塞罕壩林場不同林型地表枯落物特性及對應火險特征研究

丁永全 舒立福 吳 松 李 華 孫文國 王明玉 趙鳳君

（1.中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所，國家林業和草原局森林保護學重點實驗室，北京 100091；2.大興安嶺地區農業林業科學研究院，黑龍江嫩江源森林生態系統國家定位觀測研究站，黑龍江 加格達奇 165000；3.塞罕壩機械林場總場護林防火辦公室，河北 承德 068466）

森林火災是全球陸地生態系統中最重要的自然干擾過程之一，也是森林面臨的主要自然災害，其突發性強、破壞性大、危險性高、處置困難，甚至引發生態災難和社會危機。以變暖為主要特征的氣候變化在某些區域已經顯著增加了森林火災的發生頻率[1]。隨著全球變暖的持續，火災發生風險將進一步加大[2]。地表枯落物是森林火災燃燒的最有效可燃物，直接影響著森林火災的引燃率、成災率、蔓延速度和火強度[3-7]。林齡、郁閉度、樹種、平均樹高、平均胸徑、立地條件等是影響枯落物載量的重要因子[8-9]。林分不同引發森林火災的潛在火行為存在差異；不同樹種的可燃物理化性質差異較大，影響樹種的易燃性；不同森林類型的地表可燃物負荷量差異，影響地表火強度的關鍵因素；冠層可燃物垂直分布及冠基高度與樹冠火發生類型關系密切[10-11]。對于林相整齊的人工林，枯落物厚度在反映森林火災發生危險性方面的作用幾乎等同于枯落物的載量，且同時具有測定快速、便捷的特點，特別適合于大面積森林區域火災發生危險性的評估[12]。地表枯落物的密實度對火災發生有重要影響。密實度小的枯落物層，空隙大，有充足的空氣可滿足可燃物燃燒；而密實度大的枯落物層，空隙小或無空隙，不能為可燃物燃燒提供充足的氧氣[13]。

塞罕壩林場位于冀北山地與蒙古高原交匯區，是亞洲最大的國有人工林場，森林覆蓋率約76.14%[14-15]。在全球氣候變暖背景下，林場的火災發生形勢極其嚴峻；特別是塞罕壩林場以落葉松（Larixspp.）等針葉純林為主要植被類型的特殊森林生態系統格局，使其在防災救災上的壓力逐年激增[16-18]，當前急需對林場不同森林的火災發生危險性進行評估，以制定有針對性的林火防控措施，將林火對自然資源的破壞降到最低。本研究以塞罕壩林場小班為研究單位，以地表枯落物及林分特征為主要研究內容，結合樹種生物學特性和枯落物理化性質，對林場不同森林的火災發生危險性進行分析，以期為林場森林火災防控措施的制定提供參考。

1 研究區概況

塞罕壩林場（116°51′～117°39′E，42°02′～42°36′N）地處內蒙古高原南緣，屬陰山山脈與大興安嶺余脈的交接地帶，地勢北高南低，呈現由北向南傾斜之勢。由壩緣山脈、高原丘陵和曼甸組成，東部北部多為曼甸，西部為波狀起伏的半固定沙丘，地勢平坦，南部為壩緣山地，山高坡陡。海拔1010～1940 m，平均坡度20°左右。

林場北與內蒙古自治區接壤，西與御道口林場相鄰，東、南與圍場縣相連，南北長58.6 km，東西寬65.6 km，距北京市460 km，土地總面積92634.7 hm2，其中有林地面積68842.5 hm2。塞罕壩林場為全國重點大型人工林林場，有6 個分場，30 個營林區。

塞罕壩林場屬寒溫性大陸季風氣候，冬季漫長，低溫寒冷；春短，干燥多風；夏季不明顯，光照強烈。晝夜溫差大，降水少、蒸發量大，風多且大，易春旱，生長期短。大風、沙暴、干旱、霜凍等災害性天氣較多。年均氣溫?1.2 ℃，年均降水量452 mm，主要集中于6—8 月，年均積雪日數169 d，年均相對濕度為68%。風多是本區氣候的主要特點之一，年均6 級以上的大風日數68.7 d，以西北風為主。干燥多風的春季和秋季，特別是春季，是林場火災發生的主要季節。林場自建場以來始終實施嚴格的防火措施，近60 年來從未有成規模的森林火災發生[19]。據統計，2007—2016 年間發生火警（火面積1 hm2以下）37 起。

2 研究方法

2.1 樣地設置

地表枯落物主要包括枯葉、枯草、直徑小于0.64 cm 的凋落小枝等細小可燃物，為1 h 時滯可燃物[20-21]。枯落物厚度通過在小班內設置調查樣地的方式獲得，共調查了13101 個小班。調查樣地規格10 m×10 m，設置在遠離道邊的位置，避免過多的人為干擾。由于小班面積差異較大，從0.04 hm2到84.7 hm2不等，因此小班內樣地設置數量不同；10 hm2以內的小班，設置3 塊樣地；小班面積超過10 hm2的，每增加10 hm2面積，即增加1 塊樣地，但最多不超過5 塊樣地。

2.2 樣地調查方法

樣地調查時，記錄小班地理位置、面積、海拔、樹種、林齡、郁閉度等信息。樣地內沿對角線設置調查樣線，樣線上每隔2 m 設置1 個調查樣點，每個樣地共5 個調查樣點。每個調查樣點設20 cm × 20 cm 小樣方；用鐵鍬或小鏟至少把小樣方的一個縱切面清理整齊，在保持表層可燃物結構和形狀沒有干擾的情況下，用刻度尺量測枯落物厚度，精確到0.1 cm。

2.3 林分因子

1）樹種：樹種分為4 組，分別為落葉松、樟子 松（Pinus sylvestrisvar.mongolica）、樺樹（Betulaspp.）和其他。落葉松主要是華北落葉松（Larix principis–rupprechtii），其是林場的地帶性植被類型，屬寒溫性落葉針葉林。林場的樟子松林屬于寒溫性常綠針葉林，均為人工種植；樺樹，主要是白樺（Betula platyphylla）；白樺林在林場內分布面積較廣，為林場主要的天然次生林。“其他”包括栽培楊（Populussp.）、柞樹（Quercus mongolica）、山楊（Populus tremula）、山丁子（Malus baccata）、山杏（Prunns mandshurica）、柳樹（Salix matsudana）、榆樹（Ulmus pumila）、云杉（Picea asperata）、油松（Pinus tabuliformis）等。

2）齡組：齡組的劃分依據中華人民共和國林業行業標準《主要樹種齡級與齡組劃分》（LY/T 2908—2017）[22]，即幼齡林≤20 a，中齡林21～30 a，近熟林31～40 a，成熟林41～60 a，過熟林≥61 a。

3）郁閉度：郁閉度指森林中喬木樹冠在陽光直射下在地面的總投影面積（冠幅）與此林地（林分）總面積的比值[23]。它是反映森林結構和森林環境的一個重要因子，森林郁閉度大小直接影響林下可燃物的數量、含水率和林內光線、溫度和風速等小氣候的變化，一般情況下郁閉度愈大，林內光線愈弱，溫度愈低，蒸發量愈小，濕度愈大，不易燃燒；郁閉度愈小，雜草愈多，則發生火災的可能性愈大。但是，郁閉度大，樹冠相接緊密，一旦著火，能助長樹冠火的發展；而郁閉度小則易形成地表火，且蔓延速度較快[24-25]。

2.4 火行為指標

地表枯落物厚度是預測森林火險的主要參數之一，再結合樹種生物學特性和枯落物理化性質，對塞罕壩林場不同森林的火災發生危險性進行分析，主要林火行為包括：火強度、林火引燃難易、樹冠火引燃難易、林火對林木的傷害等[13]。

1）火強度：在單位面積上單位時間內燃燒釋放的能量（或功率），是衡量林火危害性的定量指標，用來估算某種林型經過火燒后的受害程度[10]。

2）林火引燃難易：是引起森林火災的先決條件，可燃物能否燃燒，取決于最低引火能量，影響林火引燃的因素有可燃物燃點、可燃物含水率、火源種類等。林地引火物多、最低引火能量愈小，則愈易著火[9]。

3）樹冠火引燃難易：樹冠火是由地表火遇強風或遇到幼樹群、枯立木或低垂樹枝，燒至樹冠并順風擴展，長期干旱的針葉林、幼中林或異齡林易發生樹冠火[13]。

4）林火對林木的傷害：林火對樹木的傷害是多方面的，從樹木本身到種群和群落，也決定于樹木對火的抗適應能力，一般抗火性強、易萌生的樹種受火災影響較小[13]。

2.5 數據分析

本研究中利用SPSS 軟件按樹種、齡組分類統計不同森林的面積占比、郁閉度和枯落物厚度的平均值并進行分析；采用Excel 軟件進行圖表繪制。

3 結果與分析

3.1 塞罕壩林場不同樹種森林地表枯落物的差異

塞罕壩林場不同樹種森林面積占比見圖1。由圖1 可知，落葉松林面積占比最大為52.04%，其次為白樺林25.36%，樟子松林占比12.15%，三者占到全部有林地面積的89.55%，其他樹種僅占比10.45%。落葉松林在全林區分布最廣，白樺林與落葉松林相間分布，二者主要分布在林場的中部和東部，特別是向北和向南延展的兩翼上；樟子松林的分布較集中，主要位于向西伸展的區域，因為西部是地勢平坦的半固定沙丘，為樟子松的適生區域。

圖1 塞罕壩林場不同森林面積占比Fig.1 Percent of area of different forests in Saihanba forestry center

塞罕壩林場森林地表枯落物普遍較厚，平均厚度4.3 cm（表1），不同樹種森林的地表枯落物厚度有明顯的差異，最厚為落葉松林4.9 cm，其次為白樺林4.6 cm，其他林分3.2 cm，最薄為樟子松林2.1 cm。

面積占比最大的地表枯落物厚度分級為5.0～5.9 cm，占比32.8%；其后依次為厚度2.0～2.9 cm，占比13.9%；厚度3.0～3.9 cm，占比13.7%；厚度<1.0 cm，占比10.9%；厚度>6.0 cm，面積占比17.8%，主要分布在林場的東部特別是向北延展的區域，即落葉松林和白樺林分布區。地表枯落物厚度大，林火一旦引燃，地表火強度大，火焰高，延燒樹冠引燃樹冠火的機率大。

塞罕壩不同樹種地表枯落物厚度差異與樹種本身的生物學特性有關，由圖2 可知，不同樹種的森林地表枯落物特征存在差異。

圖2 不同樹種森林的地表枯落物Fig.2 Litter of different forests

3.2 塞罕壩林場不同郁閉度森林地表枯落物的差異

塞罕壩林場的總體郁閉度較大，均值為0.63（表1）。面積占比最大的郁閉度分級為0.70～0.79，占比23.3%，其后依次為郁閉度0.60～0.69，占比21.5%；郁閉度0.80～0.89，占比18.0%；郁閉度0.50～0.59，占比>11.3%；郁閉度大于0.90的林分面積占比達到7.5%。林分郁閉度大，則林內光照不足，林分自然整枝效果明顯，地表枯落物數量增多；同時，林火一旦被引燃，樹冠火發生概率大。

表1 不同樹種的不同齡組森林的面積占比、郁閉度、地表枯落物厚度Table 1 Percent of forest area,crown density and depth of litter of different forests

不同樹種森林的郁閉度范圍在0.54～0.68 之間，整體差異較小。白樺林郁閉度最大0.68，其次為落葉松林0.64，樟子松和其他林分郁閉度較小，分別為0.56 和0.54。

不同郁閉度森林的地表枯落物厚度存在差異。一般情況下，森林郁閉度大的森林，其地表枯落物較厚，如白樺近熟林郁閉度最高為0.71，地表枯落物厚度最大5.8 cm；白樺中齡林和幼林齡郁閉度分別為0.69、0.67，其枯落物厚度分別為4.8、4.1 cm。但是也有例外，落葉松林郁閉度高的地表枯落物厚度反而較小，如落葉松中齡林郁閉度為0.67，地表枯落物厚度為4.8 cm，過熟林郁閉度為0.60，而地表枯落物厚度為5.6 cm，主要是由于落葉松針葉難以腐爛分解的原因。

3.3 塞罕壩林場不同齡組森林地表枯落物的差異

塞罕壩林場森林的齡組集中在幼齡林、中齡林和近熟林（圖3），面積占比分別為32.71%、31.87%、30.85%，三者之和為95.43%；近熟林和過熟林面積占比較少，僅4.28%和0.29%。

圖3 塞罕壩林場不同齡組森林的面積占比Fig.3 Percent of forest area of different age groups in Saihanba forestry center

落葉松近熟林面積占比最大（表1），占所有落葉松林的49.01%，全部有林地的25.33%，且在林場內分布相對均勻；其次為中齡林，占所有落葉松林的26.83%，全部有林地的13.87%；幼齡林分別占20.15% 和10.41%；成熟林占比較小，分別占3.98% 和2.06%；過熟林很少。白樺中齡林占比最大，分別占所有白樺林和全部有林地的43.83%和11.11%，其次為幼齡林，分別占比為36.62%和9.28%；再次為近熟林，分別占比為14.22%和3.61%。樟子松中齡林和幼齡林占所有樟子松林的44.49% 和44.36%，二者總和占到樟子松林的88.85%。其他林分絕大部分為幼齡林，占比70.90%。

不同齡組森林的郁閉度都呈現隨林齡先增后降的趨勢（表1）。樟子松幼齡林的郁閉度為0.41，中齡林郁閉度增加到最大值0.69，近熟林下降到0.68，成熟林最小為0.63；其他林分幼齡林0.51，中齡林增加到0.56，近熟林達到最大為0.72，成熟林下降到最低為0.59；白樺幼齡林的郁閉度為0.67，中齡林增加到0.69，近熟林達到最大值0.71，而后成熟林下降到0.67，過熟林0.66；落葉松各齡組的郁閉度差異相對較小，幼齡林最小0.63，隨后中齡林郁閉度增加到最大值0.67，近熟林、成熟林和過熟林的郁閉度逐漸下降到0.63、0.62、0.60。

塞罕壩林場地表枯落物厚度隨林齡增加會逐漸增加，如落葉松幼齡林枯落物厚度為3.8 cm，中齡林增加到4.8 cm，近熟林為5.3 cm，成熟林和過熟林增加不多，分別為5.4 cm 和5.6 cm。樟子松幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林的枯落物厚度分別為1.1、2.9、2.6、3.0 cm，從幼齡林到中齡林變化很大，枯落物厚度增加了近2.0 cm，應該是林分郁閉度由0.40 增加到0.67 導致林內枯落物大量增加所致，中齡林到成熟林枯落物厚度僅有緩慢增加。其他林分的幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過熟林的枯落物厚度的變化趨勢與落葉松林和樟子松林相似，厚度分別為2.9、

3.5、4.0、4.4、4.3 cm。

白樺林地表枯落物厚度變化趨勢與以上林分不同，其幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過熟林的枯落物厚度的變化呈先增加后降低的趨勢，厚度分別為4.1、4.8、5.8、3.3、3.5 cm。這是由于白樺成熟林和過熟林中自然死亡林木增加，導致數量較少，加上它的葉片易碎、易腐爛，導致地表死可燃物較少。

3.4 塞罕壩林場地表枯落物對火災的影響

3.4.1 對地表火強度的影響

枯落物是地表火消耗的主要可燃物，枯落物厚，可燃物載量大，則火強度大。塞罕壩林場地表枯落物普遍較厚（表1），表明最易燃的有效可燃物載量極大，具有發生高強度地表火的潛在危險。

從枯落物厚度的角度，地表火強度最大的森林是落葉松林，其次是白樺林。落葉松林中枯落物最厚的是過熟林5.6 cm，其次是成熟林5.4 cm和近熟林5.3 cm。雖然落葉松近熟林的枯落物不是最厚的，但其面積占比是落葉松林的49.01%，全部有林地的25.33%，且林分郁閉度由中齡林的0.67 降到0.63，會使林內光照增強，地表可燃物含水率降低，枯落物更易燃燒，所以落葉松中齡林內枯落物一旦被引燃，地表火強度會最大。白樺近熟林的枯落物厚度5.8 cm，是所有白樺林中最厚的，也是地火表強度較大的林分。

3.4.2 對火災引燃的影響

枯落物含水率是林火能否被引燃的關鍵因素。林分郁閉度和枯落物密實度是影響枯落物含水率的重要因子。郁閉度低的林分，林內有更多的光照，枯落物更易干燥。密實度小的枯落物層含有較多的空隙，更易被引燃。

樟子松林郁閉度0.56，其他森林0.54，白樺林0.68 和落葉松林0.64。幼齡林郁閉度低，林內充分的光照使地表枯落物含水率低，且易滋生雜草，干枯后即成為極易燃的細小可燃物。樟子松幼齡林郁閉度僅0.41，地表枯落物大部分為干枯的林間雜草，易被引燃。雖然白樺林郁閉度高，但秋季樹葉全部脫落，干燥多風的春季和秋季使地表枯落物含水率大幅下降，易被引燃。

落葉松林枯落物主要是細密的針葉，密實度最大（圖2）；樟子松林為寒溫性常綠針葉林，每年僅有部分針葉脫落，地表枯落物厚度比落葉松林和樺樹林低，但由于樟子松針葉較大，枯落物密實度較小，一方面利于枯落物的干燥，另一方面也利于枯落物的引燃和燃燒蔓延[26]。白樺林枯落物主要是落葉，其密度實最小；同時隨著林齡增大，含油脂的樺樹皮大片干燥脫落，大大增強被引燃的概率[27]。

3.4.3 對樹冠火發生的影響

樹冠火一般由高強度地表火通過階梯狀可燃物延燒至樹冠而形成。人工林經營往往采取密植的方式，隨著林木生長，林分郁閉度快速增大，中下部枝條因得不到陽光而死亡，死枝仍存留在樹干上，變成極易燃的階梯可燃物，在發生高強度地表火時，即有引發樹冠火的隱患。

落葉松幼齡林地表枯落物雖然沒有近熟林厚（表1），但也有3.8 cm，地表火一旦被引燃，火強度也會很大，若此時幼齡林仍未修枝，引燃樹冠火的概率大大增加。林場最西端的三道河口分場基本都在塞罕壩國家級自然保護區范圍內，林內植被覆蓋率高且未進行修枝，樹冠火隱患大。

3.4.4 對林木的傷害

火對林木的傷害，除取決于火強度外，還決定于林木自身對火的抵抗能力。白樺自身萌蘗能力強，即使火燒死了地上枝干，其也可以通過根孽萌生出新的枝條。針葉幼樹對林火的抵抗力最低，一旦樹冠著火，必然死亡；隨著林木長大，樹冠層遠離地表，且樹皮增厚，中齡林、近熟林對林火的抵抗力逐漸增強。

快速生長的落葉松幼齡林，一般不會進行修枝，即使進行修枝，高度也不超過樹高的1/3，一旦發生地表火，極易灼燒至樹冠，導致幼樹死亡。樟子松幼齡林的情況尤其嚴重，因為其郁閉度很低，僅0.41，林內光照充足，地表枯落物含水率不僅低，還有大量干枯的雜草，是最易被引燃的林分。其他森林的幼齡林面積占比71%，林分郁閉度雖比樟子松幼齡林高，但也僅有0.51，屬較低林分郁閉度，林內較多的干枯雜草和低含水率的地表枯落物導致其易燃性高，林火一旦引燃，林木受傷害較大[28]。

4 結論與討論

塞罕壩林場森林中落葉松林占比超過50%，其次為白樺林（25%）和樟子松林（12%）。森林以幼齡林和中齡林為主，二者之和超過全部有林地的65%；近熟林占全部林地的31%，主要是落葉松林。森林郁閉度普遍較大，平均為0.63；地表枯落物較厚，平均為4.3 cm。從地表枯落物厚度的角度，潛在地表火強度最大的森林是落葉松近熟林，其次是白樺近熟林；最易被引燃的森林是樟子松幼齡林，其次是白樺過熟林和成熟林；最易引燃樹冠火的是未修枝的落葉松林和樟子松林；最易受傷害的是落葉松幼齡林和樟子松幼齡林。

塞罕壩林場所有林分中近熟林的郁閉度較大，幼齡林的郁閉度較小。幼齡林郁閉度低，林分光照充足，林內雜草生長旺盛，導致易燃細小可燃物數量增多，且含水率低，地表可燃物極易被引燃，形成地表火；同時，由于郁閉度低，林分整枝不良，存在大量階梯可燃物，地表火一旦引燃，易隨階梯可燃物延燒到樹冠，引發高強度樹冠火；幼齡林木樹皮薄，抗火性弱，且通常較矮，即使地表火也會導致針葉被灼傷甚至燒死，因此幼齡林易被引燃，且引燃后造成的林木傷害遠大于其他齡組的林分。

樹種生物特性差異，引起不同樹種林分地表枯落物差異，如落葉松林為寒溫性針葉落葉林，每年落葉，針葉狹小、細密，且死可燃物的分解較其他樹種緩慢，在林地表面易形成一層很密實的枯落物層。樟子松林為寒溫性常綠針葉林，每年針葉只部分凋落，所以枯落物積累速度會低于落葉松林。白樺為闊葉樹種，葉片較多，每年落葉，但白樺葉片比松針易碎、易腐爛，因此地表積累的死可燃物較多，但少于落葉松林。其他林分中多為闊葉林，每年落葉，枯落物厚度積累也較快。

地表枯落物是森林燃燒性的主要決定因子之一，對林火行為有著重要的影響[29]。本研究對表征有效可燃物載量的枯落物厚度進行了研究，取得了較好的研究結果，為評估林場不同森林的火災危險性提供了數據支撐。含水率是枯落物的另一個重要參數[13]，其與可燃物載量一起共同決定枯落物對火災的影響。本研究在論述枯落物厚度對火災影響時，同時描述了林分因子（林齡、郁閉度等）對含水率的影響，從枯落物載量和含水率二者耦合的角度分析不同森林的火災發生危險性。

塞罕壩林場地勢北高南低，呈現由北向南傾斜之勢，由壩緣山脈、高原丘陵和曼甸組成，總體上地形起伏不大，但不同小班間地形差異對枯落物厚度也會有一定的影響，本研究是在小班調查獲得枯落物厚度的基礎上重點評估現有不同樹種森林的火災發生危險性，下一步將開展地形對可燃物厚度的影響研究。

塞罕壩林場森林集中連片，一旦發生火災很難撲救，且火災發生最危險的季節是春季，風大且可燃物干燥；其次是秋季，而冬季森林地表被雪覆蓋，夏季為雨季，火災發生的危險性都很小。雖然林場集約經營，且高度重視森林防火工作，自建場至今未發生過成規模的森林火災[19]，但林內大量的易燃可燃物逐年累積，已使該區域具有了發生大規模森林火災的物質條件。在氣候變暖的背景下，林場森林火災的防控除人力和物力更多的投入外，還需加大林火科研的投入，研發科學的林火管理措施，結合營林撫育，開展修枝、清除地表雜草、計劃燒除、建設防火隔離帶等，從可燃物管理的角度防控森林火災的發生和降低潛在火災的危害[30-32]。