《Fire Ecology》：A rapid and non-destructive method for quantifying boreal forest surface fuels
编辑推荐：
本研究针对欧洲寒带森林地表可燃物（如枯落苔藓层、下层灌丛）的传统量化方法耗时且具破坏性的问题，开展了非破坏性快速评估方法的研究。研究人员利用贯入仪施加15N力测量可燃苔藓/枯落物深度，并通过视觉评估灌丛覆盖度与高度，建立了深度与干重（幂函数，r2= 0.53）及灌丛生物量（多项式，r2> 0.88）的定量关系。该方法可在1-2分钟内完成样地评估，为大尺度森林燃料采样与火行为预测提供了高效工具。
在欧洲广袤的寒带森林中，野火是塑造生态系统的重要自然力量。然而，火的行为并非无迹可寻，其蔓延的速度与强度，与地表那些看似不起眼的“燃料”息息相关——主要是由苔藓、枯枝落叶构成的松软可燃层，以及贴近地面的矮小灌丛植物。传统上，要精确量化这些燃料的储量（深度与干重），森林生态学家和防火管理者不得不进行“破坏性采样”：在样方内小心翼翼地刮取、收集所有地表物质，带回实验室烘干称重。这个过程不仅劳动强度大、耗时长，更关键的是，它破坏了采样点，无法进行长期的连续监测，也难以在大范围区域内高效开展。有没有一种方法，能像医生用听诊器快速检查病人一样，在不破坏地表的前提下，迅速“诊断”出森林的“可燃物负荷”呢？
为了回答这个问题，一组研究人员在《Fire Ecology》上发表了一项研究，致力于开发一种快速、非破坏性的方法来量化欧洲寒带森林的地表燃料。他们巧妙地将一个简单的工程工具——贯入仪（penetrometer）——引入了森林生态学领域。这项研究的核心思路是：用标准化的力（15牛顿）去“试探”森林地表，贯入仪停止的深度，理论上就标示了松软可燃层（苔藓/枯落物）与下方紧实腐殖质的分界线。为了验证这一点，研究人员开展了两项关键比对：一是在控制燃烧实验中，他们发现火后燃烧深度与火前用贯入仪测得的深度几乎完全一致，证明贯入仪确实能划出在足够干燥条件下可供火焰前锋消耗的燃料层边界。二是通过高分辨率密度剖面测量，他们证实贯入仪深度恰好对应了堆积密度达到约30 kg m?3的深度，而这正是苔藓/枯落物层与更致密腐殖质之间的过渡层。
有了可靠的深度测量，下一步就是建立深度与可燃物干重之间的定量关系。基于从近200个样地同步获取的破坏性采样数据，研究人员成功用幂函数将贯入仪深度转换为苔藓/枯落物层的干物质质量（r2= 0.53）。对于地表活体燃料，即三种在欧洲寒带森林几乎无处不在的矮灌丛，他们采用了更直观的评估方法：干重的估算基于视觉评估的灌丛覆盖度（在样方面积中所占比例）与其高度的乘积，并利用二阶多项式拟合，得到了非常高的预测精度（r2> 0.88）。
主要技术方法概括
本研究主要基于野外样地调查与实验。关键技术包括：1) 使用简易贯入仪施加15N恒力，非破坏性测量森林地表苔藓/枯落可燃层的深度。2) 在近200个样地开展平行的破坏性采样，获取可燃层的真实深度与干重数据，用于建立和校准非破坏性测量的定量模型。3) 通过控制燃烧实验，对比火前贯入仪测量深度与火后实际燃烧深度，验证方法的有效性。4) 利用高分辨率密度剖面测量，从物理性质上界定贯入仪所测深度的生态学含义（对应密度约30 kg m?3的过渡层）。
研究结果
- •
贯入仪深度界定可燃层：在寒带森林的实验火烧中，火前测量的贯入仪深度与火焰掠过后的燃烧深度几乎完全相同。这表明，在充分干燥的条件下，贯入仪能够准确 delineate（划定）出可为火焰前锋提供燃料的潜在可燃层。
- •
深度对应明确的物理边界：通过对不同深度森林地表的高分辨率密度测量发现，贯入仪测得的深度与堆积密度达到约30 kg m?3的深度相匹配。这个密度值恰好是上层蓬松的苔藓/枯落物层与下层致密腐殖质之间的过渡层。
- •
建立深度与干重的换算关系：苔藓/枯落物层的干质量可以通过贯入仪深度，利用一个幂函数进行估算（确定系数r2= 0.53）。
- •
矮灌丛生物量的快速估算：对于三种广泛分布的矮灌丛（Empetrum hermaphroditum， Vaccinium vitis-idaea 和 Vaccinium myrtillus），其作为活体地表燃料的干质量，可以通过视觉评估的覆盖度（所占面积比例）与植株高度的乘积来有效估算，拟合模型为二阶多项式，预测精度很高（r2> 0.88）。
结论与意义
本研究成功开发并校准了一套用于量化欧洲寒带森林地表燃料的快速、非破坏性方法。该方法的核心是利用简易贯入仪测量可燃苔藓/枯落物层的深度，并通过建立的幂函数模型将其转换为干重；同时，通过视觉评估灌丛的覆盖度和高度来估算活体燃料生物量。其重要意义在于：效率革命：将每个样地的野外处理时间缩短至1到2分钟，相比传统的破坏性采样，效率得到数量级提升，使得大范围、高密度的森林燃料调查变得可行。理论基础坚实：研究通过燃烧实验和密度剖面验证了贯入仪深度的生态学与物理学意义，确保该方法不是经验性的“黑箱”，其结果具有明确的解释性和可靠性。具备推广潜力：研究所建立的方法框架（仪器测量+视觉评估+模型转换）清晰，尽管具体参数（如换算系数）可能因地点而异，但通过针对性的本地化校准，这套方法有望适用于其他寒带森林生态系统，为全球寒带森林的防火规划、火行为预测模型提供关键的数据支持，助力于更科学的森林管理与野火风险评估。
