南宁老虎岭马尾松林间伐前后的火行为1)

黄小荣 侯远瑞 庞世龙 申文辉

(广西林业科学研究院，南宁，530002)

责任编辑:王广建。

马尾松(Pinus massoniana)是我国南方主要的公益林和用材林树种［1］，具有重要的生态价值和经济价值。马尾松的枝、叶含有大量松脂和挥发性油类［2］，凋落松针分解慢，容易发生火灾，特别是在长期没有发生火烧的地区。南方各省森林火灾占全国森林火灾总次数的90%，主要发生在马尾松分布区［3］。南宁位于中纬度气候区，为副热带季风气候，森林火灾较多发生在冬季［4］。随着温室气体排放的增加，全球气候变暖，南宁在春、夏、秋季出现连续高温无雨的机会更多，干热同季的高火险发生期更长。

火灾的强度和烈度是由天气、地形等自然因素和可燃物决定，可燃物是人类唯一能够控制的因素［5］。因真火实验风险大、代价高，大多数研究人员通过火行为模拟来评估可燃物处理的有效性。

BehavePlus 系统装载了描述火和火环境的大量模型［6］，可以输出地表火蔓延速度、火线强度、树冠火点燃阈值、主动树冠火阈值等计算结果，提供的火特征图可以直接显示发生的林火类型、控制火势的难易。国内应用BehavePlus 进行火行为研究的不多［7－9］。本研究应用BehavePlus 5.0 对南宁老虎岭马尾松公益林进行火行为分析，比较不同坡位、坡度的3 个样地在间伐前后的火行为，预测正常冬季、干旱夏季在不同风速下的地表火行为和树冠火行为，为制定该地区的可燃物消减计划、防止森林火灾提供科学依据。

1 研究区概况

南宁属南亚热带季风气候，年平均气温21.7℃，年平均降水量1 304 mm，阳光充足，雨量充沛，气候温和。调查样地位于老虎岭林场2 林班西南角。样地坐标22°55'57″～22°55'54″N、108°19'35″～108°19'37″E。海拔180～195 m，坡度0～20%。抽样调查的31、32 和33 号样地从北向南排列在一个向南延伸的山脊上，该山脊为连片的马尾松纯林，面积7.5 hm2，林龄31 a。31 号样地在中坡位，坡向东南，坡度11%;四周林冠郁闭，林内空气稍微湿润;根据程序自带的输入说明图示，可以判断间伐前林分属部分遮蔽型，风速修正因子为0.25。32 号样地在鞍形山脊，东西两边都是陡坡，坡向东，坡度9%，林内空气较流通，凋落物较干燥，间伐前风速修正因子为0.3，属遮蔽较少型。33 样地在最南边的山顶台地上，东西两边是陡坡，坡向西，坡度20%，东边空旷形成林窗，凋落物和腐殖质非常干燥，间伐前风速修正因子为3.5，属遮蔽很少型。

间伐前林分内杂灌较多，主要有红锥(Castanopsis hystrix)、野漆(Toxicodendron succedaneum)、大青(Clerodendrum cyrtophyllum)、银柴(Aporosa dioica)、鹅掌藤(Schefflera arboricola)等。草本主要有铁芒萁(Dicranopteris linearis)、五节芒(Miscanthus floridulus)、山菅兰(Dianella ensifolia)。间伐前后的样地林分树木数量和径级分布见表1。

表1 间伐前后各样地林分结构组成

2 研究方法

2.1 间伐设计

间伐保留胸径5 cm 以上的马尾松(目的树种)，砍伐胸径小于和等于5 cm 的马尾松及胸径小于15 cm 的非目的树种，清除所有胸径小于1 cm 的矮灌，修剪离地面3 m 高的死枝和林冠;对砍伐的树枝和地上直径大于2.54 cm 的死枝清理出林地。2014年5月23日实施间伐。

2.2 样地调查

间伐前进行了两次可燃物含水率调查取样。第一次取样在2014年1月20日15:00—16:00 进行，取样前连续7 d 无雨，东北微风，温度5～15 ℃，为南宁正常冬季天气。第二次取样在2014年5月22日15:00—16:00 进行，取样前老虎岭已经连续14 d 无雨，气温26～36 ℃，为比较特殊的干旱夏季天气。

乔木调查。每个样地设置为20 m×20 m，对每个样地内胸径1 cm 以上的乔木每木检尺，记录树高、冠基高、林冠密度。在程序中输入的林冠高度值，是样地中最高的5 株乔木的树高平均值;冠基高是指有足够“林冠有效可燃物”将火垂直传播上林冠的最低高度，而“林冠有效可燃物”包含活树叶、直径3 mm 以下的活树枝及直径为6 mm 以下的死树枝。林冠密度是指在林冠可燃物垂直分布剖面图上，容积密度最大处的0.3 m 滑动平均值;对比Scott［10－11］的针叶林照片和林冠密度曲线，得出样地间伐前后的林冠密度。

灌木调查。每个样地的四角和中心设置5 个2 m×2 m 样方，调查胸径1 cm 以下的灌木，记录高度和冠幅。灌木有效可燃物包括活叶和直径3 mm 以下的活树枝及直径为6 mm 以下的死树枝。

草本调查。设置5 个1 m×1 m 样方，调查非木质可燃物(活的草本和蕨类)。

死可燃物调查。样地内品字形设置3 个2 m×2 m 样方，调查10、100 h 时滞的倒死木质可燃物［12－13］。1 h 可燃物包括落叶、干草和细小的植物死茎［14］，沿样地对角线设置5 块0.5 m×0.5 m 样方调查1 h 可燃物和腐殖质。根据Brown［15］的方法测定可燃物床深度。

对乔、灌、草、倒死木质材料进行收割取样，乔、灌可燃物取活叶片连带其直径3 mm 以下细枝作为样品，现场称质量并装袋，带回实验室在105 ℃下30 min 后，80 ℃烘至恒质量，计算可燃物绝对含水率(见表2)。

表2 在正常冬季和干旱夏季情景下样地可燃物含水率

根据样方调查数据推算每公顷可燃物载量。在间伐实施后第二天，补充记录了间伐后的林冠密度、冠基高、死可燃物载量、可燃物荫蔽百分比、可燃物床深度等数据。样地可燃物情况见表3。

在表3中，死、活可燃物的热量，采用Behave-Plus［6］中可燃物模型8、10 的通用数值;1 h、活草、活灌可燃物的表积比(表面积与体积比)，死可燃物熄灭含水率采用Albini［16］模型10 的数值。

2.3 可燃物模型的建立

利用表2和表3数据建立12 个马尾松林可燃物模型，即:PreT－31－W、PreT－32－W、PreT－33－W、PreT－31－S、PreT－32－S、PreT－33－S、PostT－31－W、PostT－32－W、PostT－33－W、PostT－31－S、PostT－32－S、PostT－33－S;分别代表间伐处理前后，在正常冬季和干旱夏季的老虎岭31、32、33 号样地的可燃物情况。在模型编号中，PreT 代表间伐处理前，PostT 代表间伐处理之后，31、32、33 是样地编号，W 代表正常冬季，S 代表干旱夏季。在每个可燃物模型中，林冠上方6.1 m 的风速输入5、15、25、35 km·h－1，系统将根据每个模型的风速修正因子，自动计算和使用中焰风速。中焰风速=风速×风速修正因子。

表3 样地间伐前后的可燃物床结构特征

3 结果与分析

3.1 可燃物的火行为

BehavePlus 计算输出了16 个火行为参数。不随风速变化而改变的6 个火行为参数见表4，随风速变化而改变的10 个火行为参数见表5。由表4可知，如果发生火灾，间伐前的干旱夏季33 号样地地表火面强度最大，林木受到的损害将会最严重;着火概率最高的是干旱夏季33 号样地，间伐前后的着火概率都高达87%。

表4 可燃物不受风速影响的火行为参数

表5 不同风速下各模型的火行为参数

续(表5)

3.2 间伐处理前后样地的火行为比较

由表4－5 可知，间伐处理大大降低了地面火向树冠火的转化率，降幅为93%～97%。在间伐前的24 个情景中，22 个为树冠火;在间伐后的24 个情景中只有3 个有条件的树冠火、1 个被动树冠火、1 个主动树冠火。

间伐处理去除了灌木、死枝等可燃物，使树冠火火线强度降低48%～59%，主动树冠火发生概率降低8%～20%;地表火面强度降低28%～50%，地表火反应强度减少22%～45%。

间伐后，3 个样地在正常冬季的火线强度降低了8%～66%;样地31 在干旱夏季的火线强度降低了32%～37%;样地32、33 在干旱夏季的火线强度提高了3%～28%，原因是样地32、33 的草比较多，间伐后样地32、33 的可燃物床深度较厚。

间伐处理没有改变树冠火蔓延速度和样地着火概率。树冠火蔓延速度在正常冬季为1.3～14.6 m·min－1，在干旱夏季为1.6～16.7 m·min－1;样地着火概率在正常冬季为11%～19%，在干旱夏季为75%～87%。

火线强度346 kW·m－1以下可用手工工具扑打，火线强度1 730 kW·m－1以下可以用灭火机械控制，火线强度3 459 kW·m－1是能够机械控制火势的极限［17－18］。由表5可知，在处理后干旱夏季的12个情景中，10 种情景下火线强度都超过手工工具扑灭范围，3 种情景下火线强度需要使用机械才能够控制火势，1 种情景下火线强度超出人类使用所有机械控制的极限。特别是在处理后干旱夏季情景下的33 号样地，在那里点烧，无异于纵火。在本研究的正常冬季情景下，当风速为5 km·h－1时，3 个样地的火线强度同时低于346 kW·m－1，间伐处理后可以考虑计划烧除。在干旱夏季情景下不适合进行计划烧除。

4 讨论

林火管理中运用间伐主要是为了减少地表火转化为树冠火的可能性，因为控制树冠火比控制地表火更困难［11］。设计良好的间伐可以产生好的森林结构，减少发生极端火行为的可能性［19］。在老虎岭2 林班西南角马尾松林实施的间伐，大大降低了地表火向树冠火的转化率;在间伐处理前的24 种可燃物模型/风速情景中，有22 种情景发生树冠火，经过间伐处理后，只有2 种情景可能发生树冠火。间伐去除了灌木、死枝等可燃物，降低了地表火面强度、地表火反应强度和树冠火火线强度。

影响火行为的一个重要因素是风速修正因子，间伐后，每个样地的风速修正因子都提高了，由于风速修正因子的提高和地表细小可燃物的增加，林分的火线强度、蔓延速度、火焰长度有增有减:1)间伐处理使3 个样地在正常冬季的火线强度下降;但在干旱夏季情景，间伐处理只能降低31 号样地的地表火线强度，32 和33 号样地的火线强度却被提升了。2)间伐处理降低了31 号样地正常冬季的地表火蔓延速度，但提高了32、33 号样地的地表火蔓延速度。3)间伐处理削减了31 号样地在冬天和夏天的地表火焰长度，但提升了33 号样地在干旱夏季的地表火焰长度。

如果将地表1h 时滞可燃物移除3/4，将极大地降低火线强度、蔓延速度和火焰长度。但是，地表细小可燃物的去除可能会减少对暴雨冲刷的阻挡，减少对土壤养分的归还，引发水土流失和土壤退化。

［1］ 潘高，潘登，张合平.林火对马尾松杉木混交林的影响［J］.广西林业科学，2013，42(4):333－338.

［2］ 胡海清.林火生态与管理［M］.北京:中国林业出版社，2005:40－43.

［3］ 姚树人，文定元.森林消防管理学［M］.北京:中国林业出版社，2002:16－22.

［4］ 胡志东，范繁荣.森林防火［M］.北京:中国林业出版社，2003:32－33.

［5］ Zagas T，Raptis D，Zagas D，et al.Planning and assessing the effectiveness of traditional silvicultural treatments for mitigating wildfire hazard in pine woodlands of Greece［J］.Nat Hazards，2013，65(1):545－561.

［6］ Andrews P L，Bevins C D，Seli R C.BehavePlus fire modeling system version 4.0:User’s Guide［R］.USDA Forest Service.General Technical Report RMRS-GTR-106WWW Revised.Ogden，Utah:Rocky Mountain Research Station，2008.

［7］ 王叁，牛树奎，李德，等.云南松林可燃物的垂直分布及影响因子［J］.应用生态学报，2013，24(2):331－337.

［8］ 吴志伟，贺红士，梁宇，等.丰林自然保护区森林可燃物模型的建立［J］.应用生态学报，2012，23(6):1503－1510.

［9］ Wu Z W，He H S，Chang Y，et al.Development of customized fire behavior fuel models for boreal forests of northeastern China［J］.Environmental Management，2011，48(6):1148－1157.

［10］ Scott J H，Reinhardt E D.Stereo photo guide for estimating canopy fuel characteristics in conifer stands［R］.USDA Forest Service.General Technical Report RMRS-GTR-145.Fort Collins，Colorado:Rocky Mountain Research Station，2005.

［11］ Scott J H，Reinhardt E D.Assessing crown fire potential by linking models of surface and crown fire behavior［R］.USDA Forest Service.General Technical Report RMRS-RP-29.Fort Collins，Colorado:Rocky Mountain Research Station，2001.

［12］ 黄小荣，申文辉，庞世龙，等.南宁老虎岭松栎公益林的火潜势评估［J］.生态学杂志，2014，33(3):602－610.

［13］ 黄小荣，申文辉，谭一波，等.基于FCCS 的广西三门江松栎公益林火险评估［J］.东北林业大学学报，2014，42(5):69－73.

［14］ Andrews P L.BehavePlus fire modeling system，version 5.0:Variables［R］.USDA Forest Service.General Technical Report RMRS-GTR-213.Fort Collins，Colorado:Rocky Mountain Research Station，2009.

［15］ Brown J K.Handbook for inventorying downed woody material［R］.USDA Forest Service.General Technical Report INT-16.Ogden，Utah:Intermountain Forest and Range Experiment Station，1974.

［16］ Albini F A.Estimating wildfire behavior and effects［R］.USDA Forest Service.General Technical Report INT－30.Ogden，Utah:Intermountain Forest and Range Experiment Station，1976.

［17］ Rothermel R C，Rinehart G C.Field procedures for verification and adjustment of fire behavior predictions［R］.USDA Forest Service.General Technical Report INT-142.Ogden，Utah:Intermountain Forest and Range Experiment Station，1983.

［18］ Ottmar R D，Prichard S J.Fuel treatment effectiveness in forests of the upper Atlantic Coastal Plain-An evaluation at two spatial scales［J］.Forest Ecology and Management，2012，273:17－28.

［19］ Alvarez A，Gracia M，Vayreda J，et al.Patterns of fuel types and crown fire potential in Pinus halepensis forests in the Western Mediterranean Basin［J］.Forest Ecology and Management，2012，270:282－290.