風速對馬尾松和白櫟凋落物床層重要失水時間的影響1)

張運林 田玲玲 代科陽 羅華

(貴州師范學院,貴陽,550018)

森林凋落物作為林火的引火物,其含水率決定林火發(fā)生的概率和可能表現(xiàn)出的一系列火行為指標[1-2]。林火管理者主要關注2個凋落物含水率值:一是凋落物可能被引燃的最大含水率閾值;二是凋落物被引燃后蔓延速度倍增的含水率值[3-5]。這2個含水率決定了林火發(fā)生的概率,并影響林火撲救的速度,十分重要[6-7]。凋落物含水率動態(tài)變化主要受氣象要素的影響,降雨使凋落物含水率迅速增加,此時凋落物幾乎不能被引燃發(fā)生林火。雨后凋落物受空氣溫濕度和風速等氣象因子的作用,其含水率會逐漸下降。與2個重要的凋落物含水率值相比,管理人員和學者更關注2個重要的失水時間:一是雨后,凋落物含水率從飽和(不燃)下降至可燃所需的時間;二是凋落物含水率從可燃下降至蔓延速率倍增所需的時間。準確得到凋落物2個重要失水時間,對于準確預報林火發(fā)生和火行為具有重要意義。

凋落物失水情況主要受空氣溫濕度、風速和床層結構等的影響,相較于風速,溫濕度在室內更好控制,因此,關于溫濕度對凋落物失水情況的研究較多[8-10]。風速一方面會促進凋落物水分散失,另一方面會降低凋落物溫度,阻礙失水,具有雙重性,目前,國內外關于風速對失水過程和失水時間的研究較少。Britton et al.[11]分析得到風速對凋落物水分的影響并非線性的,失水時間并非隨著風速的增加而增加;張運林等[12]以東北典型樹種蒙古櫟(Quercusmongolica)和紅松(Pinuskoraiensis)為研究對象,分析了風速對其失水時間的影響,并建立預測模型[6,13]。但這些研究的樹種選擇基本上都集中在高緯度區(qū)域[14],且大部分沒有考慮床層結構的影響,而床層結構和凋落物類型對水分變化有顯著影響[5,15-16],不考慮床層結構和類型往往也是造成預測誤差主要原因之一。

綜上,為理解風速對凋落物水分動態(tài)變化的影響,得到雨后凋落物含水率從飽和含水率下降至可燃含水率和可燃含水率下降至蔓延速度倍增時含水率所需的時間,本研究選擇針葉和闊葉2種凋落物作為研究對象,并構造不同壓縮比的床層,室內模擬不同風速,得到針葉和闊葉的2個重要失水時間,分析風速和壓縮比對失水時間的影響,并建立預測模型,對于進一步理解水分動態(tài)變化和后續(xù)提高火險預報精度具有重要意義。

西南林區(qū)作為我國第二大林區(qū),是森林火災危害嚴重的主要地區(qū)之一,且該區(qū)域多為集體林區(qū),山區(qū)村寨分散,農(nóng)戶、山林和農(nóng)田相互交錯,一旦發(fā)生森林火災,極難撲救,對當?shù)亟?jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響[17-19]。但學者們對該區(qū)域林火研究較少,特別是典型植被凋落物含水率的研究。因此,本研究選擇西南林區(qū)分布較廣且易燃的樹種馬尾松(Pinusmassoniana)和白櫟(QuercusfabriHance)凋落物為研究對象,對于進一步理解風速對該區(qū)域典型樹種凋落物水分動態(tài)變化和提高林火管理水平具有重要意義。

1 材料與方法

為保證室內試驗具有實際應用性,本研究在室內構造不同壓縮比的凋落物床層需考慮野外床層的實際情況。因此,在進行室內試驗時,需首先調查野外凋落物床層特征并采集凋落物。研究區(qū)位于貴州省遵義市鳳岡縣天合山(107°43′30″～107°43′38″E、27°44′53″～27°45′1″N),2022年1月,選擇具有代表性的馬尾松林和白櫟林,分別設置1塊25.82 m × 25.82 m的標準地,標準地內隨機設置30個10 cm × 10 cm的樣方,測定每個樣方凋落物床層的厚度(鋼尺測量樣方4邊的厚度,并以4邊的均值作為該樣方凋落物床層的厚度)和壓縮比,并將30個樣方的厚度和壓縮比的均值作為整個樣地凋落物床層的平均厚度和平均壓縮比(表1)。

表1 馬尾松、白櫟樣地和凋落物床層基本特征

當年凋落的和經(jīng)過風化的葉片的水分動態(tài)變化對外界的適應性不同[15],而研究區(qū)每年2—4月為火災高發(fā)期,期間發(fā)生火災次數(shù)約占整個貴州省森林火災次數(shù)的50%以上[19]。因此,本研究采集經(jīng)過風化后的闊葉和針葉進行室內模擬,保證采集的針葉和闊葉結構完整。

1.1 室內模擬試驗

2022年3—4月開展室內模擬試驗。室內模擬不同壓縮比的馬尾松針葉和白櫟闊葉床層在不同風速的失水情況,因此需要構造滿足試驗需要的凋落物床層[20]和風速。具體方法如下:

構造不同壓縮比的凋落物床層。根據(jù)野外調查可知,野外馬尾松針葉床層的平均厚度為3.000 cm,壓縮比變化范圍為0.016～0.061;白櫟闊葉床層的平均厚度為4.600 cm,壓縮比變化范圍為0.014～0.042。為保證室內研究更契合野外實際情況,本研究室內構造的馬尾松針葉床層厚度設置為3.00 cm,壓縮比設置5個梯度(0.016、0.028、0.038、0.049、0.062);白櫟闊葉床層厚度設置為4.60 cm,壓縮比設置4個梯度(0.014、0.024、0.033、0.042)。為更好地模擬野外風速并避免承裝物對失水過程的影響,本研究選擇無頂蓋鐵框承裝凋落物,并在四周用不銹鋼篩網(wǎng)(孔徑0.88 mm)包圍,最大限度模擬野外凋落物間的空隙大小,并減少橫向失水。試驗中,凋落物床層長、寬均為23 cm,結合設定的厚度值,則馬尾松和白櫟凋落物床層的體積分別為0.001 6、0.002 4 m3。

床層壓縮比表示床層內凋落物單體之間的緊密程度,主要由凋落物顆粒密度和體積密度的比值決定,其中,凋落物顆粒密度為定值。根據(jù)查閱文獻和室內測定可知,馬尾松和白櫟凋落物的顆粒密度分別為623.6、543.6 kg·m-3[8]。根據(jù)壓縮比公式β=ρb/ρp(β為床層壓縮比;ρb為床層體積密度;ρp為凋落物顆粒密度)和馬尾松、白櫟凋落物床層體積,得到不同床層壓縮比時所需的質量,馬尾松5個壓縮比梯度對應的質量分別為13.52、23.34、32.36、41.73、52.37 g,白櫟4個壓縮比梯度對應的質量分別為20.73、35.80、49.62、63.98 g。將野外采集的凋落物在105 ℃烘干至質量恒定,取各壓縮比梯度所對應質量的凋落物,置于水中浸泡1 d以上,取出自然晾干后用紙巾將其表面自由水擦拭,構造對應體積的針葉和闊葉床層。凋落物床層下腐殖質和土壤含水量對其失水時間有影響,為更好揭示單獨風速的影響,本研究并未考慮腐殖質層和土壤層。

風速設置。已有研究表明,森林中的風速一般不超過5 m·s-1[21],因此,本研究共設置5個風速梯度(1、2、3、4、5 m·s-1)。選擇風扇作為風速來源,將手持氣象站置于凋落物床層中心,通過調節(jié)風扇與凋落物之間的距離得到試驗需要的風速。為更好的模擬野外風速,試驗中風速與凋落物表面平行。

失水試驗。在每個風速和床層壓縮比的組合條件下,每隔10 min稱量1次凋落物床層質量,至質量變化幅度不超過±1%時,該組合條件的失水試驗認定為結束,并同步記錄每次稱量時的空氣溫度和相對濕度。每個組合都進行3次重復試驗,白櫟共進行60次試驗,馬尾松共進行75次試驗。

1.2 數(shù)據(jù)處理

確定2個重要失水時間。為分析風速和床層壓縮比對2個重要失水時間的影響,本研究需首先確定2個重要失水時間的含水率分界點。Luke et al.[22]研究認為,當?shù)蚵湮锖食^30%時,幾乎不可能被引燃,因此第一個重要失水時間為從雨后飽和含水率下降至30%時所需的時間,用t1表示;根據(jù)Rothermel蔓延速度預測模型和前人研究[6,23],以凋落物含水率30%為基準點,蔓延速度倍增時凋落物含水率約為20%,因此第二個重要失水時間為凋落物含水率從30%下降至20%所需的時間,用t2表示。

影響因子分析方法。采用方差分析,得到風速和床層壓縮比對馬尾松和白櫟床層2個重要失水時間是否有顯著影響。選擇Duncan多重比較法,分析影響因子(風速和壓縮比)對兩個重要失水時間的具體影響。

2個重要失水時間預測模型。根據(jù)影響因子和影響趨勢,以有顯著影響的因子為自變量,每個組合的3組重復試驗失水時間均值為因變量,分別考慮多種模型形式(線性、指數(shù)或冪函數(shù)等),建立精度高的馬尾松和白櫟床層2個重要失水時間的預測模型。選擇k折交叉驗證方法,計算失水時間預測模型的平均絕對誤差(Ema)和平均相對誤差(Emr,式1、2)。繪制出實測失水時間和預測失水時間1∶1對比圖,得到失水時間在不同區(qū)間時的預測效果。

(1)

(2)

以上所有的數(shù)據(jù)處理均在Excel 2010、SPSS 26.0和Origin 2021.a中完成。

2 結果與分析

2.1 基本情況統(tǒng)計

表2給出整個失水試驗過程中,空氣溫濕度和凋落物床層含水率的統(tǒng)計結果?？梢?馬尾松凋落物的溫度變化范圍為24.32～27.72 ℃,濕度變化范圍為58.38%～70.61%,白櫟凋落物的溫度變化范圍為26.90～29.80 ℃,濕度變化范圍為63.23%～75.37%,結合25%分位數(shù)可認為,在整個試驗周期內,試驗環(huán)境近似為恒溫恒濕條件。馬尾松和白櫟床層在75%分位數(shù)時的初始含水率分別為101.72%、103.56%,接近于平均值,可近似認為整個試驗過程中,初始含水率基本接近。

表2 試驗過程中空氣溫濕度和凋落物床層含水率

2.2 影響因子分析

表3給出各因子對失水時間影響的方差分析結果,風速、床層壓縮比和兩者的交互作用對馬尾松針葉和白櫟闊葉床層的2個重要失水時間均有極顯著影響(P<0.001)。因此,需區(qū)分影響因子,分析其分別對失水時間的影響。

表3 各因子對失水時間影響的方差分析結果

表4給出不同風速和壓縮比組合時,馬尾松針葉床層的2個失水時間變化情況。第一階段失水時間(t1)均顯著高于第二階段(t2)。不論床層壓縮比如何改變,t1隨風速的增加均呈指數(shù)下降趨勢,壓縮比不同時,風速對失水時間的影響不同。風速對t2的影響沒有t1顯著,且當床層壓縮比為0.016時,風速對t2沒有顯著影響,其他床層壓縮比時,隨著風速的增加,t2呈近似直線或指數(shù)下降趨勢。固定風速時,兩個失水時間表現(xiàn)一致,均是失水時間隨著壓縮比的增加呈增加趨勢。

表4 不同風速和壓縮比組合時馬尾松床層的失水時間

當風速不高于5 m·s-1,白櫟闊葉床層壓縮比較低(0.014、0.024)時,2個失水時間沒有呈現(xiàn)顯著差異,其余風速和床層壓縮比組合時,2個失水時間都有顯著差異。不論風速和壓縮比如何改變,2個失水時間都呈指數(shù)下降,但相鄰風速梯度間差異不顯著(表5)。

表5 不同風速和壓縮比組合時白櫟床層的失水時間

2.3 失水時間預測模型

根據(jù)2.2中馬尾松和白櫟凋落物床層2個失水時間隨風速和壓縮比的變化情況,建立基于風速和壓縮比的失水時間預測模型(表6)?？梢?不論是馬尾松還是白櫟凋落物床層,均是t1的預測模型要優(yōu)于t2,馬尾松的預測精度高于白櫟。

表6 失水時間預測模型

圖1 失水時間實測值和預測值1∶1對比圖

馬尾松針葉床層的2個失水時間基本都能均勻分布在1∶1線兩側,當t1實測值較高時,預測值偏大;白櫟闊葉床層2個失水時間預測效果相似,當t1和t2實測值較低時,預測值偏高,當t1實測值較高時,預測值偏低。

3 討論

在本研究范圍內,馬尾松針葉床層含水率從雨后降至可能被引燃的含水率所需的時間變化范圍為0.46～2.83h,白櫟為0.33～1.83h,相同條件時,針葉的失水時間高于闊葉。相同風速和床層壓縮比條件時,白櫟闊葉床層含水率從可燃降至蔓延速率倍增所需的時間略高于馬尾松,主要是由于失水機理和凋落物理化性質不同所致。由于失水試驗中的風速為持續(xù)風速,且并未考慮其他影響因素(腐殖質層和土壤層含水量、溫濕度等),因此本研究得到的失水時間與野外實際情況存在出入。但本研究旨在揭示單獨風速對雨后凋落物床層失水時間的影響,其他因子的影響和野外研究將在后續(xù)進行。

馬尾松和白櫟凋落物床層t1(雨后凋落物含水率從飽和含水率下降至30%時所需的時間)與風速、床層壓縮比和交互作用顯著相關。雨后飽和含水率降至可燃含水率,其失水機理主要為蒸發(fā),自由水向外擴散[24]。隨著風速的增加,會促進凋落物表面氣流流動,且降低凋落物溫度,增大凋落物內外濕度差,促進凋落物水分向外蒸發(fā),因此會縮短失水時間。而床層壓縮比表征床層內凋落物單體的緊密程度,也決定了水分向外擴散路徑的復雜程度[25],因此,隨著床層壓縮比的增大,會抑制水分向外蒸發(fā),增加失水時間。由表4、5可見,蒸發(fā)階段,壓縮比對失水過程的影響要強于風速,也進一步揭示了相同條件時,針葉失水時間大于闊葉,這主要是由于即使針葉和闊葉的壓縮比相同,但由于相較于針葉,闊葉形態(tài)更為不規(guī)則,在一定程度上路徑相對更簡單,因此闊葉的失水時間會小于針葉。

馬尾松和白櫟床層t2(凋落物含水率從30%下降至20%所需的時間)與影響因子極顯著相關,這與張儷斌等[26]的研究結果不同,其認為,風速和壓縮比對紅松t2沒有顯著影響,這主要是由于本研究的風速和壓縮比區(qū)間遠大于其研究。2種凋落物類型失水時間的差異性主要表現(xiàn)在風速由1m·s-1增加至其他風速時,而壓縮比的影響也主要是在低風速(1、2m·s-1)時,這主要與t2失水機理有關。凋落物床層從可燃含水率下降至蔓延速度倍增含水率時主要是由擴散機理控制,而此時失水過程受風速(氣流)的影響更顯著,也進一步解釋了t2是闊葉高于針葉,這主要是針葉表面積體積比大于闊葉,受風速的作用更為顯著[27]。

基于床層壓縮比和風速建立得到馬尾松和白櫟2個失水時間的預測模型,平均相對誤差最大值為13.635%,均在誤差允許范圍內,能夠在實際中應用[28]。針葉和闊葉的失水時間預測模型形式不同,說明針葉和闊葉的失水機理存在一定差異。針葉床層的2個失水時間預測模型的預測效果優(yōu)于闊葉,這主要是由于針葉形態(tài)較為一致,具備同質性結構,因此試驗過程中受凋落物形態(tài)的影響較低,因此預測精度較高[29]。

4 結論

通過室內構造不同壓縮比的針闊葉床層,得到床層在不同風速條件時,從雨后含水率下降至可燃含水率和從可燃含水率下降至蔓延速度倍增含水率所需的2個重要時間,分析其影響因素,并建立2個重要失水時間的預測模型,主要得到以下結論:(1)風速、壓縮比和兩者交互作用對針闊葉床層的2個失水時間都有極顯著影響,對于t1,壓縮比的影響要大于風速,而t2則受風速的影響更大;(2)不論是針葉還是闊葉床層,2個失水時間隨風速增加都呈指數(shù)下降趨勢,隨壓縮比的增加呈線性增加;(3)馬尾松和白櫟凋落物床層的2個失水時間的預測模型誤差均在誤差允許范圍內,能夠在實際中應用。本研究主要是在室內進行,為理想結果,目的是揭示風速的影響,在今后的研究中,還應該考慮腐殖質層含水量、土壤層含水量、空氣溫濕度的影響,并將失水時間與野外凋落物含水率預測模型相耦合,對于進一步了解凋落物床層含水率變化機理,提高火險預報精度具有重要意義。