大興安嶺溝塘草甸地表可燃物載量快速測(cè)定方法1)

寧吉彬 甕岳太 邸雪穎 楊光

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

森林可燃物、火源和氣象條件為森林燃燒三要素，也是森林火災(zāi)形成的三個(gè)必要條件[1]。森林可燃物是指林內(nèi)一切可以燃燒的物質(zhì)(死地被物、草本植物、灌木和喬木等)[2]，是森林火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)?？扇嘉镙d量作為可燃物的特征之一，是指單位面積上可燃物的絕干質(zhì)量(包括所有活的、死的有機(jī)物)[3]?？扇嘉镙d量的大小影響著森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)的潛在蔓延速度、火強(qiáng)度和火焰高度等林火行為指標(biāo)[4]，世界各國都非常重視對(duì)森林可燃物載量的研究，20世紀(jì)初期，Sparhawk[5]和Harnby[6]針對(duì)某一類型的森林可燃載量進(jìn)行了初步研究；Rothermel et al.[7]根據(jù)可燃物載量隨時(shí)間的變化規(guī)律，建立了可燃物載量動(dòng)態(tài)模型，使模型估測(cè)的可燃物載量更具客觀性；Skowronski et al.[8-9]利用激光雷達(dá)測(cè)定樹高，結(jié)合森林資源清查數(shù)據(jù)建立可燃物載量的估測(cè)模型。相比于國外，我國有關(guān)森林可燃物載量的研究相對(duì)較晚，邸雪穎等[3]利用林分因子建立了估測(cè)興安落葉松林和樟子松林地表可燃物載量的一元和多元線性回歸模型。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)模擬能力的提高，越來越多的研究更趨向于利用現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行大尺度的可燃物載量估測(cè)。李明澤等[10]利用樣地調(diào)查數(shù)據(jù)，結(jié)合遙感影像數(shù)據(jù)和DEM地形數(shù)據(jù)，建立了森林地表可燃物載量估測(cè)模型。綜合來看，現(xiàn)階段可燃物載量的測(cè)定方法主要包括直接估測(cè)法、標(biāo)準(zhǔn)地機(jī)械布點(diǎn)法、樣線截面法、模型推測(cè)法、照片推測(cè)法和遙感圖像法等[11]?，F(xiàn)有可燃物載量測(cè)量方法各有優(yōu)勢(shì)，不同方法在精準(zhǔn)度和可操控性上有很大差異。基于野外實(shí)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)地機(jī)械布點(diǎn)法、樣線截面法和照片推測(cè)法，雖然適用范圍廣、精準(zhǔn)度高，但該方法需要大量的人力和物力，不適用于大范圍調(diào)查；模型推測(cè)法的相關(guān)調(diào)查只局限于某一地區(qū)，同一方法對(duì)其它地區(qū)的推廣使用有待驗(yàn)證；遙感圖像法雖然簡(jiǎn)便、快捷，但是目前能夠從資源衛(wèi)星上獲得的信息還不夠豐富、不夠精確。受林火發(fā)生次數(shù)和持續(xù)時(shí)間等各種相關(guān)因素的影響，可燃物載量并不是一成不變的，很難找到一種適合我國林情的可燃物載量測(cè)定方法。如何快速準(zhǔn)確的估測(cè)可燃物載量，為林火行為預(yù)報(bào)提供理論依據(jù)，是現(xiàn)階段我國林火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)急需解決的問題。

大興安嶺地區(qū)位于我國最北端，是森林火災(zāi)的高發(fā)區(qū)。該區(qū)地形復(fù)雜，擁有大面積的溝塘草甸(草本沼澤)[12]，由于地表可燃物著火點(diǎn)極低，且長(zhǎng)年低溫使微生物的分解能力降低，枯萎的地表可燃物長(zhǎng)年積累導(dǎo)致載量偏高，為森林火災(zāi)的發(fā)生創(chuàng)造了極為有利的條件。1976年，黑龍江友好林業(yè)局翠北林場(chǎng)發(fā)生溝塘草甸火，造成29名撲火人員犧牲，另有20人被燒傷，1987年內(nèi)蒙古陳巴爾虎旗發(fā)生溝塘草甸火，造成52名撲火人員犧牲，24人被燒傷[13]。本研究對(duì)黑龍江省大興安嶺地區(qū)溝塘草甸地表可燃物載量進(jìn)行調(diào)查，對(duì)地表可燃物載量與可燃物高度進(jìn)行回歸分析，建立研究區(qū)地表可燃物載量估測(cè)模型，依據(jù)模型，提出一種快速測(cè)量地表可燃物載量的方法，極大地滿足了可燃物載量管理工作的需求，同時(shí)，為森林可燃物管理、森林火災(zāi)的撲救與預(yù)防和建立林火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供參考。

1 研究區(qū)概況

大興安嶺漠河縣位于我國最北端，地處大興安嶺北坡，黑龍江上游南岸，東部與塔河縣接壤，西鄰內(nèi)蒙古自治區(qū)額爾古納右旗，南部與呼中區(qū)及根河市交界，北隔黑龍江主航道中心線與俄羅斯相望。地理坐標(biāo)為東經(jīng)121°7′～124°20′，北緯52°10′～53°33′，全縣林業(yè)總經(jīng)營(yíng)面積7.68×105hm2，有林地面積6.95×105hm2，森林覆蓋率90.6%[14]。該縣屬于寒溫帶大陸性氣候，冬季時(shí)間較長(zhǎng)且異常寒冷，受到太平洋阿留申低壓影響時(shí)，氣溫一般低于-40 ℃，即使在氣溫最高的7月，月平均溫度僅有18.1 ℃。主要森林類型為落葉松(Larixgmelinii)林，樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)林，蒙古櫟(Quercusmongolica)林，白樺(Betulaplatyphylla)林，山楊(Populusdavidiana)林等[15-16]。

2 研究方法

2.1 外業(yè)調(diào)查

2016年秋季防火期，在漠河縣境內(nèi)選取有代表性的溝塘草甸樣地，并用GPS定點(diǎn)記錄坐標(biāo)。在樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置1 m×1 m的樣方100塊，記錄樣方內(nèi)地表可燃物平均高度，把樣方內(nèi)小葉樟(Deyeuxiaangustifolia)等所有草本可燃物從根部割取地上部分，同時(shí)收集樣方內(nèi)全部地表死可燃物，現(xiàn)場(chǎng)稱量地表可燃物鮮質(zhì)量總和，并記錄為總鮮質(zhì)量。稱取200 g地表可燃物樣品，裝入檔案袋，帶回實(shí)驗(yàn)室，放入烘箱內(nèi)105 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱量烘干樣品，并記錄為樣干質(zhì)量。2017年春季防火期，在漠河縣境內(nèi)選取有代表性的溝塘草甸進(jìn)行同樣的外業(yè)調(diào)查，累計(jì)收集90塊樣方數(shù)據(jù)。

2.2 可燃物載量計(jì)算

通過采樣、烘干等過程得出可燃物樣品烘干質(zhì)量和可燃物的含水率，即可得出1 m×1 m樣方的可燃物載量，進(jìn)而推算出每公頃可燃物載量，其公式如下：

(1)

式中：RMC為相對(duì)含水率，WSH為樣鮮質(zhì)量，WSD為樣干質(zhì)量。

WFL=WTH×(1-RMC)。

(2)

式中：WFL為可燃物載量，WTH為總鮮質(zhì)量。

2.3 數(shù)據(jù)處理

將春秋兩季收集的190組樣方數(shù)據(jù)，分別并以10 cm的高度為一個(gè)組別，對(duì)不同可燃物高度的樣方數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，每個(gè)組別名稱由所在區(qū)間中位數(shù)代替(如35代表30～40 cm組別)，計(jì)算每個(gè)區(qū)間內(nèi)可燃物的平均高度、平均含水率、平均鮮質(zhì)量、平均干質(zhì)量和平均可燃物載量和樣方數(shù)。分別分析可燃物高度與含水率、鮮質(zhì)量、載量之間的關(guān)系，以及各項(xiàng)可燃物特征由秋季防火期到春季防火期的變化情況。

可燃物載量模型估測(cè)法是將可燃物載量作為因變量，林分因子作為自變量，對(duì)于不同的可燃物類型選取的林分因子不一定相同。本研究對(duì)地表可燃物載量進(jìn)行估測(cè)時(shí)，選取的影響因子為可燃物高度。

按照建模樣本和檢驗(yàn)樣本 4∶1的比例隨機(jī)將可燃物樣本分組。在100塊秋季防火期樣方中，80 塊樣方作為建模樣本，用于建立秋季防火期可燃物載量估測(cè)模型，其余20塊樣方用于模型的檢驗(yàn)；在90塊春季防火期樣方中，72塊樣方作為建模樣本，用于建立春季防火期可燃物載量估測(cè)模型，其余18塊樣方用于檢驗(yàn)。求出檢驗(yàn)樣本的預(yù)測(cè)值，并計(jì)算相對(duì)誤差(RE)、平均精度(PRE)和均方根誤差(RMSE)，計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

(5)

3 結(jié)果與分析

3.1 溝塘草甸地表可燃物總體特征

如表1所示， 2016年秋季防火期地表可燃物最高高度為138 cm，最低高度為35 cm；2017年春季防火期地表可燃物最高高度為131 cm，最低高度為23 cm；2016年秋季防火期到2017年春季防火期地表可燃物平均高度下降12.2%。從地表可燃物含水率變化來看，2016年秋季防火期地表可燃物平均含水率為40.8%，2017年春季防火期為38.9%，下降了4.7%，含水率的變化不明顯。從地表可燃物質(zhì)量變化來看，2016年秋季防火期地表可燃物平均面積鮮質(zhì)量為924.7 g/m2，2017年春季防火期地表可燃物平均面積鮮質(zhì)量為854.8 g/m2，下降了7.6%；2016年秋季防火期地表可燃物平均面積干質(zhì)量為578.3 g/m2，2017年春季防火期地表可燃物平均面積干鮮質(zhì)量為546.4 g/m2，下降了6.7%。

表1 溝塘草甸地表可燃物樣地信息

3.2 溝塘草甸地表可燃物特征的變化

如表2所示，2016年秋季防火期地表可燃物含水率、鮮質(zhì)量和干質(zhì)量均與高度有著一定的關(guān)系。隨著可燃物高度的升高，含水率呈下降趨勢(shì)，在可燃物高度為35 cm時(shí)含水率最高為57.7%，可燃物高度為85～135 cm時(shí)含水率趨于平緩，在平均水平上下浮動(dòng)。當(dāng)可燃物高度升高，鮮質(zhì)量和干質(zhì)量均呈升高趨勢(shì)，在可燃物高度為35 cm時(shí)面積鮮質(zhì)量和面積干質(zhì)量均最少分別為351.3、151.8 g/m2，在可燃物高度為125 cm時(shí)面積鮮質(zhì)量和面積干質(zhì)量最高分別為1 753.6、1 186.5 g/m2。2017年春季防火期可燃物鮮質(zhì)量和干質(zhì)量均與也有著關(guān)系，當(dāng)可燃物高度升高，鮮質(zhì)量和干質(zhì)量呈升高趨勢(shì)，在45組別面積鮮質(zhì)量和面積干質(zhì)量均最少，分別為261.0、164.8 g/m2，面積鮮質(zhì)量和面積干質(zhì)量最高均為95組別，分別是1 651.0、1 113.9 g/m2，可燃物高度為105～125 cm時(shí)在面積干質(zhì)量上并無明顯差別。含水率隨高度的變化則不明顯，在高度較低時(shí)，含水率較高，在可燃物高度為25 cm時(shí)含水率最高為52.5%，可燃物高度為45～135 cm時(shí)則在平均水平上下浮動(dòng)。

表2 溝塘草甸地表可燃物特征

3.3 溝塘草甸地表可燃物載量模型建立與檢驗(yàn)

如圖1所示，圖中各散點(diǎn)即代表2016年秋季防火期樣地80組建模數(shù)據(jù)，從散點(diǎn)的分布趨勢(shì)來看，隨著可燃物高度升高，可燃物載量逐漸增大，可燃物載量與可燃物高度正相關(guān)。如圖2所示，圖中個(gè)散點(diǎn)代表2017年春季防火期樣地72組建模樣本，雖然隨著可燃物高度的增加，可燃物載量有一定的增加趨勢(shì)，但其連續(xù)性不如秋季防火期明顯，可能是由于冬天積雪覆蓋可燃物分解引起的。

根據(jù)樣地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立的2016年秋季防火期可燃物載量模型為：Y=0.106 9X-2.849 4，30 cm≤X≤140 cm，其中，Y為可燃物載量，X為可燃物高度。其擬合效果較好，擬合平均精度為77.41%，相關(guān)系數(shù)為0.849 8，表明可燃物載量變化的84.98%可以用可燃物高度的變化來解釋。

2017年春季防火期可燃物載量模型為：Y=0.105 5X-2.171 9，30 cm≤X≤140 cm。擬合效果相對(duì)較差，擬合平均精度和相關(guān)系數(shù)分別為56.25%和0.764 0。

通過對(duì)2016年秋季防火期樣地20組檢驗(yàn)樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)值的計(jì)算，檢驗(yàn)樣本的可燃物載量實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的對(duì)比如圖3所示，通過計(jì)算得出該模型預(yù)測(cè)的可燃物載量平均精度為66.10%，均方根誤差為2.58 t/hm2。圖4為2017年春季防火期檢驗(yàn)樣本的可燃物載量實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的對(duì)比，模型預(yù)測(cè)的可燃物載量平均精度為50.24%，均方根誤差為2.26 t/hm2。綜合來看，在實(shí)測(cè)可燃物高度變化范圍內(nèi)，春季和秋季可燃物載量一元線性回歸方程的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值趨向一致，說明可燃物載量的估測(cè)模型具有較高的可靠性。

圖1 秋季防火期溝塘草甸地表可燃物載量與高度回歸

圖2 春季防火期溝塘草甸地表可燃物載量與高度回歸

圖3 秋季防火期地表可燃物載量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值

圖4 春季防火期地表可燃物載量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值

4 結(jié)論與討論

(1)從2016年秋季防火期和次年春季防火期大興安嶺溝塘草甸地表可燃物的調(diào)查數(shù)據(jù)來看，地表可燃物平均高度由78.2 cm下降到69.2 cm，高度上的大幅度降低，是由冬季長(zhǎng)時(shí)間的積雪覆蓋引起的，大興安嶺地區(qū)冬季氣溫極低，一旦降雪，直至次年初春積雪都不會(huì)融化，隨著降雪量的增加，地表可燃物所承受雪的質(zhì)量增加，造成可燃物高度下降；地表可燃物含水率從40.8%下降到38.9%，變化不明顯，張運(yùn)林等[17]認(rèn)為春季和秋季細(xì)小可燃物失水和吸水有明顯差別，春季可燃物均為前一年的，失水和吸水速度較大，而秋季可燃物為則當(dāng)年留存，對(duì)水分的變化響應(yīng)較慢，張國防等[18]認(rèn)為影響地表可燃物含水率大小的因子依次是：相對(duì)濕度>風(fēng)速>地表可燃物載量>氣溫。結(jié)合以上觀點(diǎn)來看，本文含水率的小幅度變化，是由天氣狀況不同引起的，在秋季防火期進(jìn)行可燃物收集之前，樣地有少量降水，并且風(fēng)速較低，次年春季防火期進(jìn)行可燃物收集時(shí)，樣地少有降水，且處于連續(xù)的春季大風(fēng)天氣，這樣加大樣地內(nèi)可燃物的水分流失速度，進(jìn)而使得春季收集的可燃物含水率較低；地表可燃物平均面積鮮質(zhì)量從924.7 g/m2下降到854.8 g/m2，平均面積干質(zhì)量從578.3 g/m2下降到546.4 g/m2。在高緯度高海拔地區(qū)，受到低溫限制，土壤微生物活性普遍較低[19]，森林地表有機(jī)質(zhì)的分解過程速度較慢，但是，通過2016年秋季防火期到次年春季防火期可燃物干質(zhì)量的變化情況來看，即使在極端低溫、微生物活性較低的條件下，仍然會(huì)有可燃物被分解。

(2)從地表可燃物含水率和質(zhì)量隨可燃物高度的變化情況來看，可燃物的干質(zhì)量和鮮質(zhì)量均與可燃物高度呈正相關(guān)，可燃物含水率隨著高度的增加而有下降趨勢(shì)。馬麗芳等[20]認(rèn)為影響地表可燃物含水率變化的因子是土壤含水率和離地50 cm空氣的相對(duì)濕度，可將可燃物分成近地部分和上層部分，分析可燃物含水率的變化情況。近地部分可燃物的含水率，受土壤含水率的影響較大，但是受高度影響較??；在土壤含水率只能影響一定高度范圍內(nèi)可燃物含水率的條件下，近地部分的可燃物含水率不會(huì)有差異；可燃物的上層部分受土壤含水率影響較小，可燃物上層部分含水率受風(fēng)和日照輻射影響較大，使得上層部分的含水率較小。因此，從上下兩部分可燃物結(jié)合來看，地表可燃物的含水率隨著高度的增加而減小。

(3)在地表可燃物載量模型中，自變量的確定主要取決于地表植物的生長(zhǎng)環(huán)境、形態(tài)特征等因素，因此，所建立的模型以簡(jiǎn)單實(shí)用為原則[21]。在建立模型時(shí)，盡量選擇較為簡(jiǎn)單的自變量或?qū)⒍鄠€(gè)復(fù)雜的自變量簡(jiǎn)化，這樣在進(jìn)行地表可燃物載量實(shí)地估測(cè)時(shí)，便可以做到有據(jù)可依、簡(jiǎn)單實(shí)用。通過對(duì)溝塘草甸樣地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，秋季防火期可燃物為當(dāng)年生長(zhǎng)季留存，春季防火期可燃物為冬季積雪覆蓋和微生物分解后留存，二者在可燃物特征上有明顯不同，因此，需要分別春季和秋季防火期來建立不同的可燃物載量模型。通過對(duì)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，可燃物載量與可燃物高度正相關(guān)，且在野外條件下，可燃物高度極易獲取，因此，本研究選取易測(cè)因子(地表可燃物高度)，建立的春季地表可燃物載量估測(cè)模型為Y=0.105 5X-2.171 9(30 cm≤X≤140 cm)，秋季地表可燃物載量估測(cè)模型為Y=0.106 9X-2.849 4(30 cm≤X≤140 cm)。由于大興安嶺溝塘草甸植被生長(zhǎng)環(huán)境良好，本研究所得出的可燃物載量模型，只適用于地表可燃物高度在30～140 cm的條件下，經(jīng)過檢驗(yàn)，該模型的自變量與因變量具有顯著差異，可以作為大興安嶺溝塘草甸內(nèi)地表可燃物載量估測(cè)模型。

(4)本研究提出可燃物載量快速測(cè)定方法在實(shí)際應(yīng)用中，只需要對(duì)一個(gè)易測(cè)因子(地表可燃物高度)進(jìn)行測(cè)量，便能夠快速測(cè)定可燃物載量并且擁有較高的精確度。這種地表可燃物載量快速測(cè)定方法方便快捷，所需林分因子簡(jiǎn)單易測(cè)，獲取結(jié)果更加直觀，特別是在瞬息萬變的火場(chǎng)中，快速測(cè)定可燃物載量對(duì)于估測(cè)林火行為和林火撲救有著極其重要的作用。但是，不同的可燃物類型，因其所處緯度、海拔以及群落密度、組成結(jié)構(gòu)等的不同，無法建立通用的可燃物載量估測(cè)模型，本研究使用的實(shí)驗(yàn)方法可以推廣到其它類型以及地區(qū)的森林可燃物調(diào)查工作中，用于可燃物載量估測(cè)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，依靠人工測(cè)量與高新技術(shù)相結(jié)合的方式，一定會(huì)提高可燃物快速測(cè)定的精度，進(jìn)而幫助森林火災(zāi)撲救指揮人員準(zhǔn)確分析潛在的火行為，為有效的控制火行為具有實(shí)際意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 胡海清.林火生態(tài)與管理[M].北京:中國林業(yè)出版社，2005．

[2] 賀紅士,常禹,胡遠(yuǎn)滿,等.森林可燃物及其管理的研究進(jìn)展與展望[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2010,34(6):741-752.

[3] 邸雪穎,王宏良,姚樹人,等.大興安嶺森林地表可燃物生物量與林分因子關(guān)系的研究[J].森林防火,1994(2):16-18.

[4] 周澗青,劉曉東,郭懷文.大興安嶺南部主要林分地表可燃物負(fù)荷量及其影響因子研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,42(6):131-137.

[5] SPARHAWK W N. The use of liability ratings in Planning forest fire protection[J]. Journal of Agricultural Research,1925,30(8):693-792.

[6] HARNBY L G. Fuel type mapping in Region One[J]. Journal of Forestry,1935,33(1):67-72.

[7] ROTHERMEL R C, PHILPOT C W. Predicting Changes in Chaparral Flammability[J]. Journal of Forestry,1973,71(10):640-643.

[8] SKOWRONSKI N, CLARK K L. Three-dimensional canopy fuel loading predicted using upward and downward sensing LIDAR systems[J]. Remote Sensing of Environment,2011,115(2):703-714.

[9] SKOWRONSKI N, CLARK K L. Remotely sensed measurements of Forest structure fuel loads in the Pinelands of New Jersey[J]. Remote Sensing of Environment,2007,108(2):123-129.

[10] 李明澤,謝雨,邸雪穎,等.大興安嶺林區(qū)地表可燃物載量遙感估測(cè)模型[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,42(5):60-63,82.

[11] 楊光,黃喬,盧丹,等.森林可燃物負(fù)荷量測(cè)定方法研究[J].森林防火,2011(2):19-23.

[12] 巴樹桓.森林防撲火概論[M].北京:中國林業(yè)出版社，2007．

[13] 趙鳳君,舒立福.森林草原火災(zāi)撲救安全學(xué)[M].北京:中國林業(yè)出版社，2015．

[14] 楊光,邸雪穎,舒立福.近40a大興安嶺漠河縣林火行為指標(biāo)變化特征[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,40(12):76-80,98.

[15] 李華,杜軍,田曉瑞.黑龍江大興安嶺林區(qū)森林草類可燃物潛在能量研究[J].火災(zāi)科學(xué),2002,11(1):49-51.

[16] 鄭煥能,杜秀文.大興安嶺地區(qū)森林可燃物類型初步研究[J].森林防火,1986(2):11-12.

[17] 張運(yùn)林,張恒,金森.季節(jié)和降雨對(duì)細(xì)小可燃物含水率預(yù)測(cè)模型精度的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(8):5-12.

[18] 張國防,林文革,花昆福,等.杉木人工林地表易燃物含水率變化規(guī)律[J].福建林學(xué)院學(xué)報(bào),2000,20(1):76-78.

[19] 彭徐劍,韓煥金.森林地被可燃物生物降解研究概述[J].森林防火,2017(2):34-36.

[20] 馬麗芳,李文彬,張軍國,等.幾種森林地表可燃物含水率的預(yù)測(cè)研究[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué),2011(3):127-128,132.

[21] 梁衛(wèi)衛(wèi).草地地上生物量的簡(jiǎn)易估測(cè)方法研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué),2015.