山東半島昆崳山地區主要森林類型可燃物垂直分布及影響因子

　　摘要：為探討林火種類、火行為等對不同森林類型可燃物負荷量空間分布的響應，圍繞山東半島昆崳山地區主要森林類型的地表可燃物和冠層可燃物負荷量、3個地形因子(坡度、坡位與海拔)、3個林分因子(平均樹高、平均胸徑與郁閉度)，比較不同林分不同空間層次上的可燃物負荷量等級分布特征和林火行為趨勢，分析不同層次可燃物的負荷量與環境因子之間的相關性。結果表明，不同林分之間可燃物垂直分布呈顯著性差異，各林分地表火形成樹冠火的概率存在差異，表現為赤松-刺衫林>赤松純林>赤松-華山松林>赤松-火炬松林>華山松純林>火炬松純林>赤松-麻櫟林>麻櫟純林;枯落物層負荷量與郁閉度、胸徑呈顯著正相關，與海拔呈顯著負相關;草本層和灌木層負荷量均分別與坡位、郁閉度呈顯著或極顯著負相關性，草本層負荷量還與樹高、胸徑有顯著負相關關系。

　　關鍵詞：可燃物;垂直分布;林火行為;林分因子;地形因子

　　火行為是指森林發生火災時所呈現的燃燒特征，對其有影響的因素頗多，作用機制也較復雜[1-4]，其中火行為的主要影響因子之一是森林可燃物的空間分布特征[5-6]。前人研究得出，可燃物垂直分布的連續性對地表火能否轉成樹冠火具有決定性作用[7]，可燃物的連續性愈大，火的蔓延速度就愈快，火的強度也就愈強[8-10]。可見，探究可燃物的垂直分布格局與其連續性能加深對林火種類與火行為特征的認識，為森林可燃物的科學管理提供理論基礎，并合理有效地撲滅或控制住林火，避免重大事故的發生[11]。

　　目前對于可燃物垂直分布及火行為特征的研究較為全面，較多的集中于樹冠火的危險性等級[12]、樹冠火發生的內在原因[13]、易燃可燃物負荷量的垂直分布及其對林火種類和火行為的影響[14-15]，也有研究根據可燃物種類負荷量垂直分布和樹冠火發生的關系，建立可燃物垂直連續性指數和評估等級[16]、基于BehavePlus火模型系統，對不同林型進行火行為研究[17]。

　　目前研究較多集中分析了針葉純林內可燃物垂直分布和火行為特征，而對于不同林分類型與不同混交林模式下的可燃物垂直分布與火行為分析的研究較少。山東半島昆崳山自然保護區，森林資源豐富，主要森林類型有針葉純林、針葉混交林、針闊混交林和闊葉純林。由于30多a來的封山育林，目前，枯立木和倒木隨處可見，同時近年來山東半島的降雨量偏少，日積月累的可燃物易變干，在雨水少的冬春季節極易引起人為森林火災[18]。所以，研究昆崳山地區主要森林類型內可燃物垂直分布以及潛在火行為對于本地森林防火滅火具有重要意義。

　　1研究地概況

　　昆崳山自然保護區位于山東半島東部(121°37′0″-121°51′0″E，37°12′20″-37°18′50″N)。屬暖溫帶季風型大陸性氣候，多年均氣溫11.9℃，多年均降水984.4mm，多年均相對濕度71%。該保護區是我國與東北亞赤松原生地及天然分布中心，有典型的暖溫帶植物區系成分，區內分布的天然赤松林生態系統目前是我國面積最大且保護最為完整，同時還有赤松闊葉混交林。

　　2研究方法

　　2.1標準地設置與可燃物調查

　　2.1.1標準地設置

　　2015年防火期內，在煙臺市昆崳山自然保護區內，篩選出赤松(Pinusdensiflora)純林(Ⅰ)、火炬松(Pinustaeda)純林(Ⅱ)、華山松(Pinusarmandii)純林(Ⅲ)、麻櫟(Quercusacutissima)純林(Ⅳ)、赤松-華山松林(Ⅴ)、赤松-刺杉(Cunninghamialaneolata)林(Ⅵ)、赤松-麻櫟林(Ⅶ)、赤松-火炬松林(Ⅷ)8種林型，分別選擇整齊一致的地段各設3個標準地(長×寬為20m×20m)，然后對可燃物負荷量開展詳細調查，具體指標如表1所示。另外，對赤松純林的可燃物負荷量亦進行調查。

　　2.1.2冠層可燃物調查

　　在標準地對角線上相等距離設置直徑為6m的樣圓，各標準地分別選擇2～5株(標準木(其中混交林為3～5株，純林為2株)，在每個標準木上選取標準枝(活、枯枝)，要求葉與枝的分布及載量多少需有典型性[12]。以地表為準，將冠層高度在10m內以1m為間隔等分為10個層次和冠層高度>10m外的第11層次，對每株各冠層的枯枝與活枝可燃物負荷量進行分別調查，并測定標準枝數量，然后依次分類、稱重與取樣。

　　2.1.3地表可燃物調查

　　采用樣方法對林下可燃物進行調查，在樣圓內設2m×2m的大樣方，待符合要求后依次進行割除、稱重、取樣;在樣圓內設1m×1m的小樣方，先調查草本層的種類及高度，然后將草本植物割除并依次稱重、取樣，同時對小樣方內未分解層(地表上層)與半分解層(下層枯落葉)的濕重分別測定之后取樣。

　　2.2可燃物負荷量計算

　　地表可燃物樣品的采集與干燥的參考文獻[19]進行，可燃物干濕比(D)、第i層可燃物負荷量(Fi)、林下可燃物負荷量(FF)的計算公式參照文獻[18]。

　　2.3數據處理

　　利用SPSS18.0對試驗數據進行顯著性檢驗與相關性分析，采用單因素方差分析比較不同數據組間的差異，用Pearson相關系數分析不同因子間的內在相關性，顯著性水平為α=0.05。采用BehavePlus5軟件計算各林型的林火行為指標[20]。

　　3結果與分析

　　3.1可燃物垂直分布

　　各林型的可燃物負荷量在垂直分布上存在顯著差異(P<0.05)。本研究區域各林型地表可燃物負荷量在388.15～1691.48g/m2，林型最大地表可燃物負荷量是最小林型的4.4倍。各林型地表可燃物負荷量由大到小的次序為林型Ⅰ(1693.45g/m2)>林型Ⅱ(1681.56g/m2)>林型Ⅵ(1598.55g/m2)>林型Ⅴ(1414.56g/m2)>林型Ⅲ(1377.85g/m2)>林型Ⅷ(1209.96g/m2)>林型Ⅶ(451.74g/m2)>林型Ⅳ(386.25g/m2)。

　　林型Ⅰ的地表可燃物負荷量最大，為1693.45g/m2，并且草本層和灌木層負荷量均為最高值。地表可燃物負荷量僅次于林型Ⅰ的是林型Ⅱ，為1681.56g/m2，與林型Ⅰ差別不大，林型Ⅱ內枯落物層負荷量大，下層、上層枯落葉負荷量分別達到935.48、750.26g/m2，其中下層枯落葉負荷量為所調查林型內最大;這是因為該林型郁閉度較高，枝下高高，自然整枝嚴重，地表枯落物層厚度大，達6.8cm，故其枯落物層負荷量大。林型Ⅵ內地表可燃物負荷量也較高，達1598.56g/m2。不同林型冠層的可燃物負荷量變化范圍為261.15～470.42g/m2。

　　林型Ⅴ冠層可燃物負荷量最大，為470.42g/m2，林型Ⅳ最小，為261.15g/m2，各類型冠層可燃物負荷量大小表現為林型Ⅴ(470.42g/m2)>林型Ⅵ(465.25g/m2)>林型Ⅲ(441.85g/m2)>林型Ⅷ(436.57g/m2)>林型Ⅶ(398.34g/m2)>林型Ⅱ(395.46g/m2)>林型Ⅰ(312.87g/m2)>林型Ⅳ(261.15g/m2)。

　　其中，林型Ⅵ冠層每個層次均有可燃物分布，冠層可燃物負荷量較大。林型Ⅰ、Ⅴ、Ⅶ各冠層基本都有可燃物分布(0～1m層除外);林型Ⅰ、Ⅴ、Ⅶ冠層的可燃物分別主要分布在4～8m、3～10m及以上、3～10m。林型Ⅷ冠層0～2m無可燃物分布，其余層次均有可燃物分布，主要集中分布在4～10m及以上。

　　林型Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ冠層0～4m無可燃物分布，其余層次均有可燃物分布，林型Ⅱ、Ⅲ均主要集中分布在4～10m及以上，林型Ⅳ主要分布在5～10m及以上。不同垂直層次可燃物的分布狀況能夠顯著影響林火的種類。若可燃物由地表至樹冠呈現連續性分布狀態，則地表火很容易形成樹冠火，產生高強度的森林火災，造成較嚴重的損失;若呈不連續或間斷分布，地表火形成樹冠火的幾率則會明顯減小，相應的火災損失也較小。林型Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的冠層可燃物距地表可燃物的間隔有3～4m，垂直的連續性較差，火焰不容易向上蔓延，所以發生樹冠火的概率較低。林型Ⅰ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ的冠層可燃物與地表可燃物間距只有1m左右，垂直連續性較好，地表火較易轉化為樹冠火。

　　3.2火行為分析

　　不同森林類型地表火轉化為樹冠火的概率由大到小依次為林型Ⅵ、林型Ⅰ、林型Ⅴ、林型Ⅷ、林型Ⅲ、林型Ⅱ、林型Ⅶ和林型Ⅳ。能夠轉化為樹冠火的林型共有3種，分別為林型Ⅵ、Ⅰ、Ⅴ。其中，林型Ⅵ的地表火形成樹冠火的概率最大，究其原因與冠層第1枝下高只有0.6m，且林內的灌木數量較多有密切關聯。林型Ⅷ地表可燃物負荷量屬于較高水平，枝下高也較低，為2.5m，樹冠火轉化比率為0.91，接近1，可見，該林型也有地表火轉化為樹冠火的危險性，只要發生火災，亦會引起高強度的地表火。

　　其他林型形成樹冠火的概率均較低(0.02～0.36)，但是原因各不一樣，林型Ⅱ、Ⅲ雖然地表可燃物負荷量處于較高水平，但由于這2種林分枝下高均較高，均>4m，并且林內灌木分布極少或者沒有，冠層可燃物與地表可燃物間隔大，所以地表火一般不會轉化為樹冠火;林型Ⅶ雖然枝下高為1.7m，較低，但是地表可燃物負荷量很低，地表火較難形成樹冠火;林型Ⅳ的地表可燃物負荷量所處的狀態較低，且枝下高高(4.2m)，冠層可燃物與地表可燃物之間間隔大，不利于轉化為樹冠火，所以林型Ⅳ轉化為樹冠火的比率最低，僅為0.02。

　　3.3環境因子與可燃物負荷量的關系

　　將不同立地條件下的赤松純林林下枯落層、草本層、灌木層和冠層可燃物負荷量分別與立地因子(坡度、坡位和海拔)、林分因子(平均樹高、平均胸徑和郁閉度)進行相關分析，結果表明，枯落物層枯落物層負荷量與郁閉度、胸徑呈顯著正相關，與海拔呈顯著負相關，這與隨著林分郁閉度和平均胸 徑的不斷增加，其冠幅呈持續增加趨勢有關。

　　草本層和灌木層負荷量均分別與坡位、郁閉度呈顯著或極顯著負相關性，草本層負荷量還與樹高、胸徑呈顯著負相關，這是因為坡位越高，林內土壤水、肥條件越差，林分郁閉度越大，林內光線越弱，這些因素均不利于林下草、灌木的生長;并且喬木樹高、胸徑的增加，說明喬木層生長所吸取的養分增加，使得可供林下草本植物吸收的養分減少，從而使草本植物生長受限，草本層的負荷量減小。冠層可燃物負荷量與林分郁閉度、海拔均存在顯著的正相關關系，同時雖然與樹高、胸徑有正相關，但沒有達到顯著水平。

　　作者：解國磊1，2，馬丙堯1*，馬海林1，杜振宇1，劉方春1*，囤興建1

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