滇中地區(qū)入侵紫莖澤蘭的潛在火行為

王秋華，仝艷民，李世友，徐盛基，錢 斌，楊 瀟

(1.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院、云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650224； 2.國家林業(yè)局南方航空護(hù)林總站，云南 昆明 650021)

滇中地區(qū)入侵紫莖澤蘭的潛在火行為

王秋華1，仝艷民1，李世友1，徐盛基2，錢 斌1，楊 瀟1

(1.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院、云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650224； 2.國家林業(yè)局南方航空護(hù)林總站，云南 昆明 650021)

在滇中昆明西山國家森林公園內(nèi)紫莖澤蘭連續(xù)、致密分布區(qū)設(shè)置樣地，進(jìn)行外業(yè)調(diào)查、采集樣品，在燃燒床內(nèi)測(cè)定和計(jì)算枯死紫莖澤蘭、凋落物的潛在火行為：點(diǎn)著時(shí)間、熄滅時(shí)間，輻射熱，火焰高度和火強(qiáng)度等。結(jié)果表明：枯死紫莖澤蘭、凋落物的點(diǎn)燃時(shí)間都很短，僅為2 s、3 s，非常易燃；著火后維持燃燒都超過7 min；最大火焰高度都不到1 m；消耗率分別為86.5%、77.0%；火強(qiáng)度分別為2351.2 kW·m-1、2303.9 kW·m-1，均為中強(qiáng)度火。

紫莖澤蘭；凋落物；火行為

火行為指森林燃燒時(shí)的所有現(xiàn)象，即林火的特征，包括著火、蔓延和熄滅的過程[1]，研究每次火在時(shí)間和空間上的變化。火行為非常復(fù)雜，對(duì)可燃物、天氣狀況以及地形變化等很敏感[2-3]，同時(shí)也受到可燃物的不同處理方式[4]、長(zhǎng)期氣候變化等影響[5]。因此，很難開展大尺度、大規(guī)模的林火行為試驗(yàn)[6]。在撲救森林火災(zāi)時(shí)，及時(shí)預(yù)測(cè)火行為特征有利于更有效地調(diào)整撲火力量，更安全地?fù)渚龋瑥亩鴾p少火災(zāi)損失。

長(zhǎng)期以來，已有不少的林火行為野外試驗(yàn)研究，如吉林長(zhǎng)白山林區(qū)蒙古櫟林的低強(qiáng)度火燒[7]，云南松林、思茅松林內(nèi)中、低強(qiáng)度的火行為等[8-9]。室內(nèi)的火行為試驗(yàn)如平地?zé)o風(fēng)條件下蒙古櫟闊葉床層的火行為[10-11]，江西大崗山地區(qū)11個(gè)主要植被類型的火行為[12]。法國Corsica南部地區(qū)地中海式灌木林的火蔓延試驗(yàn)[13]，美國內(nèi)華達(dá)山脈未處理過的、砍伐過的和用除草劑處理過的松樹林和灌木林以及針葉混交林的潛在火行為[14-15]，昆明西山國家森林公園6個(gè)主要林型的潛在火行為[16]。但主要以喬、灌木林為主，對(duì)林下成片蔓延的植被研究較少，特別是在云南廣泛蔓延的入侵植物紫莖澤蘭(Eupatoriumadenophorum)。

紫莖澤蘭為菊科(Asteraceae)，澤蘭屬(EupatoriumL.)多年生叢生型半灌木狀雜草，根系發(fā)達(dá)，莖稈粗壯且直立[17]，其生命力強(qiáng)、生長(zhǎng)迅速、耐旱耐貧瘠，生態(tài)適應(yīng)性廣，現(xiàn)已廣泛分布在全球30多個(gè)國家和地區(qū)。紫莖澤蘭已對(duì)我國西南大部分地區(qū)造成嚴(yán)重危害，并以驚人的速度向北擴(kuò)展[18]。紫莖澤蘭為叢生或集生結(jié)構(gòu)，特別是葉片枯死后不是落到地上，而是懸在植株上，使火很容易蔓延到樹冠。一旦著火，將會(huì)是很好的引火物和火蔓延的介質(zhì)，火行為特征與喬、灌木林有巨大差異。

1 研究地概況

昆明西山國家森林公園地處東經(jīng)102°37′—102°38′、北緯24°57′—24°59′，海拔1890～2366 m，面積約16 km2。公園中下部年均溫14.7 ℃，最熱月均溫19.8 ℃，最冷月均溫7.7 ℃，年均溫10～22 ℃，年較差12.1 ℃，≥10 ℃的年活動(dòng)積溫為5368.5 ℃[19]。年均降水量1094.1 mm，每年5—10月為雨季(降水量占全年的88%)，11月—翌年4月為旱季(降水量占全年的12% )，年均相對(duì)濕度74%[20]。土壤類型主要有沼澤土、水稻土和紅棕壤、棕壤及紅色石灰土，植物有167科594屬1086種[21]。植被垂直帶明顯，山體下部為櫟類為主的亞熱帶常綠闊葉林，上部為地盤松(Pinusyunnanensisvar .paamaea)、華山松(PinusarmandiiFranch)為主的針葉林。玄武巖地區(qū)主要是云南油杉(KeteleeriaevelynianaMast)、高山栲(CastanopsisdelavayiFranch)和滇青岡(CyclobalanopsisglaucoidesSchotky)林，石灰?guī)r地區(qū)主要有華山松林、云南松(PinusyunnanensisFranch.)疏林及稀樹灌木、草叢[22]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

分別于2013年4月21日、23日，(云南省防火緊要期間為3—4月，森林火險(xiǎn)等級(jí)最高，最具代表性)，連旱天數(shù)(連續(xù)不下雨的天數(shù))分別為8 d、10 d，在西山國家森林公園內(nèi)紫莖澤蘭連續(xù)分布區(qū)內(nèi)設(shè)置5塊樣地(20 m×10 m)，并于12月3日、4日，2014年1月6日3次前往樣地進(jìn)行調(diào)查和采樣。測(cè)定每個(gè)樣地的海拔、坡度、坡向等地形要素，紫莖澤蘭的高度、每叢莖稈數(shù)等。在每個(gè)樣地內(nèi)沿對(duì)角線設(shè)置3個(gè)2 m×2 m的小樣方，統(tǒng)計(jì)每個(gè)小樣方內(nèi)的枯死紫莖澤蘭和凋落物。用收獲法[23-24]割取樣方內(nèi)所有紫莖澤蘭，用電子秤稱取鮮質(zhì)量，取樣。然后采集全株樣本和凋落物樣本，裝進(jìn)密封塑封袋備用。

2.2 可燃物載量、點(diǎn)著溫度及熱值測(cè)定

1)把取回的樣品放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，105 ℃連續(xù)烘24 h至絕干狀態(tài)，用電子天平稱絕干質(zhì)量，計(jì)算每個(gè)樣方內(nèi)不同種類可燃物絕對(duì)含水率(%)。絕對(duì)含水率=(鮮質(zhì)量-絕干質(zhì)量)/絕干質(zhì)量×100%。根據(jù)樣方內(nèi)枯死紫莖澤蘭和凋落物的鮮質(zhì)量和絕對(duì)含水率計(jì)算可燃物的載量(kg·m-2)?？扇嘉镙d量=樣方內(nèi)可燃物絕干質(zhì)量/樣方面積。

2)用DW-02型點(diǎn)著溫度測(cè)定儀測(cè)著火點(diǎn)溫度。

3)通過XRY-1C微機(jī)氧彈式熱量計(jì)，用量熱法測(cè)熱值。

2.3 燃燒火行為試驗(yàn)

圖1 自制燃燒床

在燃燒實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)置鐵質(zhì)燃燒床(圖1)，燃燒床外長(zhǎng)203 cm，內(nèi)長(zhǎng)200 cm，外寬127 cm，內(nèi)寬120 cm，外高34 cm，內(nèi)高32 cm，底部覆蓋1層2 cm厚的石膏板，防止散熱，坡度設(shè)為15°(野外紫莖澤蘭可燃物的狀態(tài))，模擬無風(fēng)狀態(tài)下的燃燒。在燃燒床4個(gè)角設(shè)置標(biāo)桿，以每個(gè)刻度5 cm標(biāo)記出高度，最高150 cm，測(cè)火焰高度。每個(gè)試樣的烘干質(zhì)量控制在0.5 kg左右，均勻鋪在燃燒床內(nèi)，用鋼卷尺測(cè)厚度。用秒表記點(diǎn)著時(shí)間和熄滅時(shí)間。當(dāng)火焰高度達(dá)到最大時(shí)，用手持紅外測(cè)溫儀測(cè)量火焰的溫度，在距離火焰最高處，分別用SFR-Ⅲ數(shù)字式輻射熱計(jì)測(cè)量在距離最大火焰10、20、30、40、50、60、80、100、150 cm處的熱輻射，同時(shí)用鋼卷尺測(cè)量火焰長(zhǎng)度。每個(gè)試樣重復(fù)做3組試驗(yàn)，進(jìn)行對(duì)比。

2.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 紫莖澤蘭的特征

昆明西山森林公園內(nèi)的紫莖澤蘭地上部分一般在1月開始枯萎、死亡，但葉片枯死后仍懸掛在莖稈上不脫落，是地表火快速擴(kuò)張的通道，是發(fā)展成樹冠火的有效載體。4月以后，紫莖澤蘭開始長(zhǎng)出新的葉片。

選取的5個(gè)樣地位于紫莖澤蘭連續(xù)分布區(qū)，具有代表性(表1)：坡度15°～30°，海拔2120～2280 m，坡向?yàn)镾W、W；枯死紫莖澤蘭的高度為(57.8±25.0)cm，株數(shù)為25株·m-2，活紫莖澤蘭的高度為(107.9±36.8) cm，株數(shù)為47株·m-2?？菟?、活紫莖澤蘭、凋落物的載量分別為(0.26±0.08)kg·m-2、(0.44±0.09)kg·m-2、(0.97±0.06) kg·m-2?？傮w上紫莖澤蘭的載量并不高。這和生長(zhǎng)特性有關(guān)，紫莖澤蘭雖然傳播速度快，侵占能力強(qiáng)，生命力旺盛[25]，但結(jié)構(gòu)疏松，組分與木屑相似[26]。

表1 紫莖澤蘭的特征

3.2 紫莖澤蘭的潛在火行為

3.2.1 點(diǎn)著時(shí)間和蔓延時(shí)間 所有試樣都進(jìn)行預(yù)處理，以模擬野外有火源預(yù)熱情形下的著火、蔓延等火行為特征。從野外采回的可燃物經(jīng)過自然風(fēng)干，均勻鋪在燃燒床上，用氣體點(diǎn)火器點(diǎn)火，用秒表計(jì)時(shí)。由表2可知，枯死紫莖澤蘭、凋落物所需點(diǎn)燃時(shí)間都很短，分別為2 s、3 s，非常易燃，一有適合的火源，十分容易著火，因?yàn)槠潼c(diǎn)著溫度很低，分別為(236.7±4.8) ℃、(281.7±1.9) ℃(表1)。著火后燃燒所能維持的時(shí)間兩者相差不多，分別為423 s、430 s，都超過7 min。

表2 紫莖澤蘭的潛在火行為特征

3.2.2 火焰特征 火焰高度(火焰垂直于地面連續(xù)的高度)是林火行為中較易觀測(cè)到的特征，可用來估測(cè)林火強(qiáng)度，也是撲火指揮員選擇滅火手段的主要依據(jù)。一旦火焰高于2.5 m時(shí)，任何地面滅火機(jī)械都將無效，只能用開設(shè)防火隔離帶或放迎面火等方法來撲救[1]。但火焰是隨意、動(dòng)亂、暫時(shí)的現(xiàn)象，隨時(shí)都在不斷變化，一般用最大火焰高度來表征。最大火焰高度，枯死紫莖澤蘭可以達(dá)到65 cm，凋落物為70 cm(表2)，雖然都不到1 m，但最高溫度都很高，分別為736 ℃、635 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了滅火隊(duì)員所能承受的極限，也很容易預(yù)熱并引燃相鄰可燃物(如地盤松的地表可燃物)，導(dǎo)致林火的迅速蔓延。

3.2.3 輻射熱 在森林火災(zāi)蔓延的初期階段，熱輻射是主要的一種熱量傳遞方式，它預(yù)熱了火焰前方未被點(diǎn)燃的可燃物，使其很快達(dá)到著火點(diǎn)，從而繼續(xù)發(fā)生燃燒。同時(shí)也是地表火傳播的重要途徑之一，使地面撲火隊(duì)員難以靠近火頭進(jìn)行直接滅火。當(dāng)森林地表可燃物不連續(xù)時(shí)，由于熱輻射，火頭很快躍過可燃物空隙地帶，形成跳躍火。

圖2 距最大火焰高度處的熱輻射

由圖2可知，隨著距離的增加，枯死紫莖澤蘭和凋落物的輻射熱在不斷遞減。總體上，兩者在燃燒過程中所釋放的熱輻射差距不大。在10 cm處，凋落物的輻射熱最大，為2.41 kW·m-2，枯死紫莖澤蘭的輻射熱為2.22 kW·m-2；在20～100 cm，兩者釋放的輻射熱都差別不大，但枯死紫莖澤蘭的始終稍大。在100 cm處，凋落物的輻射熱為0.01 kW·m-2，枯死紫莖澤蘭的輻射熱為0.14 kW·m-2，但距離150 cm處，凋落物沒有熱輻射，而枯死紫莖澤蘭的輻射熱為0.02 kW·m-2。這應(yīng)該和可燃物的性質(zhì)和表面狀態(tài)及溫度有關(guān)[26]。物體顏色深、表面粗糙，吸收的熱量多；表面光滑、顏色淺，反射的熱量多，吸收的熱量少；而透明的物體只能吸收小部分熱量。凋落物有部分已經(jīng)腐朽并分解，顏色較淺，而枯死紫莖澤蘭的顏色相對(duì)較深，表面比較粗糙。

3.2.4 火強(qiáng)度 運(yùn)用勃蘭姆公式(Byram′s equation) 計(jì)算火強(qiáng)度[27]，I=0.007HWR，式中：I為火強(qiáng)度(kW·m-1)；H為熱值(J·g-1)；W為消耗的可燃物量(t·hm-2)；R為蔓延速度(m·min-1)。

在實(shí)驗(yàn)室可控相同條件下，由于可燃物的性質(zhì)不同，燃燒性不同，消耗量也不同。由表2可知，枯死紫莖澤蘭的消耗率達(dá)到86.5%，而凋落物的消耗率為77.0%。枯死紫莖澤蘭的火強(qiáng)度達(dá)到2351.2 kW·m-1，凋落物的火強(qiáng)度為2303.9 kW·m-1，均在750～3500 kW·m-1范圍內(nèi)，是中強(qiáng)度火[6]。原因主要在于可燃物的熱力學(xué)性質(zhì)不同，特別是熱值的差異(表1)，枯死紫莖澤蘭的熱值為(21075.2±8627.2)kJ·kg-1，凋落物的熱值為(16223.2±1257.6) kJ·kg-1。

4 結(jié)論與討論

枯死紫莖澤蘭和凋落物的載量不是很大，但已積累到一個(gè)較高水平。雖然載量較小，但紫莖澤蘭植株為叢生狀，連續(xù)、致密且高度幾乎一致，一旦著火，也能釋放出一定的熱量，引起火災(zāi)的蔓延?？赡苎杆賯鞑サ阶锨o澤蘭上面的易燃的地盤松、云南松或華山松林，也可能引起樹冠火。紫莖澤蘭非常易燃，點(diǎn)燃時(shí)間很短，分別為2 s、3 s，著火后燃燒都超過7 min，最大火焰高度都不到1 m，都是中強(qiáng)度火?？梢娮锨o澤蘭具有一定的燃燒能量，一旦著火，很有可能作為過火通道蔓延到鄰近的林內(nèi)，發(fā)展成大火。

火行為研究中熱值和載量的測(cè)定，能夠?yàn)榭茖W(xué)、合理利用紫莖澤蘭提供參考。火行為研究能夠更合理地預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)燃燒后的潛在能量釋放特征，更科學(xué)、安全地?fù)渚然馂?zāi)。研究結(jié)果能夠?yàn)樽锨o澤蘭入侵的火燒跡地加強(qiáng)生態(tài)恢復(fù)及當(dāng)?shù)氐幕鸸芾淼忍峁﹨⒖肌?/p>

由于火行為非常復(fù)雜，如何用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行綜合表達(dá)，值得深入研究。尤其是火焰，始終是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，如何定位進(jìn)而更精確研究，也需要繼續(xù)探索。另外，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的模擬只能代表理想狀態(tài)下的火行為，由于野外受到諸多因素，如地形、地貌、植被以及氣象條件等，特別是風(fēng)對(duì)火的蔓延方向、蔓延速度、燃燒效率等有著非常重要的影響。紫莖澤蘭一旦枯死(枯死的時(shí)間正是云南的防火期，是重點(diǎn)管護(hù)的可燃物)，葉片掛在莖稈上，是很好的引火物，應(yīng)加強(qiáng)防火期枯死紫莖澤蘭的管理。

*：西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院消防工程2014屆的張超、錢宇恒、保燕鵬、任金鑫、劉世遠(yuǎn)等參與了外業(yè)調(diào)查及相關(guān)實(shí)驗(yàn)，四川外國語大學(xué)的張?zhí)駧兔π薷牧擞⑽恼诖吮硎局孕牡母兄x！

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Potential Fire Behaviors of InvasiveEupatoriumadenophorumin Middle-Yunnan Province

WANG Qiu-hua1，TONG Yan-min1，LI Shi-you1，XU Sheng-ji2，QIAN Bin1，YANG Xiao1

(1.FacultyofCivilEngineering，SouthwestForestryUniversity，YunnanKeyLaboratoryofForestDisasterWarningandControl，Kunming650224，Yunnan，China； 2.SouthArialForestProtectionStationofChineseForestryBureau，Kunming650021，Yunnan,China)

After selecting field samples of fire sites from Xishan national park，Kunming，whereEupatoriumadenophorumis the dominant species and its degree of dominance is a key element in behavior of fire，and by field investigating and lab experiments of fire behaviors，including ignite time，extinguishing time，heat values of radiation，flame height，and fire intensity of dead fuel and litter，the index of fire behaviors can be gained.The results are shown as the following：the ignite time of deadEupatoriumadenophorumand litter are 2s and 3s，respectively，which means they are easily-ignited；the endurance of both flames exceeds 7 minutes，and the maximal flame heights of both are less than 1 meter，and their consuming rates are 86.5% and 77.0%，respectively.While their maximal fire intensity are 2351.2 kW/m and 2303.9 kW/m，which shows they are medium intensity fires.Their easily-ignited characteristic is due to the low ignite temperature which is below 300 degrees Celsius and their dead leaves are still on their stems.Once on fire，they will release massive amount of heat energy and bring about extinguishing difficulties.

Eupatoriumadenophorum；litter；fire behaviors

2014-06-04；

2014-07-26

國家自然科學(xué)基金(31300553)；云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃(2011FZ136)

王秋華(1978—)，男，福建長(zhǎng)汀人，西南林業(yè)大學(xué)副教授，博士，從事森林防火教學(xué)、科研工作。E-mail：qhwang2010@163.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.02.007

S762

A

1002-7351(2015)02-0029-05