田 野, 牛樹(shù)奎, 陳 鋒, 王 婕, 曹 萌

(北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京 100083)

林火作為一個(gè)生態(tài)干擾因子[1-2]，一方面會(huì)破壞森林的生態(tài)平衡，對(duì)森林健康產(chǎn)生負(fù)面影響；另一方面，適度的林火在維持森林的生態(tài)平衡和物種多樣性方面具有積極作用[3-7].森林可燃物是林火發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，地表死可燃物負(fù)荷量與林火發(fā)生頻率和林火強(qiáng)度有密切關(guān)系[8]，有效減少地表可燃物負(fù)荷量是防止森林火災(zāi)的重要舉措之一[9].因此，地表死可燃物負(fù)荷量已成為林火生態(tài)學(xué)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一[10-12].影響地表死可燃物負(fù)荷量的因子很多，如群落類型、地形差異、自然和人為干擾等因素，這些因子的影響程度不同，因子之間的關(guān)系也很復(fù)雜[13-14].

近年來(lái)，關(guān)于地表死可燃物負(fù)荷量的研究逐漸增多.吳志偉等[15]利用DCCA排序法對(duì)豐林保護(hù)區(qū)的死可燃物負(fù)荷量與環(huán)境因子的關(guān)系進(jìn)行了研究.周澗青等[16]對(duì)大興安嶺南部林區(qū)地表可燃物負(fù)荷量的影響因子進(jìn)行了研究.武超等[17]探討了火干擾對(duì)落葉松林地表死可燃物負(fù)荷量的影響.還有一些學(xué)者通過(guò)地表負(fù)荷量與森林環(huán)境因子(坡度、坡向、海拔等)建立的模型，預(yù)測(cè)森林可燃物載量.李明澤等[18]通過(guò)遙感信息結(jié)合樣地?cái)?shù)據(jù)建立地面可燃物載量估測(cè)模型.姜宏志[19]建立楓樺紅松林地被死可燃物載量與林分因子(樹(shù)高、胸徑、郁閉度等)以及環(huán)境因子(坡度、坡向、坡位等)的回歸模型，結(jié)果表明郁閉度、坡位和平均胸徑可以很好估算楓樺紅松林地被死可燃物負(fù)荷量.目前有關(guān)火燒強(qiáng)度與火后油松林地表死可燃物負(fù)荷量綜合影響的研究鮮有報(bào)道.

為了深入研究不同火干擾強(qiáng)度后油松林地表死可燃物負(fù)荷量的變化以及地形、林分等因子對(duì)地表死可燃物負(fù)荷量的影響，本研究以冀北遼河源的油松林(Pinustabulaeformis)火燒跡地為對(duì)象，選擇不同火燒強(qiáng)度的油松林地，分析了不同強(qiáng)度火干擾后油松地表死可燃物負(fù)荷量的動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)對(duì)油松林地表死可燃物負(fù)荷量及其影響因素進(jìn)行探討，為制定科學(xué)的可燃物管理制度和森林火災(zāi)損失評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù).

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省平泉縣境內(nèi)的遼河源森林公園(118°22′—118°37′E,41°01′—41°21′N).東鄰遼寧，北接內(nèi)蒙，是冀、蒙、遼三省交界的遼河源頭，也是京津冀地區(qū)重要的綠色生態(tài)屏障.該地屬溫帶大陸性季風(fēng)型山地氣候，年平均氣溫7.3 ℃，年均降水量540 mm，年均蒸發(fā)量1 800 mm,全年無(wú)霜期約110～125 d.代表性土壤類型主要有褐土和棕土.森林植被主要是油松天然次生林，其主要伴生種為山楊(Populusdavidiana)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、白樺(Betulaplatyphylla)等.林下植被主要有毛榛(Corylusmandshurica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、土莊繡線菊(Spiraeapubescens)、照山白(Rhododendronmieranthum)、小紅菊(Dendranthemachanetii)、雞腿堇菜(Violaacuminata)、玉竹(Polygonatumodoratum)、石竹(Dianthuschinensis)等.

2 研究方法

2.1 火干擾強(qiáng)度劃分

火燒跡地的死亡樹(shù)木并非全是直接被火燒死，有些樹(shù)冠層還殘留枯枝枯葉的死亡樹(shù)木是由于火燒導(dǎo)致林木缺失水分和營(yíng)養(yǎng)成分而枯死；有些樣地內(nèi)樹(shù)木全部死亡，且樹(shù)冠層沒(méi)有任何枯葉，說(shuō)明林火直接蔓延到樹(shù)冠，樹(shù)木直接被燒死[20].實(shí)地觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)熏黑高度低于樹(shù)高2/3時(shí)，僅有地表火痕跡，并未燒及樹(shù)冠；而熏黑高度超過(guò)2/3時(shí)，樹(shù)木全部死亡.以樹(shù)木熏黑高度、死亡狀況和燒死木株數(shù)占比為依據(jù)，對(duì)火燒強(qiáng)度進(jìn)行以下劃分[21-24]：熏黑高度低于樹(shù)高的1/3，燒死木株數(shù)占比小于等于30%，且樹(shù)冠有綠葉的樣地為輕度火燒跡地；熏黑高度為樹(shù)高的1/3～2/3，燒死木株數(shù)占比為30%～69%，且樹(shù)冠頂層有少部分綠葉的樣地為中度火燒跡地；熏黑高度超過(guò)樹(shù)高的2/3，且燒死木株數(shù)占比大于等于70%的樣地為重度火燒跡地.

2.2 樣方設(shè)置

圖1 樣地照片F(xiàn)ig.1 Photo of sampling plots

2016年7—8月對(duì)河北平泉大窩鋪林場(chǎng)的火后第2年油松林火燒跡地進(jìn)行調(diào)查，圖1為火后林地照片.選取具有一定代表性且生境條件基本一致的過(guò)火林地和未過(guò)火林地，設(shè)置不同火燒強(qiáng)度、林分因子的火燒樣地和未火燒(對(duì)照)樣地共24塊，每塊樣地大小為20 m×20 m，記錄每塊樣地的海拔、坡度、坡向、坡位、樹(shù)木熏黑高度和燒傷等級(jí)等因子，研究火燒強(qiáng)度對(duì)地表死可燃物負(fù)荷量的影響.在每塊樣地采用定點(diǎn)打樁的方法劃分出16個(gè)5 m×5 m的小樣方，24塊樣地中共計(jì)384個(gè)小樣方.樣地概況如表1所示.

2.3 地表死可燃物調(diào)查

地表死可燃物采用全部稱重法調(diào)查，按照可燃物標(biāo)準(zhǔn)劃分1 h時(shí)滯可燃物(直徑<0.64 cm的小枝，包括上、下層枯葉可燃物)、10 h時(shí)滯可燃物的枝干(0.64 cm<直徑≤2.60 cm)、100 h時(shí)滯可燃物的粗枝(2.60 cm<直徑≤7.60 cm)，并進(jìn)行采集[25].每塊樣地兩條對(duì)角線以及中央設(shè)置5塊1 m×1 m小樣方和5塊5 m×5 m小樣方，在1 m×1 m小樣方中采集1h時(shí)滯可燃物，在5 m×5 m小樣方采集10 h時(shí)滯可燃物和100 h時(shí)滯可燃物.在野外對(duì)各個(gè)規(guī)格可燃物樣品稱濕重并帶回實(shí)驗(yàn)室，在105 ℃下烘至絕干，記錄其干重.

表1 樣地概況Table 1 General situation of sampling plots

2.4 指標(biāo)計(jì)算

式中，R為相對(duì)含水率，WH為可燃物濕重，WD為可燃物干重，MH為信封濕重；MD為信封干重.

式中，F(xiàn)為地表死可燃物負(fù)荷量；i為可燃物類別，表示1 h時(shí)滯可燃物、10 h時(shí)滯可燃物、100 h時(shí)滯可燃物、上層枯葉可燃物和下層枯葉可燃物；W為可燃物濕重，R為可燃物相對(duì)含水率.

2.5 數(shù)據(jù)處理

采用方差分析和多重比較對(duì)不同火干擾強(qiáng)度下油松林地表可燃物負(fù)荷量的差異性進(jìn)行分析；運(yùn)用冗余分析(RDA)對(duì)地表死可燃物負(fù)荷量和環(huán)境因子的關(guān)系進(jìn)行研究[26-27].植被數(shù)據(jù)采用24塊樣地的地表死可燃物負(fù)荷量，環(huán)境因子包括燒死木百分比、坡度、坡位、坡向、胸徑、樹(shù)高、熏黑高和樹(shù)高百分比.坡位和坡向需要進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換.坡位轉(zhuǎn)換規(guī)則：1表示上坡，2表示中坡，3表示下坡，數(shù)字越小坡位越小.坡向轉(zhuǎn)換規(guī)則：1表示東北坡，2表示東坡，3表示東南坡，4表示南坡，5表示西南坡，6表示西坡，7表示西北坡，8表示北坡.采用SPSS 21.0分析地表死可燃物負(fù)荷量的差異性和各環(huán)境因子與RDA排序軸的相關(guān)性.

3 結(jié)果與分析

3.1 火燒跡地火燒強(qiáng)度等級(jí)的劃分

通過(guò)計(jì)算火燒樣地的熏黑高度與樹(shù)高的比值和燒死木株數(shù)占比，對(duì)24塊火燒樣地進(jìn)行火燒強(qiáng)度的劃分，得出重度火燒樣地6塊，中度火燒樣地6塊，輕度火燒樣地6塊.由表2可知，6塊重度火燒樣地的熏黑高度與樹(shù)高的比值為0.73～1.00，燒死木株數(shù)占全部株數(shù)的百分比在71.52%以上；6塊中度火燒樣地的熏黑高度與樹(shù)高的比值為0.36～0.52，燒死木百分比為39.72%～61.35%；6塊輕度火燒樣地的熏黑高度與樹(shù)高的比值低于0.21，燒死木百分比不超過(guò)20.04%(表2).

表2 火燒樣地火強(qiáng)度等級(jí)的劃分Table 2 The division of fire intensity

3.2 火干擾對(duì)地表死可燃物負(fù)荷量的影響

由表3可知，火干擾后油松林的地表死可燃物負(fù)荷量減小，與火燒強(qiáng)度呈正比.重度火燒樣地、中度火燒樣地和輕度火燒樣地的地表死可燃物負(fù)荷量分別為(5 595.66±540.88) kg·hm-2、(6 903.02±639.41) kg·hm-2和(8 458.35±349.96) kg·hm-2，分別較未火燒樣地(12 127.48±322.13) kg·hm-2減少了6 531.28、5 224.46和3 669.13 kg·hm-2.

表3 不同火燒強(qiáng)度下的地表死可燃物負(fù)荷量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)1)Table 3 Surface dead fuel load under different fire intensities (mean±standard deviation) kg·hm-2

1)不同小寫字母表示不同強(qiáng)度火燒樣地同類型可燃物負(fù)荷量的差異(P<0.05).

方差分析表明，火干擾對(duì)不同程度火燒樣地地表死可燃物負(fù)荷量的影響不同.1 h輕度、中度和重度火燒樣地的時(shí)滯可燃物負(fù)荷量分別比未火燒樣地減少29.27%、42.58%和54.12%；未火燒樣地與火燒樣地中，中度和重度火燒的時(shí)滯可燃物負(fù)荷量存在顯著差異(P<0.05)，與輕度火燒差異不明顯；火燒樣地中，輕度火燒的時(shí)滯可燃物負(fù)荷量與中度火燒、重度火燒存在顯著差異(P<0.05)；10 h時(shí)滯地表可燃物類型中，重度、中度和輕度火燒樣地的時(shí)滯可燃物負(fù)荷量較未火燒樣地分別減少了54.48%、40.67%和41.39%，中度火燒樣地的時(shí)滯可燃物負(fù)荷量較輕度火燒樣地增加了9.02 kg·hm-2.這可能是因?yàn)橹卸取⒅囟然馃鬀](méi)有枝葉遮擋，導(dǎo)致林內(nèi)光照增強(qiáng)，風(fēng)速增大，主干殘留枯枝落葉易脫落，使得10 h時(shí)滯可燃物負(fù)荷量增加.未火燒樣地與火燒樣地的時(shí)滯可燃物負(fù)荷量均存在顯著差異(P<0.05)，而火燒樣地不存在顯著差異.100 h時(shí)滯地表可燃物類型中，中度和輕度火燒的時(shí)滯可燃物負(fù)荷量分別減少了48.99%和26.74%，與未火燒樣地差異顯著(P<0.05)；重度火燒后時(shí)滯可燃物負(fù)荷量減少了88.79%，與未火燒樣地差異極顯著(P<0.01).總負(fù)荷量中，未火燒樣地與火燒樣地中的中度、重度火燒的時(shí)滯可燃物負(fù)荷量之間存在顯著差異，與輕度火燒不存在顯著差異.

3.3 地表死可燃物負(fù)荷量與地形、林分因子的關(guān)系

在分析地表可燃物與地形、林分因子之間的關(guān)系之前，需通過(guò)DCA排序分析確定統(tǒng)計(jì)方法[25].當(dāng)DCA分析得出的第1排序軸小于3.0，則采用冗余分析(RDA)；若第1排序軸大于4.0，則采用典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)；當(dāng)?shù)?排序軸為3.0～4.0，則兩種方法都可以選用.本研究通過(guò)DCA排序軸分析得出的第1排序軸的職位為0.266(小于3.000)，表明采用RDA效果好.

RDA分析結(jié)果(表4)表明，排序軸1解釋了地表死可燃物負(fù)荷量與立地、林分因子的關(guān)系為45.5%，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.829；排序軸2解釋了地表死可燃物負(fù)荷量與立地、林分因子的關(guān)系為8.1%，兩者相關(guān)系數(shù)為0.579；排序軸1和排序軸2累計(jì)解釋了53.6%的地表死可燃物負(fù)荷量與立地、林分等因子的關(guān)系，對(duì)負(fù)荷量與地形、林分等因子關(guān)系的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)95.4%.前2個(gè)軸包含了較全面的可燃物負(fù)荷量特征信息，同時(shí)P=0.02<0.05，表明RDA排序結(jié)果良好，可以較好反映地表可燃物負(fù)荷量與地形、林分等因子之間的關(guān)系.

表4 RDA結(jié)果Table 4 Results of redundancy analysis

圖2是地表枯死可燃物負(fù)荷量與地形、林分等因子的RDA排序圖.數(shù)字1～24表示樣地編號(hào)，箭頭表示影響地表死可燃物負(fù)荷量的相關(guān)因子，箭頭與原點(diǎn)連線的長(zhǎng)度代表地形、林分等因子對(duì)地表死可燃物負(fù)荷量的解釋量大小.林分、地形因子變量的箭頭方向與負(fù)荷量之間的余弦值代表它們之間的相關(guān)性，余弦值為正值表示正相關(guān)關(guān)系，反之為負(fù)相關(guān)關(guān)系[19].由圖2可知，林分因子中，胸徑、熏黑高與樹(shù)高的比值以及燒死木百分比均表現(xiàn)出對(duì)地表負(fù)荷量變化較高的解釋量；地形因子中，坡向?qū)Φ乇碡?fù)荷量大小的解釋量比其他地形因子高.所有因子中，胸徑線段長(zhǎng)度最長(zhǎng)，所以胸徑表現(xiàn)了對(duì)地表負(fù)荷量較高的解釋量，與負(fù)荷量呈正相關(guān)；其次是熏黑高與樹(shù)高的比值以及燒死木百分比，與地表負(fù)荷量呈負(fù)相關(guān).地形因子中坡向、坡位與地表負(fù)荷量呈正相關(guān)，坡度對(duì)地表負(fù)荷量的影響較小(表5).

BWP:燒死木百分比.CD：郁閉度.DHC：平均胸徑.MH：平均樹(shù)高.BHR：熏黑高與樹(shù)高的比值.SL：坡度.AS：坡向.SP：坡位.1～6為重度火燒樣地，7～12為中度火燒樣地，13～18為輕度火燒樣地，19～24為未火燒樣地.圖2 地表死可燃物負(fù)荷量的RDA排序圖Fig.2 RDA sort graph of surface dead fuel load

影響因子軸1軸2影響因子軸1軸2平均胸徑(DBH)0.697 30.172 9熏黑高與樹(shù)高的比值(BHR)-0.524 50.277 0平均樹(shù)高(MH)0.453 2-0.013 6坡度(SL)-0.052 20.145 4郁閉度(CD)0.419 4-0.148 5坡向(AS)0.441 80.071 4燒死木百分比(BWP)-0.494 60.189 5坡位(SP)0.252 80.259 2

4 小結(jié)與討論

本研究結(jié)果表明：(1)不同強(qiáng)度火干擾對(duì)油松林地表死可燃物負(fù)荷量影響顯著，油松林地表死可燃物負(fù)荷量大小順序?yàn)槲椿馃龢拥?輕度火燒樣地>中度火燒樣地>重度火燒樣地.火燒樣地和未火燒樣地之間差異顯著(P<0.05)，1 h時(shí)滯(輕度火燒除外)、10 h時(shí)滯、100 h時(shí)滯可燃物負(fù)荷量隨著火燒強(qiáng)度的增強(qiáng)顯著減??；不同火燒樣地中1 h時(shí)滯的負(fù)荷量之間存在顯著差異(P<0.05)，而10 h時(shí)滯和100 h時(shí)滯不同火燒程度的負(fù)荷量之間無(wú)顯著差異；

(2)通過(guò)RDA冗余分析解釋了地形、林分等因子與地表死可燃物負(fù)荷量之間的關(guān)系，林分因子中胸徑表現(xiàn)了對(duì)地表負(fù)荷量較高的解釋量，與負(fù)荷量呈較顯著正相關(guān)；其次是熏黑高與樹(shù)高的比值以及燒死木百分比，兩者與地表負(fù)荷量呈較顯著的負(fù)相關(guān).地形因子中坡向、坡位因子與地表負(fù)荷量呈正相關(guān)，而坡度對(duì)地表負(fù)荷量的影響較小.火干擾對(duì)遼河源油松林地表死可燃物負(fù)荷量有明顯的影響，火燒樣地的地表死可燃物負(fù)荷量較未火燒樣地顯著減少，且重度火燒樣地的減少程度大于中度和輕度火燒樣地.而針對(duì)不同時(shí)滯地表死可燃物，火干擾的影響程度不同，1 h時(shí)滯可燃物負(fù)荷量在火燒后減少，除了輕度火燒，重度和中度火燒樣地與未火燒樣地差異顯著減小(P<0.05)；10、100 h時(shí)滯可燃物在火燒后均顯著減小(P<0.05).在火燒后，地表死可燃物分配格局也會(huì)發(fā)生變化，1 h時(shí)滯、100 h時(shí)滯可燃物負(fù)荷量比重隨火燒強(qiáng)度的增強(qiáng)而減少，10 h時(shí)滯可燃物負(fù)荷量未表現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì).這是因?yàn)榱只饡?huì)直接燒毀地表未分解的枯落物，從而導(dǎo)致地表死可燃物負(fù)荷量減少，且火燒也會(huì)燒掉部分草本、灌木和喬木，導(dǎo)致地表死可燃物的來(lái)源減少；同時(shí)，火燒改變了林分環(huán)境，使得地表輻射增強(qiáng)，地表死可燃物的分解速度加快，也會(huì)導(dǎo)致地表死可燃物量減少.由于調(diào)查時(shí)間是在火災(zāi)后第2年，輕度和中度火燒部分樹(shù)木沒(méi)有直接死亡，輕度火燒只燒掉了林下枯落物，對(duì)林木造成的影響?。恢卸然馃裏魳?shù)木部分枝條，還留有部分枝葉.后期樹(shù)木死亡，主干上枝葉脫落，導(dǎo)致林下負(fù)荷量增加，這可能是中度火燒未表現(xiàn)出明顯變化的原因.本研究結(jié)論與現(xiàn)有的火燒減少地表死可燃物負(fù)荷量的結(jié)論[29-30]一致.而與武超等[16]研究得出的10 h時(shí)滯、100 h時(shí)滯的可燃物負(fù)荷量在火燒后會(huì)增加的結(jié)論不同，主要原因可能是由于火后調(diào)查時(shí)間不同，本試驗(yàn)是在火后第2年對(duì)火燒跡地進(jìn)行調(diào)查，武超等是在火后第6年進(jìn)行調(diào)查.

從RDA排序圖中可知，胸徑線段長(zhǎng)度最長(zhǎng)，說(shuō)明胸徑是地表負(fù)荷量的主要林分因子，這是因?yàn)閱棠倦S著胸徑增大，自然整植過(guò)程產(chǎn)生的大量枯枝在林下積累，導(dǎo)致林下可燃物負(fù)荷量增多[15]，燒死木百分比、熏黑高與樹(shù)高的比值與地表死可燃物呈顯著負(fù)相關(guān)，表明不同火強(qiáng)度對(duì)地表死可燃物負(fù)荷量有明顯的影響.坡度與地表負(fù)荷量之間相關(guān)性小，可能是由于林區(qū)整體地勢(shì)較為平坦，調(diào)查樣地之間坡度差異性小，因此不存在顯著相關(guān)性.

由于冀北遼河源林區(qū)屬于低山山區(qū)，海拔變化不大，而此次林火發(fā)生也相對(duì)集中，海拔差異性小，因此未將海拔因子考慮進(jìn)去.同時(shí)，本研究只分析了各地形因子以及林分因子對(duì)地表死可燃物負(fù)荷量的影響，而忽視了環(huán)境因子之間的相互作用以及其他因素，例如土壤、氣象等因子共同作用.