興安落葉松人工林潛在地表火行為特征的影響因素1)

呂灃桐 周雪 丁佳欣 單延龍 尹賽男 劉泓禹 高博 韓喜越

(北華大學(xué)，吉林市，132013)

森林生態(tài)系統(tǒng)是地球生態(tài)系統(tǒng)的寶貴財(cái)富，森林生態(tài)系統(tǒng)蘊(yùn)含著豐富的資源，多樣的物種，多變的結(jié)構(gòu)，對生態(tài)平衡具有重要作用[1]。但是在林內(nèi)自然蔓延和擴(kuò)展的森林火災(zāi)對森林生態(tài)系統(tǒng)造成難以估量和不可逆轉(zhuǎn)損失的巨大威脅[2]，森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、處置救助較為困難的自然災(zāi)害。林火行為是指森林火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展全過程的表現(xiàn)和特征，即火災(zāi)從著火、蔓延直至熄滅全過程的林火特征[3]。隨著全球氣候變暖和人類活動的增加，森林火災(zāi)的發(fā)生呈現(xiàn)上升的趨勢[4]。森林火災(zāi)包括地表火、地下火、樹冠火，其中地表火發(fā)生最為頻繁，占森林火災(zāi)的90%以上[5]。近年來國內(nèi)外學(xué)者通過大量的室內(nèi)外模擬點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)和相關(guān)模擬對地表火行為展開了研究，主要集中在可燃物特征、地形、氣候等因素對地表火蔓延速度、火強(qiáng)度、火焰長度等火行為的影響，潛在火行為的空間分布特征也越來越受到關(guān)注[6-15]。

大興安嶺林區(qū)是我國位置最北、緯度最高且面積最大的林區(qū)，也是我國重要林業(yè)基地，同時作為國家重要的生態(tài)功能區(qū)與生態(tài)敏感區(qū)，對我國東北平原乃至華北平原起著重要的生態(tài)屏障作用[16]。由于地理位置和氣象因素影響，大興安嶺是我國北方林火多發(fā)區(qū)，年均森林過火面積居全國首位[17-19]，森林防火工作繁重而艱巨。由于林火的復(fù)雜性及諸多條件的限制，大尺度的點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)很難進(jìn)行，所以通過模擬和小尺度的點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)是研究火行為的重要手段。BehavePlus軟件是基于Rothermel半物理模型，將林火參數(shù)輸入模型(或軟件)預(yù)報(bào)潛在林火行為[20]，為林火行為預(yù)報(bào)系統(tǒng)的建立提供了技術(shù)支持。本研究以大興安嶺地區(qū)興安落葉松(Larixgmelinii)人工林為研究對象，應(yīng)用地表可燃物特征，通過BehavePlus軟件計(jì)算相關(guān)火行為指標(biāo)，分析不同地類、濕度、火焰平均風(fēng)速對潛在地表火行為特征的影響，為該地區(qū)森林火災(zāi)預(yù)測預(yù)報(bào)、林地計(jì)劃燒除、林火管理等方面的工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

黑龍江省大興安嶺地區(qū)地處我國東北部(50°10′～53°33′N，121°12′～127°E)，西接內(nèi)蒙古呼倫貝爾盟，南臨松嫩平原，北部與俄羅斯隔江相望，東靠黑河市，邊境線長786 km，全區(qū)土地總面積8.35×106hm2。該區(qū)有林地面積為678.4萬hm2，森林覆蓋率81.23%[21]。以始建于1973年的加格達(dá)奇森林經(jīng)營技術(shù)推廣站(123°57′～124°E，50°20′～50°23′N)為研究地，施業(yè)區(qū)面積7 326 hm2，主要樹種為興安落葉松(Larixgmelinii)、柞樹(Quercusmongolica)、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)、黑樺(Betuladavurica)等[22-23]。

2 研究方法

2.1 野外調(diào)查

于2019年秋季森林防火期前往大興安嶺地區(qū)加格達(dá)奇森林經(jīng)營技術(shù)推廣站進(jìn)行野外調(diào)查。在該地選取在不同地類下種植的興安落葉松人工林，包括：塔頭甸子、水濕地、有坡山地、農(nóng)用地、無坡山地。在每個地類隨機(jī)選取3塊20 m×30 m的實(shí)驗(yàn)樣地，調(diào)查并記錄樣地的基本信息(見表1)。

表2 風(fēng)速轉(zhuǎn)換表

2.2 地表可燃物采集

在每塊實(shí)驗(yàn)樣地的對角線處選取3塊2 m×2 m的小樣方，在該小樣方內(nèi)再設(shè)置1 m×1 m的小樣方。草本、凋落物、半分解的可燃物調(diào)查在1 m×1 m的小樣方內(nèi)進(jìn)行，雜亂物、灌木的可燃物調(diào)查在2 m×2 m的小樣方內(nèi)進(jìn)行。

首先測量樣方內(nèi)的雜亂物、死草、活草、灌木、凋落物層、半分解層高度；然后測量死草、活草、枯枝落葉、灌木等的葉片厚度和莖粗；最后采集小樣方內(nèi)的所有草本、灌木、凋落物、半分解等可燃物，并稱量可燃物的總鮮質(zhì)量，使用信封采集部分可燃物樣品稱量樣品總質(zhì)量，將可燃物帶回實(shí)驗(yàn)室備用。

2.3 地表可燃物參數(shù)

興安落葉松林潛在地表火行為參數(shù)包括：可燃物載量(1 h時滯可燃物、10 h時滯可燃物、100 h時滯可燃物、活草、灌木)、可燃物表面積體積比(1 h時滯可燃物、活草、灌木)、可燃物床厚、熄滅含水率、死可燃物熱、活可燃物熱、坡度。相關(guān)參數(shù)的計(jì)算參照單延龍[24]的可燃物參數(shù)的計(jì)算方法。

2.4 地表火行為特征模型

地表火行為特征的Rothermel模型的公式為：

式中：R為火蔓延速度；IR為火焰反應(yīng)強(qiáng)度；ζ為火蔓延率；ΦW為風(fēng)速修正系數(shù)；ΦS為坡度修正系數(shù)；ρb為可燃物床密度；ε為有效熱系數(shù)；Qig為預(yù)燃熱(點(diǎn)燃單位質(zhì)量可燃物所需的熱量)。

2.5 潛在地表火行為特征

將興安落葉松林地表可燃物參數(shù)輸入Behaveplus軟件，得出在3種濕度系列下，4種火行為指標(biāo)隨火焰平均風(fēng)速變化的特征。

火行為指標(biāo)主要包括火蔓延速率、火線強(qiáng)度、火焰長度和單位面積熱量[24]?；鹇铀俾手富鹜ㄟ^地表可燃物的速度；火線強(qiáng)度指火頭從前到后1 m寬的可燃物床單位時間釋放的熱量；火焰長度指一個蔓延地表火火頭內(nèi)火焰長度，即從活動的燃燒區(qū)中點(diǎn)到火焰平均尖端的距離；單位面積熱量指火頭內(nèi)單位面積釋放的熱量，不受風(fēng)、坡度和蔓延方向的影響。

火焰平均風(fēng)速是指從可燃物床頂部到火焰頂部的平均風(fēng)速[25]，火焰平均風(fēng)速也是可燃物火行為的參數(shù)之一。在大興安嶺地區(qū)7、8級大風(fēng)是處于極端狀態(tài)下，8級大風(fēng)距地10 m高處風(fēng)速為17.2～20.7 m/s；10 m風(fēng)速通過除以1.15求得6 m的風(fēng)速；火行為可燃物模型的風(fēng)調(diào)節(jié)因子最大為0.5，因此，火行為可燃物模型選火焰平均風(fēng)速為0～8 m/s。計(jì)算公式如下：

式中：y為距地10 m的相應(yīng)風(fēng)速；x為火焰平均風(fēng)速。

可燃物濕度系列是指表示具體可燃物濕度條件的一套可燃物濕度?？扇嘉餄穸认盗邪ǎ? h時滯可燃物濕度、10 h時滯可燃物濕度、100 h時滯可燃物濕度、活草本可燃物濕度、活灌木可燃物濕度。由于我國北方森林與美國北方森林基本在一個緯度范圍，氣候狀況類似，故參考美國研究火行為可燃物模型所用的濕度系列。一共有3個濕度系列分別表示當(dāng)?shù)氐牡?0(高濕度)、第95(中濕度)、第97(低濕度)百分點(diǎn)的火險(xiǎn)天氣條件[26](見表3)。

表3 火行為可燃物模型的濕度系列

2.6 數(shù)據(jù)處理與分析

使用SPSS軟件分別分析地類、濕度、火焰平均風(fēng)速對興安落葉松人工林4種潛在火行為的影響；因素之間交互作用存在顯著差異時，則進(jìn)行簡單效應(yīng)分析。采用多重比較方法(LSD)進(jìn)行各因素對火行為影響的比較，顯著水平P<0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 地類、濕度、火焰平均風(fēng)速對蔓延速率的影響

由表4可知，地類、濕度、火焰平均風(fēng)速以及兩兩因素之間的交互作用對蔓延速率的影響都存在顯著差異(P<0.05)，但是三者之間的交互作用則差異不顯著(P>0.05)。

表4 地類、濕度、火焰平均風(fēng)速對蔓延速率影響的方差檢驗(yàn)

由表5可知，3個濕度系列下，不同地類之間的蔓延速率之間都存在顯著差異(P<0.05)，而在相同地類下，不同濕度系列之間的蔓延速率則不存在顯著差異。

表5 地類、濕度對蔓延速率影響的簡單效應(yīng)

由表6可知，在所有地類的地表火蔓延速率都隨濕度的增加而降低。在3個濕度系列下，有坡山地和農(nóng)用地的地表火蔓延速率都是最高，與其它3種地類之間都存在顯著差異(P<0.05)。而且這2種地類都是在低濕度條件下地表火蔓延速率最快，其中有坡山地最快蔓延速率均值為1.04 m/s，農(nóng)用地為0.88 m/s。無坡山地、塔頭甸子、水濕地的蔓延速率較慢，且3者之間差異不顯著。

表6 相同濕度系列下不同地類的火蔓延速率

由表7可知，5種火焰平均風(fēng)速下，不同地類之間的蔓延速率都存在顯著差異(P<0.05)，有坡山地和農(nóng)用地條件下，不同火焰平均風(fēng)速之間的蔓延速率也存在顯著差異(P<0.05)。

表7 地類、火焰平均風(fēng)速對火蔓延速率影響的簡單效應(yīng)

由表8可知，所有地類下的地表火蔓延速率都隨著火焰平均風(fēng)速的增加而增加。有坡山地和農(nóng)用地在5種火焰平均風(fēng)速下的蔓延速度都較快，且二者之間不存在顯著差異。其中有坡山地在火焰平均風(fēng)速8 m/s時，蔓延速率最快，蔓延速率均值為1.58 m/s。

表8 相同火焰平均風(fēng)速下不同地類的火蔓延速率

由表9可知，有坡山地條件下火焰平均風(fēng)速8 m/s和6 m/s時的蔓延速率較快，且二者之間不存在顯著差異，火焰平均風(fēng)速為4、2、0 m/s時的蔓延速率較慢，三者之間也不存在顯著差異。農(nóng)用地條件下，火焰平均風(fēng)速8、6、4 m/s時的蔓延速率較快，且三者之間不存在顯著差異，其中火焰平均風(fēng)速8 m/s時的蔓延速率最快，均值為1.08 m/s。

表9 相同地類下不同火焰平均風(fēng)速的火蔓延速率

由表10可知，當(dāng)火焰平均風(fēng)速6 m/s和8 m/s時，不同濕度之間的蔓延速率存在顯著差異(P<0.05)。在低濕度和中濕度下，不同火焰平均風(fēng)速的蔓延速率之間也存在顯著差異(P<0.05)。

表10 濕度、火焰平均風(fēng)速對火蔓延速率影響的簡單效應(yīng)

由表11可知，當(dāng)火焰平均風(fēng)速為6 m/s和8 m/s時，低濕度下的蔓延速率都是最快的，且與高濕度的蔓延速率之間存在顯著差異(P<0.05)。

表11 相同火焰平均風(fēng)速下不同濕度系列的火蔓延速率

由表12可知，在低濕度和中濕度條件下，火焰平均風(fēng)速8、6、4 m/s的蔓延速率較快，且三者之間不存在顯著差異；火焰平均風(fēng)速為0時，蔓延速率最慢，且與火焰平均風(fēng)速8、6、4 m/s都存在顯著差異(P<0.05)。

表12 相同濕度系列下不同火焰平均風(fēng)速的火蔓延速率

3.2 地類、濕度、火焰平均風(fēng)速對火線強(qiáng)度的影響

由表13可知，地類、濕度、火焰平均風(fēng)速對火線強(qiáng)度的影響與蔓延速率相同，都是3個因素以及兩兩之間的交互作用差異顯著(P<0.05)，而三者之間的交互作用則差異不顯著(P>0.05)。

表13 地類、濕度、火焰平均風(fēng)速對火線強(qiáng)度影響的方差檢驗(yàn)

由表14可知，3個濕度系列下不同地類的火線強(qiáng)度之間都存在顯著差異(P<0.05)。

表14 地類、濕度對火線強(qiáng)度影響的方差檢驗(yàn)

由表15可知，在低濕度條件下，不同地類之間的火線強(qiáng)度相差較大，其中有坡山地和農(nóng)用地的火線強(qiáng)度較大，且二者之間不存在顯著差異，但是與其它3種立地條件之間都存在顯著差異。在中濕度和高濕度條件下，有坡山地的火線強(qiáng)度依然最高，但是農(nóng)用地和塔頭甸子的火線強(qiáng)度之間則不存在顯著差異。

表15 相同濕度系列下不同地類的火線強(qiáng)度

由表16可知，當(dāng)火焰平均風(fēng)速為4、6、8 m/s時，不同地類之間的火線強(qiáng)度之間存在顯著差異(P<0.05)。有坡山地和農(nóng)用地條件下，不同火焰平均風(fēng)速之間的火線強(qiáng)度之間也存在顯著差異(P<0.05)。

表16 地類、火焰平均風(fēng)速對火線強(qiáng)度影響的簡單效應(yīng)

由表17可知，當(dāng)火焰平均風(fēng)速為4 m/s和6 m/s時，有坡山地的火線強(qiáng)度最大，其次是農(nóng)用地，且二者之間不存在顯著差異，但都與其它3種地類之間存在顯著差異。當(dāng)火焰平均風(fēng)速為8 m/s時，有坡山地的火線強(qiáng)度最高，而農(nóng)用地和塔頭甸子之間則不存在顯著差異，無坡山地和水濕地的火線強(qiáng)度相對較低。

表17 相同火焰平均風(fēng)速下不同地類的火線強(qiáng)度

由表18可知，在有坡山地條件下，火焰平均風(fēng)速8 m/s時的火線強(qiáng)度最高，且與0 m/s和2 m/s之間都存在顯著差異。農(nóng)用地條件下，火焰平均風(fēng)速8 m/s和6 m/s時的火線強(qiáng)度較高，且都與0 m/s和2 m/s之間存在顯著差異。

表18 相同地類下不同火焰平均風(fēng)速的火線強(qiáng)度

由表19可知，當(dāng)火焰平均風(fēng)速為6 m/s和8 m/s時，不同濕度之間的火線強(qiáng)度存在顯著差異(P<0.05)。在低濕度條件下，不同火焰平均風(fēng)速之間的火線強(qiáng)度也存在顯著差異(P<0.05)。

表19 濕度、火焰平均風(fēng)速對火線強(qiáng)度影響的簡單效應(yīng)

由表20可知，當(dāng)火焰平均風(fēng)速為6 m/s和8 m/s時，低濕度的火線強(qiáng)度最高，且都與高濕度之間存在顯著差異。

表20 相同火焰平均風(fēng)速下不同濕度的火線強(qiáng)度

由表21可知，在低濕度條件下，火焰平均風(fēng)速8 m/s和6 m/s的火線強(qiáng)度較高，且二者之間不存在顯著差異，但都與0 m/s和2 m/s存在顯著差異。

3.3 地類、濕度、火焰平均風(fēng)速對火焰長度的影響

由表22可知，地類、濕度、火焰平均風(fēng)速以及地類與火焰平均風(fēng)速和濕度與火焰平均風(fēng)速的交互作用對火焰長度的影響存在顯著差異(P<0.05)。

表22 地類、濕度、火焰平均風(fēng)速對火焰長度影響的方差檢驗(yàn)

由表23可知，5種火焰平均風(fēng)速下不同地類之間的火焰長度都存在顯著差異(P<0.05)。有坡山地、無坡山地、農(nóng)用地、水濕地條件下，不同火焰平均風(fēng)速之間的火焰長度也存在顯著差異(P<0.05)。

表23 地類、火焰平均風(fēng)速對火焰長度影響的簡單效應(yīng)

由表24可知，在5種火焰平均風(fēng)速下，5種地類都是有坡山地和農(nóng)用地的火焰長度較高，且二者之間不存在顯著差異，但都與其它3種地類之間存在顯著差異。

表24 相同火焰平均風(fēng)速下不同地類的火焰長度

由表25可知，4種地類下，火焰平均風(fēng)速為4、6、8 m/s時，火焰長度較高且三者之間不存在顯著差異，但4種地類與火焰平均風(fēng)速為0 m/s時都存在顯著差異。

表25 相同地類下不同火焰平均風(fēng)速的火焰長度

由表26可知，火焰平均風(fēng)速分別為4、6、8 m/s時，不同濕度之間的火焰長度存在顯著差異(P<0.05)。3種濕度系列下不同火焰平均風(fēng)速之間的火焰長度都存在顯著差異(P<0.05)。

表26 濕度、火焰平均風(fēng)速對火焰長度影響的簡單效應(yīng)

由表27可知，在3種火焰平均風(fēng)速下，低濕度的火焰長度都是最高的，且都與高濕度之間存在顯著差異。

表27 相同火焰平均風(fēng)速下不同濕度的火焰長度

由表28可知，在3種濕度系列下，火焰平均風(fēng)速為8、6、4 m/s時的火焰長度較高，且三者之間不存在顯著差異，但都與0m/s之間存在顯著差異。

表28 相同濕度下不同火焰平均風(fēng)速的火焰長度

3.4 地類、濕度、火焰平均風(fēng)速對單位面積熱量的影響

由表29可知，只有地類和濕度分別對單位面積熱量影響存在顯著差異，其它因素則不存在影響(P<0.05)。

表29 地類、濕度、火焰平均風(fēng)速對單位面積熱量影響的方差檢驗(yàn)

由表30可知，有坡山地和農(nóng)用地的單位面積熱量較高，且二者之間不存在顯著差異，但都與其它3種地類之間存在顯著差異。其次是無坡山地和水濕地，塔頭甸子的單位面積熱量最低，且與其它4種地類之間都存在顯著差異。

表30 不同地類的單位面積熱量

由表31可知，3種濕度系列下地表火單位面積熱量的大小依次為低濕度、中濕度、高濕度，且三者之間都存在顯著差異。

表31 不同濕度的單位面積熱量

4 結(jié)論與討論

火行為的特點(diǎn)對林火的預(yù)測和撲救起著至關(guān)重要的作用，通過蔓延速度、火強(qiáng)度、火焰長度等指標(biāo)，可以判斷林火趨勢，從而制定撲救方法，調(diào)整人力和物資配備等工作[27]。森林可燃物是森林火災(zāi)發(fā)生的基礎(chǔ)，是林火行為的主體，所以可燃物自身的特征對火行為指標(biāo)有著顯著影響[28]。近年來，胡同欣等[29]、張吉利等[9]、詹航等[30]、滿子源等[31]對地表可燃物的載量特征、含水率變化以及對火行為的影響進(jìn)行了研究。本文應(yīng)用大興安嶺地區(qū)興安落葉松人工林地表可燃物的載量、表面積體積比、含水率等參數(shù)，借助BehavePlus軟件，計(jì)算不同地類的森林潛在地表火行為，并比較不同因素對地表火行為特征的影響。

大興安嶺地區(qū)興安落葉松人工林在不同地類、火焰平均風(fēng)速和濕度系列下，地表火的蔓延速率、火線強(qiáng)度、火焰長度、單位面積熱量等火行為指標(biāo)都存在顯著差異。林火行為是一個極為復(fù)雜的過程，除受可燃物自身結(jié)構(gòu)、組成的影響外，還受外界條件(風(fēng)速、地形等)的影響。梁瀛等[32]、李連強(qiáng)等[33]、徐偉恒等[34]認(rèn)為不同林型、立地類型、地形等條件下，可燃物載量、林火行為、燃燒性等特征存在差異。

通過不同地類、濕度、火焰平均風(fēng)速對火行為影響的對比分析發(fā)現(xiàn)，蔓延速率、火線強(qiáng)度、火焰長度、單位面積熱量等火行為指標(biāo)都是在低濕度條件下最高，且蔓延速率、火線強(qiáng)度、火焰長度隨著火焰平均風(fēng)速的增加而增大。這一變化特征與單延龍[24]、周澗青[20]、王錚[35]等對潛在火行為研究的結(jié)果基本相符。有坡山地和農(nóng)用地的各潛在火行為指標(biāo)都較高，尤其是有坡山地。通常情況下，坡度越大蔓延速度也就越快[36]。本研究中，有坡山地和農(nóng)用地除種植大面積的興安落葉松外，還少量分布著白樺和蒙古櫟，而白樺和蒙古櫟凋落的枯枝落葉，在一定程度上也提高了地表可燃物載量，導(dǎo)致潛在火行為指標(biāo)相對較高。所以有坡山地和農(nóng)用地發(fā)生地表火時一定要及時撲救，否則林火可能進(jìn)一步擴(kuò)大蔓延，造成更大的損失，同時也要注意日常的清林工作，減小地表可燃物載量從而預(yù)防林火的發(fā)生。