不同程度火燒跡地興安落葉松延遲性死亡特征1)

李威 周梅 趙鵬武

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特，010018) (內(nèi)蒙古賽罕烏拉森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位研究站(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)))

舒洋 王梓璇 張今奇

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué))

森林火災(zāi)導(dǎo)致的樹(shù)木延遲性死亡是一種常見(jiàn)自然現(xiàn)象，火燒后樹(shù)木的存活率取決于樹(shù)木的損傷類(lèi)型和程度、未燒前樹(shù)木的活力以及火后環(huán)境對(duì)樹(shù)木生存的影響。火后環(huán)境包括病蟲(chóng)害、土壤及氣候條件等因素。隨著樹(shù)木的損傷程度的增加，由各種原因引起的延遲性死亡概率上升[1]。Ryan et al.[2]對(duì)美國(guó)黃石公園1988年森林火災(zāi)后的4個(gè)針葉樹(shù)種在4年內(nèi)生存狀況進(jìn)行了研究，表明蟲(chóng)害與火災(zāi)是影響樹(shù)木延遲性死亡率的主要原因，由火災(zāi)引起的樹(shù)木延遲性死亡率高于蟲(chóng)害。Robert et al.[3]在加州北部火災(zāi)后一年內(nèi)收集了1 024棵紅杉樹(shù)的火燒損害數(shù)據(jù)，量化了樹(shù)木死亡率對(duì)影響因子的響應(yīng)，認(rèn)為胸徑、形成層死亡和樹(shù)冠燒焦率是樹(shù)木延遲性死亡率的重要預(yù)測(cè)因子。內(nèi)蒙古大興安嶺汗馬國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)在2018年6月2日發(fā)生特大森林火災(zāi)，過(guò)火面積5 100 hm2。通過(guò)對(duì)火燒跡地2 a內(nèi)興安落葉松生存情況進(jìn)行調(diào)查，量化火燒程度與胸徑對(duì)興安落葉松延遲性死亡率的影響程度，為研究火燒后樹(shù)木延遲性死亡規(guī)律提供參考。

1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古汗馬國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)中北部，屬于永久凍土區(qū)，東臨黑龍江省，南接甘河林業(yè)局，西與金河林業(yè)局為界，北與阿龍山林業(yè)局毗鄰。地理坐標(biāo)為東經(jīng)122°23′34″～122°52′46″，北緯51°20′2″～51°49′48″，行政隸屬于內(nèi)蒙古根河市管轄。保護(hù)區(qū)總面積107 348 hm2，森林覆蓋率為88.4%。汗馬國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)地處大興安嶺主脊西側(cè)，海拔較高，屬中山山地，剝蝕苔原區(qū)。總體趨勢(shì)是北高南低，四周環(huán)山，形成較狹長(zhǎng)的南北走向河谷，南北長(zhǎng)56 km，東西寬32 km。海拔高度840～1 455 m，山脊呈圓弧狀或長(zhǎng)崗狀，山坡較緩，坡度10°～20°，個(gè)別坡度40°以上。該區(qū)屬寒溫帶大陸性氣候，冬季寒冷而漫長(zhǎng)，積雪深厚，夏季溫涼暫短，濕潤(rùn)多雨。年平均氣溫-5.3 ℃，極端高溫35.4 ℃，極端低溫-49.6 ℃，年日照時(shí)間為2 630.6 h，≥10 ℃的年有效積溫為1 316 ℃。年平均相對(duì)濕度71%，年降水量在437.4 mm左右，主要集中在6—8月份，占全年總降水量的70%左右。主要土壤類(lèi)型為棕色針葉林土。山谷較寬闊平坦，季節(jié)性積水或常年積水，多形成叢樺灌木和塔頭草甸及凍層落葉松“老頭林”。主要樹(shù)種有興安落葉松(Larixgmelinii(Rupr.) Kuzen.)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)、山楊(Populusdavidiana)、甜楊(PopulussuaveolensFisch)、樟子松(PinussylvestrisL. var.mongolicalitv)、鉆天柳(Choseniaarbutifolia(Pall.) A. Skv)等[4]。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

在2018年汗馬國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)火燒跡地內(nèi)設(shè)置30 m×30 m標(biāo)準(zhǔn)樣地9個(gè)，火燒程度劃分為輕度火燒(樹(shù)木死亡率≤30%)、中度火燒(30%<樹(shù)木死亡率≤70%)、重度火燒(樹(shù)木死亡率>70%)；徑級(jí)劃分為7個(gè)等級(jí)：1～5、6～10、11～15、16～20、21～25、26～30、31～35 cm。于2018與2019年7月對(duì)所有研究樣地每木檢尺，記錄所有立木的種類(lèi)、數(shù)量、胸徑、樹(shù)高及存活狀態(tài)，樣地概況見(jiàn)表1。使用SPSS 25.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

表1 樣地概況

2.2 基于Logistic回歸模型的興安落葉松延遲性死亡率預(yù)測(cè)

將全部樣本(760個(gè))分為建模樣本(80%)和檢驗(yàn)樣本(20%)，采用Logistic回歸模型對(duì)興安落葉松延遲性死亡率進(jìn)行模擬。設(shè)發(fā)生延遲性死亡的概率為P，未發(fā)生延遲性死亡的概率為1-P，則公式如下：

式中：P為延遲性死亡率；m為協(xié)變量個(gè)數(shù)；β1、β2、…、βm為自變量系數(shù)；x1、x2、…、xm為影響延遲性死亡率的自變量。

2.3 延遲性死亡預(yù)測(cè)模型的檢驗(yàn)

為保證檢驗(yàn)有效性，將所有檢驗(yàn)樣本(150個(gè))均分為5個(gè)子樣本，采用特征曲線(ROC)檢驗(yàn)法，重復(fù)模擬6次，對(duì)模型的預(yù)測(cè)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。AU,C表示特征曲線下面積，一般情況下AU,C取值范圍0.5～1.0，AU,C越接近1，表示模型的預(yù)測(cè)效果越好。根據(jù)“約登指數(shù)”(敏感性指數(shù)+特異性指數(shù)-1)界定最優(yōu)閾值，如果模型的預(yù)測(cè)概率大于閾值，判定發(fā)生延遲性死亡；小于閾值，判定未發(fā)生延遲性死亡[5]。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同火燒程度興安落葉松延遲性死亡特征

由表2、表3可知，輕度火燒樣地中，興安落葉松延遲性死亡率隨徑級(jí)增加而逐級(jí)降低，降低幅度分別為8.5%、28.5%、17.4%，胸徑大于20 cm的樹(shù)木延遲性死亡率為0；在所有延遲性死亡樹(shù)木中，主要為胸徑小于10 cm的樹(shù)木，比例為76.8%。中度火燒樣地中，興安落葉松延遲性死亡率隨徑級(jí)增加也逐級(jí)降低，但降低幅度沒(méi)有輕度火燒樣地明顯，胸徑大于25 cm的樹(shù)木延遲性死亡率為0；在所有延遲性死亡樹(shù)木中，主要為胸徑6～15 cm的樹(shù)木，比例為86.8%。重度火燒樣地中，各徑級(jí)興安落葉松延遲性死亡率明顯升高，最低為66.7%，最高為100%，大徑級(jí)樹(shù)木的延遲性死亡率顯著高于輕度和中度火燒樣地。胸徑為26～35 cm的樹(shù)木沒(méi)有發(fā)生延遲性死亡。

3.2 興安落葉松延遲性死亡率的影響因子與建模

對(duì)延遲性死亡率與徑級(jí)和火燒程度進(jìn)行相關(guān)分析，火燒程度與延遲性死亡率顯著正相關(guān)(r=0.452，P<0.05)；徑級(jí)與延遲性死亡率呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.740，P<0.01)。

表2 不同火燒程度興安落葉松延遲性死亡率

表3 不同火燒程度興安落葉松延遲性死亡數(shù)量各徑級(jí)比例

由表4可知，采用logistic回歸方程建模，徑級(jí)和火燒程度2個(gè)因子對(duì)興安落葉松延遲性死均極顯著相關(guān)(P<0.01)。徑級(jí)的優(yōu)勢(shì)比(OR)為0.725，表示徑級(jí)每增加一個(gè)等級(jí)，興安落葉松延遲性死亡風(fēng)險(xiǎn)約降低為原來(lái)的0.7倍；火燒程度的優(yōu)勢(shì)比(OR)為3.208，表示火燒程度每增加一個(gè)等級(jí)，興安落葉松延遲性死亡風(fēng)險(xiǎn)約增加至原來(lái)的3.2倍。

表4 logistic回歸模型參數(shù)

3.3 回歸預(yù)測(cè)模型評(píng)價(jià)

由表5可知，對(duì)興安落葉松延遲性死亡率Logistic回歸模型的預(yù)測(cè)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，5個(gè)子樣本預(yù)測(cè)發(fā)生的準(zhǔn)確率范圍為59.1%～84.6%，總樣本準(zhǔn)確率為71.7%；預(yù)測(cè)未發(fā)生的準(zhǔn)確率范圍為54.5%～72.5%，總樣本準(zhǔn)確率為60.4%。各樣本的AU,C值范圍為0.660～0.870，總樣本AU,C值為0.764，表明預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確率較高，擬合效果良好(見(jiàn)圖1)。

表5 興安落葉松延遲性死亡預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確率

圖1 興安落葉松延遲性死亡預(yù)測(cè)模型ROC曲線

4 討論與結(jié)論

樹(shù)木死亡是一個(gè)組織器官與環(huán)境之間的熱力學(xué)平衡概念，代表樹(shù)木不再具有驅(qū)動(dòng)能量梯度用于代謝或者更新的能力[6]。森林火災(zāi)通過(guò)外部著火，將高溫傳導(dǎo)到樹(shù)木內(nèi)部組織，致使樹(shù)木的某些重要生理機(jī)能超過(guò)閾值，從而導(dǎo)致樹(shù)木死亡[7]。森林火災(zāi)對(duì)樹(shù)木的樹(shù)冠、樹(shù)根和樹(shù)干造成的傷害及其對(duì)土壤和氣候的影響是長(zhǎng)久的，并且受損的樹(shù)木更易感染蟲(chóng)害，因此火燒后的樹(shù)木延遲性死亡現(xiàn)象會(huì)持續(xù)很多年[8-10]。火燒對(duì)樹(shù)木的影響取決于樹(shù)種、徑級(jí)、年齡、林分結(jié)構(gòu)、燃燒季節(jié)、天氣、可燃物負(fù)荷量、地形及火災(zāi)嚴(yán)重程度，這些因素決定了樹(shù)木的損傷程度和立即或延遲性死亡的可能性[10]。Ryan et al.[11]認(rèn)為冠體積燒焦比是一種預(yù)測(cè)火燒后樹(shù)木延遲性死亡率的可靠指標(biāo)，樹(shù)冠受損程度超過(guò)80%的樹(shù)木無(wú)法存活。而Oswald et al.[12]發(fā)現(xiàn)休眠季的森林火災(zāi)后，一小部分樹(shù)冠燒焦達(dá)90%的樹(shù)木能夠恢復(fù)，認(rèn)為火燒后樹(shù)木的存活也取決于燃燒季節(jié)。Mantgem et al.[13]認(rèn)為火燒后樹(shù)木相關(guān)形成層損傷高度依賴(lài)于樹(shù)皮厚度，而樹(shù)皮厚度取決于樹(shù)種和樹(shù)木胸徑。Ryan et al.[14]、Stephens et al.[15]對(duì)美國(guó)黃松的研究發(fā)現(xiàn)，樹(shù)干焦化超過(guò)50%或樹(shù)冠焦化超過(guò)90%，在5 a或更短的時(shí)間內(nèi)死亡率極高。考慮到黃松是最耐火的樹(shù)種之一，相同的損傷百分比將導(dǎo)致其它樹(shù)種更高的死亡率[16]。Logistic回歸模型已被廣泛用于火燒后的樹(shù)木存活概率的預(yù)測(cè)，這些模型考慮了森林地表可燃物消耗量和根系死亡率的影響，并納入了火災(zāi)后蟲(chóng)害、干旱和病原體等協(xié)同效應(yīng)綜合預(yù)測(cè)樹(shù)木延遲性死亡率[16]。本研究量化了火燒程度與胸徑對(duì)興安落葉松延遲性死亡率的影響，但沒(méi)有考慮到其它影響因素，這是需要以后補(bǔ)充研究的方向。