大兴安岭不同林型地表死可燃物含水率特征及其影响因子

李 丹，杨丽萍，贾成朕

(内蒙古自治区生态与农业气象中心，内蒙古 呼和浩特 010051)

引 言

可燃物、助燃物和火源是发生森林火灾必须同时具备的3个条件。可燃物是森林火灾发生的物质基础和首要条件[1-2]，其含水率的大小决定森林燃烧的难易程度，是判定林火能否发生和火险等级预报的重要依据[3-4]。另外，可燃物含水率的大小还决定林火蔓延速度，能量释放大小和扑火难度[5-7]。可燃物中的地表死可燃物含水率对林火能否发生的影响最大[8]，而含水率大小是各种气象因子综合作用于森林可燃物的结果[9-10]，不同林分和坡向的森林地表死可燃物随气象条件变化呈现不同的干燥速率[11-12]。森林地表死可燃物含水率是森林火险发生等级判定的重要依据，已经成为森林火险等级预报系统的核心，同时也是林火科学相关研究的重要内容[13-14]。

内蒙古大兴安岭林区是我国五大重点国有林区之一，在生态区位上，维系着呼伦贝尔大草原、松嫩平原乃至整个东北粮食主产区的生态安全；在生态作用上，是我国最大的集中连片明亮针叶原始林，被称为“北疆的绿色长城”，被誉为“祖国北方的重要生态屏障”。因此，如何准确和有效地对该地区森林地表死可燃物含水率进行预测显得尤为重要[15]，同时提高该区地表死可燃物含水率预测的准确性对于促进森林防火工作意义重大。本文以内蒙古地区大兴安岭根河市落叶松(Larixgmelinii)林，鄂伦春自治旗蒙古栎(Xylosmaracemosum)、白桦(Betulaplatyphylla) 和黑桦(Betuladahurica)混交林，牙克石市白桦和山杨(Populusdavidiana)混交林和阿尔山市白桦和山杨混交林为研究对象，通过对4个林型地表死可燃物含水率、林分因子长时间序列的实地监测，结合当地气象观测站资料对内蒙古大兴安岭林区地表死可燃物含水率相关的主要因子进行进一步分析，建立预测模型，以期提高该区森林火险等级预报的准确率。

1 研究区概况

内蒙古大兴安岭林区(119°36′E—125°24′E、47°03′N—53°20′N)地跨呼伦贝尔市、兴安盟等9个旗(县)。 该地区属于寒温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥,夏季炎热多雨。年平均气温-3.5 ℃，极端最低气温达-50.2 ℃，无霜期76～120 d，年降水量300～450 mm。树种主要以兴安落叶松为主，其次为白桦、山杨。

2 数据与方法

选取内蒙古地区大兴安岭根河市落叶松林(阳坡)，鄂伦春自治旗蒙古栎、白桦和黑桦混交林(阴坡)，牙克石市白桦和山杨混交林(阴坡)，阿尔山市白桦和山杨混交林(阳坡)2004—2019年固定监测取样林地(表1)地表死可燃物监测数据(地表死可燃物干重/湿重、林分因子、林内气象因子)及当地气象站观测数据(林外因子)。其中林地地表死可燃物监测以调查取样为主，选取3块面积较大的固定监测取样林地，林地间距离≥3 km。每块林地中通过踏查确定2处取样点，每个点之间距离大于50 m。

表1 林地信息Tab.1 Information of woodland

林分因子中的地表死可燃物厚度(cm)为铁锹挖开枯枝落叶层，用直尺测量地被物到地表的垂直距离；林木高度(cm)为选择各种林木10株测量高度，求取平均值。林内郁闭度(%)主要用目测法估测林木覆盖度。

林内气象因子包括1.5 m处的林内气温、相对湿度及地表死可燃物温度，其中：林内气温(℃)和相对湿度(%)均为14:00—15:00利用阿斯曼温度计测量的1.5 m处的林内气象数据；地表死可燃物温度(℃)为同一时段地温表插入枯枝落叶层中部读取的温度。

林外气象因子为气象站观测数据包括气温、地温、相对湿度、降水量、干旱日数、连续降水日数等。

地表死可燃物含水率计算公式如下：

M=(Ww-Wd)/Wd

式中：M(%)为可燃物含水率；Ww和Wd(g)分别为可燃物湿质量和干质量。

3 结果分析

3.1 地表死可燃物含水率特征

图1为不同林型地表死可燃物含水率分布。可以看出，落叶松林(阳坡)，蒙古栎、白桦和黑桦混交林(阴坡)，白桦和山杨混交林(阴坡)，白桦和山杨混交林(阳坡)春季防火期地表死可燃物含水率平均值分别为61.6%、104.1%、95.5%和71.3%；夏季防火期地表死可燃物含水率平均值分别为69.8%、148.7%、117.6%和87.9%；秋季防火期地表死可燃物含水率平均值分别为59.5%、142.8%、78.3%和79.6%；总防火期地表死可燃物含水率平均值分别为64.7%、132.3%、99.2%和80.0%。地表死可燃物含水率阴坡>阳坡；蒙古栎、白桦和黑桦混交林(阴坡)>白桦和山杨混交林(阴坡)>白桦和山杨混交林(阳坡)>落叶松林(阳坡)；夏季地表死可燃物含水率最大；落叶松林(阳坡)、白桦和山杨混交林(阴坡)两个林型春季>秋季；蒙古栎、白桦和黑桦混交林(阴坡)、白桦和山杨混交林(阳坡)两个林型地表死可燃物含水率秋季>春季；蒙古栎、白桦和黑桦混交林(阴坡)地表死可燃物含水率观测值变幅最大，白桦、山杨混交林次之，落叶松林最小。

图1 不同林型地表死可燃物含水率分布Fig.1 Distribution of ground surface dead fuel moisture content of different forest stand types

3.2 地表死可燃物含水率与各因子关系

3.2.1 与林分因子的关系

表2列出不同林型地表死可燃物含水率与林分因子的相关系数。可以看出，不同林型可燃物厚度、林木高度与地表死可燃物含水率的相关系数均未通过显著性检验。不同林型林内郁闭度对地表死可燃物含水率的影响并不完全一致，阳坡的两种林型林内郁闭度与地表死可燃物含水率基本负相关，且夏季防火期白桦和山杨混交林(阳坡)林内郁闭度与地表死可燃物含水率相关系数为-0.591(P<0.05)，这可能是因为茂密的林木枝叶对夏季雨水的遮挡作用；阴坡的两种林型林内郁闭度与地表死可燃物含水率基本正相关，且春季防火期蒙古栎、白桦和黑桦混交林(阴坡)林内郁闭度与地表死可燃物含水率相关系数为0.691(P<0.05)，这是因为春季气候干旱，较高的林内郁闭度能够减少地表蒸发量，进而减少死可燃物水分损失。

表2 不同林型地表死可燃物含水率与林分因子的相关系数Tab.2 The correlation coefficients between forest factors and ground surface dead fuel moisture content of different forest stand types

3.2.2 与林内气象因子的关系

表3列出不同林型地表死可燃物含水率与林内气象因子的相关系数。可以看出，两种阳坡林型地表死可燃物温度、林中气温与地表死可燃物含水率负相关，其中春季、秋季、春秋季防火期白桦和山杨混交林(阳坡)地表死可燃物温度、林中气温与地表死可燃物含水率呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)负相关；两种阴坡林型地表死可燃物温度、林中气温与地表死可燃物含水率正相关，其中总防火期白桦和山杨混交林(阴坡)的地表死可燃物温度、林中气温与地表死可燃物含水率显著正相关(P<0.05)，相关系数分别为0.346和0.391。居恩德等[16]研究指出白桦林枯落物下层含水率与可燃物温度负相关，其原因是白桦林地表死可燃物上层紧密，且含水率较高，当温度升高，蒸发受表层可燃物的阻挡，因而下层含水率呈增大趋势。

表3 不同林型地表死可燃物含水率与林内气象因子的相关系数Tab.3 The correlation coefficients between meteorological factors inside forest and ground surface dead fuel moisture content of different forest stand types

两种阳坡林型林内相对湿度与地表死可燃物含水率正相关，其中落叶松林(阳坡)秋季、春秋季、总防火期林内相对湿度与地表死可燃物含水率显著正相关(P<0.05)，相关系数分别为0.935、0.523和0.453；白桦和山杨混交林(阳坡)总防火期林内相对湿度与地表死可燃物含水率相关系数为0.444(P<0.05)；两种阴坡林型林内相对湿度与地表死可燃物含水率基本呈负相关，其中蒙古栎、白桦和黑桦混交林(阴坡)秋季防火期相对湿度与地表死可燃物含水率相关系数为-0.710(P<0.05)。这是因为当地表死可燃物含水率高于外界环境相对湿度时，蒸发量较高，水分向外渗透并蒸发，含水率下降[17]。

3.2.3 与林外影响因子的关系

表4列出不同林型地表死可燃物含水率与林外影响因子的相关系数。可以看出，秋季、春秋季防火期最高气温与白桦和山杨混交林(阳坡)地表死可燃物含水率极显著负相关(P<0.01)，相关系数分别为-0.761和-0.675；夏季、总防火期最高气温与白桦和山杨混交林(阴坡)地表死可燃物含水率显著相关(P<0.05)，相关系数分别为-0.537和0.352。春季、秋季、春秋季、总防火期最高地温与白桦和山杨混交林(阳坡)地表死可燃物含水率极显著负相关(P<0.01)，相关系数分别为-0.806、-0.746、-0.648和-0.410，夏季防火期最高地温与白桦和山杨混交林(阴坡)及蒙古栎及白桦和黑桦混交林(阴坡)地表死可燃物含水率极显著负相关(P<0.01)，相关系数分别为-0.545和-0.578。

表4 不同林型地表死可燃物含水率与林外影响因子的相关系数Tab.4 The correlation coefficients between impact factors outside forest and ground surface dead fuel moisture content of different forest stand types

平均相对湿度和最小相对湿度基本与各林型地表死可燃物含水率正相关。其中春季、秋季、春秋季、总防火期平均相对湿度与白桦和山杨混交林(阳坡)地表死可燃物含水率相关系数分别为0.603(P<0.05)、0.577、0.572(P<0.01)和0.365(P<0.05)，夏季、总防火期与落叶松林(阳坡)地表死可燃物含水率极显著正相关(P<0.01)，相关系数分别为0.648和0.473，春秋季、总防火期平均相对湿度与蒙古栎、白桦和黑桦混交林(阴坡)地表死可燃物含水率相关系数分别为0.406(P<0.05)和0.443(P<0.01)。春季、秋季、春秋季、总防火期最小相对湿度与白桦和山杨混交林(阳坡)地表死可燃物含水率相关系数分别为0.654(P<0.05)、0.687、0.666(P<0.01)和0.382(P<0.05)；总防火期最小相对湿度与落叶松林(阳坡)地表死可燃物含水率相关系数为0.375(P<0.05) ；夏季防火期最小相对湿度与白桦和山杨混交林(阴坡)地表死可燃物含水率相关系数为0.565(P<0.05)。

春季、春秋季防火期前3 d降雨量与各林型地表死可燃物含水率基本正相关，与白桦和山杨混交林(阳坡)地表死可燃物含水率极显著正相关(P<0.01)，相关系数分别为0.749和0.469。

无降水日数和风速与各林型地表死可燃物含水率的相关程度最差。无降水日数与各林型地表死可燃物含水率均负相关，而秋季防火期无降水日数仅与落叶松林(阳坡)地表死可燃物含水率相关系数为0.756(P<0.05)；总防火期风速仅与白桦和山杨混交林(阴坡)地表死可燃物含水率相关系数为0.346(P<0.05)。

3.3 不同林型地表死可燃物含水率预测模型

筛选与森林地表死可燃物含水率相关性明显的因子，包括林中气温X1、林中相对湿度X2、平均相对湿度X3、最小相对湿度X4、最低气温X5、林木郁闭度X6、前3 d降水量X7、最高地温X8，利用逐步回归方法建立各林型不同季节防火期地表死可燃物含水率预测模型，表5列出预测模型的预测因子及回归系数。可以看出，除落叶松林(阳坡)春季和白桦-山杨混交林(阴坡)秋季防火期地表死可燃物含水率预测模型F值外，其余地表死可燃物含水率预测模型F值均通过0.01或0.05显著性检验。地表死可燃物含水率预测模型调整后的拟合优度R2，阳坡(0.18～0.83)>阴坡(0.13～0.43)；防火期模型调整后的R2：秋季>春季>春秋季>夏季>总防火期，这与胡海清等[18]的研究结论一致。

表5 不同林型地表死可燃物含水率预测模型的因子及其回归系数Tab.5 The ground surface dead fuel moisture content prediction models factor and regression coefficients for different forest stand types

4 结 论

(1)森林地表死可燃物含水率阴坡>阳坡，蒙古栎、白桦和黑桦混交林(阴坡)>白桦和山杨混交林(阴坡)>白桦和山杨混交林(阳坡)>落叶松林(阳坡)，夏季地表死可燃物含水率最大。

(2)综合分析林分因子、林内气象因子与森林地表死可燃物含水率的相关关系，发现两种阳坡林型地林内郁闭度、地表死可燃物温度、林中气温与地表死可燃物含水率负相关，林内相对湿度与地表死可燃物含水率正相关；两种阴坡林型刚好相反。地表死可燃物厚度和林木高度对森林地表死可燃物含水率的影响不明显。林外气象影响因子中，气温、最高地温和相对湿度与地表死可燃物含水率的相关性最明显，前3 d降雨量次之，无降水日数和风速与地表死可燃物含水率的相关性最差。

(3)建立的各林型不同季节防火期地表死可燃物含水率预测模型中，模型的拟合优度阳坡大于阴坡；秋季防火期>春季防火期>春秋季防火期>夏季防火期>总防火期。内蒙古大兴安岭森林防火期主要集中在春季和秋季。