長白山4種主要森林類型地表凋落物引燃概率

周 勇，王曉娜，王 麗，蔣紅衛(wèi)，張大明，郝 沙，孫景花，章 林

（1.吉林省林業(yè)科學研究院，吉林 長春 130033；2.吉林省莫莫格國家級自然保護區(qū)管理局，白城 鎮(zhèn)賚 132000；3.吉林省長春市雙陽區(qū)林業(yè)局奢嶺林場，長春 雙陽 130607；4.吉林省森林防火預警監(jiān)測指揮中心，吉林 長春 130022）

森林可燃物、火源和氧氣是構(gòu)成森林火災發(fā)生的三大因素，森林火災的蔓延一般起始于地表火，而地表凋落物往往是最先被引燃。根據(jù)吉林省近38年森林火災發(fā)生的火源情況統(tǒng)計，人為活動引起的森林火災達到火災比例的90%，煙頭、秸稈則是人為火源里最重要的組成部分。因此，為有效地減少森林火災的發(fā)生，研究煙頭、秸稈引燃森林可燃物對森林火災的預防和森林防火管理工作具有重要意義。

當前對于煙頭引燃可燃物的相關(guān)研究有：楊美和[1]研究了可燃物含水率與煙頭引燃的時間關(guān)系，王剛[2]等提出煙頭引燃可燃物對可燃物結(jié)構(gòu)和風速有一定要求，金森等[3-4]用壓縮比描述可燃物床層結(jié)構(gòu)，并建立了煙頭引燃紅松、蒙古櫟葉片的概率模型，楊屹茂[5]分析了煙頭放置位置和煙頭長度對可燃物引燃的影響，Tse[6]等指出了可燃物陰燃向有焰燃燒轉(zhuǎn)化與風速的關(guān)系，Ortiz-Molina[7]研究表明，陰燃向有焰燃燒轉(zhuǎn)化需要很高的養(yǎng)體積分數(shù)。張品[8]等分析了打捆秸稈火鋒面的傳播速度，得出著火鋒面溫度與風量的關(guān)系，于兆豐[9]等對農(nóng)村秸稈利用現(xiàn)狀、危害及解決方法展開了論述，寧逵[10]等提出推進黑龍江省秸稈能源化利用的對策建議。

本研究通過設置煙頭平置、煙頭插入和秸稈明火3 種引燃方式，并通過野外調(diào)查結(jié)果模擬林下地表凋落物層物理情況，這更加符合煙頭、秸稈引燃林下地表凋落物的真實發(fā)生情況。以長白山主要森林類型紅松、蒙古櫟、針闊混交和闊葉混交林地表凋落物為研究對象，紅松是東北地區(qū)典型溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)的主要樹種[11]，蒙古櫟葉片晚秋尚未完全脫落且極易燃燒，針闊混交和闊葉混交林林內(nèi)垂直分布連續(xù)性高，易形成樹冠火。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

撫松縣位于中國吉林省東南部。松花江上游，長白山西北麓，東經(jīng)127°01′～128°06′，北緯41°42′～42°49′。屬中國東北部山區(qū)寒溫帶濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫1.9℃～4.3℃，年平均降水量763～834 mm。森林資源方面，有林地面積達55.1萬hm2，森林覆蓋率76.4%，立木蓄積量8500萬m3。植被分布主要包括紅松、水曲柳、蒙古櫟、紫椴、云杉、黃波羅、核桃楸等，素有“紅松之鄉(xiāng)”稱謂。

1.2 實驗樣品采集

2017年10月，在撫松縣松江河林業(yè)局選取森林面積分布的總面積在5 hm2以上的紅松林、蒙古櫟林、針闊混交林和闊葉混交林為對象，在其典型林分內(nèi)設置標準地，標準地設置大小為20 m×30 m。在設置的標準地內(nèi)，分別調(diào)查、記錄各森林類型樹種組成、郁閉度、齡級和胸徑等信息見表1。采用“五點法”取地表凋落物，樣方設置大小為1 m×1 m，將所有采集樣品裝袋、標記、帶回，其中涉及測量絕干含水率的樣品封閉包裝。

1.3 引燃實驗

地表凋落物鋪設1 m×1 m 實驗床層，并設置為20個0.2 m×0.2 m的網(wǎng)格。設置引燃實驗分類因素包括風速、含水率、引燃方式、凋落物床層載量和高度。其中：風速（m/s）為0、1、2；含水率（%）為風干含水率、采樣含水率；引燃方式為煙頭平置、煙頭插入和秸稈明火。凋落物床層載量×高度（t/hm2×cm），其中紅松林為3×1、4×1、5×1、3×2、4×2、4×3、5×3、6×3；蒙古櫟林為2×2、3×2、3×4、4×4、3×6、4×6；針闊混交林為2×2、3×2、2×3、3×3、4×3、2×4、3×4、4×4；闊葉混交林為2×2、2×3、3×3、2×4、3×4、3×5。將紅松林、蒙古櫟林、針闊混交林和闊葉混交林地表凋落物進行實驗樣品選取，其中凋落物床層高度、載量相同或相近的設置為同一重復，分別用于不同風速、不同含水率和不同引燃方式實驗，每個交互水平實驗重復9次，引燃記為“1”，不燃記為“0”。引燃網(wǎng)格位置分布見圖1。

圖1 引燃網(wǎng)格位置分布

1.4 研究方法

使用SPSS 19.0 進行單因素方差分析和二元邏輯回歸分析。利用地表凋落物含水率、高度、載量和風速的各個水平及各森林類型煙頭平置、煙頭插入和秸稈明火的引燃情況。計算紅松林、蒙古櫟林、針闊混交林和闊葉混交林地表凋落物在煙頭平置、煙頭插入和秸稈明火3 種引燃方式下的引燃結(jié)果的差異情況；計算煙頭平置、煙頭插入和秸稈明火3種引燃方式下紅松林、蒙古櫟林、針闊混交林和闊葉混交林地表凋落物的引燃結(jié)果的差異情況。通過二元邏輯回歸分析，構(gòu)建煙頭、秸稈引燃不同森林可燃物概率模型。

表1 標準地基本信息

Logistic回歸概率模型表達式：

P（Y）為可能發(fā)生的概率，Xi為第i個自變量，βi為第i個參數(shù)，α為常數(shù)項，m為自變量的個數(shù)。

這里令：

Z代表的是第i個變量不能觀測到的變量值。

據(jù)此可以得到簡潔表達式：

2 結(jié)果與分析

2.1 地表凋落物引燃情況

分別對4種森林類型地表凋落物進行煙頭平置、煙頭插入和秸稈明火引燃實驗。結(jié)果表明，地表凋落物被引燃的概率為30.2%；在3種引燃方式下紅松林地表凋落物引燃概率均最高，平均34.9%；闊葉混交林地表凋落物引燃概率均最低，平均27.1；煙頭平置引燃各森林類型地表可燃物概率最低5.9%，其次為煙頭插入引燃22.3%，最高為秸稈明火引燃62.4%。各森林類型地表凋落物引燃情況見表2。

2.2 地表凋落物引燃差異情況

通過對紅松林、蒙古櫟林、針闊混交林和闊葉混交林進行方差齊性檢驗，結(jié)果表明各指標均未滿足方差齊性要求，方差齊性結(jié)果見表3。

采用Welch分布的統(tǒng)計量進行各組均值是否相等的檢驗，均值相等的健壯性檢驗結(jié)果見表4。3 種引燃方式下4 種森林類型地表凋落物均存在顯著性差異。

采用Games-Howell 方法對未假定方差齊性的各指標進行多重比較，蒙古櫟林、針闊混交林和闊葉混交林地表凋落物的3種引燃方式引燃結(jié)果均差異性顯著，紅松林地表凋落物煙頭平置與煙頭插入、秸稈明火引燃方式引燃結(jié)果存在顯著性差異，見表5。

表2 各森林類型地表凋落物引燃情況

表3 方差齊性檢驗

表4 均值相等的健壯性檢驗

2.3 地表凋落物引燃概率模型

隨著模型逐漸步進，模型Sig.值＜0.05，概率預測模型效果顯著。模型系數(shù)的綜合檢驗見表6。

蒙古櫟林、針闊混交林地表凋落物煙頭平置引燃預測模型預測效果最好，蒙古櫟林地表凋落物煙頭平置引燃預測模型預測效果最差，3種引燃方式中模型的預測效果是煙頭平置最佳、煙頭插入次之、秸稈明火較差。Cox & Snell R 方和Nagelkerke R方擬合效果見表7。

Sig.值＞0.05，說明模型能夠很好地擬合整體，不存在顯著差異。Hosmer-Lemeshow 檢驗結(jié)果見表8。

表5 地表凋落物引燃多重比較結(jié)果

表6 模型系數(shù)的綜合檢驗

建立地表凋落物引燃Logistic 回歸模型，Logistic回歸模型見表9。

選定案例中，闊葉混交林地表凋落物煙頭插入沒有引燃預測結(jié)果97.7%最佳，蒙古櫟林地表凋落物秸稈明火引燃預測結(jié)果100%最佳，針闊混交林地表凋落物煙頭平置總計預測成功率95.6%最佳；未選定的案例中，針闊混交林地表凋落物煙頭平置沒有引燃預測結(jié)果98.1%最佳，蒙古櫟林地表凋落物秸稈明火引燃預測結(jié)果100%最佳，闊葉混交林地表凋落物煙頭平置總計預測成功率95.9%最佳；3 種引燃方式中選定、未選定案例預測結(jié)果均煙頭平置最佳、煙頭插入次之、秸稈明火較差；4個森林類型地表凋落物中引燃預測效果針闊混交林最佳，闊葉混交林次之，紅松林最差。選定、未選定案例預測結(jié)果見表10。

表7 模型匯總

3 討論和結(jié)論

3 種引燃方式下引燃4 種森林類型地表凋落物的結(jié)果均存在顯著性差異，紅松林地表凋落物煙頭插入與秸稈明火引燃方式引燃結(jié)果差異不顯著，其他森林類型地表凋落物的不同引燃方式引燃結(jié)果差異性顯著。3 種引燃方式引燃地表凋落物概率從高到低為秸稈明火、煙頭插入和煙頭平置，引燃預測效果為煙頭平置最佳、煙頭插入次之、秸稈明火較差。4種森林類型地表凋落物引燃從易到難為紅松林、蒙古櫟林、針闊混交林和闊葉混交林，引燃預測效果為針闊混交林最佳，闊葉混交林次之，紅松林最差。

表8 Hosmer-Lemeshow檢驗

當?shù)乇淼蚵湮锎矊釉O置為不同物理水平時，火源釋放的熱量和分散的可燃性氣體表現(xiàn)出的可燃物溫度升高和可燃性氣體濃度累積存在很大差異。這成為煙頭引燃地表凋落物能否從陰燃轉(zhuǎn)化為明火的關(guān)鍵。本實驗設置的煙頭燃燒長度為1 cm，燃燒所釋放的熱量存在不足以維持火源周圍可燃物全部水分的蒸發(fā)的情況，而秸稈明火可以瞬間釋放大量的熱以滿足周圍可燃物水分的完全蒸發(fā)，同時可燃物周圍凝聚的高濃度可燃性氣體將直接引燃可燃物。這與本文研究結(jié)果相符。根據(jù)研究的結(jié)果，對煙頭、秸稈的火源管理提出指導性意見：科學手段營林可提高地表凋落物含水率，地表濕潤則不易被點燃；農(nóng)事活動中控制秸稈遠離林緣邊界。秸稈火焰駐留時間短，會在短時間內(nèi)燃盡，不足以隨風飛落林內(nèi)增加森林火災發(fā)生危險。

表9 地表凋落物引燃概率模型

表10 預測結(jié)果