計劃火燒對區(qū)域森林燃燒性的影響

宗學政，田曉瑞＊，田 恒，陳 方

(1.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所, 國家林業(yè)局森林保護學重點開放性實驗室，北京 100091；2.大興安嶺呼中區(qū)氣象局，黑龍江 呼中林業(yè)局 165000；3.黑龍江省大興安嶺地區(qū)氣象局，黑龍江 加格達奇 165000)

森林可燃物是林火發(fā)生的基礎，可燃物類型及其載量影響火強度和蔓延速度。減少林內(nèi)可燃物載量是降低林火發(fā)生的重要途徑，也是林火管理的主要組成部分?？扇嘉锾幚矸椒ㄖ饕袡C械清理和計劃火燒[1]。其中計劃火燒（prescribed burning）是在人為控制下，有計劃地利用低強度火清理林內(nèi)可燃物，降低林火發(fā)生可能[2]。與其他方式相比，計劃火燒不但可有效清除地表可燃物，而且經(jīng)濟成本低，還具有保護生物多樣性和維持森林生產(chǎn)力的作用[3-4]，是當前應用最廣泛的可燃物管理措施。我國針對計劃火燒提出了“物候點燒”、“跟雪點燒”等多種點燒方法，在西南、東北及內(nèi)蒙林區(qū)得到廣泛應用[5]。大興安嶺地區(qū)的森林可燃物分解慢，長期積累大量的地表可燃物，容易發(fā)生森林火災[6]。通過計劃火燒措施可以降低地表可燃物載量，減少林火發(fā)生，有利于森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。計劃火燒是大興安嶺地區(qū)一項重要的可燃物處理措施，但定量評估計劃火燒對森林防火的作用的相關研究還很少。劉志華等利用LANDIS 模型模擬了計劃火燒處理對呼中地區(qū)潛在的火發(fā)生影響，通過計劃火燒進行可燃物處理會在一定程度上減少過火面積[7]。趙彬清等研究了計劃火燒前后落葉松林土壤微生物、碳氮及濕度溫度的變化，認為計劃火燒不會導致土壤呼吸增加，為計劃火燒的實施提供了理論基礎[8]。

林分類型、地理環(huán)境等因素決定可燃物處理的方式方法[9]。計劃火燒可用于清除細小可燃物，降低可燃物載量，在草甸及灌木區(qū)域使用廣泛[10]。機械處理用于清除粗可燃物及空中可燃物，在落葉松林中與計劃火燒結(jié)合使用，可有效降低地表可燃物及空中可燃物，減少地表火和樹冠火發(fā)生的可能，降低火強度?？扇嘉锾幚淼募竟?jié)及時間對處理效果也有影響。在秋季進行計劃火燒更能有效減少可燃物積累，降低林火的發(fā)生[11]。根據(jù)可燃物累積及分解過程，周期性進行低強度的計劃火燒，可以調(diào)控森林地表可燃物載量[12-13]。大興安嶺地區(qū)草本灌木較多，在火險期易燃燒，蔓延速度快，是火災的發(fā)源地。因此，每年定期在火險期前對溝塘草甸進行火燒處理，以降低地表可燃物載量，減少林火的發(fā)生，現(xiàn)已成為大興安嶺實施可燃物管理的有效措施。

基于森林資源和火燒安全方面的考慮，野外火燒實驗的尺度一般比較小，只通過野外火燒實驗難以定量評估林火管理措施對森林燃燒性的影響，因此，需要從景觀尺度上模擬各種可燃物管理情景下的林火行為[14]。目前有一些模型可以模擬不同可燃物和天氣條件下的森林燃燒過程。BEHAVE 模型可以模擬可燃物對火行為影響[15]，F(xiàn)OFEM 模型可模擬火燒過程中樹木死亡、可燃物消耗量等過程[16]，但這些模型不能模擬火發(fā)生及蔓延過程。SIMMPPLE 模型可從空間尺度模擬火蔓延過程，但不能直接模擬計劃火燒過程[17]。LANDIS 模型可以模擬可燃物的累積和分解過程，也可以在景觀尺度上模擬火干擾的影響[18]。燃燒概率（BURNP3）模型主要是用于評估景觀尺度上的森林燃燒概率[19]。該模型結(jié)合氣候、植被和地形等條件，可以模擬不同情景下的火發(fā)生及蔓延過程[20-21]。模型以年為步長進行迭代循環(huán)，迭代次數(shù)根據(jù)研究區(qū)面積大小、景觀結(jié)構(gòu)組成和火動態(tài)確定。對于每場火要模擬從點燃、蔓延到熄滅整個過程。首先要根據(jù)研究區(qū)的火發(fā)生歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定不同季節(jié)的火發(fā)生概率圖。模型將根據(jù)每個柵格的火發(fā)生概率、可燃物類型和火天氣判斷火是否可以被點燃以及點燃位置。如果確定火被點燃，就根據(jù)氣象和火險指數(shù)利用Prometheus 火增長模型模擬這場火的蔓延過程。通過整個火場的模擬過程就可以獲得每場火發(fā)生位置和過火面積、火強度、樹冠火發(fā)生比例等火場信息和火行為信息。同一迭代過程中不會出現(xiàn)重復火燒的格點，根據(jù)每個格點在所有迭代次數(shù)中的重復火燒次數(shù)計算得到燃燒概率。苗慶林等[22]通過對1991—2010 年大興安嶺地區(qū)的燃燒概率進行模擬分析，驗證了BURN-P3 模型在我國大興安嶺地區(qū)的適用性，并模擬了未來不同氣候情景下的森林燃燒性變化。

本研究利用BURN-P3 模型模擬計劃火燒前后兩種情景下的森林燃燒概率，從燃燒概率、火強度、蔓延速度及樹冠火發(fā)生比例等方面評估火險期前的計劃火燒措施對一個區(qū)域森林燃燒性的影響。

1 研究區(qū)概況

研 究 區(qū) 地 理 范 圍125.131 9°～125.834 7° E，50.085 28°～51.056 11° N，總面積為215 550 hm2。該區(qū)域位于大興安嶺東南部，南甕河國家自然保護區(qū)附近，隸屬于松嶺林業(yè)局（圖1）。平均海拔為432 m。氣候?qū)俸疁貛Т箨懶约撅L氣候，夏季短冬季長，年均氣溫-3 ℃，無霜期為90～100 d[23]。

研究區(qū)的喬木以興安落葉松（Larix gmelinii（Rupr.）Kuzen.）、山 楊（Populus davidiana Dode.）、白樺（Betula platyphylla Suk.）、黑樺（Betula dahurica Pall.）等為主，灌木有興安杜鵑（Rhododendron dauricum L.）、越桔（Vaccinium vitisidaea Linn.）等，草本植物以杜香（Ledum palustre L.）和苔蘚為主[24]。

2 數(shù)據(jù)來源

遙感數(shù)據(jù)采用2016 年5 月13 日的SPOT6 衛(wèi)星影像（分辨率6.6 m）。數(shù)字高程數(shù)據(jù)（分辨率為30 m）源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）。氣象數(shù)據(jù)源于黑龍江省南甕河國家自然保護區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站，包括氣溫、降水量、日相對濕度、風速和風向等定時數(shù)據(jù)。森林火災統(tǒng)計資料（1988—2016 年）源于黑龍江省森林防火辦公室，包括火點經(jīng)緯度、火因、過火面積和撲救時間等信息。

3 研究方法

3.1 火險天氣指數(shù)（FWI）計算

圖1 研究區(qū)域和植被類型Fig.1 The study area and vegetation types

基于每日中午（12:00）觀測的溫度、濕度、風速和過去24 h 降水量，利用R 軟件cffdr 程序包計算火險期內(nèi)每日的火險天氣指數(shù)（Fire Weather Index，F(xiàn)WI）[25]，系統(tǒng)輸出的指數(shù)包括細小可燃物濕度碼（Fine Fuel Moisture Code，F(xiàn)FMC）、腐殖質(zhì)濕度碼（Duff Moisture Code，DMC）和干旱碼（Drought Code，DC），初始蔓延速率（Initial Spread Index，ISI）和累積指數(shù)（Buildup Index，BI），以及火險天氣指數(shù)（Fire Weather Index，F(xiàn)WI）[26]。計算時段是2016 年整個火險期（3 月1 日—10 月31 日），F(xiàn)FMC、DMC 和DC 的初始值分別為85.0、6.0 和15.0[27]。

3.2 計劃火燒區(qū)域提取

火險期前計劃火燒處理的區(qū)域主要是區(qū)域內(nèi)的溝塘草甸。通過對衛(wèi)星遙感影像處理，提取計劃火燒的區(qū)域。首先利用ENVI 軟件RPC 模型對SPOT6衛(wèi)星影像進行正射校正，然后利用FLAASH 模型進行大氣校正。選擇近紅外、紅外、綠3 種波段合成圖像，采用監(jiān)督分類法提取計劃火燒區(qū)域[28]。

3.3 可燃物類型劃分

通過實地調(diào)查，將區(qū)域內(nèi)的可燃物分為草地、常綠針葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林和針闊混交林5 種類型。分類主要采用ENVI 軟件中的監(jiān)督分類法。首先根據(jù)野外調(diào)查將影像中的地物進行識別，劃定5 種類型可燃物、裸地及水體，然后通過最大似然法（Maximum Likelihood Classification）進行分類，再通過Combine classes 進行分類后處理，將類型一致的地物進行合并，獲得可燃物分類圖。并按照FBP（火行為預測）可燃物分類系統(tǒng)，用系統(tǒng)識別的代號表示各可燃物：草地（O-1a）、常綠針葉林（C-4）、落葉針葉林（M-1a）、落葉闊葉林（D-1）和針闊混交林（M-1b）。

3.4 燃燒概率模型的參數(shù)設置與輸入數(shù)據(jù)處理

BURN-P3 模型需要輸入的空間數(shù)據(jù)包括可燃物類型、地形及風向等，空間分辨率為100 m（ASC文本格式）[20]。風向數(shù)據(jù)利用WindNinja 風場模擬軟件處理[29]。該模型采用數(shù)字高程模型的單點風場，基于表面熱通量、距離山谷底部或山脊頂部的距離、坡度及阻力等參數(shù)計算風向，模擬不同地形條件下風向[30]。利用研究區(qū)數(shù)字高程數(shù)據(jù)，結(jié)合該地區(qū)地面氣象觀測數(shù)據(jù)，計算該區(qū)域歷史平均風速作為主導風速，為10 km·h-1，并劃定北（0°）、東北（45°）、東（90°）、東南（135°）、南（180°）、西南（225°）、西（270°）和西北（315°）8 個主要風場數(shù)據(jù)。

BURN-P3 模型輸入火因、燃燒日時長、蔓延天數(shù)、火險天氣數(shù)據(jù)和模擬季節(jié)等運行參數(shù)。根據(jù)1988—2016 年火災統(tǒng)計資料，研究區(qū)人為火、雷擊火發(fā)生概率分別為43.51%、56.49%，設置不同季節(jié)發(fā)生火災的日燃燒時長以及該區(qū)域火災發(fā)生的蔓延天數(shù)?；痣U天氣數(shù)據(jù)包括正午的溫度、濕度、風速、風向、過去24 h 降水量以及對應的火險天氣指數(shù)。

根據(jù)物候觀測記錄確定季節(jié)劃分日期。草本和灌木多于3 月中上旬展葉，興安落葉松展葉盛期為5 月24 日，白樺等闊葉樹展葉盛期為5 月20 日—5 月26 日，9 月上旬落葉松開始落葉[31]，大興安嶺南部植被展葉期更早[32-33]。因此，將研究時段劃分為春季（3 月1 日—5 月31 日）、夏季（6 月1 日—8 月31 日）和秋季（9 月1 日—10 月31 日）。

3.5 燃燒模擬

將火燒跡地分為草地和無可燃物兩種類型，以表示未進行計劃火燒和已進行計劃火燒兩種情景，并分別進行燃燒模擬，其他參數(shù)保持一致，對比計劃火燒處理前后的區(qū)域燃燒性。根據(jù)實測數(shù)據(jù)結(jié)合ArcGIS 隨機在火燒跡地選擇100 個點，分析計劃火燒影響范圍。

根據(jù)歷史火災統(tǒng)計資料，過火面積小于1 hm2次數(shù)占總次數(shù)的62.76%，結(jié)合研究區(qū)面積設定模擬中最小過火面積為1 hm2。為獲取穩(wěn)定的燃燒概率分布圖，迭代次數(shù)為20 000 次[34]。輸出燃燒概率、火燒強度、蔓延速度、樹冠火比例等空間數(shù)據(jù)和每次迭代的屬性表（文本格式）。

圖2 計劃火燒區(qū)和模擬的兩種可燃物情景Fig.2 Prescribed burning areas and the two fuel scenarios for simulation.

4 結(jié)果與分析

4.1 計劃火燒處理區(qū)域

根據(jù)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提取的在2016 年火險期前的計劃火燒面積為44 931 hm2，占研究區(qū)總面積的20.8%（圖2）。大部分過火區(qū)的地表土壤裸露，草本可燃物的地上部分基本消失，易燃可燃物很少，只有很少的區(qū)域殘留少量草本和灌木。計劃火燒處理過的區(qū)域不能支持火的持續(xù)燃燒和蔓延，因此，我們把計劃火燒過的區(qū)域視為無可燃物。基于計劃火燒前后的可燃物變化，分別模擬這兩種可燃物情景下的森林燃燒概率，評估一個區(qū)域內(nèi)的計劃火燒處理對區(qū)域的森林燃燒性影響。

4.2 計劃火燒對燃燒概率的影響

未進行計劃火燒情景下，研究區(qū)平均燃燒概率為0.016 4（燃燒概率范圍為0～0.06）（圖3a）。按照相等間隔法將燃燒概率劃分為：低（0～0.017 5）、較低（0.017 5～0.035）、較高（0.035～0.0525）和高（0.052 5～0.07）4 個等級，分別占區(qū)域總面積的46.3%、48.2%、5%和0.5%。溝塘草甸區(qū)域燃燒概率低，落葉針葉林區(qū)域燃燒概率高。

計劃火燒處理后，研究區(qū)平均燃燒概率為0.012 4（變化范圍為0～0.07）（圖3b），其中燃燒概率低、較低、較高和高的區(qū)域分別占區(qū)域總面積的61.7%、31.4%、6.3%和0.6%。中部落葉針葉林和混交林燃燒概率高。

圖3 不同可燃物情景的燃燒概率及其變化Fig.3 Burn probability and their changes for two fuel scenarios

經(jīng)過計劃火燒處理，研究區(qū)平均燃燒概率下降24.4%。計劃火燒處理區(qū)域周圍2 561.8 m 范圍內(nèi)的燃燒概率下降（95%置信區(qū)間：2 323.3 ～2 800.3 m），燃燒概率降低的區(qū)域占總面積的43.8%。35.1%的區(qū)域的燃燒概率沒有變化，21.1%區(qū)域的燃燒概率稍有增高。燃燒概率的變化主要是由于可燃物空間分布的變化引起的，由于多次迭代過程中火隨機發(fā)生的位置和火險天氣的變化，導致森林分布區(qū)域的燃燒概率發(fā)生變化，與計劃火燒處理區(qū)域相鄰的大部分區(qū)域的燃燒概率明顯降低，部分落葉松林和混交林區(qū)域的燃燒概率升高，但區(qū)域內(nèi)整體平均燃燒概率明顯降低。

4.3 各可燃物類型的燃燒概率及變化

兩種情景下，燃燒概率最高的可燃物類型都是落葉針葉林，其次為常綠針葉林、針闊混交林和草地，落葉闊葉林的燃燒概率最低（表1）。未進行計劃火燒的情景下，落葉針葉林平均燃燒概率為0.023 6，常綠針葉林、針闊混交林、草地和落葉闊葉林平均燃燒概率分別為0.022 8、0.021 9、0.017 2和0.017。計劃火燒處理后，落葉針葉林平均燃燒概率為0.022 6，降低4.2%，常綠針葉林、針闊混交林、草地和落葉闊葉林平均燃燒概率分別為0.022、0.020 6、0.016 8 和0.016 9，分別降低3.5%、5.9%、2.3%和0.6%。

4.4 計劃火燒處理對區(qū)域的火行為影響

未進行計劃火燒情景下，研究區(qū)平均火燒強度為548.9 kW（范圍：0～6 356.5 kW·m-2）（圖4a-1）。落葉松林和常綠針葉林區(qū)域平均火強度分別為3 451.8 kW·m-2和2 688 kW·m-2，而草類可燃物的平均火強度只有225 kW·m-2。計劃火燒處理后，研究區(qū)平均火燒強度為450.6 kW·m-2（范圍：0～13 204.5 kW·m-2），下降了17.9%（圖4b-1）。89.8%的區(qū)域面積的火燒強度下降，只有10.2%的區(qū)域的火強度升高。草地和計劃火燒區(qū)周圍森林的火強度下降明顯。

表1 兩種情景下可燃物類型及燃燒概率Table 1 Burn probability for each fuel type with two scenarios

未進行計劃火燒情景下，研究區(qū)平均蔓延速度為2.2 m·min-1（范圍：0～8.3 m·min-1）（圖4a-2）。草地的平均蔓延速度為2.1 m·min-1，落葉針葉林區(qū)域的蔓延速度為5.2 m·min-1。計劃火燒處理后，整個區(qū)域的平均蔓延速度為1.6 m·min-1（范圍：0～15.4 m·min-1），降低了27.3%。蔓延速度下降、不變和上升的區(qū)域分別占總區(qū)域面積的76.2%、3.9%和19.9%（圖4b-2）。

圖4 兩種可燃物情景下的火行為變化Fig.4 Changes of fire behavior under the two fuel scenarios

落葉針葉林和針闊混交林容易發(fā)生樹冠火。未進行計劃火燒處理的情景下，樹冠火平均發(fā)生比例為0.018 4（變化范圍：0～0.56），落葉松和混交林區(qū)域樹冠火發(fā)生比例分別為0.241 9 和0.135 9（圖4a-3）。計劃火燒處理后，樹冠火平均發(fā)生比例為0.016 2（變化范圍：0～0.92），下降了11.7%。樹冠火發(fā)生比例下降和不變的區(qū)域占總面積的94.8%，只有5.2%的區(qū)域樹冠火發(fā)生比例上升（圖4b-3）。雖然計劃火燒處理的區(qū)域主要是草類可燃物，但整個區(qū)域的可燃物空間分布的變化會影響到整個區(qū)域的火行為特征，樹冠火的發(fā)生比例也明顯降低。

計劃火燒處理后，落葉松林的火強度、蔓延速度和樹冠火發(fā)生比例分別下降8.1%、5.8%和8.6%，針闊混交林的火強度、蔓延速度和樹冠火發(fā)生比例分別下降5.3%、5%和15.0%，草地的火強度和蔓延速度分別下降7.9%和4.8%（表2）。

5 討論

BURN-P3 模型是模擬長時間尺度上的火發(fā)生及蔓延過程，代表一個時段內(nèi)林火動態(tài)變化。自1987 年大興安嶺森林大火后，該區(qū)域的林火管理機構(gòu)逐漸完善，林火管理政策基本穩(wěn)定，因此，本研究選取1988—2016 年的平均林火動態(tài)指標作為森林燃燒模擬的輸入因子，基于一個相對穩(wěn)定時段的平均火發(fā)生狀態(tài)進行模擬不同可燃物情景下的森林燃燒概率及火行為，可以反映不同情景下的森林燃燒性狀況，可以避免個別年份的極端情況的影響。因為提取的計劃火燒區(qū)是2016 年火險期前的處理情況，所以，模擬了2016 年的火天氣條件下的森林燃燒性，定量評估計劃燒除對于區(qū)域森林燃燒性的影響。

表2 兩種情景下各類型可燃物火行為Table 2 Fire behavior for each fuel type with two scenarios

計劃火燒處理后，部分區(qū)域落葉松林樹冠火比例增大，火強度升高。這是因為BURN-P3 模型隨機選擇火點燃燒位置，并根據(jù)可燃物類型和火天氣條件確定火是否蔓延。計劃火燒處理區(qū)域主要在草類可燃物，處理后草類可燃物面積顯著減少，但針葉林區(qū)域面積沒有變化，它占的面積比例有所增加，所有模擬中針葉林被點燃的比例增大。模擬中采用1988—2016 年的空間發(fā)生概率，20 000 次迭代模擬可以消除絕大部分的誤差，模擬結(jié)果穩(wěn)定、可靠。

研究區(qū)內(nèi)一些落葉松林內(nèi)存在大量易燃可燃物及可燃物梯，易形成樹冠火。如果利用人工或機械措施清理這類可燃物的可燃物梯，或者通過低強度計劃火燒清理地表細小可燃物，森林燃燒性會進一步降低，樹冠火發(fā)生比例也會進一步減少。相關研究也表明降低地表可燃物載量可以減少林火的發(fā)生。劉志華等[7]認為計劃火燒可以在一定程度上減少潛在的森林火災面積。Shang 等[35]利用LANDIS模擬了計劃火燒處理后硬木闊葉林的火險變化，認為計劃火燒結(jié)合粗大可燃物的處理可降低森林火險。

6 結(jié)論

火險期前對一個區(qū)域內(nèi)的草類可燃物進行計劃火燒處理，能有效降低區(qū)域內(nèi)森林的燃燒性。計劃火燒處理區(qū)域附近2 561.8 m 范圍內(nèi)的森林燃燒性明顯降低。計劃火燒后整個區(qū)域的平均燃燒概率降低了24.4%，火強度、蔓延速度及樹冠火比例分別降低17.9%、24.3%及11.7%。各類型可燃物燃燒概率較計劃火燒前均呈下降趨勢，其中落葉針葉林和混交林燃燒概率分別降低5.9%和4.2%。與計劃火燒前相比，火燒后各類型可燃物火行為均降低，闊葉林和落葉針葉林降幅明顯。證明計劃火燒是預防一個區(qū)域發(fā)生森林大火和降低森林燃燒性的有效措施。