楊思琪, 朱敏, 劉曉東

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疏伐對(duì)北京西山林場(chǎng)刺槐林可燃物特征及碳儲(chǔ)量影響研究

楊思琪, 朱敏, 劉曉東*

北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 北京 100083

研究選取北京西山林場(chǎng)刺槐林()為研究對(duì)象, 通過(guò)對(duì)照組 CK和處理組L、M和 H(疏伐強(qiáng)度分別為0%, 15%, 35%,50%)四種處理, 對(duì)疏伐后刺槐林可燃物進(jìn)行調(diào)查, 對(duì)不同強(qiáng)度疏伐刺槐林林地上部分碳儲(chǔ)量進(jìn)行計(jì)算, 并利用BehavePlus林火模型對(duì)地表火行為指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算, 探討不同疏伐強(qiáng)度對(duì)刺槐林可燃物、碳儲(chǔ)量以及潛在火行為的影響。結(jié)果表明,(1)不同疏伐強(qiáng)度的刺槐林的可燃物分布中, 均以0—2 m層可燃物負(fù)荷量為最大, 分別為1.29 kg·m–2, 1.40 kg·m–2, 1.57 kg·m–2, 1.89 kg·m–2, 呈現(xiàn)出可燃物負(fù)荷量隨疏伐強(qiáng)度加大而增加, 即, H >M>L>CK; 隨著高度的增加, 可燃物負(fù)荷量主要分布冠層在5—8 m; (2)不同強(qiáng)度疏伐對(duì)刺槐人工林各組分的碳儲(chǔ)量影響顯著, 中度疏伐更有利于刺槐林中的碳儲(chǔ)量積累, 其碳儲(chǔ)量值最大, 為17.50 t·hm–2; (4)林分火蔓延速率、火線強(qiáng)度、火焰高度及單位面積發(fā)熱量均與疏伐強(qiáng)度相關(guān), 疏伐后火行為指標(biāo)值大幅下降, 其中高強(qiáng)度疏伐(H)后, 林火的蔓延速率, 火線強(qiáng)度為以及火焰強(qiáng)度最低。研究結(jié)果可為研究地區(qū)的森林可燃物管理以及森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

刺槐; 疏伐; 可燃物特征; 碳儲(chǔ)量; 火行為

1 前言

森林火災(zāi)是世界范圍內(nèi)森林防災(zāi)減災(zāi)的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容[1]。隨著全球氣候變暖以及極端天氣的頻繁發(fā)生, 森林防火形勢(shì)非常嚴(yán)峻。如何有效的降低森林火災(zāi)的發(fā)生率, 對(duì)保持森林可持續(xù)發(fā)展, 減少碳排放量以及經(jīng)濟(jì)損失都有著重要的意義[2]。森林火災(zāi)發(fā)生需具備可燃物、氧氣和一定的溫度三種要素[3]。其中, 可燃物是森林火行為發(fā)生的重要物質(zhì)基礎(chǔ), 與其他兩個(gè)林火必備元素相比較, 對(duì)森林可燃物實(shí)施合理的管理措施更方便、更有可操作性[4]。實(shí)踐證明, 通過(guò)對(duì)森林可燃物進(jìn)行管理, 是世界各國(guó)控制火災(zāi)發(fā)生和蔓延的重要措施, 可有效降低林火發(fā)生概率及潛在火行為, 從而減少林火造成的危害[5]。森林可燃物管理措施包括計(jì)劃燒除、機(jī)械清楚、疏伐和計(jì)劃火燒等[6]。其中, 疏伐是森林可燃物調(diào)控中最為常用的一種措施[7]。

通過(guò)疏伐, 可改變林分的結(jié)構(gòu), 影響林分郁閉度和林下小氣候, 進(jìn)而影響林下火環(huán)境[8]。疏伐不僅起到降低林火發(fā)生和潛在火行為的目的, 疏伐對(duì)森林火災(zāi)蔓及樹(shù)冠可燃物特征也會(huì)產(chǎn)生一定的影響[9-10]。此外, 疏伐也會(huì)直接影響到林分的碳儲(chǔ)量[11]。近年來(lái), 疏伐作為森林培育的重要經(jīng)營(yíng)措施, 也成為改善森林碳匯量的措施之一, 引起了人們的廣泛重視[12]。目前, 關(guān)于森林可燃物管理的研究?jī)?nèi)容, 多集中在計(jì)劃火燒及可燃物的分布特征方面[13-14]。潛在火行為方面的研究多集中在通過(guò)模型進(jìn)行林火行為的預(yù)測(cè)等[15-18]。而關(guān)于不同疏伐強(qiáng)度處理后, 對(duì)林分可燃物特征、碳儲(chǔ)量及潛在火行為的影響研究相對(duì)較少[19-20]。

刺槐(), 豆科刺槐屬落葉喬木, 是北京西山地區(qū)的主要林分類(lèi)型。本研究在西山林場(chǎng)設(shè)立疏伐與未疏伐的林分樣地, 通過(guò)野外樣地調(diào)查, 針對(duì)不同疏伐強(qiáng)度對(duì)刺槐的可燃物特征、碳儲(chǔ)量及可燃物特性的影響, 對(duì)疏伐撫育前后可燃物分布特征進(jìn)行研究, 旨在為林場(chǎng)的可燃物管理及森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

北京市西山林場(chǎng)地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°28′, 北緯39°54′[21], 平均海拔為300—400 m, 土壤類(lèi)型主要為褐土。年平均氣溫在11.6 ℃, 年平均降水量630 mm[22]。西山林場(chǎng)冬春干旱多風(fēng), 屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū), 易發(fā)生火災(zāi)。西山林場(chǎng)的森林主要是由人工純林和針闊混交林組成。主要喬木樹(shù)種包括油松()、側(cè)柏()等針葉樹(shù)種以及以刺槐()、白蠟()等為代表的闊葉樹(shù)種。主要的灌木包括酸棗()、胡枝子()等。草本植物類(lèi)型主要包括藎草()以及隱子草()等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

選取北京西山林場(chǎng)刺槐林為主要研究林分, 根據(jù)林分及立地特征設(shè)置8塊20 m×20 m樣地, 并同時(shí)記錄林分因子及坡向、坡度、經(jīng)緯度以及海拔等立地因子。其中選擇疏伐后1年后的樣地4塊(每個(gè)樹(shù)種空白對(duì)照一塊, 15%、35%、50%疏伐強(qiáng)度各一塊)用于林內(nèi)潛在火行為研究; 選擇疏伐7年后的樣地4塊(對(duì)照, 15%、35%、50%疏伐強(qiáng)度各1塊),用于碳儲(chǔ)量研究。按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)調(diào)查樣地的各項(xiàng)因子、可燃物負(fù)荷量, 應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)可燃物負(fù)荷量的分布進(jìn)行研究[23]。

各疏伐強(qiáng)度刺槐樣地林分基本特征如表1。

2.2 森林可燃物的研究方法

可燃物的動(dòng)態(tài)特征包括可燃物的種類(lèi)、含水率、負(fù)荷量以及垂直分布特征、水平連續(xù)性分布特征等, 是估計(jì)林火行為的主要參數(shù)。本文主要研究刺槐林的森林可燃物垂直分布及地表可燃物負(fù)荷量變化情況。主要是采用野外樣地調(diào)查和對(duì)照試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究。野外樣地調(diào)查是針對(duì)樣地內(nèi)的林分因子、地形因.子、樣地內(nèi)枯落物、灌木草本層(含幼樹(shù))以及喬木層可燃物負(fù)荷量等進(jìn)行調(diào)查。林分因子主要包括: 胸徑、樹(shù)高、冠幅、郁閉度等。地形因子主要包括: 海拔、坡度、坡向、經(jīng)緯度等。

表1 各疏伐強(qiáng)度刺槐樣地林分基本特征

Tab.1 The basic characteristics of Robiniapseudoacacia stands with different thinning intensities

注: CK: 空白對(duì)照; L: 15%強(qiáng)度疏伐; M: 35%強(qiáng)度疏伐; H: 50%強(qiáng)度疏伐

本文對(duì)可燃物垂直分布的調(diào)查主要是采用標(biāo)準(zhǔn)枝法。首先根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果計(jì)算出樣地內(nèi)刺槐的加權(quán)平均胸徑, 再根據(jù)計(jì)算結(jié)果選出平均木, 再?gòu)钠溥x出3 棵作為標(biāo)準(zhǔn)木。在標(biāo)準(zhǔn)木的垂直方向劃分層次, 每1米分為一層, 按照從地表往上的順序逐層調(diào)查, 每一層選擇標(biāo)準(zhǔn)枝, 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)枝的長(zhǎng)度和條數(shù)進(jìn)行目測(cè)?；钪εc死枝分別進(jìn)行取樣, 分別測(cè)其大枝、小枝和葉的鮮重。測(cè)鮮重后各取150 g, 做好標(biāo)記, 帶回實(shí)驗(yàn)室烘干稱(chēng)重, 計(jì)算絕干重量, 求平均值。

本文對(duì)可燃物負(fù)荷量的研究采用收獲法調(diào)查可燃物水平分布?？扇嘉镓?fù)荷量是單位面積所有可燃物的絕對(duì)干重量。在樣地內(nèi)對(duì)角線以及中心設(shè)置5個(gè)樣方, 1 m×1 m, 并對(duì)樣方內(nèi)的地表可燃物(主要包括枯死枝和地面葉片、亂草、高度較低的灌木)按照1h時(shí)滯(直徑＜0.64 cm)、10 h時(shí)滯(0.64 cm≤直徑≤2.54 cm)、100 h時(shí)滯(2.54 cm＜直徑≤7.62 cm)的標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)采集, 野外稱(chēng)濕重, 并采集將近100g 樣品帶回徹底烘干, 稱(chēng)絕干重計(jì)算含水率, 用于計(jì)算可燃物負(fù)荷量。

2.3 林分潛在火行為研究方法

本文研究的林分潛在火行為計(jì)算主要對(duì)象為地表火, 通過(guò)美國(guó)Behaveplus林火蔓延系統(tǒng)模擬不同的風(fēng)速、地形條件結(jié)合可燃物類(lèi)型特征來(lái)計(jì)算, 該系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)是Rothermel模型和Byram公式, 以及一系列科學(xué)的林火計(jì)算方法, 通過(guò)自定義模型的方法, 可以進(jìn)行潛在地表火行為的計(jì)算得出不同林型地表火的火行為指標(biāo), 從而預(yù)測(cè)不同林型林火的發(fā)生發(fā)展?fàn)顩r[23]。對(duì)火行為的描述主要采用火線強(qiáng)度、火焰高度和火蔓延速率等指標(biāo)?；鹧娓叨扔? 火線強(qiáng)度就越大, 森林受損范圍越大。火焰高度與可燃物類(lèi)型、可燃物負(fù)荷量、分層和蔓延速率密切相關(guān)。火線強(qiáng)度和火蔓延速率可通過(guò)方程式進(jìn)行計(jì)算。具體結(jié)果如下:

(1)蔓延速率:蔓延速率是火通過(guò)地表可燃物的速度,火尾蔓延速率和火兩側(cè)擴(kuò)散速度不能達(dá)到統(tǒng)一。目前, 應(yīng)用最廣泛的是ROTHERMEL于1972年在芬特遜研究基礎(chǔ)上提出并建立的Rothermel蔓延模型(牛樹(shù)奎, 2011)。

(2)火線強(qiáng)度: 火線強(qiáng)度被定義為火源前后1米內(nèi)易點(diǎn)燃物質(zhì)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱值, 與擴(kuò)散速度和單位面積發(fā)熱量相關(guān), 火焰高度是重要影響因素。本研究利用的是Byram火強(qiáng)度公制計(jì)算公式(胡海清、牛樹(shù)奎等, 2005):

式中:為火線強(qiáng)度(kW·m–1);為可燃物的熱值(J·g–1);為可燃物負(fù)荷量(t·hm–2);為蔓延速率(m·min–1)。

(3)火焰高度: 火焰高度計(jì)算方法采用羅森邁爾等人修正的方法, 計(jì)算公式如下(胡海清、牛樹(shù)奎等, 2005):

式中:為火焰高度(m);為火強(qiáng)度(kW·m–1)。

(4)單位面積發(fā)熱量: 也稱(chēng)火面強(qiáng)度, 指火源點(diǎn)前部單位火燒面積上釋放出來(lái)的熱量, 與易點(diǎn)燃物質(zhì)及熱量值相關(guān)。熱量值是指在絕干狀態(tài)下單位質(zhì)量的可燃物完全燃燒時(shí)所放出的熱量。本研究使用的是美國(guó)氧彈測(cè)定儀Parr-6300,并記錄數(shù)據(jù)。

2.4 碳儲(chǔ)量的研究方法

本文研究的林分碳儲(chǔ)量研究選取對(duì)象為喬木層碳儲(chǔ)量以及灌木層碳儲(chǔ)量。喬木層生物量測(cè)定采用分層切割法。在8塊樣地中, 選擇長(zhǎng)勢(shì)良好、無(wú)病蟲(chóng)害、無(wú)斷梢、非林緣的林木, 徑階2、4、6、8、10、12、14 cm七個(gè)徑階每徑階個(gè)選取2株, 合計(jì)14株。在野外稱(chēng)取葉、枝、干、根的鮮重, 并分別取部分樣品帶回室內(nèi)。擬合三個(gè)林型的一元生物量模型, 計(jì)算喬木層林木生物量。灌木層生物測(cè)定采用樣方收獲法(馮宗煒等, 1999), 在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)選取3個(gè)有代表性的1.0 m×1.0 m的樣方, 將其中1.5 m以下灌木和草本全部挖出, 地上部分以及地下稱(chēng)鮮重, 同時(shí)從這兩部分中取出適量裝入塑料袋中, 并將樣品帶回室內(nèi)測(cè)定含水率和含碳率。

碳儲(chǔ)量的計(jì)算, 在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi), 徑階2、4、6、8、10、12、14 cm七個(gè)徑階每徑階個(gè)選取2株, 合計(jì)14株, 剪取枝和葉, 分別混合約250 g裝袋, 用生長(zhǎng)錐鉆取這14株林木的胸徑處, 當(dāng)?shù)竭_(dá)髓心時(shí)停止, 將探取桿放到小筒微微旋轉(zhuǎn)后取出木條, 裝入塑封袋, 每個(gè)樣地均重復(fù)3次。將樣品迅速取回實(shí)驗(yàn)室。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置3個(gè)1.0 m×1.0 m的樣方, 收集草灌木地上部分取回實(shí)驗(yàn)室。所有喬木(葉、枝、干、根)和灌木(葉、枝、根)樣品經(jīng)24 h、 65 ℃烘干至恒質(zhì)量, 經(jīng)球磨儀研磨, 過(guò)100目篩, 用于理化指標(biāo)分析, 每個(gè)樣品3個(gè)重復(fù)。植物樣品的碳含量采用VARIO Macro元素分析儀測(cè)定。

3 數(shù)據(jù)分析

(1)將調(diào)查得到的可燃物負(fù)荷量及其垂直分布情況進(jìn)行分析, 利用EXCEL軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì), 并繪制相應(yīng)的可燃物垂直分布圖和可燃物分類(lèi)圖。

(2)利用Excel對(duì)生物多樣性數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理和計(jì)算, 利用R語(yǔ)言的單因素方差分析進(jìn)行差異性檢驗(yàn)(p<0.05)。

(3)對(duì)于不同疏伐強(qiáng)度對(duì)潛在火行為的影響, 利用BehavePlus火模型利用野外調(diào)查所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

(4)利用Excel對(duì)生物量和碳儲(chǔ)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 利用SigmaPlot10.0軟件進(jìn)行林分相關(guān)指標(biāo)計(jì)算。

4 結(jié)果

4.1 林分可燃物特征研究

可燃物空間分布是不同種類(lèi)和不同強(qiáng)度林火發(fā)生的基礎(chǔ), 空間可燃物負(fù)荷量也稱(chēng)之為可燃物空間密度, 密度越大, 可燃物空間分布越豐富。已有對(duì)森林可燃物層次劃分的理論將2—3 m規(guī)定為引燃樹(shù)冠火所需的可燃物。本研究將高度位于1.5—3 m之間的可燃物規(guī)定為樹(shù)冠火的引燃物, 將3 m以上的范圍定為樹(shù)冠可燃物。引燃物主要包括高于1.5 m的灌木(含幼樹(shù)), 低于3 m的喬木小枝、葉和枯枝。

4.1.1 可燃物垂直分布研究

刺槐()在北京西山臥佛寺分場(chǎng)有大面積分布。根據(jù)可燃物的分層方法, 以0— 2 m, 2—3 m, 3—4 m, 3—4 m, 4—5 m, 5—6 m, 6—7 m, 7—8 m, 8—9 m, 9—10 m, 10—11 m, 11—12 m以上為基本的分層標(biāo)準(zhǔn), 計(jì)算刺槐林樣地各層可燃物負(fù)荷量, 得到可燃物負(fù)荷量垂直分布特征如圖1所示:

由圖1可知, 在不同疏伐強(qiáng)度的刺槐林樣地中, 0—2 m層可燃物負(fù)荷量最大, 分別為1.29 kg·m–2, 1.40 kg·m–2, 1.57 kg·m–2, 1.89 kg·m–2, 分別占林分可燃物總負(fù)荷量的24.1%, 28.9%, 34.6%, 46.6%, 此部分可燃物主要由地表枯枝落葉層和灌木可燃物構(gòu)成, 并且地表枯枝落葉層占據(jù)較大比例, 說(shuō)明發(fā)生地表火的可能性非常大; 林冠可燃物負(fù)荷量主要分布在6—8 m層, 分別為1.58 kg·m–2, 1.43 kg·m–2, 1.29 kg·m–2, 0.72 kg·m–2, 地表火蔓延為樹(shù)冠火的可能性較低; 隨著林分內(nèi)林木高度的增加, 冠層可燃物負(fù)荷量逐漸減少。

注: CK: 空白對(duì)照; L: 15%強(qiáng)度疏伐; M: 35%強(qiáng)度疏伐; H: 50%強(qiáng)度疏伐

4.1.2 林分地表可燃物負(fù)荷量分析

根據(jù)地表可燃物內(nèi)層方法: 1 h時(shí)滯可燃物、10 h時(shí)滯可燃物、100 h時(shí)滯可燃物、灌木可燃物、草本可燃物。計(jì)算刺槐林地表各層可燃物負(fù)荷量, 得到地表可燃物分布特征如圖2所示:

由圖2可知, 草本層可燃物負(fù)荷量是刺槐林地表可燃物總負(fù)荷量中占比例最大的, 分別為0.22 kg·m–2, 0.28 kg·m–2, 0.36 kg·m–2, 0.58 kg·m–2, 所占比例分別為37.4%, 47.5%, 54.3%, 64.5%。灌木層負(fù)荷量, 分別為0.05 kg·m–2, 0.11 kg·m–2, 0.17 kg·m–2, 0.24 kg·m–2,同樣, 隨著疏伐強(qiáng)度的增加, 1 h時(shí)滯、10 h時(shí)滯和100 h時(shí)滯的可燃物負(fù)荷量逐漸減少。

注: CK: 空白對(duì)照; L: 15%強(qiáng)度疏伐; M: 35%強(qiáng)度疏伐; H: 55%強(qiáng)度疏伐

4.3.2 不同疏伐強(qiáng)度對(duì)刺槐林分碳儲(chǔ)量的影響

根據(jù)分層切割法以及樣方收獲法得到各疏伐強(qiáng)度對(duì)刺槐林分碳儲(chǔ)量的影響, 如表2, 刺槐林喬木層林分碳儲(chǔ)量在經(jīng)過(guò)低強(qiáng)度疏伐(L)和中等強(qiáng)度疏伐(M)后小幅度的上升到14.95 t·hm–2和15.93 t·hm–2, 在高強(qiáng)度疏伐(H)后喬木層林分碳儲(chǔ)量較其他三組有明顯的下降趨勢(shì)。灌草層林分碳儲(chǔ)量在經(jīng)過(guò)低強(qiáng)度疏伐(L)和中等強(qiáng)度疏伐(M)處理后, 各自比空白處理低15.2%和20.2%, 而高強(qiáng)度疏伐(H)卻比空白處理高22.2%, 呈現(xiàn)先下降后上升趨勢(shì)。

4.1.2 林分潛在火行為研究

林分潛在火行為指標(biāo)主要包括火蔓延速率、火線強(qiáng)度、火焰高度和單位面積發(fā)熱量(Andrews, 1986)?；鹇铀俾时硎旧诌^(guò)火面積大小, 單位面積發(fā)熱量表達(dá)了森林著火范圍的大小。在森林火災(zāi)防控工作過(guò)程中, 常將火劃分為不同的火強(qiáng)度等級(jí): 低強(qiáng)度火(350—750 kW·m–1)、中強(qiáng)度火(750—3500 kW·m–1)、高強(qiáng)度火(>3500 kW·m–1)(胡海清, 2005)。

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù), 利用BehavePlus火模型對(duì)不同疏伐強(qiáng)度的油松林地表潛在火行為指標(biāo)進(jìn)行分析, 見(jiàn)表2:

由表2可知, 未疏伐(CK)林分的火蔓延速率、火線強(qiáng)度、火焰高度和單位面積發(fā)熱量都明顯高于其他強(qiáng)度疏伐。在低強(qiáng)度疏伐(L)之后火蔓延速率從15.2 m·min–1降低為2.6 m·min–1, 火線強(qiáng)度從849 kW·m–1降低為71 kW·m–1, 火焰高度降低了1.1 m, 單位面積發(fā)熱量降低至1674 kJ·m–2, 隨著疏伐強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)出了明顯的下降趨勢(shì); 中等強(qiáng)度疏伐(M)后, 潛在火行為指數(shù)均顯著降低, 林火蔓延速率為0.2 m·min–1, 火線強(qiáng)度為2 kW·m–1, 火焰高度為0.1 m, 單位面積發(fā)熱量為677 kJ·m–2; 高強(qiáng)度疏伐(H)后, 林火的蔓延速率, 火線強(qiáng)度為以及火焰強(qiáng)度都趨近于0, 單位面積發(fā)熱量明顯下降為296 kJ·m–2。

表2 各疏伐強(qiáng)度對(duì)刺槐林分碳儲(chǔ)量的影響

Table.2 The effects of different thinning intensities on carbon storage in Robiniapseudoacacia

注: CK: 空白對(duì)照; L: 疏伐強(qiáng)度15%; M: 疏伐強(qiáng)度35%; H: 疏伐強(qiáng)度50%

表3 刺槐林不同疏伐強(qiáng)度火行為指標(biāo)

Tab.3 The fire behavior indicators of Pinus tabuliformis stands with different thinning intensities

注: CK: 空白對(duì)照; L: 疏伐強(qiáng)度15%; M: 疏伐強(qiáng)度35%; H: 疏伐強(qiáng)度50%

5 結(jié)論與討論

本研究通過(guò)對(duì)刺槐林進(jìn)行不同強(qiáng)度疏伐后刺槐林可燃物特征進(jìn)行調(diào)查, 得出地表可燃物負(fù)荷量以及林分可燃負(fù)荷量垂直分布情況。并且根據(jù)野外調(diào)查數(shù)據(jù)計(jì)算出刺槐林型地表火行為指標(biāo), 對(duì)林火蔓延速率、單位面積發(fā)熱量、火線強(qiáng)度和火焰長(zhǎng)度等林火特征指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)分析, 得出結(jié)論:

(1)在所選刺槐林分中, 經(jīng)過(guò)不同強(qiáng)度疏伐處理, 相對(duì)其他層, 0—2 m層可燃物負(fù)荷量最大。郁閉度、林分密度、平均樹(shù)高和平均胸徑是影響北京西山刺槐林可燃物負(fù)荷量的主要因素, 這與以往研究結(jié)果一致[24-27]。在研究中, 疏伐后地表可燃物負(fù)荷量明顯降低, 可見(jiàn)疏伐可以防止地表火的發(fā)生。林分可燃物空間分布的連續(xù)性是研究可燃物豎直、水平特征的關(guān)鍵, 森林可燃物的空間分布涉及到樹(shù)高、枝下高、灌木高度、草本高度、冠幅、死地被物層的連續(xù)性等指標(biāo), 本研究?jī)H對(duì)此進(jìn)行了初步的探索, 日后的研究可以更多的關(guān)注可燃物空間連續(xù)性指數(shù)方面。

疏伐處理后的地表可燃物負(fù)荷量的總量隨著疏伐強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加, 即H>M>L>CK。草本層可燃物負(fù)荷量是刺槐林地表可燃物總負(fù)荷量中占比例最大的; 隨著疏伐強(qiáng)度的增加, 1 h時(shí)滯、10 h時(shí)滯和100 h時(shí)滯的可燃物負(fù)荷量逐漸減少。隨著疏伐強(qiáng)度的增加, 林分郁閉度減小, 林內(nèi)的光照條件得到改善, 光線增強(qiáng), 林下陽(yáng)生植物得到更好的生長(zhǎng), 草本層的可燃物負(fù)荷量將大量增加[28]。同時(shí), 疏伐后遺落的枯枝落葉等將會(huì)大幅度減少, 導(dǎo)致1 h時(shí)滯、10 h時(shí)滯和100 h時(shí)滯的可燃物負(fù)荷量逐漸減少。因此, 在條件允許的情況下, 在非火災(zāi)發(fā)生期可以開(kāi)展疏伐、修枝割灌等營(yíng)林方式進(jìn)行林分改造, 減少易燃可燃物負(fù)荷量, 降低森林燃燒性, 從而預(yù)防森林火災(zāi)的發(fā)生。

(2)不同強(qiáng)度疏伐對(duì)刺槐人工林各組分的碳儲(chǔ)量產(chǎn)生了一定影響。研究表明, 經(jīng)過(guò)低等強(qiáng)度疏伐(L)以及中等強(qiáng)度疏伐(M)后的刺槐人工林碳儲(chǔ)量喬木層與灌木層總量高出對(duì)照組, 其中中等強(qiáng)度疏伐(M)更有利于碳儲(chǔ)量的積累。刺槐人工林林分碳儲(chǔ)量的變化規(guī)律為H

(3)林火行為指標(biāo)經(jīng)過(guò)三種不同強(qiáng)度疏伐處理后, 指標(biāo)均有明顯的下降, 總體變化規(guī)律為CK>M> L>H。隨著疏伐強(qiáng)度的加大, 林分整體可燃物負(fù)荷量大量減少, 各層次可燃物負(fù)荷量也大幅度降低, 從而導(dǎo)致火行為指標(biāo)值降低, 火線強(qiáng)度和單位面積發(fā)熱量也均達(dá)到安全值以下。相比較, 高等強(qiáng)度疏伐(H)后, 可燃物總負(fù)荷量大幅度降低, 潛在火行為指標(biāo), 均降低了90%以上。經(jīng)過(guò)不同強(qiáng)度的疏伐后, 潛在火行為四項(xiàng)指標(biāo)均大幅度縮減, 有效的降低了火行為發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)研究得出, 疏伐力度太低, 株數(shù)保留量大, 單木之間競(jìng)爭(zhēng)加強(qiáng), 林分密度得不到改善, 且低強(qiáng)度疏伐后, 林內(nèi)可燃物負(fù)荷量總體增加, 特別是地表可燃物負(fù)荷量, 引起火行為指標(biāo)也增加, 易發(fā)生地表火[29-30]。相比較, 疏伐力度過(guò)大時(shí), 雖然能較有效的預(yù)防森林火災(zāi)的發(fā)生, 但是高強(qiáng)度疏伐后林內(nèi)小環(huán)境會(huì)發(fā)生較大改變, 會(huì)影響植物生長(zhǎng)[31]。因此, 要選擇適合的疏伐強(qiáng)度, 以達(dá)到林木可持續(xù)發(fā)展, 保證林木的碳儲(chǔ)量, 有效降低火災(zāi)發(fā)生概率。綜上可得, 中度疏伐強(qiáng)度更為適中, 人工刺槐林經(jīng)過(guò)中強(qiáng)度疏伐(M, 35%)后對(duì)林分可燃物特征、林分碳儲(chǔ)量及潛在火行為的影響最為顯著。該研究結(jié)果可為研究地區(qū)的森林可燃物管理以及森林碳儲(chǔ)量的有效積累提供科學(xué)依據(jù)。

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Effect ofthinning on fuel characteristics and carbon stock offorest in Beijing Xishan Forest Farm

YANG Siqi, ZHU Min, LIU Xiaodong*

College of Forest, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China

The typicalforests under different thinning intensities (0%, 15%, 35%,50%) in Beijing Xianshan Forest Farm were selected. The effects of different thinning intensities on forest fuel loading, above-ground carbon stock and potential fire behaviors were studied by using field investigation, calculation and BehavePlus software. The results are as follows. (1)The maximum fuel loading of different thinning stands all distributed in the layer of 0-2 m, with the value 1.29 kg·m–2, 1.40 kg·m–2, 1.57 kg·m–2, 1.89 kg·m–2,respectively. Along with the increase of the vertical height, the fuel load was mainly distributed in the layer from 5m to 9m. (2) The stand carbon stock was significantly affected by thinning intensity, and the moderate (M) thinning intensity stand had the highest carbon stock, with the value 17.50 t·hm–2.(4)Forest fire velocity of propagation, heat per unit area, fire line intensity, and flame length were affected by thinning intensity, and the potential fire behaviors values decreased sharply after thinning treatment, and the high intensity thinning(H) had the lowest fire behavior value. The above results can provide a scientific basis for the forest fuel management and sustainable forest management in the studied area.

; thinning; fuel characteristics; carbon stock; fire behaviors

S762.1

A

1008-8873(2018)01-094-07

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.01.013

2017-02-28;

2017-04-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31270696); 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFD0600106)

楊思琪(1992—), 女, 內(nèi)蒙古錫林浩特市人, 碩士, 主要從事森林生態(tài)學(xué)研究, E-mail: amber_young47@163.com

劉曉東, 男, 博士, 副教授, 主要從事森林生態(tài)學(xué)研究, E-mail: xd_liu@bjfu.edu.cn

楊思琪, 朱敏, 劉曉東. 疏伐對(duì)北京西山林場(chǎng)刺槐林可燃物特征及碳儲(chǔ)量影響研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2018, 37(1): 94-100.

YANG Siqi, ZHU Min, LIU Xiaodong. Effect of thinning on fuel characteristics and carbon stock offorest in Beijing Xishan Forest Farm[J]. Ecological Science, 2018, 37(1): 94-100.