計劃火燒對區域森林燃燒性的影響

宗學政，田曉瑞＊，田 恒，陳 方

(1.中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所, 國家林業局森林保護學重點開放性實驗室，北京 100091；2.大興安嶺呼中區氣象局，黑龍江 呼中林業局 165000；3.黑龍江省大興安嶺地區氣象局，黑龍江 加格達奇 165000)

森林可燃物是林火發生的基礎，可燃物類型及其載量影響火強度和蔓延速度。減少林內可燃物載量是降低林火發生的重要途徑，也是林火管理的主要組成部分。可燃物處理方法主要有機械清理和計劃火燒[1]。其中計劃火燒（prescribed burning）是在人為控制下，有計劃地利用低強度火清理林內可燃物，降低林火發生可能[2]。與其他方式相比，計劃火燒不但可有效清除地表可燃物，而且經濟成本低，還具有保護生物多樣性和維持森林生產力的作用[3-4]，是當前應用最廣泛的可燃物管理措施。我國針對計劃火燒提出了“物候點燒”、“跟雪點燒”等多種點燒方法，在西南、東北及內蒙林區得到廣泛應用[5]。大興安嶺地區的森林可燃物分解慢，長期積累大量的地表可燃物，容易發生森林火災[6]。通過計劃火燒措施可以降低地表可燃物載量，減少林火發生，有利于森林生態系統的穩定。計劃火燒是大興安嶺地區一項重要的可燃物處理措施，但定量評估計劃火燒對森林防火的作用的相關研究還很少。劉志華等利用LANDIS 模型模擬了計劃火燒處理對呼中地區潛在的火發生影響，通過計劃火燒進行可燃物處理會在一定程度上減少過火面積[7]。趙彬清等研究了計劃火燒前后落葉松林土壤微生物、碳氮及濕度溫度的變化，認為計劃火燒不會導致土壤呼吸增加，為計劃火燒的實施提供了理論基礎[8]。

林分類型、地理環境等因素決定可燃物處理的方式方法[9]。計劃火燒可用于清除細小可燃物，降低可燃物載量，在草甸及灌木區域使用廣泛[10]。機械處理用于清除粗可燃物及空中可燃物，在落葉松林中與計劃火燒結合使用，可有效降低地表可燃物及空中可燃物，減少地表火和樹冠火發生的可能，降低火強度。可燃物處理的季節及時間對處理效果也有影響。在秋季進行計劃火燒更能有效減少可燃物積累，降低林火的發生[11]。根據可燃物累積及分解過程，周期性進行低強度的計劃火燒，可以調控森林地表可燃物載量[12-13]。大興安嶺地區草本灌木較多，在火險期易燃燒，蔓延速度快，是火災的發源地。因此，每年定期在火險期前對溝塘草甸進行火燒處理，以降低地表可燃物載量，減少林火的發生，現已成為大興安嶺實施可燃物管理的有效措施。

基于森林資源和火燒安全方面的考慮，野外火燒實驗的尺度一般比較小，只通過野外火燒實驗難以定量評估林火管理措施對森林燃燒性的影響，因此，需要從景觀尺度上模擬各種可燃物管理情景下的林火行為[14]。目前有一些模型可以模擬不同可燃物和天氣條件下的森林燃燒過程。BEHAVE 模型可以模擬可燃物對火行為影響[15]，FOFEM 模型可模擬火燒過程中樹木死亡、可燃物消耗量等過程[16]，但這些模型不能模擬火發生及蔓延過程。SIMMPPLE 模型可從空間尺度模擬火蔓延過程，但不能直接模擬計劃火燒過程[17]。LANDIS 模型可以模擬可燃物的累積和分解過程，也可以在景觀尺度上模擬火干擾的影響[18]。燃燒概率（BURNP3）模型主要是用于評估景觀尺度上的森林燃燒概率[19]。該模型結合氣候、植被和地形等條件，可以模擬不同情景下的火發生及蔓延過程[20-21]。模型以年為步長進行迭代循環，迭代次數根據研究區面積大小、景觀結構組成和火動態確定。對于每場火要模擬從點燃、蔓延到熄滅整個過程。首先要根據研究區的火發生歷史統計數據確定不同季節的火發生概率圖。模型將根據每個柵格的火發生概率、可燃物類型和火天氣判斷火是否可以被點燃以及點燃位置。如果確定火被點燃，就根據氣象和火險指數利用Prometheus 火增長模型模擬這場火的蔓延過程。通過整個火場的模擬過程就可以獲得每場火發生位置和過火面積、火強度、樹冠火發生比例等火場信息和火行為信息。同一迭代過程中不會出現重復火燒的格點，根據每個格點在所有迭代次數中的重復火燒次數計算得到燃燒概率。苗慶林等[22]通過對1991—2010 年大興安嶺地區的燃燒概率進行模擬分析，驗證了BURN-P3 模型在我國大興安嶺地區的適用性，并模擬了未來不同氣候情景下的森林燃燒性變化。

本研究利用BURN-P3 模型模擬計劃火燒前后兩種情景下的森林燃燒概率，從燃燒概率、火強度、蔓延速度及樹冠火發生比例等方面評估火險期前的計劃火燒措施對一個區域森林燃燒性的影響。

1 研究區概況

研 究 區 地 理 范 圍125.131 9°～125.834 7° E，50.085 28°～51.056 11° N，總面積為215 550 hm2。該區域位于大興安嶺東南部，南甕河國家自然保護區附近，隸屬于松嶺林業局（圖1）。平均海拔為432 m。氣候屬寒溫帶大陸性季風氣候，夏季短冬季長，年均氣溫-3 ℃，無霜期為90～100 d[23]。

研究區的喬木以興安落葉松（Larix gmelinii（Rupr.）Kuzen.）、山 楊（Populus davidiana Dode.）、白樺（Betula platyphylla Suk.）、黑樺（Betula dahurica Pall.）等為主，灌木有興安杜鵑（Rhododendron dauricum L.）、越桔（Vaccinium vitisidaea Linn.）等，草本植物以杜香（Ledum palustre L.）和苔蘚為主[24]。

2 數據來源

遙感數據采用2016 年5 月13 日的SPOT6 衛星影像（分辨率6.6 m）。數字高程數據（分辨率為30 m）源于地理空間數據云（http://www.gscloud.cn/）。氣象數據源于黑龍江省南甕河國家自然保護區森林生態系統定位觀測研究站，包括氣溫、降水量、日相對濕度、風速和風向等定時數據。森林火災統計資料（1988—2016 年）源于黑龍江省森林防火辦公室，包括火點經緯度、火因、過火面積和撲救時間等信息。

3 研究方法

3.1 火險天氣指數（FWI）計算

圖1 研究區域和植被類型Fig.1 The study area and vegetation types

基于每日中午（12:00）觀測的溫度、濕度、風速和過去24 h 降水量，利用R 軟件cffdr 程序包計算火險期內每日的火險天氣指數（Fire Weather Index，FWI）[25]，系統輸出的指數包括細小可燃物濕度碼（Fine Fuel Moisture Code，FFMC）、腐殖質濕度碼（Duff Moisture Code，DMC）和干旱碼（Drought Code，DC），初始蔓延速率（Initial Spread Index，ISI）和累積指數（Buildup Index，BI），以及火險天氣指數（Fire Weather Index，FWI）[26]。計算時段是2016 年整個火險期（3 月1 日—10 月31 日），FFMC、DMC 和DC 的初始值分別為85.0、6.0 和15.0[27]。

3.2 計劃火燒區域提取

火險期前計劃火燒處理的區域主要是區域內的溝塘草甸。通過對衛星遙感影像處理，提取計劃火燒的區域。首先利用ENVI 軟件RPC 模型對SPOT6衛星影像進行正射校正，然后利用FLAASH 模型進行大氣校正。選擇近紅外、紅外、綠3 種波段合成圖像，采用監督分類法提取計劃火燒區域[28]。

3.3 可燃物類型劃分

通過實地調查，將區域內的可燃物分為草地、常綠針葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林和針闊混交林5 種類型。分類主要采用ENVI 軟件中的監督分類法。首先根據野外調查將影像中的地物進行識別，劃定5 種類型可燃物、裸地及水體，然后通過最大似然法（Maximum Likelihood Classification）進行分類，再通過Combine classes 進行分類后處理，將類型一致的地物進行合并，獲得可燃物分類圖。并按照FBP（火行為預測）可燃物分類系統，用系統識別的代號表示各可燃物：草地（O-1a）、常綠針葉林（C-4）、落葉針葉林（M-1a）、落葉闊葉林（D-1）和針闊混交林（M-1b）。

3.4 燃燒概率模型的參數設置與輸入數據處理

BURN-P3 模型需要輸入的空間數據包括可燃物類型、地形及風向等，空間分辨率為100 m（ASC文本格式）[20]。風向數據利用WindNinja 風場模擬軟件處理[29]。該模型采用數字高程模型的單點風場，基于表面熱通量、距離山谷底部或山脊頂部的距離、坡度及阻力等參數計算風向，模擬不同地形條件下風向[30]。利用研究區數字高程數據，結合該地區地面氣象觀測數據，計算該區域歷史平均風速作為主導風速，為10 km·h-1，并劃定北（0°）、東北（45°）、東（90°）、東南（135°）、南（180°）、西南（225°）、西（270°）和西北（315°）8 個主要風場數據。

BURN-P3 模型輸入火因、燃燒日時長、蔓延天數、火險天氣數據和模擬季節等運行參數。根據1988—2016 年火災統計資料，研究區人為火、雷擊火發生概率分別為43.51%、56.49%，設置不同季節發生火災的日燃燒時長以及該區域火災發生的蔓延天數。火險天氣數據包括正午的溫度、濕度、風速、風向、過去24 h 降水量以及對應的火險天氣指數。

根據物候觀測記錄確定季節劃分日期。草本和灌木多于3 月中上旬展葉，興安落葉松展葉盛期為5 月24 日，白樺等闊葉樹展葉盛期為5 月20 日—5 月26 日，9 月上旬落葉松開始落葉[31]，大興安嶺南部植被展葉期更早[32-33]。因此，將研究時段劃分為春季（3 月1 日—5 月31 日）、夏季（6 月1 日—8 月31 日）和秋季（9 月1 日—10 月31 日）。

3.5 燃燒模擬

將火燒跡地分為草地和無可燃物兩種類型，以表示未進行計劃火燒和已進行計劃火燒兩種情景，并分別進行燃燒模擬，其他參數保持一致，對比計劃火燒處理前后的區域燃燒性。根據實測數據結合ArcGIS 隨機在火燒跡地選擇100 個點，分析計劃火燒影響范圍。

根據歷史火災統計資料，過火面積小于1 hm2次數占總次數的62.76%，結合研究區面積設定模擬中最小過火面積為1 hm2。為獲取穩定的燃燒概率分布圖，迭代次數為20 000 次[34]。輸出燃燒概率、火燒強度、蔓延速度、樹冠火比例等空間數據和每次迭代的屬性表（文本格式）。

圖2 計劃火燒區和模擬的兩種可燃物情景Fig.2 Prescribed burning areas and the two fuel scenarios for simulation.

4 結果與分析

4.1 計劃火燒處理區域

根據衛星遙感數據提取的在2016 年火險期前的計劃火燒面積為44 931 hm2，占研究區總面積的20.8%（圖2）。大部分過火區的地表土壤裸露，草本可燃物的地上部分基本消失，易燃可燃物很少，只有很少的區域殘留少量草本和灌木。計劃火燒處理過的區域不能支持火的持續燃燒和蔓延，因此，我們把計劃火燒過的區域視為無可燃物。基于計劃火燒前后的可燃物變化，分別模擬這兩種可燃物情景下的森林燃燒概率，評估一個區域內的計劃火燒處理對區域的森林燃燒性影響。

4.2 計劃火燒對燃燒概率的影響

未進行計劃火燒情景下，研究區平均燃燒概率為0.016 4（燃燒概率范圍為0～0.06）（圖3a）。按照相等間隔法將燃燒概率劃分為：低（0～0.017 5）、較低（0.017 5～0.035）、較高（0.035～0.0525）和高（0.052 5～0.07）4 個等級，分別占區域總面積的46.3%、48.2%、5%和0.5%。溝塘草甸區域燃燒概率低，落葉針葉林區域燃燒概率高。

計劃火燒處理后，研究區平均燃燒概率為0.012 4（變化范圍為0～0.07）（圖3b），其中燃燒概率低、較低、較高和高的區域分別占區域總面積的61.7%、31.4%、6.3%和0.6%。中部落葉針葉林和混交林燃燒概率高。

圖3 不同可燃物情景的燃燒概率及其變化Fig.3 Burn probability and their changes for two fuel scenarios

經過計劃火燒處理，研究區平均燃燒概率下降24.4%。計劃火燒處理區域周圍2 561.8 m 范圍內的燃燒概率下降（95%置信區間：2 323.3 ～2 800.3 m），燃燒概率降低的區域占總面積的43.8%。35.1%的區域的燃燒概率沒有變化，21.1%區域的燃燒概率稍有增高。燃燒概率的變化主要是由于可燃物空間分布的變化引起的，由于多次迭代過程中火隨機發生的位置和火險天氣的變化，導致森林分布區域的燃燒概率發生變化，與計劃火燒處理區域相鄰的大部分區域的燃燒概率明顯降低，部分落葉松林和混交林區域的燃燒概率升高，但區域內整體平均燃燒概率明顯降低。

4.3 各可燃物類型的燃燒概率及變化

兩種情景下，燃燒概率最高的可燃物類型都是落葉針葉林，其次為常綠針葉林、針闊混交林和草地，落葉闊葉林的燃燒概率最低（表1）。未進行計劃火燒的情景下，落葉針葉林平均燃燒概率為0.023 6，常綠針葉林、針闊混交林、草地和落葉闊葉林平均燃燒概率分別為0.022 8、0.021 9、0.017 2和0.017。計劃火燒處理后，落葉針葉林平均燃燒概率為0.022 6，降低4.2%，常綠針葉林、針闊混交林、草地和落葉闊葉林平均燃燒概率分別為0.022、0.020 6、0.016 8 和0.016 9，分別降低3.5%、5.9%、2.3%和0.6%。

4.4 計劃火燒處理對區域的火行為影響

未進行計劃火燒情景下，研究區平均火燒強度為548.9 kW（范圍：0～6 356.5 kW·m-2）（圖4a-1）。落葉松林和常綠針葉林區域平均火強度分別為3 451.8 kW·m-2和2 688 kW·m-2，而草類可燃物的平均火強度只有225 kW·m-2。計劃火燒處理后，研究區平均火燒強度為450.6 kW·m-2（范圍：0～13 204.5 kW·m-2），下降了17.9%（圖4b-1）。89.8%的區域面積的火燒強度下降，只有10.2%的區域的火強度升高。草地和計劃火燒區周圍森林的火強度下降明顯。

表1 兩種情景下可燃物類型及燃燒概率Table 1 Burn probability for each fuel type with two scenarios

未進行計劃火燒情景下，研究區平均蔓延速度為2.2 m·min-1（范圍：0～8.3 m·min-1）（圖4a-2）。草地的平均蔓延速度為2.1 m·min-1，落葉針葉林區域的蔓延速度為5.2 m·min-1。計劃火燒處理后，整個區域的平均蔓延速度為1.6 m·min-1（范圍：0～15.4 m·min-1），降低了27.3%。蔓延速度下降、不變和上升的區域分別占總區域面積的76.2%、3.9%和19.9%（圖4b-2）。

圖4 兩種可燃物情景下的火行為變化Fig.4 Changes of fire behavior under the two fuel scenarios

落葉針葉林和針闊混交林容易發生樹冠火。未進行計劃火燒處理的情景下，樹冠火平均發生比例為0.018 4（變化范圍：0～0.56），落葉松和混交林區域樹冠火發生比例分別為0.241 9 和0.135 9（圖4a-3）。計劃火燒處理后，樹冠火平均發生比例為0.016 2（變化范圍：0～0.92），下降了11.7%。樹冠火發生比例下降和不變的區域占總面積的94.8%，只有5.2%的區域樹冠火發生比例上升（圖4b-3）。雖然計劃火燒處理的區域主要是草類可燃物，但整個區域的可燃物空間分布的變化會影響到整個區域的火行為特征，樹冠火的發生比例也明顯降低。

計劃火燒處理后，落葉松林的火強度、蔓延速度和樹冠火發生比例分別下降8.1%、5.8%和8.6%，針闊混交林的火強度、蔓延速度和樹冠火發生比例分別下降5.3%、5%和15.0%，草地的火強度和蔓延速度分別下降7.9%和4.8%（表2）。

5 討論

BURN-P3 模型是模擬長時間尺度上的火發生及蔓延過程，代表一個時段內林火動態變化。自1987 年大興安嶺森林大火后，該區域的林火管理機構逐漸完善，林火管理政策基本穩定，因此，本研究選取1988—2016 年的平均林火動態指標作為森林燃燒模擬的輸入因子，基于一個相對穩定時段的平均火發生狀態進行模擬不同可燃物情景下的森林燃燒概率及火行為，可以反映不同情景下的森林燃燒性狀況，可以避免個別年份的極端情況的影響。因為提取的計劃火燒區是2016 年火險期前的處理情況，所以，模擬了2016 年的火天氣條件下的森林燃燒性，定量評估計劃燒除對于區域森林燃燒性的影響。

表2 兩種情景下各類型可燃物火行為Table 2 Fire behavior for each fuel type with two scenarios

計劃火燒處理后，部分區域落葉松林樹冠火比例增大，火強度升高。這是因為BURN-P3 模型隨機選擇火點燃燒位置，并根據可燃物類型和火天氣條件確定火是否蔓延。計劃火燒處理區域主要在草類可燃物，處理后草類可燃物面積顯著減少，但針葉林區域面積沒有變化，它占的面積比例有所增加，所有模擬中針葉林被點燃的比例增大。模擬中采用1988—2016 年的空間發生概率，20 000 次迭代模擬可以消除絕大部分的誤差，模擬結果穩定、可靠。

研究區內一些落葉松林內存在大量易燃可燃物及可燃物梯，易形成樹冠火。如果利用人工或機械措施清理這類可燃物的可燃物梯，或者通過低強度計劃火燒清理地表細小可燃物，森林燃燒性會進一步降低，樹冠火發生比例也會進一步減少。相關研究也表明降低地表可燃物載量可以減少林火的發生。劉志華等[7]認為計劃火燒可以在一定程度上減少潛在的森林火災面積。Shang 等[35]利用LANDIS模擬了計劃火燒處理后硬木闊葉林的火險變化，認為計劃火燒結合粗大可燃物的處理可降低森林火險。

6 結論

火險期前對一個區域內的草類可燃物進行計劃火燒處理，能有效降低區域內森林的燃燒性。計劃火燒處理區域附近2 561.8 m 范圍內的森林燃燒性明顯降低。計劃火燒后整個區域的平均燃燒概率降低了24.4%，火強度、蔓延速度及樹冠火比例分別降低17.9%、24.3%及11.7%。各類型可燃物燃燒概率較計劃火燒前均呈下降趨勢，其中落葉針葉林和混交林燃燒概率分別降低5.9%和4.2%。與計劃火燒前相比，火燒后各類型可燃物火行為均降低，闊葉林和落葉針葉林降幅明顯。證明計劃火燒是預防一個區域發生森林大火和降低森林燃燒性的有效措施。