煙臺市赤松-黑松林林分結構因子對地表可燃物載量的影響

苗杰 路兆軍 王淑惠 李保進 張專文 張聲凱 王益星 張靖川 孫太元

摘要?[目的]為制訂降低地表可燃物載量的森林經營措施提供科學依據。[方法]通過分析煙臺市赤松-黑松林林分結構因子對地表可燃物載量的影響，建立林分結構因子和地表可燃物載量相關性，對林分結構因子和可燃物類型進行主成分分析。[結果]隨著林分密度的增加，地表可燃物載量顯著增大（P<0.05），不同樹高、胸徑和枝下高條件下無顯著差異，可燃物類型載量總體表現為腐殖質>枯落物>死地被物>灌木;地表可燃物載量與林分密度、樹高、枝下高呈顯著正相關（R2=0.869，P<0.05），死地被物載量與枝下高呈極顯著負相關（R2=0.652，P<0.01），枯落物載量與林分平均胸徑呈極顯著正相關（R2=0.671，P<0.01）;林分結構因子中主要影響地表可燃物載量的因素為林分空間和樹木個體生長，腐殖質和枯落物是地表可燃物的主要組成成分。[結論]可通過間伐、修枝等森林經營措施調整林分結構，減少煙臺市赤松-黑松林地表可燃物載量（腐殖質和枯落物）。

關鍵詞?赤松-黑松林;林分結構因子;可燃物載量;可燃物類型;煙臺市

中圖分類號?S762?文獻標識碼?A?文章編號?0517-6611（2021）09-0109-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.09.027

Abstract?[Objective] In order to provide a scientific basis for formulating forest management measures to reduce surface fuel load. [Method] By analyzing the effect of forest structure factors of Pinus densiflora and P. thunbergii forest in Yantai on its surface fuel load， the relationship between forest structure factors and surface fuel load was established， and the principal component analysis of stand structure factors and fuel types was carried out. [Result] The results showed that the surface fuel load was significantly increased with forest density （P<0.05）. But the situation didnt appeared again in other three forest structure factors， height， DBH and height of under branch. We found that there was a tendency of changing from high to low as follows in four fuel types： humus > litter > dead covering plant > shrub. The result of stepwise regression between forest structure factors and surface fuel types load showed that， there was a positive correlation between forest surface fuel load and forest density， height and height of under branch （R2=0.869，P<0.05）. The same correlation was found between litter and average DBH （R2=0.671，P<0.01）. But the correlation between dead covering plant and height of under branch showed an opposite tendency （R2=0.652，P <0.01）. Both of the stand space and individual tree growth was the main factor of forest structure factors which affected surface fuel load， and?both of humus and litter was the main composing component of surface fuel load. [Conclusion] Forest structure can be adjusted by thinning， pruning and other forest management measures to reduce the surface fuel load （humus and litter） of P. densiflora and P. thunbergii forest in Yantai.

Key words?P. densiflora and P. thunbergii forest;Forest structure factors;Fuel load;Fuel type;Yantai City

煙臺市主要森林植被類型以赤松（P.densiflora）、黑松（P.thunbergii）針葉樹種為主，間雜有麻櫟（Quercus acutissima）和刺槐（Robinia pseudoacacia）等闊葉樹種。目前對于赤松、黑松的研究主要集中于生長特性[1]、葉片生理生化[2]和病蟲害防治[3-4]等方面。然而，關于赤松-黑松林地表可燃物的研究卻鮮見報道。近年來，由于煙臺市赤松-黑松林森林資源和林內可燃物載量不斷增加，加之氣候的異常變化和野外用火增多，發生重大森林火災的可能性增大，森林防火形勢嚴峻，森林防火工作受到了各級黨委政府和社會各界的高度重視。

森林中一切有機物質均可成為林火燃燒的物質基礎[5]，這是由于林火多起源于地表可燃物的燃燒，進而形成地表火，然后上升為林冠火，最終形成人為難以控制的森林火災，大面積燒毀森林植被[6-8]。森林地表可燃物是人為控制林火的主要研究對象[5，9]。關于森林地表可燃物的研究主要側重于載量估算、林分影響因子和燃燒性等方面。陳宏偉等[10]和劉志華等[6]分別研究了林分影響因子和空間格局對呼中林區不同林型內地表可燃物載量的影響。梁瀛等[11]對影響天山云杉林地表可燃物的地形因子和林分因子進行了研究，建立了海拔、坡度和郁閉度與地表可燃物載量的相關性。吳志偉等[12]利用系統聚類法分別從林分結構、空間結構和地表可燃物覆蓋類型等因素出發，對豐林自然保護區建立3種標準森林可燃物模型。胡海清[13]通過對大興安嶺區興安落葉松林、樟子松林和白樺林3種林型68塊樣地林分因子進行研究，建立了林分因子與地表可燃物載量的數學模型。梁瀛等[9]對天山中部9種主要樹種可燃性指標進行了綜合性評價。賀紅士等[5]對國內外關于地表可燃物的特性、類型與火行為、載量等方面進行了綜合性報道。

利用林分結構因子對森林地表可燃物載量的影響能夠較好地預測可燃物性狀特征[13]，進而更好地開展森林火災預測和制訂防火工作方案，為森林火災管理提供科學管理方法。基于此，筆者通過對煙臺市赤松-黑松針葉林森林地表可燃物及其林分結構因子進行研究，分析林分結構因子與地表可燃物載量的關系，探索影響地表可燃物載量的主要林分結構因素和主要構成類型，提出降低地表可燃物載量的森林經營措施，旨在避免或減少森林火災的發生，為煙臺市赤松-黑松林森林經營管理和林火管控技術提供科學依據。

1?研究區概況

研究區域位于山東半島煙臺市，該地區屬溫帶季風氣候，年均降水量651.9 mm，年平均氣溫11.8 ℃，年均空氣相對濕度68%，年平均日照時數2 698.4 h，年均太陽輻射總量5 224.4 MJ/m2，平均全年無霜期為210 d，砂質棕壤土，平均海拔100～300 m。研究區域內赤松、黑松林均為1988年前后煙臺市政府組織的“三年大造林”活動時所營造，林齡均為35年左右，至今無較大人為干擾（如透光伐、衛生伐或拾草砍柴等）。目前該地區喬木樹種主要有赤松、黑松、麻櫟和刺槐等;灌木樹種主要有胡枝子（Lespedeza bicolor）、華北繡線菊（Spiraea fritschiana）、紫穗槐（Amorpha fruticosa）、牛奶子（Elaeagnus umbellata）等;草本主要有針薹草（Carex dahurica）、白茅（Imperata cylindrica）、南牡蒿（Artemisia eriopoda）、地榆（Sanguisorba officinalis）、狹葉珍珠菜（Lysimachia pentapetala）、大花野豌豆（Vicia bungei）等。

2?研究方法

2.1?樣地設置及林分調查

樣地設置在山東省煙臺市蓬萊區大柳行鎮、福山區回里鎮和牟平區龍泉鎮（以下簡稱“蓬萊”“回里”“牟平”），地理位置、海拔、坡向、坡度及坡位信息見表1。于2018年4月初（春季干旱防火期，調查前連續15 d內無降雨降雪等天氣）分別在回里、牟平、蓬萊設置3個20 m×30 m樣地，共計9塊標準樣地。各樣地內進行每木檢尺（起測徑階為2 cm），記錄樹種名稱、樹高、胸徑、枝下高。

2.2?森林地表可燃物載量調查

各標準樣地內隨機設置15塊1 m×1 m小樣方，將小樣方內可燃物分為灌木（包括地上活體灌木和死體灌木）、死地被物（僅包括地表苔蘚和草本）、枯落物（包括喬木和灌木樹種枯落枝條、球果、葉片等，以其形態尚未開始自然分解為標準）和腐殖質（以枯落枝條、球果、葉片及草本等植物組織形態已開始部分或完全自然分解為標準）4種類型，使用野外電子秤稱取各小樣方內不同類型可燃物鮮重，計算地表可燃物載量。

2.3?數據分析

根據林分調查數據，對林分平均密度、平均樹高、平均胸徑和平均枝下高進行方差分析（ANOVA，檢查方差齊性和正態性，下同）和多重比較;對各樣地內及樣地間可燃物載量及可燃物類型（灌木、死地被物、枯落物和腐殖質）載量進行方差分析和多重比較;采用逐步回歸方法，建立可燃物類型和載量與林分結構因子之間的線性關系;利用主成分分析方法對林分結構因子和可燃物類型因子轉換，判斷影響地表可燃物載量的林分結構和組成物質的主要因素。

3?結果與分析

3.1?林分結構因子對地表可燃物載量的影響

通過方差分析結果可知，林分密度對赤松-黑松林地表可燃物載量具有極顯著差異（P<0.01），樹高、胸徑和枝下高3個林分結構因子差異不顯著（P>0.05）。

圖1顯示，高密度林分下地表可燃物載量為2 676.8 kg/hm2，顯著大于中密度（928.5 kg/hm2）和低密度林分（483.6 kg/hm2）（P<0.05），總體表現出隨林分密度的增大，地表可燃物載量逐漸增大的趨勢。可見，林分密度越低，地表火的燃燒物質基礎越少。

由表2可知，相同林分密度下，當林分密度較低時，腐殖質和枯落物載量較高，顯著高于灌木載量和死地被物載量（P<0.05），死地被物載量顯著大于灌木載量（P<0.05）;當林分密度較高時，腐殖質載量為最高，顯著大于其他地表可燃物載量（P<0.05），死地被物與枯落物載量無差異，顯著高于灌木載量（P<0.05）。地表可燃物載量表現為腐殖質>枯落物>死地被物>灌木。

不同林分密度之間，高密度林分內灌木和枯落物載量差異顯著（P<0.05），其他類型林分密度差異不顯著，死地被物和腐殖質載量均隨林分密度的增加而顯著增大（P<0.05）。由此可知，林分密度的差異對于灌木和枯落物載量的影響較小，對死地被物和腐殖質載量的影響較大。

3.2?不同林分因子與可燃物載量的逐步回歸線性關系

由表3可知，對不同林分因子與可燃物載量建立逐步回歸線性方程后，地表可燃物載量與林分密度、樹高和枝下高均呈顯著正相關（P<0.05），與胸徑無關，即林分密度越大，樹高和枝下高越高，林地內地表可燃物載量累積越多;死地被物載量與枝下高呈極顯著負相關（P<0.01），即枝下高越低，死地被物累積越多;枯落物載量與胸徑呈極顯著正相關（P<0.01），即胸徑越大，枯落物載量累積越多。

3.3?林分結構因子和可燃物類型因子主成分分析

林分結構因子中特征值大于1的主分量有2個，累計貢獻率為69.4%，選取前2個主成分進行分析（表4）。林分結構因子第1主成分特征值（即標準差，下同）為1.265，方差貢獻率為40.0%，主成分載荷系數絕對值較大的為林分密度和枝下高，命名為林分空間因素;第2主成分特征值為1.085，貢獻率為29.4%，主成分載荷系數絕對值較大的為樹高和胸徑，命名為樹木個體生長因素（表5）。因此，影響地表可燃物載量的主要因素為林分空間因素，次要因素為樹木個體生長因素。

可燃物類型因子中特征值大于1的主分量有2個，累計貢獻率為84.6%，選取前2個主成分進行分析（表6）。可燃物類型因子中第1主成分特征值為1.439，貢獻率為51.7%，主成分載荷系數絕對值最大的是腐殖質;第2主成分特征值為1.146，貢獻率為32.9%，主成分載荷系數絕對值最大的是枯落物（表7）。因此，地表可燃物載量的主要構成成分為腐殖質，次要構成成分為枯落物。

4?討論

從林分結構因子來看，煙臺市赤松-黑松林地表可燃物載量在不同林分密度條件下存在顯著差異（P<0.05），總體表現為隨著林分密度的增加，可燃物載量呈增大趨勢，這與前人研究結果一致[14-16]。這是由于林木每年持續不斷的新陳代謝作用，森林內樹木的樹皮、枯死枝葉、樹干等可燃物掉落至地面，經年積累后，形成較多枯落物，同時枯落物降解形成腐殖質。王曉榮等[17]研究認為，隨著林分密度的增大，枯落物分解速率較快，這是由于林分密度不同，林內光的有效性、氣溫、土壤等微環境差異較大，土壤理化性質、微生物種類和活性等對枯落物的分解速率也不同[18-19]。該研究中，不同林分密度條件下，地表可燃物各類型中均以形態尚可分辨的枯落物和形態已經開始或者完全分解的腐殖質載量最大，這與刁嬌嬌等[20]和梁晶等[21]的研究結論一致。從差異性分析結果來看，樹高、胸徑和枝下高3個林分結構因子對地表可燃物載量的影響較小。

王叁等[22]研究認為，樹種組成、林分密度、樹高、胸徑、枝下高等因子造成林分之間的差異，進而對森林地表可燃物的類型及其載量造成影響。從該研究結果來看，赤松、黑松林的林分結構因子對地表可燃物的載量具有顯著相關性，其中地表可燃物載量與林分密度、樹高和枝下高均呈顯著正相關（P<0.05），死地被物與枝下高呈極顯著負相關（P<0.01），枯落物與胸徑呈極顯著正相關（P<0.01）。總體表現出林分密度越大，平均胸徑越小，枝下高越低，且地表可燃物載量越大的趨勢。這可能是由于林分密度越大，樹木個體枝條發育越多，為爭取更多的光照和生長空間，枝葉自然稀疏強度加大[23]，從而增加了地表可燃物中纖維素和半纖維素等易燃類可燃物的載量[24];樹冠離地高度越低，進入林分的光照越多，地表草本和灌木獲取光能越多，生長越旺盛，反之則越少。有研究表明，云杉林[11]、樟子松林[13]、呼中林區[10]內地表可燃物載量均與林分郁閉度呈正相關關系，這與該研究結果相一致。該研究結果顯示，樹高與地表可燃物載量不具有線性相關關系，這與梁瀛等[11]和胡海清[13]的研究結果不一致，可能與煙臺市范圍內赤松-黑松林林齡和海拔較為一致，樹木個體高度差異較小有關。

從煙臺市赤松-黑松林不同林分結構因子對地表可燃物載量的貢獻程度來看，林分空間因素為主要貢獻因素，樹木個體生長因素為次要貢獻因素;從地表可燃物的組成類型貢獻程度來看，腐殖質和枯落物是其主要組成物質，其主要來源是林木的枯枝落葉等。因此，可以認為，煙臺市赤松-黑松林地表可燃物載量主要受到林分空間和樹木個體生長2個因素的影響，通過間伐和修枝等營林措施降低林分密度，提高林分平均枝下高，擴展單株林木生長空間，增加地表火至林冠之間距離，實現減少森林火災的燃燒物質基礎和降低林冠火發生的目標。

參考文獻

[1] 吉國棟，楊寧，謝曉陽，等.青島山地黑松徑向生長量變化規律研究[J].防護林科技，2019（5）：23-25.

[2] 孫陽，王晶媛，張慧，等.海岸梯度上黑松針葉化學計量特征的變化規律[J].生態學雜志，2019，38（6）：1662-1668.

[3] 許建秀，吳小芹，葉建仁，等.抗松材線蟲病赤松體細胞胚的發育和成熟萌發[J].林業科學，2017，53（12）：41-49.

[4] 胡瑞瑞，梁軍，謝憲，等.昆崳山腮扁葉蜂發生與赤松純林林分因子的關系[J].生態學雜志，2019，38（5）：1285-1291.

[5] 賀紅士，常禹，胡遠滿，等.森林可燃物及其管理的研究進展與展望[J].植物生態學報，2010，34（6）：741-752.

[6] 劉志華，常禹，陳宏偉，等.大興安嶺呼中林區地表死可燃物載荷量空間格局[J].應用生態學報，2008，19（3）：487-493.

[7] 王曉麗，牛樹奎，馬欽彥，等.以地表死可燃物評估八達嶺林場森林燃燒性[J].生態學報，2009，29（10）：5313-5319.

[8] 李連強，牛樹奎，陳鋒，等.北京妙峰山林場地表潛在火行為及燃燒性分析[J].北京林業大學學報，2019，41（3）：58-67.

[9] 梁瀛，張思玉，努爾古麗，等.天山中部林區主要樹種理化性質及燃燒性分析[J].林業科學，2011，47（12）：101-105.

[10] 陳宏偉，常禹，胡遠滿，等.大興安嶺呼中林區森林死可燃物載量及其影響因子[J].生態學雜志，2008，27（1）：50-55.

[11] 梁瀛，李吉玫，趙鳳君，等.天山中部天山云杉林地表可燃物載量及其影響因素[J].林業科學，2017，53（12）：153-160.

[12] 吳志偉，賀紅士，梁宇，等.豐林自然保護區森林可燃物模型的建立[J].應用生態學報，2012，23（6）：1503-1510.

[13] 胡海清.利用林分特征因子預測森林地被可燃物載量的研究[J].林業科學，2005，41（5）：96-100.

[14] 魏強，凌雷，王多鋒，等.甘肅興隆山主要森林類型凋落物累積量及其影響因子[J].林業科學研究，2015，28（6）：818-825.

[15] 謝建文.不同造林密度下杉木人工林的生物量與分配特征[J].亞熱帶農業研究，2020，16（2）：84-88.

[16] 侯金成.撫順縣主要林型及地被可燃物載量的研究[J].遼寧林業科技，2019（4）：12-15，76.

[17] 王曉榮，雷蕾，付甜，等.撫育擇伐對馬尾松林凋落葉分解速率和養分釋放的短期影響[J].林業科學，2020，56（4）：12-21.

[18] 王意錕，方升佐，唐羅忠.營林措施及環境與森林凋落物分解的相互關系研究進展[J].世界林業研究，2011，24（2）：47-52.

[19] 王小平，楊雪，楊楠，等.凋落物多樣性及組成對凋落物分解和土壤微生物群落的影響[J].生態學報，2019，39（17）：6264-6272.

[20] 刁嬌嬌，肖文婭，費菲，等.間伐對杉木人工林生長及生態系統碳儲量的短期影響[J].西南林業大學學報，2017，37（3）：134-139.

[21] 梁晶，王慶成，許麗娟，等.撫育對長白山兩種林分凋落物分解及土壤的影響[J].植物研究，2015，35（2）：297-303.

[22] 王叁，牛樹奎，李德，等.云南松林可燃物的垂直分布及影響因子[J].應用生態學報，2013，24（2）：331-337.

[23] 孫洪剛，張建國，段愛國.杉木人工林自然整枝進程研究[J].林業科學研究，2014，27（5）：626-630.

[24] MULKY T C，NIEMEYER K E.Computational study of the effects of density，fuel content，and moisture content on smoldering propagation of cellulose and hemicellulose mixtures[J].Proceedings of the combustion institute，2019，37（3）：4091-4098.