廣西蒼梧馬尾松林和大葉櫟林的火行為比較

黃小榮，龐世龍，彭玉華，申文輝（廣西林業(yè)科學(xué)研究院，南寧，530002）

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廣西蒼梧馬尾松林和大葉櫟林的火行為比較

黃小榮＊，龐世龍，彭玉華，申文輝
（廣西林業(yè)科學(xué)研究院，南寧，530002）

摘要：馬尾松（Pinus massoniana）是中國(guó)南方大面積造林的樹種，也是抗火能力最弱的樹種。研究了廣西蒼梧11齡馬尾松用材林和4齡大葉櫟萌芽林在正常冬季和干旱夏季情景下的火行為，用behaveplus計(jì)算了火線強(qiáng)度、蔓延速度、樹冠火可能性等參數(shù)。結(jié)果表明，兩種林分在干旱夏季的火行為高于在正常冬季的火行為。無(wú)論是在正常冬季還是在干旱夏季，都沒有出現(xiàn)馬尾松可燃物模型的火行為一致高于大葉櫟可燃物模型的情況；天氣、地形、可燃物床結(jié)構(gòu)對(duì)可燃物含水率有很大影響，而含水率是火行為的決定因素。雖然大葉櫟被劃分為難燃樹種，大葉櫟萌芽林的火行為高于成年大葉櫟喬木林，蒼梧大葉櫟萌芽林在極端干旱的夏季情景有被火把點(diǎn)燃的可能性。如果將大葉櫟萌芽林作為防火林帶使用，需要經(jīng)常清除林下枯枝落葉，割除黑莎草，減少細(xì)小可燃物。

關(guān)鍵詞：含水率；可燃物模型；可燃物載量；火行為；火面強(qiáng)度

0　引言

馬尾松（Pinus massoniana）是我國(guó)南方熱帶、亞熱帶地區(qū)主要的公益林和用材林樹種［1］，具有重要的生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。廣西是南方重要的商品林生產(chǎn)區(qū)，同時(shí)，也是一個(gè)森林火災(zāi)高發(fā)的省區(qū)之一［2］?；馂?zāi)大多數(shù)發(fā)生在馬尾松林［3］，過火面積不大，平均為7．5公頃左右，但造成的生命財(cái)產(chǎn)損失是相當(dāng)大的。馬尾松的枝、葉含有大量松脂和揮發(fā)性油類［4］，凋落松針分解慢，容易發(fā)生火災(zāi)，特別是在長(zhǎng)期沒有采樵干擾的地區(qū)。陳等［5］將中國(guó)南方的37個(gè)樹種劃分為6個(gè)抗火性能等級(jí)，馬尾松為抗火性最差的6級(jí)；舒等［6，7］、Tian et al．［8］對(duì)廣西大桂山13種主要樹種的研究表明，馬尾松抗火能力最弱，馬尾松發(fā)熱量大（22889kJ／kg），著火感應(yīng)時(shí)間短（2．85s），比闊葉樹種容易燃燒。

大葉櫟（Castanopsis fissa）分布于中亞熱帶南部、南亞熱帶以及熱帶海拔較低的低山丘陵地區(qū)，是常綠闊葉林先鋒樹種。大葉櫟生長(zhǎng)快、萌芽力強(qiáng)，適應(yīng)性廣、輪伐期短，木材可制中密度纖維板和薪材，大徑材為優(yōu)良家具材，同時(shí)也是荒山綠化、水土保持的好樹種［9，10］。廣西蒼梧種植大葉櫟次生林已有十分長(zhǎng)的歷史，采用矮林作業(yè)，以5～7年左右為一個(gè)輪伐期，天然萌芽更新［9，11，12］。廣西蒼梧有大片的大葉櫟單優(yōu)群落，樹冠濃郁，郁閉度通常在0．9以上，森林環(huán)境良好，林下衰弱的草木層和灌木層植物種類少，但枯枝落葉層深厚［9］。陳等［5］將大葉櫟劃分為抗火性能較強(qiáng)至中等的3級(jí)，他的建議是以1、2級(jí)的樹種作為防火林帶樹種?！叭珖?guó)森林火險(xiǎn)區(qū)劃等級(jí)”（LY／T 1063－2008）將大葉櫟劃分為難燃樹種。據(jù)黃等［13］（2014）報(bào)告，28齡大葉櫟公益林4～5月在D2L2干旱水分情景、中焰風(fēng)速6．4km／h的反應(yīng)強(qiáng)度為257kW／m2～374kW／m2，火焰長(zhǎng)度0．8m，蔓延速度1．2m／min～1．5m／min。

廣西東部的蒼梧縣是森林資源豐富的縣份，主要樹種為馬尾松和大葉櫟。蒼梧為副熱帶季風(fēng)氣候，森林火災(zāi)多發(fā)于春季和冬季［14］，冬季多于春季，森林火災(zāi)起火的時(shí)間多集中在11∶00～19∶00，有下午多發(fā)的特性［2］。

本文研究了廣西蒼梧馬尾松人工林和大葉櫟萌芽林的火行為，根據(jù)樣方調(diào)查數(shù)據(jù)，建立了12個(gè)可燃物模型，利用BehavePlus5．0軟件，計(jì)算了在正常冬季、干旱夏季、不同風(fēng)速下的地表火行為和樹冠火行為，為制定該地區(qū)的可燃物消減計(jì)劃、防火帶樹種選擇策略、防止森林火災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究地區(qū)和研究方法

1．1 研究地區(qū)

蒼梧縣位于亞熱帶南緣，在廣西的東部，梧州市的東北部，潯江和桂江的匯合處，東面與廣東省接壤；地形以山地、丘陵為主，北部為大桂山西南段，東南緣為兩廣界山云開大山余脈。蒼梧氣候溫和，雨量充沛，年均氣溫21．2℃，年均降雨量1507毫米。研究區(qū)在蒼梧縣中部，在旺鋪鎮(zhèn)至六堡鎮(zhèn)之間的林區(qū)，距離最近的人口聚集居住區(qū)40公里以上，除了進(jìn)行經(jīng)營(yíng)作業(yè)的少量林農(nóng)外，幾乎無(wú)人干擾。馬尾松3個(gè)樣地（P1、P2、P3）的坐標(biāo)E111°25′2″～E111°25′5．9″，N23°43′49″～N23°43′52″，海拔195m～208m，坡度28%～70%；坡向分別為西南、西南和西坡，坡位分別為上坡位、中坡位和上坡位；馬尾松密度分別為1575／ha、1275／ha、1075／ha；林齡11年，經(jīng)營(yíng)目的為用材林。大葉櫟3個(gè)樣地（C1、C2、C3）的坐標(biāo)E111°25′52″～111°25′55．42″，N23°45′17″～N23°45′19．92″，海拔142m～152m，坡度50%～58%，3個(gè)大葉櫟樣地的坡向都為西南，坡位為中坡位，4年齡萌芽林。

馬尾松林下植被比較豐富，主要的灌木有玉葉金花、鴨腳木、桃金娘、華南毛柃、鯽魚膽、九節(jié)、粗葉榕；灌木蓋度30%～53%。主要的草本有粽葉蘆、鐵芒萁、莠竹、華山姜、烏毛蕨、五節(jié)芒、扇葉鐵線蕨、求米草等；草本蓋度15%～20%。

大葉櫟林下植被種類較少，灌木主要有大葉櫟種子苗、羅傘樹、九節(jié)；灌木蓋度30%～40%。草本有黑莎草、淡竹葉、狗脊、漿果苔草等；草本蓋度5% ～10%。

1．2 研究方法

設(shè)置3個(gè)20m×20m馬尾松樣地、3個(gè)20m ×20m大葉櫟樣地，編號(hào)分別為P1，P2，P3，C1，C2，C3。DBH≥1cm以上的喬木每木檢尺，記錄種名、樹高、胸徑，估測(cè)冠基高、林冠容重。林冠高度是樣地中最高的5株喬木的樹高平均值［15］。

1．2．1 冠基高

根據(jù)Scott ＆Reinhardt（2005）的定義，冠基高為有足夠的林冠可燃物來垂直傳播火至整個(gè)林冠的最低高度，“足夠的林冠可燃物”這里為0．012kg／m3［15－17］；林冠有效可燃物包括葉、0mm～3mm活枝、0mm～6mm死枝；本研究以枝下高最低的30株喬木（DBH≥1cm）的平均枝下高作為冠基高。

1．2．2 林冠容重

林冠容重是小于3mm的生物質(zhì)和所有死生物質(zhì)的容積密度；是分0．3m厚的層進(jìn)行林冠容積密度測(cè)量時(shí)，林冠容積密度最大的3m的滑動(dòng)平均。林冠容重的估測(cè)參照Keane（2012）［18］的方法、Scott ＆Reinhardt［15］提供的照片，結(jié)合我們調(diào)查的5個(gè)0．125m3林冠可燃物干重樣本平均數(shù)來決定。

1．2．3 坡向、遮蔽百分比和風(fēng)速調(diào)整因子

記錄每個(gè)樣地的坡度、朝向、可燃物遮蔽百分比，根據(jù)地形和BehavePlus 5．0的要求決定各樣地的風(fēng)速調(diào)整因子［19］（程序中自帶了判斷林分風(fēng)速調(diào)整因子的插圖）。中焰風(fēng)速是林冠上空6．1m風(fēng)速與風(fēng)速調(diào)整因子的乘積；本研究使用6．1m風(fēng)速，以下所有風(fēng)速皆指林冠上空6．1m風(fēng)速。

1．2．4 灌木、草本、倒死木質(zhì)材料和可燃物床深度

在每個(gè)20m×20m樣方內(nèi)設(shè)5個(gè)2m×2m次級(jí)樣方調(diào)查灌木（DBH＜1cm的木本植物），記錄灌木種名、高度、基徑、蓋度。在每個(gè)樣方內(nèi)設(shè)5個(gè)1m×1m次級(jí)樣方調(diào)查草本，記錄種名、高度、蓋度。在每個(gè)樣方內(nèi)設(shè)3個(gè)2m×2m次級(jí)樣方調(diào)查10h、100h、1000h倒死木質(zhì)可燃物。在每個(gè)樣方內(nèi)設(shè)3個(gè)1m×1m小樣方調(diào)查1h倒死木質(zhì)可燃物、凋落物和腐殖質(zhì)。1h可燃物包括落葉、死草、細(xì)小植物死莖和直徑0cm～0．635cm倒死木質(zhì)可燃物。根據(jù)灌木、草本高度和蓋度、倒死木質(zhì)可燃物和凋落物情況，可燃物床深度的估算參照Brown （1974）［20］的平面截取法（planar intercept method）和Fernandes（2009）［21］的方法。另外，程序中自帶有“Fuel bed depth”測(cè)量示意圖。

1．2．5 生物收獲取樣和含水率測(cè)定

樹冠、灌、草、倒死木質(zhì)材料進(jìn)行生物收割取樣。樹冠、灌木可燃物取3個(gè)優(yōu)勢(shì)種的兩年生的活葉片連帶其直徑3mm以下細(xì)枝作為樣品，草本取3種優(yōu)勢(shì)種的地上部分，倒死木質(zhì)材料分1h、10h、100h可燃物3個(gè)等級(jí)分別取樣，現(xiàn)場(chǎng)稱重和裝袋，帶回實(shí)驗(yàn)室在105℃下30min后80℃烘至恒重，計(jì)算可燃物載量和絕對(duì)含水率（見表1和表2）。進(jìn)行了兩次取樣，一次是在2014年1月20日下午3點(diǎn)，之前連續(xù)7天無(wú)雨，溫度4℃～19℃，代表了廣西蒼梧正常冬天的含水率情景；另一次是在2013年7月13日下午3點(diǎn)，之前連續(xù)11天高溫?zé)o雨，溫度26℃～35℃；代表了廣西蒼梧干旱夏季的含水率情景。1．2．6 其他參數(shù)的確定

熄滅含水率、表積比參照Albini［22］（P92），可燃物熱量參照陳［5］、舒［7］、Tian［8］的研究結(jié)果。樣地調(diào)查結(jié)果見表1和表2。

表1　樣地的可燃物床特征Table 1 Fuelbed characteristics of the sampled stands

1．2．6 可燃物模型的建立

利用BehavePlus 5．0建立可燃物模型。用P代表馬尾松，C代表大葉櫟，W代表正常冬季，S代表干旱夏季，利用表1、2的數(shù)據(jù)建立了12個(gè)可燃物模型P1W，P2W，P3W，C1W，C2W，C3W，P1S， P2S，P3S，C1S，C2S，C3S。計(jì)算了12個(gè)可燃物模型在6．1m風(fēng)速分別為5km／h、15km／h、25km／h、35km／h情景下的火行為。計(jì)算結(jié)果用Matlab R2012a作圖。

表2　可燃物含水率和溫度Table 2 Moisture scenarios and air temperatures

2　結(jié)果與分析

2．1 12個(gè)可燃物模型的火行為比較

從圖1～圖3可見，火行為隨風(fēng)速線性增加；12個(gè)模型的火線強(qiáng)度、蔓延速度和火焰長(zhǎng)度幾乎呈現(xiàn)同樣的排序，即P1S、P3S和C1S的火行為高于其他的模型。無(wú)論是馬尾松林還是大葉櫟林，其干旱夏季的火行為高于正常冬季（圖1～圖3）；而火面強(qiáng)度、反應(yīng)強(qiáng)度和點(diǎn)燃可能性這三個(gè)不受風(fēng)速影響的特征均是干旱夏季高于正常冬季（表3）。

圖1　12個(gè)可燃物模型的火線強(qiáng)度Fig．1 Fireline intensities of fuel models

圖2　12個(gè)可燃物模型的蔓延速度Fig．2 Rate of spread of fuel models

圖3　12個(gè)可燃物模型的火焰長(zhǎng)度Fig．3 Flame length of fuel models

表3　可燃物模型的火行為和火類型Table 3 Potential fire behavior and fire types of the fuel models

2．2 12個(gè)可燃物模型的樹冠火可能性評(píng)估

當(dāng)?shù)乇砘穑瓨涔诨疝D(zhuǎn)化率≥1時(shí)，地表火強(qiáng)度足以躍遷發(fā)生樹冠火。當(dāng)主動(dòng)樹冠火發(fā)生率≥1時(shí)，發(fā)生的火災(zāi)類型為遍燃型樹冠火。C1S、P1S、P3S和C2S四個(gè)模型有著較高的地表火－樹冠火轉(zhuǎn)化率，干旱夏季模型比正常冬季模型更容易發(fā)生樹冠火（圖4），但并不是所有的大葉櫟模型都比同等條件下的馬尾松模型有更高的樹冠火可能性。特別需要注意的是，大葉櫟模型的主動(dòng)樹冠火發(fā)生率一致高于馬尾松模型（圖5），因?yàn)榇笕~櫟模型的冠基高較低。

圖4　12個(gè)可燃物模型的地表火－樹冠火轉(zhuǎn)化率Fig．4 Transition ratio from surface fire to crown fire

圖5　12個(gè)可燃物模型的主動(dòng)樹冠火發(fā)生率Fig．5 Active crown fire ratio of the fuel models

與其他幾個(gè)正常冬季模型比較，C1W發(fā)生樹冠火的可能性最大，因?yàn)槠淞窒碌暮谏葺^多，其草本可燃物含水率最低（表3）。而在干旱夏季模型中，唯有P2S在中－低風(fēng)速（5km／h～15km／h）為地表火，這可以歸因于其位于山脊、坡度低、風(fēng)速調(diào)整因子低、冠基高較高（表1）。

2．3 12個(gè)可燃物模型的火效應(yīng)和撲救難易程度

火面強(qiáng)度是揭示火燒對(duì)地上地下植被、動(dòng)物和微生物影響的重要指標(biāo)［23］。干旱夏季模型的火面強(qiáng)度高于正常冬季模型（表3），因此，干旱夏季情景發(fā)生的火燒比正常冬季的火燒對(duì)這兩種森林的損害更大，特別是對(duì)馬尾松林（表3）。

火的蔓延主要取決于連續(xù)的地表可燃物床，火燒釋放的大部分能量來源于有焰燃燒［24］?？扇嘉镱愋秃偷匦问怯绊懮只痣U(xiǎn)的主要靜態(tài)因素［25］，可燃物載量是決定火蔓延范圍的關(guān)鍵［26］。森林火災(zāi)撲救的難易程度通常用火線強(qiáng)度來劃分［27］。P2W、C3W和P3W的火線強(qiáng)度很低（圖1），其火災(zāi)容易控制。P1S和P3S的火線強(qiáng)度中～高，在高風(fēng)速情況下（25km／h～35km／h），手執(zhí)小口徑水管不能撲滅其火災(zāi)，必須采用消防車、水泵等機(jī)械才可能控制火勢(shì)。

3　討論

與Ottmar ＆Prichard［28］、Rothermel ＆Rinehart［27］劃分的火災(zāi)等級(jí)相比，本研究的6個(gè)樣地可能發(fā)生的主要是低中強(qiáng)度火，其火焰長(zhǎng)度低于1．2m，蔓延速度小于6 m／min，火線強(qiáng)度低于1730kW／m；只有P1S和P3S例外，這兩個(gè)模型的火焰長(zhǎng)度高于1．4m（圖3）。蒼梧降雨充沛，即使在干旱季節(jié)，林木葉片仍保持相當(dāng)高的含水率（≥70%）。本文研究的6個(gè)樣地林分是以營(yíng)利為目的的，注重盡量利用土地生產(chǎn)力，有著密閉的樹冠和高木材儲(chǔ)量，能夠輻射到達(dá)森林地面而烤干地表可燃物的陽(yáng)光少，這與Fernandes［29］和Groot［30］報(bào)告的情況類似。可燃物含水率高是這些林分火潛勢(shì)較低的主要原因。

本文研究的大葉櫟萌芽林火行為高于黃小榮等報(bào)告的大葉櫟喬木林火行為。他們報(bào)告的28齡大葉櫟公益林的冠基高很高，可以作為防火帶；但蒼梧的大葉櫟萌芽林能否阻止火蔓延是值得懷疑的，這些萌芽林的主動(dòng)樹冠火發(fā)生率甚至一致地高于該地區(qū)的馬尾松林（圖5）。雖然大葉櫟被劃分為難燃樹種，這種分類可能是基于大葉櫟喬木林特性的，其萌芽林的火行為高于成年喬木林。蒼梧大葉櫟萌芽林在極端干旱的夏季情景有被火把點(diǎn)燃的可能性。如果將大葉櫟萌芽林作為防火林帶使用，需要經(jīng)常清除林下枯枝落葉，割除黑莎草，減少細(xì)小可燃物。

雖然馬尾松被列為中國(guó)南方最不抗火樹種，在蒼梧遠(yuǎn)離人類居住區(qū)的馬尾松人工林在冬季被火把點(diǎn)著的概率是很低的（11%～16%）。坡度和坡位可以通過風(fēng)速調(diào)整因子影響馬尾松林的火行為。P2樣地位于山脊、坡度低，而P1和P3位于較為陡峭的上坡位和中坡位，結(jié)果P2樣地的火線強(qiáng)度大大低于P1和P3的火線強(qiáng)度（圖1）。

天氣、地形和林下葉層結(jié)構(gòu)對(duì)可燃物含水率有很大影響，而含水率是決定火行為的重要因素。對(duì)6個(gè)樣地代表的林分而言，干旱夏季的火行為高于正常冬季。人工林密度高，林冠郁閉，冬季地表可燃物含水率高，夏季灌木、草本可燃物含水率高，抑制了林火的發(fā)展。在連續(xù)高溫?zé)o雨的干旱夏季情況下，馬尾松人工林有56%～65%的概率被火把點(diǎn)著，在低中風(fēng)速下（5km／h～15km／h），P1S、P3S兩個(gè)模型蔓延發(fā)展成為樹冠火。然而，無(wú)論是在正常冬季還是在干旱夏季，都沒有出現(xiàn)馬尾松林可燃物模型的火行為一致高于大葉櫟萌芽林可燃物模型的情況。

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Keyword：Moisture；Fuel model；Fuel load；Fire behavior；Heat per unit area

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Assessing fire potential of Pinus massoniana
and Castanopsis fissa forests in Cangwu by fuel modelling

HUANG Xiaorong，PANG Shilong，PENG Yuhua，SHEN Wenhui
（Guangxi Forestry Academy，Nanning 530002，China）

Abstract：Pinus massoniana is a tree species widely used for afforestation in southern China，and one most flammable and weakly resistant to fire．Eleven－yr－old P．massoniana plantations and 4－yr－old Castanopsis fissa coppices on different topographies were investigated and fuel models were developed by BehavePlus 5．0to evaluate their fire potential in normal winter and summer drought moisture scenarios，comparing their fireline intensity，rate of spread and crown fire possibilities．The result showed that fire potential was higher in summer drought than in normal winter．However，neither in normal winter nor in summer drought，fire behavior of pine fuel models was consistently higher than that of C．fissa fuel models；and weather，topography，fuelbed composition contributed heavily on fuel moistures which always were dominating factors for fire behaviors．Although C．fissa was classified as nonflammable tree species，its coppices were more flammable than its mature arbor forests；and the coppices in Cangwu were possible to be ignited by brands in extreme summer drought．If the C．fissa coppices are used as firebreak belt forest，understory dead fuels，herbs and other fine fuels should be treated regularly．

通訊作者：黃小容，E－mail：huangxr2004＠sina．com

作者簡(jiǎn)介：黃小榮（1964－），女，廣西富川人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事森林防火、森林生態(tài)研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201204512）、廣西科技廳項(xiàng)目（桂科攻14124004－3－11）資助。

收稿日期：2014－12－14；修改日期：2015－01－12

DOI：10．3969／j．issn．1004－5309．2015．01．02

文章編號(hào)：1004－5309（2015）(－)0009－07

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：S762．2；S762．3；X954