森林火灾可以分为树冠火、地表火和地下火，其中地表火是森林火灾主要的蔓延方式。地表火指的是地表可燃物（包括灌木、草本植物和枯枝落叶等）发生的燃烧与蔓延现象。它通常出现在森林火灾的初始阶段，并对火灾的整体发展趋势具有显著影响。因此，深入理解地表火的发生机制和蔓延规律，并建立相应的火蔓延模型，对于森林火灾的预防与控制至关重要。
森林火灾研究团队以赣南地区7种典型林型的地表可燃物为研究对象，开展了不同可燃物含水率和坡度条件下的室内点烧试验（共计288场）。根据热电偶仪器法测量出火蔓延速率并分析其与控制变量的关系，基于试验数据修正Rothermel模型并构建随机森林模型，再对比原始Rothermel模型、修正后的Rothermel模型和随机森林模型的预测精度以筛选出最佳模型，得出以下结论：
1）在室内点烧试验中，7种林型地表可燃物的火蔓延速率由快到慢依次为：马尾松林、毛竹林、针叶混交林、杉木林、针阔混交林、木荷林、阔叶混交林。在30°坡度条件下，相较于其他较低的坡度，各类可燃物的火蔓延速率在试验过程中的变化更明显。整体上，火蔓延速率与可燃物含水率呈负相关，与坡度呈正相关，且坡度对地表火蔓延的影响更大。
2）原始Rothermel 模型在高坡度、低可燃物含水率条件下的预测效果欠佳（决定系数（R2）为0.795，平均绝对误差（MAE）为0.204m﹒min-1，平均相对误差（MRE）为37.7%）。对最优压缩比和坡度修正系数进行参数修正后，Rothermel模型的整体预测效果提升明显（R2为0.902，MAE为0.098m﹒min-1， MRE为20.2%）。随机森林模型的预测效果最好（R2为0.902，MAE为0.074m﹒min-1， MRE为13.7%）。
3）一方面，随机森林模型作为一种“黑箱”算法，其内部决策过程不透明，难以直接干预或深入理解其内部运算方式。另一方面，修正后的Rothermel模型作为半经验半物理模型，构建了火行为与相关影响因素之间的明确关系式，且其预测表现与随机森林模型相近。因此，本研究认为修正后的Rothermel 模型更适合应用于预测我国赣南地区典型林型的地表火蔓延速率。
图 1不同可燃物含水率和坡度条件下的各类可燃物的火蔓延速率
注：Pm：马尾松林；Cl：杉木林；Ss：木荷林；Pe：毛竹林；CM：针叶混交林；BM：阔叶混交林；BCM：针阔混交林；下同
图 2不同可燃物含水率条件下原始Rothermel模型的火蔓延速率预测值与实测值的比较
图 3 不同可燃物含水率条件下Rothermel修正模型的火蔓延速率预测值与实测值的比较
图 4 不同可燃物含水率条件下随机森林模型的火蔓延速率预测值与实测值的比较
该研究成果于2025年4月以“Fire spread prediction models for surface fuels in subtropical forests of southern China”为题发表在中科院SCI二区期刊《Forestry: An International Journal of Forest Research》上（https://doi.org/10.1093/forestry/cpaf018）。硕士生许俊杰同学为该论文的第一作者，吴志伟研究员为通讯作者，李顺助理研究员以及江西省林业科学院的赵攀工程师、谢谷艾博士作为共同作者参与了该项工作。本研究得到了国家自然科学基金面上项目（编号：32271897）、国家重点研发计划（编号：2018YFE0207800）以及江西省林业局林业科技创新专项（编号：创新专项〔2022〕12 号）的资助。
