秦岭东段不同密度油松飞播林地表可燃物载量及其影响因素研究

赵 璇，游 玮，晁 志，李书学，卢永民，庞 越，吴普侠，王得祥*

(1.西北农林科技大学 林学院，陕西 杨陵 712100；2.陕西省山阳县林业综合服务中心，陕西 山阳 726400；3.陕西省丹凤县流岭国有林场，陕西 丹凤 726200；4.陕西省林业科学院 黄土高原水土保持与生态修复国家林业和草原局重点实验室，陕西 西安 710000)

地表火是最常见的一种森林火灾，能够直接烧死幼树、灌木和下木，烧伤大树干基和裸露根系，影响林木生长和森林更新，危害极大。而地表可燃物是发生地表火的基础，其载量是估计地表火行为指标的重要参数。研究地表可燃物载量及其影响因素对于林火管理、森林火险预测预报以及林分健康经营具有重要意义[1]。森林地表可燃物载量一直是国内外林火研究的重点。从20世纪60年代就有国外学者通过数学模型来表示地表可燃物载量与林分因子的关系[2-4]。近年来，也有不少学者继续研究地表可燃物载量与胸径、冠幅、郁闭度等林分因子的关系[5-7]。国内研究起步稍晚，20世纪80年代起才有学者陆续开展可燃物载量研究。目前国内主要集中在对马尾松(Pinusmassoniana)林、杉木(Cunninghamialanceolata)林、侧柏(Platycladusorientalis)林、兴安落叶松(Larixgmelinii)林、红松(P.koraiensis)林、白桦(Betulaplatyphylla)林等人工林或天然林地表可燃物载量的研究[8-17]，但对飞播林，尤其是油松(P.tabuliformis)飞播林地表可燃物载量特征及其影响因素的研究还鲜有报道。

油松是北方地区主要的飞播造林树种[18]。秦岭东段集中连片的油松飞播林发挥了重要的生态效益和经济效益[19]。但油松飞播林多分布于干旱且土壤瘠薄的高山、远山地区，对其多采取简单粗放的封育措施，林内枯枝落叶累积较厚，遇到火源极易引发森林火灾。因此，对秦岭东段油松飞播林进行林火管理和林分健康经营的关键是研究该区域油松飞播林地表可燃物载量特征及其影响因素。

本研究通过野外实地调查、室内测定及数据统计分析等手段研究秦岭东段不同密度油松飞播林地表可燃物载量特征，探讨林分因子对地表可燃物载量的影响，从而对该区域森林可燃物调控、林火预防工作以及林分健康经营提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于秦岭东段南麓的丹凤县，地处33°21′32″-33°57′04″N、110°07′49″-110°49′33″E，属于北亚热带向暖温带过渡的季风性半湿润山地气候区。年日照总时数2 056 h，无霜期217 d。年平均气温13.8 ℃。年平均降水量687.4 mm，集中在7-9月的降水约占年降水量的41.4%[20-21]。林区土壤类型主要为山地棕壤和山地黄棕壤[22]。丹凤县飞播造林始于1975年，至今共完成飞播造林11.18×104hm2(含复播2.59×104hm2)。飞播造林使全县森林覆盖率提高约16.7%，极大加速了荒山绿化进程[21]。飞播造林树种以油松为主，总成林面积达5.33×104hm2，大部分飞播区域油松长势优良、成林状况好、林相整齐。流岭林区是商洛飞播林基地的主要组成部分，2.87×104hm2飞播林中仅油松飞播纯林就有1.73×104hm2。油松飞播林多为纯林，少量与天然栎类混交。林下灌木主要有绣线菊(Spiraeasalicifolia)、黄栌(Cotinuscoggygria)、胡枝子(Lespedezabicolor)、马桑(Coriarianepalensis)、野蔷薇(Rosamultiflora)、盐肤木(Rhuschinensis)、连翘(Forsythiasuspensa)等。草本植物主要有萱草(Hemerocallisfulva)、苔草(Carextristachya)、香青(Anaphalissinica)等。

1.2 研究方法

1.2.1 样方设置 2019年7-8月，对研究区油松飞播林进行充分踏查，采用典型取样在1975年飞播的油松纯林中选择地形因子相似、林相较好的林分，设置14块面积为20 m×25 m的样方。参考陶观护等[22]、黄青平等[23]对油松飞播林密度等级的划分方法，结合研究区油松飞播林密度特征将所设14块样方划分为3个密度梯度。其中低密度样方(小于1 500株·hm-2)3块，中密度样方(1 500～3 000株·hm-2)6块，高密度样方(大于3 000株·hm-2)5块。通过5点取样法在每个样方的4个角及中心位置设置5个面积为2 m×2 m的灌木样方，5个面积为1 m×1 m的草本样方、枯落物样方和更新样方。

1.2.2 样方调查

1.2.2.1 样方基本信息调查 记录每个样方的海拔、坡向、坡位、坡度等基本信息(表1)。对样方内胸径大于等于5 cm的乔木进行每木检尺，测其胸径、树高、枝下高和冠幅。

表1 油松飞播林样方基本信息Table 1 Basic information of the sample plots of aerially seeded P.tabuliformis forests

1.2.2.2 地表可燃物载量测定

1)灌木层(含幼树)可燃物载量测定 调查、记录灌木样方内全部灌木及幼树的种名、高度、盖度等(由于未达到乔木起测径阶且高度小于2 m的幼树在森林火灾中的作用与灌木相似，故按灌木调查方法来调查[25])。根据灌木燃烧特性，将灌木分为活枝和枯枝。活枝按直径划分：直径大于1 cm的划分为大枝，直径小于等于1 cm的划分为小枝。枯枝按时滞分为4个等级[26](表2)。由于本研究样方中灌木层100 h时滞和1 000 h时滞可燃物几乎没有，所以只调查1 h时滞、10 h时滞枯死灌木。通过收割法将小样方内的灌木及幼树全部挖取、分类，称其鲜质量，并取样带回实验室。

表2 枯死可燃物等级划分Table 2 Classification of combustible dead fuels

2)草本层可燃物载量测定 调查记录草本样方内全部草本的种名、丛数、盖度等。采用收割法将小样方内的草本全部挖取，称其鲜重，取样带回实验室。

3)枯落物层可燃物载量测定 先分别测量枯落物样方内上层枯落物和下层枯落物厚度，再分别将其全部收获并称取鲜重，取样带回实验室。枯落物样方内的地表枯枝可燃物也按时滞分为4个等级。由于本研究样方中地表枯枝1 000 h时滞可燃物几乎没有，所以只调查1 h时滞、10 h时滞和100 h时滞地表枯枝，分别全部收获称取鲜重并取样带回实验室。

1.3 室内测定

将野外调查带回的各可燃物样品放入烘箱内，在105 ℃下连续烘24～48 h至恒重，用电子天平称其绝干质量。

1.4 数据分析

1.4.1 可燃物载量计算 各类型可燃物载量根据以下公式计算[27]：

(1)

式中：D为样品的干湿比；Md为烘干后样品和信封总恒重质量，g；Mb为烘干后信封的干质量，g；Mn为取样的样品和塑封袋的总鲜质量，g；Ma为正常状态下塑封袋的质量，g。

(2)

式中：M为可燃物载量，(t·hm-2)；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。

1.4.2 易燃可燃物分类及载量计算 易燃可燃物具有燃点低、燃烧迅速、降雨后干燥快等特点，森林起火和蔓延都是从易燃可燃物引燃开始的[28-29]。本研究中易燃可燃物包括活可燃物和死可燃物。活可燃物包括草本植物、灌木及幼树的小枝。死可燃物包括上层枯落物、地表枯枝1 h时滞可燃物和灌木枯枝1 h时滞可燃物。易燃可燃物载量根据公式(1)和(2)计算。

1.4.3 数据处理 对不同密度油松飞播林地表可燃物载量进行方差分析，对地表可燃物载量与林分因子进行相关性分析。所有统计分析通过SPSS23.0、Excel 2016进行。

2 结果与分析

2.1 油松飞播林地表可燃物载量特征

由表3可知，秦岭东段油松飞播林地表总可燃物载量为19.90～58.08 t·hm-2，其中64%的油松飞播林总可燃物载量大于30 t·hm-2，超过发生重特大森林火灾的临界条件，有较大的森林火灾隐患。总可燃物载量中，占比最大的是下层枯落物，达60%～88%；其次是上层枯落物，达8%～24%；占比最小的是灌木枯枝1、10 h可燃物和地表枯枝100 h可燃物。油松飞播林内易燃可燃物载量为4.05～11.75 t·hm-2，在总可燃物载量中占比达11%～29%。

表3 油松飞播林地表可燃物载量基本情况Table 3 Surface fuel loads of aerially seeded P.tabuliformis forests (t·hm-2)

2.2 不同密度油松飞播林地表可燃物载量差异

由表4可见，秦岭东段3个密度梯度油松飞播林灌木枯枝1 h时滞可燃物载量表现为高密度林分显著(P<0.05)大于中密度林分；地表枯枝1 h时滞可燃物载量表现为高密度林分显著(P<0.05)大于低密度林分；下层枯落物载量表现为低密度林分显著(P<0.05)大于中、高密度林分；总可燃物载量由大到小表现为：低密度、高密度、中密度，其中低密度林分显著(P<0.05)大于中密度林分。低密度林分中绝大多数可燃物载量都不大，但占比最大的下层枯落物载量最多，导致低密度油松飞播林可燃物总载量也最大。高密度林分中大多数可燃物载量均最多，但都是质量较轻的易燃可燃物，其下层枯落物载量较少，所以地表可燃物总载量低于低密度林分。中密度林分中各类型可燃物载量均较少，所以地表可燃物总载量最小。

表4 不同密度油松飞播林地表可燃物载量(平均值±标准差)Table 4 Surface fuel loads of aerially seeded P.tabuliformis forests with different density levels(Mean±SD) (t·hm-2)

2.3 油松飞播林地表可燃物载量与林分因子的相关性

秦岭东段油松飞播林地表可燃物载量与林分因子的相关性见表5，地表枯枝1 h时滞可燃物载量与密度呈极显著(P<0.01)正相关，与胸径呈极显著(P<0.01)负相关，与树高和枝下高呈显著(P<0.05)负相关。灌木枯枝1 h时滞可燃物载量与密度呈显著(P<0.05)正相关，与胸径、枝下高呈显著(P<0.05)负相关，与树高呈极显著(P<0.01)负相关。林分因子对地表枯枝1 h时滞可燃物载量和灌木枯枝1 h时滞可燃物载量影响相似，地表枯枝1h时滞可燃物载量和灌木枯枝1h时滞可燃物载量随着林分密度的增大而增大，随着油松胸径、树高和枝下高的减小而增大。灌木枯枝10 h时滞可燃物载量与树高和冠幅呈显著(P<0.05)负相关，表现为随着树高和冠幅的增大，灌木枯枝10 h时滞可燃物载量减少。草本层可燃物载量与冠幅呈显著(P<0.05)正相关，表现为随着冠幅的增大，草本层可燃物载量增大。

表5 林分因子与可燃物载量的相关性Table 5 Correlation coefficients between fuel loads and stand factors

3 结论与讨论

3.1 结论

秦岭东段油松飞播林地表可燃物载量高，发生森林火灾的可能性大。3个密度梯度油松飞播林地表可燃物载量差异明显：低密度林分可燃物总载量最大；中密度林分可燃物总载量最小；高密度林分中易燃可燃物如上层枯落物、灌木小枝、1 h时滞可燃物等载量最大。地表枯枝1 h时滞、草本层、灌木枯枝1 h时滞及灌木枯枝10 h时滞等可燃物易受密度、胸径、树高、枝下高和冠幅等林分因子影响。

3.2 讨论

可燃物载量是估计林火蔓延、火强度、火焰高度和能量释放等的重要参数[1]。胡志东等[30]研究表明，当总地表可燃物载量<2.5 t·hm-2时，发生森林火灾可能性较小，而当总地表可燃物载量>10 t·hm-2时，有发展成大的森林火灾的可能性。秦岭东段油松飞播林总地表可燃物载量均>10 t·hm-2，其中64%的林分总可燃物载量>30 t·hm-2，超过发生重特大森林火灾的临界条件，说明该区域油松飞播林具有发生较大森林火灾的物质基础。地表可燃物中枯落叶、细小枯枝和草本植物等是容易引起森林火灾的易燃可燃物，其载量大小反映引起森林火灾的难易程度。秦岭东段油松飞播林内易燃可燃物载量较高，为4.05～11.75 t·hm-2，一遇火源就会迅速被引燃，引发森林火灾。下层枯落物载量在总可燃物载量中占比最大，这与刘赵东[27]、李伟明[31]和闫泳霖[32]等的研究结果一致。油松飞播林大多分布在人力难以到达的深山远山区，因长期封育没有进行合理经营管理，林内枯枝落叶常年累积，有较大的森林火灾隐患[27,31-35]。

低密度林分下层枯落物载量显著大于中、高密度林分。林娜[36]研究不同林龄不同密度油松林凋落物分解特点时发现，近熟林在密度为1 375株·hm-2时分解最快。本研究中低密度林分密度与1 375株·hm-2接近，林下空间较大，通风较良好，枯枝落叶分解速率较快，处于分解和半分解状态的下层枯落物载量相应较高。高密度林分灌木枯枝1 h时滞可燃物载量显著大于中密度林分，这是由于密度高的林分空间狭小，灌木层植物之间竞争大，长势弱、枝条纤细的灌木及幼树处于竞争劣势，容易枯死。高密度林分地表枯枝1 h时滞可燃物显著大于低密度林分，这是由于密度大的飞播林内乔木分布密集，枝条交错生长，对空间和阳光的竞争较大，细小枝梢容易折断掉落于地面。总可燃物载量表现为低密度林分最大，且显著大于中密度林分，这与李成杰[37]、卢中波[38]、李缙[39]研究地表可燃物载量随密度增大而减小的结果基本一致。这是因为低密度林分中下层枯落物载量最多，导致总载量也最大，而中密度林分中下层枯落物载量最小，各类型可燃物载量也较小，所以总载量最小。

密度、胸径、树高、枝下高和冠幅对油松飞播林地表可燃物载量的影响主要体现在对灌木枯枝1、10 h时滞可燃物、地表枯枝1 h时滞可燃物以及草本层可燃物的影响上。灌木枯枝1 h时滞可燃物载量与密度呈显著正相关，与胸径、枝下高呈显著负相关，与树高呈极显著负相关。这是因为随着林分密度的增大，油松生长竞争激烈，侵占林下灌木生长空间、掠夺土壤中的水分和养分，导致灌木长势差，枝条容易枯死。灌木枯枝10 h时滞可燃物载量与树高和冠幅呈显著负相关，这是因为干形通直、冠形圆满的油松林下空间较大，有利于灌木层植物生长，灌木长势较好不易枯死。地表枯枝可燃物载量均与密度正相关，这与周涧青[40]的研究结果一致。这是由于生存空间和营养物质有限，密度越大，乔木层油松间种内竞争就越大，不仅不利于油松的生长，对灌木层和草本层植物的生长也极为不利，整个林分活力低，地表枯枝就相应较多。地表枯枝中1 h时滞可燃物载量与树高、枝下高呈显著负相关，与胸径呈极显著负相关，这是因为油松飞播林的密度比天然林、人工林大得多[41-42]，密度大的林分乔木层生长空间狭小，油松生长竞争大，整体较为低矮、纤细，长势不佳，细枝末梢容易枯死掉落在地面。草本层可燃物载量与冠幅呈显著正相关，这是由于冠幅大的林分油松分布较为稀疏，林下空间相对较大，草本层生长状况良好，载量较大。

秦岭东段油松飞播林密度大，林内树木生长状况不佳，易受病虫鼠害侵扰，再加上长期封育，林内地表可燃物大量堆积，有发生重大森林火灾的可能性。应及时对油松飞播林进行适当抚育，定期伐除遭受病虫鼠兔侵害以及雪压、风折的病死木和枯立木，引进难燃阔叶乡土树种营造防火混交林。并定期清理林下堆积的枯枝落叶，对丛生易燃的灌草进行选择性地机械割除。