不同火燒程度火燒跡地死可燃物載量預測模型

張今奇 周梅 趙鵬武 舒洋 李威 郭嬌宇 管立娟

摘 要：可燃物是林火發生發展的物質基礎條件，構成林火行為的主體。定量評價不同火燒程度火燒跡地死可燃物載量的影響對于理解火因子在生態系統中的作用具有重要意義。以恢復了10 a的內蒙古根河林區2009 年火燒跡地為研究區域，于2019 年6 月對研究區展開調查，沿海拔梯度設置9 塊20 m×20 m標準樣地，在每個標準樣地中沿對角線設置 5 個小樣方（1 m× 1 m），共 45 個。調查和測定環境因子、林分因子，計算在不同程度火燒跡地內死可燃物載量，采用逐步回歸法建立死可燃物載量多元回歸模型。結果表明：10 a恢復期對火燒跡地可燃物載量產生了一定的影響，重度和輕度火燒跡地中100 h 時滯死可燃物載量較多，分別為：（1.26±0.20） kg/m2、（1.50±0.10） kg/m2，受火災后擇伐影響，重度火燒跡地，燒死木、站桿大量減少，100 h 時滯死可燃物載量呈現輕度火燒大于重度火燒;建立死可燃物載量預測模型，1 h 死可燃物載量估測模型為Y1=1.794+0.166X1-0.004X2-0.278X3（R2=0.821）;100 h 時滯死可燃物載量估測模型為Y3=1.950-0.310X3+0.015X5-0.008X6+0.081X7（R2=0.710），影響因子中火燒程度（相關系數為-0.799）、平均樹高（相關系數為0.689）、平均胸徑（相關系數為0.474）3個因子相關性最高，擬合了100 h 時滯死可燃物載量的估測模型，經檢驗后發現100 h 時滯死可燃物載量的估測模型精度較為理想。

關鍵詞：火燒程度;可燃物載量;預測模型;環境因子;林分因子;大興安嶺;郁閉度;樹高

中圖分類號：S762.2 ? ?文獻標識碼：A ? 文章編號：1006-8023（2021）03-0021-07

Abstract：Combustible material is the basic condition of forest fire occurrence and development and constitutes the main body of forest fire behavior. Quantitative evaluation of the effects of different fire degrees on the amount of dead fuel is of great significance for understanding the role of fire factors in the ecosystem. In June 2019， the study area was investigated in Genhe Forest District of Inner Mongolia， which was burned in 2009 and restored for 10 years. Nine 20 m × 20 m standard plots were set along the elevation gradient， and five small plots （1 m × 1 m） were set along the diagonal in each standard plot， a total of 45 plots were set. The environmental factors and stand factors were investigated and measured to calculate the dead fuel load in different degrees of fire. The multiple regression model of dead fuel load was established by stepwise regression method. The results showed that： the 10 a recovery period had a certain effect on the fuel load of the burned area. The 100 h time-delayed dead fuel load was higher in the heavy and mild burned areas， which were （1.26 ± 0.20） kg/m2 and （1.50 ± 0.10） kg/m2， respectively. Under the influence of postfire logging， dead burned wood and litter reduced greatly in heavy burned area， and the 100 h timedelayed dead fuel load of the mild burned area was higher than the heavy burned area. The prediction model of dead fuel load was established， the estimation model of 1 h dead fuel load was ?（R2=0.821）; the estimation model of 100 h dead fuel load was ?（R2=0.710）. Among them， three influencing factors： burning degree （correlation coefficient -0.799）， average tree height （correlation coefficient 0.689） and average diameter at breast height （correlation coefficient 0.474） had the highest correlation. The estimation model of 100 h timedelayed death fuel loads was fitted， and it was found that the accuracy of this model was ideal after testing.

Keywords：Burning degree; fuel load; prediction model; environmental factor; stand factor; Daxinganling; canopy closure; tree height

0 引言

森林火災是世界性的林業重大災害，被聯合國糧農組織確認為世界八大自然災害之一，對森林生態系統產生嚴重干擾，而中國是世界森林火災最嚴重的國家之一[1]。森林火災，特別是森林特大火災的頻繁出現，與森林可燃物載量的積累有密切的關系[2]?？扇嘉锸橇只鸢l生發展的物質基礎條件，構成林火行為的主體[3-6]。只有對可燃物的特征進行深入研究，才能把握可燃物屬性，從而對可燃物進行可持續管理[6]。

目前，國內外通過數學模型和遙感影像等研究方法，對可燃物載量的研究手段已趨于成熟。田野等[7]研究了火干擾后影響因子與冀北遼河源油松（Pinus tabuliformis）林地死可燃物間的關系，研究表明胸徑、燒死木百分比等影響可燃物載量的分布。寧吉彬等[8]對溝塘草甸內小葉樟（Deyeuxia angustifolia）及草本可燃物載量進行研究，構建地表可燃物載量估測模型，表明以地表可燃物高度對載量進行預測，擁有較高的精確度;劉趙東[9]對北京地區不同森林類型地表可燃物載量及影響因子進行研究，運用多元逐步回歸分析，建立林下地表可燃物載量與影響因子的多元線性回歸模型，回歸方程與研究數據的擬合優度較高;隨著遙感技術的發展，李明澤等[10]利用野外調查，結合遙感影像數據和 DEM 地形數據，建立了森林地表可燃物載量估測模型。國外，Rothermel等[11]對森林可燃物載量在時間尺度上的變化進行研究，建立了可燃物載量動態模型;Pere等[12]利用間隙光分析儀（ GLA ）估測半球形林冠照片森林覆蓋度，估測火燒 8～9 a林下可燃物載量;BraAndis等[13]利用遙感影像和火災歷史資料，運用植物分類法估算可燃物載量;胡海清[14]利用物種特異性方程估算可燃物載量，運用兩步間接估算方法（IE）和直接估算法（DE），將可燃物載量估算與（TLS）數據相關聯，結果表明直接法的擬合優度更為均衡。

大興安嶺地區雷擊火頻發，在可燃物充足的條件下，容易再次發生火災，導致森林群落逆行演替[15]。由于受多種因素影響，不同環境因子影響下的可燃物載量并非一成不變，因此，需要加強研究森林地表死可燃物及其對森林火災的響應機制。本文選取恢復了10 a的內蒙古根河林區不同程度火燒跡地為研究對象，將火燒程度加入影響因子進行研究，建立載量預測回歸模型，探究該地區再次發生火災的可能性，以期為森林火災預報預警提供科學依據[16]。

1 研究區概況

研究區位于內蒙古大興安嶺重點國有林管理局根河林業局，該林業局2009 年火燒跡地地理坐標為：50°56′58.10″～50°57′02.96″ N，122°05′13.18″～122°06′26.12″ E。海拔 761～1 200 m，屬低山丘陵地帶，氣候屬寒溫帶濕潤型森林氣候，年平均氣溫為-5.3 ℃，極端最低溫度-53 ℃，年日照時數 2 500 h，無霜期 90～100 d，生長期為 110 d，生長季 5—9 月，年降水量 500 mm，年輻射總量 2 670～2 700 MJ/m2。本地區為棕色針葉林土，典型植被類型為興安落葉松（Larix gmelinii），其他樹種有樟子松（Pinus sylvestris）、白樺（Betula platyphylla）、山楊（Populus davidiana）和蒙古櫟（Quercus mongolica）等。

2 研究方法

2.1 樣地設置

2019 年 6 月份，在根河林業局 2009 年火燒跡地設置樣地，選取輕度火燒、重度火燒、對照樣地跡各 3 塊樣地（ 20 m× 20 m），共 9 塊樣地。火燒程度標準參考秦可珍等[17]的研究表明，根據樹木燒死比例劃分火燒程度為：輕度火燒（燒死木比例小于等于 30%）、重度火燒（燒死木比例小于等于 70%），以臨近未受火燒影響與火燒跡地立地條件一致的林地作為對照區[17]。記錄：樣地海拔、坡度等環境因子，郁閉度、平均胸徑、平均樹高等林分因子，樣地概況見表（1）。

在每個標準樣地中沿對角線設置 5 個小樣方（ 1 m× 1 m），共 45 個。采用Burrows等[18]提出的時滯可燃物三級分類方法進行分類取樣，直徑小于 0.64 cm的小枝、樹葉以及枯死的雜草為 1 h時滯可燃物;直徑為 0.64～2.54 cm小枝為 10 h時滯可燃物;直徑為 2.54～7.62 cm的枯枝為 100 h時滯可燃物。在盡量保持表層可燃物結構的前提下，用刻度尺記錄樣地內半腐殖質層厚度及枯落物層厚度。用電子天平（精度：千分之一）現場稱量樣方內不同死可燃物類型鮮質量（kg），自封袋密封后帶回實驗室備用。

3.3 不同程度火燒跡地死可燃物載量相關性分析

不同程度火燒跡地死可燃物載量與環境、林分因子相關系數見表5，其中坡度與 1 h時滯可燃物載量呈正相關，與其他可燃物載量不明顯，不同于梁瀛等[3]的研究，本研究區林地陡坡地帶，土層較薄，多為灌木、草本連片區域，使得 1 h時滯可燃物載量增加;海拔與 1、 10 h滯可燃物載量呈負相關，與死可燃物總載量呈顯著負相關，與 100 h時滯可燃物載量不明顯，與 Webster等[21]、孫龍等[22]研究結果一致，即隨著海拔的升高、溫度降低、風速加大、立地環境差導致雜草和灌木減少甚至消失，不利于凋落物的積累;坡位（ 1表示坡上， 2表示坡中， 3表示坡下）與 10 h時滯可燃物載量呈正相關，與其他可燃物載量不明顯。即坡下受地形因素影響，喬、灌木生長旺盛形成密林， 10 h時滯可燃物載量增加，但未見 100 h可燃物載量明顯變化，還需進一步觀測研究。

平均樹高與 1、 10、 100 h時滯可燃物載量及死可燃物總載量呈顯著正相關，平均胸徑與 1、 10 h時滯可燃物載量呈正相關，與 100 h時滯可燃物載量及死可燃物總載量呈顯著正相關，與周志權[23]、陳宏偉等[24]、吳志偉等[25]研究結果一致，即隨著林分內樹高和胸徑的增加，冠幅逐漸增加，進而導致枯枝落葉增加;郁閉度與 1、 10 h時滯可燃物載量呈正相關，與 100 h時滯可燃物載量和死可燃物總載量呈顯著正相關，不同于陳宏偉等[24]研究結果， 1 h時滯可燃物載量成分為枯死的雜草和枯枝落葉，林分郁閉度增加時，草本植物減少，但枯枝落葉相對增加，使得 1 h時滯可燃物載量相對增加， 10、100 h時滯地表可燃物的主要組分為干樹枝丫，郁閉度高的林分樹枝越多，林內光線較弱，草本及灌木生長受限，郁閉度越高，受樹木個體間競爭，林內產生大量受壓木、枯死幼樹和倒木，因而高郁閉度林分， 10、100 h可燃物載量明顯增加;枯枝落葉層厚度、半腐殖質層厚度與 1、 10、 100 h時滯可燃物載量及死可燃物總載量呈顯著正相關，受火干擾影響，林內積攢大量半腐殖質，林內細小可燃物堆積，形成大量枯落物，為林區植被生長提供大量營養物質，林區內1、10 、100 h時滯可燃物載量積累提供有利條件。

4 討論

本研究中，不同程度火燒跡地死可燃物載量差別較大，這是由于火燒引起樹木大面積死亡，灌木被全部燒毀，枯枝落葉層、半腐殖質層和腐殖質層被全部燒掉。但隨著時間的推移，可燃物再次積累，火燒跡地已經在一定程度上得到恢復。 10 a恢復期對火燒跡地可燃物載量產生了一定的影響，其中重度和輕度火燒跡地中 100 h時滯可燃物載量較多，分別為： （1.26±0.20） kg/m2、（1.50±0.10） kg/m2，由于可燃物載量變化隨火燒跡地環境條件及動物、人為活動影響，火燒跡地形成特殊小氣候[15]。重度火燒跡地受火干擾影響，大量葉片消失，缺少枝葉保護，形成大量站桿，使得林下光照增加，風速增大，燒死木含水率進一步下降，受環境影響，站桿易傾倒，易落下枯枝等凋落物對100 h可燃物載量造成影響。100 h時滯可燃物載量呈現重度火燒小于輕度火燒的現象，這是由于火燒后，對該區域進行過火燒木搶救性擇伐，重度火燒跡地，燒死木、站桿大量減少，在10 a恢復期內，由于缺少高大喬木，更新栽種的喬木幼苗生長緩慢，100 h時滯可燃物載量積累緩慢，輕度火燒由于受擇伐影響較小，樣地內殘留了部分站桿及火燒木，在10 a恢復期內，森林郁閉度降低，產生了林間空隙或形成林窗，同時火燒促進了土壤層養分循環，這些都為群落林下植被更新和生長提供了有力的條件[26]，林下灌木、喬木生長，100 h可燃物載量得到了相對積累。

影響火燒跡地死可燃物載量的因子很多，如森林群落的多樣性和復雜性、地理環境的差異性、人為或自然干擾的嚴重性等，這些因子作用程度不一，且彼此之間的相互作用關系也很復雜[22]。本研究結果表明，研究區火燒跡地位于人跡罕至的偏遠林區，雖然受到火干擾，但10 a恢復時間較長，林區內風倒木遍布，枯枝落葉大量積累，隨時間推移，研究區火燒跡地死可燃物載量不斷增加，其潛在發生森林火災的危險性也在不斷增加。森林可燃物受諸多因子共同影響，本文只考慮了一部分環境因子（海拔、坡度、坡位），林分因子（平均樹高、平均胸徑、郁閉度）等對可燃物載量的影響，還有很多因子未考慮到，如枝下高、林齡、草本蓋度、坡向、土壤微生物情況和氣象因子等，以后在研究中需要考慮。

【參 考 文 獻】

[1]王鼎，周梅，趙鵬武，等.不同更新方式對興安落葉松林火燒跡地物種組成及多樣性的影響[J].生態環境學報，2017，26（4）：570-575.

WANG D， ZHOU M， ZHAO P W， et al. Study on species composition and diversity of burned phytocoenosium after different regenerate modes[J]. Ecology and Environment Sciences， 2017， 26（4）： 570-575.

[2]魏云敏，鞠琳.森林可燃物載量研究綜述[J].森林防火，2006，38（4）：18-21.

WEI Y M， JU L. A survey of study on forest fuel load[J]. Forest Fire Prevention， 2006， 38（4）： 18-21.

[3]梁瀛，李吉玫，趙鳳君.等.天山中部天山云杉林地表可燃物載量及其影響因素[J].林業科學，2017，53（12）：153-160.

LIANG Y， LI J M， ZHAO F J， et al. Surface fuel loads of Tianshan spruce forests in the central Tianshan Mountains and the impact factors[J].Scientia Silvae Sinicae， 2017， 53（12）：153-160.

[4]徐偉恒，黃邵東，楊磊，等.滇東北地區云南松地表可燃物載量及火強度研究[J].西部林業科學，2019，48（4）：19-26.

XU W H， HANG S D， YANG L， et al. Surface fuel load and fire intensity of Pinus yunnanensis in northeast Yunnan Province[J]. Journal of West China Forestry Science， 2019， 48（4）：19-26.

[5]陳啟良，劉清江，王秋華，等.昆明地區沖天柏林地表可燃物特征及火行為研究[J].林業調查規劃，2018，43（5）：64-69.

CHEN Q L， LIU Q J， WANG Q H， et al. Characteristics of ground fuel and potential fire behavior of Cupressus duclouxiana forest in Kunming[J]. Forest Inventory and Planning， 2018， 43（5）： 64-69.

[6]王秋華，肖慧娟，仝艷民，等.滇中地區地盤松林凋落物燃燒特征[J].林業科技開發，2014，28（6）：83-86.

WANG Q H， XIAO H J， TONG Y M， et al. Combustion characteristics of plant litter of Pinus yunnanensis var. pygmaea forest in central Yunnan Province[J]. China Forestry Science and Technology， 2014， 28（6）： 83-86.

[7]田野，牛樹奎，陳鋒，等.火干擾后的油松林地表死可燃物負荷及影響因子[J].福建農林大學學報（自然科學版），2018，47（6）：691-697.

TIAN Y， NIU S K， CHEN F， et al. Surface dead fuel load and relevant influencing factors of Pinus tabulaeformis forest after fire disturbance[J]. Journal of Fujian Agriculture and Forestry University （Natural Science Edition）， 2018， 47（6）： 691-697.

[8]寧吉彬，甕岳太，邸雪穎，等.大興安嶺溝塘草甸地表可燃物載量快速測定方法[J].東北林業大學學報，2018，46（5）：44-48.

NING J B， WENG Y T， DI X Y， et al. Rapid determination method for swamp meadow surface fuel loads of Daxingan mountains[J]. Journal of Northeast Forestry University， 2018， 46（5）： 44-48.

[9]劉趙東.北京地區不同森林類型地表可燃物載量及影響因子研究[D].北京：北京林業大學，2019.

LIU Z D. Study on surface fuel loading and influencing factors of different forest types in Beijing area[D]. Beijing： Beijing Forestry University， 2019.

[10]李明澤，謝雨，邸雪穎，等.大興安嶺林區地表可燃物載量遙感估測模型[J].東北林業大學學報，2014，42（5）：60-63.

LI M Z， XIE Y， DI X Y， et al. Remote sensing model for forest surface fuel loads in Daxing an mountains[J]. Journal of Northeast Forestry University， 2014， 42（5）： 60-63.

[11]ROTHERMEL R C， PHILPOT C W. Fire in wildland management： Predicting changes in chaparral flammability[J]. Journal of Forestry， 1973， 71： 640-643.

[12]CASALS P， VALOR T， BESALU A， et al. Understory fuel load and structure eight to nine years after prescribed burning in Mediterranean pine forests[J]. Forest Ecology and Management， 2016， 362：156-168.

[13]BRANDIS K， JACOBSON C. Estimation of vegetative fuel loads using Landsat TM imagery in New South Wales， Australia[J]. International Journal of Wildland Fire， 2003， 12（2）： 185.

[14]胡海清.利用林分特征因子預測森林地被可燃物載量的研究[J].林業科學，2005，41（5）：96-100.

HU H Q. Predicting forest surface fuel load by using forest stand factors[J]. Scientia Silvae Sinicae， 2005， 41（5）： 96-100.

[15]ALONSO-REGO C， ARELLANO-PEREZ S， CABO C， et al. Estimating fuel loads and structural characteristics of shrub communities by using terrestrial laser scanning[J]. Remote Sensing， 2020， 12（22）：3704.

[16]王緒高，李秀珍，賀紅士，等.大興安嶺北坡落葉松林火后植被演替過程研究[J].生態學雜志，2004，39（5）：35-41.

WANG X G， LI X Z， HE H S， et al. Postfire succession of larch forest in the northern slope of Daxinganling[J]. Chinese Journal of Ecology， 2004， 39（5）：35-41.

[17]秦可珍，賀婷，包翔，等.不同火燒強度對興安落葉松林土壤化學性質的影響[J].林業資源管理，2014，49（6）：110-114.

QIN K Z， HE T， BAO X， et al. Effects of different fire intensities on soil chemical properties of Larix gmelini forest[J]. Forest Resources Management， 2014， 49（6）： 110-114.

[18]BURROWS N D， MCCAW W L. Fuel characteristics and bushfire control in Banksia low woodlands in Western Australia[J]. Journal of Environmental Management， 1990， 31（3）： 229-236.

[19]武超，羅夏琴，劉春延，等.不同強度火干擾對興安落葉松林可燃物載量的影響[J].森林工程，2013，29（5）：24-28.

WU C， LUO X Q， LIU C Y， et al. The influence of different fire intensities on forest fuel load in Larix gmelinii forest[J]. Forest Engineering， 2013， 29（5）： 24-28.

[20]梁衛衛.草地地上生物量的簡易估測方法研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2015.

LIANG W W. The study on simple estimation method of aboveground biomass of grassland[D]. Yangling： Northwest A & F University， 2015.

[21]WEBSTER C R， JENKINS M A. Coarse woody debris dynamics in the southern Appalachians as affected by topographic position and anthropogenic disturbance history[J]. Forest Ecology and Management， 2005， 217（2/3）： 319-330.

[22]孫龍，魯佳宇，魏書精，等.森林可燃物載量估測方法研究進展[J].森林工程，2013，29（2）：26-31.

SUN L， LU J Y， WEI S J， et al. Research progress of forest fuel load estimation methods[J]. Forest Engineering， 2013， 29（2）： 26-31.

[23]周志權.遼東3種主要林型地被可燃物載量的研究[J].東北林業大學學報，2000，28（1）：32-34.

ZHOU Z Q. Loading capacity of fuels of ground cover for three major forest types in eastern Liaoning[J]. Journal of Northeast Forestry University， 2000， 28（1）： 32-34.

[24]陳宏偉，常禹，胡遠滿，等.大興安嶺呼中林區森林死可燃物載量及其影響因子[J].生態學雜志，2008，27（1）：50-55.

CHEN H W， CHANG Y， HU Y M， et al. Load of forest surface dead fuel in Huzhong area of Daxing anling Mountains and relevant affecting factors[J]. Chinese Journal of Ecology， 2008， 27（1）： 50-55.

[25]吳志偉，賀紅士，劉曉梅，等.豐林保護區地表森林死可燃物載量與環境因子的關系[J].東北林業大學學報，2011，39（3）：52-55.

WU Z W， HE H S， LIU X M， et al. Relationship between loading of dead forest fuels in surface soil and environmental factors in Fenglin nature reserve[J]. Journal of Northeast Forestry University， 2011， 39（3）： 52-55.

[26]王鼎，王梓璇，馮倩倩，等.興安落葉松林植物物種組成及多樣性對輕度火干擾的響應[J].林業資源管理，2017，49（3）：80-85.

WANG D， WANG Z X， FENG Q Q， et al. Study on species composition and diversity of mild burned phytocoenosium after different regeneration years[J]. Forest Resources Management， 2017， 49（3）： 80-85.