浅析白桦林森林火灾燃烧损失的生物量综述.docx

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浅析白桦林森林火灾燃烧损失的生物量综述

浅析白桦林森林火灾燃烧损失的生物量

1绪论

1.1引言

随着人类社会的进步和科学技术的发展，人们对森林火灾影响的认识也在不断地深入。

森林火灾作为一种外部干扰因子，改变植物及其群落的发育和生长，控制和调节植物间的相互作用[1]，影响森林演替[2]、森林生物量和生产力[3]和生物地球化学循环[4]。

近年来，由于温室气体的增加而导致的全球变暖现象日益明显，由此导致的森林火灾频率大大加强，针对该问题展开的科学研究工作也日益增加，对陆地生态系统固碳和碳释放的相关研究需要对森林火灾燃烧损失的生物量研究作为基础。

本文尝试着研究计算吉林白桦实际燃烧损失的生物量的方法。

1.2研究内容

估算白桦林森林火灾燃烧损失的生物量；

1.3研究目的和意义

森林是陆地生态系统的主体，在全球碳平衡中发挥着重要作用。

森林碳储存是关于陆地生态系统净碳汇饱和的关键，现已成为森林生态系统与全球变化研究的重点和热点科学问题之一。

而森林火灾尤其是重特大森林火灾的频繁发生不仅使自然生态系统遭到破坏，同时也造成了含碳温室气体的大量释放，对全球环境影响巨大。

科学估算吉林省白桦林森林火灾燃烧损失的生物量具有为计算林森林火灾碳和含碳气体释放量和进一步研究森林火灾对大气碳平衡提供必要的基础数据的贡献。

2研究区域概况

吉林省位于中国东北区的中部，地处北纬40°52′~46°18′，东经121°38′~131°19′，东部与俄罗斯接壤，东南以图们江和鸭绿江为界，与朝鲜民主主义人民共和国隔江相望，南邻辽宁省，北邻黑龙江省，西接内蒙古自治区。

东西长约650公里，南北宽约300公里，平面轮廓略呈西北窄东南宽的狭长形。

面积为18.74万平方公里，约占全国总面积的2％。

吉林省东踞长白山地，西卧松辽平原，第二松花江自东而西流贯全境，最高点长白山白云峰，海拔2691米，也是我国东北区的最高峰。

全省绝大部分地区属温带湿润、亚湿润大陆性季风气候。

东部山地森林茂密，西部平原草原辽阔，耕地连片，自然景观具有明显的地带性[6]。

2.1地质地貌

吉林省地处欧亚大陆的东部，大地构造跨越中朝准地台和天山-兴安地槽褶皱区两大构造单元。

中生代以来，地壳运动异常活跃，属于中国东部大陆边缘活动带，随着地质环境的演化，沉积作用、构造运动、岩浆活动和变质作用不断发生，形成了吉林省境内的沉积岩、岩浆岩和变质岩，发育了不同时代，不同规模及不同方向的褶皱和断裂构造，并形成了相应的矿产资源。

随着地质历史的推移，各种类型的岩石和不同规模的构造，构成了吉林省现代自然地理环境的地质基础[6]。

吉林省地势由东南向西北降低，以中部大黑山的西麓为界，可分为东部山地和西部平原两大地貌单元。

东部山地约占全省面积的60%。

西部平原约占全省面积的40%。

东部山地属东北东部长白山地的中段，主要由数列东北-西南走向的山脉组成，山脉之间常有宽谷盆地，构成盆—山地形。

张广才岭和龙岗山及其以东以中山为主，以西多为低山丘陵。

火山熔岩流地貌在山地中有较大比重。

位于珲春市东端的图们江沿岸，临近日本海，海拔4米左右，为吉林省境内最低处。

西部平原属松嫩平原的南段并包括松辽分水岭和辽河平原的北缘，平原西部直抵大兴安岭山麓。

平原的东部以波状起伏的冲积洪积台地和泛滥平原为主；西部以开阔平坦的冲积平原为主，并覆盖有大片低缓的沙丘，构成城子与甸子相间分布的沙地景观。

平原、台地海拔多在100—260米[6]。

2.2气候条件

吉林省从东南向西北由湿润气候、半湿润气候到半干旱气候呈有规律地变化。

吉林省处于北半球中纬度地区，最北为46°18′N，最南为40°52′N，南北跨纬度5度有余，恰居中温带。

亚洲大陆和太平洋的海陆差异，使吉林省的气压、温度、降水、风等气候要素均有明显的季节变化，为典型的温带大陆性季风气候[6]。

吉林省年总太阳辐射量变化在4500—5100MJ/m2·a。

太阳辐射在各纬度的分布不均形成吉林省南部无霜期长，热量大于北部。

吉林省月总辐射量最大值和月总辐射最小值分别出现在5月和12月份。

吉林省高空受西风环流控制，近地面则为季风环流，处于海洋气团与大陆气团的过往角逐地带。

吉林省活动的主要环流系统有温带气旋、反气旋、副热带高压等。

吉林省气温年较差约在33—44℃之间，平均气温日较差为11.4—13.6℃，最大日较差约为15.6℃，最小日差约为3.3℃。

吉林省气候大陆性的程度一般随经度自东向西增大；年、日较差则随纬度的增高而增加。

吉林省各地年日照时数在2200—3000小时之间，西部平原地区各县年日照时数均大于2800小时；中部在2500-2800小时之间；东部的山区为2200-2500小时。

最冷月（1月）平均气温为-15—-19℃，平均最低气温为-20一-27℃。

年极端最低气温，平原区为-30~-35℃左右，山区为-40℃左右。

最热月7月，浑春为8月。

平均气温，白城、长春、四平、吉林四个地区和通化地区南部为22—24℃。

延边地区和通化地区北部，热月平均气温也在20℃以上，只有长白山为18.4℃，安图和敦化均为19.8℃。

年极端最高气温多在35℃以上，白城为40.6℃。

吉林省各地无霜期在120—160天间，平原地区为140—160天。

山区一般为120—140天。

一般地区于9月下旬见霜，高寒山区9月上旬或8月下旬即可见霜；终霜期多在5月上旬或中旬。

吉林省年平均地表温度在4—8℃之间。

最高年平均地表温度为7.8℃[6]。

吉林省降水量的分布有自东南向西北递减的规律。

在白城、通榆、洮南、镇赉一线以西，降水量小于400mm，中部平原区，年降水量为400—700mm，东部低山丘陵区为600—700mm，海拔千米左右的地区为700—1000mm。

最大连续无降水日数通榆最长，为104天。

一日最大降水量磐石最多，为188.8mm。

吉林省雨量变率比较大，多在15—20%之间。

吉林省降水有5—8个月的时间以固体形式降落。

最大积雪深度多出现在10、11月或2、3月。

吉林省相对湿度的分布与降水量的分布一致，吉林省年平均相对湿度为58—72%，最小相对湿度为58%，最大相对湿度为86%。

吉林省年平均蒸发量在1033—1897mm之间。

全省蒸发量一般5月最大，1月最小，和相对湿度5月最小，1月最大正好相反。

吉林省历年平均气压的分布比较稳定，一般变化在968—996hPa之间。

吉林省年平均风速一般为2—5m/s。

其中以西部平原区最大，年平均风速为3.4—3.8米／秒，东南部山区风速偏小，年平均风速为1.4—3.2m/s。

最大平均风速出现在4月为6.5m/s。

最小年平均风速出现在8月，只有1.lm/s。

吉林省位居西风带，终年以偏西气流为多，最大风速的风向为西北或西南，最多风向频率是西南风[6]。

2.3土壤条件

吉林省主要土壤有森林土壤、草原土壤、耕地土壤。

吉林省的土壤共分为18个土类和50个亚类。

其东部山地的土壤从高到低依次出现山地苔原土、棕色针叶林土和山地暗棕色森林土。

全省从东到西依次形成暗棕壤、黑土、黑钙土、淡黑钙土、栗钙土等五个地带性土壤。

此外，草垫土、沼泽土等非地带性土壤全省各地区均有分布。

白浆土分布于东部山区，盐土、碱土及沙土在吉林省中西部平原分布较广[6]。

根据水热条件和地表结构对土壤区域分异的影响，吉林省的土壤分为：

东部山地暗棕壤区（长白中山低山暗棕壤、白浆土亚区，吉东低山丘陵暗棕壤、白浆土亚区），中西部平原黑土、黑钙土区（东部山前台地黑土亚区，中部平原黑钙土亚区，西部平原淡黑钙土、沙土亚区），西北部大兴安岭山前台地栗钙土区[6]。

2.4植被状况

吉林省东部为山地，西部为平原，海拔高差较大，气候也相差悬殊。

南部与华北植物区系相接，西部与蒙古植物区系交错过渡。

据不完全统计，全省有2400余种，隶属239科，879属。

其中种子植物有111科，510属，1500余种；裸子植物有3科8属，15种；苔藓植物有47科，150属，200余种；蕨类植物有23科，40属，110余种；真菌有37科，131属，400余种；地衣有18科，40属，180余种[6]。

植物生活型有乔木、灌木、草本和藤本植物。

乔木中有针叶树、阔叶树，针叶树种中有松科的红松、鱼鳞云杉、红皮云杉、臭松、沙松、赤松和长白落叶松、偃松等，还有引种的樟子松和油松，柏科的侧柏和桧等。

阔叶树种种类繁多，有山毛榉科的蒙古栎、辽东栎和槲栎；椴树科的紫椴和糠椴；桦木科的白桦、枫桦、黑桦和毛赤杨、水冬瓜等；槭树科的色木槭、青楷槭等；胡桃科的胡桃楸；杨柳科的山杨、白杨、河柳、黄柳等，还有榆科的春榆、果榆、翼枝榆、家榆等；豆科的怀槐；芸香科的黄檗，木樨科的水曲柳、花曲柳等。

灌木植物绝大多数是被子植物。

有豆科的紫穗槐和多种胡枝子；桦木科榛属的榛子、毛榛。

常见的林下灌木还有虎耳草科的薄叶山梅花、溲疏和多种茶藨，五加科的刺五加和五加，忍冬科的接骨木、荚迷和多种忍冬以及蔷薇科的悬钩属、珍珠属、绣线菊属中的多种植物。

草本植物种类繁多，有种子植物、苔藓植物和蕨类植物。

其中种子植物最多，有禾本科、莎草科、灯心草科、百合科、兰科、鸢尾科、香蒲科、天南星科等88科1000余种。

苔藓植物有泥炭藓科、曲尾藓科、塔藓科、垂枝藓科和雨藓科等47种。

蕨类植物有石松科、薇科、蹄盖蕨科、金星蕨科、叉蕨科、铁线蕨科和水龙骨科等19科[6]。

吉林省各地的自然条件差别较大，因而植被类型也较多，有森林、草原、森林草原，还有草甸和沼泽。

人工植被有农田防护林和栽培植物群落的园林等。

吉林省的森林有天然和次生林。

天然林有红松阔叶混交林、鱼鳞云杉暗针叶林、岳桦林、落叶阔叶杂木林、蒙古栎林、山杨林、白桦林、水胡林和长白松林等。

人工林有落叶松林、油松林、杨树林、红松林、樟子松林和农田防护林等[6]。

本文研究是白桦林。

白桦属桦木科，是阳性树种，耐干旱、寒冷，在兴安岭（吉林省）海拔300-800米山地上，到处都有它生长，常与落叶松或樟子松混交，构成林分中的第二层林木。

白桦萌发力很强，在采伐或火烧迹地上，很快就能长起来，成为次生林。

白桦树木质坚韧，组织细密，用途很广，可供家具、矿柱、薪炭等用，树皮尚可提炼“桦皮油”。

白桦皮与众不同，用刀子一划，就能一层层地剥下来，可以制成各种小巧玲珑的生活用具和工艺品[7]。

3研究方法

3.1白桦林地上损失生物量的估算

3.1.1白桦林成林损失生物量的估算

吉林省森林火灾资料提供了林分损失的蓄积，却没有给出各白桦林的生物量信息。

因此，为了推算白桦林总的生物量需要建立蓄积量（Xv）与生物量（Yb）之间的换算关系。

本文采用的生物量计算方法为方精云（1996）的蓄积量-生物量关系模型，见式

（1）：

（1）

式中

——林分蓄积（m3）；

——林分生物量（t）；a和b均为参数，在这里采用方精云等（1996）计算的我国森林生物量的基本参数，见表1。

表3-1各森林类型的蓄积量-生物量模型

Table3-1Modelparametersbetweenvolumeandbiomass

森林类型

地上生物量/总生物量

蓄积量（V）与生物量（B）之间关系V-B（B=aV+b）a/b/R/n

红松林

0.81

0.5185/18.22/0.953/17

落叶松林

0.83

0.967/5.7598/0.99/8

云、冷杉林

0.80

0.4642/47.499/0.99/13

樟子松林

0.76

B=1.11V

其他松类

0.80

0.5168/33.2378/0.97/15

柏木类

0.78

0.6129/26.1451/0.98/11

针阔混交林

0.79

0.8019/12.2799/0.998/9

杨树

0.86

0.4754/30.6034/0.929/10

桦树

0.73

0.9644/0.8485/0.977/4

栎类

0.74

1.3288/-3.8999/1.00/3

阔叶混交林

0.83

0.6255/91.0013/0.93/19

杂木

0.79

0.7564/8.3103/0.0986/11

3.1.2白桦林下幼树损失生物量的计算

所谓幼树是指胸径未达到检尺径阶（5cm），针叶树树高30cm、阔叶树高100cm以上[9]。

林分中有相当一部分林木未达到森林资源调查所规定的起测径阶。

在森林资源清查时一般不对这一部分林木进行蓄积量调查，其蓄积记录显示为零，这样所测得的林分蓄积量与林分实际所拥有的蓄积量相比显然偏小，特别是当林分中所有林木个体的胸径全部都未达到起测径阶时，则林分的蓄积为零，而这类林分实际上每一个体都拥有一定的生物量，此时由蓄积量所估算出的林分生物量与实际情况将相差甚远。

解决这一问题的可行办法是对各森林类型中的幼树蓄积进行修正[10]。

吉林省森林火灾资料对于损失幼树这方面只给出了损失幼树株数，因此本文的白桦林下幼树蓄积量是根据吉林省一元立木材积表[11]中的起测径阶（6cm）所对应的材积的1/2乘以燃烧面积上的损失株数获得。

根据吉林植被[12]总结出森林类型林下幼树种类。

本文中白桦林下幼树属于阔叶林下的二阔（这里的二阔是指吉林省一元立木材积表中规定的色木和杂木）。

3.1.3白桦林燃烧损失地上生物量的估算

根据Seiler和Crutzen（1980）提出的估算模型计算燃烧损失的地上生物量，见公式

（2）：

（2）

式中

——生态系统燃烧消耗的生物量（t）；

——燃烧的面积或火灾面积（hm2）；

——未燃烧前该生态系统单位面积具有的有机物质，即生物量（t/hm2）；

——地上部分生物量占总生物量的比例；

——生物量燃烧效率。

燃烧效率（

）是估计森林火灾释放含碳气体量的关键，同时也是一个争议比较大的参数，自从Wong第一次提出燃烧效率[13]，就引起了争议[14]。

尽管不同作者引用的燃烧效率不同[15]，但比较一致的意见是燃烧效率介于0.1~0.5之间（见表2）。

对燃烧效率范围的合理解释有两种：

生物量的大部分集中在树干，并不完全被就地燃烧[15]；在热带的森林砍伐和刀耕火种中，大部分植物体被用作木材或燃料，带出燃烧地[16]。

无论如何，目前比较可靠的燃烧效率的实际调查资料很少，只见到Fearnside等在巴西热带雨林的调查[17]。

他发现树干、枝、叶的燃烧效率分别为39%，92%和100%[35]。

需要说明一点的是燃烧效率与森林类型、火灾性质有关，更合理的估计只有从大量实际调查中才能得到[1]。

吉林省森林火灾资料提供了每次燃烧面积上的立木蓄积（Xv），根据方精云蓄积量-生物量模型公式可以得到燃烧面积上的白桦林的总生物量（Yb）。

然后按照公式

（2），只要用白桦林总生物量（Yb）乘以地上部分生物量占总生物量的比例（a）（表1），再乘以燃烧效率（b）就得到损失的白桦林地上生物量。

本文所用的吉林省白桦林的燃烧效率为温带森林和北方林的燃烧效率0.09~0.12的估计范围[11]，见表2。

表3-2不同植被的燃烧效率

Table3-2Thecombustionefficiencyofvariousvegetation

生物群系

燃烧效率

热带森林

温带森林和北方林

地上植被

土壤有机层

0.20~0.25

0.09~0.12

0.20~0.3

0.1~0.9

4研究结果与分析

4.1白桦林森林火灾燃烧损失乔木地上生物量

表4-1吉林省1969～2010年间白桦林森林火灾引起的乔木地上损失生物量/t

Table4-1ConsumedbiomassbybirchforestfiresinJilinprovincefrom1969to2010

年份

成林地上生物量

幼树地上生物量

乔木地上生物总量

乔木地上燃烧损失生物量

1969

227.31

426.09

653.41

7.18~78.41

1970

2.03

671.85

673.88

60.65~80.87

1971

1975.37

275.73

2251.10

202.60~270.13

1972

35.82

30.34

66.16

5.95~7.94

1973

25052.53

105.83

25158.36

2264.25~3019.00

1974

3139.81

421.01

3560.82

320.47~427.30

1975

6966.11

12.60

6978.71

628.08~837.45

1976

119471.46

6.64

119478.10

10753.03~14337.37

1977

2529155.21

1266.31

2530421.52

227737.94~303650.58

1978

580775.67

9920.73

590696.40

53162.68~70883.57

1979

1156.22

76.73

1232.95

110.97~147.95

1980

17.52

104.05

121.56

10.94~14.59

1981

12.59

6.94

19.53

1.76~2.34

1982

173.10

236.92

410.03

36.90~49.20

1983

129.45

26.70

156.15

14.05~18.74

1984

1.32

6.57

7.89

0.71~0.95

1985

2.03

6.57

8.59

0.77~1.03

1986

0.62

6.60

7.22

0.65~0.87

1987

0.62

6.57

7.18

0.65~0.86

1988

0.62

6.57

7.18

0.65~0.86

1989

0.62

6.57

7.18

0.65~0.86

1990

0.62

6.57

7.18

0.65~0.86

1991

0.62

6.57

7.18

0.65~0.86

1992

0.62

6.57

7.18

0.65~0.86

1993

0.62

6.57

7.18

0.65~0.86

1994

0.62

6.77

7.39

0.66~0.89

1995

0.62

6.57

7.18

0.65~0.86

1996

0.62

6.57

7.18

0.65~0.86

1997

0.62

6.57

7.18

0.65~0.86

1998

0.62

6.57

7.18

0.65~0.86

1999

0.62

6.57

7.18

0.65~0.86

2000

0.62

6.57

7.18

0.65~0.86

2001

0.62

6.57

7.18

0.65~0.86

2002

0.62

6.57

7.18

0.65~0.86

2003

0.62

6.57

7.18

0.65~0.86

年份

成林地上生物量

幼树地上生物量

乔木地上生物总量

乔木地上燃烧损失生物量

2004

0.62

6.57

7.18

0.65~0.86

2005

38.64

6.57

45.20

4.07~5.427

2006

0.62

6.57

7.18

0.65~0.86

2007

0.62

6.57

7.18

0.65~0.86

2008

0.62

6.57

7.18

0.65~0.86

2009

0.62

6.57

7.18

0.65~0.86

2010

0.62

6.57

7.18

0.65~0.86

总计

3268347.06

13765.98

3282113.04

295390.17~393853.56

吉林省1969-2010年间白桦林森林火灾损失的乔木地上生物量为295390.17~393853.56t，年均为7033.10~9377.47t。

1982与1983年之间是个分界点（表4-1），白桦林森林火灾引起的乔木地上生物量损失主要集中在1969-1983年间，这期间损失的生物量为295369.08~393825.44t，占估算时间内总生物量损失的99.99%。

杨美和等[8]曾报道过在建国初期至70年代的传统防火阶段，由于没有建立起各个森林防火环节协调运作的体系，预防和扑救效能低下，重特大森林火灾频发，林火发生次数最多在60年代；森林火灾受害最重是70年代。

损失地上生物量最多的两个年份为1977年和1978年，1977年的损失量达227737.94~303650.58t，占总损失的77.10%；1978年的损失量达53162.68~70883.57t，占总损失的18.00%，两年共占总损失的95.10%。

总体上看，1969-2010年间吉林省白桦林燃烧区域中，幼树地上总生物量为13765.98t，成林地上总生物量为3268347.06t。

其中幼树占0.42%，成林占99.58%。

1969-2010年间吉林省白桦林燃烧区域的幼树地上生物量在1977年和1978年分别达到了1266.31t和9920.73t，超过了火灾集中年份（1969-1983）中1969、1970、1972、1979、1980、1981、1982和1983年的成林地上损失量。

另外，在1984~2010年间，除了2005年，其他年份中幼树地上生物量均超过了同年份的成林地上生物量。

可见在森林火灾总损失中，幼树也占有相当的份量。

因此，对森林火灾燃烧损失生物量的估算中，对幼树的忽略将在一定程度上导致估算结果偏小，进而影响估算的准确性。

5结论与讨论

5.1结论

5.1.1白桦林森林火灾损失地上生物量

吉林省1969-2010年间白桦林森林火灾损失的乔木地上生物量为295390.17~393853.56t，年均释放量为7033.10~9377.47t，生物量损失主要集中在1969-1983年间，为295369.08~393825.44t，占估算时间内总生物量损失的99.99%。

损失生物量最多的两个年份为1977年和1978年，1977年的损失量达227737.94~303650.58t，占总损失的77.10%；1978年的损失量达53162.68~70883.57t，占总损失的18.00%，两年共占总损失的95.10%。

吉林省白桦林燃烧区域中，幼树地上总生物量为13765.98t，成林地上总生物量为3268347.06t。

其中幼树占0.42%，成林占99.58%。

吉林省白桦林燃烧区域的幼树地上生物量在1977年和1978年分别达到了1266.31t和9920.73t，超过了火灾集中年份（1969-1983）中1969、1970、1972、1979、1980、1981、1982和1983年的成林地上损失量。

另外，有26个年份的幼树地上生物量均超过了同年份的成林生物量。

因此对森林火灾燃烧损失生物量的估算中，对幼树的忽略将在一定程度上导致估算结果偏小，进而影响估算的准确性。

5.2讨论

本文所用的白桦林的燃烧效率是采用温带森林和北方林的燃烧效率0.09~0.12的估计范围，这只是对所有树种燃烧的效率综合估算。

而本文只是对白桦林单一树种进行估算，所以燃烧效率方面应有偏差，需通过室内燃烧实验进一步去确定。

参考文献

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