不同恢复程度的长白山风灾区地下火阴燃特征和发生概率模拟*

尹赛男 单延龙 陈 响 曹丽丽 于 渤 张美玉

（北华大学林学院 北华大学森林草原防灭火科技创新中心 吉林 132013）

森林是陆地生态系统的主体，具有调节气候、涵养水源、保持水土、防风固沙、改良土壤、减少污染等多种功能，在改善生态环境、保护生物多样性和维持全球碳平衡方面发挥着重要作用（孙龙等，2021）。林火是森林生态系统碳收支平衡的重要干扰因子，与森林生态系统的植被类型、结构、地表腐殖质层和土壤理化性质等密切相关（Yanget al.，2018）。森林火灾可分为地表火、地下火和树冠火，其中地表火和树冠火燃烧属于明火，易于发现和观察，已有大量研究；地下火燃烧属于缓慢、低温、无焰的阴燃现象，具有极强隐蔽性，在监测和扑救中很容易被忽视，相关研究较少（Reinet al.，2008；黄鑫炎等，2021）。地下火阴燃是森林火灾中的一种极端火行为，主要发生在热带雨林、温带以及寒带的森林腐殖质或泥炭土层中（Huanget al.，2015；张吉利等，2018）。极端野火会减缓植被自然更新（Wanget al.，2021），地下火一旦发生可能在几周甚至几个月内缓慢燃烧蔓延（Huanget al.，2015），期间不仅会毁坏植物根系、破坏土壤结构、影响地下水位（Reinet al.，2008；Schulteet al.，2019），还会释放出大量温室气体和有毒有害气体（Turetskyet al.，2011；Haddenet al.，2013；Sutheimeret al.，2021），严重影响着生态环境和社会经济。

1997年东南亚发生的大面积泥炭火阴燃，造成该区域极端雾霾事件，使人们真正认识到地下火阴燃给环境和经济带来的严重威胁（Pageet al.，2002；Cancellieriet al.，2012），近年来受人为活动影响增强以及全球气候变暖加速，环境条件越来越利于林火发生，地下火的发生频率、规模和危害程度显著提高（Kohlenberget al.，2018；Parket al.，2020；Scholtenet al.，2021），对地下火阴燃的研究也逐渐受到关注。目前，基于小尺度模拟点烧试验是研究地下火阴燃的主要方法，近年来一些学者在地下火阴燃的化学反应过程、燃烧特征、气体排放以及含水率、粒径、无机物含量对阴燃的影响等方面进行了大量探索（Chenet al.，2015；Prat-Guitartet al.，2016；Wakhidet al.，2017；Huet al.，2018；何诚等，2020；高萌等，2020；赵志新等，2020；唐抒圆等，2022；Marcotteet al.，2022），提出使用特殊材料制造防火隔离带、冷却灭火、泡沫水剂等扑救地下火的方法（Ramadhanet al.，2017；Mygalenkoet al.，2018；Ratnasariet al.，2018），而对地下火的预测预报只能通过地下水位和干旱指数等间接因素来实现（Reardonet al.，2011）。泥炭地阴燃研究是较多学者关注的重点，但地下的腐殖质或泥炭层存在很大空间异质性，实险室使用商业泥炭进行阴燃试验，虽然可反映出阴燃的基本原理（Reardonet al.，2007），但很难适用于所有条件的地下火燃烧，尤其是森林腐殖质层地下火；森林腐殖质层地下火由于多伴随地表火发生，相关记录不多，导致研究也较少（张吉利等，2018）。可见，当前对区域范围内地下火燃烧特征和发生预测的研究还较薄弱，仍需开展大量试验进行探索。

1986年，长白山自然保护区受强台风破坏，大量原始林被摧毁，形成了大面积风灾区，森林更新、群落结构、物种多样性等受到严重影响，经过30多年的恢复，目前风灾区只有小部分恢复较好，且由于多年没有人为干扰，地表和地下积累大量被风掘起带有树根的腐朽倒木和倒木堆，有些地方地下还形成较厚的草根盘结层（赵晓飞等，2004），森林火灾发生风险极高，同时也为地下火发生埋下了隐患。鉴于此，本研究基于室内模拟点烧试验分析长白山风灾区不同恢复程度的地下火阴燃温度和蔓延速率变化特征，不同恢复程度和含水率对地下火阴燃峰值温度和蔓延速率的影响，并建立地下火发生概率预测模型，以期为进一步研究森林腐殖质层地下火和该地区地下火防控提供更多参考和理论依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

长白山自然保护区位于我国吉林省东南部，是北半球北部最具代表性的温带森林，涵盖从温带到极地大部分景观和生物类型，在涵养水源、保育土壤、固碳释氧、生物多样性保护等方面发挥着积极作用（张晓红等，2019；张园等，2020）。该区年最低气温-44.0 ℃，年最高气温33.2 ℃，年降水量817.0～1332.6 mm。长白山风灾区位于自然保护区西部和南部，41°52′40″—42°01′10″N，127°53′37″—128°02′00″E，其成因为1986年8月28日晚由朝鲜半岛登陆的15号台风袭击了长白山自然保护区西、南两坡海拔1100～2000 m的原始森林，跨越阔叶红松（Pinus koraiensis）林带、云（Picea asperata）冷杉（Abies fabri）林带和岳桦（Betula ermanii）林带，造成大面积森林被摧毁，风灾面积达11 386 hm2。经过30多年的更替演化，风灾区自然环境和生物多样性也发生了变化，目前以未恢复区面积最大，形成主要以小叶樟（Deyeuxia langsdorffii）为主的草甸；恢复区主要集中在低海拔地区，植被类型为针阔混交林；同时还存在未完全恢复的半恢复区，植被类型为针叶林（牛丽君等，2013；王慧赟等，2019）。

1.2 地下可燃物采集

2020年秋季防火期进行野外调查，在长白山风灾区选择未恢复区（以小叶樟为主的草甸，地下可燃物由草根和少量草甸土组成，厚度15 cm）、半恢复区（草本植物和森林交织，地下可燃物由草根和腐殖质组成，厚度28 cm）、恢复区（完成更新的幼龄林，地下可燃物由腐殖质组成，厚度17 cm）为试验地。每块试验地随机选取30 m×20 m试验样地，调查并记录样地基本情况。在样地对角线处分别设置3个50 cm×50 cm小样方，除掉地表枯枝落叶，挖掘小样方内所有地下可燃物带回实险室。

1.3 地下可燃物处理

采集的部分可燃物装入档案袋置于鼓风干燥箱中，105 ℃连续烘干48 h使可燃物趋于绝干；剩余可燃物置于阴凉通风处自然风干，每隔6 h使用快速水分测定仪测量其含水率，直至达设定含水率为止。将不同含水率的可燃物分别置于塑封袋中密封，用于模拟点烧试验。试验前，使用快速水分测定仪再次测量3次可燃物含水率，平均值作为可燃物实际含水率。

在不同恢复程度下，从可燃物含水率0%开始进行模拟点烧试验。为减小试验误差，将含水率梯度间隔设为5%，直至地下火不能自我维持燃烧。研究发现，当可燃物温度达300 ℃时会发生明显阴燃现象并热解产生碳（黄鑫炎等，2021；Linet al.，2021），故本研究认为当阴燃峰值温度小于300 ℃时不能发生地下火阴燃。根据点烧试验结果，共进行0%、5%、10%、15% 4种含水率梯度点烧试验。

1.4 地下火模拟点烧试验

使用自行组装的地下火温度采集系统进行模拟点烧。为使点烧试验更接近于实际地下火燃烧过程，试验装置设置为顶部开口的阴燃反应炉，同时为降低燃烧过程中的热量损失，阴燃反应炉使用具有保温隔热效果的陶瓷铝硅酸纤维材料制作；在阴燃反应炉侧面插入K型热电偶，通过数据采集模块和补偿导线将热电偶与笔记本电脑连接；由于地下火燃烧是一个十分缓慢的过程，为更加精准掌握地下火燃烧过程，同时考虑试验装置自身性质，每隔3 cm插入1根热电偶（林少润等，2021）。以远红外加热板作为火源，引燃地下火可燃物，使用前加热至500 ℃后放置在阴燃反应炉上，并采用控温表控制温度保持恒定，加热2 h后撤掉加热板。数据采集模块将K型热电偶采集的温度变化数据传入笔记本电脑，用于试验数据分析，采集频率10 s一次。模拟点烧试验装置示意见图1。

图1 地下火模拟点烧试验装置Fig. 1 Sub-surface fire simulation ignition experimental device

地下火阴燃过程复杂，通过氧化反应释放热量维持燃烧（Pastoret al.，2018）。本研究根据温度变化将整个阴燃过程划分为4个阶段：远红外加热板作为火源引燃2 h，开始的2 h为引燃阶段；撤掉外部火源后，地下火仍可阴燃数小时，表明已开始自我维持燃烧（Huanget al.，2017），撤掉火源后至最后一根热电偶温度开始下降的过程视为地下火自我维持燃烧阶段；当地下火燃烧温度降至80 ℃以下时，阴燃不再可能复燃（Ramadhanet al.，2017），从最后一根热电偶温度下降至阴燃温度80 ℃的过程视为地下火熄灭过程；阴燃温度小于80 ℃至室温，表明地下火完全熄灭。

1.5 统计分析

基于地下火温度采集系统监测数据，使用Origin软件绘制地下火燃烧温度和蔓延速率（每根热电偶的深度除以该深度地下火燃烧达最高温度的时间）变化图。采用SPSS软件的方差分析方法分析不同恢复程度和含水率对地下火燃烧特征的影响；若存在交互作用则进行简单效应分析，显著水平P＜0.05；多重比较（LSD）结果用箱式图表示，箱体为数据的15%～75%，上下延长线为极值，箱体内横线为均值，每个箱体上若存在任意相同的小写字母表明差异不显著。

Logistic回归模型是预测研究地下火的重要方法（张吉利等，2018），本研究使用其预测长白山风灾区地下火发生概率。Logistic回归模型因变量取值是不连续的，可以是二项或多项分类，其自变量既可是连续变量，也可是分类变量。在不同恢复程度下，不同深度的地下火阴燃峰值温度大于300 ℃视为阴燃发生概率为1，反之发生概率为0。Logistic回归模型拟合使用SPSS软件完成。

设地下火发生概率为P，则有：

式中：β0为常量；自变量xn为筛选出的驱动因子；βn为各自变量系数。

在林火发生概率预测研究中，受试者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲线被广泛用于预测模型精度评价和模型阈值确定。ROC曲线下面积AUC（area under the curve）用来反映预测模型的准确性，其取值范围在0.5～1之间，AUC越大，模型敏感度和特异性越好，拟合精度越高。

2 结果与分析

2.1 不同恢复程度地下火阴燃过程

由图2a—c可知，恢复区（1.42%时7.67 h，5.19%时12.04 h）、未恢复区（0.75%时2.62 h，5.31%时3.27 h）、半恢复区（0.59%时8.43 h，4.79%时8.84 h，11.40%时9.05 h）的自我维持燃烧时间均随含水率升高而增加；恢复区（1.42%时5.74 h，5.19%时4.67 h）和未恢复区（0.75%时3.97 h，5.31%时2.97 h）熄灭过程用时与自我维持燃烧过程相反，随含水率升高而降低；虽然半恢复区含水率4.79%时熄灭用时7.74 h高于含水率0.59%时的5.99 h，但是含水率11.40%时熄灭用时依然最短（4.58 h）。不同恢复程度的地下火阴燃过程中，恢复区含水率1.42%和6.19%时均可完成整个燃烧过程，其中含水率1.42%时的燃烧温度最高达640.57 ℃；当含水率为9.16%时，撤掉火源后阴燃只能在深度3～6 cm维持燃烧，且燃烧温度较低，之后燃烧温度逐渐下降直至熄灭。未恢复区含水率0.75%时可完成整个燃烧过程，但燃烧温度随深度增加逐渐降低，深度15 cm处燃烧最高温度仅为365.58 ℃；含水率5.31%时，撤掉火源后地下火只能燃烧至12 cm处；含水率11.20%时，撤掉火源后地下火只维持1.71 h便逐渐熄灭。半恢复区含水率0.59%、4.79%、11.40%时均能完成整个燃烧过程，其中含水率4.79%时燃烧温度最高，达602.02 ℃；含水率16.13%时，撤掉火源地下火阴燃蔓延至9 cm处后燃烧温度逐渐下降直至完全熄灭。

图2 恢复区（a）、未恢复区（b）、半恢复区（c）地下火阴燃温度变化过程Fig. 2 Temperature change process of smoldering of sub-surface fire in recovery (a), nonrestored(b), and semi recovery (c) area①：引燃Igniting；②：自我维持燃烧Self sustaining combustion；③：熄灭过程Extinction process；④：完全熄灭Completely extinguished.

由图3可知，不同恢复程度的地下火阴燃蔓延速率均较为缓慢，其中恢复区和半恢复区的蔓延速率相对更慢。恢复区含水率1.42%时深度15 cm处的蔓延速率最快，也仅为1.55 cm·h-1，含水率5.19%时3 cm处的蔓延速率最慢，每小时仅蔓延0.86 cm；半恢复区地下火蔓延速率更加缓慢，最快仅为1.48 cm·h-1，且在不同含水率和深度条件下相差不大。未恢复区的地下火蔓延速率在不同含水率下随深度增加而加快，含水率0.75%时深度15 cm处的蔓延速率最快，可达3.25 cm·h-1。

图3 不同恢复程度的地下火阴燃蔓延速率变化特征Fig. 3 Change characteristics of smoldering spread rate of sub-surface fire with different recovery degreesⅠ：恢复区Recovery area；Ⅱ：未恢复区Nonrestored area；Ⅲ：半恢复区Semi recovery area.

2.2 影响地下火阴燃的因素

不同恢复程度和含水率对地下火阴燃峰值温度和蔓延速率影响的对比分析结果显示，2个条件交互作用对峰值温度的影响存在显著差异，其中含水率0%（F=14.60，P＜0.01）和5%（F=4.30，P=0.022）时，不同恢复程度的地下火阴燃峰值温度之间存在显著差异，而含水率10%（F=3.24，P=0.053）条件下则不存在差异；恢复区（F=14.25，P＜0.01）不同含水率地下火阴燃峰值温度之间存在显著差异，未恢复区（F=1.31，P=0.283）和半恢复区（F=2.34，P＜0.113）则不存在差异。含水率（F=5.00，P=0.014）和恢复程度（F=8.49，P=0.001）对地下火阴燃蔓延速率的影响存在显著差异，但二者交互作用对蔓延速率不存在影响。

由图4可知，含水率0%和5%条件下，不同恢复程度的地下火阴燃峰值温度相差较大。含水率0%时，恢复区的峰值温度远高于半恢复区和未恢复区，与其均存在显著差异；恢复区和半恢复区的峰值温度相近。含水率5%时，半恢复区的峰值温度最高，其次是恢复区，未恢复区最低。恢复区不同含水率峰值温度随含水率增加而降低，且3种含水率条件之间均存在显著差异。含水0%和10%时蔓延速率较快，且二者不存在显著差异；未恢复区蔓延速率最快，远高于半恢复区和恢复区，与其均存在显著差异。

图4 不同含水率和恢复程度对地下火阴燃峰值温度和蔓延速率影响的对比分析Fig. 4 Comparative analysis of influence of different water contents and recovery degrees on smoldering peak temperature and spread rate of sub-surface fireNr：未恢复区 Nonrestored area；R：恢复区 Recovery area；Sr：半恢复区 Semi recovery area.

2.3 地下火阴燃发生概率预测

基于Logistic回归模型，根据风灾区地下可燃物含水率（x1）和深度（x2）建立地下火阴燃发生概率预测模型（表1），结果表明，2个变量均通过显著性检验（P＜0.05），模型拟合效果较好（P＜0.01），且含水率和深度均与地下火发生概率（P）呈负相关关系（表1）。回归方程如下：

表1 风灾区地下火阴燃发生概率的Logistic回归拟合Tab. 1 Logistic regression fitting of probability of sub-surface fire smoldering in wind disaster area

根据地下火阴燃发生概率模型预测地下火发生概率，绘制ROC曲线，曲线下面积AUC为0.917，说明模型预测精度高（图5）。

图5 地下火阴燃发生概率预测模型的ROC曲线Fig. 5 ROC curve of sub-surface fire smoldering probability prediction model

根据优势比结果可知，长白山风灾区地下可燃物深度（1.524）对地下火发生概率的影响略大于含水率（1.449）；在相同含水率下，深度每减少3 cm，地下火发生概率增加1.524倍；在相同深度下，腐殖质含水率每降低5%，地下火发生概率增加1.449倍（表2）。

表2 地下火阴燃发生概率Logistic回归的优势比①Tab. 2 Odds ratio of logistic regression of sub-surface fire smoldering occurrence probability

3 讨论

室内模拟点烧试验发现，不同恢复程度的地下火阴燃最高温度为640.57 ℃，地下火阴燃是一个不完全燃烧过程（Reinet al.，2009），以往报道的燃烧峰值温度一般在400～700 ℃之间（Huanget al.，2019；何诚等，2020），与本研究结果相符。长白山风灾区恢复区和未恢复区的地下火阴燃极限含水率为10%，半恢复区为15%。这是因为恢复区是近年来才完全恢复起来的中幼龄林，地下可燃物积累较少，未恢复区主要以草地为主，地下可燃物呈棕黄色且富含有机物质少；虽然极限含水均为10%，但是恢复区阴燃温度和持续时间强于未恢复区。半恢复区是原始林未被完全摧毁且自然更新也未完全完成所形成的，地下可燃物是长时间积累富含有机物的腐殖质，在高含水率条件下更易发生地下火并缓慢蔓延（Xuet al.，2018）；而且受风灾影响，半恢复区林内形成很多林窗，地表植被逐渐被杂草取代，容易形成地表火，甚至是树冠火和地下火交织在一起发生的立体火场。虽然不同恢复程度的地下火阴燃在较高含水率条件下蔓延至近地表层（3～9 cm）后就自我熄灭，但是下层可燃物含水率高并不代表可以忽视地下火发生。地下火阴燃既可垂直方向蔓延也可水平方向蔓延（Huanget al.，2019；2015），虽然不能向下蔓延但有可能沿水平方向蔓延，且近地表层的地下可燃物受气候和环境影响含水率较低（Wilkinsonet al.，2020），更利于地下火发生和蔓延；蔓延在近地表层的地下火更易转变为地表火，形成二次火场。当然这还需通过更多试验研究验证。

恢复区、未恢复区、半恢复区地下火阴燃自我维持燃烧时间均随含水率升高而增加，而熄灭用时则为含水率高时所需时间较短。地下火阴燃的整个过程是靠自身释放热量维持的（Ohlemiller，1985），含水率较高时燃烧释放的热量首先是蒸发可燃物中的水分，剩余热量才用来完成燃烧（Reardonet al.，2007），故高含水率的燃烧时间长；而在自我维持燃烧过程中蒸发的水分会带走一部分热量（Possellet al.，2013），故高含水率时在熄灭过程中温度下降所需时间短一些。对比分析结果可知，在含水率较低的0%和5%条件下，不同恢复程度的峰值温度之间存在显著差异；而在较高含水率条件下，不同恢复程度的峰值温度之间不存在差异。正如上文所述，可燃物含水率高，燃烧释放的热量更多用于蒸发水分，而剩余热量不能支持可燃物完全燃烧（Frandsenet al., 1987; Reinet al.,2009），所以不同恢复程度的阴燃温度均较低且不存在差异；同时这也说明低含水率条件下阴燃的蔓延速率较快，因为不需要太多时间用于蒸发水分。值得注意的是，未恢复区的地下火阴燃温度虽低，但蔓延速率最快，这是由于未恢复区以草地为主，地下可燃物中存在较多草本根系且材质疏松（牛丽君等，2013），燃烧过程中可燃物的空隙大，氧气也较充足，可加快地下火蔓延速率（Huanget al.，2017）。地下火阴燃是个极复杂的过程，对小尺度模拟点烧试验来说，引入的影响因素越多，越难以定量分析阴燃特征（黄鑫炎等，2021），所以本研究在不同恢复程度下控制对阴燃特征影响最大的含水率变量。当然地下可燃物的密度、理化性质以及环境因素均可能影响地下火阴燃特征，这将是下一步研究重点。

地下火隐蔽性强，相关发生频次、过火面积和持续时间等关键数据难以获得（张吉利等，2018），对地下火的发生预测较难，而基于历史火灾数据是预测林火发生的重要方法（苏漳文等，2019；顾先丽等，2020；高博等，2021），目前对地下火的发生预测通常使用间接因子来实现。含水率是决定地下火发生的重要因素（Mikalsenet al.，2019；Reardonet al.. 2009），深度也是体现地下火行为的一个重要指标（Huanget al.，2017）。Logistic回归模型具有较强普适性，被广泛用于林火发生预测中（Ganteaumeet al.，2015；宁吉彬等，2021），本研究基于Logistic回归模型，使用含水率和深度建立地下火发生预测模型，拟合效果和精度较好。当然，可以用于林火发生预测的模型还有许多，之后会将更多模型引入地下火发生预测研究，探索出精度更高、实用性更强的地下火发生预测模型。

4 结论

本研究使用长白山风灾区不同恢复程度的实际地下可燃物材料，通过室内模拟点烧试验分析恢复区、未恢复区、半恢复区的地下火阴燃特征并对发生概率进行预测，得出如下结论：当恢复区、未恢复区、半恢复区的地下可燃物含水率大于10%、10%、15%时，地下火不能向下蔓延燃烧；3种恢复程度的地下火燃烧温度较低且蔓延速率缓慢，其中恢复区和半恢复区的燃烧温度较高，未恢复区的蔓延速率最快；建立的预测地下火发生的Logistic回归模型精度较高，含水率越低和越靠近地表时越容易发生地下火。