寶塔區(qū)冬季枯枝落葉可燃物含水率、可燃物載量與氣象因子的相關(guān)性分析

摘 要：以延安市寶塔區(qū)清涼山和鳳凰山的凋落物為研究對象，收集2023年11月—2024年2月延安市寶塔區(qū)清涼山、鳳凰山當(dāng)月氣象數(shù)據(jù)，分析凋落物的可燃物載量、可燃物含水率及其與氣象因子之間的關(guān)系。結(jié)果表明：秋冬季節(jié)，延安市寶塔區(qū)可燃物含水率與降水量之間有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，而風(fēng)速與它們之間的關(guān)聯(lián)較不明顯；可燃物含水率與平均相對濕度、降水率呈正相關(guān)。通過探討延安寶塔區(qū)秋冬季枯枝落葉可燃物含水率、可燃物載量與氣象因子之間的相關(guān)性，為當(dāng)?shù)厣址阑鸷蜕鷳B(tài)安全管理提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：可燃物含水率；可燃物載量；氣象因子；相關(guān)性分析

中圖分類號：S812.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）12–0-03

秋季和冬季是森林火災(zāi)易發(fā)期，枯枝落葉作為主要的可燃物，其含水率和載量直接影響火災(zāi)的發(fā)生與蔓延。目前，針對延安清涼山和鳳凰山氣候、生態(tài)位、可燃物含水率的研究尚不夠深入。森林可燃物含水率和可燃物載量的測定與預(yù)測對林火預(yù)警、火險預(yù)報和管理工作的開展具有重要意義。結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)，如遙感、GIS和線性逐步回歸分析等，進(jìn)一步提升預(yù)測模型的準(zhǔn)確性和實用性，對提高延安氣象森林火險預(yù)報工作和森林火災(zāi)防控能力具有重要影響，能夠為當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

在林火管理與防控領(lǐng)域，森林可燃物的含水率是一個核心因素，它直接影響森林火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展和蔓延。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，研究人員開發(fā)了多種預(yù)測森林可燃物含水率的方法，這些方法對林火預(yù)警和防控具有深遠(yuǎn)意義。

森林中可燃物的含水率對林火的點燃難易程度和燃燒釋放的熱量大小具有重要影響，是林火預(yù)測中至關(guān)重要的因素。為了更好地進(jìn)行火險預(yù)報，通常會使用火險天氣指標(biāo)（FWI）體系。目前，預(yù)測可燃物含水率的方法包括氣象要素回歸法、平衡含水率法、遙感估測法和過程模型法[1-2]。氣象要素回歸法通過統(tǒng)計分析方法，將森林可燃物含水率與氣象數(shù)據(jù)之間的關(guān)系進(jìn)行定量化，并進(jìn)行多元統(tǒng)計回歸，具有操作簡便、精度較高的特點，尤其是國內(nèi)外野外氣象站點日益完善，這一方法的適用性和優(yōu)勢愈發(fā)明顯[3-4]。然而，該方法的準(zhǔn)確性受到特定森林類型和地形的限制，需要大量現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，以提高其普適性。

平衡含水率法主要用于北美等地區(qū)的森林火險等級系統(tǒng)，該方法以物質(zhì)的平衡含水率為基礎(chǔ)進(jìn)行預(yù)測，但在實際操作中存在一定局限。遙感估測法利用現(xiàn)代遙感技術(shù)進(jìn)行大尺度的含水率預(yù)測，雖起步較晚，但隨著技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，精度有望不斷提高。過程模型法基于物理過程進(jìn)行描述和預(yù)測，盡管理論基礎(chǔ)堅實，但因過程復(fù)雜而難以得到廣泛應(yīng)用。

森林火災(zāi)的預(yù)測和預(yù)報是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及眾多變量和不確定性因素。在此過程中，準(zhǔn)確預(yù)測森林的可燃物含水率對提高林火預(yù)警的時效性和準(zhǔn)確性具有重要作用。通過分析和比較現(xiàn)有的預(yù)測方法發(fā)現(xiàn)，盡管每種方法都有其優(yōu)勢和局限，但氣象要素回歸法因其操作簡便、精度較高，成為當(dāng)前我國林火管理中預(yù)測可燃物含水率的主要方法。

森林地表的可燃物可以分為死可燃物和活可燃物?；羁扇嘉锇ㄖ参铮绮荼局参锖凸嗄?，而死可燃物則包括枯枝落葉、腐殖質(zhì)等[5]。許多學(xué)者對可燃物含水率的動態(tài)變化規(guī)律和影響因素進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)的發(fā)生和蔓延與可燃物的空間分布和數(shù)量密切相關(guān)[6-7]。

在中國，對地表可燃物載量的研究起步較晚，從1980年開始逐漸引起關(guān)注，至今已經(jīng)取得許多研究成果，主要集中在林分因子和外部環(huán)境因素對可燃物載量的影響上[8]。陳宏偉等[9]研究發(fā)現(xiàn)，草本蓋度、平均樹高和凋落物厚度等因素對興安落葉松地表死可燃物總載量有較好的預(yù)測作用。劉趙東[10]的研究表明，海拔和坡度等環(huán)境因子在北京地區(qū)不同森林類型地表可燃物載量中起著主要作用。于海晨等[11]人利用冗余分析（RDA）發(fā)現(xiàn)，平均樹高和胸徑是對北京地區(qū)側(cè)柏和油松林地表可燃物總載量影響最顯著的因素。即樹木的平均高度和胸徑對這兩種森林類型的地表可燃物含量有著重要的影響。

1 研究區(qū)域概況

試驗數(shù)據(jù)采集自陜西省延安市寶塔區(qū)清涼山、鳳凰山國家森林公園。延安寶塔山位于109.49°E、36.59°N。鳳凰山革命舊址位于109.48°E、36.59°N，所在地屬于干旱生態(tài)區(qū)。在該生態(tài)區(qū)中，植被主要由適應(yīng)干旱環(huán)境的灌木、草本植物和少量樹木組成。這些植物具有較強(qiáng)的抗旱能力，能夠適應(yīng)該地區(qū)的干燥氣候和貧瘠的土壤條件。清涼山景區(qū)規(guī)劃面積607 km2，行政管轄面積436 km2，海拔1 135.5 m。鳳凰山面積216 km2，該地屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，2021—2023年的年平均氣溫、最高氣溫平均值、最低氣溫平均值分別為10.46 ℃、35.8 ℃、-20.2 ℃，最熱月7月的月平均溫度35.6 ℃，最冷月1月的月平均氣溫-9.9 ℃；2023年累計降水量為556.5 mm；全年平均風(fēng)速2.12 m/s。

2 資料與方法

2.1 資料

研究使用的氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，根據(jù)研究地點的經(jīng)緯度信息，選擇相應(yīng)的氣象站點數(shù)據(jù)。如果研究地區(qū)沒有對應(yīng)的氣象站點，將采用最近的氣象站點數(shù)據(jù)代替。所選取的氣象數(shù)據(jù)為年度數(shù)據(jù)，包括年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫、年極端最高氣溫、年極端最低氣溫、年降水量、年平均風(fēng)速、年日照時數(shù)、年相對濕度等。

清涼山與鳳凰山可燃物（包括活體和死體可燃物），

在每個樣地上放置1個尺寸為0.5 m×0.5 m，網(wǎng)孔為

1 mm的篩子，距離地面約10 cm，用于收集凋落物。2023年11月—2024年2月，每個月收集1次篩子中的凋落物。將收集到的凋落物帶回實驗室，分別歸類為針葉、闊葉、枝條、果實和碎屑，并在80 ℃下烘干至恒重后進(jìn)行稱量。為避免雨水沖刷和凋落物分解導(dǎo)致失重或化學(xué)成分改變，收集頻率通常為1周/次。收集的相關(guān)數(shù)據(jù)包括調(diào)查地點、植被類型、經(jīng)度、緯度、海拔、年度凋落量，以及凋落物的組成（葉片、枝條、花果、樹皮）。

2.2 方法

（1）地表可燃物載量測定將林下可燃物劃分為活可燃物和死可燃物。在研究中，活可燃物包括灌木和草本植被，而死可燃物分為枯落物和腐殖質(zhì)。枯落物進(jìn)一步細(xì)分為1 h時滯可燃物（包括直徑≤0.64 cm的小枝、樹葉和干枯雜草）、10 h時滯可燃物（包括直徑＞0.64 cm且≤2.54 cm的枝條）和100 h時滯可燃物（包括直徑＞2.54 cm且≤7.62 cm的粗枝）。采集的樣品將被帶回實驗室，在105 ℃的烘箱中烘干至恒重，然后使用電子天平稱量其干重?？扇嘉镙d量的計算方法如下：

w=md/mf×100（1）

Md=w×Mf（2）

F=Mt/NS（3）

在上述公式中，w代表樣品的干鮮比（單位為%）；md代表樣品的干重（單位為g）；mf代表樣品的鮮重（單位為g）；Md代表樣方的總干重（單位為g）；Mf代表樣方的總鮮重（單位為g）；F代表可燃物的載量（單位為t/hm2）；Mt代表標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)所有樣方可燃物總干重之和（單位為g）；N代表樣方的數(shù)量；S代表樣方的面積（單位為m2）。

（2）采用樣方直接稱重法，取樣方內(nèi)枯黃仍保持原狀、未分解的枯落物樣品。在恒溫下烘干至恒重，記為干重。測定枯落物層可燃物的貯量。

枯落物層貯量/（t/hm2）=樣品干重/0.04 g/m2×0.01

（4）

（3）測定可燃物的含水率：含水率數(shù)據(jù)通過采樣測量干濕重，并計算其差值占干重的比例，即

Ci-j=（Ww-Wd）/Wd×100%（5）

式（5）中，Ci-j為森林可燃物含水率，Ww為樣品濕重，Wd為樣品干重，i為樣地編號。即含水率=（濕重-干重）/干重×100%。

3 結(jié)果與分析

據(jù)此換算成每公頃的凋落物量：將氣象因子與枯枝落葉可燃物聯(lián)系起來，對相關(guān)性進(jìn)行分析（表1）。在采集樣本時，應(yīng)確保樣本表面沒有水滴，如果下過雨，需要等待一定時間讓植物表面的自由水分蒸發(fā)后再進(jìn)行取樣。

使用SPSS 22.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析并繪制圖表，以研究冬季可燃物含水率、可燃物載量與氣象因子之間的關(guān)聯(lián)性。用r語言的“fit”包做一元線性逐步回歸法，P＜0.01為極顯著相關(guān)，P＜0.05為顯著相關(guān)。

表1～3的數(shù)據(jù)顯示，不同月份對可燃物含水率的影響因素各不相同。風(fēng)速、最低氣溫、最高氣溫、降水量這四個氣象因子對可燃物含水率和可燃物載量具有影響，且具有實際意義。在某些月份，這些因子的實際意義并不明確，但總體趨勢是對可燃物含水率產(chǎn)生負(fù)面影響，對可燃物載量產(chǎn)生正面影響。通過篩選表1～3，確定回歸因子，將枯落物層貯量（X）和可燃物含水率（Y）作為因變量進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，通過計算得出不同月份可燃物含水率的預(yù)測數(shù)學(xué)模型（表2、表3）。

4 總結(jié)與討論

氣象要素對森林火災(zāi)的影響十分重要。首先，溫度對森林火災(zāi)具有直接影響。隨著溫度升高，可燃物的含水率也會增加，從而減少了森林火災(zāi)的風(fēng)險。其次，空氣相對濕度也是一個重要因素。當(dāng)空氣相對濕度較低時，林內(nèi)的可燃物會更快蒸發(fā)，導(dǎo)致可燃物含水率降低，增加了森林火災(zāi)的危險性。相反，當(dāng)空氣相對濕度較高時，可燃物含水率變化較小，森林火災(zāi)的風(fēng)險也相應(yīng)降低。最后，降水量也是一個關(guān)鍵因素。降水可以提高可燃物的含水率，減少森林火災(zāi)的風(fēng)險。然而，當(dāng)降水量較少或沒有時，空氣變得干燥，相對濕度降低，可燃物含水率也會減少，增加了森林火災(zāi)的危險性。綜上所述，氣象要素對森林火災(zāi)具有直接而重要的影響，了解和控制這些氣象要素對預(yù)防和撲滅森林火災(zāi)至關(guān)重要。

在可燃物含水率預(yù)測模型方面，之前的研究表明， 林內(nèi)溫度、相對濕度、降水量與可燃物含水率之間存在顯著相關(guān)性，而風(fēng)速與其相關(guān)性較弱。利用一元線性逐步回歸分析，可以建立森林細(xì)小可燃物含水率與氣象要素之間的關(guān)系模型，該模型的模擬效果良好。張廣英等[12]對黑龍江帽兒山、伊春和大興安嶺主要森林的可燃物進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果與本研究的結(jié)論基本一致，即林內(nèi)溫度、相對濕度、降水量與可燃物含水率之間的相關(guān)性顯著，而風(fēng)速的相關(guān)性較弱[13]?？赏ㄟ^建立模型預(yù)測森林細(xì)小可燃物含水率與氣象要素之間的關(guān)系，以增強(qiáng)森林火災(zāi)的預(yù)防和管理效果。

盡管本研究嘗試使用中國氣象網(wǎng)的氣象數(shù)據(jù)代替每個林分內(nèi)的小氣候數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示存在一定差異，但仍表明這種方法是可行的。進(jìn)一步建立天氣預(yù)報氣象因子與可燃物含水率之間的擬合模型，可以提高預(yù)測模型的精度。深入研究林內(nèi)小氣象因子與天氣預(yù)報氣象因子之間的關(guān)系模型，對提高預(yù)測模型的準(zhǔn)確性具有重要意義，尤其是在日常森林防火工作中具有實際應(yīng)用價值。對延安寶塔區(qū)一個防火期的研究結(jié)果顯示顯著性不理想，外野過程中誤差較大。因此，增加多個防火期的監(jiān)測和采樣，可以建立更高精度的方程，從而更好地預(yù)測不同森林可燃物含水率，對指導(dǎo)森林防火工作具有重要意義。

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收稿日期：2024-09-09

作者簡介：李素兮（1985—），女，陜西延安人，工程師，研究方向為林業(yè)氣象。