珠三角地区森林可燃物载量分布格局研究——以中山市为例*

陆双莉 戴智明 梁少湖 黄文浩 周宇飞

(1.广东鑫华资环科技有限公司, 广东 江门 529020; 2.广东省江门市农业科技创新中心, 广东 江门 529099;3.广东省林业科学院研究院, 广东 广州 510520)

森林可燃物是指林分内的一切植物有机质, 包括树干、 枝、 叶、 腐殖质、 枯落物等[1-2]。 可燃物是森林火灾的燃烧基础, 是影响林火发生、 林火危险性、 火烧强度等的重要因素[3]。 因此, 可燃物载量的分布特征是评估森林火灾危险性的重要指标[4]。明确可燃物载量的垂直、 水平分布格局对于林火监测预报、 防范化解火灾风险具有重要意义[5], 为有效开展区域森林可燃物调控管理提供科学决策依据。

针对森林可燃物的研究开展了许多, 不少学者研究了不同林分特征对其林下可燃物载量的影响[6-7]。 相同的林分特征在不同地理区域中森林可燃物载量差异不尽相同, 这是由于地理差异导致的水热条件不同[8-9]。 有研究表明, 海拔、 纬度、坡度[10-11]等是影响森林可燃物载量的重要因素。近年来, 研究人员开展了针对林分因子对可燃物的影响的研究, 胸径、 冠幅、 郁闭度等因子均对可燃物载量有一定影响[12-13]。 这表明森林结构组成、 物种组成等因子是影响可燃物载量不同分布特征的关键因素。 除此之外, 细小可燃物作为引火之源越来越受到学者的关注, 通过构建细小可燃物与林分因子的模型进行了相关研究[14-16]。 研究发现, 细小可燃物的载量因枯落物种类和分解速率的快慢而受到影响[17-18]。

亚热带森林是全球重要的碳汇, 其碳库安全管理对于碳固持具有重要意义[19]。 研究区是典型的南亚热带森林, 如何合理评估区域火灾发生风险, 防范重大森林火灾是亟需解决的问题。 基于此, 本研究以珠三角地区中山市森林作为研究对象, 通过布置标准样方进行林分调查和样品采集,结合实验室测定分析, 以期明确区域森林可燃物载量在垂直、 空间区域的分布格局, 为科学开展森林经营、 抚育、 防火工作提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区以中山市为主, 珠江三角洲中部偏南的西、 北江下游出海处。 中山市境内由低山与丘陵组成的主要山岭有五桂山山脉、 竹嵩岭山脉,其中五桂山山脉为主要山脉, 地势中部高亢、 四周平坦, 平原地区自西北向东南倾斜。 研究区属亚热带季风气候, 年平均气温22.5℃, 平均年降水量1 886 mm, 年平均日照时1 705.4 h。 良好的自然条件孕育了丰富的森林资源, 全市森林覆盖率23.13%, 森林蓄积量约233.87 万m3。 区域内植被类型丰富, 包含了阔叶混交林、 针阔混交林、阔叶林等南亚热带典型植被类型, 主要乔木种类包括杉木Cunninghamialanceolata、 木荷Schima superba、 壳菜果Mytilarialaosensis、 马尾松Pinus massoniana等。

图1 中山市样地分布Fig.1 Distribution of sample points in the Zhongshan city

1.2 样方布设及调查

基于研究区森林资源分布状况, 按植被区域、龄组(幼龄林、 中龄林、 近熟林、 成过熟林)、 郁闭度(高＞0.70、 中0.40 ～0.69、 低0.20 ～0.39)等要素, 对森林可燃物布设标准地, 充分考虑小班内的优势树种以筛选典型森林样地, 共设置22个标准样地, 大小为25.82 m×25.82 m, 覆盖中山市主要林地。 分别于所布设标准样地的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、 枯落物、腐殖质调查样方。

对样方内的乔木进行每木检尺, 对灌木样方和草本、 枯落物、 腐殖质样方, 均采用全部收获法分别测定样方内全部物质的鲜质量, 并利用牛皮纸信封收集带回。 将枯落物层分3 个层次进行调查, 分别为枯落物层1 (直径＜0.6 cm 的小枝、叶和杂草)、 枯落物层2 (直径0.6 ～2.5 cm 的小枝、 叶和杂草) 和枯落物层3 (直径2.5～7.62 cm的小枝、 叶和杂草)[20]。 其中枯落物层1、 2、 3 可归类为细小可燃物载量[21]。

1.3 实验室分析

对所有外业调查带回的样品, 分灌木、 枯落物单独存放。 称量样品鲜质量后, 将样品放入烘箱, 在105 ℃恒温下烘24 h 直至质量恒定进行称重(0.01 g), 计算各样品干鲜比。 根据干鲜比重计算可燃物载量, 其中, 乔木层基于标准地每木调查结果计算标准地材积, 乔木层蓄积量即为可燃物载量。 其余层次计算方法如下:

其中,M为可燃物载量,D为干鲜比,Mx为样方总鲜质量。 单位面积可燃物载量(t/hm2) 通过转换干重(单位为t), 除以相应样方总面积。

1.4 数据处理

采用R 软件单因素方差进行数据处理及统计分析, 运用Arcgis10.3 进行空间克里金插值及制图。

2 结果与分析

2.1 森林可燃物载量垂直分布特征

结果显示, 乔木层可燃物载量极显著高于其它层次的可燃物载量 (p＜0.001), 平均为3 831.61 kg。 腐殖质层的可燃物载量最低, 介于0.79～3.56 kg 之间。 本次调查中, 样地内未发现枯倒木层。 枯落物层由于其形态规格细碎, 归为细小可燃物载量, 其载量大小依次为枯落物层1＞枯落物层2＞枯落物层3 (图2)。

图2 中山市林地不同层次的可燃物载量Fig.2 The fuel load of forest land at different levels in Zhongshan city

单位面积可燃物载量结果表明(图3), 乔木层载量处于最高的水平, 平均为57.47 t/hm2, 极显著高于其它层次可燃物载量(p＜0.001)。 灌木层和腐殖质层之间没有显著差异(p＞0.05), 平均值分别为3.81 和5.09 t/hm2。 草本层与枯落物层之间没有显著差异(p＞0.05), 草本层平均可燃物载量为1.54 t/hm2。 细小可燃物中, 枯落物层1 可燃物载量极显著高于其它两个层次的可燃物载量(p＜0.01), 其它枯落物两个层次之间含量差异不显著(p＞0.05)。

图3 中山市林地不同层次的单位面积可燃物载量Fig.3 The fuel load per unit area of forest land at different levels in Zhongshan city

2.2 森林可燃物载量空间格局

图4 可知, 研究区森林乔木层可燃物载量为881.48 ～11 595.00 kg, 整体呈现 “W” 型变化, 区域东部可燃物载量明显高于其他区域可燃物载量。 灌木层可燃物载量在东北、 西南区域有较为明显的高值, 其余区域基本处于平均水平, 其载量范围为2.89 ～9.21 kg。 草本层载量的变异范围较小, 分布整体表现为北高南低。 腐殖质层的分布基本与草本层一致, 表现为由北向南逐渐降低。

图4 中山市林地可燃物载量的空间分布格局Fig.4 Spatial pattern of fuel loading in Zhongshan city

细小可燃物载量的枯落物层1 表现为明显的北高南低(图5), 其可燃物载量范围为1.24～2.26 kg, 高于其他枯落物两个层次的可燃物载量。 枯落物层2 的空间差异较大, 在中部、东部、 南部均有较为明显的高值区域, 其余区域含量较低。 枯落物3 的分布总体呈现由西向东逐渐降低的格局。

图5 中山市林地枯落物层可燃物载量的空间分布格局Fig.5 Spatial pattern of fuel loadingin litter layer in Zhongshan city

3 结论与讨论

本研究表明, 在森林生态系统内, 乔木层对可燃物载量的贡献最大, 占可燃物总载量的99.7%, 远高于其它层次, 在森林内部垂直分布上存在着显著差异。 这一结果与亚热带地区典型森林可燃物载量的分布特征研究结果一致, 乔木层可燃物载量与乔木层蓄积量间有显著的正相关关系[8]。 有研究表明, 枯倒木层对可燃物载量的贡献率仅次于乔木层[22]。 本次调查范围内无枯倒木层, 说明该区域森林可燃物调控管理工作较为及时, 有效降低了枯倒木层对可燃物载量的贡献。在本研究中, 灌木层是第二大可燃物载量贡献者,占可燃物总载量的0.16%。 森林结构组成影响可燃物的垂直分配[23-24], 这说明林分中灌木层生长相对较为旺盛, 这种情况会随着乔木层的生长得到缓解。 高大的乔木层会减少穿过林冠的光照,从而降低灌木层、 草本层等的生物量[25]。 大量的枯枝落叶在快速分解下形成腐殖质, 使得腐殖质快速积累, 其载量甚至超过了草本层可燃物载量。枯落物层1 (直径＜0.6 cm 的小枝、 叶和杂草) 的可燃物载量(占细小可燃物载量的74.54%) 显著高于枯落物层2 (直径 0.6 ～2.5 cm 的小枝、 叶和杂草) 和枯落物层3 (直径2.5 ～7.62 cm 的小枝、叶和杂草) 的可燃物载量, 证明在该生态系统中,枯落物的分解速率较快[26-27]。

森林植被类型对可燃物的空间分布有较大的影响[6]。 乔木层可燃物载量在空间上表现为中部低, 东部区域较高, 该区域以阔叶、 针阔叶混交林为主。 研究表明, 木荷纯林、 针阔混交林等较针叶林有更高的可燃物载量[28-29]。 针叶林较其它林分拥有更丰富的灌木层[30]。 本研究灌木层中,东北、 西南明显高于其它区域。 草本层与腐殖质层有较为一致的可燃物载量空间分布格局, 进一步证明了两者之间存在较强的相关性。 细小可燃物枯落物层1 (直径＜0.6 cm 的小枝、 叶和杂草)呈现由北向南逐渐降低的趋势, 说明北部区域枯落物较南部枯落物更易分解。 研究区北部针阔混交林占比较大, 针阔混交林较其它林分枯落物具有更快的分解速度, 组成树种的枯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[31]。

整体来看, 在垂直方向上, 乔木层是该区域森林生态系统可燃物载量的主要来源, 其次是灌木层、 腐殖质层、 草本层、 枯落物层, 林分结构层次决定了可燃物载量的大小。 在空间分布格局上, 研究区域北部可燃物载量明显高于南部, 尤其是东北、 西北区域, 林分类型的差异可能是空间格局的主要原因。 基于此, 针对载量较高的针叶纯林, 有必要进行阔叶林改造或针阔混交林改造。 针对可燃物载量较高的区域, 应适当开展一定强度其他层次的林地清理工作, 降低可燃物载量, 防范火灾风险。