大興安嶺根河雷擊火干擾后地表死可燃物負(fù)荷及影響因子

舒洋 ，周梅 *，趙鵬武 ，張恒，郭嬌宇，管立娟

1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2. 內(nèi)蒙古賽罕烏拉森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測(cè)研究站，內(nèi)蒙 古赤峰 024000

森林火災(zāi)按火源分為兩種，即自然條件下發(fā)生起火現(xiàn)象的天然火和人為火兩種。在全球范圍內(nèi)，由雷擊導(dǎo)致的森林火災(zāi)比重約占森林火災(zāi)總數(shù)的十分之一，加拿大、美國等森林廣布且雷電天氣頻繁的國家深受其害（郭福濤等，2015）。在中國，內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)由于獨(dú)特的地理和氣候條件，是全國雷擊火發(fā)生次數(shù)最多、危害最嚴(yán)重的地區(qū)之一（Rosa et al.，2000；舒立福等，2004）。

森林地表可燃物的數(shù)量與雷擊導(dǎo)致的森林起火現(xiàn)象有密切的關(guān)系。因此，要想減少雷擊森林火災(zāi)的次數(shù)，就要從森林地表的可燃物負(fù)荷量入手（閆泳霖，2016）。國外學(xué)者對(duì)可燃物負(fù)荷量的研究從最早的定性研究到現(xiàn)在的定量分析。Duff et al.（2013）對(duì)澳大利亞林地可燃物負(fù)荷量隨植被組成的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，并評(píng)估了使用生物物理模型進(jìn)行連續(xù)估計(jì)的可能性。Johnston et al.（2015）研究了在森林沼澤中大規(guī)模、高強(qiáng)度火勢(shì)蔓延的可能性，并建立相關(guān)線性模型。Yavuz et al.（2015）使用Flam Map軟件和遙感技術(shù)評(píng)估土耳其巴耶姆森林地區(qū)的可燃物負(fù)荷量和防火隔離帶強(qiáng)度。

中國學(xué)者何曉旭等（2013）通過河南豫西欒川和西峽2縣112片研究區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法對(duì)不同林地地面覆蓋的細(xì)小可燃物進(jìn)行調(diào)查和研究，探討其分布規(guī)律和變化趨勢(shì)。梁瀛等（2017）在新疆天山云杉林林分的1、10和100 h時(shí)滯地表可燃物負(fù)荷量以及地形和林分因子作為研究對(duì)象，對(duì)地形和地表可燃物負(fù)荷量之間的關(guān)系進(jìn)行深入探討和研究。周澗青等（2019）以內(nèi)蒙古大興安嶺地區(qū)的落葉松林地為研究對(duì)象，測(cè)定每個(gè)樣方內(nèi)的灌木、草本、枯落物、幼樹等可燃物負(fù)荷量，得出當(dāng)?shù)氐乩硪蛩亍⑸镆蛩嘏c當(dāng)?shù)氐乇砜扇嘉镓?fù)荷量之間的線性關(guān)系，使當(dāng)?shù)氐纳窒老到y(tǒng)能夠進(jìn)行科學(xué)合理的布控。

在森林的地表可燃物中，活可燃物與死可燃物相比，不易受到環(huán)境因素的影響（李璇皓，2019）。而死可燃物如果長期處在干旱的條件下，很容易被雷擊引燃成為起火點(diǎn)。因此，在森林防火研究領(lǐng)域中，死可燃物的負(fù)荷量成為專家和學(xué)者研究的重中之重（高國平等，2001）。從森林植被類型、地理分布條件、人為干擾等因素進(jìn)行研究，探討不同因素與地表死可燃物之間的關(guān)系（舒立福等，2003；武超等，2013）。而目前關(guān)于大興安嶺林區(qū)雷擊火影響下地表死可燃物的負(fù)荷及影響因素相關(guān)關(guān)系尚不清楚。因此，本研究以根河林區(qū)2009年火燒跡地為研究對(duì)象，在恢復(fù)10年的條件下，研究火燒程度、林分和立地因子對(duì)地表死可燃物負(fù)荷量積累的影響，從死可燃物積累及恢復(fù)的角度探討林區(qū)內(nèi)火燒跡地再次引發(fā)雷擊火的可能，為未來雷擊火的發(fā)生、預(yù)防預(yù)警及火燒跡地的快速恢復(fù)提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)大興安嶺腹地，行政隸屬內(nèi)蒙古大興安嶺重點(diǎn)國有林管理局，地理坐標(biāo)為120°41′30″—122°42′30″E，50°25′30″—51°17′00″N。屬于寒溫帶濕潤性森林氣候，兼具大陸性季風(fēng)氣候的一些特征，夏短冬長，寒冷潮濕，無霜期約90 d，年均氣溫?5.3 ℃，晝夜溫差較大，結(jié)凍期達(dá) 210 d以上。研究區(qū)植被隸屬于東西伯利亞植物區(qū)系和蒙古植物區(qū)系，主要植物類型為木本植物。由于氣候寒冷，降水量在450—500 mm之間，濕潤的土壤和永凍層的存在，致使闊葉樹的生長受到限制，而耐寒的興安落葉松（Larix gmelinii）則成為該區(qū)域內(nèi)的優(yōu)勢(shì)樹種，形成了寒溫型地段性針葉林帶，其他植被主要有白樺（Betula platyphylla）、樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica Litv.)、鉆天柳(Chosenia arbutifolia)、偃松（Pinus pumila）、杜鵑（Rhododendron dauricum）、越橘（Vaccinium vitis-idaea Linn）、杜香（Ledum palustre）、莎草（Cyperus）及禾本科植物、苔蘚等，分布狀況隨海拔不同各有差異（任梅蓉等，2019；紀(jì)成成，2020）。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

選擇沒有人為干擾（如采伐、人工更新）的火燒跡地，按火燒程度（國務(wù)院大興安嶺災(zāi)區(qū)恢復(fù)生產(chǎn)重建家園領(lǐng)導(dǎo)小組專家組，1987）劃分為輕度火燒、重度火燒，按照火燒程度及坡位（坡上、坡中、坡下）分別設(shè)置3個(gè)10 m×10 m樣地，另設(shè)對(duì)照樣地3個(gè)，共27個(gè)樣地。在所有樣地內(nèi)進(jìn)行每木檢尺，測(cè)量并記錄每株樹木的胸徑、樹高、枝下高和存活情況，估測(cè)并記錄林分郁閉度，使用GPS記錄樣地經(jīng)緯度和海拔，其中郁閉度測(cè)定采用目測(cè)法，參照《森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》（GB/T 26424—2010）。樣地概況見表1。

表1 樣地概況Table 1 Overview of sample plots

2.2 樣品采集

將地表死可燃物分為3級(jí)（Burrows et al.，1990）。即1 h時(shí)滯可燃物（直徑＜0.64cm的小枝、樹葉及枯死的雜草等）、10 h時(shí)滯可燃物（直徑在0.64—2.54 cm枯枝、樹皮等）、100 h時(shí)滯可燃物（直徑在2.54—7.62 cm的枯枝、樹皮等）。在樣地內(nèi)沿對(duì)角線設(shè)置5個(gè)0.2 m×0.2 m樣方，稱取樣方內(nèi)所有半腐殖質(zhì)和1 h可燃物鮮質(zhì)量，并測(cè)量半腐殖質(zhì)與枯落物層的厚度，稱取適量樣品帶回實(shí)驗(yàn)室處理。在樣地內(nèi)呈品字形設(shè)置3個(gè)1 m×1 m樣方，撿取樣方內(nèi)所有10 h可燃物，現(xiàn)場(chǎng)稱鮮質(zhì)量并稱取適量樣品帶回實(shí)驗(yàn)室處理。撿取樣地內(nèi)所有100 h可燃物，現(xiàn)場(chǎng)稱鮮質(zhì)量并稱取適量樣品帶回實(shí)驗(yàn)室處理。

2.3 實(shí)驗(yàn)室處理

將可燃物樣品置于烘箱內(nèi) 75 ℃條件下連續(xù)烘干24 h至恒質(zhì)量，記錄樣品干質(zhì)量并計(jì)算可燃物含水率，推算出所有樣地的地表死可燃物負(fù)荷量。可燃物含水率計(jì)算公式如下：

式中：

R——絕對(duì)含水率；

mh——可燃物濕質(zhì)量；

md——可燃物干質(zhì)量。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20.0軟件單因素ANOVA分析不同樣地地表死可燃物負(fù)荷量差異，并對(duì)林分與地形因子進(jìn)行Pearson相關(guān)分析；應(yīng)用Origin 2018軟件完成繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 雷擊火跡地地表死可燃物負(fù)荷量特征

由表2可知，1、10、100 h時(shí)滯可燃物負(fù)荷量和總負(fù)荷量均表現(xiàn)為輕度火燒＞重度火燒。通過下表數(shù)據(jù)可以得知，在10年的恢復(fù)期內(nèi)，輕度火燒樣地內(nèi)地表死可燃物負(fù)荷量恢復(fù)到與對(duì)照樣地接近的水平，而重度火燒樣地依然與對(duì)照樣地差異顯著。

表2 不同類型樣地地表死可燃物負(fù)荷量Table 2 Surface dead combustible load of different types of sample plots kg·m?2

3.2 地表死可燃物負(fù)荷量與環(huán)境因子相關(guān)分析

本研究按照1、10、100 h可燃物負(fù)荷量及總負(fù)荷量各個(gè)樣方的平均值與影響因子進(jìn)行相關(guān)分析，共計(jì)108個(gè)樣本。其中將火燒程度、坡位等定性變量進(jìn)行賦值，輕度火燒為 1，重度火燒為 3，坡下為1，坡中為2，坡上為3（李東昌，2017）。

由表3可知，1 h時(shí)滯地表可燃物負(fù)荷量與胸徑之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.731，P＜0.01），地表可燃物負(fù)荷量與地表郁閉程度之間同樣存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.582，P＜0.01），地表可燃物負(fù)荷量與樣地的平均樹木高度之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.429，P＜0.05），而地表可燃物負(fù)荷量與火燒程度之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=?0.459，P＜0.05），地表可燃物負(fù)荷量與坡位之間雖然有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但二者之間的相關(guān)關(guān)系并不顯著（r= ?0.127，P＞0.05）。

表3 可燃物負(fù)荷量與影響因子的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between combustible load and impact factors

10 h時(shí)滯地表可燃物負(fù)荷量與胸徑之間呈顯著正相關(guān)（r=0.426，P＜0.05），地表可燃物負(fù)荷量同時(shí)也與郁閉度呈顯著正相關(guān)（r=0.383，P＜0.05），與研究樣地內(nèi)的樹木平均高度雖然在一定程度上也表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，但不顯著（r=0.150，P＞0.05），與火燒程度呈極顯著負(fù)相關(guān)（r= ?0.827，P＜0.01），與坡位呈一定程度正相關(guān)，但不顯著（r=0.199，P＞0.05）。

100 h時(shí)滯可燃物與胸徑呈極顯著正相關(guān)（r=0.746，P＜0.01），地表可燃物負(fù)荷量與郁閉度之間存在正相關(guān)關(guān)系（r=0.365，P＜0.05），同時(shí)也與樹木平均高度有正相關(guān)關(guān)系（r=0.357，P＜0.05），地表可燃物負(fù)荷量與火燒程度之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（r= ?0.506，P＜0.05），地表可燃物負(fù)荷量與樣地所處的位置和海拔有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但不顯著（r= ?0.272，P＞0.05）。

總負(fù)荷量與胸徑呈極顯著正相關(guān)（r=0.686，P＜0.01），與郁閉度呈極顯著正相關(guān)（r=0.592，P＜0.01），與樹高呈顯著正相關(guān)（r=0.414，P＜0.05），與火燒程度呈顯著負(fù)相關(guān)（r= ?0.466，P＜0.05），與坡位呈一定程度負(fù)相關(guān)，但不顯著（r= ?0.162，P＞0.05）。

總體上，火燒程度越嚴(yán)重，可燃物負(fù)荷量越小。胸徑是對(duì)可燃物負(fù)荷量影響程度最大的林分因子，其次為郁閉度，樹高的影響最小，因此樹高因子不用于模型的建立。坡位對(duì)可燃物負(fù)荷量有一定程度影響，但不顯著。

3.3 地表死可燃物負(fù)荷量估測(cè)模型的建立與檢驗(yàn)

采用逐步回歸法，對(duì)地表死可燃物負(fù)荷量與影響因子建立多元估測(cè)模型（表4）。其中在模型建立中，賦值方法同本研究 3.2。樣本數(shù)為 108個(gè)，其中81個(gè)樣本用于模型的建立，27個(gè)樣本用于模型的檢驗(yàn)。其中建立的1、10、100 h時(shí)滯和總負(fù)荷量可燃物多元回歸模型的決定系數(shù) R2分別為0.601、0.688、0.702、0.629，P值均小于0.05，總體上所構(gòu)建的模型科學(xué)合理，擬合效果較好。

表4 多元回歸模型參數(shù)Table 4 Multiple regression model parameters

對(duì)預(yù)測(cè)模型精度進(jìn)行檢驗(yàn)，直線（r2=1）代表預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值完全相等，擬合曲線越接近直線（r2=1），表明模型的精度越高。由圖1可知，1 h可燃物負(fù)荷量模型精度最低，r2=0.519，誤差最大。10 h可燃物負(fù)荷量模型精度最高，r2=0.758，誤差最小。100 h可燃物負(fù)荷量模型r2=0.726，總負(fù)荷量模型r2=0.658，二者都高于r2=0.65，表明模型的模擬精度＞65%。

圖1 不同類型可燃物負(fù)荷量估測(cè)模型精度Fig. 1 Accuracy of estimation models for different types of combustibles load

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

火燒程度決定了初始可燃物的消耗量，對(duì)樹木的損傷程度也影響到后續(xù)地表死可燃物的積累和恢復(fù)（Trouvé et al.，2021）。曹慧（2016）對(duì)黑龍江大興安嶺地區(qū)的南甕河森林濕地自然保護(hù)區(qū)中的森林地表可燃物進(jìn)行研究，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法和線性模型構(gòu)建法等多種研究方式對(duì) 2006年火燒后的地表可燃物負(fù)荷量的變化進(jìn)行研究，得出南甕河森林保護(hù)區(qū)內(nèi)分布較為密集的針闊混交林、闊葉林和針葉林這3種森林種類在火燒后的地表3.0 cm以下徑級(jí)可燃物減少，5.0 cm以上徑級(jí)可燃物增加，灌叢基本無地表徑級(jí)可燃物。重度火燒后灌木層可燃物負(fù)荷量增加，中度火燒后的林下灌木可燃物變化有差異，火后6年草本可燃物負(fù)荷量增加，落葉層可燃物負(fù)荷量減少。田野等（2018）研究了不同火燒程度對(duì)油松（Pinus tabulaeformis）林地表死可燃物的影響，結(jié)果表明火燒越嚴(yán)重，可燃物負(fù)荷量越低。與本研究結(jié)論基本一致。有研究表明輕度火燒跡地上，草本層物種多樣性隨恢復(fù)年限逐漸上升。中度，重度火燒跡地草本隨著恢復(fù)年限先上升后下降。而恢復(fù)年限對(duì)喬木層地上生物量影響較小，在遭遇火燒之后，灌木層地表生存的生物種類和生物數(shù)量往往會(huì)隨時(shí)間的推移而不斷減少，草本地表生存的生物在遭遇火燒后往往會(huì)隨著時(shí)間的推移在數(shù)量和種類上先呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而后逐年遞減（Stambaugh et al.，2011）。

森林可燃物負(fù)荷量是環(huán)境綜合要素直接或間接作用于林地的結(jié)果，即許多生態(tài)因子共同影響森林可燃物負(fù)荷量（Stambaugh et al.，2011）。郭利峰等（2007）利用相關(guān)性分析對(duì)北京山區(qū)主要林型地表可燃物負(fù)荷量的研究結(jié)果顯示，可燃物負(fù)荷量與坡度、胸徑、樹高、林分密度、郁閉度密切相關(guān)。有研究表明，1 h時(shí)滯可燃物負(fù)荷量在一定程度上代表林分燃燒的難易程度，而地表總可燃物負(fù)荷量代表燃燒釋放的能量（陳根云等，2006）。1 h時(shí)滯可燃物主要來源于枯死的雜草、凋落葉、樹皮和細(xì)小枝。10 h時(shí)滯可燃物源于枯落的枝丫，100 h時(shí)滯可燃物主要是枯落的枝干，這3類可燃物與林分因子的關(guān)系十分密切。

胸徑對(duì)地表死可燃物負(fù)荷量的影響較大，隨著樹木生長過程中凋落的枯枝落葉在林下積累，胸徑較大的樹木存活時(shí)間長，地表可燃物負(fù)荷量也越多，存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（單延龍等，2006），這與本研究的結(jié)論相一致。金琳等（2012）學(xué)者從華北平原的蟒山國家森林公園中選取了21塊研究區(qū)域，對(duì)樣本區(qū)域中的地表可燃物的負(fù)荷量進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)地表可燃物負(fù)荷量與樹木的平均高度之間呈正比，同時(shí)與郁閉程度也呈正相關(guān)關(guān)系。在森林公園的油松林分布較為密集的研究樣地中，地表可燃物負(fù)荷量與油松的胸徑有直接關(guān)系，大致呈正相關(guān)關(guān)系；而在側(cè)柏（Platycladus orientalis）林分布較為密集的樣地中，地表草本可燃物也與平均胸徑和樹木平均高度呈正比。郁閉度可以影響林地內(nèi)的氣候，而郁閉度的增加使林地內(nèi)的相對(duì)濕度增加（Gao et al.，2021）。由于郁閉度增加導(dǎo)致林內(nèi)溫度降低，微生物活動(dòng)緩慢，從而減緩枯落物分解速度，故地表死可燃物負(fù)荷量增加。陳宏偉等（2008）研究表明，大興安嶺呼中林區(qū)森林死可燃物負(fù)荷量與平均胸徑、平均樹高、草本蓋度、調(diào)落物厚度呈顯著的正相關(guān)，與坡向、腐殖質(zhì)厚度等因子呈顯著負(fù)相關(guān)，這與本研究的結(jié)論相一致。張國防等（2000）研究結(jié)果表明，林分郁閉度主要影響地表1 h時(shí)滯可燃物負(fù)荷量變化，林分平均年齡主要影響地表10 h時(shí)滯可燃物負(fù)荷量的變化。在實(shí)際中擬合效果良好，可用于預(yù)測(cè)杉木人工林地表可燃物負(fù)荷量的動(dòng)態(tài)規(guī)律，為地表可燃物管理提供科學(xué)的依據(jù)。國內(nèi)相關(guān)研究學(xué)者研究認(rèn)為，可燃物負(fù)荷量與海拔、坡度、坡向等立地因子的相關(guān)性也較高（胡海清，2005；郭利峰等，2007；陳宏偉等，2008）。

本研究雖然也涉及地形因子與可燃物負(fù)荷量的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)坡位對(duì)地表死可燃物負(fù)荷量有一定的影響，但是不顯著，這與周澗青等（2019）研究結(jié)果相一致。這可能是由于大興安嶺地區(qū)地形的整體差異較小所致。本研究所建立的地表死可燃物與影響因子的多元回歸模型精度除1 h時(shí)滯外均在65%以上，這與張今奇等（2021）研究結(jié)果相一致，模型的擬合度較好，能夠進(jìn)行推廣與應(yīng)用。

4.2 結(jié)論

通過研究分析不同樣地地表死可燃物負(fù)荷量得出以下結(jié)論：（1）經(jīng)過10年的恢復(fù)期，輕度火燒樣地內(nèi)地表死可燃物負(fù)荷量恢復(fù)到與對(duì)照樣地接近的水平，存在被雷擊再次引燃的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)加強(qiáng)地表可燃物的管理，而重度火燒樣地將會(huì)在較長時(shí)期內(nèi)處于較安全狀態(tài)。（2）在火燒跡地的恢復(fù)過程中，對(duì)可燃物負(fù)荷量有重要影響的因子是火燒程度、郁閉度和胸徑。（3）采用逐步回歸法，建立地表死可燃物負(fù)荷量與影響因子的多元估測(cè)模型，其中1 h可燃物負(fù)荷量模型精度最低，r2=0.519，誤差較大。10 h可燃物負(fù)荷量模型精度最高，r2=0.758，誤差較小。100 h可燃物負(fù)荷量模型r2=0.726，總負(fù)荷量模型r2=0.658，除1 h外，模擬精度達(dá)到65%以上，未來可以推廣與應(yīng)用。