针叶林地表可燃物载量空间分布对火强度的影响机制

近年来，全球针叶林火灾频次和强度显著上升，给生态系统稳定性和人类安全带来严峻挑战。作为决定火灾发生与发展的关键因子之一，地表可燃物在火行为过程中的作用受到广泛关注。针叶林中丰富的凋落物与林下植物形成了复杂的可燃物层，构成了火传播的“燃料基底”。然而，自然环境与人为干扰导致的可燃物空间异质性，使得火灾行为表现出明显的非均质性特征，传统基于平均载量的火行为预测方法在实际应用中逐渐显露局限。火势在局部高载量区域集中爆发，或因可燃物稀疏而出现蔓延阻断的现象，均提示火强度与燃料分布之间存在深层次的耦合机制。因此，厘清地表可燃物空间结构对火强度的影响路径，已成为当前森林防火科学研究的重要命题。

一、针叶林地表可燃物的组成特征与空间异质性

（一）地表可燃物的类型划分与基本特征

针叶林地表可燃物主要包括凋落物、林下灌木及细小枯枝残体。凋落物中，以针叶、树皮碎片及小径枝条为主，厚度多在 3-10cm 之间，堆积密度介于 30-150kg/m³ 。林下可燃灌木如杜鹃（Rhododendronspp.）、越橘（Vaccinium spp.）等，其枝叶含水率在 30–70% 之间，生物量密度通常为 0.2--1.5kg/m². 。在火行为分析中，可燃物常按粒径大小划分为 1 小时燃料（<0.64 cm）、10 小时燃料（0.64–2.54 cm）和100 小时燃料（ 2.54--7.62cm ），该分类标准有助于输入火行为模型，如BEHAVE 或FARSITE。1 小时燃料在针叶林中分布最广，易燃性强，决定初始火势强度；100 小时燃料在成熟林分中比例较大，决定火势持续性。

（二）可燃物空间分布的测量方法与表达指标

林火是存在于森林生态系统中的重要生态因子，森林可燃物是林火发生的物质基础。根据空

间分布划分森林可燃物，可分为地下、地表和空中可燃物。林火多起源于地表可燃物的燃烧，形成地表火，进而上升为树冠火。不同林分地表可燃物载量及其燃烧性决定了林火行为的特征。研究分析不同林分森林可燃物载量及其燃烧特性，对地表可燃物的管理和林火预测预报具有重要意义 [1]。目前针叶林可燃物空间分布的测量主要采用三种方式：样方实地调查、三维激光扫描（TLS）和无人机遥感（UAV-LiDAR/多光谱影像）。样方法以 1×1m 方格采样为基础，通过干重法计算单位面积载量，适合小范围高精度研究。TLS 技术可获取灌木与凋落物的空间分布点云数据，并利用体素（Voxel）建模重建燃料结构，具备非破坏性和空间连续性特点。无人机遥感则适用于大尺度燃料分布监测，通过 NDVI 指数区分活体与非活体可燃物。空间异质性可通过变异系数（CV）、空间自相关指数（Moran’s I）、地统计学 Kriging 插值等方法量化。

（三）地表可燃物空间异质性的主要表现

针叶林的可燃物空间分布具有显著斑块性特征，形成条带状、斑块状和网状等空间格局，体现出强烈的空间异质性。自然因素如坡向、坡位、土壤含水率对凋落物的累积起主导作用，南坡往往由于光照充足、蒸发快，凋落物干燥速度快而堆积较薄；而北坡和沟谷地带则因湿度较高、风速较低而促进凋落物的堆积，形成高载量“热点区”，显著提高局地火灾风险。人为因素如间伐、小道建设、伐木残留则进一步打破原有燃料格局，形成带状空隙或不规则残材堆积区，增加局部火行为的不确定性。实地调查表明，林道两侧 5-10m 范围内的可燃物载量波动可达 ± 50% ，尤其在混交林边缘或密度梯度突变处更为明显，这种边界效应在火灾初期便可引发火线偏移或局部火头集中，显著影响火线形态与传播方向，需在火险评估与控制策略中重点考虑。

二、地表可燃物空间分布对火强度的响应机制

（一）火强度的定义与测量指标

火强度是衡量火行为剧烈程度的核心参数之一，通常包括火焰长度、单位线长热释放率、火蔓延速度以及燃烧持续时间等多个维度[2]。火焰长度反映了火焰的可视高度，直接关联于热辐射对植被和目标物的影响范围；单位线长热释放率表示每米火线单位时间内释放的能量，是评估火灾破坏力的关键指标；火蔓延速度描述火势在不同地形、风速及燃料条件下的扩展能力，而燃烧持续时间则决定了单位区域内热积累和对土壤、种子床层的热冲击程度。针叶林地表燃料结构松散、分布不均，且富含挥发性成分，如树脂和精油，使得火势变化迅速、强度波动剧烈。当前常用的火行为模拟系统，如BEHAVE 和FARSITE，可将可燃物载量、含水率、坡度、风场等多种变量作为输入参数，生成火强度的空间预测图层，用于支持预警、扑救和管理策略制定。

（二）空间异质性对火传播路径的引导作用

地表可燃物空间分布的异质性对火势的传播路径具有显著的引导作用。模拟研究表明，当燃料在空间上呈现较高变异度（如变异系数超过 40% ）时，火势往往集中于高载量斑块区域快速燃烧，而对低载量区域形成“跨越”传播，呈现跳跃式扩展模式。这种不均匀燃烧改变了传统连续燃料条件下的线性传播路径，使火线呈现出非规则形态。以典型模拟为例，在使用3 米分辨率网格输入燃料载量数据时，可观察到异质格局下火焰偏移范围显著扩大，火头位置不断偏移，甚至出现多点合并的现象。此外，火势在斑块间传播时常受到风力方向、坡度变化等因素的共同影响，进一步增强了其非线性扩展特征。野外观测也发现，在灌木密集区火头推进迅速，而在凋落物稀疏区明显减速甚至熄灭，说明可燃物空间结构具有明显的火势“牵引”功能，对火传播的路径与速率产生重要影响。

（三）载量差异对火强度的直接影响

可燃物载量的大小直接决定了火强度的基础水平，高载量区往往伴随着更高的热释放速率、更长的火焰及更强的辐射强度。但在空间异质背景下，这种关系并非简单线性，存在一定的非线性阈值效应。实验研究显示，当单位面积燃料从 0.4kg/m² ² 增加到 1.2kg/m² 时，火强度的增长率逐渐趋缓，这主要是由于过厚的燃料层限制了氧气供应，使燃烧效率下降。同时，高载量区易形成“留火带”，即局部残留火源持续燃烧数小时以上，对土壤温度、微生境以及种子萌发造成深远影响。在实际林分管理中，火强度的空间分布也与林龄结构密切相关。中龄针叶林（15–25年）中1小时燃料覆盖率高，易燃但不持久；而老龄林（>40年）则富含粗大枯枝和中等粒径残体，10小时与100小时燃料比例显著上升，总可燃物载量可达到 2.5-3.0kg/m² 。因此，火强度的预判需充分考虑林龄差异及空间分布结构，避免以平均值替代局地特征。

（四）燃料- 火强度耦合的非线性反馈机制

火灾在不同强度等级下对可燃物的消耗情况存在差异，进而对未来火行为产生反馈效应。高强度火灾通常能够彻底燃尽 1 小时及 10 小时燃料，露出地表矿质层，造成土壤结构破坏及水分保持能力下降，还可能导致土壤团聚体崩解和微生物群落结构改变，影响生态系统恢复基础。而低强度火灾则可能留下大量未燃尽燃料，形成潜在的复燃风险，尤其在干燥风大条件下极易引发二次火情。火后植被的再生能力也与火强度密切相关，高强度区的灌丛和草本更新周期明显延长，甚至形成植被空档，使得新一轮可燃物积累呈现不均特征，进而在空间上塑造新的燃料斑块格局 [3]。这类非线性反馈过程使得火强度与燃料分布之间形成复杂的动态耦合关系，随着时间演进不断重塑火环境与可燃物结构。研究建议，在长期火行为建模中应引入时间维度与生态响应参数，如燃料再积累速率、植被恢复系数、土壤干扰敏感度等，以真实反映火- 燃料系统的自适应调节机制，提升模型对未来火灾情景的预测准确性与管理参考价值。

三、火强度响应的调控策略与生态管理启示

（一）基于空间信息的火险预警系统建设

建设精细化的火险评估与预警系统，必须依托高分辨率的空间燃料信息。当前，无人机激光雷达（UAV-LiDAR）结合多光谱遥感影像成为主流技术手段，能够精确获取林地表层结构特征、可燃物类型与厚度信息，并生成分辨率达到 1m 甚至更精细的可燃物载量图层。随后将这些数据与坡度、坡向、风速、风向等地形与气象参数进行集成，可通过 FARSITE 或 FlamMap 等空间显式火行为模拟模型开展火强度预测分析。典型操作流程包括：燃料数据采集 $$ 空间栅格化处理 $$ 火行为模拟 $$ 结果分级与可视化。预测结果可采用 0-5 级火强度等级划分标准，其中3 级及以上区域被界定为高风险地带，需提前部署消防资源或设立防火隔离带。例如，在西部某典型针叶林试验区，采用此类模型生成的火强度预测图成功指导了春季火险布控，明显提升资源配置效率与响应时效。

（二）地表可燃物调控的空间策略

基于可燃物空间分布特征，应实施分区差异化调控策略，优化火强度分布结构。在高载量区域（如 >2.0kg/m² ）优先开展人工清理工作，包括机械拂扫林床凋落物、链锯清除林下灌木，以及集中堆集处理[4]。对于灌木密集但地形封闭区域，可使用定向低温可控燃烧技术，通过设定燃烧窗口期与火线走向，控制燃料消耗速率，降低火行为不确定性。实践表明，在 ¹ 公顷尺度内设置带状燃料中断带（宽度为 3--5m ），无论采用割除还是火力处理方式，都可显著降低局部火强度 40% 以上，有效改变火势主扩展方向。例如，在模拟山地针叶林地块中布设 5m 宽的清理带，每 50m 设一次条带，能在火模型中大幅拉长火蔓延时间窗，为后续干预提供作业空间。

（三）生态恢复与可燃物空间结构优化

生态管理目标应超越单一燃料清除，着眼于构建长期稳定、具备“异质 - 可控”属性的地表可燃物格局 [5]。在实际操作中，可通过种植条带状草本或湿润型灌丛，如蕨类植物、苔藓带等，构建天然火阻隔；也可结合坡度与水源分布布设缓燃植被缓冲带，调节火行为路径。同时，森林经营中可引入不完全间伐或选择性疏伐方式，降低林下可燃物快速累积的风险，尤其在密度超过 1500 株 /ha 的林地中，适当疏伐有助于打断燃料连续性。模拟分析表明，将地表燃料空间变异系数（CV）稳定控制在 20-30% 区间，可有效避免高强度火灾在大范围内快速蔓延，同时兼顾生态完整性与林下生物多样性维护。例如，在一处湿润型针叶林生态恢复试点，通过草本恢复+ 间伐调控策略，三年内地表可燃物平均载量降低 28% ，火强度分布更趋稳定，生态恢复与防火目标实现同步提升。

总结：针叶林地表可燃物的空间分布格局在火灾行为中起到了核心调节作用，其斑块性、载量差异及结构异质性不仅影响火势的传播路径，还显著改变了火强度的时空分布特征。研究表明，地表可燃物与火强度之间存在明显的非线性反馈机制，必须结合空间数据进行动态评估。通过引入高分辨率遥感数据、火行为模型与空间分析方法，可实现对火强度的精准模拟和高风险区的有效识别。在此基础上，构建以空间燃料调控为核心的防控体系，将有助于提升火灾预警、应急响应及生态恢复的科学性和针对性。未来研究应进一步加强长期监测与多尺度模拟技术的融合，为针叶林火灾管理提供更具前瞻性的技术支撑与理论基础。

参考文献

[1] 秦乃花 ， 陈瑞 ， 吕常笑 ， 等 . 山东省不同林分地表可燃物载量及其燃烧性研究 [J]. 西北林学院学报 ，2023，38（05）：176- 183.

[2] 王庆飞 ， 郝泽周 ， 李乐 ， 等 . 广州城市森林主要林型可燃物空间分布与燃烧性等级 [J]. 生态学杂志 ，2025，44（03）：780- 789.

[3] 袁思博 . 基于室内模拟的东北红松人工林地表可燃物燃烧释放PM2.5 浓度空间分布 [D]. 东北林业大学 ，2020.000413.

[4] 李航 . 林火强度对兴安落叶松林土壤微生物多样性及氮循环功能影响 [D]. 内蒙古农业大学 ，2024.000499.

[5] 舒洋 ， 陈金平 ， 丁兆华 ， 等 . 林火强度对兴安落叶松林土壤氮循环功能基因的影响 [J]. 草地学报 ，2024，32（03）：726- 735.