唐子桐，田青，王艷莉，周曉雷，趙安，杜佳囝

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

森林火災(zāi)不僅燒毀林木，減少森林面積，而且嚴(yán)重破壞森林環(huán)境與森林結(jié)構(gòu)，造成森林生態(tài)系統(tǒng)失衡，森林生物量下降，生產(chǎn)力減弱，鳥獸數(shù)量減少［1-5］。應(yīng)對(duì)頻繁發(fā)生的森林火災(zāi)，需要提高林火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)能力，掌握森林火災(zāi)發(fā)生規(guī)律，有效降低林火對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的破壞［6］。

森林火災(zāi)的發(fā)生受諸多因素影響，進(jìn)行林火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)時(shí)應(yīng)全面分析考慮這些因素造成的影響，這些因素主要包括林分特征、可燃物特征、環(huán)境因素及人為活動(dòng)等［7］。其中，森林可燃物是森林燃燒的基礎(chǔ)，是火災(zāi)發(fā)生和傳播的主要因素，也是影響林火行為發(fā)生的重要因素［8-10］。森林可燃物含水率，是植被與環(huán)境因子共同作用的結(jié)果，決定了森林火災(zāi)發(fā)生的難易程度，直接控制林火的發(fā)生強(qiáng)度和蔓延速度，是火險(xiǎn)發(fā)生預(yù)報(bào)的重要指標(biāo)［11-15］。因此，森林可燃物，特別是森林可燃物含水率是林火生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)之一。

甘肅太子山自然保護(hù)區(qū)自成立以來，一直沒有發(fā)生過重大森林火災(zāi)，森林可燃物在林下大量堆積，加之全球氣候變暖，人為干擾加劇，導(dǎo)致該地區(qū)存在重大森林火災(zāi)發(fā)生安全隱患。因此，本研究擬從太子山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)森林可燃物含水率特征著手，將該地區(qū)分為灌木林地和喬木林地兩大林型，通過線性模型冗余分析（RDA），探討不同林型森林可燃物含水率與環(huán)境因素的關(guān)系，確定影響可燃物含水率的關(guān)鍵因素，以期為該保護(hù)區(qū)森林可燃物的管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)為森林火險(xiǎn)監(jiān)測(cè)與火行為模擬研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

甘肅太子山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)（E 102°43′～103°42′，N35°02′～35°36′）地處黃河中上游地區(qū)，位于臨夏回族自治州和甘南藏族自治州之間，東西長約100 km，南北寬約10 km，海拔2 200～4 636 m，總面積8.47 萬hm2，屬青藏高原向黃土高原過渡地帶［17-18］。該地區(qū)屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫5.1 ℃，無霜期110 d左右，多年平均降水量660 mm。其中林地6.79 萬hm2，非林地1.68 萬hm2，森林覆蓋率31.17%。區(qū)內(nèi)共有維管植物95 科358 屬838 種33變種，其中引進(jìn)栽培植物1科4屬8種［19-21］。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置與樣品采集

本研究根據(jù)《甘肅省森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)操作細(xì)則》在甘肅太子山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)設(shè)立15 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地（表1），其中，灌木林標(biāo)準(zhǔn)樣地6個(gè)，每個(gè)灌木林標(biāo)準(zhǔn)樣地由3個(gè)5 m×5 m方形標(biāo)準(zhǔn)地組成，每個(gè)25 m2方形標(biāo)準(zhǔn)地相隔50 m。喬木林標(biāo)準(zhǔn)樣地9 個(gè)，標(biāo)準(zhǔn)樣地為25.82 m×25.82 m的方形標(biāo)準(zhǔn)地?；緺顩r調(diào)查包括地貌、地形、群落類型、干擾情況、經(jīng)營管理、優(yōu)勢(shì)樹種、可燃物載量、土壤等。數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2021年3月23日至4月17日。標(biāo)準(zhǔn)地編號(hào)適用一類清查樣地作為標(biāo)準(zhǔn)地的編號(hào)方法，省代碼（兩位）+分層碼（6位）+Y+一類清查樣地編號(hào)（5位），如34-324312-Y-00034。新設(shè)立的標(biāo)準(zhǔn)地在一類清查樣地編號(hào)中“Y”改為“N”（新設(shè)），其他編號(hào)含義相同。

表1 林地信息Table 1 Forest land information

在標(biāo)準(zhǔn)樣地中，調(diào)查枯落物厚度，用耙子收集樣方內(nèi)枯落物，剔除石礫、土塊等非有機(jī)物質(zhì)。將枯落物分為枯落物1（直徑小于0.6 cm 的小枝、葉和雜草）、枯落物2（直徑大于或等于0.6 cm，但小于2.5 cm 的小枝），枯落物3（直徑大于或等于2.5 cm，但小于7.62 cm 的枝條）3類。調(diào)查記錄土壤腐殖質(zhì)平均厚度并取樣，按枯落物1、枯落物2、枯落物3、腐殖質(zhì)4個(gè)類型可燃物，分別稱量鮮質(zhì)量，將測(cè)定數(shù)據(jù)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行匯總整理，計(jì)算枯落物1、枯落物2、枯落物3、土壤腐殖質(zhì)4 個(gè)類型的可燃物含水率。

2.2 含水率計(jì)算方法

可燃物含水率計(jì)算公式如下：

式中：Μ為森林可燃物含水率（%），Ww與Wd分別為森林可燃物鮮質(zhì)量（g）與干質(zhì)量（g）。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

應(yīng)用Microsoft excel 2020對(duì)森林可燃物含水率單變量平均數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使用SPSS 26.0軟件進(jìn)行單因素的方差分析檢驗(yàn)，采用LSD 進(jìn)行顯著性分析（α=0.05）。環(huán)境因子和含水率進(jìn)行線性模型冗余分析（redundancy analysis，RDA），森林可燃物含水率（枯1、枯2、枯3和土壤腐殖質(zhì)）作為響應(yīng)變量，海拔、坡度、坡向、坡位、郁閉度、林分密度、平均樹高、平均胸徑（平均地徑）、林齡9個(gè)環(huán)境因子作為環(huán)境變量。森林可燃物含水率用黑色實(shí)心箭頭表示，環(huán)境變量用紅色空心箭頭表示；箭頭越長表示環(huán)境因子與含水率的相關(guān)性越大；箭頭所處的象限表明環(huán)境因子與排序軸之間相關(guān)性的正負(fù)；響應(yīng)變量與環(huán)境變量箭頭之間的夾角反應(yīng)它們之間的相關(guān)性（但響應(yīng)變量之間的夾角無此含義），夾角越小，相關(guān)性越高［22］。RDA 排序在CANOCO 5.0 軟件中完成。

根據(jù)RDA排序的需要和野外調(diào)查數(shù)據(jù)情況，海拔、坡度、郁閉度、林分密度、平均樹高、平均胸徑、林齡為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。坡向、坡位采取數(shù)字轉(zhuǎn)換的方法獲取，以數(shù)字表示等級(jí)。坡向共分為8 個(gè)等級(jí)，其中1 代表北坡；2 代表東北坡；3 代表西北坡；4 代表東坡；5 代表西坡；6 代表東南坡；7 代表西南坡；8 代表南坡，數(shù)字越大，越向陽。坡位共分3個(gè)等級(jí)，以數(shù)字表示，其中1代表下坡，2代表中坡，3代表上坡，數(shù)字越大，坡位越高［23-24］。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林型森林燃物含水率特征

研究區(qū)森林可燃物含水率單變量平均數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表2。灌木林地（樣地編碼1～6）森林可燃物枯落物1、枯落物2、枯落物3、土壤腐殖質(zhì)的含水率平均值分別為171.20%、101.73%、157.69%、280.52%；喬木林地（樣地編碼7～5）森林可燃物枯落物1、枯落物2、枯落物3、土壤腐殖質(zhì)含水率平均值分別為181.00%、98.82%、170.97%、285.93%。

表2 森林可燃物含水率單變量平均數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)差Table 2 Univariate mean and standard deviation of forest fuel water content

兩種林型森林可燃物含水率的多重比較結(jié)果見圖1，可以看出不同林型森林可燃物含水率存在差異，枯落物類型之間含水率也存在差異。從圖1-A可以看出，灌木林地各類型可燃物含水率無顯著差異，其中土壤腐殖質(zhì)最高，為（280.52%±182.32%），其他3種可燃物含水率無顯著差異；由圖1-B可以看出，喬木林地含水率也是土壤腐殖質(zhì)最高，為（285.93%±162.40%），且與其他枯落物存在顯著差異。森林可燃物含水率總體上呈現(xiàn)喬木林地>灌木林地，土壤腐殖質(zhì)>枯落物1>枯落物3>枯落物2的特征。

圖1 不同林型不同類型可燃物含水率顯著性差異分析Figure 1 Analysis of significant difference of fuel water content between different forest types and different types

3.2 不同林型森林可燃物含水率與環(huán)境因子關(guān)系

3.2.1 與地形地貌因子關(guān)系 森林可燃物含水率與地形地貌因子的關(guān)系見表3。由表3可知，在灌木林地中，海拔、坡度、坡位和坡向4個(gè)環(huán)境變量對(duì)可燃物含水率的解釋量分別為57.80%、13.50%、15.50%、6.50%，第1 和第2 排序軸解釋了其與森林可燃物含水率之間關(guān)系的85.80%、92.36%。由表4得出，在喬木林地中，海拔、坡向、坡位和坡度4個(gè)環(huán)境變量對(duì)可燃物含水率的解釋量分別為50.20%、8.30%、3.40%、3.40%，前2 個(gè)排序軸解釋了森林可燃物含水率的53.39%、62.48%。

表3 灌木林地森林可燃物含水率的RDA排序結(jié)果Table 3 RDA ranking results of forest fuel moisture con?tent in shrubby land

表4 喬木林地森林可燃物含水率的RDA排序結(jié)果Table 4 RDA ranking results of forest fuel moisture con?tent in arboreal forest

兩種林型中海拔對(duì)森林可燃物含水率的解釋量均達(dá)到顯著水平（P<0.05），是影響可燃物含水率的關(guān)鍵因子。前2個(gè)排序軸中，灌木林地森林可燃物含水率對(duì)環(huán)境因子的累計(jì)解釋量高于喬木林地森林可燃物。

在灌木林地中（圖2-A），第1排序軸與海拔呈顯著正相關(guān)，第2 排序軸與坡向呈顯著正相關(guān)。根據(jù)RDA排序結(jié)果，枯落物1、枯落物2、土壤腐殖質(zhì)與坡向、海拔呈正相關(guān)，與坡度呈負(fù)相關(guān)。枯落物3與坡位正相關(guān)，與坡向負(fù)呈相關(guān)?？梢钥闯?，海拔越高、坡度越平緩，森林可燃物的含水率越高。

在喬木林地森林可燃物中，海拔、坡向?qū)Νh(huán)境變量的箭頭連線最長，第1排序軸與海拔正相關(guān)、與坡向呈負(fù)相關(guān)，第2 排序軸與坡位呈正相關(guān)（圖2-B）。由此可以得出，海拔越高，坡向越背陰，林內(nèi)濕度越大，森林可燃物絕對(duì)含水率也越高。

圖2 不同林型地表可燃物含水率與地形地貌因子的RDA排序圖Figure 2 RDA sequence diagram of fuel moisture content and topographic and geomorphological factors of different forest types

3.2.2 與植被特征因子關(guān)系 森林可燃物含水率與植被特征因子的關(guān)系見表4。由表4得出，在灌木林地中，林分密度、平均樹高、平均地徑、郁閉度和林齡5 個(gè)環(huán)境變量對(duì)可燃物含水率的解釋量分別為55.70%、16.80%、18.20%、5.00%、4.40%，第1 和第2 排序軸解釋了其與森林可燃物含水率之間關(guān)系的89.60%、97.68%。由表4-B可知，在喬木林地中，林齡、林分密度、平均樹高、郁閉度和平均胸徑5個(gè)環(huán)境變量對(duì)可燃物含水率的解釋量分別為45.50%、11.50%、5.30%、2.70%、0.40%，前2 個(gè)排序軸解釋了死可燃物絕對(duì)含水率的53.37%、63.94%。

灌木林地林分密度和喬木林地林齡對(duì)森林可燃物含水率的解釋量達(dá)到顯著水平（P<0.05），是影響可燃物含水率的關(guān)鍵因子。前2個(gè)排序軸中，灌木林地森林可燃物含水率對(duì)環(huán)境因子的累計(jì)解釋量高于喬木林型森林可燃物。

表5 灌木林地森林可燃物含水率的RDA排序結(jié)果Table 5 RDA ranking results of forest fuel moisture con?tent in shrubby land

表6 喬木林地森林可燃物含水率的RDA排序結(jié)果Table 6 RDA ranking results of forest fuel moisture con?tent in arboreal forest

在灌木林地中（圖3-A），林分密度與郁閉度的環(huán)境變量的箭頭連線最長。第1排序軸與林分密度、林齡、平均地徑呈顯著正相關(guān)，第2排序軸與平均樹高呈顯著負(fù)相關(guān)。根據(jù)RDA排序結(jié)果表明，枯落物1、枯落物2、土壤腐殖質(zhì)與林分密度、林齡、平均地徑呈正相關(guān)，與平均樹高呈負(fù)相關(guān)?？萋湮?與郁閉度正相關(guān)。林分密度越大，郁閉度越大，平均樹高越低，森林可燃物的含水率越高。

在喬木林地森林可燃物中（圖3-B），第1排序軸與林齡呈正相關(guān)，第2排序軸與郁閉度、林分密度、平均胸徑呈正相關(guān)。隨著林齡增大、平均胸徑增大，林分生長，林分冠幅增加，自然整枝現(xiàn)象明顯，地表枯死可燃物含水率越高。在植被特征因子中，林分密度和林齡是控制可燃物含水率的首要林分因子，林分密度越大，平均樹高越高，林內(nèi)陽光不充足，林內(nèi)濕度大，樹枝丫多，森林可燃物的含水率越高；隨著林齡增大、平均胸徑增大，林分生長，林分冠幅增加，森林可燃物含水率增高［9］。

圖3 不同林型地表可燃物含水率與植被特征因子的RDA排序圖Figure 3 RDA sequence diagram of fuel water content and vegetation characteristic factors for different forest types

4 討論

本研究分析了甘肅省太子山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)不同林型下森林可燃物的含水率特征。結(jié)果表明，喬木林地的可燃物含水率大于灌木林地的可燃物含水率。喬木林地的枯落物厚度、積蓄量均大于灌木林地，所以含水率高，易燃性較低，引發(fā)火災(zāi)的可能性較低，這與相關(guān)研究結(jié)果［25］基本一致。森林可燃物含水率具有土壤腐殖質(zhì)>枯落物1>枯落物3>枯落物2的特征。可燃物大小和形狀是影響燃燒和蔓延速度的重要特征，表面積體積比在研究不同大小可燃物吸收水分和失散水分時(shí)非常重要，對(duì)確定可燃物點(diǎn)燃的難易程度也很重要。粗細(xì)度越大，越容易失散水分而變干枯，含水率越低，容易以較大面積暴露于火焰中，吸收大量輻射和對(duì)流熱，容易被引燃。田祖為等［26］研究結(jié)果與本研究一致。

應(yīng)用RDA 排序方法分析了甘肅省太子山自然保護(hù)區(qū)不同林型森林可燃物含水率與地形地貌、植被特征因子的關(guān)系，結(jié)果表明：影響該地區(qū)森林可燃物含水率的因子較多，其中海拔、坡度、坡向等地形地貌因子和林分密度、林齡、平均胸徑（地徑）等植被特征因子是森林可燃物含水率的首要控制因子，共同作用決定了該地區(qū)的森林可燃物含水率的高低。海拔是影響森林可燃物含水率最主要的因子，森林可燃物含水率與海拔呈顯著正相關(guān)，海拔越高降水量越大，溫度相對(duì)較低，蒸發(fā)量減少，空氣濕度變大，不易發(fā)生林火［27］，這與羅永忠［28］研究結(jié)果一致。

本研究表明，林分密度和林齡是控制森林可燃物含水率的首要林分因子，林分密度越大，平均樹高越低，林內(nèi)陽光不充足，林內(nèi)濕度大，樹枝丫多，森林可燃物的含水率高；隨著林齡增大、平均胸徑增大，林分生長，林分冠幅增加，自然整枝現(xiàn)象明顯，森林可燃物含水率增高［8，23］。

本研究只對(duì)甘肅太子山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的一個(gè)防火期進(jìn)行了研究，且外業(yè)采集樣品有限，研究數(shù)據(jù)較少，灌木樣地枯落物3僅有一組數(shù)據(jù)。森林可燃物含水率是諸多環(huán)境因子共同作用的結(jié)果，除了地形地貌、植被特征中的9個(gè)因子對(duì)可燃物含水率的影響外，影響森林可燃物含水率的因素還有很多，如土壤因子、氣象因子等；本研究選擇的林型少，今后需要對(duì)更多的樹種和灌木，乃至草本植物進(jìn)行全面、系統(tǒng)的研究，為甘肅省太子山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)森林可燃物的管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為森林火險(xiǎn)監(jiān)測(cè)與火行為模擬研究提供更可靠的理論依據(jù)。

5 結(jié)論

本研究以甘肅省太子山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)不同林型森林可燃物作為研究對(duì)象，研究結(jié)果表明喬木林地和灌木林地森林可燃物含水率分別為184.48%、177.76%，喬木林地大于灌木林地；枯落物類型不同含水率也存在差異，灌木林各類型森林可燃物含水率無顯著差異，喬木林中土壤腐殖質(zhì)含水率最高（285.93%±162.40%），與其他枯落物存在顯著差異；RDA排序揭示了該地區(qū)森林死可燃物含水率與海拔、坡度、坡向、坡位、郁閉度、林分密度、平均樹高、平均胸徑（平均地徑）、林齡9個(gè)環(huán)境因子的關(guān)系，不同林型森林可燃物含水率關(guān)鍵影響因子不同，其中海拔、郁閉度、林齡是影響森林可燃物含水率的主要因子。