張運林，孫 萍，滿子源

（1.貴州師范學院 生物科學學院，貴州 貴陽 550018；2.東北林業(yè)大學 林學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

林火預測預報是通過測定和計算一些自然（雷擊火）和人為（燒荒、煙頭、燒紙）等因素，結合氣象條件及林內(nèi)可燃物干燥程度等指標來判斷森林可燃物被引燃的概率和發(fā)生森林火災后的一系列火行為指標[3]，不僅是林火管理的重要手段，也是森林防火工作從傳統(tǒng)經(jīng)驗模式向現(xiàn)代化集約管理的重要技術防范。其中森林可燃物是林火的載體，是林火預測預報研究的核心，做好林火預測預報的首要任務就是做好可燃物含水率預測[4-8]。

可燃物含水率表示其內(nèi)部水分含量的多少，直接決定了其燃燒的可能性和發(fā)生火災后的一系列火行為[1,9-10]。當可燃物含水率較高時，特別是地表細小死可燃物含水率超過35%時，幾乎不可能被引燃，森林火災等級低，很難發(fā)生森林火災[11]。當?shù)乇砑毿∷揽扇嘉锖瘦^低時，不僅提高了森林火災發(fā)生概率，而且能夠顯著增加林火蔓延速率，增大撲救難度。

地表細小死可燃物包括森林內(nèi)凋落至地表沒有分解的葉片、球果和花片等，其中喬木凋落物占絕大多數(shù)。凋落物床層含水率的動態(tài)變化主要受自身理化性質及可以反映天氣干燥程度的環(huán)境因子作用[12]，掌握其變化情況，就能及時掌握林火發(fā)生的可能性及規(guī)律，是進行林火預測預報的基礎。例如當葉片床層含水率預測值低于實測值3%～4%時，就會給美國國家火險等級系統(tǒng)（National fire danger rating system, NFDRS）中點燃組件（Ignition component, IC）造成100%的誤差[7]，因此構建準確率高的含水率預測模型，能夠顯著提高火險預報系統(tǒng)的準確性。不同類型的葉片與外界水汽交換不同，蠟質和木質素成分含量不同的葉片，其含水率變化速率和最大含水率值都不同[13]，對于特定森林凋落物，都需要構建適合的含水率動態(tài)變化預測模型。

凋落物床層含水率變化主要受氣象因子（空氣溫度、相對濕度、風速、降雨）和地形條件的影響[14-19]。降雨作為重要的一個氣象因子，起到十分重要的作用。降雨能夠增加凋落物床層含水率，對其動態(tài)變化有極顯著影響。降雨量≤1 mm時，對床層含水率變化造成的影響微乎其微，幾乎不會左右森林火災發(fā)生與否；降雨量為1～5 mm時，會在一定程度上降低林火發(fā)生概率；當降雨量超過5 mm時，床層含水率顯著增加，幾乎不可能被引燃，發(fā)生火災概率極低[20]。但是，由于降雨的不確定性增加了研究難度，因此關于單獨降雨對含水率動態(tài)變化的影響研究還較少，大部分都是結合其他氣象要素進行分析。Wagner[21]通過實驗研究得到葉片床層含水率能夠達到最大飽和含水率的400%，將其放置在陰涼處大約2 h，其含水率減少了63%；Pech[22]分析了在不同降雨持續(xù)時間下，不同初始含水率的地衣床層達到飽和的時間及床層含水率變化情況；Martinell[23]分別為不同降雨區(qū)間提供了各自床層含水率變化公式；馬壯[24]分析了凋落物床層含水率在不同降雨量、床層結構和初始含水率時床層含水率變化情況。上述研究大部分都是定性分析，并沒有得到單獨降雨對凋落物床層含水率變化的情況，特別是降雨后床層飽和含水率模型的構建。床層結構對其含水率變化影響也十分顯著，因此選擇特定凋落物類型和不同結構的床層，在不同降雨量和床層初始含水率梯度下，系統(tǒng)分析降雨對凋落物床層含水率變化的影響，并建立相應的預測模型，對于理解降雨后床層含水率變化機理，得到含水率預測過程中關鍵參數(shù)預測模型，對含水率預測和提高預測精度有重要意義。

蒙古櫟Quercus mongolica和紅松Pinus koraiensis是我國黑龍江省溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)中主要樹種，一旦發(fā)生森林火災會造成很大損失[25-27]。選擇蒙古櫟和紅松凋落物為研究對象，設置與野外結構相似的不同密實度和初始含水率床層，研究在不同降雨量時凋落物床層含水率變化情況，分析降雨量、床層初始含水率和密實度對床層飽和含水率的影響，選擇合適預測因子，建立2種凋落物床層雨后飽和含水率預測模型，對于凋落物含水率預測研究和火險預警有重要意義。

1 材料與方法

研究區(qū)位于黑龍江省哈爾濱市帽兒山實驗林場（127°34′～127°40′E，45°24′～45°33′N）。南北長約30 km，東西為26 km，總占地面積約為26 000 hm2。森林覆蓋率為85%，森林蓄積量達到205萬hm2。研究區(qū)屬于長白山植物區(qū)系，主要是由地帶性頂級植被闊葉紅松被人為干擾后遭到破壞形成的比較典型的東北天然次生林。喬木主要為蒙古櫟、山楊Poplus dividiana、紅松、白樺Betula platyphylla等。

2017年春季防火期，在帽兒山實驗林場蒙古櫟和紅松林中采集前一年的凋落物。蒙古櫟和紅松林分信息如表1所示。采集的凋落物結構要保持完整。

表1 林分信息Table 1 Information of the forest stand

1.1 凋落物床層的準備

室內(nèi)模擬降雨對蒙古櫟和紅松凋落物床層含水率動態(tài)變化的影響必須提前制備好床層，保證床層結構與野外結構相似。床層準備主要包括床層密實度和初始含水率。

1.1.1 床層密實度

為保證降雨模擬實驗中蒙古櫟和紅松凋落物床層與野外自然條件保持一致，需要調(diào)查蒙古櫟和紅松凋落物床層的高度和密實度。調(diào)查發(fā)現(xiàn)蒙古櫟床層密實度的最小、平均和最大值分別為0.009 2、0.013 8和0.018 4；紅松床層密實度的最小、平均和最大值分別為0.015 8、0.023 6和0.031 5。因此床層密實度設置3個梯度。

凋落物床層密實度表示床層內(nèi)單獨凋落物之間的緊密程度，是凋落物床層體積密度與其顆粒密度的比值。具體計算公式如式（1）所示，其中體積密度是凋落物床層質量與體積的比值，凋落物顆粒密度為固定值，蒙古櫟和紅松凋落物顆粒密度分別為544.5和316.5 kg·m-3[28-29]，由于降雨會使鐵制品產(chǎn)生鐵銹，實驗過程中會影響床層質量，因此本實驗選擇長寬高分別為16、16和2 cm的塑料網(wǎng)框裝凋落物，床層體積為0.51×10-3m3。根據(jù)實驗中設定的密實度梯度、床層體積及蒙古櫟、紅松凋落物的體積密度，得到對應密實度的體積和凋落物質量（表2）。

式中：β為凋落物床層密實度，無量綱；ρb為凋落物床層體積密度；ρp為凋落物顆粒密度。

1.1.2 初始含水率

降雨對床層含水率動態(tài)變化的影響受床層初始含水率的作用，因此實驗中需要設置不同的床層初始含水率進行定量分析?？紤]到室內(nèi)模擬降雨條件下，若選擇絕干凋落物進行試驗，床層含水率會在短時間內(nèi)迅速增加，影響試驗結果。因此本研究中凋落物床層初始含水率梯度為5%、15%、25%、35%和50%。

表2 不同密實度梯度凋落物對應的質量Table 2 Qualities corresponding to the different compactness values of the litter bed

每個初始含水率梯度的凋落物床層需要提前制備。將凋落物床層放入烘箱中，在105 ℃下烘干至其質量不在變化為止，記為干質量Wd，并將烘干后的凋落物全部平鋪在地面。根據(jù)含水率計算公式（2）得到所需床層初始含水率時的濕質量，并記為Wh，則Wh-Wd為需要增加的水分，將需要的水分均勻快速地噴灑在凋落物上，并將其放入封口袋中放置24 h，使凋落物將水分完全吸收。每次模擬床層降雨實驗前，將制備好的凋落物床層單獨取一個凋落物，利用快速水分測定儀檢驗是否為要求的含水率。

式中：M為凋落物床層含水率；Wh為凋落物床層濕質量；Wd為凋落物床層干質量。

1.2 降 雨

本研究設置4個降雨梯度，分別為2、4、10和16 mm，表示不同降雨強度。

1.2.1 模擬凋落物床層

對于降雨模擬實驗，選擇無頂蓋長寬高分別為16、16和2 cm的塑料筐為裝不同密實度的凋落物床層（圖1）。

圖1 凋落物床層框示意Fig.1 Diagram of the fuel bed

下層凋落物含水率對上層凋落物含水率的影響十分顯著，在野外實際情況中，林分內(nèi)地表可燃物從上至下依次為凋落物、半腐殖質、腐殖質和土壤。為更接近自然條件，選擇長寬高分別為42、28和18 cm的種植藍模擬地表層，依次從上到下放置與野外狀態(tài)高度相同的土壤、腐殖質和半腐殖質，并將圖1凋落物床層置于其中，在其附近放置相同含水率的凋落物（圖2）。

1.2.2 降雨模擬試驗

選擇美國農(nóng)業(yè)部和美國土壤侵蝕所共同研制的降雨模擬器在室內(nèi)模擬降雨，其原理是通過使用振蕩式原理人工模擬自然條件下的降雨情況。研究人員能夠通過專門的降雨強度模塊，控制不同要求的降雨，人工模擬不同降雨強度。

在相同凋落物床層初始含水率、密實度和降雨量配比下進行3次重復試驗，其中床層初始含水率設置5個梯度，床層密實度設置3個梯度，降雨量設置4個梯度，共進行180次試驗。相同配比時，將3個種植藍置于降雨模擬器下進行模擬實驗（圖3），每隔10 min稱量一次塑料筐及松針質量。在稱量時需要將塑料筐上的水分擦干，記錄試驗整個過程中的溫濕度。

圖2 模擬凋落物床層Fig.2 Simulated field fuel bed

圖3 試驗示意Fig.3 Diagram of the experimental apparatus

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 實驗基本統(tǒng)計

利用軟件統(tǒng)計每次降雨模擬實驗中的空氣溫度和相對濕度。以床層密實度、初始含水率和降雨量作為分類條件，稱量次數(shù)為橫坐標，3次重復實驗的凋落物含水率的平均值為縱坐標，使用繪圖軟件繪制2種凋落物床層含水率隨時間變化的吸水情況。

1.3.2 方差分析

利用Statistica10.0軟件中方差分析法（ANOVA test）分析初始含水率、密實度和降雨量對2種凋落物床層飽和含水率的影響。

1.3.3 影響因子分析

根據(jù)方差分析得到對凋落物床層飽和含水率的影響因子。若所有因子都有顯著影響，選擇其中兩個因素為分類條件，分析剩余因子對飽和含水率的影響。例如，分析降雨量對飽和含水率的影響，以床層初始含水率和密實度梯度為分類條件，以降雨量梯度為橫坐標、飽和含水率為縱坐標繪制帶標準差的柱狀圖，進而分析降雨對飽和含水率的影響。其他剩余兩種因素的分析同降雨量。

若只有一個因素對床層飽和含水率沒有顯著影響，則以該因素為分類條件分析其對飽和含水率的影響就沒有意義。因此計算剩余兩個影響因素配比下，無影響因素梯度時飽和含水率的平均值作為剩余兩個影響因素配比下的飽和含水率。以其中一個影響因素為分類條件，以另一個影響因素梯度為橫坐標、飽和含水率為縱坐標繪制帶標準差的柱狀圖，進而分析其對飽和含水率的影響，另一個影響因素方法相同。

若只有一個影響因素有顯著影響，則計算該影響因素梯度下所有飽和含水率的平均值作為該影響因素梯度時的飽和含水率。以該影響因素梯度為橫坐標、飽和含水率為縱坐標繪制帶標準差的柱狀圖，分析其對飽和含水率的影響。

1.3.4 飽和含水率預測模型

根據(jù)方差分析，不論是蒙古櫟還是紅松凋落物床層都是床層密實度和降雨量對飽和含水率有顯著影響。計算床層密實度和降雨量配比下3個床層初始含水率梯度時的飽和含水率的平均值作為密實度和降雨量配比下的飽和含水率。以床層密實度為分類條件，根據(jù)飽和含水率隨降雨量的變化情況，選擇合適方程形式（Ms=a×R+b、Ms=a×exp(bR)、Ms=a+exp(bR)，其中：Ms為飽和含水率；R為降雨量；a和b為模型參數(shù)）建立飽和含水率預測模型，選擇平均絕對誤差（MAE）最小的為最優(yōu)模型。

2 結果與分析

2.1 實驗基本情況分析

表3給出了室內(nèi)模擬降雨試驗過程中溫濕度的基本情況。由表3可以看出，試驗溫度差和相對濕度的均值分別為2.21 ℃和6.5%，75%分位數(shù)值超過平均值的次數(shù)不多。因此可以認為每次試驗中床層吸水系數(shù)值穩(wěn)定。

表3 試驗基本情況統(tǒng)計Table 3 Basic information of experimental environment

2.2 凋落物床層含水率動態(tài)變化

兩種凋落物床層在降雨條件下，其床層含水率隨著時間推移呈對數(shù)形式增加，到達飽和含水率后停止上升，床層飽和含水率隨降雨量的增加而增大；隨著床層密實度的增加，凋落物床層含水率達到飽和的時間也增加（圖4）。對于蒙古櫟闊葉床層，床層密實度為0.092 0、0.013 8和0.018 4時，床層達到飽和含水率時需要的最長時間分別為0.89、1.00和1.72 h；不同降雨量時床層吸水速率不同，隨著降雨量的增加，床層吸水速率也增大；隨著蒙古櫟闊葉床層密實度的增加，降雨量為16 mm時，床層達到飽和含水率和其他降雨量時分界線增大。對于紅松針葉床層，床層密實度分別為0.015 8、0.023 6、0.031 5時，其達到飽和含水率需要最長時間分別為1.06、1.28和2.06 h；降雨量為2、4和10 mm時，床層達到飽和含水率的差別不大，且隨著床層密實度的增加，這種差別越來越小。蒙古櫟闊葉床層比紅松針葉床層更容易達到飽和，且其床層飽和含水率要高于紅松針葉床層的飽和含水率。

圖4 凋落物床層的吸水過程Fig.4 Absorbing process of litter beds

2.3 飽和含水率

2.3.1 方差分析

蒙古櫟和紅松凋落物床層飽和含水率均受降雨量和床層密實度的影響顯著，床層初始含水率對飽和含水率沒有顯著影響（表4）。

2.3.2 床層密實度對飽和含水率的影響

由于初始含水率對飽和含水率沒有顯著影響，因此以其為分類條件分析其對飽和含水率的影響就沒有意義。每個密實度和降雨量配比下有5個初始含水率梯度，計算其平均值作為該配比下的飽和含水率。因此共有12個配比。

以降雨量為分類條件分析蒙古櫟和紅松凋落物床層密實度對飽和含水率的影響。對于蒙古櫟凋落物，當降雨量為2 mm和4 mm時，飽和含水率隨密實度增加顯著下降；當降雨量為10 mm時，飽和含水率雖然有下降趨勢，但差異不顯著；當降雨量為16 mm時，飽和含水率隨密實度的增加呈先下降后增加的趨勢。對于紅松凋落物，不論降雨量如何改變，床層密實度從0.015 8增加至0.023 6時，飽和含水率都沒有顯著改變，只有當密實度增加至0.031 5時，飽和含水率出現(xiàn)顯著改變（圖5）。

表4 方差分析Table 4 Variance analysis

圖5 飽和含水率隨密實度動態(tài)變化Fig.5 Dynamics of saturated moisture content with litter bed compactness

2.3.3 降雨量對飽和含水率的影響

以密實度為分類條件，分析降雨量對飽和含水率的影響。從圖6可以看出，對于蒙古櫟凋落物床層，當密實度為0.009 2時，相鄰降雨量梯度時的飽和含水率沒有顯著增加，其余密實度梯度下飽和含水率都是隨著降雨量增加顯著增加。對于紅松凋落物，當密實度為0.015 8和0.023 6時，飽和含水率隨降雨量增加顯著增加；當密實度為0.315時，低降雨量對其飽和含水率的影響不顯著。

2.3.4 飽和含水率預測模型

以床層密實度為分類條件，飽和含水率隨降雨量呈指數(shù)變化。最優(yōu)模型為Ms=a×exp(bR)，模型參數(shù)和誤差如表5所示。所有密實度條件下，飽和含水率預測模型的平均絕對誤差均在可接受范圍內(nèi)。

3 結論與討論

在本研究條件下，蒙古櫟和紅松凋落物飽和含水率均值分別為372%和332%。通過對2種凋落物類型飽和含水率進行t檢驗，得到P＜0.01，表明本研究中蒙古櫟飽和含水率顯著高于紅松飽和含水率。這并不能說明單獨蒙古櫟葉片的飽和含水率高于紅松，凋落物含水率主要是由葉片自由水和結合水組成[30]，可能與床層密實度設置梯度有關系。Pech等人[22]研究認為松針床層飽和含水率最大值為250%，本研究遠高于該值，這可能是凋落物床層密實度區(qū)間不同導致。

密實度對2種凋落物飽和含水率均有極顯著影響，這主要是由于密實度影響凋落物床層對雨水的截留和凋落物之間的水汽交換[31-32]。隨著密實度的增加，凋落物床層的截留作用增加，雖然阻礙下層凋落物接收水分，但卻增加了凋落物之間的水汽交換，因此密實度對飽和含水率的影響有雙重性。蒙古櫟和紅松在不同降雨量時，床層密實度對飽和含水率的影響不同，表明密實度對飽和含水率的影響還受降雨量的影響，這可能是由于相同密實度時，隨著降雨量的增加，凋落物床層截留作用會下降。對于蒙古櫟凋落物，當降雨量較低時，隨著密實度的增加，截留作用明顯高于水汽交換，因此隨著密實度增加而飽和含水率下降，當降雨量為16 mm時，隨著密實度的增加，出現(xiàn)雙重性交匯，因此飽和含水率會先下降后增加。紅松凋落物結果與蒙古櫟不同，主要是由于密實度區(qū)間設置不同所致。

圖6 飽和含水率隨降雨量動態(tài)變化Fig.6 Dynamic of saturated moisture content with rainfall

表5 預測模型參數(shù)Table 5 Parameters of the prediction model

當紅松密實度為0.031 5時，飽和含水率隨降雨量增加沒有顯著改變，而其他密實度時，飽和含水率隨降雨顯著增加，這種情況也印證了之前的猜想。當密實度固定時，凋落物之間的水汽交換不變，隨著降雨量的增加，截留作用下降，飽和含水率增加。當床層密實度特別大（0.031 5）時，低降雨量無法降低截留作用，因此降雨量從2 mm增加至10 mm時飽和含水率變化不顯著，當降雨量增加至16 mm時，截留作用下降，飽和含水率顯著增加。

本研究建立了降雨條件下蒙古櫟和紅松不同凋落物床層結構飽和含水率的預測模型， 平均絕對誤差（MAE）均在可接受范圍內(nèi)。根據(jù)降雨量和床層密實度，即可得到飽和含水率，對于雨后含水率預測和火險預警研究具有重要意義。

蒙古櫟和紅松凋落物床層含水率隨降雨的增大呈指數(shù)增加，蒙古櫟床層更容易達到飽和，且飽和含水率要顯著高于紅松。床層密實度和降雨量對飽和含水率有顯著影響，床層初始含水率對其沒有影響。當密實度過高或過低時，隨著降雨量的改變，床層密實度也沒有顯著變化；當密實度適中時，床層飽和含水率隨降雨量改變發(fā)生顯著變化。凋落物床層密實度不同時，兩個凋落物床層飽和含水率預測模型形式相同，表明針葉和闊葉床層含水率變化對降雨的響應可能是相同的。

本研究室內(nèi)模擬降雨條件下2種凋落物床層含水率變化情況，但由于室內(nèi)研究的局限性，室內(nèi)構建的凋落物床層與野外實際床層有一定差別，可能會導致一定誤差。此外，凋落物下層土壤含水量、結構等對凋落物含水量有顯著影響，特別是通透性差的土壤結構，持續(xù)降雨時，下層凋落物可能會被完全浸泡，而浸泡和降雨對凋落物床層含水率變化的影響是不同的[33-40]，因此凋落物下層土壤結構對其含水率的影響也十分重要。在今后的研究中，不僅應該增加下層凋落物不同土壤結構，還應該考慮降雨對凋落物含水率影響的微觀機理，對于理解降雨對飽和含水率的變化有很大幫助。