

2014-12-13

浙江省重点科技创新团队项目（2010R50030）