不同強度火干擾對興安落葉松林可燃物載量的影響

武 超，羅夏琴，劉春延，婁 陽，石加成，韓博文，孫 龍

（東北林業大學林學院，哈爾濱 150040）

火因子是森林生態系統重要的干擾因子，對森林生態系統的結構和功能具有重要影響［1］，特別是森林特大火災的頻繁出現，與森林可燃物載量有著密切的關系［2］?？扇嘉镙d量的多少顯著影響著森林火災的強度及蔓延，森林可燃物作為林火預測預報的重要參數，對于預測分析火災發生具有重要意義。然而我國目前尚未建成國家層面的火險等級預測預報系統，對森林可燃物相關方面的研究數據還很缺乏，尤其是不同等級森林火災中實際消耗的森林可燃物量。因此，研究不同強度火干擾下不同森林類型可燃物載量消耗量，對構建我國火險區火干擾下的森林可燃物載量基礎數據庫及構建國家層面的森林火災等級預測預報系統均具有十分重要的意義。

國外對森林可燃物載量的研究較早，Dubois［3］、Sprhak［4］和 Harnby［5］等通過野外實測，分別對某個林型可燃物載量進行了估測。Olson［6］推導出了計算細小可燃物的公式;Brown［7］對美國赤松和班克松林冠下可燃物載量進行了細致的研究;Rothermel和 FhiPot［8］首次提出了可燃物載量的動態模型，更真實地模擬出了森林可燃物載量的動態變化。1980年，William［9］等第一次將時間因子納入到可燃物載量的模型構建中;1982年南非林學家Vanvilgen［10］建立了灌木總負荷量、灌木大枝負荷量隨灌木直徑變化的數學模型，并將典型林分因子加入到可燃物載量的模型中。2001年，Robert E.Keane［11］提出綜合運用地理信息系統（GIS）、遙感技術（RS）和生態模型相結合的方式研究可燃物載量，并取得了較為理想的效果;澳大利亞Kate Brandis［12］提出利用遙感影像，結合火災歷史資料、GIS并運用植物分類法估算可燃物載量，可見“3S”技術的運用是可燃物載量估測研究的未來發展趨勢。

國內對可燃物載量研究起步較晚，1984年肖功武［13］等對東北地區次生林經火干擾后細小可燃物分布格局進行了調查研究;1986年鄭煥能和杜秀文［14］對大興安嶺地區森林可燃物類型進行了初步研究;1988年胡海清和鄭煥能［15］開始對紅松林幾種可燃物類型進行定量綜合分析，得出各類可燃物的分布格局;2001年高國平［16］等人將不同類型可燃物載量與典型林分因子和立地條件同時納入到森林可燃物載量的研究中，取得較好的估測精度。2005年胡海清［17］按時滯將可燃物進行了分類，將大興安嶺林區不同林型的可燃物與林分因子進行回歸分析，建立了可燃物載量模型，并取得了較好地擬合效果;1990年李云海［18］等研究了低強度火對人工林紅松地表可燃物的影響，第一次將火燒強度納入到研究范疇;2000年趙憲文［19］利用遙感影像資料，通過林分因子、植物干材重、葉重和凋落物重的關系建立了可燃物載量模型。雖然近年來，國內對可燃物的研究日益深入，但是關于火干擾后森林可燃物載量的變化方面的研究還很缺乏。

本論文通過對大興安嶺南甕河自然保護區2006年火燒跡地進行調查，選擇不同強度火干擾區，量化不同火強度干擾后興安落葉松林可燃物載量動態變化，對于豐富大興安嶺地區森林可燃物載量基礎數據以及進一步開展火干擾后森林生態系統碳排放估算具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究地區概況

研究區位于黑龍江省大興安嶺南甕河森林生態定位研究站，該站位于大興安嶺林區東南部松嶺區境內。地理坐標為 51°05′07″N ～51°39′24″N，125°07′55″E ～125°50′05″E。該區總面積為229523 hm2，全部為國有林地。海拔高度為500～800m，屬低山丘陵地帶，河谷寬闊，氣候類型為寒溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫為－3℃，極端最低溫度為－48℃，年日照時數為2 500 h，無霜期90～100 d，植物生長期為110 d，年降雨量為500 mm。本地區地帶性土壤為棕色針葉林土。該區屬于寒溫帶針葉林區，典型植被類型為興安落葉松，其他樹種有白樺、樟子松、蒙古櫟和山楊等。2006年4月大興安嶺地區松嶺區砍都河798高地因雷擊發生森林火災，火場面積為12×104～15×104hm2，林地總過火面積超過5×104hm2，本研究區域位于本次火場范圍內。

1.2 研究方法

1.2.1 外業調查

采用機械布點法，分別在對照樣地、輕度火燒跡地、中度火燒跡地和重度火燒跡地各設置3塊20m×20m的標準樣地，共12塊樣地。記錄每株喬木的樹高、胸徑，并記錄各樣地的郁閉度、坡度和坡位等立地因子。同時在標準樣地內按對角線法設置5個1m×1m的小樣方，收割樣方內所有灌木，稱量，取樣標記后帶回實驗室進行內業測定及分析。地表可燃物種類按時滯等級劃分為:1 h、10 h、100 h，灌木（在各樣地內分別設置3塊20m×20m的臨時樣地應用稱重法進行調查采樣）。

1.2.2 內業分析

（1）地表及灌木層可燃物載量分析

將樣品帶回到室內后及時放入烘箱，在105℃下連續烘干24 h至恒重（間隔6 h兩次稱量所得的含水率差小于0.1%即視為恒重），用精度0.01g的電子天平稱重，計算出每個樣方內不同種類可燃物含水率:可燃物含水率=（鮮重－干重）/干重×100%。根據小樣方內可燃物含水率及外業記錄的可燃物鮮重推算出每塊樣地1 h、10 h、100 h時滯可燃物及灌木可燃物載量（t/hm2）。進而分別求出興安落葉松林受到輕度、中度、重度火干擾后及未過火林地地表和灌木可燃物載量及相應的標準差。

（2）喬木層可燃物載量

通過內業數據處理分析得到興安落葉松林的平均胸徑和平均高。利用適用于該區興安落葉松林的異速生長方程（W=a（D2H）b）［20］得到興安落葉松林喬木層可燃物載量。

國外對于火強度的界定主要依賴火線強度、火焰高度、火蔓延速度和可燃物載量等指標;國內對于火強度的確定則主要來自對火燒跡地的實際調查［21］。通過對不同火燒強度火燒跡地調查得出:重度火燒區林木88.04%被燒死，林下灌木全部燒毀，枯枝落葉層和半腐層全被燒掉，樹干熏黑高度平均5.86 m，樹皮僅剩原來的10% ～17%，平均值為13.5%;中度火燒區林木64.60%被燒死，灌木大部分被燒毀，枯枝落葉層和半腐層被燒毀，半腐層以下顏色不變，樹干熏黑高度平均2.32 m，樹皮為原來的46% ～51%，平均值為48.5%，樹枝還剩原來的37% ～42%，平均值為39.5%;輕度火燒區林木39.91% 被燒死，林下灌木大部分被燒毀，樹干熏黑高度平均1.45 m，樹皮為原來的85% ～94%，平均值為 89.5%，樹枝為原來的75% ～82%，平均值為 78.5%，樹葉為原來的43%～49%，平均值為46%。喬木層可燃物載量為樹干α、樹皮β、樹枝γ、樹葉μ等載量之和，各部分的可燃物載量均可通過對應的異速生長方程（W=a（D2H）b，式中:W為可燃物載量;D為胸徑;H為樹高;a，b為常數）求得。方程中 α、β、γ、μ的系數以上述各平均值確定，計算公式為:

式中:y01為對照樣地喬木層可燃物載量;y02為輕度火燒跡地喬木層可燃物載量;y03為中度火燒跡地喬木層可燃物載量;y04為重度火燒跡地喬木層可燃物載量;α為樹干載量;β為樹皮載量;γ為樹枝載量;μ為樹葉載量。

1.2.3 林地總可燃物載量的確定

總可燃物載量包括地表可燃物載量（1 h、10 h和100 h時滯可燃物）、灌木層可燃物載量和喬木層可燃物載量，其計算公式為:

式中:Y為總可燃物載量;y1為1 h時滯可燃物載量;y2為10 h時滯可燃物載量;y3為100 h時滯可燃物載量;y4為灌木層可燃物載量;y0為喬木層可燃物載量。

1.2.4 不同強度火干擾下可燃物載量的消耗量的確定

不同強度火干擾對興安落葉松林地可燃物載量的消耗量不同，將對照樣地總可燃物載量與不同強度火燒干擾后林地總可燃物載量分別作差，即可得到不同強度火干擾對興安落葉松林可燃物載量的消耗量，其計算公式為:

式中:ΔY1為輕度火干擾可燃物消耗量;ΔY2為中度火干擾可燃物消耗量;ΔY3為重度火干擾可燃物消耗量

2 結果與分析

林地可燃物載量是喬木層、灌木層、地表（按時滯劃分為1 h、10 h和100 h時滯可燃物）可燃物載量的總和。測定結果如圖1所示，從圖1可以看出，興安落葉松林總可燃物載量由大到小的順序為對照樣地，輕度火燒跡地，中度火燒跡地和重度火燒跡地。其中，總可燃物載量最大的是對照樣地興安落葉松林，為73.15 t/hm2，是重度火燒跡地的2.19倍。對照樣地喬木層可燃物載量最大，為68.63 t/hm2，占樣地總可燃物載量的93.8%;對照樣地內灌木可燃物載量最少，為8.63 t/hm2，可能是由于興安落葉松林郁閉度大，林內光照少，不利于陽性灌木生長;10 h時滯可燃物載量占對照樣地地表總可燃物載量的47.5%，這是由于林內凋落物中多以中等大小的樹枝為主，且林內半分解層較厚;而對照樣地內1 h和100 h時滯可燃物載量分布相對比較均勻。在相同火干擾強度下，不同種類可燃物載量大小不同，喬木層可燃物載量最大，100 h時滯可燃物載量最小。

圖1 大興安嶺興安落葉松林可燃物載量Fig.1 The fuel load of L.gmelinii in Daxing'anling

根據森林可燃物載量的外業調查及測定結果，不同強度火干擾對林地可燃物載量的消耗量見表1。從表1可以看出，不同強度火干擾對林地可燃物載量的消耗量不同。重度火干擾后林地可燃物載量消耗量最大，為39.99 t/hm2，與未過火林地相比減少了54.67%，輕度火干擾后林地可燃物載量消耗量最小為18.26 t/hm2，與未過火林地相比減少了24.96%。中度火干擾后林地可燃物載量消耗量為 28.29 t/hm2，與未過火林地相比減少了38.67%。因此，火強度越大，森林總可燃物載量消耗量越大。

重度火燒跡地1 h時滯可燃物、灌木層和喬木層可燃 物分 別 消 耗 了 46.89%、51.00% 和58.30%，而10 h和100 h時滯可燃物經過重度火干擾后分別增加了8.62%和105.32%。其原因是重度火干擾對林內可燃物的消耗很大。火干擾后林內大量地表可燃物燒毀使1 h、10 h和100 h時滯可燃物減少，但火后形成的特殊的跡地小氣候使火燒跡地光照增加，風速增大，燒死木含水率進一步下降，燒死木在火后環境條件的作用下易落下枯枝，使林內10 h和100 h時滯可燃物載量增加;喬木在重度火干擾后被大量燒死使其可燃物載量大量減少;而灌木雖在火后有所減少，但減少量卻不及輕度和中度火燒跡地，這是由于興安落葉松林在受到高強度火干擾后6 a已有一定程度的恢復更新，彌補了火后灌木層可燃物載量的消耗。

中度火燒跡地1 h、10 h時滯可燃物、灌木層和喬木層可燃物分別消耗了 22.42%、2.30%、79.98%和41.15%，而100 h時滯可燃物經過中度火干擾后增加了39.36%。其原因是中度火干擾將林內積累的大量枯枝落葉和部分喬木燒毀，使1 h、10 h時滯可燃物和喬木層可燃物載量減少，但減少的程度沒有重度火燒跡地相應的可燃物減少的多;中度火燒跡地內10 h時滯可燃物載量增加是由于林內環境條件的改變使光照增加，風速增大，燒死木在火后環境條件的作用下易落下枯枝，使林內10 h時滯可燃物增加;灌木層可燃物較輕、重度火燒跡地消耗最多，這是由于中度火干擾使林內灌木大量燒死，而6 a后林內灌木的火后更新的速度比較慢，灌木層可燃物載量沒能及時恢復。

輕度火燒跡地1 h時滯可燃物、灌木層和喬木層可燃物載量分別消耗了 33.64%、67.23%和26.58%，10 h和100 h時滯可燃物載量分別增加了8.04%和59.57%。原因是輕度火干擾對林內可燃物載量消耗量較小，只有39.91%興安落葉松被燒死，喬木層可燃物載量減少;對灌木層可燃物載量的消耗量小于中度火燒跡地且灌木火后更新速度小于重度火燒跡地;10 h和100 h時滯可燃物載量的增加是由于火后形成的跡地小氣候使火燒跡地光照增加，風速增大，燒死木含水率下降，燒死木在火后環境條件的作用下易落下枯枝，使林內10 h和100 h時滯可燃物載量增加;林地內的枯枝落葉含水率低，極易燃，即使是受到輕度火干擾也會大量燃燒，1 h時滯可燃物載量減少。

另外由于本樣地選擇的興安落葉松林為火后6 a的火燒跡地，時間相對較長，尤其林下灌木層、地表可燃物存在一定程度的恢復，且在不同強度火燒跡地中表現不一致，會對可燃物載量造成一定的影響;火燒跡地中動物和人類的活動同樣會造成火后實際可燃物載量的變化，這在本研究中尚未給予考慮。

表1 大興安嶺興安落葉松林不同組分可燃物消耗量（平均值±標準差）Tab.1 Different types of fuel consumption of L.gmelinii in Daxing'anling（Mean ±SD）單位:t/hm2

3 結論與討論

不同強度火干擾后6 a大興安嶺興安落葉松林可燃物載量發生了明顯變化。興安落葉松林受到不同強度火干擾后林地總可燃物載量顯著減少且可燃物載量的消耗量與火強度呈正相關關系。輕度和中度火干擾對林內灌木層可燃物載量影響最大，分別減少了原來的67.23%和79.98%。重度火干擾對林內100 h時滯可燃物影響最大，增加到原來的1.05 倍。

6 a后對興安落葉松林火燒跡地的調查對研究結果有一定的影響。火后短期內重度火燒區林木88.04%被燒死，林下灌木全部燒毀，枯枝落葉層和半腐層全被燒掉;中度火燒區林木64.60%被燒死，灌木大部分被燒毀，枯枝落葉層和半腐層被燒毀;輕度火燒區林木39.91% 被燒死，灌木大部分被燒毀。但6 a后的火燒跡地已經在一定程度上恢復，尤其是地表和灌木層可燃物。重度火燒跡地6 a后喬木層可燃物載量為28.61 t/hm2，6 a后恢復了30.04%（含林地燒死木）;灌木層可燃物載量6 a后恢復了49%;地表可燃物載量6 a后較火后當時增加了67%;中度火燒跡地6 a后喬木層可燃物載量為40.39 t/hm2，6 a后恢復了 23.60%（含林地燒死木）;灌木層可燃物載量6 a后恢復了20%;地表可燃物載量6 a后較火后當時增加了15%;輕度火燒跡地6 a后喬木層可燃物載量為50.38 t/hm2，6 a后恢復了12.91%（含林地燒死木）;灌木層可燃物載量6 a后恢復了33%;地表可燃物載量6 a后較火后當時增加了106%。灌木層火后大量減少，且火強度越大，減少越多，但由于不同強度火干擾后上層林木損失比例不同，林下透光程度不一樣，重度火燒跡地幾乎暴露在全光條件下，因此陽性灌木及時更新，中度火燒跡地次之，輕度火燒跡地受干擾程度最低林下灌草更新恢復最慢，一定程度上影響了灌木層火后的消耗量;地表可燃物主要由地表枯枝落葉組成，6 a后火燒跡地地表可燃物（1 h、10 h和100 h時滯可燃物）載量的變化與跡地環境條件和動物、人為因素密切相關，火燒跡地形成的特殊的跡地小氣候使林下光照增加，風速增大，燒死木含水率進一步下降，燒死木在火后環境條件的作用下易落下枯枝等凋落物對跡地地表可燃物載量造成不同程度的影響;喬木層可燃物載量的影響則主要來自喬木的火后更新，但6 a內影響效果不大，并未對實驗結果有明顯的影響。

研究不同強度火干擾下不同森林類型可燃物載量消耗量，對構建我國火險區火干擾下的森林可燃物載量基礎數據庫及構建國家層面的森林火災等級預測預報系統均具有十分重要的意義。在開展森林火災碳排放估算中最難的問題在于火后可燃物的消耗量估算，因該部分的估測不確定性導致了火災森林碳排放數據的不準確，因此本研究對我國北方森林生態系統進一步開展火干擾下的碳排放估算提供了數據基礎。而且開展火后可燃物載量持續動態監測對進一步研究火后生態系統恢復以及科學對待火干擾對森林生態系統的影響意義重大。

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