周 勇，張 貴，張運(yùn)林，丁 波，滿(mǎn)子源

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.衡陽(yáng)師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002；3.貴州師范學(xué)院 生物科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550018；4.國(guó)家林業(yè)和草原局西北調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院 旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048）

森林可燃物含水率表示可燃物水分含量，決定了可燃物被引燃的概率及可能表現(xiàn)出的一系列火行為指標(biāo)等，是森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)中最重要的參數(shù)[1-2]。然而，在實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法獲取實(shí)時(shí)的可燃物含水率值，如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)森林可燃物含水率一直也是林火研究者關(guān)注的重點(diǎn)。相較于活可燃物，由于死可燃物含水率動(dòng)態(tài)變化響應(yīng)機(jī)理相對(duì)簡(jiǎn)單，且其對(duì)林火是否發(fā)生的影響更大，因此過(guò)去關(guān)于含水率的研究主要集中在死可燃物，而關(guān)于活可燃物含水率的研究較少[3]。

隨著全球氣候變暖及極端天氣頻繁發(fā)生，森林火災(zāi)中樹(shù)冠火和一些特殊火行為的比重不斷增加，而活可燃物含水率對(duì)這些類(lèi)型的森林火災(zāi)發(fā)生與否起到重要作用，關(guān)于活可燃物含水率動(dòng)態(tài)變化和預(yù)測(cè)研究也逐漸增多[4-6]。森林細(xì)小活可燃物，包括小枝和樹(shù)葉決定了這些特殊火行為發(fā)生與否，其含水率動(dòng)態(tài)變化主要受植物根部吸水和蒸騰失水相對(duì)速率的控制，這些速率與氣象要素、土壤干濕程度和植物自身理化性質(zhì)等有關(guān)系，因此，活可燃物含水率的動(dòng)態(tài)變化相較于死可燃物更加復(fù)雜[7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)森林活可燃物含水率動(dòng)態(tài)變化及預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了研究，Petros 等[8]使用KBDI 干旱指數(shù)預(yù)測(cè)森林活可燃物含水率，結(jié)果基本能夠滿(mǎn)足火險(xiǎn)預(yù)報(bào)需求；Viegas 等[9]使用加拿大火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)中濕度碼進(jìn)行活可燃物含水率預(yù)測(cè)，也取得較好結(jié)果；金森等[10]選擇黑龍江帽兒山幾種典型灌木為研究對(duì)象，建立氣象要素回歸模型，相對(duì)誤差均在15%以下；張運(yùn)林等[11]以云南3 種森林細(xì)小活可燃物為研究對(duì)象，分析了含水率動(dòng)態(tài)變化情況并建立預(yù)測(cè)模型，也取得較好的結(jié)果。江西省森林資源豐富，但森林火災(zāi)頻發(fā)，然而關(guān)于江西森林可燃物含水率的研究幾乎沒(méi)有，特別是關(guān)于森林活可燃物含水率的研究。雖然國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了相關(guān)研究，但由于活可燃物含水率動(dòng)態(tài)變化的復(fù)雜性和空間異質(zhì)性，對(duì)于江西典型森林活可燃物含水率的研究還需要進(jìn)一步分析和研究，對(duì)于森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)系統(tǒng)具有重要意義。

本研究選擇江西南昌市茶園山林場(chǎng)典型植被類(lèi)型：油茶、山竹和楊梅活可燃物為研究對(duì)象，分析其含水率動(dòng)態(tài)變化情況并建立預(yù)測(cè)模型?；羁扇嘉锖试谝欢ǔ潭壬吓c氣象要素相關(guān)，而且，加拿大火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)中濕度碼在一定程度上也能夠反映可燃物的干濕程度[12-14]。本研究選擇氣象要素回歸法和濕度碼回歸法建立活可燃物含水率預(yù)測(cè)模型，分析兩種方法的適用性，為江西森林活可燃物含水率預(yù)測(cè)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)于可燃物含水率和火險(xiǎn)預(yù)測(cè)研究具有重要意義。

1 研究區(qū)域概況與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)茶園山林場(chǎng)位于江西省南昌市灣里區(qū)（28°72′77″N，115°68′80″E），研究區(qū)位于長(zhǎng)江以南，屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，四季差異明顯。全年無(wú)積雪覆蓋，降雨量充足，一般集中在春末夏初，全年最低溫度在1月，月均氣溫為6.1℃，最高溫度在7月，月均溫度為28.8℃。研究區(qū)植被豐富，多為天然次生林，主要喬木包括馬尾松Pinus massoniana、杉木Cunninghamia lanceolate、柳杉Cryptomeria japonicavar.sinensis和毛竹Phyllostachys edulis等；主要灌木包括油茶Camellia oleifera、楊梅Myrica rubra和檵木Loropetalum chinensis等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置

2018年10月23日至2019年1月20日在茶園山林場(chǎng)選擇進(jìn)行活可燃物含水率監(jiān)測(cè)，共計(jì)90 d。灌木楊梅和油茶位于馬尾松林中，因此在馬尾松林和毛竹林中分別設(shè)置20 m×20 m 的標(biāo)準(zhǔn)樣地，對(duì)于每種可燃物類(lèi)型，每個(gè)樣地設(shè)置3 個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行采樣。具體樣地信息如表1所示。

表1 樣地基本信息?Table 1 Basic information of plots

1.2.2 野外數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

由于活可燃物含水率動(dòng)態(tài)變化較死可燃物更為緩慢，因此活可燃物含水率監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)以日為步長(zhǎng)進(jìn)行。選擇每日空氣溫度最高和相對(duì)濕度最低時(shí)進(jìn)行活可燃物含水率監(jiān)測(cè)，對(duì)于每種活可燃物類(lèi)型，在每個(gè)樣點(diǎn)采集葉片及小于0.6 cm 的小枝約80～100 g[15-16]，裝入信封中，迅速稱(chēng)量其濕質(zhì)量，并記錄將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室烘干至質(zhì)量不再變化為止，并記錄干質(zhì)量。若遇降雨天氣，則先用吸水紙擦去表面自由水后再裝入信封稱(chēng)重，此外，在帶回實(shí)驗(yàn)室過(guò)程中還需在信封外套塑料封口袋，防止樣品相互洇濕，影響試驗(yàn)結(jié)果。活可燃物含水率如計(jì)算公式（1）所示，每日3 個(gè)樣點(diǎn)含水率的算數(shù)平均值為活可燃物該日含水率。

式（1）中，M：活可燃物含水率值（%）；WH和WD分別表示活可燃物濕質(zhì)量和干質(zhì)量（g）。

林場(chǎng)合適位置架設(shè)HOBO 氣象站，以半小時(shí)為間隔，與采集時(shí)間同步監(jiān)測(cè)氣象要素，包括空氣溫度（T）、相對(duì)濕度（H）、風(fēng)速（W）和降水量（R）等。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

1）濕度碼計(jì)算。根據(jù)加拿大火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)中濕度碼方程計(jì)算監(jiān)測(cè)期內(nèi)每日濕度碼，包括地表細(xì)小可燃物濕度碼（Fine fuel moisture content,FFMC）、半腐殖質(zhì)濕度碼（Duff moisture content,DMC）和干旱碼（Drought content,DC）。根據(jù)文獻(xiàn)可知，由于研究區(qū)為無(wú)明顯積雪覆蓋，因此FFMC 的初始值為85，上一次降雨距采樣第一天為11 d，因此DMC和DC 的初始值分別為22 及55[17]。

2）基本統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)研究期內(nèi)氣象要素和濕度碼進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)分析，并以采樣日期為橫坐標(biāo)，活可燃物含水率為縱坐標(biāo)，繪制活可燃物含水率動(dòng)態(tài)變化圖，分析其在監(jiān)測(cè)期內(nèi)動(dòng)態(tài)變化情況。

3）相關(guān)性分析。由于可燃物含水率動(dòng)態(tài)變化對(duì)外界因素的響應(yīng)有一定的滯后性，因此選擇前一日氣象要素和當(dāng)日氣象要素，利用Spearman 偏相關(guān)分析活可燃物含水率與氣象要素的關(guān)系。其中，當(dāng)日和前一日氣象要素分別用下角標(biāo)0 和-1表示，例如前一日當(dāng)日相對(duì)濕度為H0，前一日累積降雨量為R-1。此外，利用Spearman 偏相關(guān)分析活可燃物含水動(dòng)態(tài)變化與濕度碼的相關(guān)性。

4）活可燃物含水率預(yù)測(cè)模型及模型精度檢驗(yàn)。分別以氣象要素和濕度碼為自變量，活可燃物含水率為自變量，選擇向前逐步回歸方式建立線(xiàn)性回歸模型和多項(xiàng)式回歸模型。

選擇n-fold 交叉驗(yàn)證方法計(jì)算模型平均絕對(duì)誤差（Mean absolute error,MAE）和平均相對(duì)誤差（Mean relative error,MRE），比較模型預(yù)測(cè)精度。以實(shí)測(cè)值為橫坐標(biāo)，預(yù)測(cè)值為縱坐標(biāo)，分別繪制1∶1誤差分析圖，研究預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)效果。

以上所有的數(shù)據(jù)處理和繪圖均是用Statistic 13.0軟件和Excel 2016 軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 基本統(tǒng)計(jì)分析

表2給出監(jiān)測(cè)期間研究區(qū)氣象要素和濕度碼的基本統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果?？梢钥闯觯O(jiān)測(cè)期內(nèi)，空氣溫度最小值為5.7℃，最大值為30.1℃，根據(jù)75%分位數(shù)可知研究期內(nèi)空氣溫度大部分都低于16.7℃；研究期內(nèi)相對(duì)濕度較高，根據(jù)25%分位數(shù)可知大部分相對(duì)濕度都在54%以上，且均值為63.633%；單日最大累積降水量為117.4 mm，平均降水量為5.656 mm。研究期間FFMC 的變化范圍為0.0～88.906，均值為32.917，大部分FFMC都低于61.483；DMC 最小值僅為0.09，最大值為38.756，整個(gè)研究期內(nèi)DMC 值較低；DC 在研究期間均值為18.418，變化范圍為1.162～98.498，根據(jù)75% 分位數(shù)可知，大部分時(shí)段都低于19.142。

表2 監(jiān)測(cè)期內(nèi)氣象要素和濕度碼基本統(tǒng)計(jì)分析Table 2 Basic statistics of meteorological elements and moisture code during the monitoring period

監(jiān)測(cè)期內(nèi)茶園山林場(chǎng)3 種活可燃物含水率基本表現(xiàn)出一致的動(dòng)態(tài)變化，但從圖1可看出，毛竹活可燃物含水率動(dòng)態(tài)變化幅度有明顯大于其他可燃物類(lèi)型，含水率均值為118.323%，最小值僅為71.52%，最大值為220.535%，標(biāo)準(zhǔn)差為27.990。楊梅及油茶活可燃物含水率動(dòng)態(tài)變化接近，其中楊梅的活可燃物含水率變化范圍為113.794%～223.089%，均值為142.782%，標(biāo)準(zhǔn)差為17.225，油茶活可燃物含水率動(dòng)態(tài)變化為112.503%～191.903%，均值138.116%，標(biāo)準(zhǔn)差為17.632。

圖1 監(jiān)測(cè)期活可燃物含水率動(dòng)態(tài)變化情況Fig.1 Dynamic change of live moisture content during the monitoring period

2.2 相關(guān)性分析

茶園山林場(chǎng)3 種活可燃物含水率動(dòng)態(tài)變化與氣象要素的相關(guān)性分析見(jiàn)表3。由表3可看出，當(dāng)日溫度與楊梅和油茶活可燃物含水率呈顯著正相關(guān)關(guān)系，前一日空氣溫度與3 種活可燃物含水率都呈極顯著正相關(guān)；3 種活可燃物含水率動(dòng)態(tài)變化隨著當(dāng)日和前一日相對(duì)濕度的增加而增加，且相關(guān)性隨著距離采樣時(shí)間的增加而降低；風(fēng)速對(duì)活可燃物含水率動(dòng)態(tài)變化沒(méi)有顯著影響；當(dāng)日累積降水與活可燃物含水率增加呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，前一日累積降水對(duì)活可燃物含水率動(dòng)態(tài)變化幾乎沒(méi)有影響。

表3 活可燃物含水率與氣象要素的相關(guān)性分析結(jié)果?Table 3 The results of correlation analysis between dynamic change oflive moisture content and meteorological element

3 種活可燃物含水率動(dòng)態(tài)變化與FFMC 都呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，且毛竹活可燃物含水率與FFMC 的相關(guān)性最強(qiáng)，楊梅次之，油茶最差。除毛竹外，其余2 種活可燃物含水率與DMC、DC 都沒(méi)有顯著關(guān)系（表4）。

表4 活可燃物含水率與濕度碼的相關(guān)性分析結(jié)果?Table 4 The results of correlation analysis between dynamic change of live moisture content and moisture code

2.3 活可燃物含水率預(yù)測(cè)模型

以氣象要素和濕度碼為自變量，3 種活可燃物含水率為因變量，采用逐步回歸法和多元非線(xiàn)性回歸模型分別建立活可燃物含水率預(yù)測(cè)模型。

2.3.1 氣象要素回歸模型

2.3.1.1 多元線(xiàn)性回歸模型3 種活可燃物含水率的氣象要素回歸模型見(jiàn)表5，由表5可看出，當(dāng)日相對(duì)濕度均被選入模型，毛竹模型中還包括當(dāng)日降水量，油茶和楊梅模型中還包括前一日空氣溫度?；跉庀笠鼗貧w法的含水率預(yù)測(cè)模型R2變化范圍為0.301～0.400，MAE 最小值為10.590，最大值為15.745，MRE 變化范圍7.171%～12.914%。2.3.1.2 多元非線(xiàn)性回歸模型

表5 活可燃物含水率氣象要素多元線(xiàn)性回歸模型Table 5 Multiple linear regression model of meteorological element of live moisture content

3 種活可燃物含水率的氣象要素多元非線(xiàn)性回歸模型見(jiàn)表6，與多元線(xiàn)性回歸模型相同，當(dāng)日相對(duì)濕度均被選入模型，毛竹模型中還包括當(dāng)日降水量，楊梅和油茶模型中還包括前一日空氣溫度。基于氣象要素回歸法的含水率預(yù)測(cè)模型R2變化范圍為0.435～0.568，MAE 最小值為9.844%，最大值為12.657%，MRE 變化范圍6.830%～10.370%。

表6 活可燃物含水率氣象要素多元非線(xiàn)性回歸模型Table 6 Multiple nonlinear regression model of meteorological element of live moisture content

2.3.2 濕度碼回歸模型

2.3.2.1 濕度碼線(xiàn)性回歸模型

基于濕度碼的活可燃物含水率預(yù)測(cè)模型都是只有細(xì)小可燃物濕度碼進(jìn)入模型，3 種活可燃物預(yù)測(cè)模型的R2變化范圍為0.278～0.387，楊梅的含水率預(yù)測(cè)模型MAE 最小，僅為10.259%，最大為毛竹16.732%；3 種活可燃物含水率預(yù)測(cè)模型的MRE 變化范圍為6.960%～13.931%（表7）。

表7 活可燃物含水率濕度碼多元線(xiàn)性回歸模型Table 7 Multiple linear regression model of moisture code of live moisture content

2.3.2.2 濕度碼非線(xiàn)性回歸模型

濕度碼非線(xiàn)性的活可燃物含水率預(yù)測(cè)模型同樣只有細(xì)小可燃物濕度碼FFMC 進(jìn)入模型，毛竹活可燃物預(yù)測(cè)模型的R2最大，為0.462，楊梅和油茶的R2依次減小，分別為0.344 和0.326。3 種活可燃物含水率預(yù)測(cè)模型的MAE 和MRE 變化范圍分別為10.696%～31.285%和8.040%～22.010%（表8）。

表8 活可燃物含水率濕度碼多元非線(xiàn)性回歸模型Table 8 Multiple nonlinear regression model of moisture code of live moisture content

2.3.3 模型誤差1∶1 分析圖

從2.3.2 可以看出，不論是氣象要素模型還是濕度碼模型，雖然3 種可燃物的非線(xiàn)性回歸模型預(yù)測(cè)精度更好，但MAE 和MRE 并沒(méi)有顯著差異（P＞0.05），而且非線(xiàn)性模型的形式也不如線(xiàn)性模型簡(jiǎn)單。因此，本部分模型誤差僅分析線(xiàn)性回歸模型。

茶園山林場(chǎng)3 種活可燃物基于氣象要素回歸模型和濕度碼回歸模型的含水率實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值1∶1 圖見(jiàn)圖2。由圖2可看出，對(duì)于毛竹和楊梅活可燃物，兩種模型的擬合線(xiàn)差別不大，油茶的氣象要素回歸擬合線(xiàn)更接近于1∶1 線(xiàn)。對(duì)于所有活可燃物類(lèi)型，都是在含水率較低時(shí)，預(yù)測(cè)值偏高，含水率較高時(shí)，兩種預(yù)測(cè)方法都高估。

圖2 實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值1∶1 圖Fig.2 Comparison between measured value and predicted value

3 結(jié)論與討論

研究認(rèn)為，一般當(dāng)活可燃物含水率低于130%時(shí)，就有可能被引燃[18]，發(fā)生樹(shù)冠火和一些特殊火行為，對(duì)生態(tài)環(huán)境、撲火隊(duì)員安全和當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成嚴(yán)重影響。對(duì)茶園山林場(chǎng)3 種活可燃物進(jìn)行基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)75%分位數(shù)可知，毛竹、楊梅和油茶3 種活可燃物含水率分別為133.578%、150.688%和150.663%，監(jiān)測(cè)期內(nèi)大部分時(shí)間毛竹含水率基本都低于130%，有被引燃的可能性，油茶次之，楊梅被引燃的概率最低。

活可燃物含水率動(dòng)態(tài)變化主要受蒸騰失水和根部吸水相對(duì)速率的影響，在土壤水分含量充足的情況下，隨著空氣溫度的升高，植物蒸騰作用增強(qiáng)，同時(shí)也加快從根部吸水的速率，因此在一定階段，活可燃物含水率與空氣溫度呈正相關(guān)關(guān)系。但若長(zhǎng)期干旱條件下，隨著溫度持續(xù)高溫，活可燃物含水率可能會(huì)下降，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。活可燃物含水率動(dòng)態(tài)變化與相對(duì)濕度、降水量正相關(guān)，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果相似[3,10,19-20]。此外，與風(fēng)速不相關(guān)，這可能是由于本研究中選擇的風(fēng)速變量較少所致，活可燃物含水率對(duì)氣象要素的響應(yīng)緩慢，具有明顯的滯后性，本研究?jī)H選擇了當(dāng)日和前一日風(fēng)速，因此未表現(xiàn)出明顯的顯著性。

茶園山林場(chǎng)3 種活可燃物含水率動(dòng)態(tài)變化僅與FFMC 呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與DMC 和DC 基本不相關(guān)，這與金森、劉萬(wàn)龍等[20-21]的研究結(jié)果相似。與DMC 和DC 不相關(guān)，主要是由于研究期間，56%的監(jiān)測(cè)期在下雨，表征腐殖質(zhì)和土壤干濕程度的DMC 和DC 波動(dòng)較小，因此對(duì)活可燃物含水率沒(méi)有顯著影響。

活可燃物的含水率氣象要素預(yù)測(cè)模型都是當(dāng)日相對(duì)濕度進(jìn)入模型，此外還有前一日降雨和溫度，這與張運(yùn)林等[11]的研究結(jié)果相似。研究認(rèn)為，活可燃物含水率預(yù)測(cè)誤差MRE 低于15%，即可使用[22]，本研究中不論是氣象要素回歸法還是濕度碼回歸法MRE 均低于或在15%附近，效果較好。對(duì)3 種活可燃物含水率的2 個(gè)預(yù)測(cè)模型誤差進(jìn)行H檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有顯著差異（P＞0.05），說(shuō)明兩種預(yù)測(cè)方法差別不大。但對(duì)于楊梅活可燃物，濕度碼回歸法的預(yù)測(cè)效果要略?xún)?yōu)于氣象要素回歸法，對(duì)于其他2 種活可燃物類(lèi)型，氣象要素回歸法更好。

江西南昌茶園山林場(chǎng)3 種典型活可燃物在監(jiān)測(cè)期內(nèi)毛竹的含水率動(dòng)態(tài)變化最大，且更容易被引燃，油茶次之，楊梅被引燃的可能性最低。除了毛竹外，隨著當(dāng)日和前一日空氣溫度升高，活可燃物含水率也升高，毛竹僅與前一日空氣溫度正相關(guān)；當(dāng)日及前一日相對(duì)濕度和所有活可燃物含水率均為極顯著正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性遞減；風(fēng)速對(duì)活可燃物含水率動(dòng)態(tài)變化沒(méi)有顯著影響；活可燃物含水率隨著當(dāng)日降水量增加而極顯著增加。所有活可燃物含水率的氣象要素回歸預(yù)測(cè)模型中，當(dāng)日相對(duì)濕度均進(jìn)入模型，MAE 最小值為10.590，MRE 最小值僅為7.171；濕度碼回歸預(yù)測(cè)模型中只有FFMC 進(jìn)入模型，MAE 和MRE 的變化范圍分別為10.259%～16.732%和6.960%～13.931%，兩種方法預(yù)測(cè)江西南昌茶園山林場(chǎng)活可燃物含水率沒(méi)有顯著差異。本研究結(jié)果為江西活可燃物含水率動(dòng)態(tài)變化和預(yù)測(cè)模型研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和借鑒，也對(duì)構(gòu)建火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)具有重要意義。