肖 君

(福建省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院,福建 福州 350003)

森林可燃物、火源和氣象條件是森林燃燒現(xiàn)象發(fā)生必須具備的3個基本條件[1]。森林可燃物是指森林生態(tài)系統(tǒng)中可燃燒的植物及其殘體等有機(jī)物質(zhì),是森林火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),構(gòu)成林火行為的主體。可燃物載量作為森林可燃物的特征之一,是指單位面積上所有可燃物的絕對干物質(zhì)量。在一定氣象和環(huán)境條件下,可燃物的載量大小明顯影響著林火發(fā)生的行為特征[2-3]。森林可燃物載量調(diào)查比較繁瑣,專業(yè)性較強(qiáng),且一旦發(fā)生火災(zāi)再進(jìn)行調(diào)查是很難實現(xiàn)的。因此,研究可燃物載量與林分因子的關(guān)系,并建立可燃物載量估算模型,是林火管理的重要基礎(chǔ)工作,對研究林火行為、掌握林火發(fā)生規(guī)律并進(jìn)行森林火險預(yù)測預(yù)報具有重要意義[4-6]。

至今為止,許多學(xué)者都進(jìn)行了可燃物載量動態(tài)估算模型的研究[7-11]。模型自變量因子主要有郁閉度、林分年齡、平均胸徑、物種信息以及地理信息等。模型類型涵蓋了一元回歸模型、多元回歸動態(tài)模型等傳統(tǒng)可燃物載量估算模型,以及線性混合模型等。如Pierce等[8]建立了可燃物載量的線性混合模型,董宇[11]利用逐步回歸法技術(shù)建立了地形因子與可燃物載量的關(guān)系模型;同時,也有大量學(xué)者建立了不同時滯可燃物載量與各林分因子的一元回歸模型。然而,大部分的研究僅考慮可燃物總載量或喬木林的生物量,而實際上森林的可燃物載量應(yīng)該包括喬木層、灌木層、草本層、枯落物層以及腐殖質(zhì)層的精確預(yù)測。另外,這些研究還需要解決總量與各個部分分量之間存在的不兼容問題。因此,對可燃物載量估算模型的研究仍有許多需要探索和改進(jìn)的空間。

鑒于此,本文選擇福建主要林分類型——馬尾松林作為研究對象,利用福建省第一次森林火災(zāi)風(fēng)險普查樣地實測數(shù)據(jù),為便于模型應(yīng)用,以樣地調(diào)查和森林資源“一張圖”小班一覽表有記載的林分因子為自變量,采用聯(lián)合估計方法,構(gòu)建可燃物載量相容性模型,提出一種馬尾松林可燃物載量簡便、快速估算方法,解決總量與分量不兼容的問題,并可極大地滿足可燃物載量管理工作的需求;同時,為森林可燃物管理、森林火災(zāi)的撲救與預(yù)防和建立林火預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)提供參考。

1 研究區(qū)概況

福建地處我國東南沿海,位于115°50′—120°44′E、23°31′—28°19′N,土地總面積12.4萬km2,地貌以低山、丘陵為主。屬亞熱帶季風(fēng)氣候,雨量充沛,光照充足,氣候溫和,年均氣溫15.0～21.7 ℃,年均降水量1132～2059 mm,年均日照時間1702 h。森林植被地帶性明顯、類型豐富、種類繁多,分布有高等植物4700余種[12]。據(jù)林草濕與“國土三調(diào)”數(shù)據(jù)對接融合成果,福建省森林面積806.67萬hm2,森林覆蓋率65.12%、居全國首位,森林蓄積量8.07億m3。據(jù)第九次森林資源連續(xù)清查成果數(shù)據(jù),福建省馬尾松林面積68.53萬hm2、蓄積量6915.78萬m3,分別占喬木林總面積、蓄積量的11.03%、9.48%,單位面積蓄積量100.92 m3·hm-2。天然馬尾松林面積25.49萬hm2、蓄積量2806.71萬m3,分別占馬尾松林總面積、蓄積量的37.20%、40.58%;人工馬尾松林面積43.04萬hm2、蓄積量4109.07萬m3,分別占總面積、蓄積量的62.80%、59.42%。

2 研究方法

2.1 研究材料與數(shù)據(jù)來源

本研究對象為馬尾松林,根據(jù)《福建省森林可燃物標(biāo)準(zhǔn)地和大樣地布設(shè)技術(shù)方案》[13],依據(jù)起源、郁閉度級、齡組、優(yōu)勢樹種(組),在全省范圍采取分層抽樣的方法布設(shè)樣地,調(diào)查喬木層可燃物載量測算因子,灌木層、草本層、枯落物層和土壤腐殖質(zhì)層的可燃物載量。喬木層樣地規(guī)格25.82 m×25.82 m,面積667 m2;在喬木層樣地4個角點附近邊外2 m(沿用“一類”調(diào)查樣地)或邊內(nèi)3 m(新設(shè)樣地)處設(shè)置4個灌木層樣方,規(guī)格2 m×2 m;在灌木層樣方內(nèi)布設(shè)草本層、枯落物層和腐殖質(zhì)層小樣方,規(guī)格1 m×1 m。本研究數(shù)據(jù)來源于福建省森林火災(zāi)風(fēng)險普查喬木樣地實地調(diào)查數(shù)據(jù),調(diào)查時間為2020年10月—2021年12月,共選取964個樣地,樣地分起源、齡組、郁閉度級進(jìn)行統(tǒng)計的數(shù)量見表1。

表1 各設(shè)區(qū)市分起源、齡組、郁閉度級統(tǒng)計的樣地數(shù)量

2.2 可燃物載量調(diào)查與計算方法

喬木層主要調(diào)查因子包括樹種名稱、胸徑、樹高、林齡、密度、郁閉度等?；跇拥孛磕緳z尺數(shù)據(jù),采用福建省一元立木材積表[14]計算蓄積量,結(jié)合生物量擴(kuò)展因子關(guān)系模型[15],實現(xiàn)蓄積量至生物量擴(kuò)展,再測算單位面積喬木層可燃物載量。

灌木層、草本層、枯落物層和腐殖質(zhì)層的可燃物載量采用收獲法調(diào)查。灌木層調(diào)查優(yōu)勢種(包括胸徑<5 cm的幼樹)、蓋度(冠幅)、株(叢)數(shù)(高度<30 cm不計入)、平均高、平均地徑等因子,選擇標(biāo)準(zhǔn)灌木(灌叢)收獲并測定地上干、枝和葉的鮮重,并取樣帶回實驗室烘干測定含水率(干鮮比),基于鮮重、干鮮比計算標(biāo)準(zhǔn)灌木(灌叢)的總干重,根據(jù)株(叢)數(shù)計算樣方灌木(灌叢)總干重,再測算單位面積灌木層可燃物載量。草本層主要調(diào)查優(yōu)勢種、蓋度等因子,枯落物層和腐殖質(zhì)層主要調(diào)查厚度。草本層、枯落物層和腐殖質(zhì)層收獲并測定每個樣方所有活草本植物(包括高<30 cm的灌木)地上部分鮮重、全部枯落物鮮重、腐殖質(zhì)濕重,并分別取樣烘干測定含水率(干鮮比),基于鮮(濕)重、干鮮比計算樣方總干重,再測算單位面積可燃物載量。

本研究中喬木層、灌木層和草本層的可燃物載量不包括地下部分,各層可燃物載量依托“全國森林和草原火災(zāi)風(fēng)險普查平臺”計算導(dǎo)出。

2.3 建模方法

2.3.1 模型構(gòu)建 在馬尾松林生長發(fā)育過程中,可燃物載量總量在喬木層、灌木層、草本層、枯落物層、腐殖質(zhì)層等不同分量上的分配比例是不斷變化的,各分量獨立建模能夠滿足人們對各分量模型估計精度的要求,但未考慮總量與各分量之間的代數(shù)和關(guān)系,存在不相容問題。本研究采用聯(lián)合估計方法[16-18]解決總量與分量模型不兼容問題。

為確保各分量模型與總量模型相容,以W0、W1、W2、W3、W4、W5依次代表馬尾松林可燃物載量總量、喬木層可燃物載量、灌木層可燃物載量、草本層可燃物載量、枯落物層可燃物載量、腐殖質(zhì)層可燃物載量,x代表自變量(1個或多個),以總量模型為基礎(chǔ)按以下公式進(jìn)行控制,構(gòu)建度量誤差模型。

W0=f0(x)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:f0(x)為總量模型,g1(x)、g2(x)、g3(x)、g4(x)、g5(x)依次為喬木層、灌木層、草本層、枯落物層、腐殖質(zhì)層分量模型。經(jīng)多方程擬合對比,模型結(jié)構(gòu)設(shè)計為:

f0(x)=a1(1+M)a2(1+P1)a3(1+H)a4(1+P2)a5(1+B)a6

(7)

g1(x)=1

(8)

g2(x)=a1(P1H)a2(1+M)a3

(9)

(10)

g4(x)=a1(1+M)a2

(11)

g5(x)=a1Ba2(1+M)a3

(12)

式中:a1、a2、a3、a4、a5、a6為模型參數(shù);M為每公頃蓄積量;P1為灌木蓋度;H為灌木高度;P2為草本蓋度;B為腐殖質(zhì)厚度。

2.3.2 參數(shù)求解與評價指標(biāo) 本研究中各模型的參數(shù)估計采用改進(jìn)單純形法,選擇決定系數(shù)(R)、剩余標(biāo)準(zhǔn)差(S,簡稱標(biāo)準(zhǔn)差)、預(yù)估精度(P)、變動系數(shù)(CV)等評價指標(biāo)對結(jié)果進(jìn)行適用性評價。

2.3.3 交叉建模檢驗 模型研建過程的一般作法是一次建模一次檢驗或不作檢驗(前提是建模樣本有代表性),即將樣本分為兩部分,其中大部分用于建模,剩余部分不參加建模,而是用于檢驗。本研究采用交叉建模檢驗同步進(jìn)行的方式,將全部樣本按機(jī)械抽樣的方式分成4組,每次選擇其中3組作為建模樣本,用于確定模型參數(shù),剩余1組作為檢驗樣本,不參加建模,建模和檢驗同步,共執(zhí)行4次,每組樣本都實施1次檢驗和3次建模。在交叉建模檢驗的基礎(chǔ)上,最后再用全部樣本建模,并作為最終的可燃物載量動態(tài)估算模型。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型參數(shù)及擬合效果

從表2可知,在總量和喬木層的模型中,天然馬尾松林的決定系數(shù)均達(dá)到或超過0.9025,預(yù)估精度也均達(dá)到或超過98.29%;人工馬尾松林的決定系數(shù)和預(yù)估精度分別達(dá)到或超過0.8387和98.23%;這些數(shù)據(jù)證明模型的擬合精度高,并且擬合效果較好。然而,在灌木層、草本層和腐殖質(zhì)層的模型中,天然馬尾松林的決定系數(shù)和預(yù)估精度分別達(dá)到或超過0.6995和82.80%;人工馬尾松林的決定系數(shù)和預(yù)估精度分別達(dá)到或超過0.6309和81.74%;這些數(shù)據(jù)顯示出模型在這些層面的擬合精度相對較低,擬合效果尚待提高。在枯落物層的模型中,天然馬尾松林的決定系數(shù)為0.0750,預(yù)估精度為91.59%;人工馬尾松林的決定系數(shù)為0.0368,預(yù)估精度為93.06%;說明決定系數(shù)過低,模型在枯落物層的擬合精度并不理想,擬合效果有待改善。

表2 總量和各分量模型參數(shù)及評價指標(biāo)

總體上,總量和喬木層的模型擬合效果較優(yōu),而灌木層、草本層和腐殖質(zhì)層的模型擬合效果尚可,枯落物層的模型擬合效果相對較差。這是因為林下的灌木層、草本層、腐殖質(zhì)層以及枯落物層往往受到各種人為因素和外部環(huán)境因素變化的影響,其變動幅度較大,規(guī)律性較差,尤其是枯落物層,這一特點更為突出。

3.2 模型檢驗

本研究采用交叉建模檢驗同步進(jìn)行,基于4組樣本,建?；驒z驗共執(zhí)行4次,起源總量和各分量均得出4組模型參數(shù),所有模型分別進(jìn)行擬合精度和適用精度檢驗,獲得決定系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差和預(yù)估精度評價指標(biāo)值。各模型穩(wěn)定性評價指標(biāo)選擇參數(shù)變動系數(shù),具體為平均值(先計算4組模型各參數(shù)的變動系數(shù),再取各參數(shù)變動系數(shù)絕對值的平均數(shù))和最大值(取各參數(shù)變動系數(shù)絕對值的最大值)。各模型擬合精度、適用精度檢驗評價指標(biāo)選擇決定系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差和預(yù)估精度,取4組模型各評價指標(biāo)的平均數(shù)。交叉建模檢驗結(jié)果見表3。

表3 交叉建模檢驗評價指標(biāo)特征值

從表3可知,除了人工枯落物層外,模型參數(shù)的變動系數(shù)平均值均小于50%,其中,總量、喬木層和腐殖質(zhì)層的變動系數(shù)均小于5%。在模型參數(shù)的變動系數(shù)最大值上,除了天然灌木層、草本層和人工枯落物層外,其余均小于50%,其中,總量、喬木層和腐殖質(zhì)層的變動系數(shù)均小于10%。這些數(shù)據(jù)都說明各模型的穩(wěn)定性較好。

擬合精度的檢驗結(jié)果顯示,除了枯落物層外,決定系數(shù)均大于或等于0.6204;預(yù)估精度均大于或等于87.63%;說明各模型的擬合效果較好。適用精度的檢驗結(jié)果表明,預(yù)估精度均大于或等于77.85%,其中,總量和喬木層的預(yù)估精度均大于或等于96.67%,說明各模型的適用精度檢驗效果較好。

總之,經(jīng)過交叉建模檢驗,可以確認(rèn)使用全部樣本進(jìn)行建模是可行的,除了個別模型之外,大部分模型的擬合效果都是理想的,并且具有較好的適用性。

3.3 模型應(yīng)用實例

為便于擬合模型的應(yīng)用,選擇某縣森林資源“一張圖”中某馬尾松真實小班林分因子(表4)進(jìn)行可燃物載量估算予以示例。具體估算過程如下:首先,根據(jù)起源查表2確定總量、分量模型參數(shù);然后,將小班林分因子代入各分量模型,計算g1(x)、g2(x)、g3(x)、g4(x)、g5(x);最后,將林分因子代入總量模型,計算可燃物載量總量,再按各分量表達(dá)式計算各分量載量。估算結(jié)果見表4。

表4 小班單位面積可燃物載量估算結(jié)果

由表4可知,應(yīng)用實例的總載量為126.98 t·hm-2,喬木層載量為107.71 t·hm-2,灌木層載量為3.77 t·hm-2,草本層載量為1.43 t·hm-2,枯落物層載量為4.68 t·hm-2,腐殖質(zhì)層載量為9.39 t·hm-2。從數(shù)據(jù)上看,喬木層載量最高,占總載量的大部分,表明喬木層是可燃物的主要存儲位置;其次,腐殖質(zhì)層載量也相對較高,應(yīng)引起重視。灌木層、草本層和枯落物層的載量相對較低,但其存在仍可能對火災(zāi)傳播產(chǎn)生影響,因此在進(jìn)行火災(zāi)預(yù)防和控制時,也應(yīng)考慮到這些層面的可燃物載量。

總體來說,應(yīng)用實例小班的可燃物載量較高,需要進(jìn)行有效的火災(zāi)預(yù)防和控制措施,如清理枯枝落葉、灌木和草本層的可燃物,以及定期對林區(qū)進(jìn)行巡查,降低火災(zāi)風(fēng)險。

4 結(jié)論與討論

本研究基于福建省森林火災(zāi)風(fēng)險普查樣地實測數(shù)據(jù),分析天然和人工起源的馬尾松林可燃物載量。采用聯(lián)合估計方法,構(gòu)建了一個可燃物載量估算的相容性模型,實現(xiàn)了對馬尾松林的可燃物載量總量、喬木層、灌木層、草本層、枯落物層和腐殖質(zhì)層分量的估算兼容性。

在總量模型中,決定系數(shù)達(dá)到0.8387以上,預(yù)估精度達(dá)到98.23%以上,顯示出模型的擬合精度高,擬合效果理想。在分量模型中,喬木層模型的決定系數(shù)達(dá)到0.9104以上,預(yù)估精度達(dá)到98.29%以上,表明模型的擬合效果良好。然而,灌木層、草本層和腐殖質(zhì)層模型的決定系數(shù)只有0.6309以上,預(yù)估精度只有81.74%以上,顯示模型的擬合精度相對較低,擬合效果一般。另外,枯落物層模型的決定系數(shù)過低,模型擬合效果不盡理想。通過交叉建模檢驗發(fā)現(xiàn),各模型參數(shù)的變動系數(shù)平均值除了人工枯落物層外,均低于50%,顯示出模型的穩(wěn)定性較好。擬合精度和適用精度檢驗效果較好,除了個別模型外,擬合效果理想,具有較好的適用性?？偟膩碚f,本研究構(gòu)建的可燃物載量估算相容性模型,不僅在總量預(yù)估上表現(xiàn)優(yōu)異,同時在喬木層、灌木層、草本層、枯落物層和腐殖質(zhì)層等各層次也有良好的適用性,可為福建省內(nèi)森林可燃物載量估算模型的建立提供重要的示范作用。

然而,模型在預(yù)測枯落物層可燃物載量時的精度有待提高,同時本研究在模型構(gòu)建過程中,也發(fā)現(xiàn)一些潛在的改進(jìn)空間。首先,盡管枯落物層模型的決定系數(shù)相對較低,但其預(yù)估精度依然高于90%,預(yù)示著模型的優(yōu)化潛力。此外,可燃物載量的測定可能受到采樣時間、植被演替階段以及同一林型不同齡組間的差異等多種因素的影響。因此,考慮模型的動態(tài)性以適應(yīng)不同季節(jié)、植被演替階段以及防火期的林火管理需求將是一個重要的研究方向。另外,影響可燃物載量的因素眾多,包括森林群落的多樣性和復(fù)雜性、地理環(huán)境的差異性、以及人為或自然干擾的嚴(yán)重程度等[19-20]。這些因素的作用程度和相互影響的復(fù)雜性都會對可燃物載量產(chǎn)生重要影響。本研究在選擇模型的自變量時受限于森林資源“一張圖”小班一覽表記載的林分因子。在未來的研究中,可考慮引入更多的因素,如立地條件、土壤類型、氣象因素等,以進(jìn)一步完善模型,提高其精度和適用性。