喀納斯泰加林林火烈度分析

劉小菊，潘存德

(1.新疆農業大學林學與園藝學院，烏魯木齊 830052；2.新疆農業職業技術學院園林科技學院，新疆昌吉 831100)

0 引 言

【研究意義】火頻發嚴重干擾自然生態系統，改變森林年齡結構、樹種組成，減少森林生物量[1]。林火烈度、林火強度、林火的周期性和季節性是火干擾的主要組成因素，都會影響森林的組成、結構和下層木的生長[2-3]。林火烈度(林火烈度)和是火生態研究的重點領域。林火強度(fire intensity)是指火在燃燒過程中燃燒有機物質釋放的能量[4]。林火烈度一詞源于描述火干擾后的生態效應。火生態管理中涉及到林火烈度多個方面，包括林火烈度的解釋、目標、度量和生態變化[5]。不同的研究對林火烈度的看法不同[6]。林火烈度(fire severity)指林火對森林生態系統(植被、土壤養分和土壤理化特性)的影響/破壞程度[4]；或指地上和地下有機物質的損失情況[7]。林火烈度的大小直接影響森林生態系統的所有生態過程[7-8]。研究火干擾的生態效應和林火烈度比林火強度更有價值，并能很好地表征火后有機體的變化情況。喀納斯自然保護區作為中國北方保存完整泰加林之一，火干擾頻繁發生，尋求評價林火烈度的方法具有重要的理論價值。研究火后的生態效應，火后森林的更新、植被的恢復和物種多樣性的研究的前提是確定林火烈度和火干擾時間，保證林火烈度的客觀性并具備量化的指標，能夠快速判定林火烈度，才能夠客觀地描述火干擾后生態環境發生的變化，為森林經營管理和森林景觀的維持提供科學依據。林火烈度對研究火干擾對森林群落的物種組成、分布、生物多樣性格局和森林景觀的形成十分重要，對火生態和森林景觀異質性研究具有十分重要的指導意義。【前人研究進展】林火烈度的評價對于研究火后生態響應至關重要。但是仍沒有能被廣泛認可的林火烈度統一的度量標準[9-10]。常用植物死亡率尤其是林冠層林木死亡率[12-13]、生物量的消耗[5]、灌木高度的變化[14]、地表有機物的消耗[15-16]、土壤性質的變化[17-18]、火疤木的熏黑高度[19]等來表示。但是這些評價標準都具有一定局限性，林木死亡率對于具有萌芽能力的優勢樹種的森林是不適用的[22]，且林木死亡率會隨著演替的推進發生變化；生物量的消耗、土壤性質的變化等方法都是用設置對照樣地的方法進行度量，實際上對照樣地并不能真正代表火燒前的林分；火疤木的熏黑高度屬于火疤的外在屬性因子，僅采用一個因子缺乏全面性；有研究應用遙感技術來評估林火烈度[20-22]，CBI和NBR指數等是利用植被蓋度、土壤顏色的變化輔以火前和火后的圖像和數據來評價林火烈度。這些指標都是視覺觀測數據，不同觀測者的觀測水平不同，不能保證觀測的客觀性，并不能保證林火烈度評價的客觀性。對于火燒時間長的林分，這些方法顯然是不適用的。國內在火生態研究中往往將林火烈度和林火強度混淆，用來代替林火烈度[23-25]。林火烈度基本上都是利用林木死亡率來評價，也有利用林木火疤的外在屬性因子和西伯利亞松殘留比例量化喀納斯自然保護區的林火烈度[28]，實踐證明殘留比例會隨著森林的演替而增大，也具有一定的局限性。【本研究切入點】我國新疆喀納斯國家自然保護區位于林火多發的阿勒泰山林區，是我國惟有的南西伯利亞山地南泰加林生態系統的代表，火干擾對森林群落的物種組成結構、生物多樣性格局和森林景觀的形成與維持起著重要的作用，但對森林火干擾歷史及其植被發展等方面的研究卻非常少。西伯利亞落葉松是喀納斯自然保護區的優勢樹種，樹皮厚，抗火性強，過火后，會在樹干上留下較為清晰的火疤。【擬解決的關鍵問題】在喀納斯自然保護區泰加林，選取發生過火干擾的林地設置樣地實地調查，以耐火樹種西伯利亞落葉松的火疤作為研究對象，采用熏黑高度、火疤深度、火疤寬度和火疤高度4個火疤屬性因子建立喀納斯自然保護區林火烈度評價指標體系，為喀納斯自然保護區林火干擾對森林及林下植被種群的穩定性、生物多樣性、森林及草本生物量、土壤理化性質、土壤微生物及植被恢復的影響的研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究地點位于新疆喀納斯國家自然保護區(N48°26′18″～48°38′56″，E87°01′45"～87°33′50″)內，該保護區為大陸性氣候明顯，年平均溫度-0.2℃，≥10℃的年均活動積溫1 595.4℃，無霜期為80～100 d，年均日照時數為2 157.4 h，年均降水量1 065.4 mm，年均蒸發量為1 097 mm，常年盛行西南風。受第四紀冰川和北冰洋氣候的影響，形成特殊的自然景觀和植被類型。氣候、土壤和生物分布具有明顯的垂直帶譜，森林、草原、草甸相間交錯分布。其中，在海拔1 300～2 300 m范圍內的亞高山寒溫帶針葉林—山地棕色針葉林帶屬于典型的泰加林區。森林群落主要位于陰坡、半陰坡山地。保護區內已知的維管束植物有83科298屬798種，并保存以泰加林為代表的泰加林分，也是我國唯一的歐洲西伯利亞植物區系。喬木優勢樹種為西伯利亞落葉松(LarixsibiricaLedeb.)、西伯利亞云杉(PiceaobovataLedeb.)和西伯利亞紅松(Pinussibirica(Loud.)Mayr.)，伴生有西伯利亞冷杉(AbiessibiricaLedeb.)、疣枝樺(BetulapendulaRoth.)、山楊(PopulustremulaLinn.)等。灌木優勢種有大葉繡線菊(SpiraeachamaedryfoliaLinn.)、多刺薔薇(RosaspinosissimaLinn.)、藍果忍冬(LoniceracearuleaLinn.)等。草本優勢種有黑穗薹草(CarexpolyphyllaKar.et Kir.)、白花砧草(GaliumborealeLinn.)、白喉烏頭(AconitumleucostomumWorosch.)、老芒麥(ElymussibiricusLinn.)等。

1.2 方 法

2016年6～8月，采用典型樣地法在喀納自然保護區未受人為干擾的，但有火干擾痕跡的泰加林中設置樣地進行調查。該保護區發生的火干擾事件主要集中分布在海拔1 900 m以下[28-29]，設置的樣地海拔高不超過1 900 m。為了避免因林木火斑造成的火干擾誤判，嚴格選取出現5株及5株以上火疤木，且火疤木距今最近1次成疤年齡相同、面積不小于1.0 hm2且樹木分布相對均勻的樣地內設置林冠層樣地。樣地大小為30 m×30 m，樣地邊界距離林緣至少50 m，共調查179個樣地。

在樣地內用GPS定位后對所有高度>1.3 m樹木進行每木調查，記錄樹種、樹高、胸徑和數量，并測定西伯利亞落葉松年齡，對樹高≤1.3 m的樹木記錄其樹種和數量；對樣地內及周圍出現的西伯利亞落葉松火疤木進行逐一調查，現場記錄其熏黑高度、火疤深度、火疤寬度、火疤高度(熏黑高度)。其中，火疤深度、火疤寬度、火疤高度分別以最深、最寬和最高處記錄。

采用林木火疤年齡分析法確定樣地火干擾的發生時間(年份)，即正對火疤砍出一斜面，根據內部完整年輪數與整株樹木全部年輪數之差確定火疤木成疤時間(年份)[26]。選擇5株生長健康、火疤外在屬性相似、火疤清晰的火疤木進行年齡分析，保證5株火疤木的成疤年份誤差在1a以內。以林木火疤的4個外在屬性因子作為林火烈度的表征因子，對林火烈度量化分級。

對所有的火疤外在屬性因子進行兩兩之間的Pearson相關分析，篩選出不存在極顯著相關關系(P<0.05)的林火烈度的指標體系。對179個樣地內的林木火疤的外在屬性因子進行相關分析，以火疤的外在屬性因子作為林火烈度的表征因子，以火燒樣地為基本單位進行聚類分析。對179個樣地的林火烈度的表征因子進行聚類分析，劃分林火烈度等級。對熏黑高度、火疤寬度、火疤高度和火疤深度分別進行聚類分析，獲得各個表征因子聚類后的范圍值和均值。利用表征因子的量化指標進行林火烈度的劃分，烈度以多數指標所在的等級為標準進行。當這4個表征出現兩兩分別歸屬于名次等級時，以火疤深度所在的等級為準。將179個受火干擾的樣地按照林火烈度進行歸類。

1.3 數據處理

采用相關分析和聚類分析進行林火烈度的標定，并將林火烈度劃分不同等級；數據的錄入、整理和作圖均采用Microsoft Excel 2007軟件進行，采用統計軟件SPSS19.0進行統計分析,作圖則利用Origin 2018完成。

2 結果與分析

2.1 林火烈度的量化

2.1.1 林火烈度表征因子的相關性

研究表明，各表征因子間均存在一定程度的正負相關性，其中熏黑高度和火疤深度，火疤深度和火疤寬度之間存在顯著相關性，但不存在極顯著相關性，可以用這4個變量作為林火烈度的表征因子。表1

表1 林火烈度表征因子相關矩陣

2.1.2 林火烈度的量化

參照各個表征因子的范圍值和均值及綜合聚類分析的各個表征因子的臨界值，以熏黑高度和火疤深度為優先考慮因子結合成疤部位和火疤寬度將喀納斯林草生態系統的林火烈度劃分為高、中、低3個等級，各等級對應的量化指標范圍值。表2

表2 喀納斯泰加林林火烈度量化指標

喀納斯自然保護區內，高烈度火燒的樣地共67個，占總數的37.4%；中度火干擾的樣地共55個，占總數30.7%，低烈度火燒跡地共57個，占總數31.8%。喀納斯自然保護區泰加林發生的火干擾集中在高烈度和中等烈度等級。圖1

圖1 林火烈度和火干擾時間在樣方數量上的分配

2.2 火干擾時間序列上的林火烈度

研究表明，此次調查區域內的火干擾時間可歸屬于1880～2000年的63個歷史年份。最早的火干擾時間為1880a，但發生火干擾的樣地數量不多；1987a前后火燒跡地的數量較多。在這100a間的其它火干擾年份里，發生火燒的樣地數量不等。圖2

圖2 聚類分析

3 討 論

3.1 喀納斯自然保護區泰加林的林火烈度指標

通過喀納斯自然保護區林火烈度表征因子的相關分析，研究將火疤寬度、火疤高度及火疤深度確定為標志林火烈度的外在指示因子，且通過大量統計分析，對保護區高、中、低3個等級的林火烈度給出了詳盡的量化參數，對該區域的火干擾研究提供了方便快捷的定性定量分析指標。

林火烈度與林火強度并不是相關的[11]，高強度火燒的烈度有可能是低的，特別是對于草地和灌叢這些更新能力高的生態系統，火燒后植物更新迅速，高強度火燒造成的植物死亡率卻是低的[22]，林火烈度也是低的。準確區分兩個概念是十分必要的，將兩者混為一談是不科學的。用植物死亡率、土壤性質的變化、有機質的損失等數據去量化林火烈度，需要火前和火后的數據，且火燒時間不久后開展調查，并需保證數據的客觀性。大多數研究林火烈度都采用設置對照樣地的方法，即在火干擾樣地的臨近地段找到未被火燒的樣地作為火前樣地[31]。實際上未被火燒的樣地并不能真正代表火前樣地，尤其在高烈度火燒的森林找到成對的火燒和未火燒樣地幾乎是不可能的。土壤性質的變化、有機質的損失等來度量林火烈度，必須提供火燒前的數據，獲得這些數據幾乎是不可能的。目前都是用對照樣地的方法，應用對照樣地來量化林火烈度似乎是簡單易行的，但忽視了不同林火烈度和火燒時間對這些因子的影響。對于火燒時間較長的林分火后有機質的損失、植物死亡率、土壤性質的變化并不能客觀真實地量化林火的后果[16]。

火干擾發生后，森林生態系統地上和地下遭受損失是其第一效應，隨著時間的推移，由于林火會產生使火效應加劇或減輕的第二效應。植物死亡率(特別是林木死亡率)被廣泛用于評價林火烈度，有些樹木具有地下隱芽，地上部分被燒死后，地下的隱芽仍然存活，火后不久就得到恢復，林木的死亡率隨著時間可能會降低。林木的死亡率也有可能會隨著演替而變大，病蟲害侵入由于火燒抗性變低的林木，導致林木死亡率提高。另一方面，由于火燒導致土壤侵蝕加劇，造成部分樹木倒伏或死亡。一個發生火燒的林分1a后根據植物死亡率判斷是低烈度，5a后則由于死亡率提高會判定為高烈度[27]。另外由于植物死亡造成的林窗，使得外來物種得以入侵，也會對植物的死亡率造成誤判。采用林木死亡率來評價林火烈度實際上具有一定的局限性。林木的殘留比例會隨著演替而提高，當采用火疤的表征因子和殘留比例來判定林火烈度時，殘留比例則成為主導性因子，火燒時間越早，殘留比例越大，林火烈度就越高，用此方法來評價林火烈度則缺乏客觀基礎。

研究將喀納斯自然保護區的林火烈度劃分為高、中、低3個等級，每個等級都對應有其相應的表征因子量化指標。在前人用熏黑高度評價林火烈度的基礎上，加入了熏黑高度、火疤寬度和火疤深度3個屬性因子，更具全面性。通過林火烈度的量化，表明火疤越深、火疤寬度越大，火疤高度越低，喀納斯自然保護區的火干擾表現為烈度越高。對熏黑高度而言，中度等級的火干擾的熏黑高度最高。發生火燒時，火將在樹體的水平、垂直和縱深方向蔓延，當火力集中在其中兩個方向時，在其它一個方向上的能量會在一定程度上減少。這在一定程度上解釋了隨著火疤高度和熏黑高度的增大，林火烈度并沒有隨之增高。在火干擾發揮作用時，受林木胸徑大小及火勢集中狀況和風、地形因子等其他外界因子協同作用的影響，火疤寬度及高度、深度的表現特征很可能具有一定的局限性，研究結果只能反映該區域的火干擾狀況，其他森林生態系統是否具有相似的表現特征還有待進一步證實。

3.2 林火烈度與地形因子

通過林火烈度與地形因子[28-31]的相關分析中，海拔越高林火烈度越高，與Roman[32]研究結果一致，坡度和坡向與林火烈度呈負相關。在此次調查的海拔范圍內，1 417～1 715 m海拔范圍內林火烈度分級顯著且多發生高烈度火干擾。1 416 m以下的低海拔地區發生火燒后人工撲救較為方便，以中度和低度火干擾為主，且發生火干擾的頻率低；高海拔地區人工撲救難度大，林下分布的灌木增多，林下濕度小，火勢蔓延速度快，更易發生高烈度火燒。斜坡和陡坡坡度相對較陡，火勢蔓延快，易形成高烈度火干擾，與前人結論一致[31]。低坡位火干擾頻率最高，且林火烈度的分級顯著；陰坡上，火干擾頻率較高，林火烈度的分級也較明顯。這與喀納斯自然保護區的森林主要分布在陰坡和半陰坡上有關。西南坡發生的火干擾最高，這可能與保護區常年盛行西南風有密切關聯，在迎風坡火勢會受風力影響而產生加高效應，從而高化對局部林分的影響，在迎風坡由于火勢的集中高勁而產生明顯的干擾效應，使得火烈度增高。

3.3 林火烈度的火后生態效應

一般來說，導致林火烈度產生差異的影響因素很多，火干擾會因環境條件的不同而表現出由于火燒產生不同程度的環境變化[32-33]。火干擾發生后通過熱量的輻射對土壤產生烘烤作用，不僅改變了土壤的理化性質，同時可以清除一些森林有害物質[33]，而且干擾程度越高產生的影響越大。隨著干擾烈度的增高，受干擾林分在物理基質及能量配置方面的重組程度加大，林分重新發育的可能性增大，從而給一些適生樹種和草本及灌木提供了生存機會。高烈度火燒使得林分中出現較大的林窗，除了耐火燒的中、大徑級西伯利亞落葉松以外其它樹都被燒死，林分郁閉度減小、透光率加大，喜光的疣枝樺、谷柳、五蕊柳等闊葉樹種得以定居，林分中闊葉樹種的比例增加，闊葉化程度增加，林分表現為闊葉針葉混交林。

中度火干擾后，林冠層稀疏，透光率加大，疣枝樺靠萌芽得以更新，喜陽的西伯利亞落葉松的種子開始萌發，林分表現為闊葉針葉混交林。隨著時間推移，當林分郁閉度增加，陰性樹種西伯利亞云杉、西伯利亞紅松得以更新，闊葉樹種逐漸消退，林分為針葉闊葉混交林。

低烈度火干擾后，林分環境變化不是很大，僅少數樹木被燒死，大部分樹木及幼樹得以留存，林分為針葉闊葉混交林或針葉混交林，隨著時間的推移，針葉化程度增加。

火干擾特征影響森林的演替更新，火燒距今時間越近，烈度越高，林分表現為闊葉針葉混交林；火干擾時間距今越近，烈度越低，林分表現為針葉混交林或針葉闊葉混交林；火發生時間距今越遠，烈度越高，林分的針葉化程度增加；火發生時間距今越遠，烈度越低，林分表現為針葉混交林。

調查的火干擾樣地中，高烈度和中度火干擾后林分大都表現為闊葉針葉混交林，且干擾時間距今較近。針葉混交林大多發生低度、中度火燒，且火發生時間距今較近，個別樣地發生了高烈度火燒，因火燒距今時間遠，在更新的過程中針葉化程度增加，闊葉樹被排擠；針葉闊葉混交林的林分的火燒情況相對復雜一些，有2種情況：一是火發生時間近，林火烈度高、中、低均存在；二是火發生時間較遠，林火烈度為高烈度和中等烈度，火燒跡地上闊葉樹數量多，經過多年演替未全部被針葉樹代替。喀納斯自然保護區泰加林的火后生態效應與森林演替規律相符。

3.4 火干擾時間與林火管理

喀納斯自然保護區泰加林的火干擾可歸屬到1880～2000年的63個歷史年份，火干擾集中在20世紀60年代、70年代和80年代，其中，1977a、1978a、1979a、1980a、1982a、1984a、1987a、1988a和1991a發生的火干擾較為頻繁，發生火燒次數6次以上，與阿爾泰山林區歷年林火發生情況調查結論一致[28]。1990a后的火干擾次數減少，發生高烈度等級的火燒樣地占總量的比例減少，這與保護區林火管理的力度加高有著直接關系，1990a后林火監測的水平提高，林火撲救的措施得力，火干擾次數顯著減少。

此次林火烈度的量化是科學可行的，為喀納斯林火生態的分析和研究提供了參考信息。喀納斯自然保護區泰加林發生的火干擾以高度和中度干擾為主，與之前的研究結論基本一致[29]。該保護區泰加林林火烈度受林分特征、地形因子和林火管理的影響。火干擾啟動了演替，在火燒跡地上引起森林更新，影響火燒跡地更新有三大因子：立體條件、火前植被因子和火干擾特征[40]。喀納斯自然保護區的泰加林森林生態系統經過火成演替形成不同的森林類型。林火烈度與林分結構、林下植被、土壤等之間的關系及作用機制還有待于進一步研究。

4 結 論

4.1 熏黑高度和火疤深度，火疤深度和火疤寬度之間存在顯著相關性，但不存在極顯著相關性，可以用這4個變量作為林火烈度的表征因子。

4.2 以熏黑高度和火疤深度為優先考慮因子結合成疤部位和火疤寬度將喀納斯林草生態系統的林火烈度劃分為高、中、低3個等級，各等級對應的量化指標范圍值。

4.3 喀納斯自然保護區泰加林發生的火干擾集中在高烈度和中等烈度等級。

4.4 在這100a間的其它火干擾年份里，發生火燒的樣地數量不等。