广西三门江松栎公益林可燃物处理前后的树冠火风险

（广西林业科学研究院，广西 南宁 530002）

树冠火是森林火灾中强度较大的火灾类型，不仅危害极为严重，而且扑救十分困难[1]。在全世界，树冠火造成的总过火面积比例最大[2]。预测各种可燃物处理对消减树冠火潜势的有效性，是林火管理和控制中的一项重要工作。目前，预测树冠火的工具相当缺乏，只有Van Wagner、Rothermel、加拿大森林火险组(Forestry Canada Fire Danger Group，1992)等几个模型预测了树冠火的点燃和蔓延[3]，它们是北美火行为预测系统中预测树冠火的基础[3]。目前广泛使用的FARSITE火模型也是利用Van Wagner (1977，1993)来计算树冠火行为参数[4]。美国太平洋野火科学实验室西北研究站2007年开发的可燃物特性分类系统(Fuel Characteristic Classification System, FCCS)使用Rothermel(1972)地表火蔓延模型的改良版来计算地表火行为，根据林冠组成和结构计算FCCS火潜势[5-6]。FCCS可以根据样地调查数据来建立自定义的可燃物床，可以按照可燃物处理方案修改可燃物床，对小尺度可燃物处理的有效性进行分析。FCCS 2.2以6个选项卡输入林冠、灌木、非木质可燃物、倒死木质可燃物、凋落物-地衣-苔藓、土壤可燃物6个层级的可燃物数据；因此，FCCS可以反映可燃物结构和载量的较小差异[7]。通过自定义FCCS可燃物含水率、选择风速，可以分析比较在低、中、高燃烧条件下的地表火行为。

本研究应用FCCS对广西三门江松栎公益林可燃物处理的有效性进行了分析。结合Van Wagner(1977)模型[8]，分析了在三门江可能出现的低、中、高3种燃烧条件下，在经过5种方案处理后，可能发生的林火类型和火行为，为桂中地区松栎林的火管理规划提供科学依据。

1 研究区概况

调查样地位于广西柳州三门江国家森林公园后山的负离子氧吧，为57年生马尾松Pinus massoniana和异龄壳斗科植物混交林[9]。上层林为高18～26 m的马尾松，中层林主要为石栎Lithocarpus pasania，下层林有毛黄肉楠Actinodaphne pilosa、罗伞树Ardisia quinquegona、毛锥Castanopsis fordii、 苦 槠Castanopsis sclerophylla等；林冠呈连续分布状态，中下层林冠上披挂有大量松针。主要灌木有三叉苦Melicope pteleifolia、九 节Psychotria asiatica等。林下主要非木质植物有狗脊Woodwardia japonica、铁芒萁Dicranopteris linearis和半边旗Pteris semipinnata[9]。地理位置 109° 28′ 59″～ 109°29′ 01″E， 24°22′～ 24°23′N，海拔 216 ～ 230 m，年均温20.5 ℃，年均降雨量1 441 mm，属于南亚热带季雨林区。调查区域在2000年进行过疏伐，100年未发生过火烧[10]。

2 研究方法

2.1 样地设置和调查

样地的植被调查在2013年5月24日进行；林冠、灌木、凋落物和腐殖质含水率调查取样在2013年7月2日进行，之前连续10天为阵雨多云天气，气温26～34 ℃。样地设置、样品处理方法和调查结果见黄小荣(2014)[9]。

2.2 含水率和熄灭含水率的设置

FCCS 的16个标准含水率情景是参照Andrews (2005) BehavePlus设计的；在FCCS的环境变量输入界面只能见到含水率数据，没有含水率的文字说明，而且其ID排列顺序与BehavePlus中的排序不同，比较难理解。对照BehavePlus 5.0.5软件中的Configure/Moisture scenario set selection/FuelModeling提供的文字说明，可以较好地理解这16种标准含水率的设置原则，便于根据当地的气候和物候勾选标准含水率。表1按照FCCS的ID排序列出这16种标准含水率的文字说明。

表1 FCCS标准含水率情景的可燃物描述Table 1 Description of standard fuel moisture scenarios in FCCS

在表1的含水率名称中，D代表死可燃物(dead)，L代表活可燃物(live)；死可燃物含水率从低到高由D1、D2、D3、D4代表，活可燃物含水率从低到高由L1、L2、L3、L4代表。在广西三门江，草木四季常青，只可能出现D1、D2、D3、D4和 L3、L4，不太可能出现L1、L2；因此，在本研究的低、中、高燃烧条件设置中，不应该选择带有L1和L2的情景。本研究将选择D3L3C2、D2L3C2和D1L4C1作为低、中、高燃烧条件的含水率情景。在三门江冬季防火期，可能出现D3L3C2和D2L3C2情景；在夏季非防火期连续高温少雨时，可能出现D1L4C1情景。这三种情景的含水率参数见表2。

FCCS默认的含水率是D2L2C3，这是一个在桂中、桂南都不太可能出现的情景，但它是FCCS自动勾选的；FCCS火潜势计算基于D2L2C3，但地表火行为计算随勾选情景变化。

表2 低、中、高燃烧条件下的风速和含水率情景†Table 2 Moisture and wind speed scenarios under low,moderate and severe combustible conditions

2.3 可燃物处理方案设计

异龄林中有各个年龄阶段的树木，垂直连续性好，易发生树冠火[11]；特别是高度 2米以内的灌木层，在林火的早期蔓延阶段，起到了梯状可燃物的作用[12]。减少树冠火风险的可燃物处理，包括疏伐、修剪、归堆焚烧、计划烧除、截枝和破片等[13]。三门江研究区为森林公园负离子氧吧，如果点烧走火将产生非常严重的后果，所以我们尽量选择温和的可燃物处理方案，比如砍灌清杂、增加冠基高、移除梯状可燃物[2]等。

本研究设计了5个可燃物处理方案：

Ⅰ）清除站杆、1 000 h良木，砍除胸径≤1 cm的灌木，砍除树高≤3 m的幼树，中下层林冠基高修剪至2 m；

Ⅱ）清除站杆、1 000 h良木，砍除胸径≤1 cm的灌木，砍除树高≤4 m的幼树，中下层林冠基高修剪至3 m；

Ⅲ）清除站杆、1 000 h良木，砍除胸径≤1 cm的灌木，砍除树高≤5 m的幼树，中下层林冠基高修剪至4 m；

Ⅳ）清除站杆、1 000 h良木，砍除胸径≤1 cm的灌木，通过耙搂松针去除2/3的1 h和10 h死可燃物；

Ⅴ）处理Ⅰ加上耙搂松针去除2/3的1 h和10 h死可燃物。

经过Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ方案处理后，各样地中下层林的组成和结构发生了变化，上层林没有发生变化（见表3）。各样地处理前的可燃物床参数见黄小荣[9]。

表3 不同可燃物处理后的中下层林结构†Table 3 Post-treatment stand compositions and structures

2.4 树冠火点燃和蔓延的阈值

根据Van Wagner的公式计算点燃树冠火所需的火线强度阈值

其中，I0(kw·m-1)是引燃树冠火需要的地表火火线强度临界值；z(m)为冠基高(height to live crown)；h为点燃树冠火的热量(kJ·kg-1)；m是林冠活叶片绝对含水率(%)；常数C是综合各个方面的经验性常数，需要从实地研究中获得，Van Wagner从半郁闭北美短叶松林火烧实测C值为0.010[8]。在冠基高修剪至2、3、4 m时，在林冠活叶片绝对含水率m分别为120%、90%、60%情况下，引燃树冠火所需的地表火火线强度阈值如表4。这3种林冠含水率也恰好对应了本研究设置的低、中、高燃烧条件的含水率。

表4 不同林冠含水率情景下点燃树冠火的火强度阈值Table 4 Critical surface intensity to initiate crowning under different canopy moisture scenarios

使用Van Wagner (1977) 模型预测发生主动树冠火的蔓延速度阈值[3,8]。

R0单位为 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)计算，即R0为 20(m·min-1)。

2.5 火线强度与火焰长度的换算

FCCS输出的地表火行为报告中提供了火焰长度L f(m)和蔓延速度R s(m·min-1)，为了便于比较，需将火焰长度换算成火线强度(kw·m-1)。采用以下Byram(1954) & Rothermel (1980)的公式进行换算[11]。

2.6 不同火行为等级的火情解释

Rothermel[14]、Andreu[15]、Ottmar[7]、吴志伟[4,16]等根据火焰长度、火线强度、蔓延速度和FCCS树冠火指数将火行为划分成若干等级，本研究根据他们的研究结果，采用表5的解释来辅助分析三门江松栎林可燃物处理的有效性。

表5 不同火行为等级的划分和扑救措施解释Table 5 Scale of fire behavior and the suppression measures

3 结果与分析

3.1 在不同燃烧条件下可燃物处理前后的火行为

用FCCS计算了在低、中、高燃烧条件下各样地处理前后的地表火行为。当I s＜I0，发生地表火(Surface Fire, SF)；当I s＞I0，而且R s＜R0，发生被动树冠火(Passive Crown Fire, PCF)；当I s＞I0，而且R s＞R0，发生主动树冠火(Active Crown Fire,ACF)。计算结果见表6。处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ实施一样的地表可燃物清理措施，其地表火行为计算输出结果是一样的，不受林冠组成和结构差异的影响。处理Ⅳ与Ⅴ的地表火行为计算结果是一样的。

3.1.1 低燃烧条件下可燃物处理前后的火行为

在低燃烧条件下，处理前5个样地都为被动树冠火，样地1、2的火行为等级为③，样地3、4、5的火行为等级为④。处理后，处理Ⅰ的2个样地降为地表火，3个样地仍为被动树冠火；处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的所有样地都降为地表火。处理Ⅳ、Ⅴ的效果优于处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ；处理Ⅳ、Ⅴ的5个样地的火行为等级均降为①或②。

3.1.2 中燃烧条件下可燃物处理前后的火行为

在中燃烧条件下，处理前，除样地1的火行为等级为③之外，其他4个样地的火行为等级都是⑤，1、2、3、4号样地为被动树冠火，5号样地为主动树冠火。处理后，处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ将1、4号样地降为等级③的地表火，其他3个样地仍为火势难以控制的等级④被动树冠火。处理Ⅳ、Ⅴ有效地降低了火行为，但处理Ⅳ明显效果差于处理Ⅴ；由于处理Ⅳ没有提升冠基高，其点燃林冠的火线强度阈值较低，处理后仍有3个样地为被动树冠火；处理Ⅴ将5个样地均降为地表火，火行为等级为②或③。

3.1.3 高燃烧条件下可燃物处理前后的火行为

在高燃烧条件下，处理前，1号样地为等级④被动树冠火，2、3、4、5号样地为等级⑤主动树冠火。经过Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ方案处理后，1号样地降为等级③被动树冠火，2、3、4、5号样地仍为等级⑤主动树冠火。处理Ⅳ、Ⅴ能够将火行为等级降至②或③，但只有样地1在经过方案Ⅴ处理后降级为地表火，其他样地都是被动树冠火。

表6 在不同燃烧条件下可燃物处理前后的火行为†Table 6 Fire behavior of pre-treatment and post-treatment under different combustion conditions

以减少树冠火发生的有效性来衡量，这五个可燃物处理方案的有效性排列顺序为Ⅴ＞Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ，而且方案Ⅴ和Ⅳ的有效性显著优于方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。在低燃烧条件下，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ可以将5个样地都降为地表火；但是，在高燃烧条件下，所有处理方案都不能避免树冠火的发生。

3.2 可燃物处理前后的树冠火潜势

用FCCS计算了各样地可燃物处理前后的火潜势，结果见表7。FCCS火潜势的计算自动基于D2L2C3含水率、默认风速6.44 km·h-1、默认坡度0%，其结果见表7。FCCS的默认情景与三门江的气候环境和本研究设置的燃烧条件有差异，可能会出现火潜势的低估或高估[17]。FCCS 树冠火潜势是其下面三个分项(树冠火引燃潜势、树冠-树冠传播潜势和树冠火蔓延潜势)的综合，为0～9的指数值。

树冠火潜势在处理前后的变化。从表7可见，处理前，5个样地的树冠火潜势均为等级②。处理后，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处理的所有样地的树冠火潜势仍为等级②，Ⅳ、Ⅴ处理后有2个样地树冠火潜势降为等级①。

树冠火引燃潜势在处理前后的变化。处理前，5个样地的树冠火引燃潜势均为等级②。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处理使5个样地的树冠火潜势降低21%～29%；Ⅳ、Ⅴ处理使5个样地的树冠火潜势降低41%～49%。

树冠-树冠传播潜势在处理前后的变化。5个样地处理前后的树冠-树冠传播潜势都为等级⑤，5种可燃物处理方案都未能降低树冠-树冠传播潜势。

树冠火蔓延潜势在处理前后的变化。处理前，3个样地的树冠火蔓延潜势为等级①，2个样地的树冠火蔓延潜势为等级②。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处理后树冠火蔓延潜势等级没有改变，量值降低0～17%；Ⅳ、Ⅴ处理使5个样地的树冠火蔓延潜势都降为等级①，量值降低43%～46%。

在FCCS默认情景下，处理Ⅳ、Ⅴ在降低树冠火潜势、树冠火引燃潜势、树冠火蔓延潜势方面效率优于处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ；但是，5种处理都不能降低树冠-树冠传播潜势。

表7 各样地可燃物处理前后的FCCS树冠火潜势†Table 7 FCCS crown fire potential of sampled plots of pre-treatment and post-treatment

4 讨 论

树冠火多发生在长期干旱的针叶幼林、中龄林或针叶异龄林中，特别是马尾松林和杉木林[11]。三门江森林公园松栎异龄林的树冠呈连续分布，上层林落下的松针披挂在中、下层林的树冠上，长期未进行可燃物消减处理，如果遇到长期无雨干旱，比单层的马尾松纯林更容易发生树冠火。本研究的结果表明，在以减少树冠火发生为目标的可燃物处理设计中，耙搂松针、去除2/3的1、10 h时滞可燃物的方案最为有效；砍伐幼树、提升冠基高的3个处理之间差别不大。推荐使用方案Ⅴ进行三门江的可燃物处理；在经费有限的情况下，可以优先处理火潜势较高的样地。

在低燃烧条件下，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ均可以有效地避免树冠火发生；但是，随着燃烧条件的提高，可燃物处理的有效性下降；在高燃烧条件下，5种可燃物处理均不能避免树冠火的发生。

基于默认情景的FCCS火潜势报告，可以检测到可燃物处理或样地差异产生的微小差异，可以评估各处理之间的有效性差异，衡量哪块样地应该优先处理。但是，FCCS的默认含水率情景D2L2C3在桂中和桂南地区很少出现。当样地的环境条件与FCCS默认情景不同时，FCCS火潜势报告会出现低估或高估[17]，这是我们在FCCS应用中的一个缺憾。将本研究低燃烧条件下可燃物处理前的地表火行为，与黄小荣(2014)三门江样地干旱情景下的地表火行为[9]相比较，可以发现前者高于后者；说明在FCCS默认情景下的火行为参数低于本研究低燃烧条件下的火行为参数。

天气条件对火行为有着重大影响[18]，可燃物含水率是评估森林燃烧性的重要指标之一[19]。在我们调查取样的前一天下过雨，地表可燃物的含水率较高，林冠和灌木活叶片的含水率较低[9]，使用原始含水率数据难以预测高火险天气的火行为；所以，本研究采用了低、中、高3种标准可燃物含水率进行可燃物床的定制，分析在这三种燃烧条件下可燃物处理的有效性。我们设置的3种燃烧条件在三门江都是有可能出现的，尤其是D1L4C1情景需要特别关注。在全球气候变化的背景下，在春、夏、秋季非防火期，如果遇到连续12天以上高温无雨，即可能出现D1L4C1。

火行为模型的应用，使我们了解森林可能发生火灾的强度、蔓延速度和火灾类型，为建设健康的森林，减少灾难性的森林大火提供科学依据。目前，我国的林火研究主要是利用温度、湿度、风速等气象因子的森林火险天气预报[20]；很少有针对具体样地可燃物数据的模型模拟。本研究利用FCCS建立可燃物床，按照可燃物处理方案修改可燃物床，对比可燃物处理前后的火行为参数，以此进行可燃物处理有效性的评估，这种研究仍然是探索性的，在我国南方缺乏可以比较的案例的情况下，其结论的合理性还需要进一步的检验。

参考文献：

[1]张景群,王春雷,王得祥.树冠火与林分层间易燃可燃物分布关系研究[J].森林防火,1995,(4): 5-9.

[2]Mitsopoulos I D, Dimitrakopoulos A P. Canopy fuel characteristics and potential crown fire behavior in Aleppo pine(Pinus halepensisMill.) forests[J].Annual Forest Science, 2007,64(3): 287-299.

[3]Cruz M G, Alexander M E, Wakinoto R H. Predicting crown fire behavior to support forest fire management decision-making[J].Forest Fire Research & Wildland Fire Safety, Rotterdam:Millpress, 2002: 1-11.

[4]吴志伟,贺红士,胡远满,等.FARSITE火行为模型的原理、结构及其应用[J].生态学杂志, 2012, 31(2): 494-500.

[5]黄小荣,申文辉,庞世龙,等.南宁老虎岭松栎公益林的火潜势评估[J].生态学杂志, 2014, 33(3): 601-610.

[6]Hollingsworth L T, Kurth L L, Parresol B R,et al.A comparison of geospatially modeled fire behavior and fire management utility of three data sources in the southeastern United States[J].Forest Ecology and Management, 2012, 273: 43-49.

[7]Ottmar R D, Prichard S J. Fuel treatment effectiveness in forests of the upper Atlantic Coastal Plain – An evaluation at two spatial scales[J].Forest Ecology and Management, 2013, 273: 17-28.

[8]Van Wagner C E. Conditions for the start and spread of crown if re[J].Canadian Journal of Forest research, 1977, 7: 23-34.

[9]黄小荣,申文辉,谭一波,等.基于FCCS的广西三门江松栎公益林火险评估[J].东北林业大学学报, 2014, 42(5): 69-73.

[10]韦长江,龙勇明.广西三门江国家森林公园林相改造初探[J].广西林业科学, 2007, 36 (2): 112-113.

[11]胡海清,牛树奎,金森.林火生态与管理[M].北京: 中国林业出版社, 2005: 40-43.

[12]Seo H, Choung Y. Enhanced vulnerability to fire by Pinus densiflora forests due to tree morphology and stand structure in Korea[J]. Journal of Plant Biology, 2014,57(1):48-54.

[13]Zagas T, Raptis D, Zagas D,et al.Planning and assessing the effectiveness of traditional silvicultural treatments for mitigating wildfire hazard in pine woodlands of Greece[J].Nature Hazards,2013, 65(1):545-561.

[14]Rothermel R C, Rinehart G C. Field Procedures for Verification and Adjustment of Fire Behavior Predictions. General Technical Report INT-142[J]. USDA Forest Service Ogden, UT, 1983: 9.

[15]Andreu A G, Shea D, Parresol B R,et al.Evaluating fuel complexes for fire hazard mitigation planning in the southeastern United States[J].Forest Ecology and Management, 2012, 273: 4-16.

[16]吴志伟, 贺红士, 梁摇宇,等.基于FARSITE 模型的丰林自然保护区潜在林火行为空间分布特征[J].生态学报, 2012,32(19): 6176-6186.

[17]Prichard S J, Ottmar R D, Sandberg D V,et al.FCCS user’s guide,version 2.2. Pacific Wildland Fire Sciences Laboratory[J].USDA Forest Service Pacific Northwest Research Station, 2011, 1-121.

[18]Contreras M A, Parsons R A, Chung W. Modeling tree-level fuel connectivity to evaluate the effectiveness of thinning treatments for reducing crown fire potential[J]. Forest Ecology and Management, 2012, 264: 134-149.

[19]王晓丽,牛树奎,马钦彦,等.以地表死可燃物评估八达岭林场森林燃烧性[J].生态学报,2009, 29(10):5313-5319.

[20]孙 萍，李大伟. 10种国内森林火险计算方法的相似性研究[J].中南林业科技大学学报,2013,33(5):16-21.