大興安嶺不同林型地表死可燃物含水率特征及其影響因子

李 丹，楊麗萍，賈成朕

(內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

引 言

可燃物、助燃物和火源是發(fā)生森林火災(zāi)必須同時(shí)具備的3個(gè)條件?？扇嘉锸巧只馂?zāi)發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)和首要條件[1-2]，其含水率的大小決定森林燃燒的難易程度，是判定林火能否發(fā)生和火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)的重要依據(jù)[3-4]。另外，可燃物含水率的大小還決定林火蔓延速度，能量釋放大小和撲火難度[5-7]?？扇嘉镏械牡乇硭揽扇嘉锖蕦?duì)林火能否發(fā)生的影響最大[8]，而含水率大小是各種氣象因子綜合作用于森林可燃物的結(jié)果[9-10]，不同林分和坡向的森林地表死可燃物隨氣象條件變化呈現(xiàn)不同的干燥速率[11-12]。森林地表死可燃物含水率是森林火險(xiǎn)發(fā)生等級(jí)判定的重要依據(jù)，已經(jīng)成為森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的核心，同時(shí)也是林火科學(xué)相關(guān)研究的重要內(nèi)容[13-14]。

內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)是我國(guó)五大重點(diǎn)國(guó)有林區(qū)之一，在生態(tài)區(qū)位上，維系著呼倫貝爾大草原、松嫩平原乃至整個(gè)東北糧食主產(chǎn)區(qū)的生態(tài)安全；在生態(tài)作用上，是我國(guó)最大的集中連片明亮針葉原始林，被稱為“北疆的綠色長(zhǎng)城”，被譽(yù)為“祖國(guó)北方的重要生態(tài)屏障”。因此，如何準(zhǔn)確和有效地對(duì)該地區(qū)森林地表死可燃物含水率進(jìn)行預(yù)測(cè)顯得尤為重要[15]，同時(shí)提高該區(qū)地表死可燃物含水率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性對(duì)于促進(jìn)森林防火工作意義重大。本文以內(nèi)蒙古地區(qū)大興安嶺根河市落葉松(Larixgmelinii)林，鄂倫春自治旗蒙古櫟(Xylosmaracemosum)、白樺(Betulaplatyphylla) 和黑樺(Betuladahurica)混交林，牙克石市白樺和山楊(Populusdavidiana)混交林和阿爾山市白樺和山楊混交林為研究對(duì)象，通過對(duì)4個(gè)林型地表死可燃物含水率、林分因子長(zhǎng)時(shí)間序列的實(shí)地監(jiān)測(cè)，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀笥^測(cè)站資料對(duì)內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)地表死可燃物含水率相關(guān)的主要因子進(jìn)行進(jìn)一步分析，建立預(yù)測(cè)模型，以期提高該區(qū)森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)(119°36′E—125°24′E、47°03′N—53°20′N)地跨呼倫貝爾市、興安盟等9個(gè)旗(縣)。 該地區(qū)屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥,夏季炎熱多雨。年平均氣溫-3.5 ℃，極端最低氣溫達(dá)-50.2 ℃，無霜期76～120 d，年降水量300～450 mm。樹種主要以興安落葉松為主，其次為白樺、山楊。

2 數(shù)據(jù)與方法

選取內(nèi)蒙古地區(qū)大興安嶺根河市落葉松林(陽坡)，鄂倫春自治旗蒙古櫟、白樺和黑樺混交林(陰坡)，牙克石市白樺和山楊混交林(陰坡)，阿爾山市白樺和山楊混交林(陽坡)2004—2019年固定監(jiān)測(cè)取樣林地(表1)地表死可燃物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(地表死可燃物干重/濕重、林分因子、林內(nèi)氣象因子)及當(dāng)?shù)貧庀笳居^測(cè)數(shù)據(jù)(林外因子)。其中林地地表死可燃物監(jiān)測(cè)以調(diào)查取樣為主，選取3塊面積較大的固定監(jiān)測(cè)取樣林地，林地間距離≥3 km。每塊林地中通過踏查確定2處取樣點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)之間距離大于50 m。

表1 林地信息Tab.1 Information of woodland

林分因子中的地表死可燃物厚度(cm)為鐵鍬挖開枯枝落葉層，用直尺測(cè)量地被物到地表的垂直距離；林木高度(cm)為選擇各種林木10株測(cè)量高度，求取平均值。林內(nèi)郁閉度(%)主要用目測(cè)法估測(cè)林木覆蓋度。

林內(nèi)氣象因子包括1.5 m處的林內(nèi)氣溫、相對(duì)濕度及地表死可燃物溫度，其中：林內(nèi)氣溫(℃)和相對(duì)濕度(%)均為14:00—15:00利用阿斯曼溫度計(jì)測(cè)量的1.5 m處的林內(nèi)氣象數(shù)據(jù)；地表死可燃物溫度(℃)為同一時(shí)段地溫表插入枯枝落葉層中部讀取的溫度。

林外氣象因子為氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)包括氣溫、地溫、相對(duì)濕度、降水量、干旱日數(shù)、連續(xù)降水日數(shù)等。

地表死可燃物含水率計(jì)算公式如下：

M=(Ww-Wd)/Wd

式中：M(%)為可燃物含水率；Ww和Wd(g)分別為可燃物濕質(zhì)量和干質(zhì)量。

3 結(jié)果分析

3.1 地表死可燃物含水率特征

圖1為不同林型地表死可燃物含水率分布。可以看出，落葉松林(陽坡)，蒙古櫟、白樺和黑樺混交林(陰坡)，白樺和山楊混交林(陰坡)，白樺和山楊混交林(陽坡)春季防火期地表死可燃物含水率平均值分別為61.6%、104.1%、95.5%和71.3%；夏季防火期地表死可燃物含水率平均值分別為69.8%、148.7%、117.6%和87.9%；秋季防火期地表死可燃物含水率平均值分別為59.5%、142.8%、78.3%和79.6%；總防火期地表死可燃物含水率平均值分別為64.7%、132.3%、99.2%和80.0%。地表死可燃物含水率陰坡>陽坡；蒙古櫟、白樺和黑樺混交林(陰坡)>白樺和山楊混交林(陰坡)>白樺和山楊混交林(陽坡)>落葉松林(陽坡)；夏季地表死可燃物含水率最大；落葉松林(陽坡)、白樺和山楊混交林(陰坡)兩個(gè)林型春季>秋季；蒙古櫟、白樺和黑樺混交林(陰坡)、白樺和山楊混交林(陽坡)兩個(gè)林型地表死可燃物含水率秋季>春季；蒙古櫟、白樺和黑樺混交林(陰坡)地表死可燃物含水率觀測(cè)值變幅最大，白樺、山楊混交林次之，落葉松林最小。

圖1 不同林型地表死可燃物含水率分布Fig.1 Distribution of ground surface dead fuel moisture content of different forest stand types

3.2 地表死可燃物含水率與各因子關(guān)系

3.2.1 與林分因子的關(guān)系

表2列出不同林型地表死可燃物含水率與林分因子的相關(guān)系數(shù)?？梢钥闯?，不同林型可燃物厚度、林木高度與地表死可燃物含水率的相關(guān)系數(shù)均未通過顯著性檢驗(yàn)。不同林型林內(nèi)郁閉度對(duì)地表死可燃物含水率的影響并不完全一致，陽坡的兩種林型林內(nèi)郁閉度與地表死可燃物含水率基本負(fù)相關(guān)，且夏季防火期白樺和山楊混交林(陽坡)林內(nèi)郁閉度與地表死可燃物含水率相關(guān)系數(shù)為-0.591(P<0.05)，這可能是因?yàn)槊艿牧帜局θ~對(duì)夏季雨水的遮擋作用；陰坡的兩種林型林內(nèi)郁閉度與地表死可燃物含水率基本正相關(guān)，且春季防火期蒙古櫟、白樺和黑樺混交林(陰坡)林內(nèi)郁閉度與地表死可燃物含水率相關(guān)系數(shù)為0.691(P<0.05)，這是因?yàn)榇杭練夂蚋珊?，較高的林內(nèi)郁閉度能夠減少地表蒸發(fā)量，進(jìn)而減少死可燃物水分損失。

表2 不同林型地表死可燃物含水率與林分因子的相關(guān)系數(shù)Tab.2 The correlation coefficients between forest factors and ground surface dead fuel moisture content of different forest stand types

3.2.2 與林內(nèi)氣象因子的關(guān)系

表3列出不同林型地表死可燃物含水率與林內(nèi)氣象因子的相關(guān)系數(shù)?？梢钥闯觯瑑煞N陽坡林型地表死可燃物溫度、林中氣溫與地表死可燃物含水率負(fù)相關(guān)，其中春季、秋季、春秋季防火期白樺和山楊混交林(陽坡)地表死可燃物溫度、林中氣溫與地表死可燃物含水率呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān)；兩種陰坡林型地表死可燃物溫度、林中氣溫與地表死可燃物含水率正相關(guān)，其中總防火期白樺和山楊混交林(陰坡)的地表死可燃物溫度、林中氣溫與地表死可燃物含水率顯著正相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.346和0.391。居恩德等[16]研究指出白樺林枯落物下層含水率與可燃物溫度負(fù)相關(guān)，其原因是白樺林地表死可燃物上層緊密，且含水率較高，當(dāng)溫度升高，蒸發(fā)受表層可燃物的阻擋，因而下層含水率呈增大趨勢(shì)。

表3 不同林型地表死可燃物含水率與林內(nèi)氣象因子的相關(guān)系數(shù)Tab.3 The correlation coefficients between meteorological factors inside forest and ground surface dead fuel moisture content of different forest stand types

兩種陽坡林型林內(nèi)相對(duì)濕度與地表死可燃物含水率正相關(guān)，其中落葉松林(陽坡)秋季、春秋季、總防火期林內(nèi)相對(duì)濕度與地表死可燃物含水率顯著正相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.935、0.523和0.453；白樺和山楊混交林(陽坡)總防火期林內(nèi)相對(duì)濕度與地表死可燃物含水率相關(guān)系數(shù)為0.444(P<0.05)；兩種陰坡林型林內(nèi)相對(duì)濕度與地表死可燃物含水率基本呈負(fù)相關(guān)，其中蒙古櫟、白樺和黑樺混交林(陰坡)秋季防火期相對(duì)濕度與地表死可燃物含水率相關(guān)系數(shù)為-0.710(P<0.05)。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)乇硭揽扇嘉锖矢哂谕饨绛h(huán)境相對(duì)濕度時(shí)，蒸發(fā)量較高，水分向外滲透并蒸發(fā)，含水率下降[17]。

3.2.3 與林外影響因子的關(guān)系

表4列出不同林型地表死可燃物含水率與林外影響因子的相關(guān)系數(shù)?？梢钥闯?，秋季、春秋季防火期最高氣溫與白樺和山楊混交林(陽坡)地表死可燃物含水率極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.761和-0.675；夏季、總防火期最高氣溫與白樺和山楊混交林(陰坡)地表死可燃物含水率顯著相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.537和0.352。春季、秋季、春秋季、總防火期最高地溫與白樺和山楊混交林(陽坡)地表死可燃物含水率極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.806、-0.746、-0.648和-0.410，夏季防火期最高地溫與白樺和山楊混交林(陰坡)及蒙古櫟及白樺和黑樺混交林(陰坡)地表死可燃物含水率極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.545和-0.578。

表4 不同林型地表死可燃物含水率與林外影響因子的相關(guān)系數(shù)Tab.4 The correlation coefficients between impact factors outside forest and ground surface dead fuel moisture content of different forest stand types

平均相對(duì)濕度和最小相對(duì)濕度基本與各林型地表死可燃物含水率正相關(guān)。其中春季、秋季、春秋季、總防火期平均相對(duì)濕度與白樺和山楊混交林(陽坡)地表死可燃物含水率相關(guān)系數(shù)分別為0.603(P<0.05)、0.577、0.572(P<0.01)和0.365(P<0.05)，夏季、總防火期與落葉松林(陽坡)地表死可燃物含水率極顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.648和0.473，春秋季、總防火期平均相對(duì)濕度與蒙古櫟、白樺和黑樺混交林(陰坡)地表死可燃物含水率相關(guān)系數(shù)分別為0.406(P<0.05)和0.443(P<0.01)。春季、秋季、春秋季、總防火期最小相對(duì)濕度與白樺和山楊混交林(陽坡)地表死可燃物含水率相關(guān)系數(shù)分別為0.654(P<0.05)、0.687、0.666(P<0.01)和0.382(P<0.05)；總防火期最小相對(duì)濕度與落葉松林(陽坡)地表死可燃物含水率相關(guān)系數(shù)為0.375(P<0.05) ；夏季防火期最小相對(duì)濕度與白樺和山楊混交林(陰坡)地表死可燃物含水率相關(guān)系數(shù)為0.565(P<0.05)。

春季、春秋季防火期前3 d降雨量與各林型地表死可燃物含水率基本正相關(guān)，與白樺和山楊混交林(陽坡)地表死可燃物含水率極顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.749和0.469。

無降水日數(shù)和風(fēng)速與各林型地表死可燃物含水率的相關(guān)程度最差。無降水日數(shù)與各林型地表死可燃物含水率均負(fù)相關(guān)，而秋季防火期無降水日數(shù)僅與落葉松林(陽坡)地表死可燃物含水率相關(guān)系數(shù)為0.756(P<0.05)；總防火期風(fēng)速僅與白樺和山楊混交林(陰坡)地表死可燃物含水率相關(guān)系數(shù)為0.346(P<0.05)。

3.3 不同林型地表死可燃物含水率預(yù)測(cè)模型

篩選與森林地表死可燃物含水率相關(guān)性明顯的因子，包括林中氣溫X1、林中相對(duì)濕度X2、平均相對(duì)濕度X3、最小相對(duì)濕度X4、最低氣溫X5、林木郁閉度X6、前3 d降水量X7、最高地溫X8，利用逐步回歸方法建立各林型不同季節(jié)防火期地表死可燃物含水率預(yù)測(cè)模型，表5列出預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)因子及回歸系數(shù)?？梢钥闯觯淙~松林(陽坡)春季和白樺-山楊混交林(陰坡)秋季防火期地表死可燃物含水率預(yù)測(cè)模型F值外，其余地表死可燃物含水率預(yù)測(cè)模型F值均通過0.01或0.05顯著性檢驗(yàn)。地表死可燃物含水率預(yù)測(cè)模型調(diào)整后的擬合優(yōu)度R2，陽坡(0.18～0.83)>陰坡(0.13～0.43)；防火期模型調(diào)整后的R2：秋季>春季>春秋季>夏季>總防火期，這與胡海清等[18]的研究結(jié)論一致。

表5 不同林型地表死可燃物含水率預(yù)測(cè)模型的因子及其回歸系數(shù)Tab.5 The ground surface dead fuel moisture content prediction models factor and regression coefficients for different forest stand types

4 結(jié) 論

(1)森林地表死可燃物含水率陰坡>陽坡，蒙古櫟、白樺和黑樺混交林(陰坡)>白樺和山楊混交林(陰坡)>白樺和山楊混交林(陽坡)>落葉松林(陽坡)，夏季地表死可燃物含水率最大。

(2)綜合分析林分因子、林內(nèi)氣象因子與森林地表死可燃物含水率的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩種陽坡林型地林內(nèi)郁閉度、地表死可燃物溫度、林中氣溫與地表死可燃物含水率負(fù)相關(guān)，林內(nèi)相對(duì)濕度與地表死可燃物含水率正相關(guān)；兩種陰坡林型剛好相反。地表死可燃物厚度和林木高度對(duì)森林地表死可燃物含水率的影響不明顯。林外氣象影響因子中，氣溫、最高地溫和相對(duì)濕度與地表死可燃物含水率的相關(guān)性最明顯，前3 d降雨量次之，無降水日數(shù)和風(fēng)速與地表死可燃物含水率的相關(guān)性最差。

(3)建立的各林型不同季節(jié)防火期地表死可燃物含水率預(yù)測(cè)模型中，模型的擬合優(yōu)度陽坡大于陰坡；秋季防火期>春季防火期>春秋季防火期>夏季防火期>總防火期。內(nèi)蒙古大興安嶺森林防火期主要集中在春季和秋季。