疏伐對北京西山林場刺槐林可燃物特征及碳儲量影響研究

楊思琪, 朱敏, 劉曉東

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疏伐對北京西山林場刺槐林可燃物特征及碳儲量影響研究

楊思琪, 朱敏, 劉曉東*

北京林業大學林學院, 北京 100083

研究選取北京西山林場刺槐林()為研究對象, 通過對照組 CK和處理組L、M和 H(疏伐強度分別為0%, 15%, 35%,50%)四種處理, 對疏伐后刺槐林可燃物進行調查, 對不同強度疏伐刺槐林林地上部分碳儲量進行計算, 并利用BehavePlus林火模型對地表火行為指標進行計算, 探討不同疏伐強度對刺槐林可燃物、碳儲量以及潛在火行為的影響。結果表明,(1)不同疏伐強度的刺槐林的可燃物分布中, 均以0—2 m層可燃物負荷量為最大, 分別為1.29 kg·m–2, 1.40 kg·m–2, 1.57 kg·m–2, 1.89 kg·m–2, 呈現出可燃物負荷量隨疏伐強度加大而增加, 即, H >M>L>CK; 隨著高度的增加, 可燃物負荷量主要分布冠層在5—8 m; (2)不同強度疏伐對刺槐人工林各組分的碳儲量影響顯著, 中度疏伐更有利于刺槐林中的碳儲量積累, 其碳儲量值最大, 為17.50 t·hm–2; (4)林分火蔓延速率、火線強度、火焰高度及單位面積發熱量均與疏伐強度相關, 疏伐后火行為指標值大幅下降, 其中高強度疏伐(H)后, 林火的蔓延速率, 火線強度為以及火焰強度最低。研究結果可為研究地區的森林可燃物管理以及森林可持續經營提供科學依據。

刺槐; 疏伐; 可燃物特征; 碳儲量; 火行為

1 前言

森林火災是世界范圍內森林防災減災的重點關注內容[1]。隨著全球氣候變暖以及極端天氣的頻繁發生, 森林防火形勢非常嚴峻。如何有效的降低森林火災的發生率, 對保持森林可持續發展, 減少碳排放量以及經濟損失都有著重要的意義[2]。森林火災發生需具備可燃物、氧氣和一定的溫度三種要素[3]。其中, 可燃物是森林火行為發生的重要物質基礎, 與其他兩個林火必備元素相比較, 對森林可燃物實施合理的管理措施更方便、更有可操作性[4]。實踐證明, 通過對森林可燃物進行管理, 是世界各國控制火災發生和蔓延的重要措施, 可有效降低林火發生概率及潛在火行為, 從而減少林火造成的危害[5]。森林可燃物管理措施包括計劃燒除、機械清楚、疏伐和計劃火燒等[6]。其中, 疏伐是森林可燃物調控中最為常用的一種措施[7]。

通過疏伐, 可改變林分的結構, 影響林分郁閉度和林下小氣候, 進而影響林下火環境[8]。疏伐不僅起到降低林火發生和潛在火行為的目的, 疏伐對森林火災蔓及樹冠可燃物特征也會產生一定的影響[9-10]。此外, 疏伐也會直接影響到林分的碳儲量[11]。近年來, 疏伐作為森林培育的重要經營措施, 也成為改善森林碳匯量的措施之一, 引起了人們的廣泛重視[12]。目前, 關于森林可燃物管理的研究內容, 多集中在計劃火燒及可燃物的分布特征方面[13-14]。潛在火行為方面的研究多集中在通過模型進行林火行為的預測等[15-18]。而關于不同疏伐強度處理后, 對林分可燃物特征、碳儲量及潛在火行為的影響研究相對較少[19-20]。

刺槐(), 豆科刺槐屬落葉喬木, 是北京西山地區的主要林分類型。本研究在西山林場設立疏伐與未疏伐的林分樣地, 通過野外樣地調查, 針對不同疏伐強度對刺槐的可燃物特征、碳儲量及可燃物特性的影響, 對疏伐撫育前后可燃物分布特征進行研究, 旨在為林場的可燃物管理及森林可持續經營提供科學依據。

北京市西山林場地理坐標為東經116°28′, 北緯39°54′[21], 平均海拔為300—400 m, 土壤類型主要為褐土。年平均氣溫在11.6 ℃, 年平均降水量630 mm[22]。西山林場冬春干旱多風, 屬暖溫帶大陸性季風氣候區, 易發生火災。西山林場的森林主要是由人工純林和針闊混交林組成。主要喬木樹種包括油松()、側柏()等針葉樹種以及以刺槐()、白蠟()等為代表的闊葉樹種。主要的灌木包括酸棗()、胡枝子()等。草本植物類型主要包括藎草()以及隱子草()等。

2 研究方法

2.1 樣地設置與調查

選取北京西山林場刺槐林為主要研究林分, 根據林分及立地特征設置8塊20 m×20 m樣地, 并同時記錄林分因子及坡向、坡度、經緯度以及海拔等立地因子。其中選擇疏伐后1年后的樣地4塊(每個樹種空白對照一塊, 15%、35%、50%疏伐強度各一塊)用于林內潛在火行為研究; 選擇疏伐7年后的樣地4塊(對照, 15%、35%、50%疏伐強度各1塊),用于碳儲量研究。按照實驗設計調查樣地的各項因子、可燃物負荷量, 應用統計方法對可燃物負荷量的分布進行研究[23]。

各疏伐強度刺槐樣地林分基本特征如表1。

2.2 森林可燃物的研究方法

可燃物的動態特征包括可燃物的種類、含水率、負荷量以及垂直分布特征、水平連續性分布特征等, 是估計林火行為的主要參數。本文主要研究刺槐林的森林可燃物垂直分布及地表可燃物負荷量變化情況。主要是采用野外樣地調查和對照試驗的方法進行研究。野外樣地調查是針對樣地內的林分因子、地形因.子、樣地內枯落物、灌木草本層(含幼樹)以及喬木層可燃物負荷量等進行調查。林分因子主要包括: 胸徑、樹高、冠幅、郁閉度等。地形因子主要包括: 海拔、坡度、坡向、經緯度等。

表1 各疏伐強度刺槐樣地林分基本特征

Tab.1 The basic characteristics of Robiniapseudoacacia stands with different thinning intensities

注: CK: 空白對照; L: 15%強度疏伐; M: 35%強度疏伐; H: 50%強度疏伐

本文對可燃物垂直分布的調查主要是采用標準枝法。首先根據野外調查結果計算出樣地內刺槐的加權平均胸徑, 再根據計算結果選出平均木, 再從其選出3 棵作為標準木。在標準木的垂直方向劃分層次, 每1米分為一層, 按照從地表往上的順序逐層調查, 每一層選擇標準枝, 對標準枝的長度和條數進行目測。活枝與死枝分別進行取樣, 分別測其大枝、小枝和葉的鮮重。測鮮重后各取150 g, 做好標記, 帶回實驗室烘干稱重, 計算絕干重量, 求平均值。

本文對可燃物負荷量的研究采用收獲法調查可燃物水平分布。可燃物負荷量是單位面積所有可燃物的絕對干重量。在樣地內對角線以及中心設置5個樣方, 1 m×1 m, 并對樣方內的地表可燃物(主要包括枯死枝和地面葉片、亂草、高度較低的灌木)按照1h時滯(直徑＜0.64 cm)、10 h時滯(0.64 cm≤直徑≤2.54 cm)、100 h時滯(2.54 cm＜直徑≤7.62 cm)的標準分級采集, 野外稱濕重, 并采集將近100g 樣品帶回徹底烘干, 稱絕干重計算含水率, 用于計算可燃物負荷量。

2.3 林分潛在火行為研究方法

本文研究的林分潛在火行為計算主要對象為地表火, 通過美國Behaveplus林火蔓延系統模擬不同的風速、地形條件結合可燃物類型特征來計算, 該系統的理論基礎是Rothermel模型和Byram公式, 以及一系列科學的林火計算方法, 通過自定義模型的方法, 可以進行潛在地表火行為的計算得出不同林型地表火的火行為指標, 從而預測不同林型林火的發生發展狀況[23]。對火行為的描述主要采用火線強度、火焰高度和火蔓延速率等指標。火焰高度愈高, 火線強度就越大, 森林受損范圍越大。火焰高度與可燃物類型、可燃物負荷量、分層和蔓延速率密切相關。火線強度和火蔓延速率可通過方程式進行計算。具體結果如下:

(1)蔓延速率:蔓延速率是火通過地表可燃物的速度,火尾蔓延速率和火兩側擴散速度不能達到統一。目前, 應用最廣泛的是ROTHERMEL于1972年在芬特遜研究基礎上提出并建立的Rothermel蔓延模型(牛樹奎, 2011)。

(2)火線強度: 火線強度被定義為火源前后1米內易點燃物質單位時間內產生的熱值, 與擴散速度和單位面積發熱量相關, 火焰高度是重要影響因素。本研究利用的是Byram火強度公制計算公式(胡海清、牛樹奎等, 2005):

式中:為火線強度(kW·m–1);為可燃物的熱值(J·g–1);為可燃物負荷量(t·hm–2);為蔓延速率(m·min–1)。

(3)火焰高度: 火焰高度計算方法采用羅森邁爾等人修正的方法, 計算公式如下(胡海清、牛樹奎等, 2005):

式中:為火焰高度(m);為火強度(kW·m–1)。

(4)單位面積發熱量: 也稱火面強度, 指火源點前部單位火燒面積上釋放出來的熱量, 與易點燃物質及熱量值相關。熱量值是指在絕干狀態下單位質量的可燃物完全燃燒時所放出的熱量。本研究使用的是美國氧彈測定儀Parr-6300,并記錄數據。

2.4 碳儲量的研究方法

本文研究的林分碳儲量研究選取對象為喬木層碳儲量以及灌木層碳儲量。喬木層生物量測定采用分層切割法。在8塊樣地中, 選擇長勢良好、無病蟲害、無斷梢、非林緣的林木, 徑階2、4、6、8、10、12、14 cm七個徑階每徑階個選取2株, 合計14株。在野外稱取葉、枝、干、根的鮮重, 并分別取部分樣品帶回室內。擬合三個林型的一元生物量模型, 計算喬木層林木生物量。灌木層生物測定采用樣方收獲法(馮宗煒等, 1999), 在每個標準地內選取3個有代表性的1.0 m×1.0 m的樣方, 將其中1.5 m以下灌木和草本全部挖出, 地上部分以及地下稱鮮重, 同時從這兩部分中取出適量裝入塑料袋中, 并將樣品帶回室內測定含水率和含碳率。

碳儲量的計算, 在每個標準樣地內, 徑階2、4、6、8、10、12、14 cm七個徑階每徑階個選取2株, 合計14株, 剪取枝和葉, 分別混合約250 g裝袋, 用生長錐鉆取這14株林木的胸徑處, 當到達髓心時停止, 將探取桿放到小筒微微旋轉后取出木條, 裝入塑封袋, 每個樣地均重復3次。將樣品迅速取回實驗室。每個標準地設置3個1.0 m×1.0 m的樣方, 收集草灌木地上部分取回實驗室。所有喬木(葉、枝、干、根)和灌木(葉、枝、根)樣品經24 h、 65 ℃烘干至恒質量, 經球磨儀研磨, 過100目篩, 用于理化指標分析, 每個樣品3個重復。植物樣品的碳含量采用VARIO Macro元素分析儀測定。

3 數據分析

(1)將調查得到的可燃物負荷量及其垂直分布情況進行分析, 利用EXCEL軟件進行數據統計, 并繪制相應的可燃物垂直分布圖和可燃物分類圖。

(2)利用Excel對生物多樣性數據進行初步整理和計算, 利用R語言的單因素方差分析進行差異性檢驗(p<0.05)。

(3)對于不同疏伐強度對潛在火行為的影響, 利用BehavePlus火模型利用野外調查所得的數據進行分析。

(4)利用Excel對生物量和碳儲量進行統計分析, 利用SigmaPlot10.0軟件進行林分相關指標計算。

4 結果

4.1 林分可燃物特征研究

可燃物空間分布是不同種類和不同強度林火發生的基礎, 空間可燃物負荷量也稱之為可燃物空間密度, 密度越大, 可燃物空間分布越豐富。已有對森林可燃物層次劃分的理論將2—3 m規定為引燃樹冠火所需的可燃物。本研究將高度位于1.5—3 m之間的可燃物規定為樹冠火的引燃物, 將3 m以上的范圍定為樹冠可燃物。引燃物主要包括高于1.5 m的灌木(含幼樹), 低于3 m的喬木小枝、葉和枯枝。

4.1.1 可燃物垂直分布研究

刺槐()在北京西山臥佛寺分場有大面積分布。根據可燃物的分層方法, 以0— 2 m, 2—3 m, 3—4 m, 3—4 m, 4—5 m, 5—6 m, 6—7 m, 7—8 m, 8—9 m, 9—10 m, 10—11 m, 11—12 m以上為基本的分層標準, 計算刺槐林樣地各層可燃物負荷量, 得到可燃物負荷量垂直分布特征如圖1所示:

由圖1可知, 在不同疏伐強度的刺槐林樣地中, 0—2 m層可燃物負荷量最大, 分別為1.29 kg·m–2, 1.40 kg·m–2, 1.57 kg·m–2, 1.89 kg·m–2, 分別占林分可燃物總負荷量的24.1%, 28.9%, 34.6%, 46.6%, 此部分可燃物主要由地表枯枝落葉層和灌木可燃物構成, 并且地表枯枝落葉層占據較大比例, 說明發生地表火的可能性非常大; 林冠可燃物負荷量主要分布在6—8 m層, 分別為1.58 kg·m–2, 1.43 kg·m–2, 1.29 kg·m–2, 0.72 kg·m–2, 地表火蔓延為樹冠火的可能性較低; 隨著林分內林木高度的增加, 冠層可燃物負荷量逐漸減少。

注: CK: 空白對照; L: 15%強度疏伐; M: 35%強度疏伐; H: 50%強度疏伐

4.1.2 林分地表可燃物負荷量分析

根據地表可燃物內層方法: 1 h時滯可燃物、10 h時滯可燃物、100 h時滯可燃物、灌木可燃物、草本可燃物。計算刺槐林地表各層可燃物負荷量, 得到地表可燃物分布特征如圖2所示:

由圖2可知, 草本層可燃物負荷量是刺槐林地表可燃物總負荷量中占比例最大的, 分別為0.22 kg·m–2, 0.28 kg·m–2, 0.36 kg·m–2, 0.58 kg·m–2, 所占比例分別為37.4%, 47.5%, 54.3%, 64.5%。灌木層負荷量, 分別為0.05 kg·m–2, 0.11 kg·m–2, 0.17 kg·m–2, 0.24 kg·m–2,同樣, 隨著疏伐強度的增加, 1 h時滯、10 h時滯和100 h時滯的可燃物負荷量逐漸減少。

注: CK: 空白對照; L: 15%強度疏伐; M: 35%強度疏伐; H: 55%強度疏伐

4.3.2 不同疏伐強度對刺槐林分碳儲量的影響

根據分層切割法以及樣方收獲法得到各疏伐強度對刺槐林分碳儲量的影響, 如表2, 刺槐林喬木層林分碳儲量在經過低強度疏伐(L)和中等強度疏伐(M)后小幅度的上升到14.95 t·hm–2和15.93 t·hm–2, 在高強度疏伐(H)后喬木層林分碳儲量較其他三組有明顯的下降趨勢。灌草層林分碳儲量在經過低強度疏伐(L)和中等強度疏伐(M)處理后, 各自比空白處理低15.2%和20.2%, 而高強度疏伐(H)卻比空白處理高22.2%, 呈現先下降后上升趨勢。

4.1.2 林分潛在火行為研究

林分潛在火行為指標主要包括火蔓延速率、火線強度、火焰高度和單位面積發熱量(Andrews, 1986)。火蔓延速率表示森林過火面積大小, 單位面積發熱量表達了森林著火范圍的大小。在森林火災防控工作過程中, 常將火劃分為不同的火強度等級: 低強度火(350—750 kW·m–1)、中強度火(750—3500 kW·m–1)、高強度火(>3500 kW·m–1)(胡海清, 2005)。

根據調查統計的數據, 利用BehavePlus火模型對不同疏伐強度的油松林地表潛在火行為指標進行分析, 見表2:

由表2可知, 未疏伐(CK)林分的火蔓延速率、火線強度、火焰高度和單位面積發熱量都明顯高于其他強度疏伐。在低強度疏伐(L)之后火蔓延速率從15.2 m·min–1降低為2.6 m·min–1, 火線強度從849 kW·m–1降低為71 kW·m–1, 火焰高度降低了1.1 m, 單位面積發熱量降低至1674 kJ·m–2, 隨著疏伐強度的增加呈現出了明顯的下降趨勢; 中等強度疏伐(M)后, 潛在火行為指數均顯著降低, 林火蔓延速率為0.2 m·min–1, 火線強度為2 kW·m–1, 火焰高度為0.1 m, 單位面積發熱量為677 kJ·m–2; 高強度疏伐(H)后, 林火的蔓延速率, 火線強度為以及火焰強度都趨近于0, 單位面積發熱量明顯下降為296 kJ·m–2。

表2 各疏伐強度對刺槐林分碳儲量的影響

Table.2 The effects of different thinning intensities on carbon storage in Robiniapseudoacacia

注: CK: 空白對照; L: 疏伐強度15%; M: 疏伐強度35%; H: 疏伐強度50%

表3 刺槐林不同疏伐強度火行為指標

Tab.3 The fire behavior indicators of Pinus tabuliformis stands with different thinning intensities

注: CK: 空白對照; L: 疏伐強度15%; M: 疏伐強度35%; H: 疏伐強度50%

5 結論與討論

本研究通過對刺槐林進行不同強度疏伐后刺槐林可燃物特征進行調查, 得出地表可燃物負荷量以及林分可燃負荷量垂直分布情況。并且根據野外調查數據計算出刺槐林型地表火行為指標, 對林火蔓延速率、單位面積發熱量、火線強度和火焰長度等林火特征指標進行相應分析, 得出結論:

(1)在所選刺槐林分中, 經過不同強度疏伐處理, 相對其他層, 0—2 m層可燃物負荷量最大。郁閉度、林分密度、平均樹高和平均胸徑是影響北京西山刺槐林可燃物負荷量的主要因素, 這與以往研究結果一致[24-27]。在研究中, 疏伐后地表可燃物負荷量明顯降低, 可見疏伐可以防止地表火的發生。林分可燃物空間分布的連續性是研究可燃物豎直、水平特征的關鍵, 森林可燃物的空間分布涉及到樹高、枝下高、灌木高度、草本高度、冠幅、死地被物層的連續性等指標, 本研究僅對此進行了初步的探索, 日后的研究可以更多的關注可燃物空間連續性指數方面。

疏伐處理后的地表可燃物負荷量的總量隨著疏伐強度的增強而增加, 即H>M>L>CK。草本層可燃物負荷量是刺槐林地表可燃物總負荷量中占比例最大的; 隨著疏伐強度的增加, 1 h時滯、10 h時滯和100 h時滯的可燃物負荷量逐漸減少。隨著疏伐強度的增加, 林分郁閉度減小, 林內的光照條件得到改善, 光線增強, 林下陽生植物得到更好的生長, 草本層的可燃物負荷量將大量增加[28]。同時, 疏伐后遺落的枯枝落葉等將會大幅度減少, 導致1 h時滯、10 h時滯和100 h時滯的可燃物負荷量逐漸減少。因此, 在條件允許的情況下, 在非火災發生期可以開展疏伐、修枝割灌等營林方式進行林分改造, 減少易燃可燃物負荷量, 降低森林燃燒性, 從而預防森林火災的發生。

(2)不同強度疏伐對刺槐人工林各組分的碳儲量產生了一定影響。研究表明, 經過低等強度疏伐(L)以及中等強度疏伐(M)后的刺槐人工林碳儲量喬木層與灌木層總量高出對照組, 其中中等強度疏伐(M)更有利于碳儲量的積累。刺槐人工林林分碳儲量的變化規律為H

(3)林火行為指標經過三種不同強度疏伐處理后, 指標均有明顯的下降, 總體變化規律為CK>M> L>H。隨著疏伐強度的加大, 林分整體可燃物負荷量大量減少, 各層次可燃物負荷量也大幅度降低, 從而導致火行為指標值降低, 火線強度和單位面積發熱量也均達到安全值以下。相比較, 高等強度疏伐(H)后, 可燃物總負荷量大幅度降低, 潛在火行為指標, 均降低了90%以上。經過不同強度的疏伐后, 潛在火行為四項指標均大幅度縮減, 有效的降低了火行為發生的風險。

通過研究得出, 疏伐力度太低, 株數保留量大, 單木之間競爭加強, 林分密度得不到改善, 且低強度疏伐后, 林內可燃物負荷量總體增加, 特別是地表可燃物負荷量, 引起火行為指標也增加, 易發生地表火[29-30]。相比較, 疏伐力度過大時, 雖然能較有效的預防森林火災的發生, 但是高強度疏伐后林內小環境會發生較大改變, 會影響植物生長[31]。因此, 要選擇適合的疏伐強度, 以達到林木可持續發展, 保證林木的碳儲量, 有效降低火災發生概率。綜上可得, 中度疏伐強度更為適中, 人工刺槐林經過中強度疏伐(M, 35%)后對林分可燃物特征、林分碳儲量及潛在火行為的影響最為顯著。該研究結果可為研究地區的森林可燃物管理以及森林碳儲量的有效積累提供科學依據。

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Effect ofthinning on fuel characteristics and carbon stock offorest in Beijing Xishan Forest Farm

YANG Siqi, ZHU Min, LIU Xiaodong*

College of Forest, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China

The typicalforests under different thinning intensities (0%, 15%, 35%,50%) in Beijing Xianshan Forest Farm were selected. The effects of different thinning intensities on forest fuel loading, above-ground carbon stock and potential fire behaviors were studied by using field investigation, calculation and BehavePlus software. The results are as follows. (1)The maximum fuel loading of different thinning stands all distributed in the layer of 0-2 m, with the value 1.29 kg·m–2, 1.40 kg·m–2, 1.57 kg·m–2, 1.89 kg·m–2,respectively. Along with the increase of the vertical height, the fuel load was mainly distributed in the layer from 5m to 9m. (2) The stand carbon stock was significantly affected by thinning intensity, and the moderate (M) thinning intensity stand had the highest carbon stock, with the value 17.50 t·hm–2.(4)Forest fire velocity of propagation, heat per unit area, fire line intensity, and flame length were affected by thinning intensity, and the potential fire behaviors values decreased sharply after thinning treatment, and the high intensity thinning(H) had the lowest fire behavior value. The above results can provide a scientific basis for the forest fuel management and sustainable forest management in the studied area.

; thinning; fuel characteristics; carbon stock; fire behaviors

S762.1

A

1008-8873(2018)01-094-07

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.01.013

2017-02-28;

2017-04-05

國家自然科學基金項目(31270696); 國家重點研發計劃項目(2017YFD0600106)

楊思琪(1992—), 女, 內蒙古錫林浩特市人, 碩士, 主要從事森林生態學研究, E-mail: amber_young47@163.com

劉曉東, 男, 博士, 副教授, 主要從事森林生態學研究, E-mail: xd_liu@bjfu.edu.cn

楊思琪, 朱敏, 劉曉東. 疏伐對北京西山林場刺槐林可燃物特征及碳儲量影響研究[J]. 生態科學, 2018, 37(1): 94-100.

YANG Siqi, ZHU Min, LIU Xiaodong. Effect of thinning on fuel characteristics and carbon stock offorest in Beijing Xishan Forest Farm[J]. Ecological Science, 2018, 37(1): 94-100.