可燃物處理對大興安嶺地區(qū)主要林型火行為的影響*

宗學(xué)政 田曉瑞

(中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所 國家林業(yè)和草原局森林保護(hù)學(xué)重點(diǎn)開放性實(shí)驗(yàn)室 北京 100091)

火是大興安嶺森林生態(tài)系統(tǒng)中重要的生態(tài)影響因子，對該區(qū)域森林景觀格局及演替起著重要作用(劉志華等，2009)。1987年以后，大興安嶺地區(qū)加強(qiáng)了林火管理，逐步建立了完善的森林防火機(jī)構(gòu)和撲火隊伍，森林防火投入不斷增加，林火管理能力顯著提高，火發(fā)生次數(shù)也明顯減少(Tianetal., 2020)。但嚴(yán)格的林火管理政策改變了該地區(qū)的火動態(tài)，林內(nèi)可燃物不斷積累，未來高強(qiáng)度森林火災(zāi)的概率增加(田曉瑞等，2005)。可燃物是森林燃燒的物質(zhì)基礎(chǔ)(Bradstocketal., 2010)，也是燃燒三要素(可燃物、氧氣和溫度)中最易調(diào)控的因子。因此，需開展可燃物的科學(xué)管理，應(yīng)對未來的火災(zāi)風(fēng)險，預(yù)防森林大火發(fā)生。

不同類型可燃物的火行為有差異(Ageeetal., 2005)，可燃物載量及其空間結(jié)構(gòu)影響火行為(蔓延速度、火強(qiáng)度等)(Anderson, 1970)。草地和灌木林的地表多細(xì)小可燃物，易形成地表火，火強(qiáng)度低，對這類可燃物多通過計劃火燒降低地表可燃物載量(Bradstocketal., 2006)。中幼齡針葉樹的自然整枝快，林下存有大量枯落物，且樹冠呈金字塔形，地表火易沿可燃物梯蔓延至樹冠形成樹冠火(張思玉等，1998)。老齡針葉林樹冠稀疏，缺少可燃物梯，較難形成樹冠火。對于針葉林的可燃物處理主要以機(jī)械清理為主，包括清理林內(nèi)可燃物梯及地表粗可燃物(趙鳳君等，2010)。闊葉林內(nèi)無可燃物梯，地表可燃物積累也較少，以清理地表可燃物為主。大興安嶺地區(qū)的森林以落葉針葉林和興安落葉松(Larixgmelinii)白樺(Betulaplatyphylla)混交林為主，可采用計劃火燒和機(jī)械方式清理林內(nèi)可燃物梯與地表可燃物，減少林火發(fā)生(Changetal., 2007； 趙彬清等，2018)。

可燃物處理可有效減少林火的頻率和強(qiáng)度(Chionoetal., 2017)。野外可燃物處理試驗(yàn)和火行為預(yù)測模型是評估可燃物管理措施效果的有效手段。McGinnis等(2010)通過模擬美國內(nèi)華達(dá)山區(qū)可燃物不同處理(未處理、砍伐火燒木、使用除草劑)下的火行為，發(fā)現(xiàn)清理火燒木短期內(nèi)會增加地表死可燃物載量，但在長時間尺度上對地表火行為沒有影響。Moghaddas等(2010)利用FlamMap和FARSITE模擬了內(nèi)華達(dá)一些區(qū)域可燃物處理前后的燃燒概率和潛在火行為，發(fā)現(xiàn)可燃物處理后的森林燃燒概率降低，過火面積、火焰高度及樹冠火發(fā)生比例均下降。Salis等(2016)模擬了地中海地區(qū)可燃物處理后的火行為變化，表明隨可燃物處理強(qiáng)度增強(qiáng)和處理面積增大，燃燒概率、過火面積、火焰高度等顯著降低。Barnett等(2016)研究了可燃物處理與林火發(fā)生的相關(guān)性，提出了合理的可燃物處理措施。

可燃物管理是降低林火危害程度的有效措施(Fangetal., 2015)。可燃物特征與火行為顯著相關(guān)(吳志偉等，2012)。景觀模型模擬表明，可燃物處理后林火發(fā)生及火行為都明顯降低。劉志華等(2009)利用LANDIS模擬了可燃物處理對大興安嶺呼中林業(yè)局森林燃燒性的影響，認(rèn)為經(jīng)常進(jìn)行計劃火燒和機(jī)械清理可燃物可減少災(zāi)難性火災(zāi)。陳宏偉等(2011)利用LANDIS模擬了不同采伐方式對森林燃燒性影響，發(fā)現(xiàn)擇伐可有效降低森林燃燒性及火行為。Wu等(2013)認(rèn)為基于火險進(jìn)行可燃物優(yōu)化處理能進(jìn)一步發(fā)揮可燃物處理的效益。林分尺度上的火行為模擬可有效評估可燃物處理效果(Ottmaretal., 2012)。

基于可燃物特征預(yù)測潛在火行為，是開展可燃物管理的基礎(chǔ)(Hollingsworthetal., 2012)?？扇嘉锾卣鞣诸愊到y(tǒng)(fuel characteristic classification system，F(xiàn)CCS)是在林分尺度上模擬火行為的系統(tǒng)。該系統(tǒng)將每個林分看作景觀中的均質(zhì)單元，基于Rothermel模型計算火行為指標(biāo)，定量描述可燃物的燃燒特征(Ottmaretal., 2007)，包括火強(qiáng)度、蔓延速度及火焰高度等(Sandbergetal., 2007)。該模型包括多種可燃物床層類型，用戶可選擇與研究對象特征相近的可燃物床層，并通過修改特征參數(shù)獲得所需的可燃物床層(Riccardietal., 2007； Arroyoetal., 2008)。

本文以大興安嶺地區(qū)主要林型為對象，設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查獲取主要林型森林的可燃物分布特征及環(huán)境變量，利用FCCS模擬不同強(qiáng)度的可燃物處理對林分潛在火行為的影響，為該區(qū)域開展可燃物科學(xué)管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

大興安嶺(50°54′―53°33′N，121°11′―127°02′E)位于黑龍江省西北部。研究區(qū)總面積為646.2萬hm2。地勢較平坦，平均海拔573 m，屬淺山丘陵地帶。該區(qū)氣候?yàn)闇貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年均氣溫-2 ℃，冬長夏短，無霜期約90～110天，年均降水量450～500 mm(徐化成, 1998)。針闊混交林多以興安落葉松-白樺為主，常綠針葉林較少。主要樹種為興安落葉松、山楊(Populusdavidiana)、白樺、黑樺(Betuladahurica)等為主，灌木有興安杜鵑(Rhododendrondauricum)、越桔(Vacciniumvitisidaea)等，草本植物以杜香(Ledumpalustre)和苔蘚為主(周道瑋等，2010)。

根據(jù)統(tǒng)計資料(表1)，2000—2018年共發(fā)生1 039起，平均每年發(fā)生55起，年均過火面積21 351.3 hm2。2007年火災(zāi)次數(shù)最多(100起)，但森林過火面積為817 hm2。2003年過火面積最多(251 373.4 hm2)。2013年火災(zāi)次數(shù)最少，只有14起，過火面積11 hm2。

表1 2000—2018年大興安嶺地區(qū)火災(zāi)發(fā)生次數(shù)及森林過火面積Tab.1 Fire number and burned areas in Daxing’anling during 2000-2018

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

選擇寒溫帶典型林分設(shè)置樣地。大興安嶺是我國重要的天然林區(qū)，天然林主要分布在大興安嶺中部和北部； 但也分布著大量人工林，主要在南部的加格達(dá)奇林業(yè)局。呼中林業(yè)局位于大興安嶺中部，主要森林為天然林，屬典型的寒溫帶針葉林。興安落葉松天然林(51°55′N，123°34′E)、白樺林(52°39′N，123°32′E)、興安落葉松-白樺混交林(52°20′N，123°35′E)樣地設(shè)在呼中林業(yè)局，而興安落葉松人工林(50°17′N，124°7′E)和樟子松(Pinussylvetrisvar.mongolica)人工林(50°19′N，124°6′E)樣地設(shè)在加格達(dá)奇林業(yè)局。

天然林內(nèi)的灌木和草本生長密集，地表凋落物多，腐殖質(zhì)層較厚； 落葉松人工林下無灌木，草本較少，針葉堆積較厚，地表散布前期清理的少量枯枝； 樟子松人工林清理較少，林下多灌木及針葉凋落物(圖1)。

圖1 5種林型植被狀況Fig.1 Vegetation of the five forest types

2.2 林分調(diào)查

在距離道路或林緣20 m以上的林地內(nèi)，每種林型設(shè)置3個樣地(20 m×20 m)，樣地間隔10 m以上，立地環(huán)境相近，共設(shè)置15塊樣地(表2)。在每塊樣地內(nèi)調(diào)查林分的樹種組成和郁閉度(包括活喬木及雖然死亡但仍有葉片殘余的死亡木)。對樣地內(nèi)的喬木每木檢尺，分別測定活立木及死木的胸徑、樹高、可燃物梯高度(最低和最高)。郁閉度為樹冠垂直投影到樣地對角線上的長度與2條對角線長度和的比值(梁瀛等，2017)。死木分為葉片完整、無葉片但枝干完整、無側(cè)枝但主枝干完整、主枝干不完整4類(Riccardietal.,2007)。

2.3 可燃物處理

在每個樣地內(nèi)設(shè)置4塊10 m×10 m小樣地，其中1塊為對照，其他3塊做低、中和高強(qiáng)度的可燃物處理。低強(qiáng)度處理：割除林內(nèi)易燃及枯死灌草，打掉林內(nèi)3 m以下全部枯枝并移出林地，將地表大于10 h時滯的可燃物清理出林地； 中強(qiáng)度處理：清理林內(nèi)3 m以下枯枝，連同林內(nèi)倒木全部移出林地，割除林內(nèi)可能影響樹冠火的灌木及小喬木，并清理地表未分解的枯落物等可燃物； 高強(qiáng)度處理：清理林內(nèi)3 m以下枯枝并移出林地，割除小樣地內(nèi)全部的灌草，移除林內(nèi)枯死木及腐爛樹樁，將地表可燃物清理至腐殖質(zhì)層。

2.4 林內(nèi)可燃物調(diào)查

對每塊10 m×10 m樣地進(jìn)行可燃物處理前后的調(diào)查。地表凋落物包括枯枝、葉片、球果及枯死草本； 腐殖質(zhì)是地表凋落物與土壤層之間的物質(zhì)(Riccardietal., 2007)。倒死木質(zhì)可燃物是距地面2 m以下的木質(zhì)可燃物，分為1 h時滯(0～0.063 5 cm)、10 h時滯(0.063 5～2.54 cm)、100 h時滯(2.54～7.62 cm)、1 000 h時滯(7.62～22.86 cm)、10 000 h時滯(22.86～50.8 cm)及>10 000 h時滯(>50.8 cm)6個等級(Keaneetal., 2012)。

灌木分成主要和次要灌木，草本分成主要和次要草本(Prichardetal., 2011)。灌木和草本的高度、活植株的比例和可燃物及腐殖質(zhì)厚度調(diào)查采用樣方法。將每塊10 m×10 m的樣方劃分為4塊5 m×5 m的樣方，并在每塊5 m×5 m樣方中，均勻設(shè)置5塊1 m×1 m樣方，在每個小樣方內(nèi)分類調(diào)查，求得各類可燃物的特征平均值。各種類型可燃物蓋度的調(diào)查采用樣線法(Parresoletal., 2012)，沿10 m×10 m樣方的2條對角線分別按10 cm間隔，記錄每段出現(xiàn)的灌木、草本、地表可燃物、腐殖質(zhì)及各等級木質(zhì)可燃物，各類型可燃物在2條對角線的頻度平均值作為該類可燃物的蓋度。

收集每個10 m×10 m樣地內(nèi)的灌木、草本、地表可燃物及腐殖質(zhì)，分別稱重計算載量。在每塊樣地內(nèi)采集喬木冠層葉片、灌木、草本及1～100 h時滯的木質(zhì)可燃物，每種樣品量在100 g以上，采樣后馬上稱取鮮質(zhì)量后再帶回實(shí)驗(yàn)室測定含水率。室內(nèi)含水率測定條件是103 ℃烘干至恒質(zhì)量。

2.5 FCCS系統(tǒng)及火行為模擬

FCCS系統(tǒng)包括全球458個不同的可燃物床層數(shù)據(jù)(Riccardietal., 2007)?？扇嘉锎矊訁?shù)包括喬木、灌木、草本、倒木、地衣苔蘚和土壤等6個層次的信息，每一層又包括2類以上的信息。通過樣地調(diào)查，獲取了FCCS系統(tǒng)的所需參數(shù)，在FCCS系統(tǒng)中建立大興安嶺地區(qū)典型林分的可燃物床層，預(yù)測不同天氣情景下的火行為。

可燃物處理只改變了林內(nèi)的可燃物載量，而環(huán)境條件保持一致。根據(jù)野外調(diào)查數(shù)據(jù)設(shè)置可燃物床層的參數(shù)。在FCCS系統(tǒng)中分別選擇落葉闊葉林、落葉針葉林、針闊混交林及常綠針葉林為原始模板，基于調(diào)查結(jié)果調(diào)整相關(guān)參數(shù)，準(zhǔn)確表達(dá)白樺純林、落葉松林、落葉松白樺混交林和樟子松林的林分狀況。

環(huán)境變量輸入包括樹冠、灌木和草本的活葉片、1～100 h時滯可燃物的含水率、林地坡度(表3)和風(fēng)速。這些環(huán)境變量可根據(jù)每種林型的調(diào)查結(jié)果設(shè)定，風(fēng)速采用該區(qū)域歷史氣象數(shù)據(jù)的均值，模擬各林分在火險期內(nèi)平均(一般)天氣條件下的火行為。輸出結(jié)果包括地表火的蔓延速度(m·s-1)、火強(qiáng)度(kW·m-2)和火焰高度(m)。

FCCS還可以模擬BehavePlus模型中的16種標(biāo)準(zhǔn)可燃物含水率情景。D和L分別為林內(nèi)死可燃物和活可燃物含水率，D1、D2、D3和D4分別表示死可燃物含水率極低、低、中和高； L1、L2、L3和L4分別表示草本植物全部干枯、2/3草本植物干枯、1/3草本植物干枯和草本沒有干枯(Prichardetal., 2011)。D2L2是系統(tǒng)默認(rèn)的一種干旱情景，表示死可燃物含水率低且2/3草本植物干枯狀態(tài)。模型只能基于該情景模擬潛在火行為，包括潛在地表火和樹冠火行為指數(shù)(表4)(這些指數(shù)用0～9等級值表示)，數(shù)值越大表示火行為越強(qiáng)(Prichardetal., 2011)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同強(qiáng)度的可燃物處理

不同林型林冠層下可燃物載量之間存在顯著差異(F檢驗(yàn)，P<0.01)(圖2)。其中興安落葉松白樺混交林的灌木、草本、地表凋落物和倒死木質(zhì)可燃物載量分別為2.6、0.7、2.3和4.3 t·hm-2。白樺林內(nèi)平均灌木、草本、地表凋落物和倒死木質(zhì)可燃物載量分別為0.9、1.1、2.0和4.5 t·hm-2。興安落葉松天然林內(nèi)平均灌木、草本、地表凋落物和倒死木質(zhì)可燃物載量分別為0.6、1.6、0.4和0.5 t·hm-2。興安落葉松人工林內(nèi)平均灌木、草本、地表凋落物和倒死木質(zhì)可燃物載量分別為0、0.1、5.1和3.9 t·hm-2。樟子松人工林內(nèi)平均灌木、草本、地表凋落物和倒死木質(zhì)可燃物載量分別為0.3、0.8、3.9和0.2 t·hm-2。

表3 一般天氣情景下地表火模擬環(huán)境Tab.3 Simulating environment for surface fires under average weather scenario %

表4 干旱情景下潛在地表火及樹冠火指標(biāo)Tab.4 Indexes of the surface fire and potentialcrown fire under drought scenario

與未進(jìn)行可燃物處理情景相比，低強(qiáng)度可燃物處理情景下，5種林型的灌木、草本和地表凋落物降低30%，倒死木質(zhì)可燃物載量變化明顯。其中興安落葉松白樺混交林和白樺林內(nèi)存有較多的大于10 h的倒死木質(zhì)可燃物，低強(qiáng)度處理清除了這些可燃物，導(dǎo)致這2種林型內(nèi)倒死木質(zhì)可燃物載量分別降低88.4%和91.1%(圖2c)。隨著可燃物處理強(qiáng)度的增加，可燃物載量明顯降低(F檢驗(yàn)，P=0.000)。在中強(qiáng)度可燃物處理情景下，各林型灌木、草本和地表凋落物載量降低60%。在高強(qiáng)度可燃物處理情景下，5種林型林冠下可燃物載量降低90%。其中灌木和草本可燃物全部清除，地表凋落物及1 h時滯可燃物零散分布在樣地內(nèi)，無法支持火的持續(xù)燃燒。

圖2 不同可燃物處理強(qiáng)度的可燃物載量變化Fig.2 Change of fuel loading after the fuel treatments

3.2 可燃物處理對一般天氣情景的火行為影響

一般天氣情景下，興安落葉松天然林平均地表火蔓延速度、火焰高度及火強(qiáng)度分別為2.1(2.1～2.2)m·min-1、1.3(1.2～1.4)m和1 450.9(536.1～2 365.8)kW·m-2。落葉松人工林相應(yīng)分別為0.4(0.2～0.6)m·min-1、0.3(0～0.6)m和208.3(18.5～398.1)kW·m-2。白樺林、興安落葉松白樺混交林和樟子松人工林的地表火蔓延速度分別為0.9(0.7～1.1)、0.7(0.6～0.8)和0.8(0.7～0.9)m·min-1； 火焰高度分別為0.6、0.7和0.6 m； 火強(qiáng)度分別為391.5(213.3～569.7)、931.1(701～1 161.3)和761.2(604.3～918.2)kW·m-2。

隨著可燃物處理強(qiáng)度增加，5種林型的地表火蔓延速度、火強(qiáng)度和火焰高度都明顯降低(F檢驗(yàn)，P<0.001)(圖3)。與可燃物未處理的對照相比，低強(qiáng)度處理情景的興安落葉松天然林和人工林的地表火行為降幅明顯：平均蔓延速度分別降低51.6%和42.8%，平均火焰高度分別降低33.6%和39.4%，平均火強(qiáng)度分別降低22.8%和34%。白樺林平均蔓延速度和火焰高度分別降低15.7%和12.3%。樟子松人工林的平均蔓延速度和火焰高度降幅最小，分別為3.9%和7.9%。

中強(qiáng)度可燃物處理后，興安落葉松天然林地表火平均蔓延速度、火焰高度及火強(qiáng)度分別降低79.1%、67.2%和54.6%，興安落葉松人工林相應(yīng)分別降低83.3%、69.7%和54.5%，最快蔓延速度為0.1 m·min-1，最高火焰高度為0.1 m。興安落葉松白樺混交林、白樺林和樟子松人工林地表火平均蔓延速度分別降低29.4%、37.1%和19.7%，火焰高度分別降低33.3%、29.8%和38.1%，火強(qiáng)度分別降低50.7%、22.5%和54.5%，其中興安落葉松白樺混交林、白樺林和樟子松人工林最快蔓延速度分別為0.6、0.7和0.6 m·min-1，最高火焰高度分別為0.5、0.4和0.4 m。

高強(qiáng)度可燃物處理后，興安落葉松天然林和人工林地表火平均蔓延速度分別降低95.3%和97.6%，平均蔓延速度都低于0.1 m·min-1； 平均火焰高度分別降低93.1%和93.9%，都低于0.1 m。興安落葉松白樺混交林和白樺林地表火平均蔓延速度為0.1 m·min-1，分別降低85.7%和88.9%； 平均火焰高度分別降低92.6%和87.6%。樟子松人工林地表火平均蔓延速度、火焰高度及火強(qiáng)度分別降低77.6%、87.3%和93.4%。

圖3 不同強(qiáng)度可燃物處理后的地表火行為Fig.3 Surface fire behavior with different fuel treatments不同字母代表同一林型不同處理強(qiáng)度間在0.05水平上差異顯著。Different letters indicate significant difference at 0.05 level among the different fuel treatment intensity in the same forest.

3.3 不同林型在干旱天氣情景的火行為差異

干旱(D2L2)情景下，5種林型之間潛在地表火行為(SFBP)指數(shù)差異明顯(F檢驗(yàn)，P<0.01)(圖4A)。興安落葉松天然林平均地表火行為指數(shù)為6.3(3.5～9.0)，顯著高于其他4種林分。興安落葉松人工林平均地表火行為指數(shù)最小，為3.3(1.9～4.8)。興安落葉松白樺混交林和樟子松人工林平均地表火行為指數(shù)均為4，但混交林平均地表火強(qiáng)度(RP)指數(shù)(5.6)高于樟子松人工林(5.2)，蔓延速度(SP)指數(shù)(3.9)低于樟子松林(4.1)。白樺林平均地表火行為指數(shù)為4.3(2.9～5.8)。

白樺林內(nèi)無樹冠火發(fā)生可能，而其他4種林型之間樹冠火行為(CFBP)指數(shù)差異明顯(F檢驗(yàn)，P=0.00)(圖4B)。平均樹冠火行為指數(shù)最大出現(xiàn)在興安落葉松天然林(5)，其中平均樹冠火發(fā)生指數(shù)(IC)和蔓延速度指數(shù)(RC)分別為4.5(3.4～5.6)和4.5(2.5～6.5)； 最小值出現(xiàn)在興安落葉松人工林(3.3)，平均樹冠火發(fā)生指數(shù)和蔓延速度指數(shù)分別為2.2(1.4～3.1)和2.5(0.9～4.1)。興安落葉松白樺混交林和樟子松人工林平均樹冠火行為指數(shù)均為4，而平均樹冠火發(fā)生指數(shù)和蔓延速度指數(shù)分別為4.1(2.7～5.5)、2.4(2.0～2.7)和3.1(2.9～3.2)、3.0(2.2～3.8)。4種林型樹冠火蔓延指數(shù)(Tc)差異不明顯(F檢驗(yàn)，P=1.00)。

3.4 可燃物處理對干旱情景下火行為影響

可燃物處理可有效降低干旱情景下各林型的潛在地表火和樹冠火行為指數(shù)，并隨著可燃物處理強(qiáng)度的增加而明顯(F檢驗(yàn)，P<0.01)(圖5)。在低強(qiáng)度可燃物處理情景下，白樺林平均地表火行為指數(shù)降低7.7%。興安落葉松白樺混交林平均潛在地表火指數(shù)無明顯降低，但平均地表火蔓延速度指數(shù)、火焰長度指數(shù)和火強(qiáng)度指數(shù)分別降低5.1%、6.9%和12%。興安落葉松天然林和人工林平均地表火行為指數(shù)分別降低26.3%和20%。樟子松人工林潛在地表火行為指數(shù)無明顯變化，但平均地表火蔓延速度指數(shù)、火焰長度指數(shù)和火強(qiáng)度指數(shù)分別降低0.8%、4.9%和9%。興安落葉松天然林和人工林、樟子松人工林潛在樹冠火行為指數(shù)分別降低6.7%、10%和8.3%； 雖然混交林潛在樹冠火行為指數(shù)未明顯降低，但樹冠火發(fā)生指數(shù)和蔓延速度指數(shù)分別降低4.3%和17%。

中強(qiáng)度可燃物處理后，興安落葉松白樺混交林、白樺林、興安落葉松天然林和人工林地表火行為指數(shù)分別降低16.7%、23.1%、52.6%和60%。而樟子松人工林地表火行為指數(shù)仍未明顯變化，但平均地表火蔓延速度指數(shù)、火焰長度指數(shù)和火強(qiáng)度指數(shù)分別降低31.6%、8.9%和20.8%。興安落葉松白樺混交林、落葉松天然林、樟子松人工林樹冠火行為指數(shù)分別降低16.7%、26.7%和16.7%； 興安落葉松人工林樹冠火行為指數(shù)降低10%，雖與低強(qiáng)度處理情景下無顯著差異，但樹冠火發(fā)生指數(shù)和蔓延速度指數(shù)降幅增加，分別比未處理情景下降低41.8%和6.4%。

高強(qiáng)度可燃物處理后，興安落葉松白樺混交林、白樺林、興安落葉松天然林和人工林、樟子松人工林地表火行為指數(shù)分別降低75%、61.5%、75.8%、76%和50%。其中地表火蔓延速度指數(shù)、火焰長度指數(shù)和火強(qiáng)度指數(shù)降幅均超過60%。興安落葉松白樺混交林、落葉松天然林和人工林、樟子松人工林樹冠火行為指數(shù)分別降低41.7%、40%、30%和25%，其中樹冠火發(fā)生指數(shù)降幅超過60%，樹冠火蔓延指數(shù)降幅超過30%。

但可燃物處理并未降低興安落葉松白樺混交林、興安落葉松天然林和人工林、樟子松人工林4種林分的樹冠火蔓延指數(shù)(F檢驗(yàn)，P=1.00)。

4 討論

4.1 火行為模擬的可靠性

FCCS模型以世界各地區(qū)典型林分的可燃物床層信息作為模板，相關(guān)參數(shù)的調(diào)整主要基于區(qū)域內(nèi)可燃物特征信息。該系統(tǒng)采用Rothermel公式計算火行為(Rothermel, 1972)。當(dāng)前，F(xiàn)CCS已廣泛應(yīng)用于火險評估、火行為預(yù)測及研究可燃物消耗等方面(Pettinarietal., 2016)，在我國云南、廣西等地也得到了較好的使用(黃小榮等，2014； 馬振宇等，2020)。這些研究結(jié)果表明，在FCCS中選擇與研究地點(diǎn)生態(tài)區(qū)相近、植被類型相同的可燃物床層，利用標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，可以準(zhǔn)確地描述研究區(qū)主要林型的可燃物特征及分布，對于林分火行為的預(yù)測貼合實(shí)際，在實(shí)際林火管理工作中具有一定指導(dǎo)意義。

圖4 D2L2情景下不同林型潛在火行為Fig.4 Potential fire behavior of each forest type under D2L2 scenario不同小寫字母代表同一火行為指標(biāo)不同林型間在0.05水平上差異顯著。Different small letters indicate significant difference at 0.05 level among the different forest types in the same fire behavior index.

圖5 不同強(qiáng)度可燃物處理與潛在火行為Fig.5 The potential fire behavior with different fuel treatments不同大寫字母代表同一林型不同處理強(qiáng)度間在0.05水平上差異顯著。Different capital letters indicate significant difference at 0.05 level among the different fuel treatment intensity in the same forest.

本文模擬的環(huán)境條件包括一般天氣條件(用戶定制的)和D2L2干旱條件。其中在用戶定制的環(huán)境情景下，由于林分結(jié)構(gòu)、天氣及地形等條件都會對可燃物含水率造成影響(胡海清等，2017)，無法進(jìn)行不同林型之間的火行為比較，而各林型模擬結(jié)果也只反映特定天氣條件下的地表火行為。而在D2L2情景下(環(huán)境變量相同)，可以比較各種林分在相同天氣情景下的潛在地表火和樹冠火行為。這也是各林型在高火險天氣條件下的潛在火行為。興安落葉松天然林地表火和樹冠火行為指數(shù)最高，興安落葉松人工林地表火和樹冠火行為指數(shù)最低，而白樺林無樹冠火發(fā)生可能。

4.2 林火管理實(shí)踐中適合的可燃物處理強(qiáng)度

可燃物處理是大興安嶺地區(qū)主要的林火管理措施，現(xiàn)有研究多基于景觀尺度和野外試驗(yàn)來研究可燃物處理對火發(fā)生的影響(劉志華等，2009； 高仲亮等，2015)，但這些研究并未考慮林內(nèi)可燃物對火行為的影響。

一般天氣情景下的模擬結(jié)果表明，進(jìn)行中強(qiáng)度可燃物處理時，各林型地表火蔓延速度降低至1 m·min-1以下，火焰高度低于1 m，這種低強(qiáng)度的地表火可以很快被初始攻擊所撲滅。干旱(D2L2)情景下模擬結(jié)果也表明，中強(qiáng)度可燃物處理后，各林型地表火行為降幅明顯，興安落葉松天然林和人工林、興安落葉松白樺混交林和樟子松人工林的樹冠火行為也明顯降低。本次試驗(yàn)主要對林冠層下的可燃物進(jìn)行處理，未進(jìn)行林冠層的處理，因此，模擬結(jié)果中的樹冠火蔓延可能性未發(fā)生明顯變化。

雖然經(jīng)高強(qiáng)度可燃物處理后，火不能持續(xù)燃燒及蔓延，但清光林冠下易燃可燃物改變了林分結(jié)構(gòu)，影響其水源涵養(yǎng)和維持生物多樣性等功能(李紅振等，2014； 陳百靈等，2017)，對生態(tài)環(huán)境有較大影響。因此，在塊狀處理可燃物或進(jìn)行可燃物阻隔帶清理時，采用中強(qiáng)度的處理方式比較合適，不但可顯著降低火行為，而且基本不影響生態(tài)環(huán)境。對重點(diǎn)防火區(qū)，可通過間伐改變林冠層的可燃物連續(xù)性，降低樹冠火風(fēng)險(Polletetal., 2002)。

5 結(jié)論

相同天氣情景下，在大興安嶺地區(qū)的5種典型林分類型中，興安落葉松天然林的地表火和樹冠火行為指標(biāo)最高，興安落葉松人工林地表火行為指標(biāo)最低。樟子松人工林和興安落葉松白樺混交林的火行為指標(biāo)相近。白樺林地表火行為指標(biāo)較低，且無樹冠火發(fā)生可能。大興安嶺的可燃物管理應(yīng)優(yōu)先處理興安落葉松天然林。

可燃物的低強(qiáng)度處理對興安落葉松天然林的火行為效果明顯，對其他林分不明顯。中強(qiáng)度處理后，5種林型的地表火都易于直接撲救。高強(qiáng)度處理后，火不能在林內(nèi)持續(xù)燃燒，但對生態(tài)環(huán)境影響大。建議在林火管理活動中采用中強(qiáng)度的可燃物處理，可以滿足林火管理需要。