全国森林可燃物载量样地调查与预估方法探讨

杨雪清,孙志超,柴 政,邱议文,蒋春颖

(1.国家林业和草原局林草调查规划院,北京 100714；2.新疆生产建设兵团林业和草原工作总站,乌鲁木齐 830011)

森林和草原火灾突发性强、破坏性大、危险性高,是全世界各国发生最频繁、处置最困难、危害最严重的自然灾害之一[1-2]。同时,森林和草原火灾能够在瞬间释放大量CO2[1],是制约我国顺利实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和目标的重大威胁。因此,加强对森林火灾的预测和风险评估是各国学者长期关注的热点话题之一[3-4]。可燃物、火源和气象条件是森林火灾的三要素[5],可燃物载量是指单位面积上可燃物的烘干重量,在确定环境和气象条件下,可燃物载量大小与林火发生的行呈显著正相关关系[6]。

由于森林群落的多样性、复杂性和显著的地域性差异,导致可燃物载量存在着较大的空间和时间变异性,难以通过数学或机理模型精确量化[6]。样地调查是当前国内外精准获取森林可燃物载量的重要方法之一,其与现有的森林资源调查体系(如一类、二类调查)相比[7-8],可燃物载量调查的程序和技术要求更加繁琐、调查专业性更强[9],如果发生火灾,对可燃物载量的调查则很难实现。因此,有必要针对我国森林资源特征设计一套高效可行的森林可燃物样地调查与载量预估方法,进而为森林火灾危险性、森林火灾隐患、森林火灾风险的评估区划，以及各种森林火灾防治手段的制定提供有利的数据和技术支撑。

1 样地分层抽样

1.1 样地分层要素

在全国森林资源调查数据基础上,结合高分辨率遥感数据,选择植被区域、树种(组)、森林起源、龄组、郁闭度等级5项指标对全国森林可燃物调查类型进行分层。

1)植被区域。根据吴征镒[9]完成的中国植被区划成果,中国植被可分为寒温带针叶林区域、温带针阔叶混交林区域、暖温带落叶阔叶林区域、亚热带常绿阔叶林区域、热带季雨林和雨林区域、温带草原区域、温带荒漠区域、青藏高原高寒植被区域等8个植被区域；考虑到可燃物调查主要在森林分布区域,将温带草原区域、温带荒漠区域合并为温带草原和荒漠区域,共分为7个区域,并依次编号。

2)树种(组)。以省为单位,调查树种(组)应按优势树种前2位合并后的树种面积进行统计,前85%树种分别分层,剩余15%的面积较小的针叶树种合并为针叶混,阔叶树种合并为阔叶混,其他统一合并为针阔混交林3种植被类型,参与分层；采用2位阿拉伯数编号,代码与编号方法同一类清查优势树种(组)的分类代码；其中,经济类树种中园地、矮化无主干的经济林树种不作为样地调查树种。对于胸径≥2cm的竹林按乔木林对待,而胸径<2cm的则按照灌木林对待。

3)森林起源。分为天然林、人工林、人天混3种,依次编号为1,2,3。

4)龄组结构。分为幼龄林、中龄林、近熟林以及成过熟林4类,依次编号为1,2,3,4。

5)郁闭度等级。分为高郁闭度、中郁闭度以及低郁闭度3类,依次编号为1,2,3。

以上各指标划分参照《森林可燃物标准地调查技术规程》(1)全国森林和草原火灾风险普查技术组.森林可燃物标准地调查技术规程(FXPC/LC F-01).2021.执行。根据分层指标,对各省森林资源情况进行分层,分层后按类型编号,乔木林标准地表示为:**植被区域**树种(组)**起源**龄组**郁闭度等级,灌木林标准地表示为:**植被区域**树种(组)**起源**0**郁闭度等级。用6位阿拉伯数字表示,每位数字代表相应分层的类型号,如“212132”。

1.2 样地数量分配

1)为了保证标准地数量能够满足模型拟合精度要求,同时兼顾标准地调查成本控制,全国面积最小层的标准地数量不应少于50个,而面积最大层的标准地数量不超过150个。为了保证估算精度,通常还需额外增加10%的安全系数。

2)根据标准地数量和各层面积,计算每个标准地代表的面积,然后分别按各分层斑块面积大小,分配标准地,斑块面积达不到一个标准地所代表的面积时,可以多个斑块合并后,在面积大小满足要求并具有代表性的斑块中设置标准地。

3)在各层分配标准地时,充分考虑地形要素,要将每层的标准地均匀分配在本层所有斑块的坡度、坡位、坡向的斑块中,并且保证标准地在每个要素类型中分配数量不少于3个。

2 可燃物载量调查

森林中的可燃物一般分为活可燃物和死可燃物[6]。活可燃物一般指在林内生长的所有植被,包括乔木、幼树、藤本、灌木、草本等；死可燃物一般指林分内已经死亡的枯立木、枯倒木、枯枝和地表调落物等。

2.1 乔木层可燃物载量

2.1.1样地设置

乔木层标准地布设通常按正方形设置,面积为25.82m×25.82m(0.067hm2),闭合差小于1/200；当坡度>5°时,还需要改算为水平距离。对标准地的人为和自然干扰要素(如采伐、火灾、病虫害等)进行全面调查,并记录样地的坐标、海拔、坡度、坡向、坡位等因子。同时,用数码相机(像素≥200万)对样地西南角和样地全貌进行拍照。照片采用拍摄时的绝对时间加上样地坐标进行编号。

2.1.2样地调查

调查并记录样地地形、林分等基本特征(表1)。每木调查主要测量样地内胸径≥5cm的每株树木(含枯死木)的树种、胸径和状态等信息。根据每木检尺数据,计算林分的平均胸径,并在样地内选择3～5株平均木(胸径接近林分平均胸径)测定其树高,进而推算该样地的林分平均树高。需要注意,乔木层的起测胸径为5.0cm。

对于胸径≥5cm的枯立木,测定其胸径、实际高度和分解状态。枯立木的分解状态依据大、中和小枝的状态分为4个等级:1)与活立木相比,树木的大、中、小枝基本完整,但只是枯死状态；2)有大、中枝,但无小枝；3)只有大枝,中小枝全部脱落；4)只剩主干,而完全没有枝。

对于枯倒木,记录并测定枯倒木的材积和密度级。对枯倒木从树根开始按1m进行区分,分别测定每一区分段两端的直径,树梢不足1m部分仅量测其梢底直径和长度。假定每一区分段为圆柱体,以其两端直径的平均值作为区分段的平均直径,计算每区分段的材积；树梢部分的材积则按圆锥体进行计算。圆柱体部分和圆锥体部分的材积合计即为整根枯倒木的材积:

(1)

表1 主要调查因子质量要求表Tab.1 Quality requirements for main investigation factors

枯倒木的密度采用弯刀敲击的方式将其可划分为3个等级。当用弯刀敲击枯倒木时,如果刀刃反弹回来,则为未腐木；如果刀刃部分进入枯倒木,则为半腐木；如果枯倒木裂开,则为腐木；如过为中空腐木,则应扣除中空体积。

2.2 灌木层可燃物载量

2.2.1样方设置

灌木层可燃物载量调查可采用固定样地和新设样地2种方法(图1)。其中,固定样地方法可依托一类调查样地开展,分别在样地的4个顶点(即东、南、西、北)向外移动2m,且每个角仅选择向一个方向移动,且需保证所设置的样方均在样地各边2m以外区域,避免对样地内原有植被破坏(图1(a))。新设样地为方形配置(25.82m×25.82m,图1(b)),选择距标准地每个角顶点2边3m处设置4个灌木层、草本层、枯落物层和腐殖质可燃物载量调查样方。

图1 一类清查样地和新设样地中灌木 草本 枯落物腐殖质样方配置图Fig.1 Location map of shrub-,herb-,litter-and humus-layer quadrat in continuous forest inventory plot and new sample plot

枯落物层、草本层、腐殖质样方均为1m×1m,灌木层样方为2m×2m。在调查前先对样方进行编号,按西南、西北、东北、东南,分别编号1,2,3,4。对每个样方拍摄照片,包括景观照、俯视全貌照、近景照。同时,在收获及样品采样前后,分别拍摄样方俯视照、样方收割后俯视照等2类相片,照片采用绝对坐标加绝对时间进行编号。

2.2.2样方调查

调查灌木层优势种的种名、盖度、平均高、地径、株数等(表2)。对直径<5.0cm的幼树仍按灌木进行调查。根据样方中灌木根径和高度的平均水平,选择3株标准灌木进行收获,并测定其地上部分的树干、树枝和树叶的鲜重,称量精度保留到称量仪器的最小刻度(10g),记录选取的3株标准灌木种名、高度、地径等因子。如果灌木为丛生状,则应根据样方内所有灌丛高度和冠幅的状态选取1～2丛平均灌丛,并采用完全收获法测定其各器官(即干、枝、叶)的总鲜重、样品鲜重和样品干重。灌木样方调查内容如表2所示。

表2 灌木样方调查内容Tab.2 Contents of shrub-layer quadrat survey

2.2.3样品采集

每个样方选取3株平均大小的标准灌木,分别取每株灌木的树干、树枝和树叶相同质量比10%～20%混合,同一标准地内4个样方按照灌木树种分别混合取样,混合后的每份样品不少于500g。样品采集好后,分别放入样品包装袋内并附上统一编号的标签。样品标签应写明采集人、采集日期、采集地点、样地号、样方号、样品类型等相关内容。

2.3 草本层可燃物载量

在每个草本层样方内,沿地面完全收获每个样方所有活草本植物和高度不足30cm灌木的地上部分。充分混合标准地所有样方草本植物干、枝和叶各部分,取混合后新鲜草本植物300g左右,装入样品包装袋中并贴上标签。标签应写明采集人、采集日期、采集地点、样地号、样方号、样品类型等相关内容。

2.4 枯落物层可燃物载量

用工具收集样方内全部枯落物,包括各种枯枝、枯叶、枯果以及半分解部分等枯死混合物,并剔除其中土块、石砾等非有机物质。根据枯落物直径(d)大小,将其划分为3个等级:枯落物Ⅰ(d<0.6cm);枯落物Ⅱ(0.6cm≤d<2.5cm);枯落物Ⅲ(2.5cm≤d<7.62cm)。

在各样方内对每类枯落物分别称其鲜重,并将样地内所有样方各类枯落物样品分别混合取样,取混合后的枯落物200g左右,装入样品包装袋中,贴上标签。标签应写明采集人、采集日期、采集地点、样地号、样方号、样品类型等相关内容。

2.5 腐殖质层可燃物载量

调查腐殖质层厚度,采用完全收获法收获每个样方内腐殖质,剔除腐殖质中石砾、土块、明显的树根等非腐殖质,测定和记录样方内腐殖质湿重,并将所有样方样品混合取200g样品带回实验室。

3 可燃物载量计算

3.1 乔木层可燃物载量

对有异速生长方程的树种,选择相应树种(组)异速生长方程,计算单株生物量,相加得标准地可燃物载量,其中,异速生物量模型形式和构建要求参照文献[10]。对没有相应异速生长方程的树种,以标准地每木调查结果为基础,选用各树种材积公式,计算单木并汇总得到标准地蓄积量,再选用生物量扩展因子方法计算得到标准地可燃物载量,其中,生物量扩展因子模型可参照文献[11]。对活立木,利用对应树种的活立木可燃物载量异速生长方程计算其地上部分可燃物载量,然后乘以1-ρ值作为枯立木可燃物载量。对于各等级枯立木,ρ的取值可分别为2%(Ⅰ类)、20%(Ⅱ类)、30%(Ⅲ类)和50%(Ⅳ类)。对于枯倒木,可利用各树种的基本密度和材积数据,求出各密度级枯倒木的可燃物载量(某密度级枯倒木木材密度×该密度级枯倒木体积),最后累加各密度级枯倒木可燃物载量得到样地枯倒木的可燃物载量。

将标准地乔木层生物量(kg)换算成以吨(t)为单位的每公顷乔木层可燃物载量:

(2)

式中:Bt为乔木层单位面积生物量(t/hm2)；Bp为样地生物量(kg)；Ap为样地面积(m2)。

3.2 灌木层可燃物载量

根据各样方调查得到的灌木株数/丛数、样品鲜重、样品干重等数据,按下式计算各样地的灌木总干重:

Bg,i=Ng,i×Bb,i=Ng,i×Pg,i×Wg,i

(3)

式中:Bg,i为标准地中第i个样方的灌木总干重；Ng,i为标准地中第i个样方的样方内灌木株数或丛数；Bb,i为标准地中第i个样方内标准灌木的总干重；Pg,i为标准地中第i个样方内标准灌木的干鲜比；Wg,i为标准地中第i个样方内标准灌木的总鲜重。

如果标准地内灌丛间的大小差异很大,可以在上式中增加冠幅、高度等因子进行换算,提高计算精度。得到的标准地所有样方的灌木总干重(kg),按下式求出灌木层单位面积可燃物载量。

(4)

式中:Bg为标准地内灌木可燃物载量(t/hm2)；m为标准地内灌木样方的数量；Ag为灌木层的样方面积(m2)。

3.3 草本层腐殖质层可燃物载量

根据样地内各草本层(或腐殖质层)中调查样方内总鲜重、样品鲜重和样品干重3项数据推算各样方草本层(或腐殖质层)的总干重:

Bq,i=Pq,i×Wq,i

(5)

得到标准地所有样方枯落物总干重(kg),按下式求出不同种类枯落物的单位面积可燃物载量:

(6)

式中:Bq为标准地内草本层或腐殖质层的可燃物载量(t/hm2);Bq,i为标准地中第i个样方的草本层或腐殖质层的总干重；Wq,i为标准地中第i个样方内草本层或腐殖质层的总鲜重；Pq,i为标准地中第i个样方内草本层或腐殖质层的干鲜比；n为标准地内草本层或腐殖质层的样方数量；Aq为草本层或腐殖质层的样方面积(m2)。

4 结语

在已有国家森林资源调查数据和高分辨率遥感图像的基础上,本研究选用植被区域、树种(组)、起源、龄组、郁闭度等级等5项指标进行森林可燃物的样地分层抽样；对乔木层,采用每木调查并结合异速生物量模型或生物量扩展因子方法进行可燃物载量的估计,而对灌木层、草本层、枯落物层和腐殖质层则通过样方调查和样品含水率数据估算其可燃物载量。该方法已在第一次全国自然灾害综合风险普查中得到应用,在后续研究中,可在收集数据的基础上尝试构建各层(如灌木层、草本层等)与乔木层可燃物载量、林分、地形等因素间的预估模型,进而实现这4个层次可燃物载量的快速预估,以期为大范围可燃物载量的空间制图和森林火灾风险评估提供参考。