田曉瑞,劉 斌,舒立福,王明玉,趙鳳君

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,國(guó)家林業(yè)局森林保護(hù)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100091)

冰雪災(zāi)害對(duì)川南森林可燃物的影響

田曉瑞,劉 斌,舒立福,王明玉,趙鳳君

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,國(guó)家林業(yè)局森林保護(hù)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100091)

冰雪災(zāi)害是影響森林的一個(gè)重要?dú)庀蟾蓴_因素,并會(huì)引起生態(tài)系統(tǒng)中其他次生干擾。研究冰雪災(zāi)害對(duì)森林可燃物的影響,提出可行的災(zāi)后可燃物管理技術(shù)將為今后應(yīng)對(duì)類似的極端氣候事件提供科學(xué)依據(jù)?；趯?duì)川南典型森林雪災(zāi)后受損情況調(diào)查,定量分析雪災(zāi)對(duì)各類可燃物的影響。按不同森林類型和受災(zāi)強(qiáng)度測(cè)定林分基本特征和各類可燃物載量,地表可燃物載量調(diào)查采用線狀相交可燃物調(diào)查方法。結(jié)果表明:森林受害程度與樹種、林齡、海拔、地形等因素有關(guān),針葉林和針闊混交林樹冠受損程度為5%～45%,闊葉林樹冠受損程度為3%～8%。雪災(zāi)引起的主要是較大徑級(jí)可燃物載量顯著增加,徑級(jí)≥7.0cm的可燃物占可燃物增量的48%～100%。災(zāi)后闊葉林地表徑級(jí)可燃物載量達(dá)1.75 kg/m2,其他林分為0.18kg/m2～0.55 kg/m2。雪災(zāi)還改變可燃物空間分布,大量斷枝和折斷樹干增加了可燃物垂直分布連續(xù)性,地表火更容易發(fā)展為樹冠火。受災(zāi)嚴(yán)重的林分郁閉度下降,也會(huì)引起林下草本增加,有利于火災(zāi)的發(fā)生與發(fā)展。建議對(duì)受災(zāi)林分的地表可燃物清理以人工或機(jī)械清理為主。

冰凍災(zāi)害;森林可燃物;火環(huán)境

0 引言

生態(tài)干擾可能對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成產(chǎn)生很大影響[1]。自然干擾的生態(tài)作用取決于干擾類型、頻率、強(qiáng)度和空間尺度。重要的生態(tài)干擾包括火燒、病蟲害、風(fēng)倒、冰雪災(zāi)害[2,3]。盡管這些干擾事件是隨機(jī)的,但不一定是相互獨(dú)立的。例如,風(fēng)倒或病蟲害等干擾導(dǎo)致地表可燃物載量增加而引起火災(zāi)發(fā)生概率增大[4]。冰雪災(zāi)害是自然干擾的重要形式,并會(huì)引起生態(tài)系統(tǒng)中其他次生干擾。

2008年1月10日至2月初,由于大氣環(huán)流異常導(dǎo)致我國(guó)南方大范圍持續(xù)低溫雨雪冰凍災(zāi)害,其主要特征為災(zāi)害范圍廣、災(zāi)害強(qiáng)度大、連續(xù)低溫時(shí)間長(zhǎng)、雨雪持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、冰凍日數(shù)多和災(zāi)害損失嚴(yán)重[5,6]。冰雪災(zāi)害影響了森林可燃物的結(jié)構(gòu)和組成,災(zāi)后湖南省火災(zāi)次數(shù)、過火面積和人員傷亡人數(shù)的異常增高已經(jīng)超出了氣溫和降水對(duì)火發(fā)生正常影響的范圍[7]。冰雪災(zāi)害造成森林內(nèi)大面積灌木和草類凍枯凍死,森林中有效可燃物負(fù)荷量在短期內(nèi)成倍地增長(zhǎng),連續(xù)性變強(qiáng)[8],森林火災(zāi)撲救極為困難[9]。

冰雪災(zāi)害對(duì)森林的影響主要取決于冰的載荷、災(zāi)害的持續(xù)時(shí)間、立地條件及樹木的特性[10]。當(dāng)森林遭遇冰雪災(zāi)害后,凋落物會(huì)大量增加,發(fā)生森林火災(zāi)的概率也大大增加。密西西比林業(yè)委員會(huì)[11]估計(jì)冰雪災(zāi)害導(dǎo)致可燃物載量增加3～6倍。1998年1月紐約東北部的冰雪災(zāi)害使松樹木質(zhì)可燃物載量增加 40噸/公頃,增加了發(fā)生災(zāi)難性野火的概率[12,13]。Hooper等[3]發(fā)現(xiàn)1998年1月魁北克省圣伊萊爾山區(qū)冰雪災(zāi)害后老齡硬木林受害后有19.9噸/公頃(風(fēng)干重)的木質(zhì)可燃物落到地面,大約是地上總生物量的7%～10%,是北美洲東北部的溫帶典型闊葉林年生長(zhǎng)量的10倍～20倍。馬澤清等[14]分析了2008年初低溫雨雪冰凍災(zāi)害對(duì)我國(guó)南方森林生態(tài)系統(tǒng)的影響,認(rèn)為持續(xù)低溫、陰雨潮濕等氣象條件是導(dǎo)致濕地松林受損的直接原因,強(qiáng)降水和大風(fēng),加劇了災(zāi)害程度。李東升等[15]發(fā)現(xiàn)湖北省主要用材林樹種受雪壓危害,斷稍與斷干、彎斜與彎曲兩種受害類型比較普遍。

雖然已經(jīng)有些研究探討了冰雪災(zāi)害導(dǎo)致的可燃物增加與火災(zāi)發(fā)生和火行為的關(guān)系[8,16,17],但還沒有定量分析冰雪災(zāi)害對(duì)可燃物載量及其空間分布的影響。因此,本文基于對(duì)川南典型森林受損情況的詳細(xì)調(diào)查,分析冰雪災(zāi)害對(duì)森林可燃物的影響,定量分析各類可燃物的空間分布變化,為今后研究應(yīng)對(duì)類似的極端氣候事件和森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在四川省古藺縣,屬于四川盆地南緣,地貌系云貴高原向四川盆地過渡的中、低山類型區(qū),地表起伏大,多為中、低丘陵,海撥300m～1843m,地勢(shì)西高東低,南陡北緩。氣候?qū)賮啛釒駶?rùn)氣候區(qū),氣溫較高,日照充足,雨量充沛,四季分明,季風(fēng)氣候明顯,春秋季暖和,夏季炎熱,冬季不太冷。年均溫17℃,年均降水量743.5mm。火險(xiǎn)期為11月～翌年5月。

古藺縣森林面積88640.7公頃,主要林區(qū)分布在西北部,森林覆蓋率43.7%。人工林以杉木(Cunninghamia lanceolata)、馬尾松(Pinus massoniana)、柏木(Cupressus funebris)、柳杉(Cryptomeria fortunei)為主,原始林區(qū)則以常綠闊葉林為主,主要樹種包括青岡(Cyclobalanopsis glauca)、泡桐(Paulowinia fortunei)、擦木(Sassafras tzumu)、冬青(I-lex chinensis)、黑殼楠 (Lindera megaphylla)等 ,灌木類有烏泡(Rubus multibracteatus)、山茶(Camellia japonica)、火棘(Pyracantha fortuneana)、碎米柴(Desmodium microphyllum)等。

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查

在2008年9月按不同森林類型和受災(zāi)強(qiáng)度分別設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地,調(diào)查可燃物狀況和林分受災(zāi)狀況,測(cè)定林分基本特征和各類可燃物載量與分布特征。喬木層采用20m×20m標(biāo)準(zhǔn)地,下木層調(diào)查采用2m×2m樣方,草本層采用樣方1m×1m,分別設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

喬木受害類型分為未受損、斷稍、樹干斷裂且劈裂不超過1米、樹干折斷且劈裂超過1米和倒木等5個(gè)類型;按照樹冠受損程度分為6個(gè)類型,包括未受損、受損<10%、10%～30%、30%～50%、50%～70%和>70%。

2.2 地表可燃物調(diào)查

地表可燃物載量調(diào)查采用線狀相交可燃物調(diào)查方法[18,19],按不同徑級(jí)調(diào)查可燃物載量,共分6個(gè)徑級(jí)0.0cm～0.49cm、0.5cm～0.99cm、1.0cm～2.99cm、3.0cm～4.99cm、5.0cm～6.99cm和≥7.0cm。在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)采用30m等邊三角形樣線調(diào)查,分別測(cè)定不同徑級(jí)可燃物數(shù)量,并沿每個(gè)樣線均勻測(cè)定5處腐殖質(zhì)層厚度。地表凋落層(未分解的落葉、球果等)采用小樣方(0.5m×0.5m)稱重法測(cè)定,每個(gè)試驗(yàn)地5個(gè)重復(fù)。對(duì)地表凋落物、腐殖質(zhì)層(0cm～6cm)、不同徑級(jí)的地表枯枝等可燃物進(jìn)行取樣,每份樣品6個(gè)重復(fù),帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)烘干,測(cè)定可燃物的含水率。

線狀相交可燃物調(diào)查方法是通過估計(jì)可燃物體積,采用具體的木質(zhì)材料密度計(jì)算可燃物重量[1]。可燃物載量的計(jì)算公式如下:

3 結(jié)果分析

3.1 森林受害程度

研究區(qū)主要森林類型包括針葉林、闊葉林和針闊混交林(杉木擦木混交林),其中針葉林和針闊混交林為人工林,闊葉林為天然林。標(biāo)準(zhǔn)地基本概況見表1,其中標(biāo)準(zhǔn)地8、9和10受害較輕,4和6受害最重,1、3和7受害程度中等(標(biāo)準(zhǔn)地2和5林地已經(jīng)進(jìn)行了災(zāi)后清理,文中不再進(jìn)行分析)。森林受害程度與樹種、林齡、海拔、地形等因素有關(guān)。如標(biāo)準(zhǔn)地7杉木人工林林齡大、海拔低受害較輕,其他兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地受災(zāi)較重,大量樹干折斷。柳杉、杉木等針葉樹樹枝韌度低,受害相對(duì)嚴(yán)重,闊葉林比針葉林受害輕。

針葉林和針闊混交林樹冠受損程度為5%～45%,平均樹干折斷高度為0.5m～2.2m(圖1)。闊葉林樹冠受損程度為3%～8%,平均樹干折斷高度為0.3m～0.7m。

表1 標(biāo)準(zhǔn)地概況Table 1 Summery of the plots

圖1 各林分樹冠樹冠受害程度Fig.1 The canopy damages of the plots

3.2 各類可燃物變化

地表易燃可燃物(包括草本、落葉、半腐殖質(zhì)和枯枝等)載量是影響森林火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展的重要因子,因此,本文主要分析各林分在雪災(zāi)后易燃可燃物的變化。災(zāi)后調(diào)查結(jié)果表明落葉松林下可燃物最少(0.58kg/m2),天然闊葉林地表易燃可燃物載量最高(3.15kg/m2),其他針葉林地表可燃物載量在1.26kg/m2～1.66kg/m2(圖2)。落葉松林下草本很少(0.09kg/m2),柳杉、杉木和針闊混交林下草本較多(0.47kg/m2～0.74kg/m2),天然落葉林草本載量較小(0.10kg/m2)。各林分落葉載量為0.12kg/m2～0.29kg/m2,但各林分半腐殖質(zhì)層可燃物載量差別很大,天然闊葉林半腐殖質(zhì)載量為1.03kg/m2～1.10kg/m2,其他林分的半腐殖質(zhì)載量為0.16kg/m2～0.45kg/m2。地表徑級(jí)可燃物載量差別明顯,闊葉林載量高(1.38kg/m2～1.75kg/m2),其他林分為0.18kg/m2～0.55kg/m2,這與受災(zāi)程度密切相關(guān)。受害較輕的杉木林(樣地8)地表徑級(jí)可燃物載量為0.18kg/m2,但受害重的杉木林(樣地 7)載量為0.45kg/m2。

圖2 地表可燃物載量分布Fig.2 ground fuel loads of the plots

因雪災(zāi)引起的地表可燃物(含2m以下的空中可燃物)載量增加主要是較大徑級(jí)(直徑5.0cm)可燃物載量顯著增加(圖3)。如受害較重的柳杉林和杉木林災(zāi)后增加的5.0cm～6.99cm可燃物占所有增量的33%～52%,徑級(jí)≥7.0cm的可燃物占可燃物增量的48%～100%。

3.3 可燃物空間分布變化

圖3 因雪災(zāi)增加的徑級(jí)可燃物載量Fig.3 Ice storm damage results in fuel increments

由于雪災(zāi)造成大量樹枝和樹干折斷,造成大量樹枝和樹干折斷,這些折斷的樹枝不但增加了地表可燃物載量,而且形成可燃物梯,改變火行為,使地表火更容易發(fā)展成為樹冠火。受災(zāi)嚴(yán)重的林分郁閉度下降,特別是受害嚴(yán)重的針葉林樹冠損失達(dá)45%(樣地3和7),林下光照增加,林下濕度也比未受災(zāi)林分低,草本明顯增加,有利于火災(zāi)的發(fā)生與發(fā)展。如受災(zāi)明顯的杉木林(樣地3和7)林下草本蓋度比受害較輕的林分(樣地8)高22%～24%,樹冠折斷平均高度超過2m,而這些林分的平均枝下高為2.2m～2.8m,這使得災(zāi)后易燃可燃物垂直連續(xù)分布,地表火蔓延為樹冠火的概率顯著增加。柳杉林和落葉松林的枝下高更低(1.3m～1.6m),而樹干折斷平均長(zhǎng)度為分別為1.5m和1.8m,可燃物在垂直方向呈連續(xù)分布。

4 結(jié)論與討論

雪災(zāi)影響了四川南部的主要森林的可燃物分布,人工針葉林受害比天然闊葉林重。受害程度與樹種、林齡、海拔、地形等因素有關(guān)。受災(zāi)林分地表易燃可燃物載量增加,由于天然闊葉林倒木較多,地表易燃可燃物載量最高。因雪災(zāi)引起的地表可燃物載量增加主要是較大徑級(jí)可燃物載量顯著增加,特別是徑級(jí)≥7.0cm的可燃物。

大量斷枝和折斷樹干增加了可燃物分布的連續(xù)性,更容易發(fā)生樹冠火。受災(zāi)嚴(yán)重的林分郁閉度下降,也會(huì)引起林下草本增加,有利于火災(zāi)的發(fā)生與發(fā)展。

木質(zhì)可燃物載量的大量增加將有利于火災(zāi)的發(fā)生和火線強(qiáng)度的提高?；鹁€強(qiáng)度超過1700kW/m就很難撲救[20]。加拿大魁北克省老齡硬木林在1998年冰雪災(zāi)害后地表木質(zhì)可燃物載量增加19 t/ha[3]。川南受災(zāi)嚴(yán)重的森林地表木質(zhì)可燃物載量增加達(dá)10.2t/ha,部分闊葉林地表木質(zhì)可燃物載量達(dá)到17.5 t/ha,這將對(duì)火行為產(chǎn)生顯著影響。災(zāi)害對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響很大程度上取決于經(jīng)營(yíng)者對(duì)災(zāi)后可燃物的處理措施[21,22]。為了避免森林火災(zāi)的發(fā)生,部分受災(zāi)林分的地表可燃物需要得到清理。鑒于可燃物載量高,計(jì)劃火燒強(qiáng)度難以控制,人工或機(jī)械清理是最適當(dāng)?shù)墓芾矸绞健?/p>

[1]Kohm K A,Franklin J F.Creating a forestry for the 21st century:The Science of Ecosystem Management[M].Island Press,Washington,D.C.1997.

[2]Smith W H.Ice and forest health[J].Northern Journal of Applied Forestry,2000,17(1):16-19.

[3]Hooper M C,Arii K,Lechowicz M J.Impact of a major ice storm on an old-growth hardwood forest[J].Canadian Journal of Botany,2001,79:70-75.

[4]Pyne S J,Andrews P L,Laven R D.Introduction to Wildland Fire[M].2nd Ed.John Wiley&Sons,New York.1996.

[5]高輝,孫丞虎,陳麗娟.2008年1月我國(guó)大范圍低溫雨雪冰凍災(zāi)害分析Ⅱ:成因分析[J].氣象,2008,34(4):101-106.

[6]王凌,高歌,張強(qiáng).2008年1月我國(guó)大范圍低溫雨雪冰凍災(zāi)害分析Ⅰ:氣候特征與影響評(píng)估[J].氣象,2008,34(4):95-100.

[7]王明玉,舒立福,王秋華,趙鳳君,田曉瑞.中國(guó)南方冰雪災(zāi)害對(duì)森林火災(zāi)火發(fā)生短期影響分析-以湖南為例[J].林業(yè)科學(xué),2008,44(11):64-69.

[8]王秋華,舒立福,戴興安,王明玉,田曉瑞.冰雪災(zāi)害對(duì)南方森林可燃物及火行為的影響[J].林業(yè)科學(xué),2008,44(11):171-177.

[9]張鐵平.廣東省雨雪冰凍災(zāi)害對(duì)引發(fā)森林火災(zāi)的影響分析與建議[J].林業(yè)調(diào)查規(guī)劃,2008,33(5):79-84.

[10]Van Dyke O.A literature review of ice storm impacts on forests in Eastern North America[R].Technical Report112.Ontario Ministry of Natural Resources Southcentra1Sciences Section.1999,1-29.

[11]Mississippi Forestry Comission.Fire hazard mitigation plan[R].Division of fire control.1994.29.

[12]Sargis G,Adams K.Effects of an Ice Storm on Fuel Loadings and Potential Fire Behavior in a Pine Barren of Northeastern New York[J].Scientia discipulorum,2004,(1):17-25.

[13]Irland L C.Ice storm 1998 and the forests of the northeast[J].Journal of Forestry,1998,96(9):32-40.

[14]馬澤清,王輝民,王紹強(qiáng),李慶康,王義東,汪宏清.雨雪冰凍災(zāi)害對(duì)中亞熱帶人工林的影響-以江西省千煙洲為例[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2010,34(2):204-212.

[15]李東升,楊振寅,裴東,周志春.雨雪冰凍災(zāi)害對(duì)湖北森林的影響與思考[J].林業(yè)工作研究,2008,(3):32-35.

[16]王明玉,舒立福,趙鳳君.中國(guó)南方冰雪災(zāi)害對(duì)森林可燃物影響的數(shù)量化分析-以湖南為例[J].林業(yè)科學(xué),2008,44(11):69-74.

[17]王琴芳.廣西雨雪冰凍災(zāi)害對(duì)林業(yè)的影響及災(zāi)后重建對(duì)策[J].中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃,2008,27(3):17-21.

[18]McRae D J,Alexander M E,Stocks B J.Measurement and description on fuels and fire behavior on prescribed burns:A handbook[R].Great lakes forest research center,Canadian Forestry Service,Sault Ste.Marie,Ontario.Report O-X-287.1979.

[19]Gregoire T G,Valentine H T.Line intersect sampling:ell-shaped transects and multiple intersections[J].Environmental and Ecological Statistics, 2003,10:263-279.

[20]Andrews P L,Rothermel R C.Charts for interpreting wildland fire behavior characteristics[R].USDA For.Serv.Gen.Tech.Rep.INT-131.1982.

[21]Lloyd C.Ice Storms and forest impacts[J].The Science ofthe TotalEnvironment,2000,262 (1):231-242.

[22]Yorks T E,Adams KB.Restoration cutting as a management tool for regenerating Pinus banksiana after ice storm damage[J].Forest Ecology and Management,2003,177:85-94.

Influences of ice storm on fuels in southern Sichuan

TIAN Xiao-rui,LIU Bin,SHU Li-fu,WANG Ming-yu,ZHAO Feng-jun

(Research Institute of Forest Ecology,Environment and Protection,Key Open Laboratory of Forest Protection,State Forestry Administration,CAF Beijing 100091,China)

Ice storms are important meteorological disturbance to affect forests,which can cause other secondary disturbances in ecosystems.Study of the impacts of snow disaster on forest fuel and development of fuel management techniques for post-disaster will be scientific bases for dealing with similar extreme weather events in the future.This paper conducts quantitative analysis to examine the influences of ice storm on various types of fuels,based on the wild investigations on the typical forests after the snowstorm in southern Sichuan.Basic characteristics of the forests fuel loads were measured in terms of forest type and damage rating.Linear intersect method was used to measure the ground fuel loads.The results show the correlation of forest damages with tree species stand age,altitude and terrain.It was indicated that the canopy of coniferous forest and mixed coniferous were damaged from 5%to 45%,and broadleaf forests 3%～8%.Ice storm mainly caused fuel loads increments with large diameters,especially the diameter≥7.0cm,which accounted for 48%～100%of the increments.Ice storm damage caused woody debris of nearly 1.75kg/m2in broad-leaved forests,and 0.18kg/m2～0.55kg/m2in other forests.The damage also changed the spatial distribution of fuels.A large number of snags and broken trunks increase the fuel loads in vertical direction,and benefit the transition from surface fire to crown fire.The canopy density decreased after the disaster and also led to an increase of herbs understory,which benefit fire occurrence and development.It is suggested to clear fuels by using manual or mechanical means.

Ice storms;Forest fuel;Fire environment

S762

A

1004-5309(2011)-0043-05

2010-10-28;修改日期:2010-12-21

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2007BAC03A02)資助。

田曉瑞(1971-),男,中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院副研究員,研究方向?yàn)榱只鸸芾怼?/p>