王健宇，邵加云，李星亮，張思玉，閆德民

（1.南京森林警察學院 森林消防學院/火燒跡地植被恢復與管理重點實驗室，江蘇 南京 210023；2.安徽省馬鞍山市和縣國有雞籠山林場，安徽 和縣 238200）

森林火災，特別是近年來重大森林火災的頻繁出現(xiàn)，與森林地表凋落物載荷量積累有密切的關(guān)系。凋落物作為地表可燃物的重要組分，其載荷量具有空間分布的復雜性和隨時間變化的特點[1，2]。地表凋落物相比于植物活體組分更容易燃燒，由于凋落物類型、載荷量、含水率、熱值、灰分含量及堆積緊實程度等方面的差異，導致林火發(fā)生概率及火行為不同。天然林保護工程實施以來，重要林區(qū)地表凋落物載荷量呈逐年增長的趨勢，成為誘發(fā)森林火災的主導因素。地表凋落物載荷量是決定地表可燃物潛在能量的重要指標，潛在能量則是指森林可燃物在理想狀態(tài)下充分燃燒所釋放出的能量。地表凋落物潛在能量主要受到凋落物類型、載量、熱值及含水率的影響[3]。目前針對潛在能量研究主要有黑龍江大興安嶺森林地表草本植物、長白山森林主要地表植物細根、云南地盤松地表凋落物潛在能量等相關(guān)研究案例[4-6]。

楓香（Liquidambar formosana Hance.）屬金縷梅科楓香亞科楓香屬，是優(yōu)良的造林綠化樹種，具有較好的生態(tài)效益和社會效益，其存在價值和經(jīng)濟價值相對較高，在生產(chǎn)和科研上備受重視。楓香植株根系較深，維護地力作用較明顯，是人工林樹種結(jié)構(gòu)調(diào)整的首選樹種之一[7]。楓香是落葉喬木，秋季會產(chǎn)生大量的凋落物。由于長期人類活動的干擾，我國楓香林幾乎被砍伐殆盡。南京市及周邊有紫金山、棲霞山、滁州等地古寺廟周邊有殘存成片老齡楓香林。老齡林地表可燃物積累數(shù)量較大，具有一定誘發(fā)森林火災的風險，以楓香林為例研究老齡林地表凋落物載量和燃燒特性對于老齡林保護具有現(xiàn)實意義[8]。

1 研究區(qū)概況

棲霞山位于江蘇省南京市棲霞區(qū)，東經(jīng)118°14′～118°22′、北緯32°09′～32°10′，最高海拔286 m，面積825.40 hm2。山體結(jié)構(gòu)主要由石灰?guī)r、砂巖等組成，土壤以黃棕壤為主。棲霞山屬于亞熱帶季風氣候，四季分明，日照充足，雨量充沛，年平均降水量1000 mm，集中在夏季，冬季干燥少雨，年平均日照1628.8 h，平均氣溫15.3 ℃，無霜期322 d。該區(qū)域?qū)儆诒眮啛釒蚺瘻貛н^渡區(qū)，林區(qū)植物以落葉闊葉林為主，植被覆蓋率達90%以上。楓香林自20 世紀30年代以來一直是該區(qū)域相對穩(wěn)定的森林類型，是棲霞山森林群落中的優(yōu)勢樹種，目前保留有多處成片的老齡楓香林；其他典型植被有栓皮櫟、糯米椴等。棲霞山植被類型豐富，野生維管植物有500余種[9]。

2 研究方法

2.1 樣地設置

實驗樣地選擇在桃花湖東側(cè)的老齡楓香林內(nèi)，林分郁閉度為0.95，楓香平均胸徑（DBH）為40～60 cm，通過生長錐鉆取樹芯測定林齡均在60年以上。2017年11月，對該區(qū)域老齡林進行踏查，選取不同坡向、林分密度和胸徑較為一致的楓香林。分別設置3個10 m×10 m樣方，并在每個樣方內(nèi)沿對角線設置1 m×1 m 的小樣方3 塊用于凋落物的取樣。在樣地內(nèi)對楓香進行株數(shù)查定和每木檢尺，同時測定樣地海拔、坡向、坡度等地形因子。

2.2 凋落物分層取樣

地表凋落物采集利用自上而下分層取樣方法，將樣地內(nèi)凋落物分為上、中、下3 層。上層為枯枝條（直徑≥1 cm），中層為較完整的落葉及細枝條（直徑＜1 cm），下層為破碎葉和腐爛細小枝條等。采集后用便攜式電子秤稱取鮮重后裝入封口袋內(nèi)備用。同時對樣方相鄰外側(cè)挖取可燃物剖面進行分層厚度測定并記錄。

2.3 可燃物載荷量及燃燒參數(shù)測定

將采集樣品用電子天平稱量鮮重后放入電熱恒溫鼓風干燥箱，溫度80℃烘干至恒重，稱量絕干質(zhì)量，計算不同層次樣品的絕對含水率（%）。利用樣方不同層次可燃物鮮重質(zhì)量和絕干含水率估算地表凋落物總的載荷量（kg/m2）。將所有烘干樣品取出一部分運用粉碎機粉碎過篩裝袋備用。利用ZDHW-8全自動量熱儀對粉碎后的凋落物樣品進行熱值測定，熱值單位取kJ·kg-1，每個樣品測定3次取均值。地表凋落物潛在能量用單位面積熱量來表征，即單位面積可燃物在絕干狀態(tài)下完全燃燒所釋放出的熱量，也就是用可燃物絕干載荷量與其熱值的乘積作為指標來評估地表凋落物的潛在燃燒性。

2.4 數(shù)據(jù)分析處理

用Excel 2000對數(shù)據(jù)進行分析處理并作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 楓香林凋落物特征

棲霞山桃花湖東側(cè)老齡楓香林連續(xù)成片分布，林下灌木有雞爪槭、山胡椒、枸骨等，草本有毛蕨、天葵、沿階草、絡石、山麥冬等。凋落物厚度平均為6.8±3.5 cm，中層為當年掉落楓香落葉和細枝，厚度為4.5±2.6 cm，下層為往年落葉和細枝條厚度為2.3±1.8 cm。老齡楓香林地較為偏僻，植被保存較為完好，受到人為干擾較少。

3.2 凋落物含水率

凋落物含水率是森林火險等級劃分、林火預報的重要指標，也是評價森林火災發(fā)生危險程度的關(guān)鍵指標。測試結(jié)果表明，老齡楓香林地表凋落物含水率由上往下逐漸增加（圖1）。凋落物上層位于地表，與空氣直接接觸的面積大，受空氣流動產(chǎn)生的汽化作用明顯；凋落物下層相對含水率較大是由于和地下水交換的結(jié)果，加上上層阻礙，阻擋了與外界的水汽交換。相同層次陰坡凋落物含水率均高于陽坡，陰坡的上層、中層和下層含水率分別比陽坡高出32.8%、31.8%和27.8%（圖1）。這一結(jié)果是由于陽坡溫度較高、相對濕度較小，凋落物水分蒸發(fā)作用明顯。結(jié)合李胤德等2015 的研究結(jié)果，森林可燃物含水率與森林火險的關(guān)系可分出5個類型[10]，本研究中取樣時段老齡林楓香林中凋落物除上層枝條含水率低于20%外，中層和下層的相對含水率均大于20%，應處于難燃和幾乎不燃的狀態(tài)。

圖1 不同層次地表凋落物含水率

3.3 凋落物的載量

可燃物載荷量指單位面積上可燃物絕干質(zhì)量，是預測一個地區(qū)火災危險性的重要參數(shù)。老齡楓香林陽坡地表凋落物平均高出陰坡24.4%，不同層次載荷量相比較，中層＞下層＞上層，陽坡凋落物載荷量分別為0.681 kg·m-2、0.357 kg·m-2和0.218 kg·m-2，陰坡分別為0.520 kg·m-2、0.243 kg·m-2和0.186 kg·m-2。下層凋落物載荷低是因為土壤微生物對葉片和細枝的分解作用。一般認為地表凋落物載荷量低于0.25 kg·m-2時，即使被點燃也不易維持火的蔓延。棲霞山老齡楓香林凋落物載荷高于此值，具有一定的火災風險。凋落物載量大小決定著森林火災發(fā)生的火強度和持續(xù)時間，基于凋落物載荷研究對預防森林火災和科學管理森林地表凋落物具有重要意義[11,12]。

3.4 地表凋落物熱值

熱值是指植物干物質(zhì)完全燃燒后釋放的能量值。植物熱值由于植物種類、植物器官、群落類型及層次、林齡等因素不同而存在一定差異，導致火災發(fā)生時蔓延速度及火強度不同。老齡楓香林相同層次陽坡和陰坡凋落物熱值差異不明顯，不同層次之間熱值比較見圖2。本研究中老齡楓香林地表凋落物熱值均值為17 728 kJ·kg-1，同我國不同氣候區(qū)植物干葉片的熱值比較來看屬于較低值[13]（圖3）。

3.5 凋落物潛在燃燒性

圖2 不同層次地表凋落物熱值

圖3 我國不同氣候區(qū)常見樹種葉片熱值分布

在森林燃燒過程中，熱量主要通過輻射的方式傳遞給周邊可燃物。熱值直接影響可燃物著火溫度、蔓延速度和火強度。我們利用單位面積熱量作為評價地表凋落物潛在燃燒性的關(guān)鍵指標。從老齡楓香林不同層次地表凋落物潛在能量來看：陽坡高于陰坡，陽坡凋落物單位面積總潛在能量比陰坡高出32.7%。其中，陽坡上層、中層和下層分別比陰坡高出16.4%、32.4%和46.8%（圖4）。這與陽坡植被光合作用強、有機質(zhì)積累效率高和地表凋落物載量較高有關(guān)。森林地表火在蔓延過程中，枯枝由于含水率低且熱值高最容易先燒完，逐步引燃凋落物中層和下層，使地表火持續(xù)向縱深蔓延。地表凋落物潛在熱值高會致使地表火駐留時間較長，對土壤生物群落及植被根系造成較大影響。

圖4 不同層次地表凋落物潛在能量

4 討論與結(jié)論

現(xiàn)場測試表明，棲霞山老齡楓香林地表凋落物陽坡和陰坡載荷量分別達到了1.256 kg·m-2和0.949 kg·m-2，遠高于臨界值0.25 kg·m-2，表明可燃物處于比較高的載荷量。盡管不同層次凋落物熱值略低于國內(nèi)不同氣候區(qū)常見樹種葉片，但地表凋落物擁有相對較高的潛在能量。特別是陽坡，枯枝和葉片都是較易燃的物質(zhì)，干燥時極易著火。一旦著火會燃燒釋放出大量潛在能量，具有引發(fā)森林火災的潛在可能。

對于老齡林的防火，特別是類似楓香林這種具有較高價值植被的防火，關(guān)鍵要注意減少地表凋落物載荷量，降低其潛在能量。建議采取定期清理地表凋落物或者進行計劃燒除，以有效減少森林地表可燃物的積累。