劉政沈泉周宇峰施擁軍羅民強(qiáng)

（1浙江省長興縣林業(yè)局 313100；2浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江臨安 311300）

木荷生長與防火效益的相關(guān)性研究

劉政1沈泉1周宇峰2施擁軍2羅民強(qiáng)1

（1浙江省長興縣林業(yè)局 313100；2浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江臨安 311300）

利用SPSS13和MATLAB7.0軟件綜合分析5個(gè)不同年齡段木荷的樹高、胸徑、枝下高和冠幅生長因子擬合木荷生長曲線，并綜合分析木荷樹高、胸徑、枝下高和冠幅生長因子，對木荷防火林帶開始正常發(fā)揮防火作用的初始防火年齡進(jìn)行確定，得到木荷產(chǎn)生良好作用的防火初始年齡為8年。通過對不同年齡木荷林分比較分析認(rèn)為，年齡對木荷防火存在顯著影響，生長良好的木荷林帶有利于森林防火。此外，還提出了木荷防火成熟齡。

木荷；生長模型；森林防火林帶；防火效益

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，影響著全球的生態(tài)環(huán)境。但森林經(jīng)常遭到各種自然和人為的災(zāi)害的破壞，在危害森林的諸因子中又以火災(zāi)危害最為嚴(yán)重。森林火災(zāi)既屬于自然災(zāi)害，又屬于人為災(zāi)害，具有突發(fā)性強(qiáng)、危害性大特點(diǎn)。大量研究表明，隨著全球氣溫的升高，火災(zāi)的頻率、破壞性會(huì)升高[1,2]。全球平均每年大約有0.1%的森林遭受火災(zāi)的影響[3]。由于森林火災(zāi)的破壞性大，特別是近年來世界各地不斷發(fā)生森林大火，不僅燒毀森林，造成森林退化、地表裸露、加速土壤侵蝕、影響生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)、增加大氣中CO2含量、導(dǎo)致全球氣溫升高等一系列環(huán)境問題。因此，如何防治森林火災(zāi)已受到當(dāng)今世界各國的備加關(guān)注。加強(qiáng)森林防火研究工作，最大限度地減少森林火災(zāi)造成的損失和危害，已經(jīng)成為當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期亟待解決的重要課題。

木荷生物防火林帶在預(yù)防、控制和減少森林火災(zāi)方面具有十分重要的作用，在我國南方一些地方生物防火林帶的建設(shè)已初具規(guī)模，在實(shí)踐中起到良好的防火作用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。木荷樹種具有如下主要特性:①葉厚、含水量高，樹皮厚，含灰分、油脂少，需熱性高；②適生能力強(qiáng)，生長較快，時(shí)效長；③萌芽能力強(qiáng)，恢復(fù)生長快；④枝葉茂盛，排它性強(qiáng)等[5]。雖然木荷著火溫度高、含水量大、熱值小、含灰分多，但是它在不同的年齡階段的各種物質(zhì)含量都是不一樣的[6]。含水量越大，油脂量越少，含灰分越多越難著火，因此要達(dá)到防火的最大效益，這些因素也必需達(dá)到最佳值。這就說明了不同年齡階段的木荷效應(yīng)是不一樣的。

對木荷林帶阻火機(jī)理的深入研究具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。但是，對木荷生長到什么年齡階段時(shí)開始具有良好的防火性能，在什么年齡階段是獲得了最佳防火性能，最終在什么年齡階段防火性能開始老化等的研究還較缺乏。而對木荷防火林帶不同生長期的阻火機(jī)理的比較研究又具有十分重要意義，本文針對這些問題展開研究。

1 研究地區(qū)概況

試驗(yàn)地選擇浙江省天目山、浙江省長興縣、浙江省建德市三個(gè)地點(diǎn)，都地處亞熱帶中部，具有典型的季風(fēng)氣候特點(diǎn)，氣候溫暖濕潤，四季分明，熱量流足，雨量充沛。

分三次調(diào)查了2、8、11、25、30年生5個(gè)不同年齡段的木荷林。其中2年生木荷林是在長興雉城鎮(zhèn)五豐村五豐水庫周邊山林，地理坐標(biāo)為E119°55′09″，N31°01′10″。8、25、30年生木荷林是2009年7月在浙江省建德林場姜塢山、教場后山和建德壽昌林場譚下村等地調(diào)查，地理坐標(biāo)為E 119°29′18″，N 29°33′05″。11年生木荷林是2009年4月在浙江天目山自然保護(hù)區(qū)調(diào)查，地理坐標(biāo)為E 119°12′22″，N 29°29′14″。每個(gè)不同年齡段的木荷樣地至少進(jìn)行了三次以上重復(fù)。

試驗(yàn)地木荷林帶都為人工種植純林，其種植密度平均為1.8m×1.8m。在木荷林分郁閉前進(jìn)行了人工除草撫育，2年生的進(jìn)行人工撫育，8年生以上林分已經(jīng)郁閉。木荷林內(nèi)基本沒有灌木和草本。與木荷林相鄰的林分一般都為易燃的馬尾松和杉木針葉林，其林內(nèi)物種較為豐富。灌草層主要有箬竹（Indocalamus latifolius）、繼木（Loropetalum chinense.）、山胡椒（Lindera glauca）、白櫟（Quercus fabric Hance）、紫藤（Wisteria sinensis）、掌葉覆盆子（Rubus chingii Hu）、油茶（Camellia oleifera Abel）、芒萁（Dicranopteris dichotoma）、菝葜（Rhizoma Smilacis Chinen）、絡(luò)石（Trachelospermum jasminoides）、山莓（Rubus corchorifolius）等。

2 研究方法

在木荷防火林帶選擇有代表性的地段，設(shè)置10m×10m的標(biāo)準(zhǔn)地。標(biāo)準(zhǔn)地面積因受林帶寬度限制，所以通過增加標(biāo)準(zhǔn)地?cái)?shù)來彌補(bǔ)面積過小帶來的缺陷。每個(gè)年齡段的木荷林標(biāo)準(zhǔn)地?cái)?shù)設(shè)12個(gè)，總的標(biāo)準(zhǔn)地?cái)?shù)為60個(gè)。記錄每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地的海拔高度、坡度、坡向、郁閉度等，調(diào)查喬木層的胸徑、樹高、郁閉度、枝下高、（南北、東西）冠幅等。由于木荷林內(nèi)基本沒有草灌，所以不對草灌層設(shè)置小樣方進(jìn)行調(diào)查。

3 結(jié)果與分析

木荷生長的優(yōu)劣在森林防火中起關(guān)鍵作用，生長良好、樹冠高大、枝繁葉茂、林分的郁閉度高將有利于阻擋地表火，特別是林冠火；而樹高矮化，枝葉稀疏，則不利于防火。因此，對木荷樹高生長進(jìn)行曲線擬合具有重要意義。

3.1 木荷的生長曲線擬合

表1為5個(gè)不同年齡段的木荷胸徑、樹高、枝下高和冠幅群落結(jié)構(gòu)因子平均值。

表1 不同年齡木荷群落結(jié)構(gòu)因子

利用SPSS13軟件對胸徑和樹高進(jìn)行非線性回歸分析，利用迭代方法估計(jì)非線性回歸模型[7]。

利用MATLAB7.1及最小二乘原理進(jìn)行編程[8,9]，采用經(jīng)典的生長理論方程[10]Logistic方程y=a/(1+be-ct)，對平均胸徑(D)、平均高(H)進(jìn)行曲線擬合。生長方程擬合的參數(shù)及殘差平方和(Q)、剩余標(biāo)準(zhǔn)差(S)、復(fù)相關(guān)系數(shù)(R2)見表2。從圖1可看出，Logistic方程擬合胸徑、平均高、枝下高和冠幅的生長效果都很好。

表2 Logistic生長方程擬合結(jié)果

圖1 Logistic方程擬合生長曲線

3.2 木荷防火初始年齡的確定

木荷防火林帶防火初始年齡的確定與樹高的生長有很大相關(guān)性。樹高生長的規(guī)律表明，當(dāng)樹高生長加速度達(dá)到極小值點(diǎn)時(shí)，樹高生長基本進(jìn)入生長穩(wěn)定狀態(tài)[11]。此時(shí)木荷的高度所對應(yīng)的年齡為初始防火年齡，而胸徑生長及樹冠生長也影響防護(hù)效益的發(fā)揮[12]，木荷的枝下高對防火也具有一定影響。因此本研究從樹高、胸徑及樹冠及生長模型確定防火初始年齡。

對于研究區(qū)的樹高生長方程采用Logistic方程擬合:

此模型反映了樹高與年齡的關(guān)系，其一階導(dǎo)數(shù)H′(A)為樹高連年生長量，其二階導(dǎo)數(shù)H″(A)為樹高生長的加速度，樹高生長加速度的極小值時(shí)對應(yīng)的林齡即為防護(hù)防火初始年齡，利用MATLAB進(jìn)行求導(dǎo)及非線性方程求解，求出H″(A)=0時(shí)的林齡為6.4675，取整為7年，將A=7代入原樹高生長方程得出防火初始年齡時(shí)的樹高即成林高H=5.3042，取整為6m。防火初始年齡及成林高的確定對防護(hù)林間距的設(shè)計(jì)具有重要意義。

對于研究區(qū)的胸徑生長方程采用Logistic方程擬合:

求出D"(A)=0時(shí)的林齡為8.8647，取整為9年，將A=9代入原樹高生長方程得出防火初始年齡時(shí)的樹高即成胸徑D=6.7513，取整為7cm。

冠幅生長方程采用Logistic方程擬合:

求出GF"(A)=0時(shí)的林齡為6.5674， 取整為7年，將將A=7代入原樹高生長方程得出防火初始年齡時(shí)的冠幅GF=2.2850，取整為2.3m。

枝下高生長方程采用Logistic方程擬合:

求出ZXG"(A)=0時(shí)的林齡為17.0805， 取整為18年，將A=18代入枝下高生長方程得出防火初始年齡時(shí)的冠幅ZXG=2.5013，取整為2.5m。

綜合分析樹高、胸徑、枝下高和冠幅木荷生長因子，得到樹高、胸徑和冠幅的防火初始年齡分別為7年、9年、7年；而枝下高的防火初始年齡為18年，但是，木荷作為防火林帶時(shí)起決定作用的林分因子是樹高和冠幅。因此，取防火初始年齡的平均值為8年。將A＝8分別代入Logistic生長方程得到樹高為6.1m；胸徑為6.0cm；枝下高為0.61m；冠幅為2.5m。

根據(jù)浙江省2004～2006年發(fā)生火災(zāi)的40個(gè)樣地的實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)（2006～2007年調(diào)查）得到平均樹高為6.3m，相比利用理論計(jì)算的木荷防火初始年齡計(jì)算值6.1m略小，但木荷防火林帶一般種植在山腰和山脊，主要防上山火，因此具有一定高度的優(yōu)勢。

此外還可以木荷生物防火林帶防火成熟齡的確定，其思路是木荷林分生物量的作為阻火燃料，當(dāng)生物量增長達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的年齡為防火成熟齡。

4 結(jié)論與討論

利用防火樹種營建的生物防火林帶能夠有效降低森林自身的燃燒性，降低森林火災(zāi)損失，同時(shí)能發(fā)揮多種效益。實(shí)踐證明，木荷是一種優(yōu)良的防火樹種，通過對不同年齡段的木荷調(diào)查分析得到以下結(jié)論:

綜合分析木荷樹高、胸徑、枝下高和冠幅生長因子，得到木荷防火初始年齡為8年。將年齡8代入Logistic生長方程，得到樹高為6.1m；胸徑為6.0cm；枝下高為0.61m；冠幅為2.5m。

對木荷林帶防火初始年齡的確定，由于受調(diào)查地的限制，只得到了5個(gè)年齡段的木荷生長因子，最好能夠獲得更多的不同年齡段的木荷，使結(jié)果更具意義。

此外，提出木荷生物防火林帶防火成熟齡的概念。其確定方法思路，是將木荷林分生物量作為阻火燃料，當(dāng)生物量增長達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的年齡為防火成熟齡。另外，下一步工作重點(diǎn)將是對試驗(yàn)區(qū)的木荷在不同的年齡階段的含水量，油脂含量，含灰分等分析，比較其變化特征。

[1]Kasischke E S， French N F， Bourgenu－Chavez L L， et al.Estimating release of Carbon from 1990 and 1991 forest fires in Alaska[J].Geoghys Res，1995（100）:2941－2951.

[2]Li Z，F(xiàn)raser R H，Jin J，et al.Evaluation of satellite －based algorithms for fire detection and mapping within North America[J].Geoghys Res，2003 （102）:1902－2001.

[3] Fraser R H，Li Z.Estimating fire－related Parameters in boreal forest using spot vegetation.Remote Sens[J].Environ.，2002，（82）:95－110.

[4]呂愛鋒，田漢勤，劉永強(qiáng).火干擾與生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，25（10）:2735－2743.

[5]林中大，付海真，練麗.木荷防火林帶效益初探[J].中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2006，25（2）:53－55.

[6]張萍.木荷地理種源變異及分子基礎(chǔ)[D].中國林業(yè)科學(xué)研究院，2004.

[7]李志輝，羅平主編.SPSS for Windows統(tǒng)計(jì)分析教程（第2版）[M].北京:電子工業(yè)出版社，2003: 289－294.

[8]羅建軍，楊琦.精講多練MATLAB[M].西安:西安交通大學(xué)出版社，2002:42－45.

[9]林雪松，周婧，林德新.MATLANB7.0應(yīng)用集錦[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:282－315.

[10]孟憲宇.測樹學(xué)（第2版）[M].北京:中國林業(yè)出版社，1995.

[11]姜鳳岐，朱教君，周新華，等.林帶的防護(hù)成熟與更新[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，1994，5（4）:337－341.

[12]李春靜，蔣仁忠.平原農(nóng)田防護(hù)林楊樹生長模型及應(yīng)用研究[J].信陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，18（3）:307－309.

S762.3+3

B

1004-7743（2015）01-0044-04

2014-12-13

浙江省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2010R50030）