无风条件下蒙古栎—红松混交林下地表可燃物3种火源点燃的能力分析

张运林，宋 红，胡海清

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040）

森林火灾在短时间内释放巨大能量，造成大面积森林毁灭，严重破坏森林生态系统[1]。随着全球气候变暖，森林火灾发生次数不断增加，需要完善林火预报系统以应对森林火灾的频繁发生，使森林火灾预防工作可以有的放矢的进行。林火预报是通过测定和计算自然与人为因素来预估林火发生的可能性、林火发生后的火行为指标和森林火灾控制的难易程度[2]。林火发生需具备3个条件：可燃物、火源和火环境，三者任意一个发生改变，可燃物被引燃的概率及火源的引燃能力都会发生改变。因此，可燃物、火源和环境之间的相互关系对林火发生预报极其重要。

火源指来自森林外界，能够为林火发生提供最低能源的现象和行为的热源。林火最初由火源引燃林内地表细小死可燃物，进而蔓延成森林火灾。因此，火源点燃细小可燃物的概率对林火发生预报具有重要意义。这一方面研究已有开展，因为火源种类、大小和状态决定了火源特性和燃烧持续时间等[3-4]，因而当前关于火源引燃概率的研究也主要集中这些方面。对于相同可燃物种类，不同种类火源的引燃能力可能不同[5]。Ganteaume等[6]在不同风速条件下，使用球果、树枝及树皮等作为火源点燃松针、阔叶及草类床层，比较分析了相同可燃物床层时，不同类型火源的引燃能力及一些火行为指标；Perez[7]选择不同树种的树皮、叶片和针叶作为火源点燃相同可燃物床层，发现球果作为火源时的引燃能力最强。火源大小不同，引燃能力也有差别；Wright[8]用不同尺寸的火源引燃松针床层，发现最大尺寸的火源能引燃的最大床层含水率范围最高，点燃能力最强；Manzello等[9]测试不同尺寸圆形阴燃火源点燃能力，发现圆盘直径超过50 mm时才有可能点燃松针床层。此外，火源状态对引燃能力的影响也很大，Ellis[10]在不同风速下，用相同尺寸和质量的阴燃火源和明火火源引燃针叶床层，发现当松针床层含水率低于9%时，明火火源可以引燃床层，无风条件下阴燃火源都无法点燃可燃物床层；还有学者[9]用相同尺寸的小圆盘作为明火和阴燃火源引燃阔叶床层，发现不论床层含水率和风速如何改变，阴燃火源都无法引燃可燃物床层，当阔叶床层含水率低于11%时，明火火源可以引燃。虽然前人对火源引燃能力进行了广泛研究，但相同火源引燃不同可燃物种类的情况不同，对于我们国家的可燃物，之前的研究并不适用，因而选择我国典型可燃物，进行几种典型火源引燃能力和一些火行为指标分析，对我国林火预报研究有重要意义。

燃烧着的烟头（以“烟头”简称）是一种特殊火源，在人为火源中占到很大比例[11]。烟头为阴燃状态，引燃可燃物初期很难被发现，当监测到烟雾时可能已经蔓延成一场森林大火，耽误最佳扑火时机，所以烟头研究很重要。国内外[12-14]也进行了这方面的研究，发现风、床层含水率等因子对烟头点燃概率的影响很大。一场森林大火中也会产生一些新的火源，随气流迁移至火场其他地方，引燃新的可燃物，又称为飞火。有学者对飞火时产生的火源种类进行研究，Manzello[15-16]通过点烧杉树发现，实验中产生的飞火火源都为圆柱形，平均长度为4～6 cm，质量为0.3～2.3 g，火柴与火后产生的火源相近；还有一些燃烧着的叶片也会落在其他可燃物上，产生新的火场。用火柴和叶片模拟火场中新产生的火源，研究其点燃机理具有实际意义。风对火源引燃能力及一些火行为指标有显著影响[10]，但风速的影响与火源位置、风向、可燃物种类等都有一定关系[7,10,17]，在无风条件下研究3种火源的点燃能力可以降低问题复杂性，所以本研究选择烟头、火柴和燃烧着阔叶作为典型火源，研究其无风条件下引燃能力，建立火源点燃概率预报模型。对于有风条件时火源引燃能力的分析另文再述。

红松Pinus koraiensis-蒙古栎Quercus mongolica针阔混交林是我国东北地区最重要的典型森林群落，蒙古栎作为红松针阔混交林重要伴生树种，其叶片在秋季不易脱落且落下后易形成蜷缩状，很易燃[18]，红松针叶也极易燃烧，研究该林分地表细小可燃物被不同火源引燃能力很有意义。所以选择红松-蒙古栎针阔混交林地表细小凋落物野外实际床层为点烧对象，研究烟头、火柴和燃烧着阔叶3火源的引燃能力及一些火行为指标，分析床层特征对不同火源引燃能力和一些火行为指标的影响，为我国林火预报研究提供基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于帽儿山老爷岭森林生态系统定位站（45°20′N，127°30′E），属大陆性季风气候，夏季温暖湿润，冬季寒冷干燥，年平均温度为3.1 ℃，1月份平均温度最低，为-18.5 ℃，7月份平均温度最高，为22 ℃。全年平均降水量为629 mm，降雨主要集中在6、7、8月，能占到全年降水总量的一半以上。研究区植被为长白山植被区系，现有植被主要包括白桦Betula platuphyllaSuk.、蒙古栎、胡桃楸Juglans mandshuricaMaxim.、水曲柳Fraxinus mandshruicaRupr、红松及兴安落叶松Larix gmeliniiRupr等。

1.2 试验设计

试验于2016年4月—2016年6月进行。红松-蒙古栎针阔混交林样地具体信息见表1。选择长宽高分别为17、17、5 cm的无顶盖铁框作为燃烧床。每天14:00时，用特制采样器按照燃烧床大小在混交林下非破坏性（保持地表细小可燃物床层原有结构及特征）的采集地表凋落物，并将其移入燃烧床，并带回点烧实验室。记录每个燃烧床质量并编号，每次放入样品后称量，两者之差记为当次样品质量；用钢尺测得样品高度，即为床层高度。

表1 样地信息Table1 Information of sampling plots

为得到整个燃烧床层的可燃物含水率，同时在采集样品附近位置随机选择3个样点，用同样方法采集凋落物放入信封，并立即称其湿质量，带回实验室于105 ℃烘干24 h，得到干质量，求得每个样点可燃物含水率，3个样点的含水率的算术平均值认为是当日样地内凋落物床层的含水率。在点烧实验室，用烟头、火柴及蒙古栎阔叶模拟不同的火源，从高为1.3 m处扔入可燃物床层进行点烧实验。参与试验的烟头长度为2.5 cm（含过滤嘴），保证落在床层时烟头前方为红星状态；点燃每日烘干的蒙古栎阔叶，作为燃烧着的阔叶火源。

每天火柴和烟头进行6次点烧试验，燃烧着阔叶进行3次点烧试验，记录可燃物床层被点燃后的火焰高度，并用摄像机录制整个燃烧过程。其中以烟头为火源进行了19 d试验，共114次点烧（因为发现无风条件下，烟头都不能点燃可燃物，所以没有继续进行试验）；以火柴和阔叶为火源都进行了62 d试验，各372和186次点烧。每次点烧实验只要出现明火并可以蔓延即认为火源能够引燃可燃物。所有试验都是在平地无风条件下进行的。

1.3 数据处理

1.3.1 凋落物床层含水率的计算

用3个样点的床层含水率算数平均值作为当日可燃物床层的含水率。用于采集可燃物的信封烘干前及烘干后的质量分别为6.06 g及5.76 g。根据式（1）计算每天可燃物床层含水率：

式（1）中：Mj为样地第j天可燃物床层的含水率（%）；Whi为样地第i个点的凋落物湿质量（g），Wdi为样地第i个点的凋落物干质量（g）。

1.3.2 床层密实度的计算

床层密实度表示可燃物床层的紧密程度，是可燃物床层体积密度与其颗粒密度的比值，计算公式如（2）。其中，床层体积密度是指可燃物自身质量与所占体积的比值，颗粒密度为固定值，蒙古栎和红松地表细小可燃物的颗粒密度别为 548.3 kg·m-3及 378.4 kg·m-3，根据野外调查，地表细小可燃物中红松及蒙古栎凋落物的组成配比约为6∶4，则认为床层整体的颗粒密度为446.36 kg·m-3。每次点烧的凋落物床层密实度都不同，可燃物床层密实度计算公式如下：

式（2）中：β表示床层密实度（无量纲），A表示凋落物床层体积密度（kg·m-3）；B表示凋落物的颗粒密度（kg·m-3），本研究为固定值 446.36 kg·m-3。下同。

床层体积密度A的计算公式如（3）所示：

式（3）中：m表示可燃物质量（kg）；a、b、h分别表示可燃物床层的长、宽、高（m）。下同。

将公式（3）代入（2）中，则每次点烧的床层密实度计算公式如下：

1.3.3 点燃概率及火焰高度与床层特征之间的关系

根据点烧实验结果，火源能引燃可燃物床层时的最大含水率就是该火源能引燃可燃物床层的临界含水率，当床层含水率超过最大值时研究没有意义，所以进行低于临界含水率值时的数据分析。试验中床层特征包括床层含水率、密实度和高度，采用Pearson相关系数分析点燃概率及火焰高度与这些床层特征之间的相互关系。

床层含水率对点燃概率的影响已经有很多研究，但是密实度具体如何影响的却比较少。因此对能被引燃最低床层含水率相对应的床层密实度分类，绘制不同密实度范围时，点燃概率变化折线图，分析密实度对不同火源点燃概率的具体影响。

1.3.4 不同形式火源的点燃概率、火焰高度的差异性分析

Ganteaume.A[6]等人认为火源种类与点燃概率之间有显著相关性，火源种类不同，其点燃能力也不相同，可燃物被引燃后的一系列火行为也有差异。使用SPSS软件对各种形式火源的点燃概率及火焰高度进行差异显著性分析，得到不同火源之点燃概率及被引燃后的火行为是否有显著差异。

1.3.5 建立Logistic预测模型

Logistic模型目前被广泛地应用于研究林火发生概率模型方面[19-22]，是当响应变量为二元分类时，例如本试验中点燃与未点燃时建立的发生概率预测模型。其中可燃物床层被点燃，记为y=1，不能点燃可燃物床层，记为y=0。以可燃物床层含水率、密实度和高度作为自变量采用wald向前方式去掉不相关的自变量，建立Logistic点燃概率预测模型，如公式（5）:

以往使用Logistic模型进行林火预测模型研究中，常以0.5为阈值，当预测值小于0.5就不能被点燃，大于0.5则可以被点燃，但这种阈值选择过于主观，并无统计学意义，因而学者提出用约登指数作为林火发生的最佳阈值[20,23,24]更为合适。约登指数是灵敏度与特异度之和减去1，其中灵敏度是实际点燃并预测为点燃的概率，特异度是实际未点燃并预测为未点燃的概率，一般认为当约登指数最大时所对应的值为最佳阈值。以灵敏度为纵坐标，误判率（1-特异度）为横坐标，然后通过移动判断点得到多对灵敏度和误判率，连接这些点绘制曲线，得到ROC曲线，计算曲线下面积（AUC），面积范围为0～1，一般认为大于0.7时模型就有一定意义，越接近1模型价值越高。

2 结果与分析

2.1 试验基本情况

表2给出点烧试验基本情况，扔火柴进行了372次点烧试验，其中床层含水率最小为11%，最大为253%，密实度最小为0.01，最大为0.14，床层高度最低为1.5 cm，最高为3.7 cm；扔烟头进行了114次点烧试验，床层含水率范围为11%～242%，密实度在0.02～0.11之间，床层高度范围为2.2～3.8 cm；扔燃烧着阔叶进行了186次点烧试验，床层含水率范围与扔火柴范围相同，床层密实度最小为0.02，最大为0.14，平均值为0.05，床层高度范围为1.8～4 cm。

表2 3种火源形式时点烧试验床层基本信息Table2 Basic information table of beds in three fire sources

2.2 火源点燃概率影响因子分析

火柴和阔叶能引燃可燃物床层的临界含水率分别为26%和24%，所以仅进行含水率低于该值以下的情况才有意义。图1 给出不同形式火源点燃概率及火焰高度与床层特征间的相关系数。从图1-a可以看出2种火源的点燃概率与床层含水率都呈极显著负相关关系，随着床层含水率增加，点燃可燃物需要的能量增多，因而越不容易引燃。火柴和阔叶点燃概率随着床层密实度增大而减小，可能是因为本实验实在无风条件下进行的，密实度越大，燃烧区氧气供应降低到这点燃概率下降。2种火源的点燃概率与床层高度都没有关系。

从图1-b可以看出，火柴引燃可燃床层后火焰高度与床层含水率和密实度呈极显著负相关，随着含水率和密实度的下降，床层火行为更加剧烈。

2.3 不同密实度范围内点燃概率变化分析

通过可燃物床层不同特征间的相关性分析发现，可燃物床层含水率与密实度为正相关，对于野外实际可燃物床层，含水率较低时其密实度往往也不高，所以点燃概率与密实度成反比很可能是因为含水率的影响。因此要分析在剔除床层含水率的影响后，野外实际床层密实度阈值范围内，不同密实度对点燃概率的影响。

图1 不同火源点燃概率及火焰高度与床层特征相关性分析Fig.1 Correlation analysis of ignition probability, flame height and bed characteristics of different fire sources

图2 不同密实度范围内火源点燃概率折线Fig.2 The line graph of different com and ignition probability on different fuelbed compactness

将床层密实度分类，得到低含水率时不同密实度范围的点燃概率。图2给出2种形式火源点燃概率与不同范围密实度的关系。从图2-a可以看出对于火柴，床层含水率低于26%时其密实度的范围为0.005～0.075，其中随着密实度区间范围的增加，点燃概率先增加后减小。床层密实度低于0.015及超过0.065时，火柴都不能点燃可燃物床层，密实度范围在0.015～0.025时点燃概率最高，可以达到37.5%。

从图2-b可以看出，对于燃烧着阔叶，参与试验的床层含水率低于24%时的密实度范围为0.015～0.055。在此范围内，随着密实度的增加，点燃概率减小，密实度范围在0.015～0.025时点燃概率最大，结果与火柴相同。

2.4 不同火源点燃概率、火焰高度的差异性分析

图3给出不同火源点燃概率与火焰高度的差异性分析柱状图。可以看出，火柴的平均点燃概率最大，燃烧着阔叶次之，烟头平均点燃概率最低为0，而燃烧着阔叶点燃可燃物后平均火焰高度要火柴。火柴与燃烧着阔叶的点燃概率与火焰高度都没有显著差异；烟头点燃概率与其他两种火源有差异。

2.5 Logistic预测模型

无风条件下烟头不论以何种方式落在床层都未发生引燃，因而不参与建模。本研究对火柴和燃烧着阔叶两种火源种类建立Logistic点燃概率预测模型。当床层含水率超过26%和24%时，火柴和燃烧着阔叶都无法引燃可燃物床层，对其进行Logistic回归没有实际意义。因此选择含水率小于临界值的数据，建立低含水率时2种火源点燃概率预测模型。其中发生点燃赋值为1，未发生点燃赋值为0，采用向前逐步回归法将不显著变量逐一剔除，得到最优模型。表3给出2种不同火源方式的参数拟合，扔火柴及平放火柴的预测模型中只有床层含水率与点燃概率有显著相关性。火柴和燃烧着阔叶2种方式的Logistic点燃概率预测分别为公式（6）和（7）：

图3 不同火源形式时点燃概率与火焰高度的差异性分析Fig.3 Difference analysis of ignition probability and flame height in different fire sources

式（6）、式（7）中：Xn为可燃物床层含水率（%），式（6）中X1范围为11%～26%；式（7）中X2范围为11%～24%。

根据约登指数计算得到最佳临界值，火柴和燃烧着阔叶的预测模型的最佳临界值分别为0.38和0.37。以上述值作为模型阈值时，火柴点燃概率预测模型的预报点燃准确率为72.9%，误报率为32.3%；燃烧着阔叶点燃概率预测模型的预报点燃准确率为71.4%，模型误报率为25.8%。

表3 Logistic最优模型的参数拟合Table3 Parametric fitting of Logistic optimal model

图4中a、b分别表示火柴和燃烧着阔叶2种火源Logistic点燃概率预测模型的ROC曲线，表4给出2种模型ROC曲线的下面积值（AUC）分别为0.771和0.763，且显著性水平Sig＜0.01，说明本研究建立的2个logisitc预测模型都具有统计学意义，并且拟合效果较好。

图4 模型ROC拟合曲线Fig.4 ROC curve of Logistic model

表4 AUC检验结果Table4 Results of AUC test

3 结论与讨论

本研究以红松-蒙古栎针阔混交林野地表细小可燃物为研究对象，从2016年4月8日—2016年6月8日每天以非破坏性采样的方法采集凋落物，并用火柴、烟头和燃烧着阔叶点烧床层，在无风条件下进行了672次点烧试验。其中火柴的平均点燃概率最大，燃烧着阔叶点燃概率次之，烟头无法引燃可燃物床层。烟头为阴燃火源，所有点烧试验是在无风条件下进行的室内试验，之前国内外学者[11,14,25-26]也有研究证明在无风条件下，烟头等阴燃火源是不可能引燃可燃物床层的，烟头可能会使可燃物阴燃，但由于没有气流作用，阴燃的落叶无法转化为明火并且蔓延，所以不能引燃可燃物床层。

可燃物床层能被火柴和燃烧着阔叶引燃的最大床层含水率分别为26%和24%，与其他学者点烧试验的结果是相似的，例如Wright[27]用火柴能点燃红松针叶床层的含水率范围是19%～29%；桉树阔叶床层[17]及海岸松针叶床层[28]能被点燃的最大床层含水率分别为22.7%和27%。火柴和燃烧着阔叶的点燃概率与可燃物含水率呈负相关关系，因为可燃物燃烧是经过热解水汽蒸发，释放燃烧性气体，在氧气的作用下可燃性气体被点燃的化学反应，含水率越大，可燃物蒸发全部水分需要的热量越多，火源剩余热量无法维持释放或者引燃燃烧性气体，所以点燃概率会降低。2种火源的火焰高度与床层含水率呈反比与床层高度有正相关关系，火焰高度作为一个火行为指标，含水率越低燃烧反应越剧烈，火焰高度越高，所以两者为负相关关系。

点燃概率与床层密实度呈反比，当床层含水率低于能被引燃最低含水率时，床层密实度在0.015～0.025时点燃概率最大，然后开始下降，床层密实度过高或过低时，火柴均无法引燃可燃物床层。这可能是因为床层密实度过低时，可燃性气体无法蓄积且床层中可燃物连贯性差，热传递效果不好，所以点燃概率低；床层密实度过高时，由于试验为无风条件，氧气无法进入床层，氧气浓度下降，反应剧烈程度也下降，点燃概率也降低。

本试验是在春季防火期进行的，床层可燃物含水率低于30%的天数占到了全部试验天数的一半以上，说明春防期被火源引燃的可能性极大，所以需要加强防火期内的林区火源管理，减少火源引起的森林火灾。此外，本实验揭露了床层含水率较低时，不同范围内床层密实度对点燃概率影响很大，床层密实度为最适值时点燃概率可以达到最大，对于特别稀松或者非常密实的床层，被引燃的概率较低。本试验以野外非破坏性采样得到的床层进行的点烧，虽然实验过程中各种条件的可控性较差，具有一定局限性，但能反应3种火源最真实的点燃概率，更具有说服力。本研究并未将环境因子作为影响点燃概率的驱动因子引入试验，特别是风速等对点燃概率的影响很大[29]，因此今后还应该增加环境因子对不同火源点燃概率的影响，为不同火源建立更准确的点燃概率预测模型，对我国林火预报工作有重要意义。