甘肃太子山不同林型森林可燃物含水率与环境因子的关系

Characteristics of forest fuel water content in different forest types and its relationship with environmental factors in Taizi Mountain，Gansu Province

摘要

目的 对甘肃省太子山国家级自然保护区不同林型下森林可燃物含水率进行系统研究，以期为该保护区森林可燃物的管理提供基础数据，同时为森林火险监测与火行为模拟研究提供参考。 方法 以研究区不同林型森林可燃物作为研究对象，对比分析森林可燃物含水率特征，并利用RDA排序法对其与环境因子的关系进行分析。 结果 乔木林地和灌木林地森林可燃物含水率分别为184.48%、177.76%，乔木林地森林可燃物含水率大于灌木林地；枯落物类型不同含水率也存在差异，其中灌木林地森林可燃物含水率无显著差异，乔木林地森林可燃物土壤腐殖质含水率最高（285.93%±162.40%），与其他枯落物存在显著差异。RDA排序揭示了该地区森林可燃物含水率与地形地貌、植被特征等9个环境因子的响应变量矩阵与解释变量矩阵之间多元多重线性回归的拟合值矩阵的PCA分析关系。不同林型森林可燃物含水率关键影响因子不同，其中海拔、郁闭度、林龄（P<0.05）是影响森林可燃物含水率的主要因子。 结论 不同林型森林可燃物含水率存在差异，枯落物类型不同含水率也存在差异；海拔、郁闭度和林龄是影响该地区森林可燃物含水率的主要环境因子。

Abstract

Objective The forest fuel moisture content under different forest types in this area was systematically studied，in order to provide basic data for forest fuel management in this reserve，and provide reference for forest fire risk monitoring and fire behavior simulation. Method Taking forest fuels of different forest types in this area as the research object，the characteristics of forest fuel water content were compared and analyzed，and the relationship between forest fuel water content and environmental factors was analyzed by using RDA ranking method. Result The forest fuel moisture content of the tree forest was higher than that of the shrub forest，which was 184.48% and 177.76% respectively.There were also differences in the moisture content of litter types，among which the forest fuel moisture content of shrub forest had no significant difference，and the forest fuel soil humus moisture content of tree forest was the highest (285.93%±162.40%)，which was significantly different from other litter types.The RDA ranking showed the PCA analysis relationship between the forest fuel moisture content，the response variable matrix and the explanatory variable matrix of 9 environmental factors such as landform，topography and vegetation characteristics.The main influencing factors of forest fuel moisture content were different in different forest types，among which elevation,canopy density and forest age(P<0.05) were the main influencing factors of forest fuel moisture content. Conclusion There are differences in the moisture content of fuel and litter in different forest types.The RDA ranking showed that elevation，canopy cover and forest age were the main environmental factors influencing the moisture content of forest fuels in this region.

Graphical abstract

关键词

森林可燃物 / 含水率 / 环境因子 / 冗余分析 / 太子山

Key words

forest combustibles / moisture content / environmental factors / redundancy analysis / Taizi Mountain

森林火灾不仅烧毁林木，减少森林面积，而且严重破坏森林环境与森林结构，造成森林生态系统失衡，森林生物量下降，生产力减弱，鸟兽数量减少^［1-5］。应对频繁发生的森林火灾，需要提高林火预测预报能力，掌握森林火灾发生规律，有效降低林火对森林生态系统的破坏^［6］。

森林火灾的发生受诸多因素影响，进行林火预测预报时应全面分析考虑这些因素造成的影响，这些因素主要包括林分特征、可燃物特征、环境因素及人为活动等^［7］。其中，森林可燃物是森林燃烧的基础，是火灾发生和传播的主要因素，也是影响林火行为发生的重要因素^［8-10］。森林可燃物含水率，是植被与环境因子共同作用的结果，决定了森林火灾发生的难易程度，直接控制林火的发生强度和蔓延速度，是火险发生预报的重要指标^［11-15］。因此，森林可燃物，特别是森林可燃物含水率是林火生态学研究的重点之一。

甘肃太子山自然保护区自成立以来，一直没有发生过重大森林火灾，森林可燃物在林下大量堆积，加之全球气候变暖，人为干扰加剧，导致该地区存在重大森林火灾发生安全隐患。因此，本研究拟从太子山国家级自然保护区森林可燃物含水率特征着手，将该地区分为灌木林地和乔木林地两大林型，通过线性模型冗余分析（RDA），探讨不同林型森林可燃物含水率与环境因素的关系，确定影响可燃物含水率的关键因素，以期为该保护区森林可燃物的管理提供基础数据，同时为森林火险监测与火行为模拟研究提供参考。

1 研究区概况

甘肃太子山国家级自然保护区（E 102°43′~103°42′，N35°02′~35°36′）地处黄河中上游地区，位于临夏回族自治州和甘南藏族自治州之间，东西长约100 km，南北宽约10 km，海拔2 200~4 636 m，总面积8.47万hm²，属青藏高原向黄土高原过渡地带^［17-18］。该地区属温带大陆性气候，年平均气温5.1 ℃，无霜期110 d左右，多年平均降水量660 mm。其中林地6.79万hm²，非林地1.68万hm²，森林覆盖率31.17%。区内共有维管植物95科358属838种33变种，其中引进栽培植物1科4属8种^［19-21］。

2 材料与方法

2.1 样地设置与样品采集

本研究根据《甘肃省森林火灾风险操作细则》在甘肃太子山国家级自然保护区设立15个标准样地（表1），其中，灌木林标准样地6个，每个灌木林标准样地由3个5 m×5 m方形标准地组成，每个25 m²方形标准地相隔50 m。乔木林标准样地9个，标准样地为25.82 m×25.82 m的方形标准地。基本状况调查包括地貌、地形、群落类型、干扰情况、经营管理、优势树种、可燃物载量、土壤等。数据采集时间为2021年3月23日至4月17日。标准地编号适用一类清查样地作为标准地的编号方法，省代码（两位）+分层码（6位）+Y+一类清查样地编号（5位），如34-324312-Y-00034。新设立的标准地在一类清查样地编号中“Y”改为“N”（新设），其他编号含义相同。

在标准样地中，调查枯落物厚度，用耙子收集样方内枯落物，剔除石砾、土块等非有机物质。将枯落物分为枯落物1（直径小于0.6 cm的小枝、叶和杂草）、枯落物2（直径大于或等于0.6 cm，但小于2.5 cm的小枝），枯落物3（直径大于或等于2.5 cm，但小于7.62 cm的枝条）3类。调查记录土壤腐殖质平均厚度并取样，按枯落物1、枯落物2、枯落物3、腐殖质4个类型可燃物，分别称量鲜质量，将测定数据带回实验室进行汇总整理，计算枯落物1、枯落物2、枯落物3、土壤腐殖质4个类型的可燃物含水率。

2.2 含水率计算方法

可燃物含水率计算公式如下：

Μ=（W_w-W_d）/W_d

式中：Μ为森林可燃物含水率（%），W_w与W_d分别为森林可燃物鲜质量（g）与干质量（g）。

2.3 数据处理与分析方法

应用Microsoft excel 2020对森林可燃物含水率单变量平均数与标准差进行统计分析，使用SPSS 26.0软件进行单因素的方差分析检验，采用LSD进行显著性分析（α=0.05）。环境因子和含水率进行线性模型冗余分析（redundancy analysis，RDA），森林可燃物含水率（枯1、枯2、枯3和土壤腐殖质）作为响应变量，海拔、坡度、坡向、坡位、郁闭度、林分密度、平均树高、平均胸径（平均地径）、林龄9个环境因子作为环境变量。森林可燃物含水率用黑色实心箭头表示，环境变量用红色空心箭头表示；箭头越长表示环境因子与含水率的相关性越大；箭头所处的象限表明环境因子与排序轴之间相关性的正负；响应变量与环境变量箭头之间的夹角反应它们之间的相关性（但响应变量之间的夹角无此含义），夹角越小，相关性越高^［22］。RDA排序在CANOCO 5.0软件中完成。

根据RDA排序的需要和野外调查数据情况，海拔、坡度、郁闭度、林分密度、平均树高、平均胸径、林龄为实测数据。坡向、坡位采取数字转换的方法获取，以数字表示等级。坡向共分为8个等级，其中1代表北坡；2代表东北坡；3代表西北坡；4代表东坡；5代表西坡；6代表东南坡；7代表西南坡；8代表南坡，数字越大，越向阳。坡位共分3个等级，以数字表示，其中1代表下坡，2代表中坡，3代表上坡，数字越大，坡位越高^［23-24］。

3 结果与分析

3.1 不同林型森林燃物含水率特征

研究区森林可燃物含水率单变量平均数与标准差统计分析结果见表2。灌木林地（样地编码1~6）森林可燃物枯落物1、枯落物2、枯落物3、土壤腐殖质的含水率平均值分别为171.20%、101.73%、157.69%、280.52%；乔木林地（样地编码7~5）森林可燃物枯落物1、枯落物2、枯落物3、土壤腐殖质含水率平均值分别为181.00%、98.82%、170.97%、285.93%。

两种林型森林可燃物含水率的多重比较结果见图1，可以看出不同林型森林可燃物含水率存在差异，枯落物类型之间含水率也存在差异。从图1-A可以看出，灌木林地各类型可燃物含水率无显著差异，其中土壤腐殖质最高，为（280.52%±182.32%），其他3种可燃物含水率无显著差异；由图1-B可以看出，乔木林地含水率也是土壤腐殖质最高，为（285.93%±162.40%），且与其他枯落物存在显著差异。森林可燃物含水率总体上呈现乔木林地>灌木林地，土壤腐殖质>枯落物1>枯落物3>枯落物2的特征。

3.2 不同林型森林可燃物含水率与环境因子关系

3.2.1 与地形地貌因子关系

森林可燃物含水率与地形地貌因子的关系见表3。由表3可知，在灌木林地中，海拔、坡度、坡位和坡向4个环境变量对可燃物含水率的解释量分别为57.80%、13.50%、15.50%、6.50%，第1和第2排序轴解释了其与森林可燃物含水率之间关系的85.80%、92.36%。由表4得出，在乔木林地中，海拔、坡向、坡位和坡度4个环境变量对可燃物含水率的解释量分别为50.20%、8.30%、3.40%、3.40%，前2个排序轴解释了森林可燃物含水率的53.39%、62.48%。

两种林型中海拔对森林可燃物含水率的解释量均达到显著水平（P<0.05），是影响可燃物含水率的关键因子。前2个排序轴中，灌木林地森林可燃物含水率对环境因子的累计解释量高于乔木林地森林可燃物。

在灌木林地中（图2-A），第1排序轴与海拔呈显著正相关，第2排序轴与坡向呈显著正相关。根据RDA排序结果，枯落物1、枯落物2、土壤腐殖质与坡向、海拔呈正相关，与坡度呈负相关。枯落物3与坡位正相关，与坡向负呈相关。可以看出，海拔越高、坡度越平缓，森林可燃物的含水率越高。

在乔木林地森林可燃物中，海拔、坡向对环境变量的箭头连线最长，第1排序轴与海拔正相关、与坡向呈负相关，第2排序轴与坡位呈正相关（图2-B）。由此可以得出，海拔越高，坡向越背阴，林内湿度越大，森林可燃物绝对含水率也越高。

3.2.2 与植被特征因子关系

森林可燃物含水率与植被特征因子的关系见表4。由表4得出，在灌木林地中，林分密度、平均树高、平均地径、郁闭度和林龄5个环境变量对可燃物含水率的解释量分别为55.70%、16.80%、18.20%、5.00%、4.40%，第1和第2排序轴解释了其与森林可燃物含水率之间关系的89.60%、97.68%。由表4-B可知，在乔木林地中，林龄、林分密度、平均树高、郁闭度和平均胸径5个环境变量对可燃物含水率的解释量分别为45.50%、11.50%、5.30%、2.70%、0.40%，前2个排序轴解释了死可燃物绝对含水率的53.37%、63.94%。

灌木林地林分密度和乔木林地林龄对森林可燃物含水率的解释量达到显著水平（P<0.05），是影响可燃物含水率的关键因子。前2个排序轴中，灌木林地森林可燃物含水率对环境因子的累计解释量高于乔木林型森林可燃物。

在灌木林地中（图3-A），林分密度与郁闭度的环境变量的箭头连线最长。第1排序轴与林分密度、林龄、平均地径呈显著正相关，第2排序轴与平均树高呈显著负相关。根据RDA排序结果表明，枯落物1、枯落物2、土壤腐殖质与林分密度、林龄、平均地径呈正相关，与平均树高呈负相关。枯落物3与郁闭度正相关。林分密度越大，郁闭度越大，平均树高越低，森林可燃物的含水率越高。

在乔木林地森林可燃物中（图3-B），第1排序轴与林龄呈正相关，第2排序轴与郁闭度、林分密度、平均胸径呈正相关。随着林龄增大、平均胸径增大，林分生长，林分冠幅增加，自然整枝现象明显，地表枯死可燃物含水率越高。在植被特征因子中，林分密度和林龄是控制可燃物含水率的首要林分因子，林分密度越大，平均树高越高，林内阳光不充足，林内湿度大，树枝丫多，森林可燃物的含水率越高；随着林龄增大、平均胸径增大，林分生长，林分冠幅增加，森林可燃物含水率增高^［9］。

4 讨论

本研究分析了甘肃省太子山国家级自然保护区不同林型下森林可燃物的含水率特征。结果表明，乔木林地的可燃物含水率大于灌木林地的可燃物含水率。乔木林地的枯落物厚度、积蓄量均大于灌木林地，所以含水率高，易燃性较低，引发火灾的可能性较低，这与相关研究结果^［25］基本一致。森林可燃物含水率具有土壤腐殖质>枯落物1>枯落物3>枯落物2的特征。可燃物大小和形状是影响燃烧和蔓延速度的重要特征，表面积体积比在研究不同大小可燃物吸收水分和失散水分时非常重要，对确定可燃物点燃的难易程度也很重要。粗细度越大，越容易失散水分而变干枯，含水率越低，容易以较大面积暴露于火焰中，吸收大量辐射和对流热，容易被引燃。田祖为等^［26］研究结果与本研究一致。

应用RDA排序方法分析了甘肃省太子山自然保护区不同林型森林可燃物含水率与地形地貌、植被特征因子的关系，结果表明：影响该地区森林可燃物含水率的因子较多，其中海拔、坡度、坡向等地形地貌因子和林分密度、林龄、平均胸径（地径）等植被特征因子是森林可燃物含水率的首要控制因子，共同作用决定了该地区的森林可燃物含水率的高低。海拔是影响森林可燃物含水率最主要的因子，森林可燃物含水率与海拔呈显著正相关，海拔越高降水量越大，温度相对较低，蒸发量减少，空气湿度变大，不易发生林火^［27］，这与罗永忠^［28］研究结果一致。

本研究表明，林分密度和林龄是控制森林可燃物含水率的首要林分因子，林分密度越大，平均树高越低，林内阳光不充足，林内湿度大，树枝丫多，森林可燃物的含水率高；随着林龄增大、平均胸径增大，林分生长，林分冠幅增加，自然整枝现象明显，森林可燃物含水率增高^［8，23］。

本研究只对甘肃太子山国家级自然保护区的一个防火期进行了研究，且外业采集样品有限，研究数据较少，灌木样地枯落物3仅有一组数据。森林可燃物含水率是诸多环境因子共同作用的结果，除了地形地貌、植被特征中的9个因子对可燃物含水率的影响外，影响森林可燃物含水率的因素还有很多，如土壤因子、气象因子等；本研究选择的林型少，今后需要对更多的树种和灌木，乃至草本植物进行全面、系统的研究，为甘肃省太子山国家级自然保护区森林可燃物的管理提供基础数据，为森林火险监测与火行为模拟研究提供更可靠的理论依据。

5 结论

本研究以甘肃省太子山国家级自然保护区不同林型森林可燃物作为研究对象，研究结果表明乔木林地和灌木林地森林可燃物含水率分别为184.48%、177.76%，乔木林地大于灌木林地；枯落物类型不同含水率也存在差异，灌木林各类型森林可燃物含水率无显著差异，乔木林中土壤腐殖质含水率最高（285.93%±162.40%），与其他枯落物存在显著差异；RDA排序揭示了该地区森林死可燃物含水率与海拔、坡度、坡向、坡位、郁闭度、林分密度、平均树高、平均胸径（平均地径）、林龄9个环境因子的关系，不同林型森林可燃物含水率关键影响因子不同，其中海拔、郁闭度、林龄是影响森林可燃物含水率的主要因子。

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基金资助

亚洲开发银行PRC-GEF中国西部应对气候变化的可持续土地管理项目(GS-GEF/OP12-SR201902)