滇中地表死可燃物平衡含水率和時滯與溫濕度的關系研究

王婕, 牛樹奎, 陳鋒

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滇中地表死可燃物平衡含水率和時滯與溫濕度的關系研究

王婕, 牛樹奎*, 陳鋒

北京林業大學林學院, 北京 100083

為研究溫濕度對滇中地表死可燃物平衡含水率和時滯的影響, 2017年4月于昆明西山公園采集云南松和滇青岡兩個樹種新凋落的枯枝和枯葉, 利用恒溫恒濕箱在室內測定了20個溫濕度組合下的平衡含水率和時滯, 并通過統計軟件分析了平衡含水率和時滯與溫濕度的關系, 同時以Simard和Nelson模型為響應模型擬合了4種可燃物的平衡含水率預測模型, 利用均方根誤差分析比較兩類模型的精準性。結果表明: 滇中地表死可燃物平衡含水率和時滯受溫濕度的影響顯著, 平衡含水率和時滯均隨溫度的升高而減小, 隨濕度的增加而增大。4種可燃物擬合得出的Simard模型和Nelson模型相比較, Simard模型的擬合效果更好, 更適用于滇中地表死可燃物平衡含水率和時滯的預測。

溫度; 濕度; 地表死可燃物; 平衡含水率; 時滯

0 前言

森林可燃物是林火發生的物質基礎, 也是林火傳播和蔓延的關鍵因素[1–2]。地表死可燃物的含水率可直接影響可燃物燃燒的難易程度, 從而間接的影響林火蔓延和火燒強度[3–5], 所以是火險預測和預報的重點指標[6–7], 因而提高地表死可燃物含水率預測的精準性對建立森林火險預報系統十分重要。目前關于可燃物含水率預測方法的研究主要集中于平衡含水率法[8]、過程模擬法[9]、遙感估測法[10]、氣象要素回歸法四個方面[11–12]。其中, 平衡含水率法是主流方法[13-14], 美國、加拿大的國家森林火險預報系統均采用了此方法。我國對平衡含水率法的研究起步較晚, 且現有的研究僅在東北大興安嶺地區的少數林型有所開展, 而對于其它地區或林型, 環境因子對可燃物平衡含水率的影響規律目前還沒有相關的研究[15–17]。滇中地區森林資源豐富, 是我國的重點林區, 同時也是林火多發地帶, 每年發生在此區域的林火次數可達全國的30%, 因此開展該地區可燃物平衡含水率的研究, 提高可燃物含水率預測的精準度, 對有效地防范林火發生和減少國家森林資源損失具有重要意義。筆者在室內對滇中地區的云南松和滇青岡林下的地表死可燃物平衡含水率和時滯進行了測定, 并分析了在不同的溫度和濕度條件下, 地表死可燃物平衡含水率和時滯的變化規律, 為提高地表死可燃物含水率預測的精準性提供了科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究地概況

滇中地區是我國森林火災多發地帶, 包括昆明、玉溪、曲靖和楚雄四個市(州), 地形以山地和盆地為主, 氣候屬于亞熱帶氣候, 土壤多為紅壤, 喬木主要有云南松()、華山松()、地盤松()等針葉樹種, 黃櫟()、麻櫟()、滇青岡()、藍桉()等闊葉樹種。本實驗的所有樣品均采集于昆明西山森林公園(東經102°37′—102°38′, 北緯24°57′—24°59′)的云南松-滇青岡混交林。

1.2 測定步驟

(1)2017年4月采集新凋落的云南松、滇青岡兩個樹種的枯葉和枯枝帶回實驗室。樣品規格: 枯葉為當年凋落, 并保持完整的葉片; 枯枝長度為10 cm, 直徑1 cm。

(2)將可燃物樣品放入烘箱105℃條件下烘至絕干, 使用電子天平稱重, 并記錄干重;

(3)烘干的每種可燃物設置3組樣品, 質量均為20 g, 并編號拍照記錄;

(4)將絕干樣品完全浸入水至飽和; 取出浸泡的樣品, 用吸水紙輕拭掉表面的水分, 水平擺放在實驗臺, 靜置2 h后稱重, 記錄數據作為各樣品的初始濕重;

(5)調置恒溫恒濕箱的溫濕度條件, 規格為: 溫度10℃、15℃、20℃、25℃、30℃和濕度25%、45%、65%、85%之間兩兩組合, 共計20組, 將處理好的樣品分別放入恒溫恒濕箱中, 間隔2 h稱重記錄一次, 直至前后兩次測得的含水率差異小于0.1%。

1.3 數據處理

1.3.1 地表死可燃物含水率和時滯的估算

在溫度和濕度恒定的條件下, 可燃物在失水過程中的含水率可滿足以下推導方程[18], 將實驗的實測數據與該方程結合可計算出可燃物含水率到達平衡狀態之前的任意時刻的含水率以及可燃物的時滯。

1.3.2 平衡含水率響應模型

平衡含水率與溫濕度的關系模型選取國外的Simard模型和Nelson模型為響應模型, 利用SPSS 17.0軟件和Excel 2013軟件對4種可燃物的實測數據進行擬合求出各個模型的待估參數。并采用均方根誤差分析各個模型預測結果與實測結果的擬合效果。

Simard平衡含水率模型[19]:

式中:為可燃物平衡含水率(%);為濕度(%);為溫度(℃)。

Nelson平衡含水率模型[20]:

式中:為可燃物平衡含水率(%);為方程參數;為溫度(℃);為濕度(%)。代表普適氣體常量, 為9.314 J·k-1mol-1;代表H2O的相對分子質量, 為18 g·mol-1。

1.3.3 模型誤差分析

2 結果與分析

2.1 地表死可燃物含水率的變化趨勢研究

根據實測數據, 結合上述可燃物含水率推導方程, 可計算出4種可燃物在失水過程中的含水率, 并繪制出動態變化曲線。圖1表明, 云南松枯枝、枯葉和滇青岡枯枝、枯葉的含水率在失水過程中的變化趨勢均為: 在起始階段, 可燃物含水率劇烈下降; 隨后下降趨勢逐漸減緩, 一段時間后, 到達平衡狀態。由圖1還可看出, 不同可燃物的下降速率不同, 同一樹種之間, 枯葉可燃物含水率下降速率明顯高于枯枝, 其到達平衡狀態消耗的時間更短。可燃物含水率的下降速率會隨溫度和濕度的變化而增大或減小, 在濕度恒定的條件下, 溫度越高, 可燃物含水率的下降速率越快, 到達平衡狀態所消耗的時間越短; 在同一溫度條件下, 可燃物含水率的下降速率隨濕度的增加而減小。

A: 云南松枯枝, B: 云南松枯葉, C: 滇青岡枯枝, D: 滇青岡枯葉, a、b、c、d分別表示濕度為25%、45%、65%、85%。

2.2 滇中地表死可燃物平衡含水率與溫濕度的關系

通過分析實驗數據, 可得出4種可燃物在20個溫濕度組合下的平衡含水率。由表1可以看出, 在相同的濕度條件下, 4種可燃物的平衡含水率受溫度影響顯著, 且隨溫度的上升而減小。在4個濕度梯度中, 4種可燃物平衡含水率在不同溫度之間的變化范圍不同。云南松枯枝、枯葉和滇青岡枯枝在濕度為65%時, 平衡含水率差異達到最大, 分別為16.13%、19.66%和20.18%, 滇青岡枯葉在濕度為85%時, 差異最大, 為20.66%; 云南松枯枝、枯葉和滇青岡枯葉在濕度25%時, 差異最小, 分別為9.28%、9.91%和15.37%, 滇青岡枯枝在濕度45%時, 差異最小, 為13.93%。同一類型可燃物相比較, 云南松枯枝在溫度10℃和30℃之間差異顯著(<0.05), 滇青岡枯葉在溫度10℃和30℃之間差異極顯著(<0.01)。

在5組溫度條件下, 4種可燃物平衡含水率均隨濕度的增加而增大, 即溫度恒定時, 可燃物平衡含水率與濕度呈正相關關系。在不同的溫度梯度下, 每種可燃物平衡含水率隨濕度的影響程度有所差異。在溫度為10℃時, 4種可燃物平衡含水率隨濕度變化的范圍最大, 分別為9.05%、18.06%和11.10%、12.54%。云南松枯枝、枯葉和滇青岡枯枝平衡含水率在溫度30℃時, 差異最小, 分別為3.25%、8.54%和7.42%, 僅有滇青岡枯葉的平衡含水率在溫度25℃時, 差異最小, 為5.85%。經方差分析的結果表明, 滇青岡枯枝和枯葉的平衡含水率均在濕度25%和85%條件之間差異顯著(<0.05)。

地表死可燃物平衡含水率模型選取Simard和Nelson為響應模型。利用2種平衡含水率模型分別擬合不同溫濕度組合的實驗數據, 得出4種可燃物的平衡含水率模型。由表2和表3可以看出, Simard模型與4種可燃物的平衡含水率數據擬合程度較高,2介于0.9449—0.9878之間。Nelson模型與4種可燃物平衡含水率的擬合程度較差,2介于0.4686—0.7435之間。

表1 不同溫濕度條件下可燃物平衡含水率

通過均方根誤差分析Simard模型和Nelson模型的擬合效果。就Simard平衡含水率模型而言, 擬合出的4種可燃物的平衡含水率的均方根誤差分別為0.0106、0.0192、0.0103和0.0111; Nelson模型的均方根誤差分別為0.0365、0.0694、0.0558和0.0535。兩類模型綜合比較, Simard模型的擬合程度較好, 更適合于本研究, 且本實驗未考慮光照因素, 忽略了環境溫度與可燃物表面溫度的差異, 而Nelson模型是綜合考慮可燃物自身水分和熱量的運動情況的模型, 會受到光照的影響, 因此Nelson模型預測出的可燃物平衡含水率與本實驗數據的誤差較大。

2.3 滇中地表死可燃物時滯與溫濕度的關系

可燃物時滯等同于含水率方程中參數值的倒數, 據此可以計算各類可燃物的時滯。由圖2可知, 4種可燃物的時滯均值相比較, 滇青岡枯枝時滯最大, 為21.00 h, 云南松枯葉時滯最小, 為10.42 h。同一樹種之間相比較, 枯枝時滯均值顯著高于枯葉, 其中云南松枯枝與枯葉的時滯差異最大, 差值為5.46 h。在溫度為30℃, 濕度為25%時, 4種可燃物時滯均達到最小值, 此時云南松枯枝、枯葉和滇青岡枯枝、枯葉的時滯分別為5.33 h、4.43 h、7.51 h、4.92 h; 當溫度為10℃, 濕度為85%時, 4種可燃物時滯達到最大值, 分別為18.99 h、13.44 h、21.88 h、15.26 h。

由圖2可以觀察出, 在相同的濕度條件下, 4可燃物時滯均隨溫度的上升而減小。在濕度為85%時, 云南松枯枝、枯葉和滇青岡枯枝、枯葉可燃物時滯在溫度10℃和30℃條件之間差異達到最大, 分別為9.90 h、7.65 h、11.99 h和8.82 h; 在濕度為25%時, 差異最小, 分別為5.28 h、4.11 h、7.94 h和4.63 h, 表明隨濕度的減小, 地表死可燃物時滯受溫度的影響減弱。在相同的溫度條件下, 4種可燃物時滯的變化趨勢均為隨著濕度的增加而增大。在溫度為10℃時, 4種可燃物時滯隨濕度的增加而升高的幅度最大, 云南松枯枝、枯葉和滇青岡枯枝、枯葉時滯變動范圍分別為8.38 h、4.90 h和6.43 h、5.71 h; 在溫度為30℃時, 時滯變化范圍最小, 分別為3.76 h、1.36 h和2.38 h、1.52 h, 表明溫度越低, 濕度對可燃物時滯的影響越明顯。同一樹種之間, 枯枝可燃物時滯隨溫度和濕度的變化范圍大于枯葉, 表明溫度和濕度對枯枝可燃物時滯的影響高于枯葉。

表2 Simard平衡含水率模型

, 可燃物平衡含水率;, 溫度(℃);, 濕度(%)

表3 Nelson平衡含水率模型

, 可燃物平衡含水率;, 溫度(℃);, 濕度(%)

圖2 不同溫度和濕度條件下的可燃物時滯

3 結論

對滇中地表死可燃物的失水過程研究得出4種類型可燃物含水率均先快速下降, 后緩慢降低至平衡含水率, 不同類型可燃物的含水率降低速率不同, 云南松的枯枝和枯葉可燃物含水率的平均下降速率高于滇青岡, 其到達平衡含水率狀態所用時間更短; 同一樹種, 枯葉可燃物含水率的平均下降速率高于枯枝, 表明在失水過程中, 枯葉可燃物內外水分的蒸發和擴散過程速率較快, 干燥程度高, 因此比枯枝可燃物更易成為森林火災的潛在燃燒對象。

溫濕度對滇中地表死可燃物平衡含水率和時滯的具有顯著的影響, 在相同的濕度條件下, 地表死可燃物平衡含水率和時滯均隨溫度的升高而減小; 在相同的溫度條件下, 地表死可燃物平衡含水率和時滯均隨濕度的增加而增大。相同的溫濕度組合下, 滇青岡地表死可燃物的平衡含水率和時滯高于云南松, 枯枝可燃物高于枯葉。這與劉曦[16], 高國平[17]等研究結果類似, 但其研究中, 溫濕度對枯枝可燃物平衡含水率的影響程度顯著高于枯葉, 而在本研究中, 并未發現有明顯差別, 出現這種現象的原因可能是不同樹種可燃物的理化性質具有一定的差異, 從而導致不同可燃物平衡含水率受溫濕度的影響程度不同, 因此在具體分析環境因子對可燃物平衡含水率的影響和建立平衡含水率模型時, 需考慮樹種和可燃物徑級因素。

Simard模型和Nelson模型是目前精準度較好的兩類平衡含水率響應模型, 本研究通過Simard模型和Nelson模型的擬合以及誤差檢驗得出, Simard模型預測精準性高于Nelson模型, 更適用于滇中地區可燃物平衡含水率的預測。在同類研究中, 于宏洲等[21]的研究結果表明Simard模型預測精準性更高, 與本文結果類似, 而在馬壯等[15]研究中, Nelson模型預測平衡含水率更精確, 表明兩種模型在不同地區和林型具有差異性, 應基于林分和區域選取合適的平衡含水率響應模型, 以提高林下死可燃物含水率預測的精準性。

溫度和濕度是可燃物平衡含水率的主要影響因子, 而可燃物時滯的影響因素更加復雜, 除溫度和濕度外, 可燃物的類型、大小、床層結構、載量和風速等因素也對可燃物時滯產生一定的影響[17]。在過去的研究中, 一般將直徑小于等于0.6 cm的枯枝、枯葉劃分為1h時滯可燃物, 而在本文的結果中, 枯枝和枯葉的時滯均超過1 h。胡海清等的研究表明落葉松葉片和白樺葉片的時滯變動范圍分別在4.92—22.03 h和5.22—28.01 h之間, 均在1 h以上[22], 這與本文的研究結果類似。本研究得出時滯值偏大可能是因為實驗過程中, 樣品的放置方式對可燃物載量產生影響, 從而導致4種可燃物的時滯范圍增大。本文初步分析了溫濕度對可燃物平衡含水率和時滯的影響, 但實驗還存在著一定的局限性。因此, 在日后的研究中還應選取更多類型的可燃物, 并與在自然環境中的研究相結合進行綜合性分析, 以提高研究結果的準確性和普適性。

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The relationship between equilibrium moistu re content, time-lag of dead fuels and temperature and humidity in central Yunnan

WANG Jie, NIU Shukui*, CHEN Feng

College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China

Research the changes of equilibrium moisture content ()and time-lag of surface dead fuels in Yunnan under different temperature and humidity.Dead branches and dead leaves ofandwere collected on April 2017 in Kunming Xishan Park. Theand time-lag were measured at 20 combinations of temperature and humidity conditions.And the relationship betweenand time-lag and temperature and humidity was analyzed by statistical software. Simard models and Nelson models were establishedand accuracy of the two models was compared by root mean square error() analysis.. The results showed that both temperature and humidity significantly affectedand time-lag.and time-lag fell as the temperature rised and increased as the humidity rised. Simard models of four combustibles gave the better fit than Nelson models with small root mean square error.Simard models were more suitable for the prediction ofand time-lag of surface dead fuels in Yunnan.

temperature ; humidity; surface dead fuels; equilibrium moisture content; time-lag

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.01.004

S718.5

A

1008-8873(2019)01-026-07

2017-09-14;

2017-10-23

國家林業科學技術推廣項目: 云南省森林火災中長期多時空尺度預測技術與示范(2015-04)

王婕(1992—), 女, 碩士研究生, 主要從事林火生態學研究, E-mail: wangjie_ryota@163.com

牛樹奎, 男, 教授, 主要從事林火生態學研究, E-mail: shukuiniu@163.com

王婕, 牛樹奎, 陳鋒. 滇中地表死可燃物平衡含水率和時滯與溫濕度的關系研究[J]. 生態科學, 2019, 38(1): 26-32.

WANG Jie, NIU Shukui, CHEN Feng. The relationship between equilibrium moistu re content, time-lag of dead fuels and temperature and humidity in central Yunnan[J]. Ecological Science, 2019, 38(1): 26-32.