床层密实度对马尾松凋落物床层水分变化过程的影响1)

兰世霞 胡兆柳 金有琪 陈芬芬 张运林

(贵州师范学院，贵阳，550018)

平衡含水率(EMC)表示将可燃物无限期置于固定温度和湿度条件下，可燃物含水率不在变化，此时的含水率值称为平衡含水率[1]。随着空气温湿度的改变，可燃物含水率和平衡含水率都发生改变，但可燃物含水率的变化相较于平衡含水率的变化有一定的滞后，这种滞后用时滞表示，指可燃物在这一过程中，水分变化为可燃物初始含水率与平衡含水率之差的63%所需要的时间[2-3]。时滞的倒数又称为水分变化系数，表征可燃物水分动态变化对外界气象要素的响应情况，水分变化系数越大，可燃物水分变化对外界气象要素的响应越敏感[4]。

作为直接估计法计算森林可燃物含水率中关键的两个中间参数，准确获取平衡含水率和水分变化系数对选择直接估计法预测森林可燃物含水率计算精度具有重要意义[5-7]。国内外对平衡含水率和时滞进行了大量的研究，Simard[8]以湿度棒为研究对象，建立了平衡含水率预测模型；Nelson[9]选择物理方法建立了平衡含水率和失水系数预测模型，其外推性和精度更高；Wagner[10]还分别研究了失水过程和吸水过程，建立了失水和吸水的平衡含水率和时滞预测模型；刘曦[11]以东北落叶松、白桦等典型林分的叶片、枝条和树皮等可燃物为研究对象，建立了平衡含水率和水分变化系数预测模型；张运林[4]以蒙古栎和红松凋落物为研究对象，得到不同床层结构时平衡含水率和失水系数预测模型[12]。虽然进行大量的平衡含水率和水分变化系数研究，但大部分研究都仅是选择湿度棒或可燃物单体为研究对象，无法表征结构复杂的凋落物床层的实际情况。而凋落物作为森林可燃物的重要组成部分，是林火发生的引火物，其床层含水率决定被引燃的可能性[13-15]，得到凋落物床层精确的平衡含水率和时滞值，对于准确获取森林凋落物含水率值和预报森林火灾具有重要意义。

凋落物床层与凋落物单体或具有同质结构的湿度棒相比，其具有更复杂的床层结构，而床层结构，特别是床层密实度对含水率动态变化具有显著的影响[16-19]。因此，分析密实度对凋落物床层含水率动态变化的影响，建立基于床层密实度的关键参数预测模型，十分有意义。在林火研究中，学者更加注重可燃物失水情况，因此平衡含水率和水分变化系数预测模型大部分都是通过研究失水曲线获取的，但研究表明，即使在相同条件下，可燃物的失水过程和吸水过程并不相同，失水过程时的平衡含水率略高于吸水过程，若仅选择失水过程平衡含水率和时滞进行预测，对含水率预测精度具有一定影响[20-21]。国内外关于凋落物密实度对其水分动态变化的影响基本都为定性研究，无法在实际中应用，且大部分都是在失水状态下进行分析的，考虑不全面。因此本研究将分别失水和吸水两种过程，定量分析床层密实度对凋落物床层水分动态变化的影响，得到密实度对两个过程水分变化的影响机理，并建立基于密实度的关键参数预测模型，为进一步提高含水率预测精度奠定基础。

西南林区作为我国第二大林区，农林交错，山高坡陡，一旦发生森林火灾很难扑救且对当地居民生命安全造成重要威胁[22]。马尾松(PinusmassonianaLamb.)作为西南林区主要的松属植物，选择其凋落物为研究对象，分析凋落物密实度对其水分动态变化的影响，并建立基于床层密实度的关键参数的预测模型，对于理解马尾松凋落物床层水分动态变化机理，提高含水率预测精度和森林火险预报精度具有重要意义。

1 研究区概况

研究区位于贵州省贵阳市乌当区贵州师范学院后山，平均海拔约为1 001 m，属于亚热带湿润性季风气候，冬无严寒，夏无酷暑，年均降水量为1 200 mm，年均最高温度为25 ℃，年均相对湿度为82.0%。研究区植被属于黔中山原湿润性常绿落叶混交林及马尾松林区，主要乔木包括马尾松(Pinusmassoniana)、青冈(Cyclobalanopsisglauca)和麻栎(Quercusacutissima)等；灌木主要有稠李(Padusracemosa)、腊梅(Chimonanthuspraecox(Linn.) Link)等。

2 研究方法

2.1 样地设计与样品采集

选择具有代表性的马尾松纯林设置一块25.82 m×25.82 m的标准样地，标准地位于下坡位，林分郁闭度为0.76，样地内马尾松的平均胸径为21.3 cm，平均树高为15.6 m。研究区防火期为当年10月至次年5月，其中2—4月为高火险期，由于当年落下的凋落物与经过风化的凋落物水分动态变化对外界的响应情况不同[21]，为使研究更具有实际意义，于次年在样地内采集马尾松松针，保证针叶完整，具有代表性。此外，在马尾松林样地内随机设置30个20 cm×20 cm的样方，调查马尾松针叶床层特征，床层平均厚度和密实度分别为6.9 cm和0.027。

2.2 室内试验

室内制备不同密实度的马尾松针叶床层。马尾松凋落物床层密实度表示床层中马尾松针叶单体之间的紧密程度，床层密实度越大，单体松针之间越紧密。床层密实度的计算公式如式(1)所示。

β=ρb/ρp。

(1)

式中：β表示马尾松床层密实度；ρb表示马尾松松针床层的体积密度(kg·m-3)，通过床层质量与体积计算得到；ρp表示马尾松松针的颗粒密度(kg·m-3)，通过查阅资料得到马尾松松针颗粒密度为543.6 kg·m-3[23]。

野外实际的马尾松针叶床层的平均厚度为6.90 cm，床层密实度的最小值、平均值和最大值分别为0.016、0.027和0.061，为保证本室内研究具有实际意义和代表性，本研究模拟的马尾松针叶床层厚度为6.90 cm，床层密实度设置5个梯度：0.016、0.021、0.027、0.040和0.061。选择长宽分别为29和21 cm的无顶盖塑料筐盛装马尾松针叶，可计算得到马尾松针叶床层体积为4.2×10-3m3，根据本研究设置的密实度梯度和马尾松针叶的颗粒密度，得到每个密实度对应的马尾松针叶质量(表1)。

表1 密实度梯度所对应的马尾松松针质量

水分动态变化模拟试验。本研究主要目的是为了分析密实度对床层水分动态变化的影响情况，因此空气温度和相对湿度不设置梯度，仅选择研究区防火期内温湿度出现频率较多的情况进行分析，空气温度设置25 ℃，相对湿度设置60%。水分动态变化模拟试验分为失水过程试验和吸水过程试验，每个过程均为5个密实度梯度，具体过程如下。

失水模拟试验：(1)将采集的马尾松针叶床层在烘箱中烘干至质量不在变化为止，取相应床层密实度所需质量的马尾松3份，将其完全浸泡24 h；(2)将浸泡后的马尾松针叶取出并沥干，擦去表面自由水，记录此时的质量；(3)根据设置的床层长宽高，得到该密实度时的马尾松针叶床层，并放置于恒温恒湿箱内，箱体内放置自动称量天平，10 min自动记录一次数据至床层质量不在变化为止。

吸水模拟试验：将采集的马尾松针叶床层在烘箱中烘干至质量不在变化为止，取相应床层密实度所需质量的马尾松3份；其余步骤与失水模拟试验中(3)相同。

每个床层密实度的水分动态变化试验都进行3次重复，共进行5(密实度)×3(重复)=15次试验。

2.3 数据处理

马尾松床层水分动态变化情况。以记录间隔为横坐标，床层含水率为纵坐标，绘制不同床层密实度时失水过程和吸水过程的含水率动态变化情况。

计算马尾松床层平衡含水率和水分变化系数。研究表明，当空气温度和相对湿度不变，对于一定结构的凋落物床层存在如式(2)所示的关系。根据式(2)可求得不同密实度时的床层平衡含水率和水分变化系数。

y=E+Ae-kx。

(2)

式中：y表示马尾松床层含水率(%)；E表示马尾松床层平衡含水率；A表示模型待估参数；e表示自然常数；k表示水分变化系数；x表示时间。

选择方差分析，得到密实度对马尾松床层平衡含水率和水分变化系数的影响。选择多重比较，分析失水过程和吸水过程时，不同床层密实度的平衡含水率和水分变化系数是否有显著差异。

建立预测模型并检验模型精度。床层结构虽然对平衡含水率有一定的影响，但其主要受空气温度和湿度的影响，本研究并没有设置空气温湿度梯度，因此平衡含水率预测模型在本文中不进行分析。根据方差分析和多重比较结果，以床层密实度为自变量，选择合适的模型形式，建立水分变化系数预测模型。

选择n-fold交叉验证检验模型精度，根据公式(3)～公式(5)计算失水和吸水系数预测模型的平均绝对误差(EMA)、平均相对误差(EMR)和均方根误差(ERMS)，比较模型精度。

(3)

(4)

(5)

以水分变化系数的实测值为横坐标，预测值为纵坐标，绘制1∶1图，比较实测和预测值拟合直线与1∶1线的偏差，分析预测模型预测效果。

3 结果与分析

3.1 不同床层密实度凋落物含水率动态变化

图1给出不同密实度时马尾松凋落物含水率动态变化情况，可以看出，不论床层密实度如何改变，失水和吸水都表现出相同的变化趋势。水分变化前期，失水和吸水过程都随着床层密实度的增加，水分变化速率逐渐加快，水分变化后期，不同密实度床层含水率都相对接近，而吸水过程则表现出明显的分界线。

图1 不同密实度的凋落物床层含水率动态变化情况

3.2 不同床层密实度含水率动态变化方程

表2给出不同密实度的马尾松床层含的规律性，而水分变化系数水率动态变化方程。可以看出，不论是失水还是吸水过程，随着床层密实度的增加，床层平衡含水率没有表现出明显逐渐下降。相同密实度的马尾松床层，床层吸水系数要高于床层失水系数。

3.3 密实度对床层平衡含水率和水分变化系数的影响

可以看出，当空气温度和相对湿度固定时，失水状态下，密实度对马尾松床层平衡含水率和失水系数都没有显著影响；而在吸水状态下，马尾松床层平衡含水率和吸水系数都受密实度的极显著影响(表3)。

表3 床层平衡含水率和水分变化系数的方差分析

表4给出不同马尾松床层密实度时的平衡含水率和水分变化系数。可以看出，失水状态下平衡含水率随着床层密实度的改变，没有表现出明显变化规律；吸水状态下平衡含水率随床层密实度增加而下降，床层密实度为0.016和0.021时的平衡含水率显著高于0.027、0.040和0.061。随着床层密实度的增加，失水系数呈下降趋势，但除最小和最大密实度时失水系数有显著差异，其余密实度梯度之间都没有显著差异；吸水系数随着床层密实度的增加呈显著下降趋势，除密实度为0.040时的吸水系数与相邻密实度没有显著差异，其余密实度梯度之间的吸水系数都有显著差异。

表4 不同床层密实度时的平衡含水率和水分变化系数

相同床层密实度时，失水过程和吸水过程的马尾松床层平衡含水率没有显著差异；吸水系数显著高于失水系数。

3.4 水分变化系数预测模型

根据密实度对床层水分变化系数的影响可知，当空气温度为25 ℃，相对湿度为80%时，随着床层密实度的增加，床层水分变化系数呈指数下降趋势。因此，失水系数和吸水系数的预测模型形式设置为k=aebβ(其中，k表示水分变化系数；β表示床层密实度；a和b表示模型待估参数)。表5给出水分变化系数预测模型。可以看出，失水系数预测模型的平均绝对误差为0.013 h-1，平均相对误差为14.6%，吸水系数预测效果略优于失水系数预测模型，平均相对误差为9.3%。

表5 预测模型结果及误差

以水分变化系数的实测值为横坐标，预测值为纵坐标，绘制1∶1图。可以看出，不论是失水还是吸水预测模型，实测值和预测值都均匀分布在1∶1线的两侧，预测效果较好。在本试验研究范围内，失水系数预测模型的拟合效果优于吸水过程(图2)。

4 结论与讨论

在本研究的空气温湿度区间内，不论是失水过程还是吸水过程，马尾松凋落物床层密实度都呈指数变化，水分变化速率也逐渐下降[4，24-25]。不同密实度的凋落物床层在失水过程时平衡含水率变化区间为11.848%～20.216%，张运林等[12]以东北典型林分红松凋落物为研究对象，在相同空气温湿度条件下得到红松凋落物床层平衡含水率变化范围为13.1%～13.9%；陆昕等[25]以落叶松和白桦林下凋落物为研究对象，得到平衡含水率分别为12.74%和13.25%；Baksic et al.[26]以地中海松林内凋落物为研究对象，得到相对湿度为60%时的平衡含水率约为15%。本研究得到的平衡含水率范围超过其他学者，主要原因一是由于本研究床层密实度高于其他研究;二是由于凋落物种类不同，其水分动态变化对外界环境因子的响应也不同所造成的[27]。

图2 水分变化系数的实测值和预测值

相同空气温湿度，不区分床层密实度时，本研究得到失水过程和吸水过程的平衡含水率均值分别为16.211%和15.831%，失水过程的平衡含水率略高于吸水过程[28-30]。

马尾松凋落物床层失水系数变化范围为0.033～0.398 h-1，张运林等[12]红松凋落物为研究对象，得到其失水系数变化范围为0.078～0.124 h-1，胡海清等研究得到落叶松和白桦林的失水系数变化范围分别为0.107和0.109 h-1[23-24]。本研究得到的失水系数范围超过其他学者研究，主要原因是由于凋落物失水系数还受床层密实度的显著影响，张运林等人研究的红松床层密实度为0.015 8～0.031 5，胡海清[24]仅研究了一种结构的床层水分动态变化情况，而本文设置的床层密实度范围为0.016～0.061，显著高于其他研究，因此本研究失水系数范围较大。相同条件下，本研究吸水系数变化范围为0.395～0.925 h-1，失水系数显著低于吸水系数(t=9.961，P=0)，这与Hatton et al.[20]研究结果不同，主要是由于床层初始含水率不同所致，本研究吸水试验的初始含水率为刚烘干阶段，其更容易吸水，因此吸水系数会显著高于失水系数[20]。

马尾松床层密实度对吸水过程的平衡含水率有极显著影响，且随着床层密实度的增加，平衡含水率呈极显著下降趋势。Anderson[21]研究认为床层密实度对平衡含水率没有显著影响，本研究结果在吸水过程中出现与他人的研究结果不同，主要是由于平衡含水率是指凋落物床层在固定温湿度条件下长时间放置至水分不在变化为止时的床层含水率，而本研究设置的床层密实度区间要远远大于其他研究，即使长时间放置，由于其密实度过高，床层内部松针水分几乎很难对外界产生响应，因此随着床层密实度的增加，其平衡含水率会出现一定程度的下降。床层密实度对失水过程的平衡含水率没有显著影响，这可能是由于凋落物吸附和解析自由水所用力不同所致，Pippen[31]研究认为凋落物中自由水向外界释放更容易，因此凋落物床层失水过程更容易，相较于吸水过程，其更容易就达到平衡，受密实度的影响微乎其微，因此床层密实度对失水过程的平衡含水率没有显著影响。

马尾松床层密实度对吸水系数有极显著影响，且随着床层密实度的增加，床层吸水系数呈显著下降趋势，这与Anderson[21]的研究结果相同。失水系数越大，表征的凋落物床层水分向外扩散时对外界的响应越敏感，随着床层密实度的增加，外界自由水向床层内扩散的路径和难度增加，床层内松针水分对外界的响应降低，因此失水系数呈下降趋势。失水系数对床层密实度没有显著影响，主要有两个原因：一是由于本研究设置的为高温高湿区间，张运林等[4]研究也表明，当空气温湿度较高时，床层密实度对失水系数没有显著影响；二是如前文所述，凋落物解析自由水相较于吸附自由水更容易，虽然密实度增加，床层内水分向外扩散的路径和难度增加，但此时难度的增加并未对其水分向外扩散造成显著影响。失水系数仅是随密实度增加呈下降趋势，但并没有显著差异，只是密实度最大值和最小值时有显著差异，但可以预测，当床层密实度继续增加时，其对失水系数会产生显著影响。

以床层密实度为自变量，失水系数和吸水系数为因变量，分别建立了失水和吸水系数预测模型，模型误差均在允许范围内[32]，预测效果较好，模型在一定程度上也揭示了床层密实度对水分变化系数的影响，适用性较好。

本研究表明，在相同条件下，床层密实度对失水过程和吸水过程的影响结果不同，且吸水过程更容易受床层密实度的影响。产生这一现象的根本原因就是因为凋落物床层解析自由水要比吸附自由水更容易，凋落物床层更难吸附外界自由水[31]。而床层密实度的微小改变，会扩大吸附难度，导致其吸附自由水的能力发生较大改变，因此床层密实度对两个过程的影响结果不同。

综上，通过室内模拟试验，分析了不同马尾松床层密实度时其水分动态变化情况，得到床层密实度对两个过程的平衡含水率和水分变化系数的影响，并建立了水分变化系数预测模型，对理解凋落物水分变化机理和提高预测精度具有一定的意义。凋落物床层密实度对失水和吸水过程时的平衡含水率和水分变化系数表现出不同的影响结果，说明在使用直接估计法预测凋落物含水率时，不考虑床层密实度且未区分水分变化过程是造成误差的来源。本文仅是在一个空气温湿度区间内分析了凋落物床层密实度对其水分动态变化过程的影响，在今后的研究中，还需要增加空气温度和相对湿度梯度，分析各温湿度区间内床层密实度的影响，建立基于温湿度和密实度的关键参数预测模型，对于进一步理解凋落物水分变化机理和提高预测模型精度具有重要意义。