興安落葉松人工林潛在地表火行為特征的影響因素1)

呂灃桐 周雪 丁佳欣 單延龍 尹賽男 劉泓禹 高博 韓喜越

(北華大學，吉林市，132013)

森林生態系統是地球生態系統的寶貴財富，森林生態系統蘊含著豐富的資源，多樣的物種，多變的結構，對生態平衡具有重要作用[1]。但是在林內自然蔓延和擴展的森林火災對森林生態系統造成難以估量和不可逆轉損失的巨大威脅[2]，森林火災是一種突發性強、破壞性大、處置救助較為困難的自然災害。林火行為是指森林火災發生、發展全過程的表現和特征，即火災從著火、蔓延直至熄滅全過程的林火特征[3]。隨著全球氣候變暖和人類活動的增加，森林火災的發生呈現上升的趨勢[4]。森林火災包括地表火、地下火、樹冠火，其中地表火發生最為頻繁，占森林火災的90%以上[5]。近年來國內外學者通過大量的室內外模擬點燒實驗和相關模擬對地表火行為展開了研究，主要集中在可燃物特征、地形、氣候等因素對地表火蔓延速度、火強度、火焰長度等火行為的影響，潛在火行為的空間分布特征也越來越受到關注[6-15]。

大興安嶺林區是我國位置最北、緯度最高且面積最大的林區，也是我國重要林業基地，同時作為國家重要的生態功能區與生態敏感區，對我國東北平原乃至華北平原起著重要的生態屏障作用[16]。由于地理位置和氣象因素影響，大興安嶺是我國北方林火多發區，年均森林過火面積居全國首位[17-19]，森林防火工作繁重而艱巨。由于林火的復雜性及諸多條件的限制，大尺度的點燒實驗很難進行，所以通過模擬和小尺度的點燒實驗是研究火行為的重要手段。BehavePlus軟件是基于Rothermel半物理模型，將林火參數輸入模型(或軟件)預報潛在林火行為[20]，為林火行為預報系統的建立提供了技術支持。本研究以大興安嶺地區興安落葉松(Larixgmelinii)人工林為研究對象，應用地表可燃物特征，通過BehavePlus軟件計算相關火行為指標，分析不同地類、濕度、火焰平均風速對潛在地表火行為特征的影響，為該地區森林火災預測預報、林地計劃燒除、林火管理等方面的工作提供參考。

1 研究區概況

黑龍江省大興安嶺地區地處我國東北部(50°10′～53°33′N，121°12′～127°E)，西接內蒙古呼倫貝爾盟，南臨松嫩平原，北部與俄羅斯隔江相望，東靠黑河市，邊境線長786 km，全區土地總面積8.35×106hm2。該區有林地面積為678.4萬hm2，森林覆蓋率81.23%[21]。以始建于1973年的加格達奇森林經營技術推廣站(123°57′～124°E，50°20′～50°23′N)為研究地，施業區面積7 326 hm2，主要樹種為興安落葉松(Larixgmelinii)、柞樹(Quercusmongolica)、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)、黑樺(Betuladavurica)等[22-23]。

2 研究方法

2.1 野外調查

于2019年秋季森林防火期前往大興安嶺地區加格達奇森林經營技術推廣站進行野外調查。在該地選取在不同地類下種植的興安落葉松人工林，包括：塔頭甸子、水濕地、有坡山地、農用地、無坡山地。在每個地類隨機選取3塊20 m×30 m的實驗樣地，調查并記錄樣地的基本信息(見表1)。

表2 風速轉換表

2.2 地表可燃物采集

在每塊實驗樣地的對角線處選取3塊2 m×2 m的小樣方，在該小樣方內再設置1 m×1 m的小樣方。草本、凋落物、半分解的可燃物調查在1 m×1 m的小樣方內進行，雜亂物、灌木的可燃物調查在2 m×2 m的小樣方內進行。

首先測量樣方內的雜亂物、死草、活草、灌木、凋落物層、半分解層高度；然后測量死草、活草、枯枝落葉、灌木等的葉片厚度和莖粗；最后采集小樣方內的所有草本、灌木、凋落物、半分解等可燃物，并稱量可燃物的總鮮質量，使用信封采集部分可燃物樣品稱量樣品總質量，將可燃物帶回實驗室備用。

2.3 地表可燃物參數

興安落葉松林潛在地表火行為參數包括：可燃物載量(1 h時滯可燃物、10 h時滯可燃物、100 h時滯可燃物、活草、灌木)、可燃物表面積體積比(1 h時滯可燃物、活草、灌木)、可燃物床厚、熄滅含水率、死可燃物熱、活可燃物熱、坡度。相關參數的計算參照單延龍[24]的可燃物參數的計算方法。

2.4 地表火行為特征模型

地表火行為特征的Rothermel模型的公式為：

式中：R為火蔓延速度；IR為火焰反應強度；ζ為火蔓延率；ΦW為風速修正系數；ΦS為坡度修正系數；ρb為可燃物床密度；ε為有效熱系數；Qig為預燃熱(點燃單位質量可燃物所需的熱量)。

2.5 潛在地表火行為特征

將興安落葉松林地表可燃物參數輸入Behaveplus軟件，得出在3種濕度系列下，4種火行為指標隨火焰平均風速變化的特征。

火行為指標主要包括火蔓延速率、火線強度、火焰長度和單位面積熱量[24]?；鹇铀俾手富鹜ㄟ^地表可燃物的速度；火線強度指火頭從前到后1 m寬的可燃物床單位時間釋放的熱量；火焰長度指一個蔓延地表火火頭內火焰長度，即從活動的燃燒區中點到火焰平均尖端的距離；單位面積熱量指火頭內單位面積釋放的熱量，不受風、坡度和蔓延方向的影響。

火焰平均風速是指從可燃物床頂部到火焰頂部的平均風速[25]，火焰平均風速也是可燃物火行為的參數之一。在大興安嶺地區7、8級大風是處于極端狀態下，8級大風距地10 m高處風速為17.2～20.7 m/s；10 m風速通過除以1.15求得6 m的風速；火行為可燃物模型的風調節因子最大為0.5，因此，火行為可燃物模型選火焰平均風速為0～8 m/s。計算公式如下：

式中：y為距地10 m的相應風速；x為火焰平均風速。

可燃物濕度系列是指表示具體可燃物濕度條件的一套可燃物濕度?？扇嘉餄穸认盗邪ǎ? h時滯可燃物濕度、10 h時滯可燃物濕度、100 h時滯可燃物濕度、活草本可燃物濕度、活灌木可燃物濕度。由于我國北方森林與美國北方森林基本在一個緯度范圍，氣候狀況類似，故參考美國研究火行為可燃物模型所用的濕度系列。一共有3個濕度系列分別表示當地的第90(高濕度)、第95(中濕度)、第97(低濕度)百分點的火險天氣條件[26](見表3)。

表3 火行為可燃物模型的濕度系列

2.6 數據處理與分析

使用SPSS軟件分別分析地類、濕度、火焰平均風速對興安落葉松人工林4種潛在火行為的影響；因素之間交互作用存在顯著差異時，則進行簡單效應分析。采用多重比較方法(LSD)進行各因素對火行為影響的比較，顯著水平P<0.05。

3 結果與分析

3.1 地類、濕度、火焰平均風速對蔓延速率的影響

由表4可知，地類、濕度、火焰平均風速以及兩兩因素之間的交互作用對蔓延速率的影響都存在顯著差異(P<0.05)，但是三者之間的交互作用則差異不顯著(P>0.05)。

表4 地類、濕度、火焰平均風速對蔓延速率影響的方差檢驗

由表5可知，3個濕度系列下，不同地類之間的蔓延速率之間都存在顯著差異(P<0.05)，而在相同地類下，不同濕度系列之間的蔓延速率則不存在顯著差異。

表5 地類、濕度對蔓延速率影響的簡單效應

由表6可知，在所有地類的地表火蔓延速率都隨濕度的增加而降低。在3個濕度系列下，有坡山地和農用地的地表火蔓延速率都是最高，與其它3種地類之間都存在顯著差異(P<0.05)。而且這2種地類都是在低濕度條件下地表火蔓延速率最快，其中有坡山地最快蔓延速率均值為1.04 m/s，農用地為0.88 m/s。無坡山地、塔頭甸子、水濕地的蔓延速率較慢，且3者之間差異不顯著。

表6 相同濕度系列下不同地類的火蔓延速率

由表7可知，5種火焰平均風速下，不同地類之間的蔓延速率都存在顯著差異(P<0.05)，有坡山地和農用地條件下，不同火焰平均風速之間的蔓延速率也存在顯著差異(P<0.05)。

表7 地類、火焰平均風速對火蔓延速率影響的簡單效應

由表8可知，所有地類下的地表火蔓延速率都隨著火焰平均風速的增加而增加。有坡山地和農用地在5種火焰平均風速下的蔓延速度都較快，且二者之間不存在顯著差異。其中有坡山地在火焰平均風速8 m/s時，蔓延速率最快，蔓延速率均值為1.58 m/s。

表8 相同火焰平均風速下不同地類的火蔓延速率

由表9可知，有坡山地條件下火焰平均風速8 m/s和6 m/s時的蔓延速率較快，且二者之間不存在顯著差異，火焰平均風速為4、2、0 m/s時的蔓延速率較慢，三者之間也不存在顯著差異。農用地條件下，火焰平均風速8、6、4 m/s時的蔓延速率較快，且三者之間不存在顯著差異，其中火焰平均風速8 m/s時的蔓延速率最快，均值為1.08 m/s。

表9 相同地類下不同火焰平均風速的火蔓延速率

由表10可知，當火焰平均風速6 m/s和8 m/s時，不同濕度之間的蔓延速率存在顯著差異(P<0.05)。在低濕度和中濕度下，不同火焰平均風速的蔓延速率之間也存在顯著差異(P<0.05)。

表10 濕度、火焰平均風速對火蔓延速率影響的簡單效應

由表11可知，當火焰平均風速為6 m/s和8 m/s時，低濕度下的蔓延速率都是最快的，且與高濕度的蔓延速率之間存在顯著差異(P<0.05)。

表11 相同火焰平均風速下不同濕度系列的火蔓延速率

由表12可知，在低濕度和中濕度條件下，火焰平均風速8、6、4 m/s的蔓延速率較快，且三者之間不存在顯著差異；火焰平均風速為0時，蔓延速率最慢，且與火焰平均風速8、6、4 m/s都存在顯著差異(P<0.05)。

表12 相同濕度系列下不同火焰平均風速的火蔓延速率

3.2 地類、濕度、火焰平均風速對火線強度的影響

由表13可知，地類、濕度、火焰平均風速對火線強度的影響與蔓延速率相同，都是3個因素以及兩兩之間的交互作用差異顯著(P<0.05)，而三者之間的交互作用則差異不顯著(P>0.05)。

表13 地類、濕度、火焰平均風速對火線強度影響的方差檢驗

由表14可知，3個濕度系列下不同地類的火線強度之間都存在顯著差異(P<0.05)。

表14 地類、濕度對火線強度影響的方差檢驗

由表15可知，在低濕度條件下，不同地類之間的火線強度相差較大，其中有坡山地和農用地的火線強度較大，且二者之間不存在顯著差異，但是與其它3種立地條件之間都存在顯著差異。在中濕度和高濕度條件下，有坡山地的火線強度依然最高，但是農用地和塔頭甸子的火線強度之間則不存在顯著差異。

表15 相同濕度系列下不同地類的火線強度

由表16可知，當火焰平均風速為4、6、8 m/s時，不同地類之間的火線強度之間存在顯著差異(P<0.05)。有坡山地和農用地條件下，不同火焰平均風速之間的火線強度之間也存在顯著差異(P<0.05)。

表16 地類、火焰平均風速對火線強度影響的簡單效應

由表17可知，當火焰平均風速為4 m/s和6 m/s時，有坡山地的火線強度最大，其次是農用地，且二者之間不存在顯著差異，但都與其它3種地類之間存在顯著差異。當火焰平均風速為8 m/s時，有坡山地的火線強度最高，而農用地和塔頭甸子之間則不存在顯著差異，無坡山地和水濕地的火線強度相對較低。

表17 相同火焰平均風速下不同地類的火線強度

由表18可知，在有坡山地條件下，火焰平均風速8 m/s時的火線強度最高，且與0 m/s和2 m/s之間都存在顯著差異。農用地條件下，火焰平均風速8 m/s和6 m/s時的火線強度較高，且都與0 m/s和2 m/s之間存在顯著差異。

表18 相同地類下不同火焰平均風速的火線強度

由表19可知，當火焰平均風速為6 m/s和8 m/s時，不同濕度之間的火線強度存在顯著差異(P<0.05)。在低濕度條件下，不同火焰平均風速之間的火線強度也存在顯著差異(P<0.05)。

表19 濕度、火焰平均風速對火線強度影響的簡單效應

由表20可知，當火焰平均風速為6 m/s和8 m/s時，低濕度的火線強度最高，且都與高濕度之間存在顯著差異。

表20 相同火焰平均風速下不同濕度的火線強度

由表21可知，在低濕度條件下，火焰平均風速8 m/s和6 m/s的火線強度較高，且二者之間不存在顯著差異，但都與0 m/s和2 m/s存在顯著差異。

3.3 地類、濕度、火焰平均風速對火焰長度的影響

由表22可知，地類、濕度、火焰平均風速以及地類與火焰平均風速和濕度與火焰平均風速的交互作用對火焰長度的影響存在顯著差異(P<0.05)。

表22 地類、濕度、火焰平均風速對火焰長度影響的方差檢驗

由表23可知，5種火焰平均風速下不同地類之間的火焰長度都存在顯著差異(P<0.05)。有坡山地、無坡山地、農用地、水濕地條件下，不同火焰平均風速之間的火焰長度也存在顯著差異(P<0.05)。

表23 地類、火焰平均風速對火焰長度影響的簡單效應

由表24可知，在5種火焰平均風速下，5種地類都是有坡山地和農用地的火焰長度較高，且二者之間不存在顯著差異，但都與其它3種地類之間存在顯著差異。

表24 相同火焰平均風速下不同地類的火焰長度

由表25可知，4種地類下，火焰平均風速為4、6、8 m/s時，火焰長度較高且三者之間不存在顯著差異，但4種地類與火焰平均風速為0 m/s時都存在顯著差異。

表25 相同地類下不同火焰平均風速的火焰長度

由表26可知，火焰平均風速分別為4、6、8 m/s時，不同濕度之間的火焰長度存在顯著差異(P<0.05)。3種濕度系列下不同火焰平均風速之間的火焰長度都存在顯著差異(P<0.05)。

表26 濕度、火焰平均風速對火焰長度影響的簡單效應

由表27可知，在3種火焰平均風速下，低濕度的火焰長度都是最高的，且都與高濕度之間存在顯著差異。

表27 相同火焰平均風速下不同濕度的火焰長度

由表28可知，在3種濕度系列下，火焰平均風速為8、6、4 m/s時的火焰長度較高，且三者之間不存在顯著差異，但都與0m/s之間存在顯著差異。

表28 相同濕度下不同火焰平均風速的火焰長度

3.4 地類、濕度、火焰平均風速對單位面積熱量的影響

由表29可知，只有地類和濕度分別對單位面積熱量影響存在顯著差異，其它因素則不存在影響(P<0.05)。

表29 地類、濕度、火焰平均風速對單位面積熱量影響的方差檢驗

由表30可知，有坡山地和農用地的單位面積熱量較高，且二者之間不存在顯著差異，但都與其它3種地類之間存在顯著差異。其次是無坡山地和水濕地，塔頭甸子的單位面積熱量最低，且與其它4種地類之間都存在顯著差異。

表30 不同地類的單位面積熱量

由表31可知，3種濕度系列下地表火單位面積熱量的大小依次為低濕度、中濕度、高濕度，且三者之間都存在顯著差異。

表31 不同濕度的單位面積熱量

4 結論與討論

火行為的特點對林火的預測和撲救起著至關重要的作用，通過蔓延速度、火強度、火焰長度等指標，可以判斷林火趨勢，從而制定撲救方法，調整人力和物資配備等工作[27]。森林可燃物是森林火災發生的基礎，是林火行為的主體，所以可燃物自身的特征對火行為指標有著顯著影響[28]。近年來，胡同欣等[29]、張吉利等[9]、詹航等[30]、滿子源等[31]對地表可燃物的載量特征、含水率變化以及對火行為的影響進行了研究。本文應用大興安嶺地區興安落葉松人工林地表可燃物的載量、表面積體積比、含水率等參數，借助BehavePlus軟件，計算不同地類的森林潛在地表火行為，并比較不同因素對地表火行為特征的影響。

大興安嶺地區興安落葉松人工林在不同地類、火焰平均風速和濕度系列下，地表火的蔓延速率、火線強度、火焰長度、單位面積熱量等火行為指標都存在顯著差異。林火行為是一個極為復雜的過程，除受可燃物自身結構、組成的影響外，還受外界條件(風速、地形等)的影響。梁瀛等[32]、李連強等[33]、徐偉恒等[34]認為不同林型、立地類型、地形等條件下，可燃物載量、林火行為、燃燒性等特征存在差異。

通過不同地類、濕度、火焰平均風速對火行為影響的對比分析發現，蔓延速率、火線強度、火焰長度、單位面積熱量等火行為指標都是在低濕度條件下最高，且蔓延速率、火線強度、火焰長度隨著火焰平均風速的增加而增大。這一變化特征與單延龍[24]、周澗青[20]、王錚[35]等對潛在火行為研究的結果基本相符。有坡山地和農用地的各潛在火行為指標都較高，尤其是有坡山地。通常情況下，坡度越大蔓延速度也就越快[36]。本研究中，有坡山地和農用地除種植大面積的興安落葉松外，還少量分布著白樺和蒙古櫟，而白樺和蒙古櫟凋落的枯枝落葉，在一定程度上也提高了地表可燃物載量，導致潛在火行為指標相對較高。所以有坡山地和農用地發生地表火時一定要及時撲救，否則林火可能進一步擴大蔓延，造成更大的損失，同時也要注意日常的清林工作，減小地表可燃物載量從而預防林火的發生。