北京山区主要针叶林潜在火行为及冠层危险指数研究

目的树冠火作为一类对森林生态系统特别是针叶林造成严重损害的森林火灾, 一旦发生树冠火, 其在林火蔓延过程中起主导作用。通过对针叶林潜在火行为大小和冠层危险指数的探究, 以及其在一天中的变化情况, 了解树冠火危害大小及发生的条件, 为预防及扑救林火提供科学依据。方法本文以北京山区主要的针叶树种油松和侧柏作为研究对象, 通过对2种林分可燃物的载量、理化性质、分布规律的调查, 计算林分潜在火行为随风速变化的趋势, 并利用树冠火发生和发展的气象因子临界指标来建立冠层危险指数。最终, 结合该地区的气象资料, 选取外业调查期间的2 d为例, 计算冠层危险指数, 判断2种林分可能发生树冠火的类型、时间、持续时长以及林分潜在火行为大小。结果2种林分的理化性质差距较小, 但冠基高度上相差较大; 在高风速(40 km/h)天气下, 油松林发生连续型树冠火, 蔓延速度和火线强度分别为17.0 m/min、16079 kW/m, 侧柏林发生间歇型树冠火, 蔓延速度和火线强度分别为11.4 m/min、5290 kW/m, 油松林和侧柏林分别在风速为30、37 km/h时达到高强度火; 油松林的冠层危险指数TI(torching index)和CI(crowning index)值随时间分别在17.1~29.6 km/h和33.9~38.8 km/h范围内波动, 侧柏林的波动范围分别为11.9~21.1 km/h和47.5~54.9 km/h, 油松林在48 h内发生地表火、间歇型树冠火、连续型树冠火的时间占比分别为87%、9%、4%, 其最高速度和火焰最大强度分别为17.5 m/min、8598 kW/m, 而侧柏林只能发生地表火和间歇型树冠火, 其比例为56%、44%, 最大潜在火行为指标分别为14.5 m/min、4506 kW/m。结论2种林分中, 冠基高度是树冠火发生最主要的影响因素之一; 林分整体潜在火行为随风速变化明显, 且能在5级风速下形成高强度森林火灾; 侧柏林更易形成树冠火, 油松林发生极高强度火灾的可能性大。      

北京地区主要针叶林易燃可燃物垂直分布

为研究易燃可燃物负荷量及空间分布对林火种类、火行为等的影响,该文以北京市八达岭林场4种针叶林型为研究对象,比较4种林分相同垂直层面和不同空间层次上的易燃可燃物负荷量及分布,分析不同林分的火种类、林火行为和森林火险,并基于林分总负荷量评估森林燃烧性。结果表明:侧柏林易发生高强度林火,由于冠层易燃可燃物较少,可以发生树冠火,但不利于蔓延;油松林不易发生地表火,因为地表可燃物清理迹象严重,但一旦起火,易形成蔓延速度较快的树冠火;华山松林可以发生火灾并形成中强度地表火;华北落叶松林可以发生地表火,但树种本身难燃,在极端环境条件下,可以发生树冠火。4种林分的燃烧性为:侧柏林油松林华北落叶松林华山松林。      

八达岭林场油松林冠层可燃物特征及潜在火行为

  目的  研究冠层可燃物特征和树冠火发生条件,模拟潜在火行为特征,对于森林可燃物管理及树冠火有效防控均具有重要意义。  方法  本文以北京市八达岭林场油松林为研究对象,利用破坏性取样方法,选择具有代表性的18株油松样木进行采伐,自第一活枝高始,以1 m为一个层次对油松林冠层由下而上进行划分,不足1 m的按照1 m层次划分,并按照冠层可燃物枝条径阶大小（针叶;大枝直径 ≥ 0.64 cm;小枝直径 < 0.64 cm）调查冠层总可燃物生物量,结合样地面积和油松林平均冠长,计算样地平均冠层可燃物负荷量（CFL）和冠层容积密度（CBD）。基于林分因子,建立与林分结构参数（胸径、第一活枝高、冠长、树高、冠幅）的多元回归模型;根据冠层可燃物负荷量模型可估算样地平均冠层容积密度,结合研究区防火期内月平均最大风速和地表可燃物负荷量,在3种细小可燃物含水率条件下（6%、10%、14%）,利用van Wagner和Cruz的树冠火蔓延模型,预测油松林树冠火的发生,利用Byram模型计算冠层潜在火行为特征（如火线强度和火焰高度）。  结果  （1）油松林平均冠层可燃物负荷量为4.54 t/hm2,冠层容积密度为0.21 kg/m3,可燃物负荷量分布呈现由下而上逐层递减的趋势。林冠底层（0 ~ 1 m）可燃物占冠层总可燃物比例最大,为54.03%,大枝在林冠底层分布比例较大且快速逐层递减,针叶在各层次均有较大比例分布。（2）基于林分因子建立的冠层可燃物负荷量非线性模型具有较高的拟合度,其中胸径和第一活枝高与冠层可燃物负荷量呈极显著相关（P < 0.01）,在不破坏林木的情况下,根据林分易测因子可较好地估测油松林冠层可燃物负荷量。（3）在低燃烧条件下,除4月份外油松林发生间歇型树冠火的概率均低于0.5;在中度燃烧条件下,春季（3—5月份）风速较大,均存在发生连续型树冠火的可能;在极端干燥的高燃烧条件下,2—5月连续型树冠火的潜在火行为指标较高,4月份发生的连续型树冠火,表现出最高的潜在火行为指标,蔓延速度为46 m/min,火线强度为8 062 kW/m,火焰高度为15 m。  结论  冠层可燃物是影响林火发生的重要因素,胸径和第一活枝高为冠层可燃物负荷量的主要影响因子。通过破坏性取样直接获得冠层可燃物实测数据,所构建的冠层可燃物负荷量估测模型具有较高精度。风速、冠层容积密度和细小可燃物含水率与树冠火的发生和蔓延关系密切,油松林春季存在的树冠火发生隐患较大,大风和极端干燥气候条件下易发生高强度树冠火,通过营林抚育措施（抚育间伐,修枝）可有效降低可燃物密度,增大活枝高,以降低树冠火发生概率及危害程度。      

北京山区主要针叶林可燃物空间连续性研究——可燃物垂直连续性与树冠火发生

以北京山区主要针叶林（侧柏林和油松林）为研究对象,通过对林分中乔木、灌木、草本和枯枝落叶层的可燃物负荷量进行调查与分析,定量研究了森林可燃物的垂直分布规律。根据各可燃物种类负荷量垂直分布和树冠火发生的关系,建立了可燃物垂直连续性指数和评估等级,对2个针叶林的树冠火发生的危险性进行了评估与分析。结果表明:侧柏林发生树冠火的可能性较高,油松林相对较低;从垂直连续性指数看,侧柏林为1.002,高度连续,油松林为0.893,中度连续;侧柏林发生树冠火的危险性大于油松林,说明该指标能较好地描述和解释针叶林的可燃物垂直连续性及树冠火发生的危险性。      

北京山区主要针叶林可燃物空间连续性研究——可燃物水平连续性与树冠火蔓延

以北京市山区主要针叶林(侧柏林和油松林)为研究对象,通过对林分树冠可燃物的负荷量、结构、理化性质及火行为特征进行分析,建立了树冠可燃物水平连续性指数D和评估等级,并对侧柏林和油松林的可燃物水平连续性进行评估与分析。研究结果显示:可燃物负荷量对火蔓延速度的影响显著,随可燃物负荷量增大,火蔓延速度增加,增加幅度受到可燃物紧密度的影响;风速对火蔓延速度的影响十分明显,对可燃物水平连续性的影响程度大于坡度;相同风速下,油松林树冠火的蔓延速度大于侧柏林;侧柏林D的平均值为1.470(高度连续),油松林D的平均值为0.933(中度连续),侧柏林树冠火蔓延的危险性大于油松林,一旦发生火灾,侧柏林比油松林更容易形成大面积高强度树冠火;D的主要影响因素是针叶树种树冠负荷量及其空间分布,以及风速和坡度及其协同作用。     

抚育间伐对西山林场侧柏林冠层可燃物特征及潜在火行为的影响

  目的  研究不同间伐强度对北京西山试验林场侧柏林冠层可燃物特征及其潜在火行为的影响，为冠层可燃物调控和预防高能量连续型树冠火的发生提供参考。  方法  以北京西山试验林场侧柏为研究对象，设置3种间伐强度（低15%、中35%、高50%，均为株数强度）的处理，并设置对照样地，每种处理设置3块重复样地。基于标准枝法所调查冠层可燃物参数（枝条数量、长度、基径），对冠层可燃物载量建立线性回归模型，进一步计算冠层容积密度。通过单因素方差分析探讨不同间伐强度对冠层可燃物特征（冠层可燃物载量、冠层容积密度）的影响。利用Behave Plus 5.0软件，分别根据样地可燃物含水率和气象条件设置中度湿度条件和10 m高空风速（0 ~ 18 m/s），探讨不同间伐强度对树冠潜在火行为指标（树冠火蔓延速率、火线强度、火焰长度、单位面积发热量等）的影响，并依据树冠火转化模型研究抚育间伐对连续型树冠火发生的影响。  结果  （1）林分冠层可燃物特征在不同间伐强度下存在差异，中度间伐强度下与未间伐样地差异最显著，冠层可燃物载量、冠层容积密度随着间伐强度的增加而减少，冠层可燃物载量由3.280 kg/m2减少到0.540 kg/m2，冠层容积密度由0.478 kg/m3减少到0.056 kg/m3。（2）不同间伐强度下林分冠层可燃物载量、冠层容积密度垂直分布特征为随树高的增加而先增加后减少。（3）树冠潜在火行为指标在中度间伐强度下与未间伐样地差异显著，其中火线强度、火焰长度以及单位面积发热量随间伐强度的增大而减小，树冠火蔓延速率在抚育间伐后小于未间伐样地，但不随间伐强度的变化而变化，临界树冠火蔓延速率随间伐强度的增大而增大。在未间伐、低度间伐强度下样地将发生连续型树冠火，中度、高度间伐强度样地不发生；随着间伐强度增大，发生连续型树冠火时所需10 m高空风速由6 m/s逐渐增大到8 m/s，火线强度由6 930 kW/m减少到5 829 kW/m，火焰长度由9.7 m减少到8.6 m，单位面积发热量由47 817 kJ/m2减少到40 667 kJ/m2，树冠火蔓延速率由8.7 m/s增加到8.9 m/s。  结论  抚育间伐影响冠层可燃物特征、树冠潜在火行为指标。中度间伐强度对冠层可燃物特征和树冠潜在火行为指标影响显著，通过减少冠层容积密度，可以有效降低树冠潜在火行为，避免连续型树冠火的发生。综合考虑经济效益和生态效益，在对侧柏林进行冠层可燃物调控时建议采取中度间伐处理。      

北京门头沟区主要林分类型地表火行为模拟研究

  目的  地表火是最常见的林火类型，直接影响植被更新和生态系统的养分配置与循环。反映林火行为的常见指标有火蔓延速度、单位面积发热量、火强度和火焰高度。根据实际林分和立地条件进行火行为模拟，可以揭示林火发生条件，并有效判断树冠火发生的可能性，为林火的预防和扑救决策工作提供科学依据。  方法  选取北京市门头沟典型林分（刺槐林、油松林、侧柏林）为调查对象，每个林分设置5块样地，共计15块样地。通过野外调查获取可燃物载量（灌木可燃物、草本可燃物、1时滞可燃物、10时滞可燃物、100时滞可燃物）、林分因子（第一活枝下高、第一死枝下高、树高、胸径、郁闭度）和立地因子（海拔、坡度、坡向、坡位）数据，使用BehavePlus6软件，基于气象参数和可燃物参数，模拟不同燃烧条件下不同林分类型的火行为指标，分别为地表火蔓延速度、单位面积发热量、火线强度和火焰长度；使用R语言进行主成分分析，根据贡献率探讨林分因子、立地因子和可燃物因子对火行为的潜在影响。  结果  侧柏林、刺槐林和油松林的可燃物总载量分别为15.35、17.59、15.28 t/hm2，其中易燃可燃物载量（即上层枯叶、易燃草本、1 时滞可燃物）分别是4.55、4.41、6.18 t/hm2，分别占林分总可燃物载量的29.6%、25.1%、40.4%。防火期内门头沟区的平均风速为2.2 m/s（7.9 km/h），地表火蔓延速度油松林 > 侧柏林 > 刺槐林，速度分别达11.5、11.1、8.0 m/min。单位面积发热量油松林 > 侧柏林 > 刺槐林，分别为23 091、21 155、18 413 kJ/m2；火强度油松林 > 侧柏林 > 刺槐林，分别为4 426、3 882、2 468 kW/m；油松林火焰高度变化范围分别是0.89 ~ 3.40 m、1.34 ~ 2.91 m、1.78 ~ 3.88 m，同等条件下火焰高度油松林 > 侧柏林 > 刺槐林；8级大风天气下（风速17.9 m/s，64.4 km/h），地表火行为的模拟结果会略有改变，侧柏林的火蔓延速度更快、火强度更高，油松林、刺槐林次之。根据主成分分析的因子贡献度，分别得出影响3种林分火行为的主成分，侧柏林、刺槐林与油松林的第1与第2主成分分别为可燃物构成（可燃物载量及影响其分布的地形因素）与林分因子、可燃物构成与可燃物含水率、林分因子与可燃物含水率。  结论  （1）易燃可燃物载量是影响林分火行为的关键因子。（2）可燃物含水率对火行为指标的数值起决定作用，可燃物含水率的临界值影响林火发生类型。可燃物湿润时无论风速大小，林地难以起火；可燃物干燥时处于易燃状态，大风天气时容易发生蔓延快、强度高的地表火。（3）可燃物连续性是决定地表火发展成为树冠火的关键因素，火焰高度大于第一活/死枝下高，极有可能从地表火发展成为树冠火，扑救难度极大。建议需定期修枝割灌，清理林下可燃物，降低火险。      

北京市十三陵林场油松林地表火行为模拟

目的油松林是华北地区典型针叶林分,易发生森林火灾。通过对油松林地表火行为模拟研究可以为森林可燃物管理,林火预防及扑救提供科学依据。方法本研究以北京市十三陵林场油松林为研究对象,通过野外调查地表枯死可燃物(1、10、100 h时滞)和灌层可燃物,记录林分因子(第1枝下高、树高、林龄和胸径)和环境因子(坡度、坡向和海拔)。结合内业实验测可燃物含水率和热值,利用火行为模拟软件BehavePlus5.0,对1 h时滞可燃物设定不同含水率和风速值,模拟所研究林分地表火蔓延速度、火线强度、火焰高度以及单位面积发热量4个重要的火行为指标。结果1、10、100 h时滞和灌层可燃物占总可燃物载量比分别为78%、5%、4%和13%。基于实测可燃物载量和含水率,油松林地表火蔓延速度平均值为2.1 m/min,火线强度平均值为270 kW/m,火焰高度平均值为0.95 m单位面积发热量平均值为7 139 kJ/m2。油松林1 h时滞可燃物载量显著高于10 h时滞和灌层可燃物载量。在1 h时滞可燃物含水率为6%,风速为40 km/h的强风和干旱天气条件下,油松林地表火蔓延速度平均值为15.1 m/min,火线强度平均值为3 278.5 kW/m,火焰高度平均值为3.1 m,单位面积发热量平均值为12 337.5 kJ/m2。结论油松林内1 h时滞细小可燃物载量高于其他类型可燃物载量。地表火蔓延速度慢,火强度低,火焰高度低于第一枝下高,在正常天气条件下容易被扑灭。模拟结果表明油松林在低含水率的条件下,风速会显著增加地表火蔓延速度,难以人为扑灭,需清理地表可燃物,降低火险。      

鲁中山区主要森林类型易燃可燃物垂直分布及其燃烧性

为研究鲁中山区主要森林类型内易燃可燃物负荷量及其空间分布对林火种类和林火行为等的影响,以鲁中山区香山地区4种森林类型为研究对象,划分了林内易燃可燃物垂直分布层次,比较了4种森林类型同一垂直层次和不同垂直层次的易燃可燃物负荷量及分布,分析不同森林类型的林火种类、林火行为和森林火险,并根据林分总负荷量评估森林燃烧性。结果表明:油松林燃烧性最高,易引发森林火灾,形成高强度地表火和树冠火,并易发生地下火;刺槐林燃烧性最低,不易引发大的森林火灾,但可发生中强度地表火;麻栎林易发生高强度地表火,并且可发生中强度树冠火;侧柏林由于人为抚育严重,不易发生地表火,但易引发高强度、高蔓延速度的树冠火。4种林分的燃烧性大小顺序依次为:油松林麻栎林侧柏林刺槐林。     

针叶幼林树冠火发生的内在机制

为定量阐明针叶幼林树冠火发生的内在原因,对天山云杉幼林可燃物负荷量的垂直分布进行了调查测定,并对研究林分的潜在能量,潜在火强度,潜在火焰高度等潜在火行为指标进行了计算分析。结果表明：针叶幼林可燃物负荷量的垂直分布特征决定了其一般不易发生火灾。一旦发生火灾便很容易导致高能量的树冠火发生。     

油松和侧柏林地表可燃物负荷量及影响因素

[目的]研究北京地区典型针叶林地表可燃物负荷量及其影响因素,构建可燃物负荷量模型,为可燃物的科学管理提供依据.[方法]结合林分因子(胸径、树高、郁闭度、冠幅、第1活枝高)和地形因子(海拔、坡度),在北京市7个区选择具有代表性的油松林和侧柏林,每种林型各设置42块样地,调查和测定了2种针叶林的可燃物负荷量(上层枯叶、下层...     

北京妙峰山林场地表潜在火行为及燃烧性分析

目的森林燃烧性是森林被引燃的难易程度和着火后的火行为特征,分析可燃物火行为及燃烧性为妙峰山林场地表可燃物管理、火险区划及森林防火提供依据。方法利用林场内12种主要森林类型调查数据和二类清查资料,选择地表潜在火行为、火环境、可燃物理化性质及床层结构4大类指标,采用主成分分析和聚类分析法计算104个小班地表可燃物燃烧性并对地表可燃物燃烧性指数CI进行了排序。结果（1）无风条件下104个小班中,各优势树种小班地表潜在火行为有以下规律:针叶林普遍较大且地表火强度达到2 000 kW/m以上、蔓延速度3 m/min以上、火焰高度1.5 m以上,灌木林次之地表火强度700 ~ 2 000 kW/m、蔓延速度1.5 ~ 3 m/min、火焰高度1 ~ 1.5 m,阔叶林较小地表火强度700 kW/m以下、蔓延速度1.5 m/min以下、火焰高度1 m以下。（2）主成分分析表明,地表可燃物燃烧性与火行为指数正相关,与海拔因素负相关,与含水率负相关,与有效负荷量和床层高度正相关。（3）聚类分析表明,小班地表可燃物燃烧性指数CI分为5个等级:高燃烧性（Ⅰ）、较高燃烧性（Ⅱ）、可燃烧性（Ⅲ）、较低燃烧性（Ⅳ）、低燃烧性（Ⅴ）。各燃烧性等级的小班优势树种分别为:油松、落叶松、侧柏等针叶林,位于林场东南、西北部;油松、落叶松、侧柏与栓皮栎、五角枫等针阔混交林,主要位于林场西北部;栓皮栎、黄波罗、五角枫等阔叶纯林,集中于林场东南、西北部;山桃、荆条等灌木林及少数栓皮栎林、黄波罗等阔叶混交林,分布在林场东北部;荆条、山杏、鼠李、绣线菊等灌木,主要位于林场西南和中部。结论以油松、落叶松等针叶林为主的小班地表潜在火行为普遍较大,极易形成高强度地表火,易发生树冠火;燃烧性受到火环境、火行为和可燃物的影响,特别是可燃物有效负荷量、床层高度、海拔和含水率因子;高燃烧性和较高燃烧性小班多数位于林场北部、西北部,要注重对不同燃烧等级小班分类管理、科学巡护。      

基于Rothermel模型的北京鹫峰国家森林公园潜在火行为

Rothermel模型以燃烧物理学为理论基础,基于能量守恒定律,属于物理机理模型。基于Rothermel模型,利用BehavePlus 5.0 5软件,采用自定义可燃物参数模型,通过输入不同的可燃物模型参数,包括不同时滞的地表枯枝负荷量、可燃物床层厚度、含水率、热值、风速、坡度等,研究计算了不同可燃物湿度条件下北京鹫峰国家森林公园潜在地表火行为状况,即蔓延速率、单位面积发热量、火线强度和火焰高度等。结果表明:4种林型火行为指标均随可燃物湿度、坡度增大而降低,油松Pinus tabuliformis林极易发生高强度地表火,侧柏Platycladus orientalis林易发生中强度地表火,华北落叶松Larix principis-rupprechtii因本身难燃,仅可能发生低强度地表火,栓皮栎Quercus variabilis林因地表凋落物累积较多,且林分通风条件好,在低湿度、干旱条件下易发生中等强度地表火,对林分结构造成破坏。因此,在护林防火工作中,我们要以油松、侧柏林防火为主,及时清理林下有效可燃物,减少可燃物累积,防止林火的发生与蔓延,最大程度减少森林资源损失。图5表3参19     

妙峰山油松林分结构与地表潜在火行为相关性分析

目的林分结构与火行为密切相关,调整林分结构可以有效降低火行为,对森林防火工作有指导意义。分析北京妙峰山油松林分结构与地表潜在火行为的相关性,探究林分结构指数对地表火行为的影响,为妙峰山油松林可燃物管理提供科学依据。方法本文以妙峰山地形相近、结构差异较大的油松林为研究对象,调查和测定样地中的乔木、灌木、草本和枯枝落叶数据,利用Rothermel模型计算油松林潜在火行为指标,采用相关性分析、回归分析及方差分解法,研究油松林地表潜在火行为与林分结构的关系。结果(1) 油松林地表潜在火蔓延速度(R)、火强度(I)、单位面积热量(HPA)取值范围分别在2~6m/min、300~1400kW/m、4000~5500kJ/m2之间。(2)潜在火行为与结构指数相关性:乔木层R、I与平均树高呈显著正相关,与平均枝下高、平均冠幅、冠长率相关性较小。灌木层R、I与灌木密度、株数呈显著负相关,而与高度相关性较小;HPA与灌木高度呈显著正相关。灌木密度、株数过大或过小都有利于增强地表潜在火行为,反而灌木量适中时地表潜在火行为较低。草本枯枝落叶层I与床层高度、草本盖度呈极显著正相关,紧密度与logI呈显著正相关与HPA呈极显著正相关。(3)对地表潜在火行为的解释力,草本枯枝落叶层结构指数>灌木层结构指数>乔木层结构指数,草本枯枝落叶层和灌木层结构指数的交互作用贡献率大于乔木层与草本枯枝落叶层、灌木层结构指数的交互作用。结论妙峰山油松林普遍处于低强度地表火,可引发中强度地表火,有引发高强度地表火的可能。地表潜在火行为与乔木层、草本枯枝落叶层结构呈正相关,而与灌木层结构呈负相关;其中,乔木层的树高,灌木层的密度、株数、盖度,草本枯枝落叶层的草本盖度、床层高度、紧密度对地表潜在火行为产生显著影响,各个层次的影响由大到小分别为草本枯枝落叶层>灌木层>乔木层。整体来看,地表潜在火行为大小主要受到地上可燃物的影响尤其是草本枯枝落叶层,而乔木层的影响相对较小。      

北京地区主要针叶林型林火行为

在八达岭林场的侧柏林(Platycladus orientalis)、油松林(Pinus tabuliformis)、华山松林(Pinus arman-dii)和华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)林内设置样地,在样地内设置小样方。采集每个小样方内的死草、活草、凋落物及1、10、100 h的地表枯枝,测定可燃物热值、抽提物质量分数、灰分质量分数及含水量,确定可燃物参数。利用Rothermel模型,对4种林分可燃物火行为的蔓延速率、单位面积发热量、火线强度、火焰长度进行了计算。根据火行为状况,制定了相应的火灾扑救对策。