床層密實度對馬尾松凋落物床層水分變化過程的影響1)

蘭世霞 胡兆柳 金有琪 陳芬芬 張運林

(貴州師范學院，貴陽，550018)

平衡含水率(EMC)表示將可燃物無限期置于固定溫度和濕度條件下，可燃物含水率不在變化，此時的含水率值稱為平衡含水率[1]。隨著空氣溫濕度的改變，可燃物含水率和平衡含水率都發生改變，但可燃物含水率的變化相較于平衡含水率的變化有一定的滯后，這種滯后用時滯表示，指可燃物在這一過程中，水分變化為可燃物初始含水率與平衡含水率之差的63%所需要的時間[2-3]。時滯的倒數又稱為水分變化系數，表征可燃物水分動態變化對外界氣象要素的響應情況，水分變化系數越大，可燃物水分變化對外界氣象要素的響應越敏感[4]。

作為直接估計法計算森林可燃物含水率中關鍵的兩個中間參數，準確獲取平衡含水率和水分變化系數對選擇直接估計法預測森林可燃物含水率計算精度具有重要意義[5-7]。國內外對平衡含水率和時滯進行了大量的研究，Simard[8]以濕度棒為研究對象，建立了平衡含水率預測模型；Nelson[9]選擇物理方法建立了平衡含水率和失水系數預測模型，其外推性和精度更高；Wagner[10]還分別研究了失水過程和吸水過程，建立了失水和吸水的平衡含水率和時滯預測模型；劉曦[11]以東北落葉松、白樺等典型林分的葉片、枝條和樹皮等可燃物為研究對象，建立了平衡含水率和水分變化系數預測模型；張運林[4]以蒙古櫟和紅松凋落物為研究對象，得到不同床層結構時平衡含水率和失水系數預測模型[12]。雖然進行大量的平衡含水率和水分變化系數研究，但大部分研究都僅是選擇濕度棒或可燃物單體為研究對象，無法表征結構復雜的凋落物床層的實際情況。而凋落物作為森林可燃物的重要組成部分，是林火發生的引火物，其床層含水率決定被引燃的可能性[13-15]，得到凋落物床層精確的平衡含水率和時滯值，對于準確獲取森林凋落物含水率值和預報森林火災具有重要意義。

凋落物床層與凋落物單體或具有同質結構的濕度棒相比，其具有更復雜的床層結構，而床層結構，特別是床層密實度對含水率動態變化具有顯著的影響[16-19]。因此，分析密實度對凋落物床層含水率動態變化的影響，建立基于床層密實度的關鍵參數預測模型，十分有意義。在林火研究中，學者更加注重可燃物失水情況，因此平衡含水率和水分變化系數預測模型大部分都是通過研究失水曲線獲取的，但研究表明，即使在相同條件下，可燃物的失水過程和吸水過程并不相同，失水過程時的平衡含水率略高于吸水過程，若僅選擇失水過程平衡含水率和時滯進行預測，對含水率預測精度具有一定影響[20-21]。國內外關于凋落物密實度對其水分動態變化的影響基本都為定性研究，無法在實際中應用，且大部分都是在失水狀態下進行分析的，考慮不全面。因此本研究將分別失水和吸水兩種過程，定量分析床層密實度對凋落物床層水分動態變化的影響，得到密實度對兩個過程水分變化的影響機理，并建立基于密實度的關鍵參數預測模型，為進一步提高含水率預測精度奠定基礎。

西南林區作為我國第二大林區，農林交錯，山高坡陡，一旦發生森林火災很難撲救且對當地居民生命安全造成重要威脅[22]。馬尾松(PinusmassonianaLamb.)作為西南林區主要的松屬植物，選擇其凋落物為研究對象，分析凋落物密實度對其水分動態變化的影響，并建立基于床層密實度的關鍵參數的預測模型，對于理解馬尾松凋落物床層水分動態變化機理，提高含水率預測精度和森林火險預報精度具有重要意義。

1 研究區概況

研究區位于貴州省貴陽市烏當區貴州師范學院后山，平均海拔約為1 001 m，屬于亞熱帶濕潤性季風氣候，冬無嚴寒，夏無酷暑，年均降水量為1 200 mm，年均最高溫度為25 ℃，年均相對濕度為82.0%。研究區植被屬于黔中山原濕潤性常綠落葉混交林及馬尾松林區，主要喬木包括馬尾松(Pinusmassoniana)、青岡(Cyclobalanopsisglauca)和麻櫟(Quercusacutissima)等；灌木主要有稠李(Padusracemosa)、臘梅(Chimonanthuspraecox(Linn.) Link)等。

2 研究方法

2.1 樣地設計與樣品采集

選擇具有代表性的馬尾松純林設置一塊25.82 m×25.82 m的標準樣地，標準地位于下坡位，林分郁閉度為0.76，樣地內馬尾松的平均胸徑為21.3 cm，平均樹高為15.6 m。研究區防火期為當年10月至次年5月，其中2—4月為高火險期，由于當年落下的凋落物與經過風化的凋落物水分動態變化對外界的響應情況不同[21]，為使研究更具有實際意義，于次年在樣地內采集馬尾松松針，保證針葉完整，具有代表性。此外，在馬尾松林樣地內隨機設置30個20 cm×20 cm的樣方，調查馬尾松針葉床層特征，床層平均厚度和密實度分別為6.9 cm和0.027。

2.2 室內試驗

室內制備不同密實度的馬尾松針葉床層。馬尾松凋落物床層密實度表示床層中馬尾松針葉單體之間的緊密程度，床層密實度越大，單體松針之間越緊密。床層密實度的計算公式如式(1)所示。

β=ρb/ρp。

(1)

式中：β表示馬尾松床層密實度；ρb表示馬尾松松針床層的體積密度(kg·m-3)，通過床層質量與體積計算得到；ρp表示馬尾松松針的顆粒密度(kg·m-3)，通過查閱資料得到馬尾松松針顆粒密度為543.6 kg·m-3[23]。

野外實際的馬尾松針葉床層的平均厚度為6.90 cm，床層密實度的最小值、平均值和最大值分別為0.016、0.027和0.061，為保證本室內研究具有實際意義和代表性，本研究模擬的馬尾松針葉床層厚度為6.90 cm，床層密實度設置5個梯度：0.016、0.021、0.027、0.040和0.061。選擇長寬分別為29和21 cm的無頂蓋塑料筐盛裝馬尾松針葉，可計算得到馬尾松針葉床層體積為4.2×10-3m3，根據本研究設置的密實度梯度和馬尾松針葉的顆粒密度，得到每個密實度對應的馬尾松針葉質量(表1)。

表1 密實度梯度所對應的馬尾松松針質量

水分動態變化模擬試驗。本研究主要目的是為了分析密實度對床層水分動態變化的影響情況，因此空氣溫度和相對濕度不設置梯度，僅選擇研究區防火期內溫濕度出現頻率較多的情況進行分析，空氣溫度設置25 ℃，相對濕度設置60%。水分動態變化模擬試驗分為失水過程試驗和吸水過程試驗，每個過程均為5個密實度梯度，具體過程如下。

失水模擬試驗：(1)將采集的馬尾松針葉床層在烘箱中烘干至質量不在變化為止，取相應床層密實度所需質量的馬尾松3份，將其完全浸泡24 h；(2)將浸泡后的馬尾松針葉取出并瀝干，擦去表面自由水，記錄此時的質量；(3)根據設置的床層長寬高，得到該密實度時的馬尾松針葉床層，并放置于恒溫恒濕箱內，箱體內放置自動稱量天平，10 min自動記錄一次數據至床層質量不在變化為止。

吸水模擬試驗：將采集的馬尾松針葉床層在烘箱中烘干至質量不在變化為止，取相應床層密實度所需質量的馬尾松3份；其余步驟與失水模擬試驗中(3)相同。

每個床層密實度的水分動態變化試驗都進行3次重復，共進行5(密實度)×3(重復)=15次試驗。

2.3 數據處理

馬尾松床層水分動態變化情況。以記錄間隔為橫坐標，床層含水率為縱坐標，繪制不同床層密實度時失水過程和吸水過程的含水率動態變化情況。

計算馬尾松床層平衡含水率和水分變化系數。研究表明，當空氣溫度和相對濕度不變，對于一定結構的凋落物床層存在如式(2)所示的關系。根據式(2)可求得不同密實度時的床層平衡含水率和水分變化系數。

y=E+Ae-kx。

(2)

式中：y表示馬尾松床層含水率(%)；E表示馬尾松床層平衡含水率；A表示模型待估參數；e表示自然常數；k表示水分變化系數；x表示時間。

選擇方差分析，得到密實度對馬尾松床層平衡含水率和水分變化系數的影響。選擇多重比較，分析失水過程和吸水過程時，不同床層密實度的平衡含水率和水分變化系數是否有顯著差異。

建立預測模型并檢驗模型精度。床層結構雖然對平衡含水率有一定的影響，但其主要受空氣溫度和濕度的影響，本研究并沒有設置空氣溫濕度梯度，因此平衡含水率預測模型在本文中不進行分析。根據方差分析和多重比較結果，以床層密實度為自變量，選擇合適的模型形式，建立水分變化系數預測模型。

選擇n-fold交叉驗證檢驗模型精度，根據公式(3)～公式(5)計算失水和吸水系數預測模型的平均絕對誤差(EMA)、平均相對誤差(EMR)和均方根誤差(ERMS)，比較模型精度。

(3)

(4)

(5)

以水分變化系數的實測值為橫坐標，預測值為縱坐標，繪制1∶1圖，比較實測和預測值擬合直線與1∶1線的偏差，分析預測模型預測效果。

3 結果與分析

3.1 不同床層密實度凋落物含水率動態變化

圖1給出不同密實度時馬尾松凋落物含水率動態變化情況，可以看出，不論床層密實度如何改變，失水和吸水都表現出相同的變化趨勢。水分變化前期，失水和吸水過程都隨著床層密實度的增加，水分變化速率逐漸加快，水分變化后期，不同密實度床層含水率都相對接近，而吸水過程則表現出明顯的分界線。

圖1 不同密實度的凋落物床層含水率動態變化情況

3.2 不同床層密實度含水率動態變化方程

表2給出不同密實度的馬尾松床層含的規律性，而水分變化系數水率動態變化方程?？梢钥闯?，不論是失水還是吸水過程，隨著床層密實度的增加，床層平衡含水率沒有表現出明顯逐漸下降。相同密實度的馬尾松床層，床層吸水系數要高于床層失水系數。

3.3 密實度對床層平衡含水率和水分變化系數的影響

可以看出，當空氣溫度和相對濕度固定時，失水狀態下，密實度對馬尾松床層平衡含水率和失水系數都沒有顯著影響；而在吸水狀態下，馬尾松床層平衡含水率和吸水系數都受密實度的極顯著影響(表3)。

表3 床層平衡含水率和水分變化系數的方差分析

表4給出不同馬尾松床層密實度時的平衡含水率和水分變化系數?？梢钥闯?，失水狀態下平衡含水率隨著床層密實度的改變，沒有表現出明顯變化規律；吸水狀態下平衡含水率隨床層密實度增加而下降，床層密實度為0.016和0.021時的平衡含水率顯著高于0.027、0.040和0.061。隨著床層密實度的增加，失水系數呈下降趨勢，但除最小和最大密實度時失水系數有顯著差異，其余密實度梯度之間都沒有顯著差異；吸水系數隨著床層密實度的增加呈顯著下降趨勢，除密實度為0.040時的吸水系數與相鄰密實度沒有顯著差異，其余密實度梯度之間的吸水系數都有顯著差異。

表4 不同床層密實度時的平衡含水率和水分變化系數

相同床層密實度時，失水過程和吸水過程的馬尾松床層平衡含水率沒有顯著差異；吸水系數顯著高于失水系數。

3.4 水分變化系數預測模型

根據密實度對床層水分變化系數的影響可知，當空氣溫度為25 ℃，相對濕度為80%時，隨著床層密實度的增加，床層水分變化系數呈指數下降趨勢。因此，失水系數和吸水系數的預測模型形式設置為k=aebβ(其中，k表示水分變化系數；β表示床層密實度；a和b表示模型待估參數)。表5給出水分變化系數預測模型?？梢钥闯?，失水系數預測模型的平均絕對誤差為0.013 h-1，平均相對誤差為14.6%，吸水系數預測效果略優于失水系數預測模型，平均相對誤差為9.3%。

表5 預測模型結果及誤差

以水分變化系數的實測值為橫坐標，預測值為縱坐標，繪制1∶1圖?？梢钥闯?，不論是失水還是吸水預測模型，實測值和預測值都均勻分布在1∶1線的兩側，預測效果較好。在本試驗研究范圍內，失水系數預測模型的擬合效果優于吸水過程(圖2)。

4 結論與討論

在本研究的空氣溫濕度區間內，不論是失水過程還是吸水過程，馬尾松凋落物床層密實度都呈指數變化，水分變化速率也逐漸下降[4，24-25]。不同密實度的凋落物床層在失水過程時平衡含水率變化區間為11.848%～20.216%，張運林等[12]以東北典型林分紅松凋落物為研究對象，在相同空氣溫濕度條件下得到紅松凋落物床層平衡含水率變化范圍為13.1%～13.9%；陸昕等[25]以落葉松和白樺林下凋落物為研究對象，得到平衡含水率分別為12.74%和13.25%；Baksic et al.[26]以地中海松林內凋落物為研究對象，得到相對濕度為60%時的平衡含水率約為15%。本研究得到的平衡含水率范圍超過其他學者，主要原因一是由于本研究床層密實度高于其他研究;二是由于凋落物種類不同，其水分動態變化對外界環境因子的響應也不同所造成的[27]。

圖2 水分變化系數的實測值和預測值

相同空氣溫濕度，不區分床層密實度時，本研究得到失水過程和吸水過程的平衡含水率均值分別為16.211%和15.831%，失水過程的平衡含水率略高于吸水過程[28-30]。

馬尾松凋落物床層失水系數變化范圍為0.033～0.398 h-1，張運林等[12]紅松凋落物為研究對象，得到其失水系數變化范圍為0.078～0.124 h-1，胡海清等研究得到落葉松和白樺林的失水系數變化范圍分別為0.107和0.109 h-1[23-24]。本研究得到的失水系數范圍超過其他學者研究，主要原因是由于凋落物失水系數還受床層密實度的顯著影響，張運林等人研究的紅松床層密實度為0.015 8～0.031 5，胡海清[24]僅研究了一種結構的床層水分動態變化情況，而本文設置的床層密實度范圍為0.016～0.061，顯著高于其他研究，因此本研究失水系數范圍較大。相同條件下，本研究吸水系數變化范圍為0.395～0.925 h-1，失水系數顯著低于吸水系數(t=9.961，P=0)，這與Hatton et al.[20]研究結果不同，主要是由于床層初始含水率不同所致，本研究吸水試驗的初始含水率為剛烘干階段，其更容易吸水，因此吸水系數會顯著高于失水系數[20]。

馬尾松床層密實度對吸水過程的平衡含水率有極顯著影響，且隨著床層密實度的增加，平衡含水率呈極顯著下降趨勢。Anderson[21]研究認為床層密實度對平衡含水率沒有顯著影響，本研究結果在吸水過程中出現與他人的研究結果不同，主要是由于平衡含水率是指凋落物床層在固定溫濕度條件下長時間放置至水分不在變化為止時的床層含水率，而本研究設置的床層密實度區間要遠遠大于其他研究，即使長時間放置，由于其密實度過高，床層內部松針水分幾乎很難對外界產生響應，因此隨著床層密實度的增加，其平衡含水率會出現一定程度的下降。床層密實度對失水過程的平衡含水率沒有顯著影響，這可能是由于凋落物吸附和解析自由水所用力不同所致，Pippen[31]研究認為凋落物中自由水向外界釋放更容易，因此凋落物床層失水過程更容易，相較于吸水過程，其更容易就達到平衡，受密實度的影響微乎其微，因此床層密實度對失水過程的平衡含水率沒有顯著影響。

馬尾松床層密實度對吸水系數有極顯著影響，且隨著床層密實度的增加，床層吸水系數呈顯著下降趨勢，這與Anderson[21]的研究結果相同。失水系數越大，表征的凋落物床層水分向外擴散時對外界的響應越敏感，隨著床層密實度的增加，外界自由水向床層內擴散的路徑和難度增加，床層內松針水分對外界的響應降低，因此失水系數呈下降趨勢。失水系數對床層密實度沒有顯著影響，主要有兩個原因：一是由于本研究設置的為高溫高濕區間，張運林等[4]研究也表明，當空氣溫濕度較高時，床層密實度對失水系數沒有顯著影響；二是如前文所述，凋落物解析自由水相較于吸附自由水更容易，雖然密實度增加，床層內水分向外擴散的路徑和難度增加，但此時難度的增加并未對其水分向外擴散造成顯著影響。失水系數僅是隨密實度增加呈下降趨勢，但并沒有顯著差異，只是密實度最大值和最小值時有顯著差異，但可以預測，當床層密實度繼續增加時，其對失水系數會產生顯著影響。

以床層密實度為自變量，失水系數和吸水系數為因變量，分別建立了失水和吸水系數預測模型，模型誤差均在允許范圍內[32]，預測效果較好，模型在一定程度上也揭示了床層密實度對水分變化系數的影響，適用性較好。

本研究表明，在相同條件下，床層密實度對失水過程和吸水過程的影響結果不同，且吸水過程更容易受床層密實度的影響。產生這一現象的根本原因就是因為凋落物床層解析自由水要比吸附自由水更容易，凋落物床層更難吸附外界自由水[31]。而床層密實度的微小改變，會擴大吸附難度，導致其吸附自由水的能力發生較大改變，因此床層密實度對兩個過程的影響結果不同。

綜上，通過室內模擬試驗，分析了不同馬尾松床層密實度時其水分動態變化情況，得到床層密實度對兩個過程的平衡含水率和水分變化系數的影響，并建立了水分變化系數預測模型，對理解凋落物水分變化機理和提高預測精度具有一定的意義。凋落物床層密實度對失水和吸水過程時的平衡含水率和水分變化系數表現出不同的影響結果，說明在使用直接估計法預測凋落物含水率時，不考慮床層密實度且未區分水分變化過程是造成誤差的來源。本文僅是在一個空氣溫濕度區間內分析了凋落物床層密實度對其水分動態變化過程的影響，在今后的研究中，還需要增加空氣溫度和相對濕度梯度，分析各溫濕度區間內床層密實度的影響，建立基于溫濕度和密實度的關鍵參數預測模型，對于進一步理解凋落物水分變化機理和提高預測模型精度具有重要意義。