內(nèi)蒙古大興安嶺主要火環(huán)境因子對(duì)地表死可燃物含水率的影響1)

伊伯樂 劉晏銘 張恒

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特，010019)

地表死可燃物含水率大小不僅是引發(fā)林火的重要因素，也是決定森林火災(zāi)危險(xiǎn)性和森林火災(zāi)行為的重要火環(huán)境因子[1-2]。地表死可燃物含水率的高低決定著地表死可燃物被引燃的概率大小，也影響著林火蔓延速度以及火災(zāi)強(qiáng)度[3-6]。在研究中，直接測(cè)量地表死可燃物含水率的數(shù)據(jù)相對(duì)真實(shí)，但無法在林火蔓延的時(shí)候進(jìn)入林內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而很難得到瞬時(shí)的含水率數(shù)值。由于海拔和植物的結(jié)構(gòu)變化、溫度、濕度和降水的差異[7]，氣象要素進(jìn)行重新分配，以及冠層覆蓋度[8-9]，導(dǎo)致地表死可燃物含水率也隨之改變。因此，通過觀測(cè)主要火環(huán)境因子的相應(yīng)指標(biāo)，研究主要火環(huán)境因子對(duì)地表死可燃物含水率的影響，對(duì)探討地表死可燃物含水率與森林火災(zāi)預(yù)測(cè)以及森林火災(zāi)的發(fā)生和蔓延具有重要意義。

地表死可燃物含水率一直都是森林火災(zāi)的研究熱點(diǎn)，并且美國、加拿大、澳大利亞的相關(guān)學(xué)者對(duì)地表死可燃物含水率預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了深入的研究[10-13]。Fosberg et al.[14-15]提出了通過細(xì)小可燃物濕度和降水量來計(jì)算積累指數(shù)的概念，并提出了基于擴(kuò)散方程的可燃物含水率模型；Anderson[16]和Nelson[17]運(yùn)用時(shí)滯法和平衡含水率法創(chuàng)建了含水率預(yù)測(cè)模型；Becky et al.[18]研究了混合針葉林由于人工疏伐導(dǎo)致的地表死可燃物含水率對(duì)季節(jié)變化的影響；Stuart et al.[19]建立了一套澳大利亞桉樹林地表可燃物含水率的微分方程，并與氣象要素回歸方程進(jìn)行了詳細(xì)的比較。在國內(nèi)，有代表性的研究主要是可燃物含水率與氣象要素的關(guān)系、取樣時(shí)間以及地表死可燃物含水率與環(huán)境梯度[20-22]。國內(nèi)外有關(guān)森林可燃物含水率的研究基本都是在不同土壤、氣象條件下的動(dòng)態(tài)變化[23-24]，并且多數(shù)集中在林火高發(fā)區(qū)。邵瀟等[25]的研究表明，氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速等火環(huán)境因子對(duì)森林枯死可燃物含水率變化有著密切的關(guān)系；王文娟等[26]研究了環(huán)境因子對(duì)不同時(shí)滯地表死可燃物含水量的響應(yīng)；李世友等[27]建立了氣溫、空氣相對(duì)濕度、凋落物層表面溫度、腐殖質(zhì)層表面溫度、凋落物層厚度與易燃可燃物含水率的預(yù)測(cè)模型；張運(yùn)林等[28]得出日平均濕度、日降水量和前5日降水對(duì)3種喬木可燃物含水率變化呈顯著相關(guān)。

總體來看，在大量的關(guān)于森林地表死可燃物含水率的研究中，發(fā)現(xiàn)主要的火環(huán)境因子與地表死可燃物含水率變化有著密切關(guān)系，但還不夠完善。因此，需要進(jìn)一步探討主要的火環(huán)境因子與地表死可燃物含水率存在的關(guān)系。本文以2004—2017年森林火災(zāi)多發(fā)的內(nèi)蒙古大興安嶺不同地區(qū)地表死可燃物含水率為研究對(duì)象，運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，分析地表死可燃物含水率與長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的火環(huán)境因子的相關(guān)性，構(gòu)建不同地區(qū)不同季節(jié)地表死可燃物含水率的預(yù)測(cè)模型，進(jìn)一步探討影響地表死可燃物含水率預(yù)測(cè)的火環(huán)境因子，為了提高地表死可燃物含水率的預(yù)測(cè)精度、林火管理水平和維護(hù)生態(tài)安全提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于內(nèi)蒙古大興安嶺，大興安嶺的森林面積約730萬hm2，南北長(zhǎng)696 km，東西寬384 km，沿俄羅斯、蒙古邊境線長(zhǎng)440 km，地理坐標(biāo)為121°12′～127°E，50°10′～53°33′N。該地區(qū)森林覆蓋率達(dá)77.44%，年降水量350～450 mm，相對(duì)濕度70%～75%，年平均氣溫-3.5 ℃，無霜期76～120 d。其位于高緯度寒溫帶地區(qū)，屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季和秋季是火災(zāi)高發(fā)期。林分類型主要有落葉松(Larixgmelinii)、楊樹(PopulusL.)、白樺(Betulaplatyphylla)、黑樺(Betuladahurica)、山楊(Populusdavidiana)、蒙古櫟(Quercusmongolica)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置和數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)草原局，地點(diǎn)選取根河市、鄂倫春旗、牙克石市、阿爾山市；數(shù)據(jù)采集時(shí)間自2004年4月28日至2017年4月24日；共有610組數(shù)據(jù)，其中已篩除高溫低濕天氣下的數(shù)據(jù)，具有代表性?；瓠h(huán)境因子包含枝落葉層厚度(Th)、枯枝落葉層質(zhì)量(L)、枯枝落葉層溫度(Tl)；林中氣溫(T)、林中相對(duì)濕度(R)；林內(nèi)灌木高度(H)、林內(nèi)灌木蓋度(C)。

可燃物含水率計(jì)算公式：

式中：M為可燃物含水率；WH為可燃物濕質(zhì)量；WD為可燃物干質(zhì)量。

2.2 地表死可燃物含水率預(yù)測(cè)模型的建立與檢驗(yàn)

將內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)草原局提供的數(shù)據(jù)，根據(jù)春秋兩個(gè)季節(jié)以及地區(qū)分別進(jìn)行整理。以枯枝落葉層厚度(Th)、枯枝落葉層重(L)、枯枝落葉層溫度(Tl)、林中氣溫(T)、林中相對(duì)濕度(R)、林內(nèi)灌木高度(H)、林內(nèi)灌木蓋度(C)為變量。根據(jù)Person相關(guān)性數(shù)據(jù)分析方法，確定與地表死可燃物含水率相關(guān)性顯著的因子，剔除無相關(guān)性或相關(guān)性較小的因子，使用整理好的各個(gè)地區(qū)春秋兩季的數(shù)據(jù)，以當(dāng)天地表死可燃物含水率為因變量，以火環(huán)境因子(Th、L、Tl、T、R、H、C)為自變量，運(yùn)用逐步線性回歸方法建立多元線性方程，模型具體形式為：

式中：M為可燃物含水率；Xi(i=1、2、…、n)為火環(huán)境因子(枯枝落葉層厚度、枯枝落葉層重、枯枝落葉層溫度、林中氣溫、林中相對(duì)濕度、林內(nèi)灌木高度、林內(nèi)灌木蓋度)；bi為待估參數(shù)。

采用n-fold交叉驗(yàn)證法[29]計(jì)算樣地的n個(gè)含水率數(shù)據(jù)的模型精度，將數(shù)據(jù)分成n個(gè)子樣本，用剩余n-1個(gè)樣本與主要火環(huán)境因子進(jìn)行逐步線性回歸，并利用剩余一個(gè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，交叉驗(yàn)證重復(fù)n次，每個(gè)子樣本驗(yàn)證一次。計(jì)算平均誤差，對(duì)不同對(duì)照的誤差進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(配對(duì)t檢驗(yàn))，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2018軟件整理數(shù)據(jù)后，采用SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，并用Pearson相關(guān)性分析法進(jìn)行對(duì)主要火環(huán)境因子和地表死可燃物含水率進(jìn)行相關(guān)性分析。顯著性水平為P=0.05。同時(shí)，采用Origin 2018軟件進(jìn)行作圖，繪制不同地區(qū)及季節(jié)預(yù)測(cè)模型實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的1:1線，用以研究預(yù)測(cè)效果。

3 結(jié)果與分析

3.1 地表死可燃物含水率與火環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系

由表1可知，枯枝落葉層質(zhì)量與全地區(qū)、牙克石市、鄂倫春旗的地表死可燃物含水率呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；林內(nèi)灌木蓋度與全地區(qū)地表死可燃物含水率呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；林中相對(duì)濕度與阿爾山市春季的地表死可燃物含水率呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與根河市、牙克石市、阿爾山市全年和秋季的地表死可燃物含水率都呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05)。T、Tl、H、Th對(duì)地表死可燃物含水率的影響不同，顯著性逐漸降低，這與立地條件和森林生態(tài)學(xué)特性有關(guān)。

表1 地表死可燃物含水率與火環(huán)境因子相關(guān)性

3.2 地表死可燃物含水率預(yù)測(cè)模型

由表2可知，利用多元線性逐步回歸篩選構(gòu)建地表死可燃物含水率預(yù)測(cè)模型所采用的預(yù)測(cè)因子以及模型參數(shù)。林中氣溫(T)、林中相對(duì)濕度(R)、枯枝落葉層質(zhì)量(L)、枯枝落葉層溫度(Tl)以及林內(nèi)灌木蓋度(C)是影響地表死可燃物含水率變化最重要的火環(huán)境因子，枯枝落葉層質(zhì)量、枯枝落葉層溫度對(duì)地表死可燃物含水率的響應(yīng)始終為正相關(guān)；而全地區(qū)中地表死可燃物含水率與林內(nèi)灌木蓋度始終呈負(fù)相關(guān)；林中氣溫和林中相對(duì)濕度則有不同的影響，這與當(dāng)?shù)氐臍庀笠夭煌瑢?dǎo)致含水率發(fā)生變化有關(guān)。

表2 地表死可燃物含水率預(yù)測(cè)模型

由表3可知，在建立的地表死可燃物含水率模型中，春季地表死可燃物含水率模型的平均絕對(duì)誤差為20.54%，平均相對(duì)誤差為35.76%；而秋季建模的平均絕對(duì)誤差為24.30%，平均相對(duì)誤差為45.25%；全年總體建模的平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差分別為24.70%和45.81%。

對(duì)預(yù)測(cè)模型的誤差進(jìn)行分析，顯著性較大的火環(huán)境因子更多，誤差相對(duì)較低，預(yù)測(cè)精度更高。如鄂倫春旗全年模型，主要的火環(huán)境因子為L(zhǎng)，其平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差分別為33.35%和53.58%，對(duì)比于阿爾山市春季模型，主要的火環(huán)境因子R和Tl的平均絕對(duì)誤差、平均相對(duì)誤差分別為11.69%、13.21%，顯然阿爾山市春季預(yù)測(cè)模型的精度更高；但將所有年份混合建模并沒有降低模型的誤差，反而增加了平均誤差，主要原因是不同地區(qū)的不同采樣地的氣象要素和植被條件不同，導(dǎo)致各地的含水率變化響應(yīng)差異變大，進(jìn)一步降低了模型的預(yù)測(cè)精度。

表3 3種分類方法建模的交叉驗(yàn)證誤差

3.3 不同地區(qū)季節(jié)地表死可燃物可燃物含水率預(yù)測(cè)模型誤差分析

由表4可知，在對(duì)各地區(qū)春秋兩季進(jìn)行t檢驗(yàn)時(shí)，平均絕對(duì)誤差差異不顯著(n=5,t=-1.442,P=0.223)，平均相對(duì)誤差差異不顯著(n=5,t=1.637,P=0.177)；在對(duì)春季和全年進(jìn)行t檢驗(yàn)時(shí)平均絕對(duì)誤差差異(n=6,t=-2.759,P=0.040)和平均相對(duì)誤差差異(n=6,t=1.417,P=0.216)都不顯著；對(duì)秋季和全年進(jìn)行t檢驗(yàn)時(shí)平均相對(duì)誤差差異(n=6,t=0.217,P<0.01)和平均相對(duì)誤差差異(n=6,t=-0.538,P<0.01)極顯著?？芍?，秋季和全年的火環(huán)境因子相關(guān)性更為顯著，其預(yù)測(cè)精度更加準(zhǔn)確。

表4 不同地區(qū)不同季節(jié)模型的預(yù)測(cè)誤差比較

由圖1可知，通過分析不同地區(qū)實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的地表死可燃物含水率的對(duì)比圖，R2=0.833的阿爾山春季的擬合線更接近于1∶1線，預(yù)測(cè)精度最高；其它模型分布比較離散，R2范圍在0.080～0.489，預(yù)測(cè)效果普遍不好；對(duì)采樣分布區(qū)較大，數(shù)據(jù)較多的全地區(qū)模型，大數(shù)據(jù)并沒有提高模型的預(yù)測(cè)精度，且預(yù)測(cè)精度較低。根河市春季、鄂倫春旗秋季，通過多元線性逐步回歸沒有篩選出與模型相關(guān)的火環(huán)境因子，則無模型建立。

4 結(jié)論與討論

在火行為和火險(xiǎn)天氣預(yù)報(bào)的研究中，森林可燃物含水率是其至關(guān)重要，地表死可燃物為高火險(xiǎn)的森林可燃物的重要組成部分。本研究結(jié)合內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)草原局的觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了7個(gè)火環(huán)境因子與地表死可燃物含水率的相關(guān)性，篩選出影響地表死可燃物含水率的主要火環(huán)境因子，建立了不同地區(qū)不同季節(jié)的地表死可燃物含水率預(yù)測(cè)模型，并對(duì)不同地區(qū)不同季節(jié)地表死可燃物含水率的差異性進(jìn)行了分析。根據(jù)分區(qū)數(shù)據(jù)和四個(gè)地區(qū)混合數(shù)據(jù)，在將其分為春秋兩季，分析火環(huán)境因子與不同地區(qū)地表死可燃物含水率之間的作用機(jī)理。影響地表死可燃物含水率變化的主要火環(huán)境因子有：林中氣溫、林中相對(duì)濕度、枯枝落葉層質(zhì)量、枯枝落葉層溫度以及林內(nèi)灌木蓋度。影響地表死可燃物含水率變化最重要的火環(huán)境因子除林中氣溫、林中相對(duì)濕度外，不同地區(qū)、不同時(shí)間影響地表死可燃物含水率火環(huán)境因子不同。張思玉等[6]認(rèn)為林中氣溫、林中相對(duì)濕度兩個(gè)自變量構(gòu)成的模型響應(yīng)最好；邵瀟等[25]、金森等[30]也認(rèn)為林中氣溫、林中相對(duì)濕度和風(fēng)速對(duì)枯死可燃物含水率的影響顯著，與本研究結(jié)果類似。

秋季和春季防火期預(yù)測(cè)模型的平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差都極顯著(P<0.01)，表明不同防火期的火環(huán)境因子對(duì)地表死可燃物含水率的影響存在差異?？偟膩砜矗锛痉阑鹌趯?duì)地表死可燃物含水率作用的主要火環(huán)境因子要多于春季防火期，在今后的森林火險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)時(shí)，需要考慮防火期對(duì)其的影響，更好的提高森林火險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。本文選用的是時(shí)間尺度大的氣象因子(在每一年春秋兩季防火期時(shí)抽取2～4 d)，預(yù)測(cè)精度雖然不高，主要研究?jī)?nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)草原局觀測(cè)數(shù)據(jù)中7個(gè)火環(huán)境因子是否可作為主要的火環(huán)境因子參與地表死可燃物含水率的預(yù)測(cè)，通過比較分析，效果不佳。由于可燃物含水率本身具有較大的空間異質(zhì)性，如何能用更少的數(shù)據(jù)以及更合理的建模因子構(gòu)建更為準(zhǔn)確和普適的模型，是我們將要解決的問題。

圖1 不同地區(qū)模型實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)照?qǐng)D

建立地表死可燃物含水率預(yù)測(cè)模型時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)與根河市春季和鄂倫春秋季顯著的火環(huán)境因子，這說明除本研究中7個(gè)主要火環(huán)境因子外，還有更為主要的火環(huán)境因子沒有進(jìn)入預(yù)測(cè)系統(tǒng)，在今后的實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)廣泛地采集火環(huán)境因子，篩選出主要的火環(huán)境因子，為地表死可燃物含水率預(yù)測(cè)精度的提高提供參考。