老爺嶺典型林分內(nèi)地表不同層可燃物含水率動態(tài)變化及濕度碼預(yù)測模型適用性1)

張運(yùn)林

(貴州師范學(xué)院，貴陽，550018)

森林火險預(yù)報能夠預(yù)測林火發(fā)生的可能性及火后控制火災(zāi)的難易程度[1-3]。若能準(zhǔn)確進(jìn)行火險預(yù)報，并根據(jù)預(yù)報結(jié)果指導(dǎo)林火管理工作，能對遏制森林火災(zāi)起到重要作用，真正做到“打早”、“打小”、“打了”。隨著全球氣候變暖，極端天氣頻繁，規(guī)模大、危害性強(qiáng)的森林火災(zāi)出現(xiàn)頻率越來越高，森林資源和人民生命財產(chǎn)安全受到嚴(yán)重威脅。在當(dāng)前形勢下，做好火險預(yù)報，對于保護(hù)森林資源，維持社會、經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定具有重要意義。

可燃物含水率對林火發(fā)生及發(fā)生火災(zāi)后一系列火行為(蔓延速度、火焰高度等)有顯著影響，做好火險預(yù)報最重要的是提高可燃物含水率預(yù)測的精度[4-6]。當(dāng)前對森林可燃物含水率研究主要是對地表凋落物、活可燃物含水率的研究，關(guān)于森林地下可燃物、半腐殖質(zhì)、腐殖質(zhì)含水率的研究較少。地下可燃物對林火垂直傳播起重要作用[7]。研究表明，當(dāng)腐殖質(zhì)含水率低于100%時，就有發(fā)生地下火(陰燃)的可能，一旦發(fā)生陰燃，會對當(dāng)?shù)厣稚鷳B(tài)系統(tǒng)造成長期損害[8]。因此，研究地表不同層可燃物含水率動態(tài)變化，并建立高精度含水率預(yù)測模型，對完善森林火險預(yù)報，保護(hù)森林資源、當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)具有重要意義。

加拿大火險等級系統(tǒng)中包含3個可燃物濕度碼：細(xì)小可燃物濕度碼(FFMC)、腐殖質(zhì)濕度碼(DMC)、干旱碼(DC)，分別代表地表不同層(深度)可燃物濕度[9]。其含水率計算采用半物理方法，具有較好的外推性，因此被世界各國廣泛應(yīng)用于可燃物含水率預(yù)測[10-11]。濕度碼中部分參數(shù)通過加拿大野外試驗獲取，該地區(qū)與我國氣候、植被類型等存在一定差異，因此無法直接使用，需對其進(jìn)行修正[12]。國內(nèi)外關(guān)于濕度碼修正的研究較多，包括建立可燃物含水率與濕度碼的關(guān)系方程；直接對FFMC、DMC、DC尺度模型中的平衡含水率模型、關(guān)鍵參數(shù)等重新校正；對濕度碼尺度模型參數(shù)直接校正等，該系列措施都提高了對可燃物含水率預(yù)測的精度[13-16]。雖然已有較多關(guān)于可燃物含水率和濕度碼預(yù)測含水率的研究，但對于不同層可燃物含水率動態(tài)變化并運(yùn)用濕度碼分別建立預(yù)測模型的研究還較少。

綜上，研究我國東北地區(qū)典型林分不同層可燃物含水率動態(tài)變化，分析濕度碼與含水率的相關(guān)性十分必要。以我國東北地區(qū)蒙古櫟(QuercusMongolica)-紅松(Pinuskoraiensis)混交林、白樺林(BetulaplatyphyllaSuk.)下不同層可燃物為研究對象，分析可燃物含水率動態(tài)變化，運(yùn)用濕度碼分別建立含水率預(yù)測模型，并與其它預(yù)測方法進(jìn)行比較，分析根據(jù)濕度碼建立含水率預(yù)測模型的精度。本研究為地表不同層可燃物含水率研究方法提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和借鑒，有助于更好理解、評價濕度碼的適用性。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省老爺嶺生態(tài)定位站(45°20′N，127°30′E)，海拔200～600 m，平均海拔300 m。研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年最低氣溫約-32.0 ℃，最高氣溫26.0 ℃，年均氣溫2.8 ℃，年均降雨量720 mm，年均蒸發(fā)量1 100 mm?，F(xiàn)有植被主要包括蒙古櫟、白樺、紅松、黃檗(PhellodendronamurenseRupr.)、山楊(Populusdavidiana)等。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測

2.1.1 不同層可燃物含水率監(jiān)測

可燃物含水率監(jiān)測試驗在2016年春季防火期(4月7日—6月8日)內(nèi)進(jìn)行。森林火險預(yù)報是保守預(yù)測，評估當(dāng)日發(fā)生火險可能性最高，即含水率最低的情況。一般認(rèn)為每日14:00時，空氣溫度最高，相對濕度最低，此時可燃物含水率最低，因此每日14:00時進(jìn)行采樣。蒙古櫟-紅松混交林和白樺林中分別隨機(jī)設(shè)置3個樣點(diǎn)，每個樣點(diǎn)分層監(jiān)測含水率。樣地信息如表1所示。

表1 樣地基本信息

地表從上層至下依次為凋落物層(落葉)、半腐殖質(zhì)層(介于凋落物層和腐殖質(zhì)層)、腐殖質(zhì)層(黑色或褐色有機(jī)物質(zhì))[17]。蒙古櫟-紅松混交林下凋落物層、半腐殖質(zhì)層、腐殖質(zhì)層的平均厚度為4.00、2.00、5.00 cm；白樺林下凋落物層、半腐殖質(zhì)層、腐殖質(zhì)層的平均厚度為6.00、3.00、5.00 cm。選擇非破壞性采樣方法從上到下依次采樣，放入信封，在野外快速稱質(zhì)量，其質(zhì)量記為濕質(zhì)量(WH)；將樣品帶回實驗室在105 ℃下烘干至質(zhì)量不再變化為止，稱量得到的質(zhì)量記為干質(zhì)量(WD)。根據(jù)含水率計算公式(1)計算樣點(diǎn)含水率，3個樣點(diǎn)含水率的算術(shù)平均值為當(dāng)日樣地含水率。

(1)

式中：M為可燃物含水率；MH為可燃物濕質(zhì)量；MD為可燃物干質(zhì)量。

2.1.2 氣象要素監(jiān)測

在蒙古櫟-紅松混交林與白樺林之間合適位置，架設(shè)HOBO氣象站，同步監(jiān)測研究區(qū)氣象要素：空氣溫度(T)、相對濕度(H)、風(fēng)速(W)、降雨量(R)等。監(jiān)測時間與可燃物含水率監(jiān)測之間相同，監(jiān)測間隔為30 min。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 濕度碼計算

根據(jù)3個濕度碼計算方法，計算研究期內(nèi)每日濕度碼。FFMC、DMC、DC初始值根據(jù)文獻(xiàn)可知，分別為85、6、15[18]。

2.2.2 氣象要素回歸模型

采用Spearsman相關(guān)性分析，研究不同層可燃物含水率與氣象要素(0～前3 d)之間的相關(guān)性。當(dāng)日氣象要素下標(biāo)為0，前n天平均氣象要素(降雨為累積量)下標(biāo)為-n。例如，當(dāng)日平均風(fēng)速記為W0，前2 d平均風(fēng)速記為W-2。并采用逐步回歸方法，以氣象要素為預(yù)測因子，分別建立不同層可燃物含水率預(yù)測模型。研究認(rèn)為，降雨對可燃物含水率預(yù)測模型精度有影響，因此，根據(jù)前24 h是否有降雨，本研究將數(shù)據(jù)分為全部數(shù)據(jù)、非降雨、降雨數(shù)據(jù)，分別建立預(yù)測模型。具體模型形式如下：

(2)

式中：M為可燃物含水率；Xi為氣象要素；bi為系數(shù)。

2.2.3 濕度碼回歸模型

本研究通過直接建立濕度碼與含水率之間的關(guān)系，進(jìn)行可燃物含水率預(yù)測。采用Spearsman相關(guān)性分析，研究不同層可燃物含水率與濕度碼之間的相關(guān)性。采用逐步回歸法，使用全部數(shù)據(jù)、非降雨數(shù)據(jù)、降雨數(shù)據(jù)分別建立不同可燃物含水率預(yù)測模型。模型形式與式(2)相似，其中Xi表示濕度碼。

2.2.4 預(yù)測模型精度分析

選擇n-fold交叉驗證計算2.2.2和2.2.3中所建立模型的平均絕對誤差(MAE)和平均相對誤差(MRE)，計算公式如式(3)和(4)所示。采用t檢驗比較2種方法誤差之間是否有顯著差異，以實測值為橫坐標(biāo)、預(yù)測值為縱坐標(biāo)，繪制1∶1實測、預(yù)測值比較圖，探究模型預(yù)測效果，分析濕度碼預(yù)測可燃物含水率的適用性。

(3)

(4)

式中：Mi為含水率預(yù)測值；Mj為含水率實測值。

3 結(jié)果與分析

3.1 可燃物含水率、氣象要素和濕度碼統(tǒng)計特征

根據(jù)研究期內(nèi)氣象要素和濕度碼統(tǒng)計特征(表2)，研究期內(nèi)空氣溫度、相對濕度變化范圍分別為1.26～26.09 ℃、17.40%～100.00%；最大風(fēng)速為6.80 m·s-1。從75%分位數(shù)可以看出，研究期內(nèi)大部分時間平均風(fēng)速都小于2.52 m·s-1；單日最大降雨量達(dá)22.80 mm，但有3/4的時間內(nèi)降雨量低于1.00 mm。

表2 氣象要素和濕度碼特征統(tǒng)計

研究期內(nèi)，蒙古櫟-紅松混交林中凋落物、半腐殖質(zhì)、腐殖質(zhì)含水率均值分別為64.95%、132.49%、82.23%；白樺林中3層可燃物含水率均值分別為75.82%、172.54%、136.49%。半腐殖質(zhì)含水率變化區(qū)間最大，凋落物次之，腐殖質(zhì)含水率波動最小。白樺林可燃物含水率均值高于蒙古櫟-紅松混交林。從標(biāo)準(zhǔn)差和單日最大變化值可以看出，白樺林可燃物含水率動態(tài)變化比蒙古櫟-紅松混交林更強(qiáng)烈。從25%、75%分位數(shù)可以看出，約25%的天數(shù)比較干燥，2種林下凋落物含水率都低于20%(表3)。

表3 可燃物含水率特征統(tǒng)計

3.2 不同層可燃物含水率與氣象要素的相關(guān)性

根據(jù)蒙古櫟-紅松混交林、白樺林下不同層可燃物含水率動態(tài)變化與氣象要素的相關(guān)性(表4)。2種林分凋落物含水率都與降雨、相對濕度呈極顯著正相關(guān)，與風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)，且隨著距離采樣時間間隔越長，相關(guān)性逐漸減弱；半腐殖質(zhì)含水率與降雨量、相對濕度呈顯著正相關(guān)，但前3天降雨量、相對濕度對半腐殖質(zhì)含水率的影響明顯減弱；腐殖質(zhì)含水率動態(tài)變化僅與空氣溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性隨著采樣時長的增加逐漸增強(qiáng)。

表4 可燃物含水率與氣象要素相關(guān)性

蒙古櫟-紅松混交林、白樺林中凋落物含水率與FFMC、DMC都呈極顯著負(fù)相關(guān)，與DC不相關(guān)；半腐殖質(zhì)含水率與3個濕度碼都呈極顯著負(fù)相關(guān)，且半腐殖質(zhì)含水率與濕度碼的負(fù)相關(guān)性在FFMC、DMC、DC中呈遞減趨勢；腐殖質(zhì)含水率僅與DC有顯著性差異，且白樺林腐殖質(zhì)含水率的差異顯著性高于蒙古櫟-紅松混交林(表5)。

3.3 可燃物含水率預(yù)測模型

根據(jù)蒙古櫟-紅松混交林、白樺林內(nèi)凋落物含水率預(yù)測模型(表6)，2個林型下，凋落物含水率預(yù)測模型選擇預(yù)測變量都相同。使用全部、非降雨、降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行氣象要素回歸法預(yù)測，預(yù)測變量主要包括當(dāng)日降雨、相對濕度及前1天平均相對濕度；濕度碼法主要包括FFMC、DC。對于蒙古櫟-紅松混交林內(nèi)凋落物，氣象要素回歸模型在全部、非降雨、降雨時MAE分別為24.65%、6.81%、40.63%，濕度碼法MAE分別為31.85%、7.75%、49.69%；對于白樺林內(nèi)凋落物，氣象要素回歸模型在全部、非降雨、降雨時MAE分別為30.57%、10.68%、47.69%，濕度碼法MAE分別為38.00%、11.05%、60.87%。2種林分凋落物含水率的預(yù)測效果都在使用非降雨數(shù)據(jù)時預(yù)測效果最好，全部數(shù)據(jù)次之，降雨數(shù)據(jù)最差。濕度碼法預(yù)測誤差略高于氣象要素回歸法，但除使用降雨數(shù)據(jù)外，兩者誤差無顯著差異(t檢驗，P>0.05)。

表5 可燃物含水率與濕度碼的相關(guān)性

表6 凋落物含水率預(yù)測模型

蒙古櫟-紅松混交林使用全部、降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行氣象要素回歸法建立半腐殖含水率預(yù)測模型，預(yù)測變量都為當(dāng)日降雨量和前2天降雨總量；非降雨模型比較復(fù)雜，包括前2天的平均風(fēng)速、溫度和前3天的平均濕度。白樺林半腐殖含水率氣象要素回歸模型中預(yù)測變量主要是降雨、相對濕度。2種林型的半腐殖質(zhì)含水率濕度碼預(yù)測模型中被選入方程的濕度碼相同。蒙古櫟-紅松混交林使用全部、降雨數(shù)據(jù)時，濕度碼法預(yù)測效果優(yōu)于氣象要素回歸法；使用非降雨數(shù)據(jù)時，氣象要素回歸法預(yù)測效果更好。白樺林使用全部、非降雨數(shù)據(jù)時，濕度碼法預(yù)測效果更好(表7)。

表7 半腐殖質(zhì)含水率預(yù)測模型

蒙古櫟-紅松混交林、白樺林，使用降雨數(shù)據(jù)都無法建立腐殖質(zhì)含水率預(yù)測模型。使用非降雨數(shù)據(jù)時，濕度碼法無法建立蒙古櫟-紅松混交林腐殖質(zhì)含水率的預(yù)測模型。建立氣象要素回歸法的腐殖質(zhì)含水率預(yù)測模型，預(yù)測變量主要包括前n天的空氣溫度；濕度碼預(yù)測模型主要包括DC。使用非降雨數(shù)據(jù)的預(yù)測效果略優(yōu)于使用全部數(shù)據(jù)，濕度碼法預(yù)測效果不如氣象要素回歸法(表8)。

表8 腐殖質(zhì)含水率預(yù)測模型

3.4 可燃物含水率預(yù)測模型誤差比較

蒙古櫟-紅松混交林的3種可燃物含水率在氣象要素回歸法、濕度碼法的實測值和預(yù)測值1∶1圖(見圖1)。對于氣象要素回歸法：使用全部、非降雨數(shù)據(jù)建立凋落物含水率預(yù)測模型，預(yù)測效果接近；使用降雨數(shù)據(jù)預(yù)測效果最差，當(dāng)含水率較低時，預(yù)測值偏高。半腐殖質(zhì)含水率預(yù)測使用全部、非降雨、降雨數(shù)據(jù)得到實測值和預(yù)測值直線斜率接近，預(yù)測值、實測值分布相近，預(yù)測效果較好。腐殖質(zhì)含水率預(yù)測使用非降雨、全部數(shù)據(jù)的回歸效果接近。對于濕度碼法：凋落物含水率預(yù)測使用非降雨數(shù)據(jù)時，預(yù)測效果較好；使用降雨、全部數(shù)據(jù)時，預(yù)測效果較差，主要是含水率過高時，濕度碼對其的解釋程度不夠。半腐殖質(zhì)含水率預(yù)測使用全部、降雨數(shù)據(jù)時，預(yù)測效果較好；使用非降雨數(shù)據(jù)時，效果較差。腐殖質(zhì)含水率預(yù)測使用全部數(shù)據(jù)時，實測值和預(yù)測值沒有分布在1∶1線兩側(cè)，隨著實測值的改變，預(yù)測值幾乎不變，預(yù)測效果較差。

白樺林下可燃物含水率預(yù)測使用氣象要素回歸法時：凋落物含水率使用全部、非降雨數(shù)據(jù)時，預(yù)測效果較好，使用降雨數(shù)據(jù)時，預(yù)測效果較差；半腐殖質(zhì)含水率預(yù)測使用非降雨數(shù)據(jù)預(yù)測效果最好，全部、降雨數(shù)據(jù)的預(yù)測值和實測值斜率接近，預(yù)測效果接近；腐殖質(zhì)含水率使用非降雨數(shù)據(jù)時預(yù)測效果較好。白樺林下凋落物、半腐殖質(zhì)、腐殖質(zhì)使用非降雨數(shù)據(jù)、全部數(shù)據(jù)建立濕度碼預(yù)測方程時預(yù)測效果接近，使用降雨數(shù)據(jù)時預(yù)測效果較差。選擇濕度碼法預(yù)測降雨時半腐殖質(zhì)含水率，預(yù)測值幾乎不隨實測值的變化而改變，預(yù)測效果較差(圖2)。

圖1 蒙古櫟-紅松混交林的可燃物含水率實測值與預(yù)測值1∶1圖

圖2 白樺林下可燃物含水率實測值與預(yù)測值1∶1圖

4 討論

研究期內(nèi)，蒙古櫟-紅松混交林中可燃物含水率極顯著低于白樺林中可燃物含水率(t檢驗，P<0.01)，通過25%分位數(shù)可以看出，蒙古櫟-紅松混交林中半腐殖質(zhì)、腐殖質(zhì)含水率均低于100%，白樺林下腐殖質(zhì)含水率25%分位數(shù)為111.04%。一般認(rèn)為當(dāng)含水率低于100%時[8，17]，有發(fā)生地下火的可能性，說明蒙古櫟-紅松混交林更容易被引燃并垂直蔓延，其發(fā)生地下火的可能性高于白樺林。

2種林型下凋落物含水率動態(tài)變化與降雨、相對濕度、風(fēng)速相關(guān)，且相關(guān)性隨著距離采樣時間間隔增加而減弱，這與zhang et al.[19]的研究結(jié)果相似，主要是由于氣象要素對可燃物含水率的影響有一定的滯后性；半腐殖質(zhì)含水率主要受降雨、相對濕度的影響；腐殖質(zhì)含水率僅與空氣溫度相關(guān)，這與滿子源等[17]、張吉利[20]的研究結(jié)果相似。2種林型下凋落物含水率與FFMC、DMC都呈極顯著負(fù)相關(guān)；半腐殖質(zhì)與3個濕度碼都呈顯著相關(guān)；腐殖質(zhì)含水率僅與DC相關(guān)，這與金森等[21-22]研究結(jié)果相似。不同層可燃物由于其暴露位置、自身理化性質(zhì)不同，對氣象要素的敏感程度、自身水汽交換程度也不同，因此氣象要素及濕度碼對不同可燃物類型含水率動態(tài)變化的影響不同。

對于所有可燃物類型，使用部分(非降雨、降雨)數(shù)據(jù)進(jìn)行含水率預(yù)測幾乎都優(yōu)于使用全部數(shù)據(jù)，這種差異對于凋落物尤為明顯，這與張吉利[20]、張運(yùn)林等[23]的研究結(jié)果相似。降雨條件下，會增大可燃物含水率，特別是凋落物含水率的變異程度增加，導(dǎo)致含水率預(yù)測精度下降。

本研究使用濕度碼法預(yù)測凋落物、半腐殖質(zhì)、腐殖質(zhì)含水率的MAE變化范圍分別為7.75%～60.87%、21.42%～33.90%、19.08%～22.75%。Simard et al.[24]采用相同方法建立凋落物含水率預(yù)測模型的MAE為27.70%，張恒等[9]預(yù)測大興安嶺白樺林凋落物含水率的MAE變化范圍為8.10%～17.10%。本研究與張恒等[9]的研究結(jié)果差異較大，區(qū)別在于是否使用降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本研究若僅考慮非降雨數(shù)據(jù)，2種林下凋落物含水率預(yù)測誤差分別為7.75%、11.05%，與前人研究結(jié)果相似。白樺林下凋落物含水率的預(yù)測效果顯著低于蒙古櫟-紅松混交林，與張吉利等[20]的研究結(jié)果相同，主要是由于闊葉林凋落物含水率偏高，且濕度碼模型是根據(jù)針葉林下凋落物來建立其模型形式、參數(shù)。因此，使用濕度碼預(yù)測對針葉林凋落物更具有適用性。不論是否區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)，2種林型下凋落物含水率使用氣象要素預(yù)測模型和濕度碼模型預(yù)測誤差均沒有顯著差異，濕度碼模型預(yù)測誤差略高。但從1∶1圖可以看出，當(dāng)?shù)蚵湮锖瘦^低時，濕度碼法對其的預(yù)測值估算偏低，這對于實際火險預(yù)報應(yīng)用更具意義，保證不誤報、不漏報。因此，雖然氣象要素回歸法預(yù)測精度更高，但在實際應(yīng)用中使用濕度碼法預(yù)測凋落物含水率更有意義。對于半腐殖質(zhì)含水率預(yù)測，使用全部數(shù)據(jù)時，2種林型均使用濕度碼法的預(yù)測效果更好；使用降雨、非降雨數(shù)據(jù)時2種方法誤差結(jié)果不同，但無顯著差異。對于腐殖質(zhì)含水率預(yù)測，氣象要素回歸模型要優(yōu)于濕度碼模型。

綜上，對于凋落物含水率預(yù)測，濕度碼法在實際火險預(yù)報中更適用；對于半腐殖質(zhì)、腐殖質(zhì)含水率預(yù)測，濕度碼法并沒有表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，說明濕度碼法在應(yīng)用時需要進(jìn)行修正。本研究僅簡單分析了含水率與濕度碼之間的關(guān)系，對于濕度碼中關(guān)鍵參數(shù)模型，例如失水系數(shù)、平衡含水率并沒有進(jìn)行校正，原因是這些參數(shù)模型在國外研究區(qū)獲取，其氣候、地形條件不同，因此對本研究并不適用。此外，失水系數(shù)、平衡含水率模型并沒有考慮床層特征，例如床層密實度、厚度等，但這些指標(biāo)對可燃物含水率動態(tài)變化有顯著影響。在今后的研究中，還需要充分考慮可燃物床層特征，對3個濕度碼的尺度模型及模型中的關(guān)鍵參數(shù)模型重新擬合估計，建立基于床層結(jié)構(gòu)并適用于我國可燃物類型的關(guān)鍵參數(shù)預(yù)測模型。建立精度高、適用性強(qiáng)、外推能力好的濕度碼預(yù)測模型，對地表不同層可燃物含水率的研究具有重要意義。