（廣西林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530002）

樹(shù)冠火是森林火災(zāi)中強(qiáng)度較大的火災(zāi)類型，不僅危害極為嚴(yán)重，而且撲救十分困難[1]。在全世界，樹(shù)冠火造成的總過(guò)火面積比例最大[2]。預(yù)測(cè)各種可燃物處理對(duì)消減樹(shù)冠火潛勢(shì)的有效性，是林火管理和控制中的一項(xiàng)重要工作。目前，預(yù)測(cè)樹(shù)冠火的工具相當(dāng)缺乏，只有Van Wagner、Rothermel、加拿大森林火險(xiǎn)組(Forestry Canada Fire Danger Group，1992)等幾個(gè)模型預(yù)測(cè)了樹(shù)冠火的點(diǎn)燃和蔓延[3]，它們是北美火行為預(yù)測(cè)系統(tǒng)中預(yù)測(cè)樹(shù)冠火的基礎(chǔ)[3]。目前廣泛使用的FARSITE火模型也是利用Van Wagner (1977，1993)來(lái)計(jì)算樹(shù)冠火行為參數(shù)[4]。美國(guó)太平洋野火科學(xué)實(shí)驗(yàn)室西北研究站2007年開(kāi)發(fā)的可燃物特性分類系統(tǒng)(Fuel Characteristic Classification System, FCCS)使用Rothermel(1972)地表火蔓延模型的改良版來(lái)計(jì)算地表火行為，根據(jù)林冠組成和結(jié)構(gòu)計(jì)算FCCS火潛勢(shì)[5-6]。FCCS可以根據(jù)樣地調(diào)查數(shù)據(jù)來(lái)建立自定義的可燃物床，可以按照可燃物處理方案修改可燃物床，對(duì)小尺度可燃物處理的有效性進(jìn)行分析。FCCS 2.2以6個(gè)選項(xiàng)卡輸入林冠、灌木、非木質(zhì)可燃物、倒死木質(zhì)可燃物、凋落物-地衣-苔蘚、土壤可燃物6個(gè)層級(jí)的可燃物數(shù)據(jù)；因此，F(xiàn)CCS可以反映可燃物結(jié)構(gòu)和載量的較小差異[7]。通過(guò)自定義FCCS可燃物含水率、選擇風(fēng)速，可以分析比較在低、中、高燃燒條件下的地表火行為。

本研究應(yīng)用FCCS對(duì)廣西三門(mén)江松櫟公益林可燃物處理的有效性進(jìn)行了分析。結(jié)合Van Wagner(1977)模型[8]，分析了在三門(mén)江可能出現(xiàn)的低、中、高3種燃燒條件下，在經(jīng)過(guò)5種方案處理后，可能發(fā)生的林火類型和火行為，為桂中地區(qū)松櫟林的火管理規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

調(diào)查樣地位于廣西柳州三門(mén)江國(guó)家森林公園后山的負(fù)離子氧吧，為57年生馬尾松Pinus massoniana和異齡殼斗科植物混交林[9]。上層林為高18～26 m的馬尾松，中層林主要為石櫟Lithocarpus pasania，下層林有毛黃肉楠Actinodaphne pilosa、羅傘樹(shù)Ardisia quinquegona、毛錐Castanopsis fordii、 苦 櫧Castanopsis sclerophylla等；林冠呈連續(xù)分布狀態(tài)，中下層林冠上披掛有大量松針。主要灌木有三叉苦Melicope pteleifolia、九 節(jié)Psychotria asiatica等。林下主要非木質(zhì)植物有狗脊Woodwardia japonica、鐵芒萁Dicranopteris linearis和半邊旗Pteris semipinnata[9]。地理位置 109° 28′ 59″～ 109°29′ 01″E， 24°22′～ 24°23′N，海拔 216 ～ 230 m，年均溫20.5 ℃，年均降雨量1 441 mm，屬于南亞熱帶季雨林區(qū)。調(diào)查區(qū)域在2000年進(jìn)行過(guò)疏伐，100年未發(fā)生過(guò)火燒[10]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置和調(diào)查

樣地的植被調(diào)查在2013年5月24日進(jìn)行；林冠、灌木、凋落物和腐殖質(zhì)含水率調(diào)查取樣在2013年7月2日進(jìn)行，之前連續(xù)10天為陣雨多云天氣，氣溫26～34 ℃。樣地設(shè)置、樣品處理方法和調(diào)查結(jié)果見(jiàn)黃小榮(2014)[9]。

2.2 含水率和熄滅含水率的設(shè)置

FCCS 的16個(gè)標(biāo)準(zhǔn)含水率情景是參照Andrews (2005) BehavePlus設(shè)計(jì)的；在FCCS的環(huán)境變量輸入界面只能見(jiàn)到含水率數(shù)據(jù)，沒(méi)有含水率的文字說(shuō)明，而且其ID排列順序與BehavePlus中的排序不同，比較難理解。對(duì)照BehavePlus 5.0.5軟件中的Configure/Moisture scenario set selection/FuelModeling提供的文字說(shuō)明，可以較好地理解這16種標(biāo)準(zhǔn)含水率的設(shè)置原則，便于根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蚝臀锖蚬催x標(biāo)準(zhǔn)含水率。表1按照FCCS的ID排序列出這16種標(biāo)準(zhǔn)含水率的文字說(shuō)明。

表1 FCCS標(biāo)準(zhǔn)含水率情景的可燃物描述Table 1 Description of standard fuel moisture scenarios in FCCS

在表1的含水率名稱中，D代表死可燃物(dead)，L代表活可燃物(live)；死可燃物含水率從低到高由D1、D2、D3、D4代表，活可燃物含水率從低到高由L1、L2、L3、L4代表。在廣西三門(mén)江，草木四季常青，只可能出現(xiàn)D1、D2、D3、D4和 L3、L4，不太可能出現(xiàn)L1、L2；因此，在本研究的低、中、高燃燒條件設(shè)置中，不應(yīng)該選擇帶有L1和L2的情景。本研究將選擇D3L3C2、D2L3C2和D1L4C1作為低、中、高燃燒條件的含水率情景。在三門(mén)江冬季防火期，可能出現(xiàn)D3L3C2和D2L3C2情景；在夏季非防火期連續(xù)高溫少雨時(shí)，可能出現(xiàn)D1L4C1情景。這三種情景的含水率參數(shù)見(jiàn)表2。

FCCS默認(rèn)的含水率是D2L2C3，這是一個(gè)在桂中、桂南都不太可能出現(xiàn)的情景，但它是FCCS自動(dòng)勾選的；FCCS火潛勢(shì)計(jì)算基于D2L2C3，但地表火行為計(jì)算隨勾選情景變化。

表2 低、中、高燃燒條件下的風(fēng)速和含水率情景?Table 2 Moisture and wind speed scenarios under low,moderate and severe combustible conditions

2.3 可燃物處理方案設(shè)計(jì)

異齡林中有各個(gè)年齡階段的樹(shù)木，垂直連續(xù)性好，易發(fā)生樹(shù)冠火[11]；特別是高度 2米以內(nèi)的灌木層，在林火的早期蔓延階段，起到了梯狀可燃物的作用[12]。減少樹(shù)冠火風(fēng)險(xiǎn)的可燃物處理，包括疏伐、修剪、歸堆焚燒、計(jì)劃燒除、截枝和破片等[13]。三門(mén)江研究區(qū)為森林公園負(fù)離子氧吧，如果點(diǎn)燒走火將產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果，所以我們盡量選擇溫和的可燃物處理方案，比如砍灌清雜、增加冠基高、移除梯狀可燃物[2]等。

本研究設(shè)計(jì)了5個(gè)可燃物處理方案：

Ⅰ）清除站桿、1 000 h良木，砍除胸徑≤1 cm的灌木，砍除樹(shù)高≤3 m的幼樹(shù)，中下層林冠基高修剪至2 m；

Ⅱ）清除站桿、1 000 h良木，砍除胸徑≤1 cm的灌木，砍除樹(shù)高≤4 m的幼樹(shù)，中下層林冠基高修剪至3 m；

Ⅲ）清除站桿、1 000 h良木，砍除胸徑≤1 cm的灌木，砍除樹(shù)高≤5 m的幼樹(shù)，中下層林冠基高修剪至4 m；

Ⅳ）清除站桿、1 000 h良木，砍除胸徑≤1 cm的灌木，通過(guò)耙摟松針去除2/3的1 h和10 h死可燃物；

Ⅴ）處理Ⅰ加上耙摟松針去除2/3的1 h和10 h死可燃物。

經(jīng)過(guò)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ方案處理后，各樣地中下層林的組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，上層林沒(méi)有發(fā)生變化（見(jiàn)表3）。各樣地處理前的可燃物床參數(shù)見(jiàn)黃小榮[9]。

表3 不同可燃物處理后的中下層林結(jié)構(gòu)?Table 3 Post-treatment stand compositions and structures

2.4 樹(shù)冠火點(diǎn)燃和蔓延的閾值

根據(jù)Van Wagner的公式計(jì)算點(diǎn)燃樹(shù)冠火所需的火線強(qiáng)度閾值

其中，I0(kw·m-1)是引燃樹(shù)冠火需要的地表火火線強(qiáng)度臨界值；z(m)為冠基高(height to live crown)；h為點(diǎn)燃樹(shù)冠火的熱量(kJ·kg-1)；m是林冠活葉片絕對(duì)含水率(%)；常數(shù)C是綜合各個(gè)方面的經(jīng)驗(yàn)性常數(shù)，需要從實(shí)地研究中獲得，Van Wagner從半郁閉北美短葉松林火燒實(shí)測(cè)C值為0.010[8]。在冠基高修剪至2、3、4 m時(shí)，在林冠活葉片絕對(duì)含水率m分別為120%、90%、60%情況下，引燃樹(shù)冠火所需的地表火火線強(qiáng)度閾值如表4。這3種林冠含水率也恰好對(duì)應(yīng)了本研究設(shè)置的低、中、高燃燒條件的含水率。

表4 不同林冠含水率情景下點(diǎn)燃樹(shù)冠火的火強(qiáng)度閾值Table 4 Critical surface intensity to initiate crowning under different canopy moisture scenarios

使用Van Wagner (1977) 模型預(yù)測(cè)發(fā)生主動(dòng)樹(shù)冠火的蔓延速度閾值[3,8]。

R0單位為 m·min-1，CBD (Canopy Bulk Density,kg·m-3)是林冠容重[3,8]。本研究以CBD均值0.15(kg·m-3)計(jì)算，即R0為 20(m·min-1)。

2.5 火線強(qiáng)度與火焰長(zhǎng)度的換算

FCCS輸出的地表火行為報(bào)告中提供了火焰長(zhǎng)度L f(m)和蔓延速度R s(m·min-1)，為了便于比較，需將火焰長(zhǎng)度換算成火線強(qiáng)度(kw·m-1)。采用以下Byram(1954) & Rothermel (1980)的公式進(jìn)行換算[11]。

2.6 不同火行為等級(jí)的火情解釋

Rothermel[14]、Andreu[15]、Ottmar[7]、吳志偉[4,16]等根據(jù)火焰長(zhǎng)度、火線強(qiáng)度、蔓延速度和FCCS樹(shù)冠火指數(shù)將火行為劃分成若干等級(jí)，本研究根據(jù)他們的研究結(jié)果，采用表5的解釋來(lái)輔助分析三門(mén)江松櫟林可燃物處理的有效性。

表5 不同火行為等級(jí)的劃分和撲救措施解釋Table 5 Scale of fire behavior and the suppression measures

3 結(jié)果與分析

3.1 在不同燃燒條件下可燃物處理前后的火行為

用FCCS計(jì)算了在低、中、高燃燒條件下各樣地處理前后的地表火行為。當(dāng)I s＜I0，發(fā)生地表火(Surface Fire, SF)；當(dāng)I s＞I0，而且R s＜R0，發(fā)生被動(dòng)樹(shù)冠火(Passive Crown Fire, PCF)；當(dāng)I s＞I0，而且R s＞R0，發(fā)生主動(dòng)樹(shù)冠火(Active Crown Fire,ACF)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ實(shí)施一樣的地表可燃物清理措施，其地表火行為計(jì)算輸出結(jié)果是一樣的，不受林冠組成和結(jié)構(gòu)差異的影響。處理Ⅳ與Ⅴ的地表火行為計(jì)算結(jié)果是一樣的。

3.1.1 低燃燒條件下可燃物處理前后的火行為

在低燃燒條件下，處理前5個(gè)樣地都為被動(dòng)樹(shù)冠火，樣地1、2的火行為等級(jí)為③，樣地3、4、5的火行為等級(jí)為④。處理后，處理Ⅰ的2個(gè)樣地降為地表火，3個(gè)樣地仍為被動(dòng)樹(shù)冠火；處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的所有樣地都降為地表火。處理Ⅳ、Ⅴ的效果優(yōu)于處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ；處理Ⅳ、Ⅴ的5個(gè)樣地的火行為等級(jí)均降為①或②。

3.1.2 中燃燒條件下可燃物處理前后的火行為

在中燃燒條件下，處理前，除樣地1的火行為等級(jí)為③之外，其他4個(gè)樣地的火行為等級(jí)都是⑤，1、2、3、4號(hào)樣地為被動(dòng)樹(shù)冠火，5號(hào)樣地為主動(dòng)樹(shù)冠火。處理后，處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ將1、4號(hào)樣地降為等級(jí)③的地表火，其他3個(gè)樣地仍為火勢(shì)難以控制的等級(jí)④被動(dòng)樹(shù)冠火。處理Ⅳ、Ⅴ有效地降低了火行為，但處理Ⅳ明顯效果差于處理Ⅴ；由于處理Ⅳ沒(méi)有提升冠基高，其點(diǎn)燃林冠的火線強(qiáng)度閾值較低，處理后仍有3個(gè)樣地為被動(dòng)樹(shù)冠火；處理Ⅴ將5個(gè)樣地均降為地表火，火行為等級(jí)為②或③。

3.1.3 高燃燒條件下可燃物處理前后的火行為

在高燃燒條件下，處理前，1號(hào)樣地為等級(jí)④被動(dòng)樹(shù)冠火，2、3、4、5號(hào)樣地為等級(jí)⑤主動(dòng)樹(shù)冠火。經(jīng)過(guò)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ方案處理后，1號(hào)樣地降為等級(jí)③被動(dòng)樹(shù)冠火，2、3、4、5號(hào)樣地仍為等級(jí)⑤主動(dòng)樹(shù)冠火。處理Ⅳ、Ⅴ能夠?qū)⒒鹦袨榈燃?jí)降至②或③，但只有樣地1在經(jīng)過(guò)方案Ⅴ處理后降級(jí)為地表火，其他樣地都是被動(dòng)樹(shù)冠火。

表6 在不同燃燒條件下可燃物處理前后的火行為?Table 6 Fire behavior of pre-treatment and post-treatment under different combustion conditions

以減少樹(shù)冠火發(fā)生的有效性來(lái)衡量，這五個(gè)可燃物處理方案的有效性排列順序?yàn)棰酰劲簦劲螅劲颍劲?，而且方案Ⅴ和Ⅳ的有效性顯著優(yōu)于方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。在低燃燒條件下，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ可以將5個(gè)樣地都降為地表火；但是，在高燃燒條件下，所有處理方案都不能避免樹(shù)冠火的發(fā)生。

3.2 可燃物處理前后的樹(shù)冠火潛勢(shì)

用FCCS計(jì)算了各樣地可燃物處理前后的火潛勢(shì)，結(jié)果見(jiàn)表7。FCCS火潛勢(shì)的計(jì)算自動(dòng)基于D2L2C3含水率、默認(rèn)風(fēng)速6.44 km·h-1、默認(rèn)坡度0%，其結(jié)果見(jiàn)表7。FCCS的默認(rèn)情景與三門(mén)江的氣候環(huán)境和本研究設(shè)置的燃燒條件有差異，可能會(huì)出現(xiàn)火潛勢(shì)的低估或高估[17]。FCCS 樹(shù)冠火潛勢(shì)是其下面三個(gè)分項(xiàng)(樹(shù)冠火引燃潛勢(shì)、樹(shù)冠-樹(shù)冠傳播潛勢(shì)和樹(shù)冠火蔓延潛勢(shì))的綜合，為0～9的指數(shù)值。

樹(shù)冠火潛勢(shì)在處理前后的變化。從表7可見(jiàn)，處理前，5個(gè)樣地的樹(shù)冠火潛勢(shì)均為等級(jí)②。處理后，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理的所有樣地的樹(shù)冠火潛勢(shì)仍為等級(jí)②，Ⅳ、Ⅴ處理后有2個(gè)樣地樹(shù)冠火潛勢(shì)降為等級(jí)①。

樹(shù)冠火引燃潛勢(shì)在處理前后的變化。處理前，5個(gè)樣地的樹(shù)冠火引燃潛勢(shì)均為等級(jí)②。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理使5個(gè)樣地的樹(shù)冠火潛勢(shì)降低21%～29%；Ⅳ、Ⅴ處理使5個(gè)樣地的樹(shù)冠火潛勢(shì)降低41%～49%。

樹(shù)冠-樹(shù)冠傳播潛勢(shì)在處理前后的變化。5個(gè)樣地處理前后的樹(shù)冠-樹(shù)冠傳播潛勢(shì)都為等級(jí)⑤，5種可燃物處理方案都未能降低樹(shù)冠-樹(shù)冠傳播潛勢(shì)。

樹(shù)冠火蔓延潛勢(shì)在處理前后的變化。處理前，3個(gè)樣地的樹(shù)冠火蔓延潛勢(shì)為等級(jí)①，2個(gè)樣地的樹(shù)冠火蔓延潛勢(shì)為等級(jí)②。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理后樹(shù)冠火蔓延潛勢(shì)等級(jí)沒(méi)有改變，量值降低0～17%；Ⅳ、Ⅴ處理使5個(gè)樣地的樹(shù)冠火蔓延潛勢(shì)都降為等級(jí)①，量值降低43%～46%。

在FCCS默認(rèn)情景下，處理Ⅳ、Ⅴ在降低樹(shù)冠火潛勢(shì)、樹(shù)冠火引燃潛勢(shì)、樹(shù)冠火蔓延潛勢(shì)方面效率優(yōu)于處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ；但是，5種處理都不能降低樹(shù)冠-樹(shù)冠傳播潛勢(shì)。

表7 各樣地可燃物處理前后的FCCS樹(shù)冠火潛勢(shì)?Table 7 FCCS crown fire potential of sampled plots of pre-treatment and post-treatment

4 討 論

樹(shù)冠火多發(fā)生在長(zhǎng)期干旱的針葉幼林、中齡林或針葉異齡林中，特別是馬尾松林和杉木林[11]。三門(mén)江森林公園松櫟異齡林的樹(shù)冠呈連續(xù)分布，上層林落下的松針披掛在中、下層林的樹(shù)冠上，長(zhǎng)期未進(jìn)行可燃物消減處理，如果遇到長(zhǎng)期無(wú)雨干旱，比單層的馬尾松純林更容易發(fā)生樹(shù)冠火。本研究的結(jié)果表明，在以減少樹(shù)冠火發(fā)生為目標(biāo)的可燃物處理設(shè)計(jì)中，耙摟松針、去除2/3的1、10 h時(shí)滯可燃物的方案最為有效；砍伐幼樹(shù)、提升冠基高的3個(gè)處理之間差別不大。推薦使用方案Ⅴ進(jìn)行三門(mén)江的可燃物處理；在經(jīng)費(fèi)有限的情況下，可以優(yōu)先處理火潛勢(shì)較高的樣地。

在低燃燒條件下，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ均可以有效地避免樹(shù)冠火發(fā)生；但是，隨著燃燒條件的提高，可燃物處理的有效性下降；在高燃燒條件下，5種可燃物處理均不能避免樹(shù)冠火的發(fā)生。

基于默認(rèn)情景的FCCS火潛勢(shì)報(bào)告，可以檢測(cè)到可燃物處理或樣地差異產(chǎn)生的微小差異，可以評(píng)估各處理之間的有效性差異，衡量哪塊樣地應(yīng)該優(yōu)先處理。但是，F(xiàn)CCS的默認(rèn)含水率情景D2L2C3在桂中和桂南地區(qū)很少出現(xiàn)。當(dāng)樣地的環(huán)境條件與FCCS默認(rèn)情景不同時(shí)，F(xiàn)CCS火潛勢(shì)報(bào)告會(huì)出現(xiàn)低估或高估[17]，這是我們?cè)贔CCS應(yīng)用中的一個(gè)缺憾。將本研究低燃燒條件下可燃物處理前的地表火行為，與黃小榮(2014)三門(mén)江樣地干旱情景下的地表火行為[9]相比較，可以發(fā)現(xiàn)前者高于后者；說(shuō)明在FCCS默認(rèn)情景下的火行為參數(shù)低于本研究低燃燒條件下的火行為參數(shù)。

天氣條件對(duì)火行為有著重大影響[18]，可燃物含水率是評(píng)估森林燃燒性的重要指標(biāo)之一[19]。在我們調(diào)查取樣的前一天下過(guò)雨，地表可燃物的含水率較高，林冠和灌木活葉片的含水率較低[9]，使用原始含水率數(shù)據(jù)難以預(yù)測(cè)高火險(xiǎn)天氣的火行為；所以，本研究采用了低、中、高3種標(biāo)準(zhǔn)可燃物含水率進(jìn)行可燃物床的定制，分析在這三種燃燒條件下可燃物處理的有效性。我們?cè)O(shè)置的3種燃燒條件在三門(mén)江都是有可能出現(xiàn)的，尤其是D1L4C1情景需要特別關(guān)注。在全球氣候變化的背景下，在春、夏、秋季非防火期，如果遇到連續(xù)12天以上高溫?zé)o雨，即可能出現(xiàn)D1L4C1。

火行為模型的應(yīng)用，使我們了解森林可能發(fā)生火災(zāi)的強(qiáng)度、蔓延速度和火災(zāi)類型，為建設(shè)健康的森林，減少災(zāi)難性的森林大火提供科學(xué)依據(jù)。目前，我國(guó)的林火研究主要是利用溫度、濕度、風(fēng)速等氣象因子的森林火險(xiǎn)天氣預(yù)報(bào)[20]；很少有針對(duì)具體樣地可燃物數(shù)據(jù)的模型模擬。本研究利用FCCS建立可燃物床，按照可燃物處理方案修改可燃物床，對(duì)比可燃物處理前后的火行為參數(shù)，以此進(jìn)行可燃物處理有效性的評(píng)估，這種研究仍然是探索性的，在我國(guó)南方缺乏可以比較的案例的情況下，其結(jié)論的合理性還需要進(jìn)一步的檢驗(yàn)。

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