不同森林类型燃烧特点的研究是森林防火工作的重要内容, 特别对生物防火林带规划设计及制定扑火方案尤为重要。正是由于其重要性, 国内外在这方面已开展工作, 尤其以定性分类研究较深入。如我国学者对小兴安岭地区主要森林类型的燃烧性在生态序列网上的分布研究(郑焕能等, 1988)、对大兴安岭森林燃烧性等级划分的研究(王正非等, 1958)以及人工针叶林燃烧性的研究(杜秀文, 1983)等。美国学者Fahnestock(文定元, 1995)应用树种的生物学特性、林冠郁闭度、下层可燃物丰富度等指标对美国部分地区的树冠火潜在火行为进行分类研究等。但有关数量分类和定量研究报道极少, 仅见于对秦岭华山松纯林燃烧性的数量分类研究(张景群等, 1998)和秦岭中段北坡主要植被潜在火行为的数量化分类研究(康永祥等, 1999)。

潜在火行为是指由于各森林类型自身的特点影响的潜在的发生火灾时必然表现的火行为。本文在前人定性研究的基础上总结认为, 影响潜在火行为的主要因素为树冠易燃物密度、地表易燃可燃物载量和地表易燃可燃物含水率3大因素, 并对测量数据采用数量分类方法(阳含熙等, 1983)之一的相异性分析法(Dissimilartiy analysis), 将被调查的45块标准地聚为6类, 确定了各类型的定量划分指标, 并据此将秦岭林区所有森林划分为9种火行为类型。该结构为准确、合理地划分森林火险等级, 判别可能出现的火行为, 为制定防火、灭火措施提供了科学依据。

1 研究区概况

秦岭山脉是黄河与长江两大水系的分水岭, 是暖温带与亚热带的天然分界。秦岭北临渭河, 南界汉水, 位于北纬32°5′~ 34°45′; 东经104°30′~ 115°52′。秦岭山体高大雄伟, 主峰太白山位于秦岭山脉中段, 海拔高度为3767 m。秦岭西段海拔较高, 一般为2000 ~ 3000 m, 东段则较低, 一般都在2000 m以下。降水主要集中在夏、秋两季, 尤其在夏季降水量大。冬季少雨干燥, 特别是早春表现更为突出, 林火发生率极高。据1997年全国森林火险区划结果, 秦岭林区约有74 %的森林面积被划分为Ⅰ级火险区, 为陕西省重点防火林区之一。

陕西境内的秦岭林区, 是秦岭山体的主要组成部分, 也是本次研究的主要区域, 其有林地面积248×10⁴ hm², 占陕西省有林地面积的54.04 %。森林覆盖率46.5 %, 有林地蓄积量15.275 ×10⁴ m³, 占陕西省有林地总蓄积量的66.3 %。区内森林主要分布在海拔800 ~ 3000 m之间, 垂直分布明显, 类型多样。主要森林类型有:巴山冷杉林、华山松林、油松林、侧柏林、山杨木、桦木林、栓皮栎林、锐齿栎林、辽东栎林以及各种混交林, 确系森林潜在火行为数量化分类指标体系研究的理想地段。

2 研究方法 2.1 数据采集

在秦岭林区选择郁闭度在0.8以上, 不同海拔高度有代表性的林分, 并按测树学方法设0.05 hm²~ 0.09 hm²标准地共45块, 样方225个。在标准地内分别对地表可燃物载量, 地表可燃物绝对含水率和树冠最大密度3个潜在火行为因子进行调查。标准地的具体路线和各路线的标准地数为:秦岭南坡的宁陕县(海拔高度900 m, 以下同)~平河梁(2200 m)一线, 设标准地11块; 秦岭南坡的龙草坪(1100m)~秦岭梁(2300 m)一线, 设标准地6块; 秦岭南坡的旬阳坝(900 m)~月河梁(1900 m), 旬阳镇~秦岭梁(2100 m)2条调查路线共设标准地9块; 秦岭北坡的风峪口(600 m)~秦岭梁(2100 m)一线, 设标准地3块; 秦岭北坡蒿坪自然保护站(1300 m)~大殿(2400 m)一线, 设标准地7块; 秦岭北坡的汤峪(600 m)~红桦坪(2200 m)一线, 设标准地9块。调查时间为1997、1998和1999年各年的森林防火期3 ~ 4月。各标准地概况及调查数据列于表 1。

2.1.1 林冠层易燃物最大密度(D)

易燃物标准为直径小于1 cm的所有可燃物。在标准地内对纯林选取标准木2株, 混交林选取标准木3 ~ 5株, 并以每2 m为区分段求易燃可燃物量, 取其最大值作为该林分的林冠层易燃物最大密度。其计算公式为:

(1)

式中, G为测定的标准木最大层易燃物干重的平均值(kg); N为标准地林木株数; D为林冠层易燃物最大密度(kg/m³); S为标准地面积(m²); h为区分段的层间高度(m), 本文均为h =2 m。

2.1.2 地表易燃物载量(W)

在标地内按“五点法”取2 m ×2 m样方5个, 并分别调查地表枯落物量、草本量、0 ~ 2 m高度内的枝径小于1 cm幼苗、灌木的可燃物量, 并分别求其含水率。计算公式为:

(2)

式中:W_i为5块样方的各类可燃物鲜重和(kg); μ为各类可燃物含水率(%); W_i为该林分地表易燃物载量(kg/m²)。

2.1.3 地表易燃物含水率(μ)

在地表易燃物载量调查的基础上, 地表易燃物平均含水率按下式计算, 并采用绝对含水率指标。

(3)

式中:μ_i、W'同(2);10 % W′为地表枯落物含水率以10 %计的地表枯落物含水量(张景群等, 1992); μ为地表易燃物平均绝对含水率(%); W_i为除枯落物外的其它活的易燃可燃物量(kg)。

2.2 数据分析

对45块标准地的3个潜在火行为指标, 采用NTSYS-pc软件, 数据标准化采用最大值标准化法, 并建立A ×A₄₅矩阵, 计算林分间的相异距离(DD)和相异性指标(DI), 并选出其中具最大值的标准地与其余标准地区分。第2次运算按前述方法, 求出其余标准地间的相异性指标(DI), 并进行划分判定。以后重复这种运算直至达到划分的目的为止。对划分的结果根据UPGMA方法构建树状图(图 1)。

从图中可以看出, 数量化分类方法对45块标准地的潜在火行为在3个指标上共划分为7类。为了进一步找出各指标的划分界限, 经对图中各类在各划分高度上分析发现, 每1次划分至少有1个指标是类间区分的主要指标, 即每1次类间区分至少有1个指标被划分。各划分高度对指标的划分见图 1注解。

3 结果与分析 3.1 地表可燃物绝对含水率指标划分

从表 1可见, 45块标准地地表可燃物的平均绝对含水率最大值为68.48 %, 最小值为11.11 %, 其大小主要与地表至2 m层的死可燃物与活可燃物的比例有关。图 1划分结果表明, Q₃点对45块标准地地表可燃物绝对含水率(μ)有明显地划分。Q₃点为地表可燃物含水率的分界点。其分界值为40 %, 划分高度为1.6879。

μ值分界点的分界值的确定, 本文按照取大值区中的最小值与小值区中的最大值的方法, 求算两值的中值, 即为该分界点的分界值。如地表可燃物绝对含水率分界点Q₃点的分界值的计算:取大值区中的最小值为4号标准地, 其μ=40.37 %, 小值区中的最大值为39号标准地, 其μ=39.88 %。故地表可燃物绝对含水率的分界值μ=40.13 %≈40 %。以下其它分界值的计算与此相同。

3.2 地表可燃物载量划分

在调查的45块标地中, 0 ~ 2 m层可燃物载量最大为2.6879 kg/m², 最小为0.2147 kg/m², 分别为人工落叶松纯林和华椴与叉叶槭混交林。根据UPGMA方法构建的树状图可以分析出, Q₄点为地表可燃物载量大小合理的分界点, 其分界点的划分高度为0.3231, 分界点的分界值的计算结果约为1.40kg/m²。

3.3 树冠易燃物密度划分

在调查的45块标准地中, 03号标准地人工油松纯林D值最大, 13号标准地的板栗纯林D值最小, 分别为0.4910 kg/m³和0.0084 kg/m³。对图 1分析表明, Q₁和Q₂分别为强和弱、弱和无树冠火的D值分界点, 其划分高度分别为0.3231和0.5627。经计算确定, 两个分界点的分界值分别约为0.37kg/m³和0.11 kg/m³。

3.4 潜在火行为划分

本文认为, 对秦岭林区所有森林(包括宜林荒山荒地)可划分为9个潜在火行为等级。其中树冠火3个等级, 分别为强度树冠火(Ⅰ), 弱度树冠火(Ⅱ)和无树冠火(Ⅲ); 地表火3个等级, 分别为强度地表火(1)、中度地表火(2)和弱度地表火(3), 共组合为9个潜在火行为等级。各等级的划分标准见表 2。

4 结论及讨论 4.1 结论

秦岭林区森林潜在火行为可划分为9个等级。其中地表火可按强度地表火、中度地表火和弱度地表火分为3个等级; 树冠火可按强度树冠火、弱度树冠火和无树冠火分为3个等级。以上2种火灾类型可组成9种潜在火行为类型。秦岭林区各种林分类型在防火期经对冠层最大易燃物密度、地表可燃物载量、地表可燃物平均绝对含水率(地表可燃物总持水量与地表可燃物干重之比)测定, 即可判定该林分的潜在火行为特点, 即该林分在发生火灾后将表现的林火行为, 并用于林火类型定量划分。

判定树冠火强弱的冠层易燃物最大密度分界值分别为0.11 kg/m³和0.37 kg/m³, >0.37 kg/m³为具有强度树冠火的林分类型, ＜0.11 kg/m³的为不具有发生树冠火的林分类型。地表火强弱采用双因素判定方法, 即地表可燃物载量和地表可燃物绝对含水率。文中绝对含水率的计算方法充分体现了死可燃物和活可燃物对燃烧性的影响关系, 特别是活可燃物含水率对燃烧强弱有着重要影响这一特点(张景群等, 1999)。计算认为, 秦岭林区地表可燃物载量和地表可燃物绝对含水率两指标判定值应分别为1.40 kg/m²和40 %。其中强度地表火的地表可燃物载量≥1.40 kg/m², 且地表可燃物绝对含水率＜40 %; 中度地表火的地表可燃物载量≥1.40 kg/m², 且地表可燃物绝对含水率≥40 %, 或地表可燃物载量＜1.40 kg/m², 且地表可燃物绝对含水率＜40 %; 弱度地表火的地表可燃物载量＜1.40 kg/m², 且地表可燃物绝对含水率≥40 %。

本研究所调查的植被类型涉及针叶纯林、落叶阔叶纯林、针阔混交林以及有代表性的荒山荒地和灌木林地, 基本包括了秦岭林区的主要林分类型和植被类型。所调查的标准地虽全部在秦岭林区, 但从秦岭所处的特殊的地理位置和秦岭山地特点、秦岭植被分布特点来看, 不仅对陕西省五大林区的森林潜在火行为划分具有应用价值, 而且对全国大部分林区有一定的指导意义。

4.2 讨论

由于数学计算无法将地表火与地下火分开, 文中的05号标准地(人工落叶松纯林)、44号样地(大白杜鹃纯林)和45号标准地(巴山冷杉华山松混交林)由于枯落物腐殖层深厚且配置紧密, 但地表新鲜枯落物载量并不大, 因此该3种林分只有在长期干旱条件下仅发生强度地下火, 而地表火的潜在火强度不大。