張 恒，劉鑫源，李星漢，孫 龍

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

地表可燃物作為森林生態(tài)系統(tǒng)的基本組成成分，是森林火災(zāi)發(fā)生的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和傳播的主要載體，對森林火災(zāi)產(chǎn)生、發(fā)展及蔓延有直接影響[1-2]。含水率是地表可燃物燃燒性最為重要的指標(biāo)，直接影響著可燃物達(dá)到燃點的速度和可燃物釋放熱量的多少，在很大程度上決定火災(zāi)發(fā)生的難易程度，因此地表可燃物含水率是林火預(yù)測預(yù)報重要的因子之一，也是林火管理的一項重要內(nèi)容[3]。氣象要素回歸法是利用回歸理論直接建立氣象要素與地表可燃物含水率之間的函數(shù)關(guān)系，由于其建立的是統(tǒng)計模型，建模相對簡單，是我國測定地表可燃物含水率的主要方法，也是目前世界上使用最為廣泛的方法[4]。為更加清晰而全面地呈現(xiàn)氣象要素回歸法預(yù)測地表可燃物含水率的發(fā)展歷程，本文以1988—2017年的29 a的文獻(xiàn)資料為基礎(chǔ)，統(tǒng)計發(fā)表有關(guān)可燃物含水率研究的學(xué)術(shù)論文，進(jìn)行文獻(xiàn)計量學(xué)分析，從載文量、作者、發(fā)文機構(gòu)等5個方面展開論述，系統(tǒng)回顧我國氣象要素回歸法預(yù)測地表可燃物含水率已有的研究成果，提出未來該方法預(yù)測地表可燃物含水率的發(fā)展方向和研究熱點，以期對氣象要素回歸法預(yù)測地表可燃物含水率的進(jìn)一步發(fā)展及研究提供有價值的參考信息。

1 引文統(tǒng)計結(jié)果與分析

為了收集1988-2017年的含水率文獻(xiàn)，以“可燃物含水率”“氣象因子”為關(guān)鍵詞在中國知網(wǎng)進(jìn)行檢索。剔除各種時間不符、內(nèi)容不符、主題不符等無效文獻(xiàn)后，最終得到期刊樣本共158篇。采用基于java平臺開發(fā)的CiteSpace可視化軟件繪制科學(xué)知識圖譜。通過對論文作者所在科研機構(gòu)、發(fā)文作者知識圖譜的可視化分析，跟蹤對地表可燃物含水率研究力量及研究人員的分布；通過對關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識圖譜的可視化分析，探討氣象要素回歸法預(yù)測地表可燃物含水率發(fā)展趨勢。

1.1 載文數(shù)量的時間分布

1987大興安嶺森林大火以后，我國對森林火災(zāi)預(yù)測預(yù)報的工作越來越重視。通過文獻(xiàn)數(shù)量的變化來分析研究內(nèi)容的發(fā)展階段，可判斷和預(yù)測其增長趨勢。結(jié)果表明，1988-2017年均發(fā)文量較少（2.8篇），后期呈增長趨勢。自2006年以來，有關(guān)地表可燃物含水率研究文獻(xiàn)進(jìn)入快速發(fā)展的階段，2014年為高產(chǎn)出活躍年，共11篇（圖1）。

圖1 研究成果趨勢

1.2 發(fā)文機構(gòu)及作者分析

我國在1988-2017年期間利用氣象要素回歸法進(jìn)行地表可燃物含水率預(yù)測模型研建的文獻(xiàn)發(fā)表在不同的學(xué)術(shù)期刊上（圖2）。在《東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報》發(fā)表的數(shù)量最多，占32.86%。這表明有關(guān)于東北森林的防火研究相對較多，這也和東北林區(qū)是我國森林火災(zāi)的重災(zāi)區(qū)這一特點相吻合；另一部分學(xué)術(shù)成果發(fā)表在《森林防火》《林業(yè)科學(xué)》《火災(zāi)科學(xué)》與《應(yīng)用生態(tài)學(xué)報》上。另一方面，從學(xué)術(shù)期刊的級別來看，《林業(yè)科學(xué)》和《應(yīng)用生態(tài)學(xué)報》是我國林火生態(tài)領(lǐng)域最為權(quán)威的期刊，數(shù)量較少也表明我國在這一方面的核心研究能力還有待加強。

對在1988-2017年含水率文獻(xiàn)發(fā)文排名前十的作者進(jìn)行統(tǒng)計（表1）。發(fā)文量排在前10的都是目前我國林業(yè)研究領(lǐng)域相對活躍的學(xué)者。這些學(xué)者專注于對地表可燃物含水率的研究，已經(jīng)有相當(dāng)可觀的進(jìn)展。這里尤其以東北林業(yè)大學(xué)金森教授的團隊成果最為豐富，而曲智林和單延龍教授也都畢業(yè)于東北林業(yè)大學(xué)森林防火學(xué)科，在含水率預(yù)測模型構(gòu)建和可燃物種類選取等方面開展了很多探索性的工作。

圖2 1988-2017年含水率文獻(xiàn)發(fā)表期刊分布

表1 1988-2017年含水率文獻(xiàn)發(fā)文量排名前10的作者

發(fā)文作者圖既反映了作者個人情況，又反映了在地表可燃物含水率研究方向上學(xué)者的聚類情況[5]。通過CiteSpace軟件繪制出發(fā)文作者知識圖譜（圖3）可知。胡海清、孫龍、李海洋等學(xué)者有著較為相似的研究方向，金森、劉昕、李建民、于宏洲等研究人員也在地表可燃物含水率的研究方面做出了貢獻(xiàn)。

圖3 1988-2017年含水率文獻(xiàn)發(fā)文作者知識圖譜

通過對研究單位的來源進(jìn)行統(tǒng)計（表2），可以看出不同研究單位對氣象要素預(yù)測地表可燃物含水率研究的關(guān)注程度，研究單位出產(chǎn)的研究成果對地表可燃物含水率的未來發(fā)展方向起著重要的作用。本文總結(jié)出在研究地表可燃物含水率研究領(lǐng)域有重要影響的十大科研機構(gòu)，從科研機構(gòu)來看，東北林業(yè)大學(xué)的發(fā)文量居于首位；從詞頻變化顯著的關(guān)鍵詞確定的死可燃物含水率研究前沿來看，文獻(xiàn)作者主要分布于東北林業(yè)大學(xué)，北京林業(yè)大學(xué)，西南林業(yè)大學(xué)，中國林科院等單位。

表2 1988-2017年含水率文獻(xiàn)發(fā)文量排名10的發(fā)文作者單位

1.3 關(guān)鍵詞可視化分析

對1988-2017年含水率文獻(xiàn)中的關(guān)鍵詞進(jìn)行可視化分析可以得到該領(lǐng)域研究發(fā)展的方式和趨勢[5]。雖然關(guān)鍵詞在文章中占比不大，但卻是文章的核心之一[6]，對揭示文章主題起到關(guān)鍵性的作用。因此，對收集到的文獻(xiàn)中的關(guān)鍵詞進(jìn)行共現(xiàn)分析，所得的高頻關(guān)鍵詞可以用來揭示我國氣象要素回歸法預(yù)測地表可燃物含水率進(jìn)展的主題結(jié)構(gòu)和熱點問題。

通過CiteSpace軟件繪制出關(guān)鍵詞聚類的多維知識圖譜（圖4），共計得到關(guān)鍵詞11個。關(guān)鍵詞中可燃物含水率、地表死可燃物及大興安嶺出現(xiàn)的頻率高，出現(xiàn)頻率居多的還有氣象要素回歸法和氣象因子。另外還有預(yù)測模型和fwi，這也是氣象要素回歸法最為核心的內(nèi)容。由于我國的氣象臺站建設(shè)覆蓋面積越來越廣，數(shù)據(jù)也愈加豐富，而通過易得的氣象因子和不易得的實地取樣含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，進(jìn)而利用模型對應(yīng)日常的氣象因子得到含水率預(yù)測值來獲取天氣火險等級是大多數(shù)學(xué)者研究的重點。

圖4 1988-2017年含水率文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識圖譜

2 研究地區(qū)及氣象因子

2.1 地區(qū)森林類型

我國的絕大部分森林資源集中分布在東北、西南地區(qū)，西北地區(qū)森林資源貧乏[7]。因此，我國森林火災(zāi)主要發(fā)生在東北、西南地區(qū)。根據(jù)對近年來地表可燃物含水率文獻(xiàn)的實驗地區(qū)的統(tǒng)計，可以看出我國對地表含水率研究的地區(qū)比較分散，但主要的實驗地區(qū)以黑龍江省和云南省為主，其他研究地區(qū)所占比例較小。

2.1.1 東北地區(qū)

東北地區(qū)物種豐富，森林覆蓋面積大，在我國森林占有相當(dāng)大的比例，森林植被類型眾多，寒溫帶大陸性氣候，冬季漫長嚴(yán)寒而干燥；春季冷暖變化劇烈，夏季氣溫迅速回升，森林植物種類單純，主要喬木樹種有興安落葉松（Larix gmelinii（Rupr.）Kuzen.）、樟子松（Pinus sylvestris L.var.mongholica Litv.）、白樺（Betula platyphylla Suk）,還有少量的山楊（Populus davidiana）和云杉（Picea asperata Mast.） 、柞 樹（Quercus mongolica Fisch.ex Ledeb.）、杜鵑（Rhododendron simsii Planch）、黑樺（Betula davurica Pall.）等。不同的森林類型中地表可燃物有較大差異，在此以黑龍江省帽兒山老山林場、大興安嶺、長白山等地區(qū)制作出了東北地區(qū)主要研究的森林類型（表3）。

表3 東北地區(qū)主要研究的森林類型

2.1.2 西南地區(qū)

西南地區(qū)全年晴天較多，紫外線強，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，有利于大多數(shù)植物生長。常見的喬木樹種有：華山松（Pinus armandii Franch）、云南松（Pinus yunnanensis）、圓柏（Sabina chinensis（L.）Ant.）、側(cè)柏（Platycladus orientalis（L.）Franco）等（表4）。云南松是云貴高原的主要針葉樹種[8]，其分布區(qū)廣泛且復(fù)雜，云南松林地表可燃物含水率小，受氣象要素影響較大。滇油杉（Keteleeria evelyniana Mast）為滇中高火險區(qū)的主要易燃樹種，其油脂含量高，地表可燃物不易分解、密實性差[9]。

表4 西南地區(qū)主要研究的森林類型

2.1.3 其他地區(qū)

除了東北地區(qū)和云南地區(qū)以外，其他省份的森林類型則以紅松（Pinus koraiensis Sieb.et Zucc.）、杉木（Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.）、側(cè)柏居多，在浙江省千島湖姥山島一帶有大量的馬尾松（Pinus massoniana Lamb）林和毛竹（Phyllostachys heterocycla（Carr.）Mitford cv.Pubescens）林。表5為其他地區(qū)主要研究的森林類型。

2.2 可燃物類型

可燃物類型是具有同質(zhì)性的占有一定空間和時間的可燃物復(fù)合體，也是林火發(fā)生和燃燒的物質(zhì)基礎(chǔ)[10]。可燃物類型不同，其燃燒性亦有較大的差異，對火災(zāi)的發(fā)生發(fā)展也有著重要影響。森林中的可燃物有樹葉、樹枝、樹干、樹根、枯枝落葉、林地草類、苔蘚、地衣和腐殖質(zhì)、泥炭等，這些可燃物都屬于有機物質(zhì)[11]。張恒[4]等以大興安嶺地區(qū)的興安落葉松、樟子松、白樺林3種地表細(xì)小死可燃物為研究對象，對現(xiàn)在研究得出的預(yù)測模型和自建模型進(jìn)行比較，分析這些模型的外推效果，提高了地表可燃物含水率的預(yù)測精度，其研究的可燃物就是地表可燃物。金森[12]等在農(nóng)林交錯區(qū)典型地表死可燃含水率預(yù)測中取樣物是凋落物；單延龍[13]等在研究涼水自然保護(hù)區(qū)主要可燃物類型凋落物層的含水率時選取的為凋落物。楊國福[14]等在研究浙江千島湖不同林型中地表可燃物含水率對主要火環(huán)境因子的響應(yīng)模型，選取的是枯枝落葉。

2.3 氣象因子

森林火災(zāi)的發(fā)生主要取決于地表可燃物含水率，而地表可燃物含水率與當(dāng)?shù)氐臍庀笠蜃佑钟兄芮械年P(guān)系[9]。氣象因子對地表可燃物含水率的變化有極其重要的影響作用。統(tǒng)計得出，研究者對氣象因子的選擇主要有氣溫、相對濕度、風(fēng)速以及降雨量。我國地形復(fù)雜，還有一些地區(qū)的氣象因子是不同的。如祁連山林區(qū)，不僅僅有氣溫、相對濕度、風(fēng)速和降雨量，還有連旱天數(shù)，這跟當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境氣候有著密切的聯(lián)系。在實際中所有的氣象因子都是同時存在且同時作用于地表可燃物，時刻影響著地表可燃物含水率的變化[15]。當(dāng)前大多數(shù)研究人員對采樣時的氣象因子影響考慮較多，而在取樣前期對氣象因子的考慮較少，尤其是降雨量的變化[16]。從雨后天數(shù)與含水率的相關(guān)分析中可以得出：降雨影響地表可燃物含水率的變化[13]，降雨量與地表可燃物含水率的影響天數(shù)呈正相關(guān)性，即降雨量越多，對地表可燃物含水率的影響天數(shù)越長。

不同氣象因子對地表可燃物含水率的影響不同。相同氣象因子對不同區(qū)域，不同林型可燃物含水率的影響程度也是不同的[3]。高永剛[17]等利用野外觀測的地表可燃物含水率資料和同期逐日氣象資料，采用統(tǒng)計回歸分析方法，建立了地表可燃物含水率與氣象要素關(guān)系模型，研究得出結(jié)論：地表可燃物含水率與平均相對濕度及降水量積累呈正相關(guān)，與連續(xù)無降水日數(shù)、平均風(fēng)速、平均最高氣溫呈負(fù)相關(guān)。在研究不同的方向時，考慮到的氣象因子也不同。當(dāng)研究森林可燃物含水率與森林火險危險性時，氣象因子還考慮到了蒸發(fā)量。在凋落物層的含水率研究中，要考慮到凋落物層表面溫度,腐殖質(zhì)層表面溫度。氣象因子不僅是決定森林火災(zāi)發(fā)生的重要條件，還是林火預(yù)測預(yù)報的一個重要預(yù)報因子，要提高預(yù)報的準(zhǔn)確性，一定要選擇關(guān)鍵的氣象因子進(jìn)行全方位的研究[18]。

3 數(shù)據(jù)

氣象要素回歸法涉及的數(shù)據(jù)涵蓋的內(nèi)容較多，主要以取樣方法、方程模型所采用的因子數(shù)量及類型為主，搞清不同采樣方法對地表可燃物含水率預(yù)測模型精度有多大的影響，建立科學(xué)的含水率預(yù)測模型，具有重要的意義。另外，用以建模的氣象因子較多，大量的研究中，在單因子和多因子的選擇上也較為豐富，但兩者之間對模型精度的具體產(chǎn)生何種影響，還未見研究。

3.1 取樣方法

目前在進(jìn)行野外實驗時，對地表可燃物含水率的測定有兩類方法：非破壞性采樣法與破壞性采樣法。非破壞性采樣法是指在樣地選取一處或幾處固定監(jiān)測點，在監(jiān)測點設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)物，對標(biāo)準(zhǔn)物進(jìn)行固定時間間隔的連續(xù)稱重以獲取的含水率的方法。破壞性采樣法是指每次測定都在樣地內(nèi)隨機選取幾處測定點，對測定點當(dāng)時的可燃物稱重進(jìn)而獲取含水率的方法[19-21]。相對來說，非破壞采樣法能夠克服含水率采樣的空間異質(zhì)性，更好地反映地表可燃物水分對環(huán)境的適應(yīng)。破壞性采樣則具有時效性，但即使取多點平均值，也只能盡量的接近真實值。這兩種采樣法對于本實驗研究地區(qū)使用氣象要素回歸法進(jìn)行建模時預(yù)測精度的影響效果還是未知。

3.2 方程模型

我國大部分研究學(xué)者通過建立地表可燃物含水率預(yù)測模型來研究含水率的變化。他們建立的預(yù)測模型選擇的因子是不同的。根據(jù)所研究內(nèi)容，選取合理的方程因子是提高精度的重要前提。

3.2.1 單因子

研究學(xué)者們會根據(jù)自己建立哪種氣象因子與含水率的關(guān)系來選擇氣象因子，普遍選取的單因子有相對溫度、相對濕度、降水率等。劉[22]等在黔東南地區(qū)杉木林內(nèi)測定可燃物含水率，選擇了相對濕度作為氣象因子，分析含水率動態(tài)結(jié)構(gòu)與氣象因子的關(guān)系。馬麗華和李兆山[23]在大興安嶺地區(qū)通過相對濕度進(jìn)行6種活森林可燃物含水率的測試與研究，得出活可燃物含水率與取樣日期的函數(shù)關(guān)系，建立了活可燃物含水率動態(tài)模型。他們都選擇氣象單因子進(jìn)行建模，取得了較好預(yù)測效果，對提高林火發(fā)生和林火行為預(yù)測的準(zhǔn)確性具有重要意義。但，由于地表可燃物含水率本身受地形、氣象以及林型等多重因素影響，單因子是否能夠滿足對含水率更為準(zhǔn)確的預(yù)報成為之后的眾多學(xué)者采取多因子進(jìn)行模型構(gòu)建的原因。

3.2.2 多因子

根據(jù)對前期研究的整理可知，絕大多數(shù)研究學(xué)者都選取了兩個或兩個以上的氣象因子建立的含水率預(yù)測模型。何忠秋[24]等人根據(jù)平衡含水率理論將大興安嶺死可燃物劃分為1時滯、10時滯、100時滯、1 000時滯4種類型，結(jié)合溫度、相對濕度和降水量構(gòu)建了2種林型的地表可燃物含水率預(yù)測模型，取得較好的預(yù)測效果。杜秀文[25]等在黑龍江省帽兒山老山人工林選取的多因子為溫度、相對濕度、風(fēng)速、蒸發(fā)量、降雨量，并建立了多元回歸模型。金森[12]運用氣象要素回歸法預(yù)測黑龍江省慶安縣曙光林場地表可燃物含水率，建立了以相對濕度、降雨量為自變量的氣象要素回歸模型，建立的預(yù)測模型回歸效果十分顯著。單延龍等人[13]分別使用昨日氣象因子與當(dāng)日氣象因子與可燃物含水率構(gòu)建回歸模型，研究結(jié)果表明當(dāng)日氣象因子更適合用來預(yù)測地表可燃物含水率。張思玉[26]以地表溫度、氣溫和相對濕度為自變量構(gòu)建了福建省南平市杉木幼林地表可燃物含水率預(yù)測模型。張恒[4]等還在大興安嶺盤古林場在現(xiàn)有預(yù)測模型和自建模型的基礎(chǔ)上，分析這些模型的外推效果，提高了地表可燃物含水率的預(yù)測精度。目前大量的研究表明，由于地表可燃物對氣象因子的影響具有滯后性，因此，大多數(shù)預(yù)測模型都采用前期累計的氣象要素數(shù)據(jù)。

4 擬合系數(shù)

之前的研究由于可燃物類型的選取、研究地點的差異，不同林型的特點以及地表可燃物含水率本身具備的空間異質(zhì)性等原因，導(dǎo)致得出方程的擬合系數(shù)的上下限也存在較大差異（圖5）。以不同采樣方法得到的模型為例，破壞性取樣的方程擬合系數(shù)上限普遍高于非破壞取樣的方程擬合系數(shù)上限，且破壞性取樣的方程擬合上下限范圍較大。這表明在取樣方法和氣象因子類型的選取，甚至覆蓋更為廣大地區(qū)的氣象要素回歸法建立的普適性模型的研究工作還有待開展。

5 小結(jié)及展望

通過1988-2017年文獻(xiàn)期刊研究成果的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)學(xué)者對氣象要素回歸法預(yù)測地表物含水率進(jìn)行了持續(xù)的研究和關(guān)注，取得了大量的理論成果，應(yīng)用也比較廣泛，但研究也相對分散，主要集中在黑龍江省和云南省這些森林面積大、火險等級高的地區(qū)[3]。我國地表可燃物類型復(fù)雜多樣，學(xué)者們將氣象因子與地表可燃物含水率建立聯(lián)系，并基于每個地區(qū)的不同森林類型建立不同的預(yù)測模型，探尋了不同因子對地表可燃物含水率的影響。由于氣象因子對預(yù)報貢獻(xiàn)有明確的物理意義，而氣象因子的獲取是影響模型精度的關(guān)鍵因素，選取氣象因子應(yīng)充分考慮本身的物理意義和相關(guān)性[27]。

通過綜合分析1988-2017年我國各個地區(qū)地表含水率研究概況，對未來的氣象要素回歸法研究地表可燃物含水率工作有以下展望。

1）基于我國地表可燃物的復(fù)雜多樣性，采集某一區(qū)域的數(shù)據(jù)并不能反映總體的特征。未來的研究需全國的范圍內(nèi)布置監(jiān)測點，覆蓋和表征更為全面的地表可燃物類型[3]。

圖5 擬合系數(shù)

2）未來研究應(yīng)考慮更系統(tǒng)、更全面的氣象因子。氣象因子不單影響著地表可燃物含水率，還是地表可燃物預(yù)測模型的重要因素。在地表可燃物含水率預(yù)測研究中不僅要考慮單個因子的影響，還要考慮多個因子的綜合作用，如林分因子、立地條件以及大小尺度氣象要素綜合作用等因素，這些條件都會直接或間接的影響地表可燃物含水率的變化。

3）今后還需要進(jìn)一步完善地表可燃物含水率預(yù)測模型構(gòu)建參數(shù)。有針對性地選擇更具有普適性及相關(guān)性更強的氣象要素與地表可燃物建立預(yù)測模型的方法來研究地表可燃物含水率分布，通過建立更加系統(tǒng)、全面的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以提高模型預(yù)測的精度。