福建马尾松林可燃物载量估算模型构建

肖 君

(福建省林业调查规划院,福建 福州 350003)

森林可燃物、火源和气象条件是森林燃烧现象发生必须具备的3个基本条件[1]。森林可燃物是指森林生态系统中可燃烧的植物及其残体等有机物质,是森林火灾发生、发展的物质基础,构成林火行为的主体。可燃物载量作为森林可燃物的特征之一,是指单位面积上所有可燃物的绝对干物质量。在一定气象和环境条件下,可燃物的载量大小明显影响着林火发生的行为特征[2-3]。森林可燃物载量调查比较繁琐,专业性较强,且一旦发生火灾再进行调查是很难实现的。因此,研究可燃物载量与林分因子的关系,并建立可燃物载量估算模型,是林火管理的重要基础工作,对研究林火行为、掌握林火发生规律并进行森林火险预测预报具有重要意义[4-6]。

至今为止,许多学者都进行了可燃物载量动态估算模型的研究[7-11]。模型自变量因子主要有郁闭度、林分年龄、平均胸径、物种信息以及地理信息等。模型类型涵盖了一元回归模型、多元回归动态模型等传统可燃物载量估算模型,以及线性混合模型等。如Pierce等[8]建立了可燃物载量的线性混合模型,董宇[11]利用逐步回归法技术建立了地形因子与可燃物载量的关系模型;同时,也有大量学者建立了不同时滞可燃物载量与各林分因子的一元回归模型。然而,大部分的研究仅考虑可燃物总载量或乔木林的生物量,而实际上森林的可燃物载量应该包括乔木层、灌木层、草本层、枯落物层以及腐殖质层的精确预测。另外,这些研究还需要解决总量与各个部分分量之间存在的不兼容问题。因此,对可燃物载量估算模型的研究仍有许多需要探索和改进的空间。

鉴于此,本文选择福建主要林分类型——马尾松林作为研究对象,利用福建省第一次森林火灾风险普查样地实测数据,为便于模型应用,以样地调查和森林资源“一张图”小班一览表有记载的林分因子为自变量,采用联合估计方法,构建可燃物载量相容性模型,提出一种马尾松林可燃物载量简便、快速估算方法,解决总量与分量不兼容的问题,并可极大地满足可燃物载量管理工作的需求;同时,为森林可燃物管理、森林火灾的扑救与预防和建立林火预测预报系统提供参考。

1 研究区概况

福建地处我国东南沿海,位于115°50′—120°44′E、23°31′—28°19′N,土地总面积12.4万km2,地貌以低山、丘陵为主。属亚热带季风气候,雨量充沛,光照充足,气候温和,年均气温15.0～21.7 ℃,年均降水量1132～2059 mm,年均日照时间1702 h。森林植被地带性明显、类型丰富、种类繁多,分布有高等植物4700余种[12]。据林草湿与“国土三调”数据对接融合成果,福建省森林面积806.67万hm2,森林覆盖率65.12%、居全国首位,森林蓄积量8.07亿m3。据第九次森林资源连续清查成果数据,福建省马尾松林面积68.53万hm2、蓄积量6915.78万m3,分别占乔木林总面积、蓄积量的11.03%、9.48%,单位面积蓄积量100.92 m3·hm-2。天然马尾松林面积25.49万hm2、蓄积量2806.71万m3,分别占马尾松林总面积、蓄积量的37.20%、40.58%;人工马尾松林面积43.04万hm2、蓄积量4109.07万m3,分别占总面积、蓄积量的62.80%、59.42%。

2 研究方法

2.1 研究材料与数据来源

本研究对象为马尾松林,根据《福建省森林可燃物标准地和大样地布设技术方案》[13],依据起源、郁闭度级、龄组、优势树种(组),在全省范围采取分层抽样的方法布设样地,调查乔木层可燃物载量测算因子,灌木层、草本层、枯落物层和土壤腐殖质层的可燃物载量。乔木层样地规格25.82 m×25.82 m,面积667 m2;在乔木层样地4个角点附近边外2 m(沿用“一类”调查样地)或边内3 m(新设样地)处设置4个灌木层样方,规格2 m×2 m;在灌木层样方内布设草本层、枯落物层和腐殖质层小样方,规格1 m×1 m。本研究数据来源于福建省森林火灾风险普查乔木样地实地调查数据,调查时间为2020年10月—2021年12月,共选取964个样地,样地分起源、龄组、郁闭度级进行统计的数量见表1。

表1 各设区市分起源、龄组、郁闭度级统计的样地数量

2.2 可燃物载量调查与计算方法

乔木层主要调查因子包括树种名称、胸径、树高、林龄、密度、郁闭度等。基于样地每木检尺数据,采用福建省一元立木材积表[14]计算蓄积量,结合生物量扩展因子关系模型[15],实现蓄积量至生物量扩展,再测算单位面积乔木层可燃物载量。

灌木层、草本层、枯落物层和腐殖质层的可燃物载量采用收获法调查。灌木层调查优势种(包括胸径<5 cm的幼树)、盖度(冠幅)、株(丛)数(高度<30 cm不计入)、平均高、平均地径等因子,选择标准灌木(灌丛)收获并测定地上干、枝和叶的鲜重,并取样带回实验室烘干测定含水率(干鲜比),基于鲜重、干鲜比计算标准灌木(灌丛)的总干重,根据株(丛)数计算样方灌木(灌丛)总干重,再测算单位面积灌木层可燃物载量。草本层主要调查优势种、盖度等因子,枯落物层和腐殖质层主要调查厚度。草本层、枯落物层和腐殖质层收获并测定每个样方所有活草本植物(包括高<30 cm的灌木)地上部分鲜重、全部枯落物鲜重、腐殖质湿重,并分别取样烘干测定含水率(干鲜比),基于鲜(湿)重、干鲜比计算样方总干重,再测算单位面积可燃物载量。

本研究中乔木层、灌木层和草本层的可燃物载量不包括地下部分,各层可燃物载量依托“全国森林和草原火灾风险普查平台”计算导出。

2.3 建模方法

2.3.1 模型构建 在马尾松林生长发育过程中,可燃物载量总量在乔木层、灌木层、草本层、枯落物层、腐殖质层等不同分量上的分配比例是不断变化的,各分量独立建模能够满足人们对各分量模型估计精度的要求,但未考虑总量与各分量之间的代数和关系,存在不相容问题。本研究采用联合估计方法[16-18]解决总量与分量模型不兼容问题。

为确保各分量模型与总量模型相容,以W0、W1、W2、W3、W4、W5依次代表马尾松林可燃物载量总量、乔木层可燃物载量、灌木层可燃物载量、草本层可燃物载量、枯落物层可燃物载量、腐殖质层可燃物载量,x代表自变量(1个或多个),以总量模型为基础按以下公式进行控制,构建度量误差模型。

W0=f0(x)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:f0(x)为总量模型,g1(x)、g2(x)、g3(x)、g4(x)、g5(x)依次为乔木层、灌木层、草本层、枯落物层、腐殖质层分量模型。经多方程拟合对比,模型结构设计为:

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为模型参数;M为每公顷蓄积量;P1为灌木盖度;H为灌木高度;P2为草本盖度;B为腐殖质厚度。

2.3.2 参数求解与评价指标 本研究中各模型的参数估计采用改进单纯形法,选择决定系数(R)、剩余标准差(S,简称标准差)、预估精度(P)、变动系数(CV)等评价指标对结果进行适用性评价。

2.3.3 交叉建模检验 模型研建过程的一般作法是一次建模一次检验或不作检验(前提是建模样本有代表性),即将样本分为两部分,其中大部分用于建模,剩余部分不参加建模,而是用于检验。本研究采用交叉建模检验同步进行的方式,将全部样本按机械抽样的方式分成4组,每次选择其中3组作为建模样本,用于确定模型参数,剩余1组作为检验样本,不参加建模,建模和检验同步,共执行4次,每组样本都实施1次检验和3次建模。在交叉建模检验的基础上,最后再用全部样本建模,并作为最终的可燃物载量动态估算模型。

3 结果与分析

3.1 模型参数及拟合效果

从表2可知,在总量和乔木层的模型中,天然马尾松林的决定系数均达到或超过0.9025,预估精度也均达到或超过98.29%;人工马尾松林的决定系数和预估精度分别达到或超过0.8387和98.23%;这些数据证明模型的拟合精度高,并且拟合效果较好。然而,在灌木层、草本层和腐殖质层的模型中,天然马尾松林的决定系数和预估精度分别达到或超过0.6995和82.80%;人工马尾松林的决定系数和预估精度分别达到或超过0.6309和81.74%;这些数据显示出模型在这些层面的拟合精度相对较低,拟合效果尚待提高。在枯落物层的模型中,天然马尾松林的决定系数为0.0750,预估精度为91.59%;人工马尾松林的决定系数为0.0368,预估精度为93.06%;说明决定系数过低,模型在枯落物层的拟合精度并不理想,拟合效果有待改善。

表2 总量和各分量模型参数及评价指标

总体上,总量和乔木层的模型拟合效果较优,而灌木层、草本层和腐殖质层的模型拟合效果尚可,枯落物层的模型拟合效果相对较差。这是因为林下的灌木层、草本层、腐殖质层以及枯落物层往往受到各种人为因素和外部环境因素变化的影响,其变动幅度较大,规律性较差,尤其是枯落物层,这一特点更为突出。

3.2 模型检验

本研究采用交叉建模检验同步进行,基于4组样本,建模或检验共执行4次,起源总量和各分量均得出4组模型参数,所有模型分别进行拟合精度和适用精度检验,获得决定系数、标准差和预估精度评价指标值。各模型稳定性评价指标选择参数变动系数,具体为平均值(先计算4组模型各参数的变动系数,再取各参数变动系数绝对值的平均数)和最大值(取各参数变动系数绝对值的最大值)。各模型拟合精度、适用精度检验评价指标选择决定系数、标准差和预估精度,取4组模型各评价指标的平均数。交叉建模检验结果见表3。

表3 交叉建模检验评价指标特征值

从表3可知,除了人工枯落物层外,模型参数的变动系数平均值均小于50%,其中,总量、乔木层和腐殖质层的变动系数均小于5%。在模型参数的变动系数最大值上,除了天然灌木层、草本层和人工枯落物层外,其余均小于50%,其中,总量、乔木层和腐殖质层的变动系数均小于10%。这些数据都说明各模型的稳定性较好。

拟合精度的检验结果显示,除了枯落物层外,决定系数均大于或等于0.6204;预估精度均大于或等于87.63%;说明各模型的拟合效果较好。适用精度的检验结果表明,预估精度均大于或等于77.85%,其中,总量和乔木层的预估精度均大于或等于96.67%,说明各模型的适用精度检验效果较好。

总之,经过交叉建模检验,可以确认使用全部样本进行建模是可行的,除了个别模型之外,大部分模型的拟合效果都是理想的,并且具有较好的适用性。

3.3 模型应用实例

为便于拟合模型的应用,选择某县森林资源“一张图”中某马尾松真实小班林分因子(表4)进行可燃物载量估算予以示例。具体估算过程如下:首先,根据起源查表2确定总量、分量模型参数;然后,将小班林分因子代入各分量模型,计算g1(x)、g2(x)、g3(x)、g4(x)、g5(x);最后,将林分因子代入总量模型,计算可燃物载量总量,再按各分量表达式计算各分量载量。估算结果见表4。

表4 小班单位面积可燃物载量估算结果

由表4可知,应用实例的总载量为126.98 t·hm-2,乔木层载量为107.71 t·hm-2,灌木层载量为3.77 t·hm-2,草本层载量为1.43 t·hm-2,枯落物层载量为4.68 t·hm-2,腐殖质层载量为9.39 t·hm-2。从数据上看,乔木层载量最高,占总载量的大部分,表明乔木层是可燃物的主要存储位置;其次,腐殖质层载量也相对较高,应引起重视。灌木层、草本层和枯落物层的载量相对较低,但其存在仍可能对火灾传播产生影响,因此在进行火灾预防和控制时,也应考虑到这些层面的可燃物载量。

总体来说,应用实例小班的可燃物载量较高,需要进行有效的火灾预防和控制措施,如清理枯枝落叶、灌木和草本层的可燃物,以及定期对林区进行巡查,降低火灾风险。

4 结论与讨论

本研究基于福建省森林火灾风险普查样地实测数据,分析天然和人工起源的马尾松林可燃物载量。采用联合估计方法,构建了一个可燃物载量估算的相容性模型,实现了对马尾松林的可燃物载量总量、乔木层、灌木层、草本层、枯落物层和腐殖质层分量的估算兼容性。

在总量模型中,决定系数达到0.8387以上,预估精度达到98.23%以上,显示出模型的拟合精度高,拟合效果理想。在分量模型中,乔木层模型的决定系数达到0.9104以上,预估精度达到98.29%以上,表明模型的拟合效果良好。然而,灌木层、草本层和腐殖质层模型的决定系数只有0.6309以上,预估精度只有81.74%以上,显示模型的拟合精度相对较低,拟合效果一般。另外,枯落物层模型的决定系数过低,模型拟合效果不尽理想。通过交叉建模检验发现,各模型参数的变动系数平均值除了人工枯落物层外,均低于50%,显示出模型的稳定性较好。拟合精度和适用精度检验效果较好,除了个别模型外,拟合效果理想,具有较好的适用性。总的来说,本研究构建的可燃物载量估算相容性模型,不仅在总量预估上表现优异,同时在乔木层、灌木层、草本层、枯落物层和腐殖质层等各层次也有良好的适用性,可为福建省内森林可燃物载量估算模型的建立提供重要的示范作用。

然而,模型在预测枯落物层可燃物载量时的精度有待提高,同时本研究在模型构建过程中,也发现一些潜在的改进空间。首先,尽管枯落物层模型的决定系数相对较低,但其预估精度依然高于90%,预示着模型的优化潜力。此外,可燃物载量的测定可能受到采样时间、植被演替阶段以及同一林型不同龄组间的差异等多种因素的影响。因此,考虑模型的动态性以适应不同季节、植被演替阶段以及防火期的林火管理需求将是一个重要的研究方向。另外,影响可燃物载量的因素众多,包括森林群落的多样性和复杂性、地理环境的差异性、以及人为或自然干扰的严重程度等[19-20]。这些因素的作用程度和相互影响的复杂性都会对可燃物载量产生重要影响。本研究在选择模型的自变量时受限于森林资源“一张图”小班一览表记载的林分因子。在未来的研究中,可考虑引入更多的因素,如立地条件、土壤类型、气象因素等,以进一步完善模型,提高其精度和适用性。