不同火烧程度火烧迹地死可燃物载量预测模型

张今奇 周梅 赵鹏武 舒洋 李威 郭娇宇 管立娟

摘 要：可燃物是林火發生发展的物质基础条件，构成林火行为的主体。定量评价不同火烧程度火烧迹地死可燃物载量的影响对于理解火因子在生态系统中的作用具有重要意义。以恢复了10 a的内蒙古根河林区2009 年火烧迹地为研究区域，于2019 年6 月对研究区展开调查，沿海拔梯度设置9 块20 m×20 m标准样地，在每个标准样地中沿对角线设置 5 个小样方（1 m× 1 m），共 45 个。调查和测定环境因子、林分因子，计算在不同程度火烧迹地内死可燃物载量，采用逐步回归法建立死可燃物载量多元回归模型。结果表明：10 a恢复期对火烧迹地可燃物载量产生了一定的影响，重度和轻度火烧迹地中100 h 时滞死可燃物载量较多，分别为：（1.26±0.20） kg/m2、（1.50±0.10） kg/m2，受火灾后择伐影响，重度火烧迹地，烧死木、站杆大量减少，100 h 时滞死可燃物载量呈现轻度火烧大于重度火烧;建立死可燃物载量预测模型，1 h 死可燃物载量估测模型为Y1=1.794+0.166X1-0.004X2-0.278X3（R2=0.821）;100 h 时滞死可燃物载量估测模型为Y3=1.950-0.310X3+0.015X5-0.008X6+0.081X7（R2=0.710），影响因子中火烧程度（相关系数为-0.799）、平均树高（相关系数为0.689）、平均胸径（相关系数为0.474）3个因子相关性最高，拟合了100 h 时滞死可燃物载量的估测模型，经检验后发现100 h 时滞死可燃物载量的估测模型精度较为理想。

关键词：火烧程度;可燃物载量;预测模型;环境因子;林分因子;大兴安岭;郁闭度;树高

中图分类号：S762.2    文献标识码：A   文章编号：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

森林火灾是世界性的林业重大灾害，被联合国粮农组织确认为世界八大自然灾害之一，对森林生态系统产生严重干扰，而中国是世界森林火灾最严重的国家之一[1]。森林火灾，特别是森林特大火灾的频繁出现，与森林可燃物载量的积累有密切的关系[2]。可燃物是林火发生发展的物质基础条件，构成林火行为的主体[3-6]。只有对可燃物的特征进行深入研究，才能把握可燃物属性，从而对可燃物进行可持续管理[6]。

目前，国内外通过数学模型和遥感影像等研究方法，对可燃物载量的研究手段已趋于成熟。田野等[7]研究了火干扰后影响因子与冀北辽河源油松（Pinus tabuliformis）林地死可燃物间的关系，研究表明胸径、烧死木百分比等影响可燃物载量的分布。宁吉彬等[8]对沟塘草甸内小叶樟（Deyeuxia angustifolia）及草本可燃物载量进行研究，构建地表可燃物载量估测模型，表明以地表可燃物高度对载量进行预测，拥有较高的精确度;刘赵东[9]对北京地区不同森林类型地表可燃物载量及影响因子进行研究，运用多元逐步回归分析，建立林下地表可燃物载量与影响因子的多元线性回归模型，回归方程与研究数据的拟合优度较高;随着遥感技术的发展，李明泽等[10]利用野外调查，结合遥感影像数据和 DEM 地形数据，建立了森林地表可燃物载量估测模型。国外，Rothermel等[11]对森林可燃物载量在时间尺度上的变化进行研究，建立了可燃物载量动态模型;Pere等[12]利用间隙光分析仪（ GLA ）估测半球形林冠照片森林覆盖度，估测火烧 8～9 a林下可燃物载量;BraAndis等[13]利用遥感影像和火灾历史资料，运用植物分类法估算可燃物载量;胡海清[14]利用物种特异性方程估算可燃物载量，运用两步间接估算方法（IE）和直接估算法（DE），将可燃物载量估算与（TLS）数据相关联，结果表明直接法的拟合优度更为均衡。

大兴安岭地区雷击火频发，在可燃物充足的条件下，容易再次发生火灾，导致森林群落逆行演替[15]。由于受多种因素影响，不同环境因子影响下的可燃物载量并非一成不变，因此，需要加强研究森林地表死可燃物及其对森林火灾的响应机制。本文选取恢复了10 a的内蒙古根河林区不同程度火烧迹地为研究对象，将火烧程度加入影响因子进行研究，建立载量预测回归模型，探究该地区再次发生火灾的可能性，以期为森林火灾预报预警提供科学依据[16]。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古大兴安岭重点国有林管理局根河林业局，该林业局2009 年火烧迹地地理坐标为：50°56′58.10″～50°57′02.96″ N，122°05′13.18″～122°06′26.12″ E。海拔 761～1 200 m，属低山丘陵地带，气候属寒温带湿润型森林气候，年平均气温为-5.3 ℃，极端最低温度-53 ℃，年日照时数 2 500 h，无霜期 90～100 d，生长期为 110 d，生长季 5—9 月，年降水量 500 mm，年辐射总量 2 670～2 700 MJ/m2。本地区为棕色针叶林土，典型植被类型为兴安落叶松（Larix gmelinii），其他树种有樟子松（Pinus sylvestris）、白桦（Betula platyphylla）、山杨（Populus davidiana）和蒙古栎（Quercus mongolica）等。

2 研究方法

2.1 样地设置

2019 年 6 月份，在根河林业局 2009 年火烧迹地设置样地，选取轻度火烧、重度火烧、对照样地迹各 3 块样地（ 20 m× 20 m），共 9 块样地。火烧程度标准参考秦可珍等[17]的研究表明，根据树木烧死比例划分火烧程度为：轻度火烧（烧死木比例小于等于 30%）、重度火烧（烧死木比例小于等于 70%），以临近未受火烧影响与火烧迹地立地条件一致的林地作为对照区[17]。记录：样地海拔、坡度等环境因子，郁闭度、平均胸径、平均树高等林分因子，样地概况见表（1）。

在每个标准样地中沿对角线设置 5 个小样方（ 1 m× 1 m），共 45 个。采用Burrows等[18]提出的时滞可燃物三级分类方法进行分类取样，直径小于 0.64 cm的小枝、树叶以及枯死的杂草为 1 h时滞可燃物;直径为 0.64～2.54 cm小枝为 10 h时滞可燃物;直径为 2.54～7.62 cm的枯枝为 100 h时滞可燃物。在尽量保持表层可燃物结构的前提下，用刻度尺记录样地内半腐殖质层厚度及枯落物层厚度。用电子天平（精度：千分之一）现场称量样方内不同死可燃物类型鲜质量（kg），自封袋密封后带回实验室备用。

3.3 不同程度火烧迹地死可燃物载量相关性分析

不同程度火烧迹地死可燃物载量与环境、林分因子相关系数见表5，其中坡度与 1 h时滞可燃物载量呈正相关，与其他可燃物载量不明显，不同于梁瀛等[3]的研究，本研究区林地陡坡地带，土层较薄，多为灌木、草本连片区域，使得 1 h时滞可燃物载量增加;海拔与 1、 10 h滞可燃物载量呈负相关，与死可燃物总载量呈显著负相关，与 100 h时滞可燃物载量不明显，与 Webster等[21]、孙龙等[22]研究结果一致，即随着海拔的升高、温度降低、风速加大、立地环境差导致杂草和灌木减少甚至消失，不利于凋落物的积累;坡位（ 1表示坡上， 2表示坡中， 3表示坡下）與 10 h时滞可燃物载量呈正相关，与其他可燃物载量不明显。即坡下受地形因素影响，乔、灌木生长旺盛形成密林， 10 h时滞可燃物载量增加，但未见 100 h可燃物载量明显变化，还需进一步观测研究。

平均树高与 1、 10、 100 h时滞可燃物载量及死可燃物总载量呈显著正相关，平均胸径与 1、 10 h时滞可燃物载量呈正相关，与 100 h时滞可燃物载量及死可燃物总载量呈显著正相关，与周志权[23]、陈宏伟等[24]、吴志伟等[25]研究结果一致，即随着林分内树高和胸径的增加，冠幅逐渐增加，进而导致枯枝落叶增加;郁闭度与 1、 10 h时滞可燃物载量呈正相关，与 100 h时滞可燃物载量和死可燃物总载量呈显著正相关，不同于陈宏伟等[24]研究结果， 1 h时滞可燃物载量成分为枯死的杂草和枯枝落叶，林分郁闭度增加时，草本植物减少，但枯枝落叶相对增加，使得 1 h时滞可燃物载量相对增加， 10、100 h时滞地表可燃物的主要组分为干树枝丫，郁闭度高的林分树枝越多，林内光线较弱，草本及灌木生长受限，郁闭度越高，受树木个体间竞争，林内产生大量受压木、枯死幼树和倒木，因而高郁闭度林分， 10、100 h可燃物载量明显增加;枯枝落叶层厚度、半腐殖质层厚度与 1、 10、 100 h时滞可燃物载量及死可燃物总载量呈显著正相关，受火干扰影响，林内积攒大量半腐殖质，林内细小可燃物堆积，形成大量枯落物，为林区植被生长提供大量营养物质，林区内1、10 、100 h时滞可燃物载量积累提供有利条件。

4 讨论

本研究中，不同程度火烧迹地死可燃物载量差别较大，这是由于火烧引起树木大面积死亡，灌木被全部烧毁，枯枝落叶层、半腐殖质层和腐殖质层被全部烧掉。但随着时间的推移，可燃物再次积累，火烧迹地已经在一定程度上得到恢复。 10 a恢复期对火烧迹地可燃物载量产生了一定的影响，其中重度和轻度火烧迹地中 100 h时滞可燃物载量较多，分别为： （1.26±0.20） kg/m2、（1.50±0.10） kg/m2，由于可燃物载量变化随火烧迹地环境条件及动物、人为活动影响，火烧迹地形成特殊小气候[15]。重度火烧迹地受火干扰影响，大量叶片消失，缺少枝叶保护，形成大量站杆，使得林下光照增加，风速增大，烧死木含水率进一步下降，受环境影响，站杆易倾倒，易落下枯枝等凋落物对100 h可燃物载量造成影响。100 h时滞可燃物载量呈现重度火烧小于轻度火烧的现象，这是由于火烧后，对该区域进行过火烧木抢救性择伐，重度火烧迹地，烧死木、站杆大量减少，在10 a恢复期内，由于缺少高大乔木，更新栽种的乔木幼苗生长缓慢，100 h时滞可燃物载量积累缓慢，轻度火烧由于受择伐影响较小，样地内残留了部分站杆及火烧木，在10 a恢复期内，森林郁闭度降低，产生了林间空隙或形成林窗，同时火烧促进了土壤层养分循环，这些都为群落林下植被更新和生长提供了有力的条件[26]，林下灌木、乔木生长，100 h可燃物载量得到了相对积累。

影响火烧迹地死可燃物载量的因子很多，如森林群落的多样性和复杂性、地理环境的差异性、人为或自然干扰的严重性等，这些因子作用程度不一，且彼此之间的相互作用关系也很复杂[22]。本研究结果表明，研究区火烧迹地位于人迹罕至的偏远林区，虽然受到火干扰，但10 a恢复时间较长，林区内风倒木遍布，枯枝落叶大量积累，随时间推移，研究区火烧迹地死可燃物载量不断增加，其潜在发生森林火灾的危险性也在不断增加。森林可燃物受诸多因子共同影响，本文只考虑了一部分环境因子（海拔、坡度、坡位），林分因子（平均树高、平均胸径、郁闭度）等对可燃物载量的影响，还有很多因子未考虑到，如枝下高、林龄、草本盖度、坡向、土壤微生物情况和气象因子等，以后在研究中需要考虑。

【参 考 文 献】

[1]王鼎，周梅，赵鹏武，等.不同更新方式对兴安落叶松林火烧迹地物种组成及多样性的影响[J].生态环境学报，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.森林可燃物载量研究综述[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，赵凤君.等.天山中部天山云杉林地表可燃物載量及其影响因素[J].林业科学，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]徐伟恒，黄邵东，杨磊，等.滇东北地区云南松地表可燃物载量及火强度研究[J].西部林业科学，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]陈启良，刘清江，王秋华，等.昆明地区冲天柏林地表可燃物特征及火行为研究[J].林业调查规划，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]王秋华，肖慧娟，仝艳民，等.滇中地区地盘松林凋落物燃烧特征[J].林业科技开发，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，牛树奎，陈锋，等.火干扰后的油松林地表死可燃物负荷及影响因子[J].福建农林大学学报（自然科学版），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]宁吉彬，瓮岳太，邸雪颖，等.大兴安岭沟塘草甸地表可燃物载量快速测定方法[J].东北林业大学学报，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]刘赵东.北京地区不同森林类型地表可燃物载量及影响因子研究[D].北京：北京林业大学，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]李明泽，谢雨，邸雪颖，等.大兴安岭林区地表可燃物载量遥感估测模型[J].东北林业大学学报，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测森林地被可燃物载量的研究[J].林业科学，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]王绪高，李秀珍，贺红士，等.大兴安岭北坡落叶松林火后植被演替过程研究[J].生态学杂志，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，贺婷，包翔，等.不同火烧强度对兴安落叶松林土壤化学性质的影响[J].林业资源管理，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，刘春延，等.不同强度火干扰对兴安落叶松林可燃物载量的影响[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]梁卫卫.草地地上生物量的简易估测方法研究[D].杨凌：西北农林科技大学，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]孙龙，鲁佳宇，魏书精，等.森林可燃物载量估测方法研究进展[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]周志权.辽东3种主要林型地被可燃物载量的研究[J].东北林业大学学报，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]陈宏伟，常禹，胡远满，等.大兴安岭呼中林区森林死可燃物载量及其影响因子[J].生态学杂志，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]吴志伟，贺红士，刘晓梅，等.丰林保护区地表森林死可燃物载量与环境因子的关系[J].东北林业大学学报，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，冯倩倩，等.兴安落叶松林植物物种组成及多样性对轻度火干扰的响应[J].林业资源管理，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.