無風條件下蒙古櫟—紅松混交林下地表可燃物3種火源點燃的能力分析

張運林，宋 紅，胡海清

（東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040）

森林火災在短時間內釋放巨大能量，造成大面積森林毀滅，嚴重破壞森林生態系統[1]。隨著全球氣候變暖，森林火災發生次數不斷增加，需要完善林火預報系統以應對森林火災的頻繁發生，使森林火災預防工作可以有的放矢的進行。林火預報是通過測定和計算自然與人為因素來預估林火發生的可能性、林火發生后的火行為指標和森林火災控制的難易程度[2]。林火發生需具備3個條件：可燃物、火源和火環境，三者任意一個發生改變，可燃物被引燃的概率及火源的引燃能力都會發生改變。因此，可燃物、火源和環境之間的相互關系對林火發生預報極其重要。

火源指來自森林外界，能夠為林火發生提供最低能源的現象和行為的熱源。林火最初由火源引燃林內地表細小死可燃物，進而蔓延成森林火災。因此，火源點燃細小可燃物的概率對林火發生預報具有重要意義。這一方面研究已有開展，因為火源種類、大小和狀態決定了火源特性和燃燒持續時間等[3-4]，因而當前關于火源引燃概率的研究也主要集中這些方面。對于相同可燃物種類，不同種類火源的引燃能力可能不同[5]。Ganteaume等[6]在不同風速條件下，使用球果、樹枝及樹皮等作為火源點燃松針、闊葉及草類床層，比較分析了相同可燃物床層時，不同類型火源的引燃能力及一些火行為指標；Perez[7]選擇不同樹種的樹皮、葉片和針葉作為火源點燃相同可燃物床層，發現球果作為火源時的引燃能力最強?；鹪创笮〔煌?，引燃能力也有差別；Wright[8]用不同尺寸的火源引燃松針床層，發現最大尺寸的火源能引燃的最大床層含水率范圍最高，點燃能力最強；Manzello等[9]測試不同尺寸圓形陰燃火源點燃能力，發現圓盤直徑超過50 mm時才有可能點燃松針床層。此外，火源狀態對引燃能力的影響也很大，Ellis[10]在不同風速下，用相同尺寸和質量的陰燃火源和明火火源引燃針葉床層，發現當松針床層含水率低于9%時，明火火源可以引燃床層，無風條件下陰燃火源都無法點燃可燃物床層；還有學者[9]用相同尺寸的小圓盤作為明火和陰燃火源引燃闊葉床層，發現不論床層含水率和風速如何改變，陰燃火源都無法引燃可燃物床層，當闊葉床層含水率低于11%時，明火火源可以引燃。雖然前人對火源引燃能力進行了廣泛研究，但相同火源引燃不同可燃物種類的情況不同，對于我們國家的可燃物，之前的研究并不適用，因而選擇我國典型可燃物，進行幾種典型火源引燃能力和一些火行為指標分析，對我國林火預報研究有重要意義。

燃燒著的煙頭（以“煙頭”簡稱）是一種特殊火源，在人為火源中占到很大比例[11]。煙頭為陰燃狀態，引燃可燃物初期很難被發現，當監測到煙霧時可能已經蔓延成一場森林大火，耽誤最佳撲火時機，所以煙頭研究很重要。國內外[12-14]也進行了這方面的研究，發現風、床層含水率等因子對煙頭點燃概率的影響很大。一場森林大火中也會產生一些新的火源，隨氣流遷移至火場其他地方，引燃新的可燃物，又稱為飛火。有學者對飛火時產生的火源種類進行研究，Manzello[15-16]通過點燒杉樹發現，實驗中產生的飛火火源都為圓柱形，平均長度為4～6 cm，質量為0.3～2.3 g，火柴與火后產生的火源相近；還有一些燃燒著的葉片也會落在其他可燃物上，產生新的火場。用火柴和葉片模擬火場中新產生的火源，研究其點燃機理具有實際意義。風對火源引燃能力及一些火行為指標有顯著影響[10]，但風速的影響與火源位置、風向、可燃物種類等都有一定關系[7,10,17]，在無風條件下研究3種火源的點燃能力可以降低問題復雜性，所以本研究選擇煙頭、火柴和燃燒著闊葉作為典型火源，研究其無風條件下引燃能力，建立火源點燃概率預報模型。對于有風條件時火源引燃能力的分析另文再述。

紅松Pinus koraiensis-蒙古櫟Quercus mongolica針闊混交林是我國東北地區最重要的典型森林群落，蒙古櫟作為紅松針闊混交林重要伴生樹種，其葉片在秋季不易脫落且落下后易形成蜷縮狀，很易燃[18]，紅松針葉也極易燃燒，研究該林分地表細小可燃物被不同火源引燃能力很有意義。所以選擇紅松-蒙古櫟針闊混交林地表細小凋落物野外實際床層為點燒對象，研究煙頭、火柴和燃燒著闊葉3火源的引燃能力及一些火行為指標，分析床層特征對不同火源引燃能力和一些火行為指標的影響，為我國林火預報研究提供基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于帽兒山老爺嶺森林生態系統定位站（45°20′N，127°30′E），屬大陸性季風氣候，夏季溫暖濕潤，冬季寒冷干燥，年平均溫度為3.1 ℃，1月份平均溫度最低，為-18.5 ℃，7月份平均溫度最高，為22 ℃。全年平均降水量為629 mm，降雨主要集中在6、7、8月，能占到全年降水總量的一半以上。研究區植被為長白山植被區系，現有植被主要包括白樺Betula platuphyllaSuk.、蒙古櫟、胡桃楸Juglans mandshuricaMaxim.、水曲柳Fraxinus mandshruicaRupr、紅松及興安落葉松Larix gmeliniiRupr等。

1.2 試驗設計

試驗于2016年4月—2016年6月進行。紅松-蒙古櫟針闊混交林樣地具體信息見表1。選擇長寬高分別為17、17、5 cm的無頂蓋鐵框作為燃燒床。每天14:00時，用特制采樣器按照燃燒床大小在混交林下非破壞性（保持地表細小可燃物床層原有結構及特征）的采集地表凋落物，并將其移入燃燒床，并帶回點燒實驗室。記錄每個燃燒床質量并編號，每次放入樣品后稱量，兩者之差記為當次樣品質量；用鋼尺測得樣品高度，即為床層高度。

表1 樣地信息Table1 Information of sampling plots

為得到整個燃燒床層的可燃物含水率，同時在采集樣品附近位置隨機選擇3個樣點，用同樣方法采集凋落物放入信封，并立即稱其濕質量，帶回實驗室于105 ℃烘干24 h，得到干質量，求得每個樣點可燃物含水率，3個樣點的含水率的算術平均值認為是當日樣地內凋落物床層的含水率。在點燒實驗室，用煙頭、火柴及蒙古櫟闊葉模擬不同的火源，從高為1.3 m處扔入可燃物床層進行點燒實驗。參與試驗的煙頭長度為2.5 cm（含過濾嘴），保證落在床層時煙頭前方為紅星狀態；點燃每日烘干的蒙古櫟闊葉，作為燃燒著的闊葉火源。

每天火柴和煙頭進行6次點燒試驗，燃燒著闊葉進行3次點燒試驗，記錄可燃物床層被點燃后的火焰高度，并用攝像機錄制整個燃燒過程。其中以煙頭為火源進行了19 d試驗，共114次點燒（因為發現無風條件下，煙頭都不能點燃可燃物，所以沒有繼續進行試驗）；以火柴和闊葉為火源都進行了62 d試驗，各372和186次點燒。每次點燒實驗只要出現明火并可以蔓延即認為火源能夠引燃可燃物。所有試驗都是在平地無風條件下進行的。

1.3 數據處理

1.3.1 凋落物床層含水率的計算

用3個樣點的床層含水率算數平均值作為當日可燃物床層的含水率。用于采集可燃物的信封烘干前及烘干后的質量分別為6.06 g及5.76 g。根據式（1）計算每天可燃物床層含水率：

式（1）中：Mj為樣地第j天可燃物床層的含水率（%）；Whi為樣地第i個點的凋落物濕質量（g），Wdi為樣地第i個點的凋落物干質量（g）。

1.3.2 床層密實度的計算

床層密實度表示可燃物床層的緊密程度，是可燃物床層體積密度與其顆粒密度的比值，計算公式如（2）。其中，床層體積密度是指可燃物自身質量與所占體積的比值，顆粒密度為固定值，蒙古櫟和紅松地表細小可燃物的顆粒密度別為 548.3 kg·m-3及 378.4 kg·m-3，根據野外調查，地表細小可燃物中紅松及蒙古櫟凋落物的組成配比約為6∶4，則認為床層整體的顆粒密度為446.36 kg·m-3。每次點燒的凋落物床層密實度都不同，可燃物床層密實度計算公式如下：

式（2）中：β表示床層密實度（無量綱），A表示凋落物床層體積密度（kg·m-3）；B表示凋落物的顆粒密度（kg·m-3），本研究為固定值 446.36 kg·m-3。下同。

床層體積密度A的計算公式如（3）所示：

式（3）中：m表示可燃物質量（kg）；a、b、h分別表示可燃物床層的長、寬、高（m）。下同。

將公式（3）代入（2）中，則每次點燒的床層密實度計算公式如下：

1.3.3 點燃概率及火焰高度與床層特征之間的關系

根據點燒實驗結果，火源能引燃可燃物床層時的最大含水率就是該火源能引燃可燃物床層的臨界含水率，當床層含水率超過最大值時研究沒有意義，所以進行低于臨界含水率值時的數據分析。試驗中床層特征包括床層含水率、密實度和高度，采用Pearson相關系數分析點燃概率及火焰高度與這些床層特征之間的相互關系。

床層含水率對點燃概率的影響已經有很多研究，但是密實度具體如何影響的卻比較少。因此對能被引燃最低床層含水率相對應的床層密實度分類，繪制不同密實度范圍時，點燃概率變化折線圖，分析密實度對不同火源點燃概率的具體影響。

1.3.4 不同形式火源的點燃概率、火焰高度的差異性分析

Ganteaume.A[6]等人認為火源種類與點燃概率之間有顯著相關性，火源種類不同，其點燃能力也不相同，可燃物被引燃后的一系列火行為也有差異。使用SPSS軟件對各種形式火源的點燃概率及火焰高度進行差異顯著性分析，得到不同火源之點燃概率及被引燃后的火行為是否有顯著差異。

1.3.5 建立Logistic預測模型

Logistic模型目前被廣泛地應用于研究林火發生概率模型方面[19-22]，是當響應變量為二元分類時，例如本試驗中點燃與未點燃時建立的發生概率預測模型。其中可燃物床層被點燃，記為y=1，不能點燃可燃物床層，記為y=0。以可燃物床層含水率、密實度和高度作為自變量采用wald向前方式去掉不相關的自變量，建立Logistic點燃概率預測模型，如公式（5）:

以往使用Logistic模型進行林火預測模型研究中，常以0.5為閾值，當預測值小于0.5就不能被點燃，大于0.5則可以被點燃，但這種閾值選擇過于主觀，并無統計學意義，因而學者提出用約登指數作為林火發生的最佳閾值[20,23,24]更為合適。約登指數是靈敏度與特異度之和減去1，其中靈敏度是實際點燃并預測為點燃的概率，特異度是實際未點燃并預測為未點燃的概率，一般認為當約登指數最大時所對應的值為最佳閾值。以靈敏度為縱坐標，誤判率（1-特異度）為橫坐標，然后通過移動判斷點得到多對靈敏度和誤判率，連接這些點繪制曲線，得到ROC曲線，計算曲線下面積（AUC），面積范圍為0～1，一般認為大于0.7時模型就有一定意義，越接近1模型價值越高。

2 結果與分析

2.1 試驗基本情況

表2給出點燒試驗基本情況，扔火柴進行了372次點燒試驗，其中床層含水率最小為11%，最大為253%，密實度最小為0.01，最大為0.14，床層高度最低為1.5 cm，最高為3.7 cm；扔煙頭進行了114次點燒試驗，床層含水率范圍為11%～242%，密實度在0.02～0.11之間，床層高度范圍為2.2～3.8 cm；扔燃燒著闊葉進行了186次點燒試驗，床層含水率范圍與扔火柴范圍相同，床層密實度最小為0.02，最大為0.14，平均值為0.05，床層高度范圍為1.8～4 cm。

表2 3種火源形式時點燒試驗床層基本信息Table2 Basic information table of beds in three fire sources

2.2 火源點燃概率影響因子分析

火柴和闊葉能引燃可燃物床層的臨界含水率分別為26%和24%，所以僅進行含水率低于該值以下的情況才有意義。圖1 給出不同形式火源點燃概率及火焰高度與床層特征間的相關系數。從圖1-a可以看出2種火源的點燃概率與床層含水率都呈極顯著負相關關系，隨著床層含水率增加，點燃可燃物需要的能量增多，因而越不容易引燃?；鸩窈烷熑~點燃概率隨著床層密實度增大而減小，可能是因為本實驗實在無風條件下進行的，密實度越大，燃燒區氧氣供應降低到這點燃概率下降。2種火源的點燃概率與床層高度都沒有關系。

從圖1-b可以看出，火柴引燃可燃床層后火焰高度與床層含水率和密實度呈極顯著負相關，隨著含水率和密實度的下降，床層火行為更加劇烈。

2.3 不同密實度范圍內點燃概率變化分析

通過可燃物床層不同特征間的相關性分析發現，可燃物床層含水率與密實度為正相關，對于野外實際可燃物床層，含水率較低時其密實度往往也不高，所以點燃概率與密實度成反比很可能是因為含水率的影響。因此要分析在剔除床層含水率的影響后，野外實際床層密實度閾值范圍內，不同密實度對點燃概率的影響。

圖1 不同火源點燃概率及火焰高度與床層特征相關性分析Fig.1 Correlation analysis of ignition probability, flame height and bed characteristics of different fire sources

圖2 不同密實度范圍內火源點燃概率折線Fig.2 The line graph of different com and ignition probability on different fuelbed compactness

將床層密實度分類，得到低含水率時不同密實度范圍的點燃概率。圖2給出2種形式火源點燃概率與不同范圍密實度的關系。從圖2-a可以看出對于火柴，床層含水率低于26%時其密實度的范圍為0.005～0.075，其中隨著密實度區間范圍的增加，點燃概率先增加后減小。床層密實度低于0.015及超過0.065時，火柴都不能點燃可燃物床層，密實度范圍在0.015～0.025時點燃概率最高，可以達到37.5%。

從圖2-b可以看出，對于燃燒著闊葉，參與試驗的床層含水率低于24%時的密實度范圍為0.015～0.055。在此范圍內，隨著密實度的增加，點燃概率減小，密實度范圍在0.015～0.025時點燃概率最大，結果與火柴相同。

2.4 不同火源點燃概率、火焰高度的差異性分析

圖3給出不同火源點燃概率與火焰高度的差異性分析柱狀圖?？梢钥闯?，火柴的平均點燃概率最大，燃燒著闊葉次之，煙頭平均點燃概率最低為0，而燃燒著闊葉點燃可燃物后平均火焰高度要火柴?；鸩衽c燃燒著闊葉的點燃概率與火焰高度都沒有顯著差異；煙頭點燃概率與其他兩種火源有差異。

2.5 Logistic預測模型

無風條件下煙頭不論以何種方式落在床層都未發生引燃，因而不參與建模。本研究對火柴和燃燒著闊葉兩種火源種類建立Logistic點燃概率預測模型。當床層含水率超過26%和24%時，火柴和燃燒著闊葉都無法引燃可燃物床層，對其進行Logistic回歸沒有實際意義。因此選擇含水率小于臨界值的數據，建立低含水率時2種火源點燃概率預測模型。其中發生點燃賦值為1，未發生點燃賦值為0，采用向前逐步回歸法將不顯著變量逐一剔除，得到最優模型。表3給出2種不同火源方式的參數擬合，扔火柴及平放火柴的預測模型中只有床層含水率與點燃概率有顯著相關性?；鸩窈腿紵熑~2種方式的Logistic點燃概率預測分別為公式（6）和（7）：

圖3 不同火源形式時點燃概率與火焰高度的差異性分析Fig.3 Difference analysis of ignition probability and flame height in different fire sources

式（6）、式（7）中：Xn為可燃物床層含水率（%），式（6）中X1范圍為11%～26%；式（7）中X2范圍為11%～24%。

根據約登指數計算得到最佳臨界值，火柴和燃燒著闊葉的預測模型的最佳臨界值分別為0.38和0.37。以上述值作為模型閾值時，火柴點燃概率預測模型的預報點燃準確率為72.9%，誤報率為32.3%；燃燒著闊葉點燃概率預測模型的預報點燃準確率為71.4%，模型誤報率為25.8%。

表3 Logistic最優模型的參數擬合Table3 Parametric fitting of Logistic optimal model

圖4中a、b分別表示火柴和燃燒著闊葉2種火源Logistic點燃概率預測模型的ROC曲線，表4給出2種模型ROC曲線的下面積值（AUC）分別為0.771和0.763，且顯著性水平Sig＜0.01，說明本研究建立的2個logisitc預測模型都具有統計學意義，并且擬合效果較好。

圖4 模型ROC擬合曲線Fig.4 ROC curve of Logistic model

表4 AUC檢驗結果Table4 Results of AUC test

3 結論與討論

本研究以紅松-蒙古櫟針闊混交林野地表細小可燃物為研究對象，從2016年4月8日—2016年6月8日每天以非破壞性采樣的方法采集凋落物，并用火柴、煙頭和燃燒著闊葉點燒床層，在無風條件下進行了672次點燒試驗。其中火柴的平均點燃概率最大，燃燒著闊葉點燃概率次之，煙頭無法引燃可燃物床層。煙頭為陰燃火源，所有點燒試驗是在無風條件下進行的室內試驗，之前國內外學者[11,14,25-26]也有研究證明在無風條件下，煙頭等陰燃火源是不可能引燃可燃物床層的，煙頭可能會使可燃物陰燃，但由于沒有氣流作用，陰燃的落葉無法轉化為明火并且蔓延，所以不能引燃可燃物床層。

可燃物床層能被火柴和燃燒著闊葉引燃的最大床層含水率分別為26%和24%，與其他學者點燒試驗的結果是相似的，例如Wright[27]用火柴能點燃紅松針葉床層的含水率范圍是19%～29%；桉樹闊葉床層[17]及海岸松針葉床層[28]能被點燃的最大床層含水率分別為22.7%和27%?；鸩窈腿紵熑~的點燃概率與可燃物含水率呈負相關關系，因為可燃物燃燒是經過熱解水汽蒸發，釋放燃燒性氣體，在氧氣的作用下可燃性氣體被點燃的化學反應，含水率越大，可燃物蒸發全部水分需要的熱量越多，火源剩余熱量無法維持釋放或者引燃燃燒性氣體，所以點燃概率會降低。2種火源的火焰高度與床層含水率呈反比與床層高度有正相關關系，火焰高度作為一個火行為指標，含水率越低燃燒反應越劇烈，火焰高度越高，所以兩者為負相關關系。

點燃概率與床層密實度呈反比，當床層含水率低于能被引燃最低含水率時，床層密實度在0.015～0.025時點燃概率最大，然后開始下降，床層密實度過高或過低時，火柴均無法引燃可燃物床層。這可能是因為床層密實度過低時，可燃性氣體無法蓄積且床層中可燃物連貫性差，熱傳遞效果不好，所以點燃概率低；床層密實度過高時，由于試驗為無風條件，氧氣無法進入床層，氧氣濃度下降，反應劇烈程度也下降，點燃概率也降低。

本試驗是在春季防火期進行的，床層可燃物含水率低于30%的天數占到了全部試驗天數的一半以上，說明春防期被火源引燃的可能性極大，所以需要加強防火期內的林區火源管理，減少火源引起的森林火災。此外，本實驗揭露了床層含水率較低時，不同范圍內床層密實度對點燃概率影響很大，床層密實度為最適值時點燃概率可以達到最大，對于特別稀松或者非常密實的床層，被引燃的概率較低。本試驗以野外非破壞性采樣得到的床層進行的點燒，雖然實驗過程中各種條件的可控性較差，具有一定局限性，但能反應3種火源最真實的點燃概率，更具有說服力。本研究并未將環境因子作為影響點燃概率的驅動因子引入試驗，特別是風速等對點燃概率的影響很大[29]，因此今后還應該增加環境因子對不同火源點燃概率的影響，為不同火源建立更準確的點燃概率預測模型，對我國林火預報工作有重要意義。