山东半岛昆嵛山地区主要森林类型可燃物垂直分布及影响因子

　　摘要：为探讨林火种类、火行为等对不同森林类型可燃物负荷量空间分布的响应，围绕山东半岛昆嵛山地区主要森林类型的地表可燃物和冠层可燃物负荷量、3个地形因子(坡度、坡位与海拔)、3个林分因子(平均树高、平均胸径与郁闭度)，比较不同林分不同空间层次上的可燃物负荷量等级分布特征和林火行为趋势，分析不同层次可燃物的负荷量与环境因子之间的相关性。结果表明，不同林分之间可燃物垂直分布呈显著性差异，各林分地表火形成树冠火的概率存在差异，表现为赤松-刺衫林>赤松纯林>赤松-华山松林>赤松-火炬松林>华山松纯林>火炬松纯林>赤松-麻栎林>麻栎纯林;枯落物层负荷量与郁闭度、胸径呈显著正相关，与海拔呈显著负相关;草本层和灌木层负荷量均分别与坡位、郁闭度呈显著或极显著负相关性，草本层负荷量还与树高、胸径有显著负相关关系。

　　关键词：可燃物;垂直分布;林火行为;林分因子;地形因子

　　火行为是指森林发生火灾时所呈现的燃烧特征，对其有影响的因素颇多，作用机制也较复杂[1-4]，其中火行为的主要影响因子之一是森林可燃物的空间分布特征[5-6]。前人研究得出，可燃物垂直分布的连续性对地表火能否转成树冠火具有决定性作用[7]，可燃物的连续性愈大，火的蔓延速度就愈快，火的强度也就愈强[8-10]。可见，探究可燃物的垂直分布格局与其连续性能加深对林火种类与火行为特征的认识，为森林可燃物的科学管理提供理论基础，并合理有效地扑灭或控制住林火，避免重大事故的发生[11]。

　　目前对于可燃物垂直分布及火行为特征的研究较为全面，较多的集中于树冠火的危险性等级[12]、树冠火发生的内在原因[13]、易燃可燃物负荷量的垂直分布及其对林火种类和火行为的影响[14-15]，也有研究根据可燃物种类负荷量垂直分布和树冠火发生的关系，建立可燃物垂直连续性指数和评估等级[16]、基于BehavePlus火模型系统，对不同林型进行火行为研究[17]。

　　目前研究较多集中分析了针叶纯林内可燃物垂直分布和火行为特征，而对于不同林分类型与不同混交林模式下的可燃物垂直分布与火行为分析的研究较少。山东半岛昆嵛山自然保护区，森林资源丰富，主要森林类型有针叶纯林、针叶混交林、针阔混交林和阔叶纯林。由于30多a来的封山育林，目前，枯立木和倒木随处可见，同时近年来山东半岛的降雨量偏少，日积月累的可燃物易变干，在雨水少的冬春季节极易引起人为森林火灾[18]。所以，研究昆嵛山地区主要森林类型内可燃物垂直分布以及潜在火行为对于本地森林防火灭火具有重要意义。

　　1研究地概况

　　昆嵛山自然保护区位于山东半岛东部(121°37′0″-121°51′0″E，37°12′20″-37°18′50″N)。属暖温带季风型大陆性气候，多年均气温11.9℃，多年均降水984.4mm，多年均相对湿度71%。该保护区是我国与东北亚赤松原生地及天然分布中心，有典型的暖温带植物区系成分，区内分布的天然赤松林生态系统目前是我国面积最大且保护最为完整，同时还有赤松阔叶混交林。

　　2研究方法

　　2.1标准地设置与可燃物调查

　　2.1.1标准地设置

　　2015年防火期内，在烟台市昆嵛山自然保护区内，筛选出赤松(Pinusdensiflora)纯林(Ⅰ)、火炬松(Pinustaeda)纯林(Ⅱ)、华山松(Pinusarmandii)纯林(Ⅲ)、麻栎(Quercusacutissima)纯林(Ⅳ)、赤松-华山松林(Ⅴ)、赤松-刺杉(Cunninghamialaneolata)林(Ⅵ)、赤松-麻栎林(Ⅶ)、赤松-火炬松林(Ⅷ)8种林型，分别选择整齐一致的地段各设3个标准地(长×宽为20m×20m)，然后对可燃物负荷量开展详细调查，具体指标如表1所示。另外，对赤松纯林的可燃物负荷量亦进行调查。

　　2.1.2冠层可燃物调查

　　在标准地对角线上相等距离设置直径为6m的样圆，各标准地分别选择2～5株(标准木(其中混交林为3～5株，纯林为2株)，在每个标准木上选取标准枝(活、枯枝)，要求叶与枝的分布及载量多少需有典型性[12]。以地表为准，将冠层高度在10m内以1m为间隔等分为10个层次和冠层高度>10m外的第11层次，对每株各冠层的枯枝与活枝可燃物负荷量进行分别调查，并测定标准枝数量，然后依次分类、称重与取样。

　　2.1.3地表可燃物调查

　　采用样方法对林下可燃物进行调查，在样圆内设2m×2m的大样方，待符合要求后依次进行割除、称重、取样;在样圆内设1m×1m的小样方，先调查草本层的种类及高度，然后将草本植物割除并依次称重、取样，同时对小样方内未分解层(地表上层)与半分解层(下层枯落叶)的湿重分别测定之后取样。

　　2.2可燃物负荷量计算

　　地表可燃物样品的采集与干燥的参考文献[19]进行，可燃物干湿比(D)、第i层可燃物负荷量(Fi)、林下可燃物负荷量(FF)的计算公式参照文献[18]。

　　2.3数据处理

　　利用SPSS18.0对试验数据进行显著性检验与相关性分析，采用单因素方差分析比较不同数据组间的差异，用Pearson相关系数分析不同因子间的内在相关性，显著性水平为α=0.05。采用BehavePlus5软件计算各林型的林火行为指标[20]。

　　3结果与分析

　　3.1可燃物垂直分布

　　各林型的可燃物负荷量在垂直分布上存在显著差异(P<0.05)。本研究区域各林型地表可燃物负荷量在388.15～1691.48g/m2，林型最大地表可燃物负荷量是最小林型的4.4倍。各林型地表可燃物负荷量由大到小的次序为林型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的地表可燃物负荷量最大，为1693.45g/m2，并且草本层和灌木层负荷量均为最高值。地表可燃物负荷量仅次于林型Ⅰ的是林型Ⅱ，为1681.56g/m2，与林型Ⅰ差别不大，林型Ⅱ内枯落物层负荷量大，下层、上层枯落叶负荷量分别达到935.48、750.26g/m2，其中下层枯落叶负荷量为所调查林型内最大;这是因为该林型郁闭度较高，枝下高高，自然整枝严重，地表枯落物层厚度大，达6.8cm，故其枯落物层负荷量大。林型Ⅵ内地表可燃物负荷量也较高，达1598.56g/m2。不同林型冠层的可燃物负荷量变化范围为261.15～470.42g/m2。

　　林型Ⅴ冠层可燃物负荷量最大，为470.42g/m2，林型Ⅳ最小，为261.15g/m2，各类型冠层可燃物负荷量大小表现为林型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冠层每个层次均有可燃物分布，冠层可燃物负荷量较大。林型Ⅰ、Ⅴ、Ⅶ各冠层基本都有可燃物分布(0～1m层除外);林型Ⅰ、Ⅴ、Ⅶ冠层的可燃物分别主要分布在4～8m、3～10m及以上、3～10m。林型Ⅷ冠层0～2m无可燃物分布，其余层次均有可燃物分布，主要集中分布在4～10m及以上。

　　林型Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ冠层0～4m无可燃物分布，其余层次均有可燃物分布，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。不同垂直层次可燃物的分布状况能够显著影响林火的种类。若可燃物由地表至树冠呈现连续性分布状态，则地表火很容易形成树冠火，产生高强度的森林火灾，造成较严重的损失;若呈不连续或间断分布，地表火形成树冠火的几率则会明显减小，相应的火灾损失也较小。林型Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的冠层可燃物距地表可燃物的间隔有3～4m，垂直的连续性较差，火焰不容易向上蔓延，所以发生树冠火的概率较低。林型Ⅰ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ的冠层可燃物与地表可燃物间距只有1m左右，垂直连续性较好，地表火较易转化为树冠火。

　　3.2火行为分析

　　不同森林类型地表火转化为树冠火的概率由大到小依次为林型Ⅵ、林型Ⅰ、林型Ⅴ、林型Ⅷ、林型Ⅲ、林型Ⅱ、林型Ⅶ和林型Ⅳ。能够转化为树冠火的林型共有3种，分别为林型Ⅵ、Ⅰ、Ⅴ。其中，林型Ⅵ的地表火形成树冠火的概率最大，究其原因与冠层第1枝下高只有0.6m，且林内的灌木数量较多有密切关联。林型Ⅷ地表可燃物负荷量属于较高水平，枝下高也较低，为2.5m，树冠火转化比率为0.91，接近1，可见，该林型也有地表火转化为树冠火的危险性，只要发生火灾，亦会引起高强度的地表火。

　　其他林型形成树冠火的概率均较低(0.02～0.36)，但是原因各不一样，林型Ⅱ、Ⅲ虽然地表可燃物负荷量处于较高水平，但由于这2种林分枝下高均较高，均>4m，并且林内灌木分布极少或者没有，冠层可燃物与地表可燃物间隔大，所以地表火一般不会转化为树冠火;林型Ⅶ虽然枝下高为1.7m，较低，但是地表可燃物负荷量很低，地表火较难形成树冠火;林型Ⅳ的地表可燃物负荷量所处的状态较低，且枝下高高(4.2m)，冠层可燃物与地表可燃物之间间隔大，不利于转化为树冠火，所以林型Ⅳ转化为树冠火的比率最低，仅为0.02。

　　3.3环境因子与可燃物负荷量的关系

　　将不同立地条件下的赤松纯林林下枯落层、草本层、灌木层和冠层可燃物负荷量分别与立地因子(坡度、坡位和海拔)、林分因子(平均树高、平均胸径和郁闭度)进行相关分析，结果表明，枯落物层枯落物层负荷量与郁闭度、胸径呈显著正相关，与海拔呈显著负相关，这与随着林分郁闭度和平均胸 径的不断增加，其冠幅呈持续增加趋势有关。

　　草本层和灌木层负荷量均分别与坡位、郁闭度呈显著或极显著负相关性，草本层负荷量还与树高、胸径呈显著负相关，这是因为坡位越高，林内土壤水、肥条件越差，林分郁闭度越大，林内光线越弱，这些因素均不利于林下草、灌木的生长;并且乔木树高、胸径的增加，说明乔木层生长所吸取的养分增加，使得可供林下草本植物吸收的养分减少，从而使草本植物生长受限，草本层的负荷量减小。冠层可燃物负荷量与林分郁闭度、海拔均存在显著的正相关关系，同时虽然与树高、胸径有正相关，但没有达到显著水平。

　　作者：解国磊1，2，马丙尧1*，马海林1，杜振宇1，刘方春1*，囤兴建1

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