黑河地區(qū)紅松人工林根朽病對其主干燃燒性的影響1)

郭琦鈺 寧吉彬 甕岳太 李杰 何誠 邸雪穎 楊光

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (黑龍江省孫吳縣林業(yè)局) (南京森林警察學(xué)院森林消防學(xué)院) (東北林業(yè)大學(xué))

紅松(Pinuskoraiensis)是東北亞地區(qū)極具生態(tài)價值的主要的造林樹種，也是我國東北地區(qū)珍貴樹種之一。因其適應(yīng)性強(qiáng)，好栽易管，具有經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會3大效益高的優(yōu)點(diǎn)，近年來人工林的面積不斷增加[1-2]。由于人為干預(yù)增多，紅松人工林林分組成及生產(chǎn)條件發(fā)生改變，致使人工紅松林生態(tài)穩(wěn)定性大大降低，因此導(dǎo)致了各種病蟲害的發(fā)生。

紅松人工林主要病害以紅松根朽病、紅松爛皮病[3]、紅松皰銹病[4]、紅松落針病在紅松人工林病害中最為常見[5-7]。其中根朽病是世界著名的傳染性病害，其寄主多達(dá)600余種，是紅松重要病害之一[8-9]。根朽病是由蜜環(huán)菌(Arimillariellamellea)引起，發(fā)病率在30%左右，嚴(yán)重林分達(dá)到80%。因?yàn)榧t松根朽病主干患病部位主要在樹基部2 m以下至樹根部，而其患病的病癥是干基腫大、流脂、潰爛[10-13]，這使其自身的生物特性發(fā)生改變，所以患病后所分泌的樹脂會增強(qiáng)樹干的燃燒性，其潰爛部位則會降低樹干的抗火性及耐火性。在病害侵染過的區(qū)域，還留有大量的病腐木或枯立木,這些進(jìn)一步增加了森林的燃燒性。

森林病蟲害和森林火災(zāi)是重要的森林生態(tài)系統(tǒng)干擾因子,對森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有著長期的影響?；饘Υ蠖鄶?shù)森林生態(tài)系統(tǒng)具有兩面性,一方面它是森林生態(tài)系統(tǒng)演替過程中的一種自然干擾因子,在促進(jìn)森林發(fā)育、維持生物多樣性特別是景觀多樣性方面起著積極的作用[14-16];另一方面,森林火災(zāi)會引起森林的大面積死亡,造成重大的經(jīng)濟(jì)損失?；馂?zāi)能導(dǎo)致森林結(jié)構(gòu)和功能的變化,并常常引發(fā)病蟲害等次生災(zāi)害，那么反之，森林病蟲害的入侵，可引起大量林木的衰弱或死亡，并由此帶來一系列的林木生理，森林組成、結(jié)構(gòu)等的變化，破壞了森林生態(tài)環(huán)境，在同等的外界條件(包括相對濕度、風(fēng)、降水、氣溫、樹種組成等)下，上述變化加劇了森林火災(zāi)發(fā)生的可能性，那么，在有可燃物和火源的情況下，很容易引起森林火災(zāi)[17-21]。了解火與病蟲害的關(guān)系,對于科學(xué)管理林火有著重要意義。當(dāng)前我國對于森林火災(zāi)和病蟲害的研究和管理都相對獨(dú)立，在森林管理中沒有考慮這些干擾因子的綜合影響,未來需要加強(qiáng)這方面的研究。本文將紅松根朽病與可燃物燃燒性相聯(lián)系，對于患病后林木的燃燒性強(qiáng)弱的判斷及森林火災(zāi)防護(hù)一系列相關(guān)工作具有重要意義。

1 研究區(qū)域概況

黑河位于黑龍江省北部，介于北緯47°42′～51°3′，東經(jīng)124°45′～129°18′，春季高溫多風(fēng)，夏季雨熱同現(xiàn)，秋季降溫急驟，冬季寒冷干燥，冬長夏短、四季分明。全市年均降水量491～540 mm，有效積溫1 950～2 300 ℃，年均氣溫零下0.4 ℃，日最高氣溫38.2 ℃，最低氣溫零下40 ℃。林區(qū)內(nèi)以天然次生林為主，伴有少量人工林和原始森林，有紅松、落葉松(Larixgmelinii)，樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)，蒙古櫟(Quercusmongolica)、山楊(Populusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)等30余種林木。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

研究對象為黑河市孫吳縣紅松人工林內(nèi)不同發(fā)病程度的紅松，選取3塊發(fā)病率較高的紅松根朽病樣地，按調(diào)查森林病害要求，設(shè)置30 m×30 m樣地，記錄包括地形、林型在內(nèi)的樣地基本信息，進(jìn)行每木檢尺并根據(jù)根朽病的發(fā)病流脂程度劃分和記錄發(fā)病情況，基本情況見表1。

表1 紅松樣地基本信息

2.2 標(biāo)準(zhǔn)木選擇和試樣制備

在每塊樣地內(nèi)選取患重病標(biāo)準(zhǔn)木、輕病標(biāo)準(zhǔn)木和健康標(biāo)準(zhǔn)木各1株，在樹根部及樹干處每隔1 m截取圓盤，將全部發(fā)病部位的樹根、樹干和圓盤帶回實(shí)驗(yàn)。

將采集回來的樣品分類放置，風(fēng)干30 d。將采集紅松樣品分為3類：健康紅松、患輕病紅松與患重病紅松，其中輕病紅松和重病紅松的劃分，依據(jù)根朽病發(fā)病病癥來劃分。輕病時樹冠變稀，針葉變細(xì)，顏色暗淡且1/3以下冠枯黃，重病時地際處干基腫大流脂，病皮開裂變黑且1/3以上冠枯黃[9，13]。每一類樣品從下至上分按照樹根部(a)、樹基部(b)及樹干部(c)3部分劃分。其中，樹根部為靠近土壤往上0.5 m處，樹基部為樹根部往上0.5 m處，樹干部為靠近樹基部往上0.5 m處。然后將其劈成小塊，分裝到檔案袋中編號后，在烘箱中進(jìn)行105 ℃烘干處理，然后帶樹皮磨成粉末，過20目篩，裝入封口袋中備用。進(jìn)行森林可燃物燃燒性的測定，探究森林病害對森林燃燒性的影響。

2.3 試驗(yàn)方法

燃燒性參數(shù)的測定采用錐形量熱儀法[22]。采用英國FTT公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)型錐形量熱儀，錐形量熱技術(shù)可模擬真實(shí)燃燒環(huán)境，測試可燃物燃燒性，它是一種評價材料燃燒性的重要方法，在篩選防火樹種，評價森林可燃物燃燒性中得到廣泛應(yīng)用，這種測試方法有測試參數(shù)較多、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與材料在實(shí)際火災(zāi)中的表現(xiàn)更加相近,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況關(guān)聯(lián)性大的優(yōu)點(diǎn)，由錐形量熱儀可測定的燃燒性指標(biāo)有引燃時間，熱釋放速率，質(zhì)量損失速率等[23-26]。

測試方法：測試前稱其質(zhì)量所制備試樣均20 g，倒入盛樣品的鐵盒內(nèi)，調(diào)試錐形量熱儀并輸入測試條件及相關(guān)樣品參數(shù)，將樣品用錫箱紙包好置于測試臺上，儀器數(shù)據(jù)穩(wěn)定時開始進(jìn)行測試，對樣品進(jìn)行點(diǎn)火操作，實(shí)驗(yàn)正式開始，隨著樣品表面輻射時間增加，樣品溫度不斷升高直到達(dá)到樣品燃點(diǎn)，熱輻射范圍控制在0～100 kW/m2[23-26]。

為了消除由于木材種類不同以及自身密度、粒徑不均等因素對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的影響，每次實(shí)驗(yàn)所采用的樣品均來自同一批次粒徑為20目(0.71 mm)的帶皮紅松粉末，以使材料自身性質(zhì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響保持一致[27]。將試樣平鋪在尺寸100 mm×100 mm×100 mm的鐵盒內(nèi)，用鋁箔紙包裹，并用不銹鋼絲網(wǎng)覆蓋在鐵盒上面，以避免樣品的翹曲不規(guī)則，水平放入不銹鋼制的樣品固定支架內(nèi)，溫度為780 ℃，熱源福射為50 kW/m2，各實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次，得到燃燒性能的多個參數(shù)，其中包括引燃時間(TTI)、質(zhì)量損失速率(MLR)、熱釋放速率(HRR)、熱釋放總量(THR)等。使用Origin7.5軟件和Excel，按照ISO 5660-1標(biāo)準(zhǔn)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析[27-30]。

3 結(jié)果與分析

3.1 引燃時間

引燃時間是指材料從加熱開始到出現(xiàn)穩(wěn)定火焰的時間，它反映了材料被點(diǎn)燃的難易程度，是評價材料燃燒性能的重要指標(biāo)之一。對無病紅松、輕病紅松、重病紅松進(jìn)行引燃時間分析，得到表2。由表可知，部位相同但發(fā)病程度不同的紅松的引燃時間均存在差異。在樹根部位(a)處，重病紅松的引燃時間最短，為16 s，樹基部位(b)處無病紅松引燃時間最短，為10 s，樹干部位(c)處無病紅松引燃時間最短，為14 s，而重病的引燃時間相對較長，輕病與重病的引燃時間差異不顯著。從燃燒時間來看，重病紅松的燃燒時間較短，說明其燃燒較快且相對較劇烈。

表2 紅松引燃時間 s

3.2 熱釋放速率

熱釋放速率指的是單位面積釋放熱量的速率，反映了火源釋放熱量的快慢和大小，也就是火源釋放熱量的能力。熱釋放速率越大，燃燒反饋給材料表面的熱量就越多，結(jié)果造成材料熱解速度加快和揮發(fā)性可燃物生成量的增多，從而加速了火焰的傳播。

對無病紅松、輕病紅松及患病紅松進(jìn)行熱釋放速率的分析，并繪制熱釋放速率曲線。從熱釋放速率曲線可以看出，紅松的熱釋放速率曲線呈拋物狀，有峰值。在圖1中，紅松熱釋放速率峰值均在100 s之內(nèi)出現(xiàn)，且峰值最高的為重病紅松的3個部位，無病紅松的3個部位的峰值較低，且都明顯低于重病紅松，輕病紅松則介于重病紅松與無病紅松之間，在400 s之后，所有曲線都處于水平趨勢，說明其燃燒過程結(jié)束。按部位來看，紅松樹根部位的熱釋放速率高于無病紅松與輕病紅松的樹根部位的熱釋放速率，重病紅松樹基部位的熱釋放速率要高于輕病與無病部位的熱釋放速率，輕病部位的熱釋放速率高于無病部位，重病與輕病紅松樹干部位的熱釋放速率明顯高于無病樹干部位，而重病紅松樹干部位的熱釋放速率峰值處高于輕病紅松樹干部位。總的來說，患重病紅松的各部位的熱釋放速率均高于無病紅松，而熱放速率越高越容易加速火焰的傳播，一旦發(fā)生森林火災(zāi)，火頭將會在患重病紅松林內(nèi)迅速蔓延。

3.3 熱釋放總量

熱釋放總量(THR)指材料從燃燒實(shí)驗(yàn)開始到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，單位面積所釋放的熱量總和。將熱釋放速率和熱釋放總量聯(lián)合起來進(jìn)行分析，能夠比較全面客觀地反映出材料的整體燃燒性能。對無病紅松，輕病紅松，重病紅松進(jìn)行熱釋放總量的分析，并繪制熱釋放總量曲線，如圖所示。由圖2可知，從引燃至100 s之內(nèi)，樹根部位的重病紅松、輕病紅松與無病紅松差異不顯著，而100 s之后，紅松熱釋放總量曲線開始出現(xiàn)不同的上升趨勢，重病紅松與輕病紅松的升高趨勢明顯高于無病紅松。在樹基部位處，輕病紅松的熱釋放總量略高于重病紅松，顯著高于無病紅松，重病紅松的熱釋放總量高于無病紅松。樹干部位的重病紅松、輕病紅松與無病紅松在前100 s內(nèi)無顯著差異，在100～400 s內(nèi)，重病紅松的熱釋放速率高于輕病紅松，高于無病紅松，輕病紅松的熱釋放總量高于無病紅松，在400 s燃燒過程結(jié)束之后，熱釋放總量曲線趨于水平。結(jié)合熱釋放速率的情況進(jìn)一步說明，重病紅松熱釋放量最大，存在更大的森林火災(zāi)風(fēng)險。表明重病紅松的揮發(fā)性可燃物生成量可能超過了無病紅松，輕病紅松則處在重病與無病紅松之間。因此控制紅松根朽病病害對森林防火有著重要的意義。

3.4 質(zhì)量損失

質(zhì)量損失速率指材料燃燒后單位面積、單位時間的質(zhì)量變化值。由質(zhì)量損失速率可計算出紅松燃燒期間的質(zhì)量損失，如表2所示。在初始質(zhì)量相同的條件下，重病紅松的各部位質(zhì)量損失皆顯著高于輕病紅松與無病紅松的質(zhì)量損失，輕病紅松的質(zhì)量損失也高于無病紅松，這說明患病紅松在燃燒過程中，參與燃燒的物質(zhì)多于無病紅松，且燃燒的相對充分。

表2 紅松質(zhì)量損失

3.5 濃煙釋放量

總煙釋放量是評價森林可燃物燃燒危險性的另一重要指標(biāo)，火災(zāi)中產(chǎn)生的濃煙危險性更離，總煙釋放量越大，火災(zāi)越危險，火災(zāi)中的人員傷亡在很大程度上都是由于濃煙窒息造成的。對無病紅松、輕病紅松、重病紅松進(jìn)行濃煙釋放量的分析，并繪制總煙釋放量曲線。如圖3所示，樹根部、樹基部及樹干部的重病紅松的濃煙釋放量顯著高于輕病紅松與無病紅松，輕病紅松在樹根部位及樹干部位的濃煙釋放量顯著高于無病紅松，而在樹基部位略高于無病紅松。總的來說，患病紅松的濃煙釋放量明顯高于無病紅松，說明患病紅松在燃燒過程中發(fā)煙量較大，這與其理化性質(zhì)有關(guān)，患根朽病的紅松內(nèi)部松油脂含量增多，可燃性比較強(qiáng)，火災(zāi)危險性增高。

火發(fā)生指數(shù)(IFP)常被用來評價測試材料的火險程度，它是著火感應(yīng)時間(TTI)與熱釋放速率峰值(RHRpeak)的比值。IFP=TTI/RHRpeak，火發(fā)生指數(shù)值越大，抗火能力越強(qiáng)，反之燃燒性越強(qiáng)。火發(fā)生指數(shù)火發(fā)生指數(shù)表示火險程度，如表3所示。在樹根部位(a)，重病紅松的火發(fā)生指數(shù)值最小，說明其火險程度最大，其次是輕病紅松的值小于無病紅松，說明無病紅松的火險程度較低；在樹基部(b)，重病紅松的火發(fā)生指數(shù)值最小，其次是輕病紅松，無病紅松火發(fā)生指數(shù)值最大，說明重病紅松與輕病紅松的火險程度略高于無病紅松，相較于樹根部(a)，樹基部(b)的數(shù)值差距略??；在樹干部位(c)，輕病紅松與無病紅松的火發(fā)生指數(shù)值差異不顯著，但顯著高于重病紅松，整體來看，重病紅松的火險程度更高。

表3 火災(zāi)發(fā)生指數(shù)

4 結(jié)論與討論

本研究對相同立地條件和相同樹齡的患病紅松與健康紅松的樹干發(fā)病部位進(jìn)行燃燒性測定，通過錐形量熱儀法模擬真實(shí)燃燒所測的指標(biāo)來看，患重病后的紅松所測得的燃燒性指標(biāo)皆顯著高于輕病紅松和無病紅松，而輕病紅松與無病紅松三個部位略有差異，且差異各不相同，其中，樹基部與樹根部位處燃燒性變化較明顯。在錐形量熱儀測定的過程中，重病紅松燃燒速度較快，較劇烈，熱釋放量較大，發(fā)煙量較大且煙呈深黑色，而輕病紅松與健康紅松差異不顯著且燃燒過程較緩慢，說明紅松在患重病后，燃燒性顯著提高，而患輕病后對其自身的燃燒性的影響不大。其原因可能是重病紅松發(fā)病處出現(xiàn)腐朽、開裂、流脂的情況，導(dǎo)致其理化性質(zhì)發(fā)生改變，揮發(fā)性可燃物生成量增多，熱分解產(chǎn)物也隨之增多，而輕病紅松與健康紅松還未出現(xiàn)這種情況。在患病程度相同且部位不同的前提下，樹根部位處的燃燒性最強(qiáng)，其次為樹基部，樹干部位的燃燒性較弱，這正與根朽病的發(fā)病部位嚴(yán)重程度相對應(yīng)[9]。本文無病紅松、輕病紅松與南方的毛竹、麻栗，北方的紫緞、蒙古櫟等的燃燒性指數(shù)相似[31-32]，幾類樹種抗火性相對較強(qiáng)；重病紅松與南方的華山松、柳杉、馬尾松，北方的油松、落葉松的燃燒性指數(shù)相似[31-32]，抗火性較低，進(jìn)一步說明了紅松根朽病對其主干燃燒性有影響。

綜上所述，患病紅松的燃燒性強(qiáng)于無病紅松，且根據(jù)火災(zāi)發(fā)生指數(shù)來看，患病后的紅松抗火能力弱，加上其患病后所分泌的油脂等物質(zhì)更容易增加其易燃性，并且還能加速火焰的傳播，存在更大的森林火災(zāi)風(fēng)險。從定性的角度看，一是紅松患病后，其內(nèi)部穩(wěn)定性發(fā)生改變，被侵染處分泌大量油脂，增強(qiáng)了燃燒性；二是紅松患重病后主干開始腐爛直至枯死，逐漸失去生命特征，使其含水率降低，增強(qiáng)了其燃燒性；從定量角度看，紅松枯死后，死可燃物增加，增強(qiáng)了人工林的易燃性。無論是自然發(fā)病枯萎倒地還是受害后被伐除，其原先占據(jù)的生態(tài)位均出現(xiàn)了閑置，周圍競爭木或林下灌草在隨后幾年內(nèi)會迅速占據(jù)這個“閑置”生態(tài)位，從而改變了原有松林內(nèi)主要樹種的空間分布和格局，進(jìn)而引起各主要種群生態(tài)位的變化。本實(shí)驗(yàn)對森林病害中遺傳性較強(qiáng)的根朽病與燃燒性相結(jié)合研究，確定了根朽病對其主干的燃燒性有促進(jìn)作用，且隨著病害的加重其燃燒性也隨之增強(qiáng)。而森林病害的種類還有很多，且不同患病樹種、發(fā)病癥狀等對燃燒性的影響也各不相同，這些還有待進(jìn)一步研究。