田曉瑞,劉 斌,舒立福,王明玉,趙鳳君

(中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所,國家林業(yè)局森林保護學重點實驗室,北京 100091)

冰雪災害對川南森林可燃物的影響

田曉瑞,劉 斌,舒立福,王明玉,趙鳳君

(中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所,國家林業(yè)局森林保護學重點實驗室,北京 100091)

冰雪災害是影響森林的一個重要氣象干擾因素,并會引起生態(tài)系統(tǒng)中其他次生干擾。研究冰雪災害對森林可燃物的影響,提出可行的災后可燃物管理技術將為今后應對類似的極端氣候事件提供科學依據(jù)。基于對川南典型森林雪災后受損情況調(diào)查,定量分析雪災對各類可燃物的影響。按不同森林類型和受災強度測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,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%。雪災引起的主要是較大徑級可燃物載量顯著增加,徑級≥7.0cm的可燃物占可燃物增量的48%～100%。災后闊葉林地表徑級可燃物載量達1.75 kg/m2,其他林分為0.18kg/m2～0.55 kg/m2。雪災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。受災嚴重的林分郁閉度下降,也會引起林下草本增加,有利于火災的發(fā)生與發(fā)展。建議對受災林分的地表可燃物清理以人工或機械清理為主。

冰凍災害;森林可燃物;火環(huán)境

0 引言

生態(tài)干擾可能對森林生態(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、強度和空間尺度。重要的生態(tài)干擾包括火燒、病蟲害、風倒、冰雪災害[2,3]。盡管這些干擾事件是隨機的,但不一定是相互獨立的。例如,風倒或病蟲害等干擾導致地表可燃物載量增加而引起火災發(fā)生概率增大[4]。冰雪災害是自然干擾的重要形式,并會引起生態(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)流異常導致我國南方大范圍持續(xù)低溫雨雪冰凍災害,其主要特征為災害范圍廣、災害強度大、連續(xù)低溫時間長、雨雪持續(xù)時間長、冰凍日數(shù)多和災害損失嚴重[5,6]。冰雪災害影響了森林可燃物的結(jié)構(gòu)和組成,災后湖南省火災次數(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火發(fā)生正常影響的范圍[7]。冰雪災害造成森林內(nèi)大面積灌木和草類凍枯凍死,森林中有效可燃物負荷量在短期內(nèi)成倍地增長,連續(xù)性變強[8],森林火災撲救極為困難[9]。

冰雪災害對森林的影響主要取決于冰的載荷、災害的持續(xù)時間、立地條件及樹木的特性[10]。當森林遭遇冰雪災害后,凋落物會大量增加,發(fā)生森林火災的概率也大大增加。密西西比林業(yè)委員會[11]估計冰雪災害導致可燃物載量增加3～6倍。1998年1月紐約東北部的冰雪災害使松樹木質(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)冰雪災害后老齡硬木林受害后有19.9噸/公頃(風干重)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量的10倍～20倍。馬澤清等[14]分析了2008年初低溫雨雪冰凍災害對我國南方森林生態(tài)系統(tǒng)的影響,認為持續(xù)低溫、陰雨潮濕等氣象條件是導致濕地松林受損的直接原因,強降水和大風,加劇了災害程度。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害導致的可燃物增加與火災發(fā)生和火行為的關系[8,16,17],但還沒有定量分析冰雪災害對可燃物載量及其空間分布的影響。因此,本文基于對川南典型森林受損情況的詳細調(diào)查,分析冰雪災害對森林可燃物的影響,定量分析各類可燃物的空間分布變化,為今后研究應對類似的極端氣候事件和森林可持續(xù)經(jīng)營管理提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設在四川省古藺縣,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,地勢西高東低,南陡北緩。氣候?qū)賮啛釒駶櫄夂騾^(qū),氣溫較高,日照充足,雨量充沛,四季分明,季風氣候明顯,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?；痣U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 標準地調(diào)查

在2008年9月按不同森林類型和受災強度分別設置標準地,調(diào)查可燃物狀況和林分受災狀況,測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標準地,下木層調(diào)查采用2m×2m樣方,草本層采用樣方1m×1m,分別設置3個重復。

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個類型;按照樹冠受損程度分為6個類型,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],按不同徑級調(diào)查可燃物載量,共分6個徑級0.0cm～0.49cm、0.5cm～0.99cm、1.0cm～2.99cm、3.0cm～4.99cm、5.0cm～6.99cm和≥7.0cm。在標準地內(nèi)采用30m等邊三角形樣線調(diào)查,分別測定不同徑級可燃物數(shù)量,并沿每個樣線均勻測定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)稱重法測定,每個試驗地5個重復。對地表凋落物、腐殖質(zhì)層(0cm～6cm)、不同徑級的地表枯枝等可燃物進行取樣,每份樣品6個重復,帶回實驗室內(nèi)烘干,測定可燃物的含水率。

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

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。標準地基本概況見表1,其中標準地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(標準地2和5林地已經(jīng)進行了災后清理,文中不再進行分析)。森林受害程度與樹種、林齡、海拔、地形等因素有關。如標準地7杉木人工林林齡大、海拔低受害較輕,其他兩個標準地受災較重,大量樹干折斷。柳杉、杉木等針葉樹樹枝韌度低,受害相對嚴重,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 標準地概況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后易燃可燃物的變化。災后調(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,這與受災程度密切相關。受害較輕的杉木林(樣地8)地表徑級可燃物載量為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(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后增加的5.0cm～6.99cm可燃物占所有增量的33%～52%,徑級≥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 因雪災增加的徑級可燃物載量Fig.3 Ice storm damage results in fuel increments

由于雪災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。受災嚴重的林分郁閉度下降,特別是受害嚴重的針葉林樹冠損失達45%(樣地3和7),林下光照增加,林下濕度也比未受災林分低,草本明顯增加,有利于火災的發(fā)生與發(fā)展。如受災明顯的杉木林(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。受災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。因雪災引起的地表可燃物載量增加主要是較大徑級可燃物載量顯著增加,特別是徑級≥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。受災嚴重的林分郁閉度下降,也會引起林下草本增加,有利于火災的發(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的發(fā)生和火線強度的提高?；鹁€強度超過1700kW/m就很難撲救[20]。加拿大魁北克省老齡硬木林在1998年冰雪災害后地表木質(zhì)可燃物載量增加19 t/ha[3]。川南受災嚴重的森林地表木質(zhì)可燃物載量增加達10.2t/ha,部分闊葉林地表木質(zhì)可燃物載量達到17.5 t/ha,這將對火行為產(chǎn)生顯著影響。災害對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響很大程度上取決于經(jīng)營者對災后可燃物的處理措施[21,22]。為了避免森林火災的發(fā)生,部分受災林分的地表可燃物需要得到清理。鑒于可燃物載量高,計劃火燒強度難以控制,人工或機械清理是最適當?shù)墓芾矸绞健?/p>

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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

國家科技支撐計劃項目(2007BAC03A02)資助。

田曉瑞(1971-),男,中國林業(yè)科學研究院副研究員,研究方向為林火管理。