可燃物处理对大兴安岭地区主要林型火行为的影响*

2021-04-02宗学政田晓瑞

林业科学 2021年2期

宗学政田晓瑞

(中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所国家林业和草原局森林保护学重点开放性实验室北京 100091)

火是大兴安岭森林生态系统中重要的生态影响因子，对该区域森林景观格局及演替起着重要作用(刘志华等，2009)。1987年以后，大兴安岭地区加强了林火管理，逐步建立了完善的森林防火机构和扑火队伍，森林防火投入不断增加，林火管理能力显著提高，火发生次数也明显减少(Tianetal., 2020)。但严格的林火管理政策改变了该地区的火动态，林内可燃物不断积累，未来高强度森林火灾的概率增加(田晓瑞等，2005)。可燃物是森林燃烧的物质基础(Bradstocketal., 2010)，也是燃烧三要素(可燃物、氧气和温度)中最易调控的因子。因此，需开展可燃物的科学管理，应对未来的火灾风险，预防森林大火发生。

不同类型可燃物的火行为有差异(Ageeetal., 2005)，可燃物载量及其空间结构影响火行为(蔓延速度、火强度等)(Anderson, 1970)。草地和灌木林的地表多细小可燃物，易形成地表火，火强度低，对这类可燃物多通过计划火烧降低地表可燃物载量(Bradstocketal., 2006)。中幼龄针叶树的自然整枝快，林下存有大量枯落物，且树冠呈金字塔形，地表火易沿可燃物梯蔓延至树冠形成树冠火(张思玉等，1998)。老龄针叶林树冠稀疏，缺少可燃物梯，较难形成树冠火。对于针叶林的可燃物处理主要以机械清理为主，包括清理林内可燃物梯及地表粗可燃物(赵凤君等，2010)。阔叶林内无可燃物梯，地表可燃物积累也较少，以清理地表可燃物为主。大兴安岭地区的森林以落叶针叶林和兴安落叶松(Larixgmelinii)白桦(Betulaplatyphylla)混交林为主，可采用计划火烧和机械方式清理林内可燃物梯与地表可燃物，减少林火发生(Changetal., 2007；赵彬清等，2018)。

可燃物处理可有效减少林火的频率和强度(Chionoetal., 2017)。野外可燃物处理试验和火行为预测模型是评估可燃物管理措施效果的有效手段。McGinnis等(2010)通过模拟美国内华达山区可燃物不同处理(未处理、砍伐火烧木、使用除草剂)下的火行为，发现清理火烧木短期内会增加地表死可燃物载量，但在长时间尺度上对地表火行为没有影响。Moghaddas等(2010)利用FlamMap和FARSITE模拟了内华达一些区域可燃物处理前后的燃烧概率和潜在火行为，发现可燃物处理后的森林燃烧概率降低，过火面积、火焰高度及树冠火发生比例均下降。Salis等(2016)模拟了地中海地区可燃物处理后的火行为变化，表明随可燃物处理强度增强和处理面积增大，燃烧概率、过火面积、火焰高度等显著降低。Barnett等(2016)研究了可燃物处理与林火发生的相关性，提出了合理的可燃物处理措施。

可燃物管理是降低林火危害程度的有效措施(Fangetal., 2015)。可燃物特征与火行为显著相关(吴志伟等，2012)。景观模型模拟表明，可燃物处理后林火发生及火行为都明显降低。刘志华等(2009)利用LANDIS模拟了可燃物处理对大兴安岭呼中林业局森林燃烧性的影响，认为经常进行计划火烧和机械清理可燃物可减少灾难性火灾。陈宏伟等(2011)利用LANDIS模拟了不同采伐方式对森林燃烧性影响，发现择伐可有效降低森林燃烧性及火行为。Wu等(2013)认为基于火险进行可燃物优化处理能进一步发挥可燃物处理的效益。林分尺度上的火行为模拟可有效评估可燃物处理效果(Ottmaretal., 2012)。

基于可燃物特征预测潜在火行为，是开展可燃物管理的基础(Hollingsworthetal., 2012)。可燃物特征分类系统(fuel characteristic classification system，FCCS)是在林分尺度上模拟火行为的系统。该系统将每个林分看作景观中的均质单元，基于Rothermel模型计算火行为指标，定量描述可燃物的燃烧特征(Ottmaretal., 2007)，包括火强度、蔓延速度及火焰高度等(Sandbergetal., 2007)。该模型包括多种可燃物床层类型，用户可选择与研究对象特征相近的可燃物床层，并通过修改特征参数获得所需的可燃物床层(Riccardietal., 2007； Arroyoetal., 2008)。

本文以大兴安岭地区主要林型为对象，设立标准地调查获取主要林型森林的可燃物分布特征及环境变量，利用FCCS模拟不同强度的可燃物处理对林分潜在火行为的影响，为该区域开展可燃物科学管理提供参考。

1 研究区概况

大兴安岭(50°54′―53°33′N，121°11′―127°02′E)位于黑龙江省西北部。研究区总面积为646.2万hm2。地势较平坦，平均海拔573 m，属浅山丘陵地带。该区气候为温带大陆性季风气候，年均气温-2 ℃，冬长夏短，无霜期约90～110天，年均降水量450～500 mm(徐化成, 1998)。针阔混交林多以兴安落叶松-白桦为主，常绿针叶林较少。主要树种为兴安落叶松、山杨(Populusdavidiana)、白桦、黑桦(Betuladahurica)等为主，灌木有兴安杜鹃(Rhododendrondauricum)、越桔(Vacciniumvitisidaea)等，草本植物以杜香(Ledumpalustre)和苔藓为主(周道玮等，2010)。

根据统计资料(表1)，2000—2018年共发生1 039起，平均每年发生55起，年均过火面积21 351.3 hm2。2007年火灾次数最多(100起)，但森林过火面积为817 hm2。2003年过火面积最多(251 373.4 hm2)。2013年火灾次数最少，只有14起，过火面积11 hm2。

表1 2000—2018年大兴安岭地区火灾发生次数及森林过火面积Tab.1 Fire number and burned areas in Daxing’anling during 2000-2018

2 研究方法

2.1 样地设置

选择寒温带典型林分设置样地。大兴安岭是我国重要的天然林区，天然林主要分布在大兴安岭中部和北部；但也分布着大量人工林，主要在南部的加格达奇林业局。呼中林业局位于大兴安岭中部，主要森林为天然林，属典型的寒温带针叶林。兴安落叶松天然林(51°55′N，123°34′E)、白桦林(52°39′N，123°32′E)、兴安落叶松-白桦混交林(52°20′N，123°35′E)样地设在呼中林业局，而兴安落叶松人工林(50°17′N，124°7′E)和樟子松(Pinussylvetrisvar.mongolica)人工林(50°19′N，124°6′E)样地设在加格达奇林业局。

天然林内的灌木和草本生长密集，地表凋落物多，腐殖质层较厚；落叶松人工林下无灌木，草本较少，针叶堆积较厚，地表散布前期清理的少量枯枝；樟子松人工林清理较少，林下多灌木及针叶凋落物(图1)。

图1 5种林型植被状况Fig.1 Vegetation of the five forest types

2.2 林分调查

在距离道路或林缘20 m以上的林地内，每种林型设置3个样地(20 m×20 m)，样地间隔10 m以上，立地环境相近，共设置15块样地(表2)。在每块样地内调查林分的树种组成和郁闭度(包括活乔木及虽然死亡但仍有叶片残余的死亡木)。对样地内的乔木每木检尺，分别测定活立木及死木的胸径、树高、可燃物梯高度(最低和最高)。郁闭度为树冠垂直投影到样地对角线上的长度与2条对角线长度和的比值(梁瀛等，2017)。死木分为叶片完整、无叶片但枝干完整、无侧枝但主枝干完整、主枝干不完整4类(Riccardietal.,2007)。

2.3 可燃物处理

在每个样地内设置4块10 m×10 m小样地，其中1块为对照，其他3块做低、中和高强度的可燃物处理。低强度处理：割除林内易燃及枯死灌草，打掉林内3 m以下全部枯枝并移出林地，将地表大于10 h时滞的可燃物清理出林地；中强度处理：清理林内3 m以下枯枝，连同林内倒木全部移出林地，割除林内可能影响树冠火的灌木及小乔木，并清理地表未分解的枯落物等可燃物；高强度处理：清理林内3 m以下枯枝并移出林地，割除小样地内全部的灌草，移除林内枯死木及腐烂树桩，将地表可燃物清理至腐殖质层。

2.4 林内可燃物调查

对每块10 m×10 m样地进行可燃物处理前后的调查。地表凋落物包括枯枝、叶片、球果及枯死草本；腐殖质是地表凋落物与土壤层之间的物质(Riccardietal., 2007)。倒死木质可燃物是距地面2 m以下的木质可燃物，分为1 h时滞(0～0.063 5 cm)、10 h时滞(0.063 5～2.54 cm)、100 h时滞(2.54～7.62 cm)、1 000 h时滞(7.62～22.86 cm)、10 000 h时滞(22.86～50.8 cm)及>10 000 h时滞(>50.8 cm)6个等级(Keaneetal., 2012)。

灌木分成主要和次要灌木，草本分成主要和次要草本(Prichardetal., 2011)。灌木和草本的高度、活植株的比例和可燃物及腐殖质厚度调查采用样方法。将每块10 m×10 m的样方划分为4块5 m×5 m的样方，并在每块5 m×5 m样方中，均匀设置5块1 m×1 m样方，在每个小样方内分类调查，求得各类可燃物的特征平均值。各种类型可燃物盖度的调查采用样线法(Parresoletal., 2012)，沿10 m×10 m样方的2条对角线分别按10 cm间隔，记录每段出现的灌木、草本、地表可燃物、腐殖质及各等级木质可燃物，各类型可燃物在2条对角线的频度平均值作为该类可燃物的盖度。

收集每个10 m×10 m样地内的灌木、草本、地表可燃物及腐殖质，分别称重计算载量。在每块样地内采集乔木冠层叶片、灌木、草本及1～100 h时滞的木质可燃物，每种样品量在100 g以上，采样后马上称取鲜质量后再带回实验室测定含水率。室内含水率测定条件是103 ℃烘干至恒质量。

2.5 FCCS系统及火行为模拟

FCCS系统包括全球458个不同的可燃物床层数据(Riccardietal., 2007)。可燃物床层参数包括乔木、灌木、草本、倒木、地衣苔藓和土壤等6个层次的信息，每一层又包括2类以上的信息。通过样地调查，获取了FCCS系统的所需参数，在FCCS系统中建立大兴安岭地区典型林分的可燃物床层，预测不同天气情景下的火行为。

可燃物处理只改变了林内的可燃物载量，而环境条件保持一致。根据野外调查数据设置可燃物床层的参数。在FCCS系统中分别选择落叶阔叶林、落叶针叶林、针阔混交林及常绿针叶林为原始模板，基于调查结果调整相关参数，准确表达白桦纯林、落叶松林、落叶松白桦混交林和樟子松林的林分状况。

环境变量输入包括树冠、灌木和草本的活叶片、1～100 h时滞可燃物的含水率、林地坡度(表3)和风速。这些环境变量可根据每种林型的调查结果设定，风速采用该区域历史气象数据的均值，模拟各林分在火险期内平均(一般)天气条件下的火行为。输出结果包括地表火的蔓延速度(m·s-1)、火强度(kW·m-2)和火焰高度(m)。

FCCS还可以模拟BehavePlus模型中的16种标准可燃物含水率情景。D和L分别为林内死可燃物和活可燃物含水率，D1、D2、D3和D4分别表示死可燃物含水率极低、低、中和高； L1、L2、L3和L4分别表示草本植物全部干枯、2/3草本植物干枯、1/3草本植物干枯和草本没有干枯(Prichardetal., 2011)。D2L2是系统默认的一种干旱情景，表示死可燃物含水率低且2/3草本植物干枯状态。模型只能基于该情景模拟潜在火行为，包括潜在地表火和树冠火行为指数(表4)(这些指数用0～9等级值表示)，数值越大表示火行为越强(Prichardetal., 2011)。

3 结果与分析

3.1 不同强度的可燃物处理

不同林型林冠层下可燃物载量之间存在显著差异(F检验，P<0.01)(图2)。其中兴安落叶松白桦混交林的灌木、草本、地表凋落物和倒死木质可燃物载量分别为2.6、0.7、2.3和4.3 t·hm-2。白桦林内平均灌木、草本、地表凋落物和倒死木质可燃物载量分别为0.9、1.1、2.0和4.5 t·hm-2。兴安落叶松天然林内平均灌木、草本、地表凋落物和倒死木质可燃物载量分别为0.6、1.6、0.4和0.5 t·hm-2。兴安落叶松人工林内平均灌木、草本、地表凋落物和倒死木质可燃物载量分别为0、0.1、5.1和3.9 t·hm-2。樟子松人工林内平均灌木、草本、地表凋落物和倒死木质可燃物载量分别为0.3、0.8、3.9和0.2 t·hm-2。

表3 一般天气情景下地表火模拟环境Tab.3 Simulating environment for surface fires under average weather scenario %

表4 干旱情景下潜在地表火及树冠火指标Tab.4 Indexes of the surface fire and potentialcrown fire under drought scenario

与未进行可燃物处理情景相比，低强度可燃物处理情景下，5种林型的灌木、草本和地表凋落物降低30%，倒死木质可燃物载量变化明显。其中兴安落叶松白桦混交林和白桦林内存有较多的大于10 h的倒死木质可燃物，低强度处理清除了这些可燃物，导致这2种林型内倒死木质可燃物载量分别降低88.4%和91.1%(图2c)。随着可燃物处理强度的增加，可燃物载量明显降低(F检验，P=0.000)。在中强度可燃物处理情景下，各林型灌木、草本和地表凋落物载量降低60%。在高强度可燃物处理情景下，5种林型林冠下可燃物载量降低90%。其中灌木和草本可燃物全部清除，地表凋落物及1 h时滞可燃物零散分布在样地内，无法支持火的持续燃烧。

图2 不同可燃物处理强度的可燃物载量变化Fig.2 Change of fuel loading after the fuel treatments

3.2 可燃物处理对一般天气情景的火行为影响

一般天气情景下，兴安落叶松天然林平均地表火蔓延速度、火焰高度及火强度分别为2.1(2.1～2.2)m·min-1、1.3(1.2～1.4)m和1 450.9(536.1～2 365.8)kW·m-2。落叶松人工林相应分别为0.4(0.2～0.6)m·min-1、0.3(0～0.6)m和208.3(18.5～398.1)kW·m-2。白桦林、兴安落叶松白桦混交林和樟子松人工林的地表火蔓延速度分别为0.9(0.7～1.1)、0.7(0.6～0.8)和0.8(0.7～0.9)m·min-1；火焰高度分别为0.6、0.7和0.6 m；火强度分别为391.5(213.3～569.7)、931.1(701～1 161.3)和761.2(604.3～918.2)kW·m-2。

随着可燃物处理强度增加，5种林型的地表火蔓延速度、火强度和火焰高度都明显降低(F检验，P<0.001)(图3)。与可燃物未处理的对照相比，低强度处理情景的兴安落叶松天然林和人工林的地表火行为降幅明显：平均蔓延速度分别降低51.6%和42.8%，平均火焰高度分别降低33.6%和39.4%，平均火强度分别降低22.8%和34%。白桦林平均蔓延速度和火焰高度分别降低15.7%和12.3%。樟子松人工林的平均蔓延速度和火焰高度降幅最小，分别为3.9%和7.9%。

中强度可燃物处理后，兴安落叶松天然林地表火平均蔓延速度、火焰高度及火强度分别降低79.1%、67.2%和54.6%，兴安落叶松人工林相应分别降低83.3%、69.7%和54.5%，最快蔓延速度为0.1 m·min-1，最高火焰高度为0.1 m。兴安落叶松白桦混交林、白桦林和樟子松人工林地表火平均蔓延速度分别降低29.4%、37.1%和19.7%，火焰高度分别降低33.3%、29.8%和38.1%，火强度分别降低50.7%、22.5%和54.5%，其中兴安落叶松白桦混交林、白桦林和樟子松人工林最快蔓延速度分别为0.6、0.7和0.6 m·min-1，最高火焰高度分别为0.5、0.4和0.4 m。

高强度可燃物处理后，兴安落叶松天然林和人工林地表火平均蔓延速度分别降低95.3%和97.6%，平均蔓延速度都低于0.1 m·min-1；平均火焰高度分别降低93.1%和93.9%，都低于0.1 m。兴安落叶松白桦混交林和白桦林地表火平均蔓延速度为0.1 m·min-1，分别降低85.7%和88.9%；平均火焰高度分别降低92.6%和87.6%。樟子松人工林地表火平均蔓延速度、火焰高度及火强度分别降低77.6%、87.3%和93.4%。

图3 不同强度可燃物处理后的地表火行为Fig.3 Surface fire behavior with different fuel treatments不同字母代表同一林型不同处理强度间在0.05水平上差异显著。Different letters indicate significant difference at 0.05 level among the different fuel treatment intensity in the same forest.

3.3 不同林型在干旱天气情景的火行为差异

干旱(D2L2)情景下，5种林型之间潜在地表火行为(SFBP)指数差异明显(F检验，P<0.01)(图4A)。兴安落叶松天然林平均地表火行为指数为6.3(3.5～9.0)，显著高于其他4种林分。兴安落叶松人工林平均地表火行为指数最小，为3.3(1.9～4.8)。兴安落叶松白桦混交林和樟子松人工林平均地表火行为指数均为4，但混交林平均地表火强度(RP)指数(5.6)高于樟子松人工林(5.2)，蔓延速度(SP)指数(3.9)低于樟子松林(4.1)。白桦林平均地表火行为指数为4.3(2.9～5.8)。

白桦林内无树冠火发生可能，而其他4种林型之间树冠火行为(CFBP)指数差异明显(F检验，P=0.00)(图4B)。平均树冠火行为指数最大出现在兴安落叶松天然林(5)，其中平均树冠火发生指数(IC)和蔓延速度指数(RC)分别为4.5(3.4～5.6)和4.5(2.5～6.5)；最小值出现在兴安落叶松人工林(3.3)，平均树冠火发生指数和蔓延速度指数分别为2.2(1.4～3.1)和2.5(0.9～4.1)。兴安落叶松白桦混交林和樟子松人工林平均树冠火行为指数均为4，而平均树冠火发生指数和蔓延速度指数分别为4.1(2.7～5.5)、2.4(2.0～2.7)和3.1(2.9～3.2)、3.0(2.2～3.8)。4种林型树冠火蔓延指数(Tc)差异不明显(F检验，P=1.00)。

3.4 可燃物处理对干旱情景下火行为影响

可燃物处理可有效降低干旱情景下各林型的潜在地表火和树冠火行为指数，并随着可燃物处理强度的增加而明显(F检验，P<0.01)(图5)。在低强度可燃物处理情景下，白桦林平均地表火行为指数降低7.7%。兴安落叶松白桦混交林平均潜在地表火指数无明显降低，但平均地表火蔓延速度指数、火焰长度指数和火强度指数分别降低5.1%、6.9%和12%。兴安落叶松天然林和人工林平均地表火行为指数分别降低26.3%和20%。樟子松人工林潜在地表火行为指数无明显变化，但平均地表火蔓延速度指数、火焰长度指数和火强度指数分别降低0.8%、4.9%和9%。兴安落叶松天然林和人工林、樟子松人工林潜在树冠火行为指数分别降低6.7%、10%和8.3%；虽然混交林潜在树冠火行为指数未明显降低，但树冠火发生指数和蔓延速度指数分别降低4.3%和17%。

中强度可燃物处理后，兴安落叶松白桦混交林、白桦林、兴安落叶松天然林和人工林地表火行为指数分别降低16.7%、23.1%、52.6%和60%。而樟子松人工林地表火行为指数仍未明显变化，但平均地表火蔓延速度指数、火焰长度指数和火强度指数分别降低31.6%、8.9%和20.8%。兴安落叶松白桦混交林、落叶松天然林、樟子松人工林树冠火行为指数分别降低16.7%、26.7%和16.7%；兴安落叶松人工林树冠火行为指数降低10%，虽与低强度处理情景下无显著差异，但树冠火发生指数和蔓延速度指数降幅增加，分别比未处理情景下降低41.8%和6.4%。

高强度可燃物处理后，兴安落叶松白桦混交林、白桦林、兴安落叶松天然林和人工林、樟子松人工林地表火行为指数分别降低75%、61.5%、75.8%、76%和50%。其中地表火蔓延速度指数、火焰长度指数和火强度指数降幅均超过60%。兴安落叶松白桦混交林、落叶松天然林和人工林、樟子松人工林树冠火行为指数分别降低41.7%、40%、30%和25%，其中树冠火发生指数降幅超过60%，树冠火蔓延指数降幅超过30%。

但可燃物处理并未降低兴安落叶松白桦混交林、兴安落叶松天然林和人工林、樟子松人工林4种林分的树冠火蔓延指数(F检验，P=1.00)。

4 讨论

4.1 火行为模拟的可靠性

FCCS模型以世界各地区典型林分的可燃物床层信息作为模板，相关参数的调整主要基于区域内可燃物特征信息。该系统采用Rothermel公式计算火行为(Rothermel, 1972)。当前，FCCS已广泛应用于火险评估、火行为预测及研究可燃物消耗等方面(Pettinarietal., 2016)，在我国云南、广西等地也得到了较好的使用(黄小荣等，2014；马振宇等，2020)。这些研究结果表明，在FCCS中选择与研究地点生态区相近、植被类型相同的可燃物床层，利用标准地调查数据进行相关参数的调整，可以准确地描述研究区主要林型的可燃物特征及分布，对于林分火行为的预测贴合实际，在实际林火管理工作中具有一定指导意义。

图4 D2L2情景下不同林型潜在火行为Fig.4 Potential fire behavior of each forest type under D2L2 scenario不同小写字母代表同一火行为指标不同林型间在0.05水平上差异显著。Different small letters indicate significant difference at 0.05 level among the different forest types in the same fire behavior index.

图5 不同强度可燃物处理与潜在火行为Fig.5 The potential fire behavior with different fuel treatments不同大写字母代表同一林型不同处理强度间在0.05水平上差异显著。Different capital letters indicate significant difference at 0.05 level among the different fuel treatment intensity in the same forest.

本文模拟的环境条件包括一般天气条件(用户定制的)和D2L2干旱条件。其中在用户定制的环境情景下，由于林分结构、天气及地形等条件都会对可燃物含水率造成影响(胡海清等，2017)，无法进行不同林型之间的火行为比较，而各林型模拟结果也只反映特定天气条件下的地表火行为。而在D2L2情景下(环境变量相同)，可以比较各种林分在相同天气情景下的潜在地表火和树冠火行为。这也是各林型在高火险天气条件下的潜在火行为。兴安落叶松天然林地表火和树冠火行为指数最高，兴安落叶松人工林地表火和树冠火行为指数最低，而白桦林无树冠火发生可能。

4.2 林火管理实践中适合的可燃物处理强度

可燃物处理是大兴安岭地区主要的林火管理措施，现有研究多基于景观尺度和野外试验来研究可燃物处理对火发生的影响(刘志华等，2009；高仲亮等，2015)，但这些研究并未考虑林内可燃物对火行为的影响。

一般天气情景下的模拟结果表明，进行中强度可燃物处理时，各林型地表火蔓延速度降低至1 m·min-1以下，火焰高度低于1 m，这种低强度的地表火可以很快被初始攻击所扑灭。干旱(D2L2)情景下模拟结果也表明，中强度可燃物处理后，各林型地表火行为降幅明显，兴安落叶松天然林和人工林、兴安落叶松白桦混交林和樟子松人工林的树冠火行为也明显降低。本次试验主要对林冠层下的可燃物进行处理，未进行林冠层的处理，因此，模拟结果中的树冠火蔓延可能性未发生明显变化。

虽然经高强度可燃物处理后，火不能持续燃烧及蔓延，但清光林冠下易燃可燃物改变了林分结构，影响其水源涵养和维持生物多样性等功能(李红振等，2014；陈百灵等，2017)，对生态环境有较大影响。因此，在块状处理可燃物或进行可燃物阻隔带清理时，采用中强度的处理方式比较合适，不但可显著降低火行为，而且基本不影响生态环境。对重点防火区，可通过间伐改变林冠层的可燃物连续性，降低树冠火风险(Polletetal., 2002)。