不同程度火燒跡地興安落葉松延遲性死亡特征1)

李威 周梅 趙鵬武

(內蒙古農業大學，呼和浩特，010018) (內蒙古賽罕烏拉森林生態系統國家定位研究站(內蒙古農業大學))

舒洋 王梓璇 張今奇

(內蒙古農業大學)

森林火災導致的樹木延遲性死亡是一種常見自然現象，火燒后樹木的存活率取決于樹木的損傷類型和程度、未燒前樹木的活力以及火后環境對樹木生存的影響。火后環境包括病蟲害、土壤及氣候條件等因素。隨著樹木的損傷程度的增加，由各種原因引起的延遲性死亡概率上升[1]。Ryan et al.[2]對美國黃石公園1988年森林火災后的4個針葉樹種在4年內生存狀況進行了研究，表明蟲害與火災是影響樹木延遲性死亡率的主要原因，由火災引起的樹木延遲性死亡率高于蟲害。Robert et al.[3]在加州北部火災后一年內收集了1 024棵紅杉樹的火燒損害數據，量化了樹木死亡率對影響因子的響應，認為胸徑、形成層死亡和樹冠燒焦率是樹木延遲性死亡率的重要預測因子。內蒙古大興安嶺汗馬國家級自然保護區在2018年6月2日發生特大森林火災，過火面積5 100 hm2。通過對火燒跡地2 a內興安落葉松生存情況進行調查，量化火燒程度與胸徑對興安落葉松延遲性死亡率的影響程度，為研究火燒后樹木延遲性死亡規律提供參考。

1 研究區概況

內蒙古汗馬國家級自然保護區位于內蒙古大興安嶺林區中北部，屬于永久凍土區，東臨黑龍江省，南接甘河林業局，西與金河林業局為界，北與阿龍山林業局毗鄰。地理坐標為東經122°23′34″～122°52′46″，北緯51°20′2″～51°49′48″，行政隸屬于內蒙古根河市管轄。保護區總面積107 348 hm2，森林覆蓋率為88.4%。汗馬國家級自然保護區地處大興安嶺主脊西側，海拔較高，屬中山山地，剝蝕苔原區。總體趨勢是北高南低，四周環山，形成較狹長的南北走向河谷，南北長56 km，東西寬32 km。海拔高度840～1 455 m，山脊呈圓弧狀或長崗狀，山坡較緩，坡度10°～20°，個別坡度40°以上。該區屬寒溫帶大陸性氣候，冬季寒冷而漫長，積雪深厚，夏季溫涼暫短，濕潤多雨。年平均氣溫-5.3 ℃，極端高溫35.4 ℃，極端低溫-49.6 ℃，年日照時間為2 630.6 h，≥10 ℃的年有效積溫為1 316 ℃。年平均相對濕度71%，年降水量在437.4 mm左右，主要集中在6—8月份，占全年總降水量的70%左右。主要土壤類型為棕色針葉林土。山谷較寬闊平坦，季節性積水或常年積水，多形成叢樺灌木和塔頭草甸及凍層落葉松“老頭林”。主要樹種有興安落葉松(Larixgmelinii(Rupr.) Kuzen.)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)、山楊(Populusdavidiana)、甜楊(PopulussuaveolensFisch)、樟子松(PinussylvestrisL. var.mongolicalitv)、鉆天柳(Choseniaarbutifolia(Pall.) A. Skv)等[4]。

2 研究方法

2.1 樣地調查

在2018年汗馬國家級自然保護區火燒跡地內設置30 m×30 m標準樣地9個，火燒程度劃分為輕度火燒(樹木死亡率≤30%)、中度火燒(30%<樹木死亡率≤70%)、重度火燒(樹木死亡率>70%)；徑級劃分為7個等級：1～5、6～10、11～15、16～20、21～25、26～30、31～35 cm。于2018與2019年7月對所有研究樣地每木檢尺，記錄所有立木的種類、數量、胸徑、樹高及存活狀態，樣地概況見表1。使用SPSS 25.0進行數據分析處理。

表1 樣地概況

2.2 基于Logistic回歸模型的興安落葉松延遲性死亡率預測

將全部樣本(760個)分為建模樣本(80%)和檢驗樣本(20%)，采用Logistic回歸模型對興安落葉松延遲性死亡率進行模擬。設發生延遲性死亡的概率為P，未發生延遲性死亡的概率為1-P，則公式如下：

式中：P為延遲性死亡率；m為協變量個數；β1、β2、…、βm為自變量系數；x1、x2、…、xm為影響延遲性死亡率的自變量。

2.3 延遲性死亡預測模型的檢驗

為保證檢驗有效性，將所有檢驗樣本(150個)均分為5個子樣本，采用特征曲線(ROC)檢驗法，重復模擬6次，對模型的預測效果進行評價。AU,C表示特征曲線下面積，一般情況下AU,C取值范圍0.5～1.0，AU,C越接近1，表示模型的預測效果越好。根據“約登指數”(敏感性指數+特異性指數-1)界定最優閾值，如果模型的預測概率大于閾值，判定發生延遲性死亡；小于閾值，判定未發生延遲性死亡[5]。

3 結果與分析

3.1 不同火燒程度興安落葉松延遲性死亡特征

由表2、表3可知，輕度火燒樣地中，興安落葉松延遲性死亡率隨徑級增加而逐級降低，降低幅度分別為8.5%、28.5%、17.4%，胸徑大于20 cm的樹木延遲性死亡率為0；在所有延遲性死亡樹木中，主要為胸徑小于10 cm的樹木，比例為76.8%。中度火燒樣地中，興安落葉松延遲性死亡率隨徑級增加也逐級降低，但降低幅度沒有輕度火燒樣地明顯，胸徑大于25 cm的樹木延遲性死亡率為0；在所有延遲性死亡樹木中，主要為胸徑6～15 cm的樹木，比例為86.8%。重度火燒樣地中，各徑級興安落葉松延遲性死亡率明顯升高，最低為66.7%，最高為100%，大徑級樹木的延遲性死亡率顯著高于輕度和中度火燒樣地。胸徑為26～35 cm的樹木沒有發生延遲性死亡。

3.2 興安落葉松延遲性死亡率的影響因子與建模

對延遲性死亡率與徑級和火燒程度進行相關分析，火燒程度與延遲性死亡率顯著正相關(r=0.452，P<0.05)；徑級與延遲性死亡率呈極顯著負相關(r=-0.740，P<0.01)。

表2 不同火燒程度興安落葉松延遲性死亡率

表3 不同火燒程度興安落葉松延遲性死亡數量各徑級比例

由表4可知，采用logistic回歸方程建模，徑級和火燒程度2個因子對興安落葉松延遲性死均極顯著相關(P<0.01)。徑級的優勢比(OR)為0.725，表示徑級每增加一個等級，興安落葉松延遲性死亡風險約降低為原來的0.7倍；火燒程度的優勢比(OR)為3.208，表示火燒程度每增加一個等級，興安落葉松延遲性死亡風險約增加至原來的3.2倍。

表4 logistic回歸模型參數

3.3 回歸預測模型評價

由表5可知，對興安落葉松延遲性死亡率Logistic回歸模型的預測效果進行評價，5個子樣本預測發生的準確率范圍為59.1%～84.6%，總樣本準確率為71.7%；預測未發生的準確率范圍為54.5%～72.5%，總樣本準確率為60.4%。各樣本的AU,C值范圍為0.660～0.870，總樣本AU,C值為0.764，表明預測模型準確率較高，擬合效果良好(見圖1)。

表5 興安落葉松延遲性死亡預測模型準確率

圖1 興安落葉松延遲性死亡預測模型ROC曲線

4 討論與結論

樹木死亡是一個組織器官與環境之間的熱力學平衡概念，代表樹木不再具有驅動能量梯度用于代謝或者更新的能力[6]。森林火災通過外部著火，將高溫傳導到樹木內部組織，致使樹木的某些重要生理機能超過閾值，從而導致樹木死亡[7]。森林火災對樹木的樹冠、樹根和樹干造成的傷害及其對土壤和氣候的影響是長久的，并且受損的樹木更易感染蟲害，因此火燒后的樹木延遲性死亡現象會持續很多年[8-10]。火燒對樹木的影響取決于樹種、徑級、年齡、林分結構、燃燒季節、天氣、可燃物負荷量、地形及火災嚴重程度，這些因素決定了樹木的損傷程度和立即或延遲性死亡的可能性[10]。Ryan et al.[11]認為冠體積燒焦比是一種預測火燒后樹木延遲性死亡率的可靠指標，樹冠受損程度超過80%的樹木無法存活。而Oswald et al.[12]發現休眠季的森林火災后，一小部分樹冠燒焦達90%的樹木能夠恢復，認為火燒后樹木的存活也取決于燃燒季節。Mantgem et al.[13]認為火燒后樹木相關形成層損傷高度依賴于樹皮厚度，而樹皮厚度取決于樹種和樹木胸徑。Ryan et al.[14]、Stephens et al.[15]對美國黃松的研究發現，樹干焦化超過50%或樹冠焦化超過90%，在5 a或更短的時間內死亡率極高。考慮到黃松是最耐火的樹種之一，相同的損傷百分比將導致其它樹種更高的死亡率[16]。Logistic回歸模型已被廣泛用于火燒后的樹木存活概率的預測，這些模型考慮了森林地表可燃物消耗量和根系死亡率的影響，并納入了火災后蟲害、干旱和病原體等協同效應綜合預測樹木延遲性死亡率[16]。本研究量化了火燒程度與胸徑對興安落葉松延遲性死亡率的影響，但沒有考慮到其它影響因素，這是需要以后補充研究的方向。