森林地表可燃物含水率變化機理及影響因子研究概述

田 甜，邸雪穎

(東北林業(yè)大學林學院，哈爾濱150040)

森林作為地球上可再生自然資源及陸地生態(tài)系統的主體，在維持全球碳平衡和保護生物多樣性等方面都起著重要的作用。而林火是森林生態(tài)系統的一個重要干擾因子，其不僅破壞森林生態(tài)系統的結構和功能，而且燃燒森林可燃物，對全球氣候變化產生重要影響。林火預測預報主要是通過采取各種林火管理措施，減少森林火災的發(fā)生和降低森林火災造成的損失。其中，可燃物含水率通過影響可燃物的著火點等燃燒特性影響火災的發(fā)生與蔓延，是判斷林火能否發(fā)生，進行林火發(fā)生預報的重要因子［1］。另外，根據可燃物含水率還可以預測火險等級和森林過火面積，從而為撲火工作組織管理部門制定決策提供參考［2－3］。因此深入探究森林可燃物含水率的變化機理及各環(huán)境因子對其影響機制，對準確預測可燃物含水率尤為重要，是現代林火管理中最基本而又最重要的工作，具有重要的現實意義。

1 基本概念

1.1 可燃物定義

森林可燃物是指森林和林地上一切可以燃燒的物質，包括森林內所有的植被、地表枯落物、粗糙腐殖質和沼澤泥炭，是森林火災發(fā)生的物質基礎，也是發(fā)生森林火災的首要條件［4］。

可燃物在森林中所處位置不同，發(fā)生的林火種類也不同，應采取的撲救措施也不一樣。一般根據森林可燃物在林內的位置，劃分為地下可燃物、地表可燃物和空中可燃物。其中地表可燃物是指距離地面1.5 m以內的所有可燃物，包括草、灌木、雜物和木質可燃物等。地表可燃物的含水率及分布是影響地表火燃燒強度和蔓延速度的關鍵因素，是形成地表火的物質基礎。地表可燃物的組成物質復雜，有采伐剩余物、撫育間伐剩余物、自然災害遺留的可燃物以及灌草等，高強度的地表火有可能點燃上層樹冠［5］。

1.2 可燃物含水率

可燃物含水率由可燃物自身的性質以及氣象環(huán)境因子 (大氣溫度、相對濕度、降水量、太陽輻射和風速等)等共同決定［5］，可燃物含水率是決定火行為參數不可缺少的一個重要因子，直接影響可燃物達到燃點的速度以及釋放熱量的多少，間接影響著林火的發(fā)生發(fā)展、蔓延速度和火燒強度［6］。其中細小可燃物含水率的大小是火災發(fā)生的關鍵因素，對火災能否發(fā)生影響最大。當細小可燃物含水率大于8%時，較小的火源不會引燃森林火災，當細小可燃物含水率小于4%時，容易引起嚴重火災［1］。

將可燃物長期放置在固定的溫度和濕度條件下，可燃物所含水分會達到恒定，此時的恒定含水率值即平衡含水率 (Equilibrium Moisture Content，EMC)［7］。死可燃物含水率的變化分為吸水過程和失水過程，吸水過程中的平衡含水率比失水過程中的低2 個百分點［8］。

時滯 (timelag)是枯死可燃物失去初始含水量和平衡含水量之差數的63%(即1－1/e)所需的時間。不同可燃物的含水率對氣象因子的響應速率不同，時滯是可燃物對水分反應的結果，美國國家火險等級系統中根據時滯將枯死可燃物劃分為4類，分別為1h時滯可燃物、10 h時滯可燃物、100 h時滯可燃物和1000 h時滯可燃物。

2 可燃物含水率變化機理

可燃物含水率是決定森林火災發(fā)生和蔓延的關鍵因素，任何微弱變化都可導致森林火行為發(fā)生質的變化［9］。相同的條件下，活可燃物和死可燃物的含水量和水分變化性質不同。以下從活可燃物和死可燃物兩個方面來探討含水率的變化規(guī)律以及對森林火災的影響。

2.1 活可燃物含水率變化

活可燃物包括森林內所有的草本植物、灌木和喬木等，其含水率是指活的植物體內的水分含量，主要是受其自身生理機能的影響，但一定程度上還會受到外界環(huán)境因素的影響［10］。在活可燃物中，樹冠層的樹葉和小枝的含水率是形成樹冠火的關鍵。在闊葉林中，林冠層樹葉和小枝的含水率在不同季節(jié)有很大變化，春季新生葉的含水率通常在200%～300%之間，其他季節(jié)則逐漸減低。對于針葉林，無論在什么季節(jié)，若針葉含水率低于100%都有可能發(fā)生樹冠火。

活可燃物通過生理機能的調節(jié)作用間接對外界環(huán)境的變化做出反應，雨季空氣濕度大，植物生長較快，活可燃物含水率較高，短期內有較大幅度變化。長期干旱的天氣條件下可燃物生長緩慢，含水率較低，一定時間內含水率變化不大。所以在運用氣象要素法預測可燃物含水率的研究中較少以活可燃物作為研究對象。

2.2 死可燃物含水率變化

死可燃物，即林內枯死植物體的總稱，包括森林地表枯枝落葉、死亡木和采伐剩余物等，其含水率變化過程受外界環(huán)境因子影響很大，如:降水、相對濕度、溫度、風和地形條件等。因此死可燃物含水率是研究森林火險天氣預報和火行為預報的關鍵內容［10］。由于死可燃物內部細胞間隙、纖維和細胞等有機結構完好保存，而這些有機結構中的水分隨外界環(huán)境條件的變化而變化，所以死可燃物含水率受這些有機結構的水分變化影響而發(fā)生改變。這種改變從兩方面進行，具體分為吸水過程和失水過程。

2.2.1 死可燃物的吸水過程

死可燃物由干燥狀態(tài)變?yōu)槌睗駹顟B(tài)的過程即為吸水過程。當死可燃物的邊界水外部表面水氣壓低于外界環(huán)境水氣壓時，死可燃物就通過吸取外界環(huán)境中的水分或吸收其表面上的自由水來達到內部水分飽和點。當死可燃物內部水分小于外界環(huán)境中的水分時，死可燃物內部細胞從空氣中吸收水分來達到內部水分飽和點。所以長期干旱的情況下，死可燃物含水率隨著空氣相對濕度的增大而增大。死可燃物的自身大小及表面積體積比等理化性質決定了吸水過程中的吸水速率。也就是說，細小可燃物由于自身徑級較小，吸水速率比徑級較大的可燃物要快，達到飽和與平衡所需的時間較短［11］。

2.2.2 死可燃物的失水過程

死可燃物由潮濕狀態(tài)變?yōu)楦稍餇顟B(tài)的過程即為失水過程，當死可燃物內部水分大于外界環(huán)境中的水分時，內部水分進入外界?？傮w來說，失水過程受外界氣溫、相對濕度、氣壓、風以及死可燃物大小影響，在高溫、濕度較小、氣壓較低及風力較大時，細小可燃物失水較快，易發(fā)生燃燒。失水過程分為速率恒定期、速率減少期和速率下降期3個步驟，每一步驟都有不同的失水機制［11］。下面對失水過程的3個變化步驟進行詳細介紹:

(1)速率恒定期。速率恒定期是一個相對獨立的階段，與死可燃物實際含水率和吸水能力等理化性質沒有關系。這一時期同任何表面自由水蒸發(fā)一樣，每當外界環(huán)境水汽壓小于死可燃物飽和水汽壓時，蒸發(fā)過程即開始進行，且水分蒸發(fā)速度與外界環(huán)境水汽壓梯度成正比。無風的條件下，死可燃物表面自由水層與外界空氣之間存在一層薄膜，水氣聚集在薄膜附近，逐漸飽和且降低了蒸發(fā)速率，此時死可燃物失水僅通過外界空氣中移動緩慢的水分子擴散來實現。有風的條件下，薄膜層遭到破壞導致失水加劇。

(2)速率減小期。速率減小期的中間速率處于速率恒定期和速率下降期的過渡階段，這一期間死可燃物失水變化特征逐漸減慢，失水速率因外界環(huán)境條件的變化和死可燃物自身性質影響而逐漸減慢。由于外界環(huán)境條件隨時變化且無法得出固定規(guī)律，一般情況下此階段的失水速率計算允許存在誤差，可以忽略此期間的失水計算，從而直接計算失水過程的速率下降期［12］。

(3)速率下降期。速率下降期的失水速率最快，此階段是死可燃物內部水分迅速向外界擴散的過程。當水分逸出達到飽和點時，死可燃物細胞質吸收水分在細胞壁上形成邊界水氣壓，外界環(huán)境水氣壓梯度隨死可燃物內部邊界水氣壓減小而逐漸減弱。此時保持死可燃物持續(xù)失水必須滿足兩個條件:一是外界環(huán)境水氣壓必須持續(xù)地明顯低于正在減小的內部邊界水氣壓;二是增加可燃物溫度，使其保持高溫。風在失水過程中對失水速率的影響逐漸減?。?2］。

2.2.3 死可燃物含水率的時間變化規(guī)律

(1)死可燃物含水率的季節(jié)變化。死可燃物含水率隨季節(jié)變化的波動較大。1～2月份為春季，空氣干燥，植物枯死，且常遇大風，此時死可燃物含水率為一年當中最低;3～4月為積雪融化期，融化的雪水增加了死可燃物含水率，而后日漸干燥，死可燃物含水率又出現波動;5～9月份為雨季，大量降水使死可燃物吸附其表面上的液態(tài)水，從而使含水率達到最大值;10～12月份，隨著天氣逐漸干燥，植株凋落枯亡，可燃物含水率逐漸降低，并降至較低水平，但由于植物剛停止生長不久，體內仍存有一定水分，且有少量降水，含水率還是比春季高［10］。因此死可燃物含水率通常表現出春季變化劇烈、夏季最高、秋季下降、冬季最低的總趨勢［13］。

(2)死可燃物含水率的日變化。無降水時，死可燃物含水率受空氣濕度影響較大，相對濕度越大，死可燃物含水率也越大。其次，含水率還受到南北坡日照時差的影響，南坡日照時間較長，其含水率低于北坡。一般情況下，死可燃物含水率在每日凌晨8∶00左右達到最高，在中午14∶00左右達到最低。

3 可燃物含水率的影響因子

可燃物含水率與森林火災的發(fā)生發(fā)展有著密切的關系，決定了森林被點燃的難易程度，是影響林火發(fā)生的重要因子［14－18］?？扇嘉锖实挠绊懸蜃虞^多，是各項因子的相互作用綜合決定的，主要分為3類:第一類是包括樹種、地形等在內的穩(wěn)定少變因子;第二類是包括物候變化等在內的緩變因子;第三類是包括空氣溫度、相對濕度、風速、降水和太陽輻射等氣象因子在內的易變因子［19］。

目前，在可燃物含水率的研究中常采用的易變因子有溫度、相對濕度、風、降水等。此外，地形地貌 (穩(wěn)定少變因子)對森林可燃物含水率的變化也有一定影響。以下分別就各因子對可燃物含水率變化的影響機制進行介紹。

3.1 溫度

3.1.1 空氣溫度

溫度是開展森林火險預報工作以來一直備受關注的直接影響因子?？諝鉁囟仁墉h(huán)境的影響間接作用于可燃物，使可燃物自身物理性質發(fā)生改變，從而影響火險等級［20］。根據可燃物含水率隨外界環(huán)境條件變化的關系，可以通過空氣溫度等氣象因子來預測可燃物含水率。澳大利亞最初就是運用回歸分析法研究空氣溫度和濕度與可燃物含水率之間的關系，從而計算可燃物含水率，建立林火預報系統。美國國家火險等級系統利用森林可燃物含水率和空氣溫度的直接輸入來實現森林火險的預測預報。

可燃物自身水分蒸發(fā)和擴散受氣溫影響，氣溫越高，相對濕度越低，水分蒸發(fā)和擴散越快，可燃物含水率隨之減小;另外，氣溫的升高也能提高可燃物本身溫度，使可燃物燃燒所需的熱量減少［20］。資料表明:當氣溫小于－10℃時，火災一般不發(fā)生;當氣溫為－10～0℃時，火災有可能發(fā)生;當氣溫為0～10℃時，火災容易發(fā)生，危害最嚴重;當氣溫為11～15℃時，地表植被開始復蘇，火災次數逐漸減少;夏秋干旱季節(jié)，當氣溫大于或等于30℃，相對濕度小于或等于30%時，森林火災處于高發(fā)易發(fā)的危險期［19］。

3.1.2 地面溫度

地面溫度即土壤溫度，對森林內活可燃物和死可燃物含水率影響機制不同。對活可燃物而言，地面溫度直接影響可燃物對土壤水分和礦物質營養(yǎng)的吸收，地面溫度越低，可燃物吸水速度越慢，活可燃物含水率就越低;反之，地面溫度越高，活可燃物吸水能力越強，含水率明顯增大。對枯枝落葉等死可燃物來說，含水率主要受地面溫度影響，地面溫度越高，土壤水分蒸發(fā)越快，含水率降低，火險等級升高［21］。

3.2 相對濕度

空氣中的濕度可直接影響可燃物內部水分的蒸發(fā)與擴散。所以，可燃物含水率隨林內相對濕度的變化而變化。當空氣中相對濕度較小時，可燃物蒸發(fā)快，含水率小，火災容易發(fā)生和蔓延。相對濕度與森林火災發(fā)生的關系見表1［19］。

表1 相對濕度與森林火災發(fā)生的關系Tab.1 Relationship between relative humidity and forest fire occurrence

因此森林火災容易發(fā)生的季節(jié)一般是冬春季，此時氣溫低、相對濕度小、可燃物含水率較低，而夏秋季長期干旱，溫度高、相對濕度大，可燃物蒸發(fā)速率加快，從而使可燃物含水率降至最低，特別容易引發(fā)森林火災。

3.3 風

風作為間接因子影響可燃物含水率，不但能降低空氣濕度，而且還加速了可燃物表面水分蒸發(fā)。在林火預報中，風作為直接因子決定火強度、林火蔓延速度和火場面積，是一個十分重要的因子。美國國家火險等級系統把風速因子作為一個重要參數，澳大利亞林火預報系統的林火蔓延速度是由火險指標和風速等氣象因子確定的［20］。

風對林火蔓延的推動作用主要表現在3個方面［19］。

(1)改變熱對流，增加平熱流，加速林火蔓延。

(2)加快可燃物水分蒸發(fā)，使可燃物干燥易燃，補充氧氣，增加助燃條件，加速燃燒過程。

(3)形成飛火，將燃燒物吹到別處形成新的火源，使多處林火連接成片，迅速擴大林火面積。

3.4 降水

降水通過降低空氣溫度、增加林內濕度和可燃物表面水分影響可燃物含水率，從而影響森林火災發(fā)生。降水包括雨、雪、露、冰雹、霜和霧等形式。降水同時增加了土壤含水率，降低森林火險。一般情況下，降水量小于5 mm時，對林火發(fā)生有利;降水量大于5 mm時，對林火發(fā)生發(fā)展有抑制作用［19］。降水量較少或沒有時，空氣干燥，相對濕度減低，可燃物含水率減小，森林火險增大。林火預報的實際應用中，主要采用降水量、降水形式和連旱天數作為預報因子［20］。

在林火管理中，降水延續(xù)時間是一個重要的氣象要素。陣雨只是暫時停留在可燃物表面，隨后很快流失，只是暫時增加了可燃物含水率，對火險來說只是暫時改變了著火點，而降水延續(xù)時間能夠反映可燃物體內水分滲透變化，降水時間越長，水分滲透能力越強，從而提高可燃物含水率，降低火險等級［22］。

此外，重大森林火災的發(fā)生與長期干旱天氣密切相關。天氣干旱降低空氣濕度，地表可燃物含水率隨之降低，增加林火發(fā)生機率。但有研究表明，連旱天數不會獨立影響可燃物含水率，而是在到達一定天數后達到最大值，在此最大值以后連旱天數對可燃物含水率的影響逐漸減?。?3－24］。連旱天數已經成為當前森林火災預測預報系統中尤為重要的氣象因子。

3.5 太陽輻射

太陽輻射對可燃物含水率有直接和間接兩方面影響:它直接影響不同徑級可燃物的水分擴散，間接影響周圍環(huán)境的空氣溫度和相對濕度，使風在復雜的地形上形成，進而影響立地上的可燃物含水率［25］。

過去在研究火行為模型時，就有學者探討光照對不同森林可燃物類型干燥過程的影響［26－31］。在小尺度上將光照對森林地表細小可燃物含水率的影響進行量化，結果認為光照有可能改變水分動態(tài)變化。這一理論被用在草地細小可燃物含水率預測模型中［32］，該模型參照資料記錄把太陽輻射作為其中一個變量對可燃物地面溫度進行計算［30，33］，Kelsy Gibos則預測了南北坡天氣變化條件下的含水率變化差異［33］。

目前加拿大火險等級預測模型未能明確指出太陽輻射對天氣條件和可燃物干燥速率的影響，而這種影響最終會導致林火管理區(qū)域內林下細小森林可燃物含水率的預測出現差異［34］。

3.6 地形地貌

坡度、坡向和坡位、海拔等地形因素，會導致局地氣象要素的變化，直接影響可燃物含水率的變化，間接影響林火的發(fā)生與發(fā)展。因此在預測可燃物含水率時要充分考慮其作用。目前我國在可燃物含水率預測方法中較少采用地形地貌等作為預報因子。美國、加拿大和澳大利亞等國的林火預報系統在進行火行為預報時，都考慮了坡度因子的作用，采用坡度修正蔓延模型［19］。地形地貌屬于穩(wěn)定少變因子，通過以下方面影響氣象要素:

(1)坡度通過改變氣象條件間接影響林火發(fā)生和蔓延狀況。坡度越大，降雨徑流排泄越快，地表可燃物易于干燥，發(fā)生林火的可能性就越大;另外坡度不同，林火蔓延速度不同，坡度越大，蔓延速度越快，地表火易轉為樹冠火，從而造成大面積森林損失。

(2)坡向直接影響地表接受到的太陽輻射值，造成不同坡向氣溫差異明顯。南坡接收太陽輻射相對較多，地面溫度相比其他坡向要高，空氣干燥，可燃物蒸發(fā)快，易發(fā)生火災;另外，同一坡向不同坡位環(huán)境不同，也會影響可燃物含水率的分布。如北坡底部空氣濕度比北坡上部大，可燃物含水量高，不易發(fā)生火災。

(3)海拔高的地方降水量大，溫度相對較低，蒸發(fā)量減少，空氣濕度變大，不易發(fā)生林火［10，19］。

4 結束語

森林可燃物的含水率是森林火險天氣預報的重要內容，可燃物含水率直接影響著火的難易程度，間接影響林火強度及林火蔓延速度，而森林可燃物含水率的變化是眾多影響因子綜合作用的結果。因此，在森林可燃物含水率預測研究中不能僅考慮單個因子的影響，而是要考慮多個因子的綜合作用。目前，我國在運用氣象要素法預測可燃物含水率的研究中，大多選擇氣象因子等易變因子作為預報因子，較少采用地形地貌等穩(wěn)定少變因子。在以后的研究中，應多方面研究考察各因子間的相互作用，篩選出對可燃物含水率影響較為顯著的因子作為預報因子，建立準確性較高的可燃物含水率預測模型，為我國林火預測預報研究工作提供強有力依據。

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