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地表可燃物负荷量直接影响火灾发生的潜在风险强度以及引发由地表火向树冠火蔓延的难易程度[1],因此,深入研究地表可燃物负荷量及其影响因子,可为森林可燃物管理,降低森林火险等级提供科学依据。国外最早开始可燃物负荷量的研究,仅对单一类型的森林可燃物负荷量进行粗放式的探索[2-3]。20世纪60年代以后,美国的研究人员开始利用林分因子建立数学模型进行可燃物负荷量的估测。如Wendel[4]发现通过胸径可以估算出树冠可燃物的载量;Brender[5]等认为通过胸高断面积可以估算火炬松(Pinus taeda Linn.)人工林地被可燃物载量;Ryu等[6]提出通过计划火烧减少可燃物负荷量从而降低火灾风险。国内关于可燃物负荷量研究开始于20世纪末,其研究对象主要集中在东北林区的兴安落叶松林(Larix gmelinii (Rupr.) Kuzen.)、白桦林(Betula platyphylla Suk.)、红松林(Pinus koraiensis Siebold et Zuccarini),天山云杉林(Picea asperata Mast.),滇东北地区的云南松(Pinus yunnanensis Franch.)以及北京等各大林场等。邸学颖等[7]和周涧清等[8]相继建立大兴安岭兴安落叶松林(Larix gmelinii (Rupr.) Kuzen.)的可燃物负荷量模型,并分析与林分因子的关系;梁瀛等[9]应用相关分析分析了天山中部云杉林地表可燃物负荷量与地形林分因子的相关关系;徐伟恒等[10]对滇东北地区的华山松(Pinus armandii Franch.)和云南松的地表凋落物的负荷量和火强度进行对比研究;艾也博等[11]应用相关分析和逐步回归分析来分析北京松山自然保护区油松林(Pinus tabulaeformis Carr.)地表可燃物负荷量与地形、林分和地被物因子的关系。虽然国内对地表可燃物负荷量进行了多方面研究,但目前有关不同演替阶段林分对地表可燃物负荷量的研究相对较少,而且先前研究结果观点不一,其中李成杰[12]对宽甸地区主要林型地表可燃物负荷量进行初步研究,发现地表可燃物负荷量与演替阶段呈负相关;周绪佳等[13]对南京市老山国家森林公园和丁山的马尾松林(Pinus massoniana Lamb.)地表可燃物负荷量进行研究,发现马尾松林演替阶段与各类地表可燃物载量均呈正相关;而周涧清等[8]和赵雪崴等[14]则认为地表可燃物负荷量与演替阶段关系不大,可见,林分演替阶段与地表可燃物负荷量的研究还需进一步深入。
武夷山国家公园体制试点区是中国唯一一个既是世界人与生物圈保护区,又是世界文化与自然双遗产的保护地。根据《武夷山国家公园总体规划》,该区林地面积956.35 km2,占该公园土地总面积的95.5%。其中,28.6%的林地优势树种为马尾松。该区历史上尚未发生重大森林火灾,其林下积累了大量地表可燃物,再加上林地优势树种马尾松林的枝叶、树干含有大量挥发性的松脂,抗火性能差[15],这些都无疑加大了该地发生森林火灾的风险。鉴于此,本研究选择武夷山国家公园不同演替阶段的马尾松林为研究对象,分析马尾松林不同演替阶段负荷量的变化特征,并采用冗余分析和逐步线性回归分析来探讨马尾松林地表可燃物负荷量与环境因子的关系,确定影响地表可燃物负荷量的关键因子,以期为科学管理武夷山国家公园地表可燃物,降低森林火险强度提供科学依据。
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在武夷山国家公园东部的武夷山风景名胜区内进行样地调查,该区内马尾松次生林分布面积广,不同年龄组马尾松林占马尾松林总面积比例如下:幼龄林(树龄1~20 a)约占10%、中龄林(树龄21~40 a)约占21%、近成熟林(树龄41~50 a)约占28%、成熟林(树龄在51~70 a)和过熟林(树龄 ≥ 71 a)约占41%(由于过熟林在研究区面积极小,本次调查不对过熟林进行调查)[17]。通过空间替代时间方法(即在立地条件一致或相近的条件下,在一定的空间尺度内,以不同地点选取的不同林龄的马尾松林来代替同一生长地点上生长的不同林龄的马尾松林地),进一步探究马尾松不同演替阶段森林地表可燃物负荷量特征差异。本研究沿用课题组前期不同龄级马尾松林的划分方法,将马尾松林细分为马尾松幼龄林(Ⅰ)、马尾松中龄林(Ⅱ)、马尾松近成熟林(Ⅲ)和马尾松成熟林(Ⅳ)4个演替阶段。
于冬季防火期,持续7 d晴天后进行野外采样,采样期间天气晴朗。分别在不同演替阶段马尾松林里设置2~4块20 m × 20 m的标准样地。在每一块标准样地的一条对角线上的7、14和21 m处分别设置1 m × 1 m小样方3块,在另一条对角线上的7 m、21 m处设置同样的小样方各1块,每个标准样地共设置5块小样方。在各小样方内,分别对地表活可燃物(灌木,草本)和死可燃物(1 h时滞,10 h时滞)的负荷量进行调查。具体方法如下:地表活可燃物采取刈割法进行收集,收割各小样方的灌木和草本,分别装入标记好的自封袋并称其鲜质量;地表死可燃物采用收获法进行收集,在各小样方内用纸袋按1 h时滞(d ≤ 0.64 cm)和10 h时滞(0.64 cm < d ≤ 2.54 cm)的划分标准[18]对枯枝分别采集并称其鲜质量(实际调查中,由于100 h时滞(2.54 cm < d ≤ 7.62 cm)和1000 h时滞(d > 7.62 cm)的可燃物在研究区样地中数量极少,故本研究不对其进行分析)。同时,选择一天中气温最高的时间段,使用数显温湿度计(TY-9700)和数字照度计(TES-1332A)测定小样方上方约1.5 m处的空气温度、湿度及其光照强度(每天14:00前后半小时,每隔10 min测定1次,连续观测5 d);用土壤水分温度测量仪(TZS-IIW)测定土壤表层0~10 cm处的土壤温度和湿度。此外,对样地木本植物进行每木检尺(起测直径 ≥ 2.5 cm),记录树种组成、胸径、树高、枝下高和郁闭度等林分因子,并记录样地的海拔、坡度、坡向等地形因子(样地基本概况见表1)。
演替阶段
Succession stage海拔
Elevation/m坡度
Slope/(°)坡向
Aspect坡位
Slope position平均胸径
Average DBH/cm平均树高
Average height/m平均枝下高
Average branch-free
bole height/m郁闭度
Canopy coverⅠ 190 35 4 3 6.48 7.3 5.1 0.9 Ⅰ 200 22 6 3 6.27 5.7 4.1 0.9 Ⅰ 185 12 8 3 5.79 6.2 3.2 0.8 Ⅱ 210 28 7 3 13.8 11.0 7.6 0.4 Ⅱ 190 20 2 2 21.25 15.0 6.6 0.3 Ⅲ 200 41 7 2 19.11 18.9 14.2 0.8 Ⅲ 210 41 3 1 11.24 11.6 8.6 0.5 Ⅲ 212 40 3 1 10.11 9.4 6.6 0.5 Ⅳ 280 37 6 3 23.53 20.3 16.0 0.4 Ⅳ 250 37 6 2 28.75 25.1 20.0 0.6 Ⅳ 260 22 3 2 20.15 16.9 13.9 0.6 Ⅳ 340 22 3 2 24.88 23.1 18.3 0.7 注:Ⅰ: 马尾松幼龄林;Ⅱ: 马尾松中龄林;Ⅲ:马尾松近成熟林;Ⅳ:马尾松成熟林. 坡向是以朝东为起点(0°)顺时针旋转的角度表示。坡向1:北坡(247.5°~292.5°);2:东北坡(292.5°~337.5°);3:西北坡(202.5°~247.5°);4:东坡(337.5°~22.5°);5:西坡(167.5°~202.5°),6:东南坡(22.5°~67.5°);7:西南坡(112.5°~167.5°),8:南坡(67.5°~112.5°)。坡位数据1:上坡位;2:中坡位;3:下坡位。
Notes:Ⅰ: Young Pinus massoniana forest; Ⅱ: Middle aged P. massoniana forest;Ⅲ:Near-mature P. massoniana forest; Ⅳ:Mature P. massoniana forest. The aspect is based on the east as starting point 0°, and expressed by clockwise rotation angle. Aspect 1: North slope(247.5°~292.5°); 2: Northeast slope(292.5°~337.5°); 3: Northwest slope(202.5°~247.5°); 4: East slope(337.5°~22.5°); 5: West slope(167.5°~202.5°); 6: Southeastern slope(22.5°~67.5°); 7: Southwest slope(112.5°~167.5°); 8: South slope(67.5°~112.5°). Slope position data 1: top of slope; 2: middle of slope; 3: bottom of slope.Table 1. Basic features of Pinus massoniana stands in different succession stages
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将野外采集的样品放入80℃的烘箱内连续烘干至恒质量,称量可燃物样品的绝干质量。
可燃物负荷量是指单位面积上的绝干质量[19],计算公式为:
式中:WF为可燃物的负荷量;WS为样方内可燃物的绝干质量(kg);S为样方面积(m2)。
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采用Excel2010、Canoco4.5和SPSS25.0软件进行数据处理和分析的。其中,马尾松不同演替阶段地表可燃物负荷量特征采用SPSS25.0软件的单因素方差和LSD多重比较法进行分析;地表可燃物负荷量与影响因子的关系分别采用Canoco4.5软件进行多元统计分析和SPSS25.0软件进行逐步线性回归分析并制图。
为确定Canoco4.5中采用的多元统计方法首先对地表可燃物负荷量进行去趋势化分析(DCA),Lengths of gradient 的前4个轴中最大的值为0.632 < 3,故采用冗余分析方法(RDA)分析可燃物负荷量与环境因子的关系(此处去趋势化分析后,再选择冗余分析的方法是因为采用此方法在降维之后,其数据信息损失较少,数据发生的畸变最小)。
2.1. 野外调查与采样
2.2. 地表可燃物负荷量的测定与计算
2.3. 数据处理
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不同演替阶段地表可燃物的负荷量不同。随着马尾松林的演替,活可燃物(灌木,草本)负荷量逐渐减少;死可燃物(1 h时滞,10 h时滞)负荷量逐渐增多(见图1)。具体表现为演替初期形成的幼龄林与演替后期的成熟林差异明显,到了演替后期活地表可燃物下降了47.21%,死地表可燃物增加了113%。
Figure 1. Characteristics of surface fuel load in different succession stages of Pinus massoniana forest
在灌木中,马尾松中龄林与近成熟林二者之间无显著差异,而二者与幼龄林、成熟林之间存在显著差异(图1a)。在草本中,马尾松幼龄林与中龄林、近成熟林和成熟林之间存在显著差异,而其余三者差异不显著(图1b)。在1 h时滞中,幼龄林与中龄林之间无显著差异,近成熟林与成熟林之间无显著差异(图1c)。在10 h时滞中,马尾松成熟林负荷量最高,且与幼龄林、中龄林和近成熟林之间均存在显著差异,而其余三者之间差异不显著(图1d)。
活可燃物(灌木、草本)负荷量所占的比例总体比死可燃物(1 h时滞,10 h时滞)的负荷量少(图2a)。其中,1 h时滞的地表可燃物负荷量明显高于其他类型可燃物负荷量;灌木的可燃物负荷量明显低于其他类型可燃物负荷量。随着马尾松林的演替,总可燃物负荷量逐渐增多(图2b),其中,幼龄林与近成熟林和成熟林之间存在显著差异,中龄林与幼龄林和近成熟林之间无差异,近成熟林与成熟林之间无差异。
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分别以地形因子、林分因子、气象和土壤因子为解释变量(虚线),以不同类型的地表可燃物负荷量为响应变量(实线),通过线性约束性RDA排序,分析地表可燃物负荷量与环境因子的响应关系。对地形因子、林分因子、气象和土壤因子进行解释变量的前向选择,剔除不显著的环境因子,筛选显著的环境因子作为解释变量(p < 0.05)。地形因子选择坡位,海拔这2个因子作为解释变量,累计解释量为40%,其中坡位的影响最大,其次是海拔;林分因子选择平均枝下高,平均胸径,郁闭度3个因子作为解释变量,累计解释量为46%,其中平均枝下高的影响最大,其次是平均胸径和郁闭度;气象和土壤因子选择空气温度作为解释变量,累计解释量为20%(表2)。
因子
Factors环境因子
Environmental factor显著性
SignificanceF 解释量
Explained variation/%地形因子 Topographical factors 坡位 Slope position 0.002 10.96 24 海拔 Elevation 0.004 7.72 16 坡向 Aspect 0.050 4.19 6 坡度 Slope 0.884 0.15 1 林分因子 Stand factors 平均枝下高 Average branch-free bole height 0.002 11.74 26 平均胸径 Average DBH 0.014 5.90 11 郁闭度 Canopy cover 0.012 5.00 9 平均树高Average height 0.202 1.63 2 气象和土壤因子 Meteorologicaland soil factors 空气温度 Air temperature 0.004 7.55 20 土壤温度 Soil temperature 0.051 2.83 5 土壤湿度 Soil humidity 0.294 1.17 3 空气湿度 Air humidity 0.282 1.23 2 光照 Illumination 0.805 0.21 1 注:加粗字体表示地表可燃物负荷量与其环境因子存在显著差异(p < 0.05)
Notes: Bold font indicates that there is significant difference between surface fuel load and environmental factors(p < 0.05).Table 2. Result of environmental variables from the forward selection of RDA analysis
在地表可燃物负荷量与地形因子关系中,坡位与地表活可燃物负荷量(灌木,草本)呈正相关,与地表死可燃物负荷量(1 h时滞,10 h时滞)和总可燃物负荷量呈负相关;海拔与地表死可燃物负荷量(1 h时滞,10 h时滞)和总可燃物负荷量呈正相关,与地表活可燃物负荷量(灌木,草本)呈负相关(图3a)。在地表可燃物负荷量与林分因子关系中,平均枝下高和平均胸径均与地表死可燃物(1 h时滞,10 h时滞)和总可燃物负荷量呈正相关,与地表活可燃物(灌木,草本)呈负相关;郁闭度与地表活可燃物负荷量(灌木,草本)呈正相关,与地表死可燃物负荷量(1 h时滞,10 h时滞)和总可燃物负荷量呈负相关(图3b)。在地表可燃物负荷量与气象因子的关系中,空气温度与地表活可燃物负荷量呈正相关,与地表死可燃物和总可燃物负荷量呈负相关(图3c)。
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为进一步分析综合环境因子分别对各类型地表可燃物负荷量的影响,本研究采用线性回归方程方法剔除不显著的环境因子,选择对各类型地表可燃物负荷量影响最显著的环境因子来建立线性回归模型。不同类型的地表可燃物,其影响因子各不相同(表3)。具体表现为灌木负荷量与平均胸径呈显著负相关;草本的负荷量与坡位呈显著正相关,与光照呈显著负相关;1 h时滞负荷量与坡位和郁闭度呈显著负相关,与海拔和坡向呈显著正相关;10 h时滞负荷量与平均枝下高呈显著正相关;总可燃物负荷量与平均枝下高呈显著正相关,与坡位呈显著负相关。在草本负荷量中,坡位的标准化回归系数绝对值(0.707)大于光照的标准化回归系数绝对值(0.451),表明影响草本负荷量的环境因子主要是坡位因子,其次是光照;影响1 h时滞负荷量的主要影响因子是坡位,其次是坡向 > 海拔 > 郁闭度;在总可燃物负荷量中,平均枝下高的标准化回归系数的绝对值(0.451)大于坡位的标准化回归系数的绝对值(0.382),表明影响总可燃物负荷量的环境因子主要是平均枝下高,其次是坡位。因此平均胸径对灌木负荷量影响最大,坡位对草本、1 h时滞负荷量影响最大,平均枝下高对10 h时滞和总可燃物负荷量影响最大。
地表可燃物
负荷量类型
Surface fuel
load category回归方程
Regression equation标准化回归系数
Standardized regression coefficientR2 F P 灌木 Shrub Y1 = 30.413−0.788X1 BX1 = −0.708 0.501** 34.088 < 0.001 草本 Herb Y2 = 17.946 + 10.701X2−0.11X3 BX2 = 0.707 BX3 = −0.451 0.474** 14.878 < 0.001 1 h时滞 Y3 = 158.882−60.91X2 + 0.585X4 + 14.930X5−1.005X6 BX2 = −0.747 BX4 = 0.444 BX5 = 0.495 BX6 = −0.341 0.711** 19.055 < 0.001 10 h时滞 Y4 = 21.16 + 3.264X7 BX7 = 0.457 0.209** 8.974 0.005 总可燃物负荷量 Total Y5 = 295.636 + 5.624X7−36.757X2 BX7 = 0.451 BX2 = −0.382 0.422** 12.047 < 0.001 注:X1:平均胸径;X2:坡位;X3:光照;X4:海拔;X5:坡向;X6:郁闭度;X7:平均枝下高。
Notes:X1: Average DBH; X2: Slope position; X3: Illumination; X4: Elevation; X5: Aspect; X6: Canopy cover; X7: Average branch-free bole heightTable 3. Stepwise linear regression analysis of fuel load and environmental factors in Pinus massoniana