兴安落叶松人工林潜在地表火行为特征的影响因素1)

吕沣桐 周雪 丁佳欣 单延龙 尹赛男 刘泓禹 高博 韩喜越

(北华大学，吉林市，132013)

森林生态系统是地球生态系统的宝贵财富，森林生态系统蕴含着丰富的资源，多样的物种，多变的结构，对生态平衡具有重要作用[1]。但是在林内自然蔓延和扩展的森林火灾对森林生态系统造成难以估量和不可逆转损失的巨大威胁[2]，森林火灾是一种突发性强、破坏性大、处置救助较为困难的自然灾害。林火行为是指森林火灾发生、发展全过程的表现和特征，即火灾从着火、蔓延直至熄灭全过程的林火特征[3]。随着全球气候变暖和人类活动的增加，森林火灾的发生呈现上升的趋势[4]。森林火灾包括地表火、地下火、树冠火，其中地表火发生最为频繁，占森林火灾的90%以上[5]。近年来国内外学者通过大量的室内外模拟点烧实验和相关模拟对地表火行为展开了研究，主要集中在可燃物特征、地形、气候等因素对地表火蔓延速度、火强度、火焰长度等火行为的影响，潜在火行为的空间分布特征也越来越受到关注[6-15]。

大兴安岭林区是我国位置最北、纬度最高且面积最大的林区，也是我国重要林业基地，同时作为国家重要的生态功能区与生态敏感区，对我国东北平原乃至华北平原起着重要的生态屏障作用[16]。由于地理位置和气象因素影响，大兴安岭是我国北方林火多发区，年均森林过火面积居全国首位[17-19]，森林防火工作繁重而艰巨。由于林火的复杂性及诸多条件的限制，大尺度的点烧实验很难进行，所以通过模拟和小尺度的点烧实验是研究火行为的重要手段。BehavePlus软件是基于Rothermel半物理模型，将林火参数输入模型(或软件)预报潜在林火行为[20]，为林火行为预报系统的建立提供了技术支持。本研究以大兴安岭地区兴安落叶松(Larixgmelinii)人工林为研究对象，应用地表可燃物特征，通过BehavePlus软件计算相关火行为指标，分析不同地类、湿度、火焰平均风速对潜在地表火行为特征的影响，为该地区森林火灾预测预报、林地计划烧除、林火管理等方面的工作提供参考。

1 研究区概况

黑龙江省大兴安岭地区地处我国东北部(50°10′～53°33′N，121°12′～127°E)，西接内蒙古呼伦贝尔盟，南临松嫩平原，北部与俄罗斯隔江相望，东靠黑河市，边境线长786 km，全区土地总面积8.35×106hm2。该区有林地面积为678.4万hm2，森林覆盖率81.23%[21]。以始建于1973年的加格达奇森林经营技术推广站(123°57′～124°E，50°20′～50°23′N)为研究地，施业区面积7 326 hm2，主要树种为兴安落叶松(Larixgmelinii)、柞树(Quercusmongolica)、白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Populusdavidiana)、黑桦(Betuladavurica)等[22-23]。

2 研究方法

2.1 野外调查

于2019年秋季森林防火期前往大兴安岭地区加格达奇森林经营技术推广站进行野外调查。在该地选取在不同地类下种植的兴安落叶松人工林，包括：塔头甸子、水湿地、有坡山地、农用地、无坡山地。在每个地类随机选取3块20 m×30 m的实验样地，调查并记录样地的基本信息(见表1)。

表2 风速转换表

2.2 地表可燃物采集

在每块实验样地的对角线处选取3块2 m×2 m的小样方，在该小样方内再设置1 m×1 m的小样方。草本、凋落物、半分解的可燃物调查在1 m×1 m的小样方内进行，杂乱物、灌木的可燃物调查在2 m×2 m的小样方内进行。

首先测量样方内的杂乱物、死草、活草、灌木、凋落物层、半分解层高度；然后测量死草、活草、枯枝落叶、灌木等的叶片厚度和茎粗；最后采集小样方内的所有草本、灌木、凋落物、半分解等可燃物，并称量可燃物的总鲜质量，使用信封采集部分可燃物样品称量样品总质量，将可燃物带回实验室备用。

2.3 地表可燃物参数

兴安落叶松林潜在地表火行为参数包括：可燃物载量(1 h时滞可燃物、10 h时滞可燃物、100 h时滞可燃物、活草、灌木)、可燃物表面积体积比(1 h时滞可燃物、活草、灌木)、可燃物床厚、熄灭含水率、死可燃物热、活可燃物热、坡度。相关参数的计算参照单延龙[24]的可燃物参数的计算方法。

2.4 地表火行为特征模型

地表火行为特征的Rothermel模型的公式为：

式中：R为火蔓延速度；IR为火焰反应强度；ζ为火蔓延率；ΦW为风速修正系数；ΦS为坡度修正系数；ρb为可燃物床密度；ε为有效热系数；Qig为预燃热(点燃单位质量可燃物所需的热量)。

2.5 潜在地表火行为特征

将兴安落叶松林地表可燃物参数输入Behaveplus软件，得出在3种湿度系列下，4种火行为指标随火焰平均风速变化的特征。

火行为指标主要包括火蔓延速率、火线强度、火焰长度和单位面积热量[24]。火蔓延速率指火通过地表可燃物的速度；火线强度指火头从前到后1 m宽的可燃物床单位时间释放的热量；火焰长度指一个蔓延地表火火头内火焰长度，即从活动的燃烧区中点到火焰平均尖端的距离；单位面积热量指火头内单位面积释放的热量，不受风、坡度和蔓延方向的影响。

火焰平均风速是指从可燃物床顶部到火焰顶部的平均风速[25]，火焰平均风速也是可燃物火行为的参数之一。在大兴安岭地区7、8级大风是处于极端状态下，8级大风距地10 m高处风速为17.2～20.7 m/s；10 m风速通过除以1.15求得6 m的风速；火行为可燃物模型的风调节因子最大为0.5，因此，火行为可燃物模型选火焰平均风速为0～8 m/s。计算公式如下：

式中：y为距地10 m的相应风速；x为火焰平均风速。

可燃物湿度系列是指表示具体可燃物湿度条件的一套可燃物湿度。可燃物湿度系列包括：1 h时滞可燃物湿度、10 h时滞可燃物湿度、100 h时滞可燃物湿度、活草本可燃物湿度、活灌木可燃物湿度。由于我国北方森林与美国北方森林基本在一个纬度范围，气候状况类似，故参考美国研究火行为可燃物模型所用的湿度系列。一共有3个湿度系列分别表示当地的第90(高湿度)、第95(中湿度)、第97(低湿度)百分点的火险天气条件[26](见表3)。

表3 火行为可燃物模型的湿度系列

2.6 数据处理与分析

使用SPSS软件分别分析地类、湿度、火焰平均风速对兴安落叶松人工林4种潜在火行为的影响；因素之间交互作用存在显著差异时，则进行简单效应分析。采用多重比较方法(LSD)进行各因素对火行为影响的比较，显著水平P<0.05。

3 结果与分析

3.1 地类、湿度、火焰平均风速对蔓延速率的影响

由表4可知，地类、湿度、火焰平均风速以及两两因素之间的交互作用对蔓延速率的影响都存在显著差异(P<0.05)，但是三者之间的交互作用则差异不显著(P>0.05)。

表4 地类、湿度、火焰平均风速对蔓延速率影响的方差检验

由表5可知，3个湿度系列下，不同地类之间的蔓延速率之间都存在显著差异(P<0.05)，而在相同地类下，不同湿度系列之间的蔓延速率则不存在显著差异。

表5 地类、湿度对蔓延速率影响的简单效应

由表6可知，在所有地类的地表火蔓延速率都随湿度的增加而降低。在3个湿度系列下，有坡山地和农用地的地表火蔓延速率都是最高，与其它3种地类之间都存在显著差异(P<0.05)。而且这2种地类都是在低湿度条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为1.04 m/s，农用地为0.88 m/s。无坡山地、塔头甸子、水湿地的蔓延速率较慢，且3者之间差异不显著。

表6 相同湿度系列下不同地类的火蔓延速率

由表7可知，5种火焰平均风速下，不同地类之间的蔓延速率都存在显著差异(P<0.05)，有坡山地和农用地条件下，不同火焰平均风速之间的蔓延速率也存在显著差异(P<0.05)。

表7 地类、火焰平均风速对火蔓延速率影响的简单效应

由表8可知，所有地类下的地表火蔓延速率都随着火焰平均风速的增加而增加。有坡山地和农用地在5种火焰平均风速下的蔓延速度都较快，且二者之间不存在显著差异。其中有坡山地在火焰平均风速8 m/s时，蔓延速率最快，蔓延速率均值为1.58 m/s。

表8 相同火焰平均风速下不同地类的火蔓延速率

由表9可知，有坡山地条件下火焰平均风速8 m/s和6 m/s时的蔓延速率较快，且二者之间不存在显著差异，火焰平均风速为4、2、0 m/s时的蔓延速率较慢，三者之间也不存在显著差异。农用地条件下，火焰平均风速8、6、4 m/s时的蔓延速率较快，且三者之间不存在显著差异，其中火焰平均风速8 m/s时的蔓延速率最快，均值为1.08 m/s。

表9 相同地类下不同火焰平均风速的火蔓延速率

由表10可知，当火焰平均风速6 m/s和8 m/s时，不同湿度之间的蔓延速率存在显著差异(P<0.05)。在低湿度和中湿度下，不同火焰平均风速的蔓延速率之间也存在显著差异(P<0.05)。

表10 湿度、火焰平均风速对火蔓延速率影响的简单效应

由表11可知，当火焰平均风速为6 m/s和8 m/s时，低湿度下的蔓延速率都是最快的，且与高湿度的蔓延速率之间存在显著差异(P<0.05)。

表11 相同火焰平均风速下不同湿度系列的火蔓延速率

由表12可知，在低湿度和中湿度条件下，火焰平均风速8、6、4 m/s的蔓延速率较快，且三者之间不存在显著差异；火焰平均风速为0时，蔓延速率最慢，且与火焰平均风速8、6、4 m/s都存在显著差异(P<0.05)。

表12 相同湿度系列下不同火焰平均风速的火蔓延速率

3.2 地类、湿度、火焰平均风速对火线强度的影响

由表13可知，地类、湿度、火焰平均风速对火线强度的影响与蔓延速率相同，都是3个因素以及两两之间的交互作用差异显著(P<0.05)，而三者之间的交互作用则差异不显著(P>0.05)。

表13 地类、湿度、火焰平均风速对火线强度影响的方差检验

由表14可知，3个湿度系列下不同地类的火线强度之间都存在显著差异(P<0.05)。

表14 地类、湿度对火线强度影响的方差检验

由表15可知，在低湿度条件下，不同地类之间的火线强度相差较大，其中有坡山地和农用地的火线强度较大，且二者之间不存在显著差异，但是与其它3种立地条件之间都存在显著差异。在中湿度和高湿度条件下，有坡山地的火线强度依然最高，但是农用地和塔头甸子的火线强度之间则不存在显著差异。

表15 相同湿度系列下不同地类的火线强度

由表16可知，当火焰平均风速为4、6、8 m/s时，不同地类之间的火线强度之间存在显著差异(P<0.05)。有坡山地和农用地条件下，不同火焰平均风速之间的火线强度之间也存在显著差异(P<0.05)。

表16 地类、火焰平均风速对火线强度影响的简单效应

由表17可知，当火焰平均风速为4 m/s和6 m/s时，有坡山地的火线强度最大，其次是农用地，且二者之间不存在显著差异，但都与其它3种地类之间存在显著差异。当火焰平均风速为8 m/s时，有坡山地的火线强度最高，而农用地和塔头甸子之间则不存在显著差异，无坡山地和水湿地的火线强度相对较低。

表17 相同火焰平均风速下不同地类的火线强度

由表18可知，在有坡山地条件下，火焰平均风速8 m/s时的火线强度最高，且与0 m/s和2 m/s之间都存在显著差异。农用地条件下，火焰平均风速8 m/s和6 m/s时的火线强度较高，且都与0 m/s和2 m/s之间存在显著差异。

表18 相同地类下不同火焰平均风速的火线强度

由表19可知，当火焰平均风速为6 m/s和8 m/s时，不同湿度之间的火线强度存在显著差异(P<0.05)。在低湿度条件下，不同火焰平均风速之间的火线强度也存在显著差异(P<0.05)。

表19 湿度、火焰平均风速对火线强度影响的简单效应

由表20可知，当火焰平均风速为6 m/s和8 m/s时，低湿度的火线强度最高，且都与高湿度之间存在显著差异。

表20 相同火焰平均风速下不同湿度的火线强度

由表21可知，在低湿度条件下，火焰平均风速8 m/s和6 m/s的火线强度较高，且二者之间不存在显著差异，但都与0 m/s和2 m/s存在显著差异。

3.3 地类、湿度、火焰平均风速对火焰长度的影响

由表22可知，地类、湿度、火焰平均风速以及地类与火焰平均风速和湿度与火焰平均风速的交互作用对火焰长度的影响存在显著差异(P<0.05)。

表22 地类、湿度、火焰平均风速对火焰长度影响的方差检验

由表23可知，5种火焰平均风速下不同地类之间的火焰长度都存在显著差异(P<0.05)。有坡山地、无坡山地、农用地、水湿地条件下，不同火焰平均风速之间的火焰长度也存在显著差异(P<0.05)。

表23 地类、火焰平均风速对火焰长度影响的简单效应

由表24可知，在5种火焰平均风速下，5种地类都是有坡山地和农用地的火焰长度较高，且二者之间不存在显著差异，但都与其它3种地类之间存在显著差异。

表24 相同火焰平均风速下不同地类的火焰长度

由表25可知，4种地类下，火焰平均风速为4、6、8 m/s时，火焰长度较高且三者之间不存在显著差异，但4种地类与火焰平均风速为0 m/s时都存在显著差异。

表25 相同地类下不同火焰平均风速的火焰长度

由表26可知，火焰平均风速分别为4、6、8 m/s时，不同湿度之间的火焰长度存在显著差异(P<0.05)。3种湿度系列下不同火焰平均风速之间的火焰长度都存在显著差异(P<0.05)。

表26 湿度、火焰平均风速对火焰长度影响的简单效应

由表27可知，在3种火焰平均风速下，低湿度的火焰长度都是最高的，且都与高湿度之间存在显著差异。

表27 相同火焰平均风速下不同湿度的火焰长度

由表28可知，在3种湿度系列下，火焰平均风速为8、6、4 m/s时的火焰长度较高，且三者之间不存在显著差异，但都与0m/s之间存在显著差异。

表28 相同湿度下不同火焰平均风速的火焰长度

3.4 地类、湿度、火焰平均风速对单位面积热量的影响

由表29可知，只有地类和湿度分别对单位面积热量影响存在显著差异，其它因素则不存在影响(P<0.05)。

表29 地类、湿度、火焰平均风速对单位面积热量影响的方差检验

由表30可知，有坡山地和农用地的单位面积热量较高，且二者之间不存在显著差异，但都与其它3种地类之间存在显著差异。其次是无坡山地和水湿地，塔头甸子的单位面积热量最低，且与其它4种地类之间都存在显著差异。

表30 不同地类的单位面积热量

由表31可知，3种湿度系列下地表火单位面积热量的大小依次为低湿度、中湿度、高湿度，且三者之间都存在显著差异。

表31 不同湿度的单位面积热量

4 结论与讨论

火行为的特点对林火的预测和扑救起着至关重要的作用，通过蔓延速度、火强度、火焰长度等指标，可以判断林火趋势，从而制定扑救方法，调整人力和物资配备等工作[27]。森林可燃物是森林火灾发生的基础，是林火行为的主体，所以可燃物自身的特征对火行为指标有着显著影响[28]。近年来，胡同欣等[29]、张吉利等[9]、詹航等[30]、满子源等[31]对地表可燃物的载量特征、含水率变化以及对火行为的影响进行了研究。本文应用大兴安岭地区兴安落叶松人工林地表可燃物的载量、表面积体积比、含水率等参数，借助BehavePlus软件，计算不同地类的森林潜在地表火行为，并比较不同因素对地表火行为特征的影响。

大兴安岭地区兴安落叶松人工林在不同地类、火焰平均风速和湿度系列下，地表火的蔓延速率、火线强度、火焰长度、单位面积热量等火行为指标都存在显著差异。林火行为是一个极为复杂的过程，除受可燃物自身结构、组成的影响外，还受外界条件(风速、地形等)的影响。梁瀛等[32]、李连强等[33]、徐伟恒等[34]认为不同林型、立地类型、地形等条件下，可燃物载量、林火行为、燃烧性等特征存在差异。

通过不同地类、湿度、火焰平均风速对火行为影响的对比分析发现，蔓延速率、火线强度、火焰长度、单位面积热量等火行为指标都是在低湿度条件下最高，且蔓延速率、火线强度、火焰长度随着火焰平均风速的增加而增大。这一变化特征与单延龙[24]、周涧青[20]、王铮[35]等对潜在火行为研究的结果基本相符。有坡山地和农用地的各潜在火行为指标都较高，尤其是有坡山地。通常情况下，坡度越大蔓延速度也就越快[36]。本研究中，有坡山地和农用地除种植大面积的兴安落叶松外，还少量分布着白桦和蒙古栎，而白桦和蒙古栎凋落的枯枝落叶，在一定程度上也提高了地表可燃物载量，导致潜在火行为指标相对较高。所以有坡山地和农用地发生地表火时一定要及时扑救，否则林火可能进一步扩大蔓延，造成更大的损失，同时也要注意日常的清林工作，减小地表可燃物载量从而预防林火的发生。