全國森林可燃物載量樣地調(diào)查與預(yù)估方法探討

楊雪清,孫志超,柴 政,邱議文,蔣春穎

(1.國家林業(yè)和草原局林草調(diào)查規(guī)劃院,北京 100714；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團林業(yè)和草原工作總站,烏魯木齊 830011)

森林和草原火災(zāi)突發(fā)性強、破壞性大、危險性高,是全世界各國發(fā)生最頻繁、處置最困難、危害最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一[1-2]。同時,森林和草原火災(zāi)能夠在瞬間釋放大量CO2[1],是制約我國順利實現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和目標(biāo)的重大威脅。因此,加強對森林火災(zāi)的預(yù)測和風(fēng)險評估是各國學(xué)者長期關(guān)注的熱點話題之一[3-4]。可燃物、火源和氣象條件是森林火災(zāi)的三要素[5],可燃物載量是指單位面積上可燃物的烘干重量,在確定環(huán)境和氣象條件下,可燃物載量大小與林火發(fā)生的行呈顯著正相關(guān)關(guān)系[6]。

由于森林群落的多樣性、復(fù)雜性和顯著的地域性差異,導(dǎo)致可燃物載量存在著較大的空間和時間變異性,難以通過數(shù)學(xué)或機理模型精確量化[6]。樣地調(diào)查是當(dāng)前國內(nèi)外精準(zhǔn)獲取森林可燃物載量的重要方法之一,其與現(xiàn)有的森林資源調(diào)查體系(如一類、二類調(diào)查)相比[7-8],可燃物載量調(diào)查的程序和技術(shù)要求更加繁瑣、調(diào)查專業(yè)性更強[9],如果發(fā)生火災(zāi),對可燃物載量的調(diào)查則很難實現(xiàn)。因此,有必要針對我國森林資源特征設(shè)計一套高效可行的森林可燃物樣地調(diào)查與載量預(yù)估方法,進(jìn)而為森林火災(zāi)危險性、森林火災(zāi)隱患、森林火災(zāi)風(fēng)險的評估區(qū)劃，以及各種森林火災(zāi)防治手段的制定提供有利的數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

1 樣地分層抽樣

1.1 樣地分層要素

在全國森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,結(jié)合高分辨率遙感數(shù)據(jù),選擇植被區(qū)域、樹種(組)、森林起源、齡組、郁閉度等級5項指標(biāo)對全國森林可燃物調(diào)查類型進(jìn)行分層。

1)植被區(qū)域。根據(jù)吳征鎰[9]完成的中國植被區(qū)劃成果,中國植被可分為寒溫帶針葉林區(qū)域、溫帶針闊葉混交林區(qū)域、暖溫帶落葉闊葉林區(qū)域、亞熱帶常綠闊葉林區(qū)域、熱帶季雨林和雨林區(qū)域、溫帶草原區(qū)域、溫帶荒漠區(qū)域、青藏高原高寒植被區(qū)域等8個植被區(qū)域；考慮到可燃物調(diào)查主要在森林分布區(qū)域,將溫帶草原區(qū)域、溫帶荒漠區(qū)域合并為溫帶草原和荒漠區(qū)域,共分為7個區(qū)域,并依次編號。

2)樹種(組)。以省為單位,調(diào)查樹種(組)應(yīng)按優(yōu)勢樹種前2位合并后的樹種面積進(jìn)行統(tǒng)計,前85%樹種分別分層,剩余15%的面積較小的針葉樹種合并為針葉混,闊葉樹種合并為闊葉混,其他統(tǒng)一合并為針闊混交林3種植被類型,參與分層；采用2位阿拉伯?dāng)?shù)編號,代碼與編號方法同一類清查優(yōu)勢樹種(組)的分類代碼；其中,經(jīng)濟類樹種中園地、矮化無主干的經(jīng)濟林樹種不作為樣地調(diào)查樹種。對于胸徑≥2cm的竹林按喬木林對待,而胸徑<2cm的則按照灌木林對待。

3)森林起源。分為天然林、人工林、人天混3種,依次編號為1,2,3。

4)齡組結(jié)構(gòu)。分為幼齡林、中齡林、近熟林以及成過熟林4類,依次編號為1,2,3,4。

5)郁閉度等級。分為高郁閉度、中郁閉度以及低郁閉度3類,依次編號為1,2,3。

以上各指標(biāo)劃分參照《森林可燃物標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查技術(shù)規(guī)程》(1)全國森林和草原火災(zāi)風(fēng)險普查技術(shù)組.森林可燃物標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查技術(shù)規(guī)程(FXPC/LC F-01).2021.執(zhí)行。根據(jù)分層指標(biāo),對各省森林資源情況進(jìn)行分層,分層后按類型編號,喬木林標(biāo)準(zhǔn)地表示為:**植被區(qū)域**樹種(組)**起源**齡組**郁閉度等級,灌木林標(biāo)準(zhǔn)地表示為:**植被區(qū)域**樹種(組)**起源**0**郁閉度等級。用6位阿拉伯?dāng)?shù)字表示,每位數(shù)字代表相應(yīng)分層的類型號,如“212132”。

1.2 樣地數(shù)量分配

1)為了保證標(biāo)準(zhǔn)地數(shù)量能夠滿足模型擬合精度要求,同時兼顧標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查成本控制,全國面積最小層的標(biāo)準(zhǔn)地數(shù)量不應(yīng)少于50個,而面積最大層的標(biāo)準(zhǔn)地數(shù)量不超過150個。為了保證估算精度,通常還需額外增加10%的安全系數(shù)。

2)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)地數(shù)量和各層面積,計算每個標(biāo)準(zhǔn)地代表的面積,然后分別按各分層斑塊面積大小,分配標(biāo)準(zhǔn)地,斑塊面積達(dá)不到一個標(biāo)準(zhǔn)地所代表的面積時,可以多個斑塊合并后,在面積大小滿足要求并具有代表性的斑塊中設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地。

3)在各層分配標(biāo)準(zhǔn)地時,充分考慮地形要素,要將每層的標(biāo)準(zhǔn)地均勻分配在本層所有斑塊的坡度、坡位、坡向的斑塊中,并且保證標(biāo)準(zhǔn)地在每個要素類型中分配數(shù)量不少于3個。

2 可燃物載量調(diào)查

森林中的可燃物一般分為活可燃物和死可燃物[6]?；羁扇嘉镆话阒冈诹謨?nèi)生長的所有植被,包括喬木、幼樹、藤本、灌木、草本等；死可燃物一般指林分內(nèi)已經(jīng)死亡的枯立木、枯倒木、枯枝和地表調(diào)落物等。

2.1 喬木層可燃物載量

2.1.1樣地設(shè)置

喬木層標(biāo)準(zhǔn)地布設(shè)通常按正方形設(shè)置,面積為25.82m×25.82m(0.067hm2),閉合差小于1/200；當(dāng)坡度>5°時,還需要改算為水平距離。對標(biāo)準(zhǔn)地的人為和自然干擾要素(如采伐、火災(zāi)、病蟲害等)進(jìn)行全面調(diào)查,并記錄樣地的坐標(biāo)、海拔、坡度、坡向、坡位等因子。同時,用數(shù)碼相機(像素≥200萬)對樣地西南角和樣地全貌進(jìn)行拍照。照片采用拍攝時的絕對時間加上樣地坐標(biāo)進(jìn)行編號。

2.1.2樣地調(diào)查

調(diào)查并記錄樣地地形、林分等基本特征(表1)。每木調(diào)查主要測量樣地內(nèi)胸徑≥5cm的每株樹木(含枯死木)的樹種、胸徑和狀態(tài)等信息。根據(jù)每木檢尺數(shù)據(jù),計算林分的平均胸徑,并在樣地內(nèi)選擇3～5株平均木(胸徑接近林分平均胸徑)測定其樹高,進(jìn)而推算該樣地的林分平均樹高。需要注意,喬木層的起測胸徑為5.0cm。

對于胸徑≥5cm的枯立木,測定其胸徑、實際高度和分解狀態(tài)。枯立木的分解狀態(tài)依據(jù)大、中和小枝的狀態(tài)分為4個等級:1)與活立木相比,樹木的大、中、小枝基本完整,但只是枯死狀態(tài)；2)有大、中枝,但無小枝；3)只有大枝,中小枝全部脫落；4)只剩主干,而完全沒有枝。

對于枯倒木,記錄并測定枯倒木的材積和密度級。對枯倒木從樹根開始按1m進(jìn)行區(qū)分,分別測定每一區(qū)分段兩端的直徑,樹梢不足1m部分僅量測其梢底直徑和長度。假定每一區(qū)分段為圓柱體,以其兩端直徑的平均值作為區(qū)分段的平均直徑,計算每區(qū)分段的材積；樹梢部分的材積則按圓錐體進(jìn)行計算。圓柱體部分和圓錐體部分的材積合計即為整根枯倒木的材積:

(1)

表1 主要調(diào)查因子質(zhì)量要求表Tab.1 Quality requirements for main investigation factors

枯倒木的密度采用彎刀敲擊的方式將其可劃分為3個等級。當(dāng)用彎刀敲擊枯倒木時,如果刀刃反彈回來,則為未腐木；如果刀刃部分進(jìn)入枯倒木,則為半腐木；如果枯倒木裂開,則為腐木；如過為中空腐木,則應(yīng)扣除中空體積。

2.2 灌木層可燃物載量

2.2.1樣方設(shè)置

灌木層可燃物載量調(diào)查可采用固定樣地和新設(shè)樣地2種方法(圖1)。其中,固定樣地方法可依托一類調(diào)查樣地開展,分別在樣地的4個頂點(即東、南、西、北)向外移動2m,且每個角僅選擇向一個方向移動,且需保證所設(shè)置的樣方均在樣地各邊2m以外區(qū)域,避免對樣地內(nèi)原有植被破壞(圖1(a))。新設(shè)樣地為方形配置(25.82m×25.82m,圖1(b)),選擇距標(biāo)準(zhǔn)地每個角頂點2邊3m處設(shè)置4個灌木層、草本層、枯落物層和腐殖質(zhì)可燃物載量調(diào)查樣方。

圖1 一類清查樣地和新設(shè)樣地中灌木 草本 枯落物腐殖質(zhì)樣方配置圖Fig.1 Location map of shrub-,herb-,litter-and humus-layer quadrat in continuous forest inventory plot and new sample plot

枯落物層、草本層、腐殖質(zhì)樣方均為1m×1m,灌木層樣方為2m×2m。在調(diào)查前先對樣方進(jìn)行編號,按西南、西北、東北、東南,分別編號1,2,3,4。對每個樣方拍攝照片,包括景觀照、俯視全貌照、近景照。同時,在收獲及樣品采樣前后,分別拍攝樣方俯視照、樣方收割后俯視照等2類相片,照片采用絕對坐標(biāo)加絕對時間進(jìn)行編號。

2.2.2樣方調(diào)查

調(diào)查灌木層優(yōu)勢種的種名、蓋度、平均高、地徑、株數(shù)等(表2)。對直徑<5.0cm的幼樹仍按灌木進(jìn)行調(diào)查。根據(jù)樣方中灌木根徑和高度的平均水平,選擇3株標(biāo)準(zhǔn)灌木進(jìn)行收獲,并測定其地上部分的樹干、樹枝和樹葉的鮮重,稱量精度保留到稱量儀器的最小刻度(10g),記錄選取的3株標(biāo)準(zhǔn)灌木種名、高度、地徑等因子。如果灌木為叢生狀,則應(yīng)根據(jù)樣方內(nèi)所有灌叢高度和冠幅的狀態(tài)選取1～2叢平均灌叢,并采用完全收獲法測定其各器官(即干、枝、葉)的總鮮重、樣品鮮重和樣品干重。灌木樣方調(diào)查內(nèi)容如表2所示。

表2 灌木樣方調(diào)查內(nèi)容Tab.2 Contents of shrub-layer quadrat survey

2.2.3樣品采集

每個樣方選取3株平均大小的標(biāo)準(zhǔn)灌木,分別取每株灌木的樹干、樹枝和樹葉相同質(zhì)量比10%～20%混合,同一標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)4個樣方按照灌木樹種分別混合取樣,混合后的每份樣品不少于500g。樣品采集好后,分別放入樣品包裝袋內(nèi)并附上統(tǒng)一編號的標(biāo)簽。樣品標(biāo)簽應(yīng)寫明采集人、采集日期、采集地點、樣地號、樣方號、樣品類型等相關(guān)內(nèi)容。

2.3 草本層可燃物載量

在每個草本層樣方內(nèi),沿地面完全收獲每個樣方所有活草本植物和高度不足30cm灌木的地上部分。充分混合標(biāo)準(zhǔn)地所有樣方草本植物干、枝和葉各部分,取混合后新鮮草本植物300g左右,裝入樣品包裝袋中并貼上標(biāo)簽。標(biāo)簽應(yīng)寫明采集人、采集日期、采集地點、樣地號、樣方號、樣品類型等相關(guān)內(nèi)容。

2.4 枯落物層可燃物載量

用工具收集樣方內(nèi)全部枯落物,包括各種枯枝、枯葉、枯果以及半分解部分等枯死混合物,并剔除其中土塊、石礫等非有機物質(zhì)。根據(jù)枯落物直徑(d)大小,將其劃分為3個等級:枯落物Ⅰ(d<0.6cm);枯落物Ⅱ(0.6cm≤d<2.5cm);枯落物Ⅲ(2.5cm≤d<7.62cm)。

在各樣方內(nèi)對每類枯落物分別稱其鮮重,并將樣地內(nèi)所有樣方各類枯落物樣品分別混合取樣,取混合后的枯落物200g左右,裝入樣品包裝袋中,貼上標(biāo)簽。標(biāo)簽應(yīng)寫明采集人、采集日期、采集地點、樣地號、樣方號、樣品類型等相關(guān)內(nèi)容。

2.5 腐殖質(zhì)層可燃物載量

調(diào)查腐殖質(zhì)層厚度,采用完全收獲法收獲每個樣方內(nèi)腐殖質(zhì),剔除腐殖質(zhì)中石礫、土塊、明顯的樹根等非腐殖質(zhì),測定和記錄樣方內(nèi)腐殖質(zhì)濕重,并將所有樣方樣品混合取200g樣品帶回實驗室。

3 可燃物載量計算

3.1 喬木層可燃物載量

對有異速生長方程的樹種,選擇相應(yīng)樹種(組)異速生長方程,計算單株生物量,相加得標(biāo)準(zhǔn)地可燃物載量,其中,異速生物量模型形式和構(gòu)建要求參照文獻(xiàn)[10]。對沒有相應(yīng)異速生長方程的樹種,以標(biāo)準(zhǔn)地每木調(diào)查結(jié)果為基礎(chǔ),選用各樹種材積公式,計算單木并匯總得到標(biāo)準(zhǔn)地蓄積量,再選用生物量擴展因子方法計算得到標(biāo)準(zhǔn)地可燃物載量,其中,生物量擴展因子模型可參照文獻(xiàn)[11]。對活立木,利用對應(yīng)樹種的活立木可燃物載量異速生長方程計算其地上部分可燃物載量,然后乘以1-ρ值作為枯立木可燃物載量。對于各等級枯立木,ρ的取值可分別為2%(Ⅰ類)、20%(Ⅱ類)、30%(Ⅲ類)和50%(Ⅳ類)。對于枯倒木,可利用各樹種的基本密度和材積數(shù)據(jù),求出各密度級枯倒木的可燃物載量(某密度級枯倒木木材密度×該密度級枯倒木體積),最后累加各密度級枯倒木可燃物載量得到樣地枯倒木的可燃物載量。

將標(biāo)準(zhǔn)地喬木層生物量(kg)換算成以噸(t)為單位的每公頃喬木層可燃物載量:

(2)

式中:Bt為喬木層單位面積生物量(t/hm2)；Bp為樣地生物量(kg)；Ap為樣地面積(m2)。

3.2 灌木層可燃物載量

根據(jù)各樣方調(diào)查得到的灌木株數(shù)/叢數(shù)、樣品鮮重、樣品干重等數(shù)據(jù),按下式計算各樣地的灌木總干重:

Bg,i=Ng,i×Bb,i=Ng,i×Pg,i×Wg,i

(3)

式中:Bg,i為標(biāo)準(zhǔn)地中第i個樣方的灌木總干重；Ng,i為標(biāo)準(zhǔn)地中第i個樣方的樣方內(nèi)灌木株數(shù)或叢數(shù)；Bb,i為標(biāo)準(zhǔn)地中第i個樣方內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)灌木的總干重；Pg,i為標(biāo)準(zhǔn)地中第i個樣方內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)灌木的干鮮比；Wg,i為標(biāo)準(zhǔn)地中第i個樣方內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)灌木的總鮮重。

如果標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)灌叢間的大小差異很大,可以在上式中增加冠幅、高度等因子進(jìn)行換算,提高計算精度。得到的標(biāo)準(zhǔn)地所有樣方的灌木總干重(kg),按下式求出灌木層單位面積可燃物載量。

(4)

式中:Bg為標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)灌木可燃物載量(t/hm2)；m為標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)灌木樣方的數(shù)量；Ag為灌木層的樣方面積(m2)。

3.3 草本層腐殖質(zhì)層可燃物載量

根據(jù)樣地內(nèi)各草本層(或腐殖質(zhì)層)中調(diào)查樣方內(nèi)總鮮重、樣品鮮重和樣品干重3項數(shù)據(jù)推算各樣方草本層(或腐殖質(zhì)層)的總干重:

Bq,i=Pq,i×Wq,i

(5)

得到標(biāo)準(zhǔn)地所有樣方枯落物總干重(kg),按下式求出不同種類枯落物的單位面積可燃物載量:

(6)

式中:Bq為標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)草本層或腐殖質(zhì)層的可燃物載量(t/hm2);Bq,i為標(biāo)準(zhǔn)地中第i個樣方的草本層或腐殖質(zhì)層的總干重；Wq,i為標(biāo)準(zhǔn)地中第i個樣方內(nèi)草本層或腐殖質(zhì)層的總鮮重；Pq,i為標(biāo)準(zhǔn)地中第i個樣方內(nèi)草本層或腐殖質(zhì)層的干鮮比；n為標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)草本層或腐殖質(zhì)層的樣方數(shù)量；Aq為草本層或腐殖質(zhì)層的樣方面積(m2)。

4 結(jié)語

在已有國家森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)和高分辨率遙感圖像的基礎(chǔ)上,本研究選用植被區(qū)域、樹種(組)、起源、齡組、郁閉度等級等5項指標(biāo)進(jìn)行森林可燃物的樣地分層抽樣；對喬木層,采用每木調(diào)查并結(jié)合異速生物量模型或生物量擴展因子方法進(jìn)行可燃物載量的估計,而對灌木層、草本層、枯落物層和腐殖質(zhì)層則通過樣方調(diào)查和樣品含水率數(shù)據(jù)估算其可燃物載量。該方法已在第一次全國自然災(zāi)害綜合風(fēng)險普查中得到應(yīng)用,在后續(xù)研究中,可在收集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上嘗試構(gòu)建各層(如灌木層、草本層等)與喬木層可燃物載量、林分、地形等因素間的預(yù)估模型,進(jìn)而實現(xiàn)這4個層次可燃物載量的快速預(yù)估,以期為大范圍可燃物載量的空間制圖和森林火災(zāi)風(fēng)險評估提供參考。