興安落葉松樹皮熱量傳遞模型構(gòu)建

劉迪 郭妍 胡海清

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

興安落葉松(Larixgmelinii)林是大興安嶺地區(qū)地帶性植被，也是中國唯一的寒溫帶針葉林的優(yōu)勢建群種，面積占整個大興安嶺地區(qū)的70%以上，其木材產(chǎn)量占全國木材總產(chǎn)量的30%左右。大興安嶺地區(qū)作為我國唯一寒溫帶地區(qū)，隨著全球氣溫的不斷升高，厄爾尼諾現(xiàn)象導(dǎo)致森林火災(zāi)頻發(fā)，地帶性永凍層部分消失或縮小，這些氣候環(huán)境條件的變化都將對興安落葉松林的生存和分布產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[1]。興安落葉松的樹皮較厚，火燒后成活率較高，是大興安嶺地區(qū)重要的抗火樹種，系統(tǒng)深入的研究興安落葉松樹皮受熱傳遞模型，對于森林火災(zāi)火燒跡地森林資源管理以及更好地分析林火對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響十分必要[2-3]。

林火對樹干的傷害主要是對韌皮部和形成層的傷害，傷害的程度取決于火的強(qiáng)度、火燒持續(xù)時間、樹皮厚度和熱傳導(dǎo)性等，通常情況下接近地面部分受害較為嚴(yán)重[4-5]，隨著樹皮被燒深度及高度的增加，樹木被燒死的可能性增大。如果樹干局部韌皮內(nèi)部受到傷害，樹木還可能生存，當(dāng)樹干基部四周形成層均遭到傷害時，樹木就會死亡。形成層耐受溫度一般小于60 ℃[6-7]，有些樹種具有較厚的樹皮，且樹皮的結(jié)構(gòu)緊密，能抵抗較高強(qiáng)度的火燒，而不使形成層受到破壞，火燒后樹木仍然具有生命力。樹皮的厚度是篩選防火樹種的重要依據(jù)[8-9]。利用火燒對樹皮厚度的影響來判斷樹木的準(zhǔn)確死亡率，為火災(zāi)后估算林木損失和合理利森林森林資源提供了重要的依據(jù)。

目前，很多學(xué)者開展了對森林樹種抗火性的研究。胡海清等[10]利用錐形量熱儀對黑龍江省8個常見闊葉樹種的燃燒性能進(jìn)行了系統(tǒng)測定，通過對樹皮和枯枝落葉的樣品在燃燒時熱釋放和煙釋放等燃燒參數(shù)進(jìn)行對比分析，最終確定樹種的抗火性；李世友等[11]分析了滇中云南油杉(Keteleeriaevelyniana)、華山松(PinusarmandiiFranch)、云南松(Pinusyunnanensis)等樹種在不同林火行為下的耐火性差異，確定了從樹皮的阻燃性角度分析林木耐火性的研究方法。Ganio et al.[12]通過對美國俄勒岡州和華盛頓所生長的花旗松與杰克松火后死亡率預(yù)測，利用邏輯斯蒂回歸模型建立樹冠和樹木形成層燒傷量和死亡率的關(guān)系，研究中發(fā)現(xiàn)，在實驗條件下樹冠和形成層燒傷量可以準(zhǔn)確測量，但大范圍的森林火災(zāi)，現(xiàn)有模型對樹木死亡率的確定依然存在困難。Hood et al.[13]在前人的基礎(chǔ)上，使用死亡率演變的火效應(yīng)模型，通過改進(jìn)精度，開發(fā)了在美國西部可以直接預(yù)測一階火效應(yīng)模型軟件，雖然提高了識別火災(zāi)后樹木死亡狀況的效率，但其精度仍然難以滿足森林資源管理的需要。因此，盡管對于樹木抗火性和樹木死亡率模型有許多報道，但仍難以達(dá)到實際應(yīng)用需求，特別是對于中國高緯度北方森林生態(tài)系統(tǒng)中典型樹種抗火性還缺乏系統(tǒng)深入的研究。

本研究選取興安落葉松作為研究對象，利用明火進(jìn)行點燒，以最為貼近自然狀態(tài)下森林火災(zāi)方式模擬實驗，對火源溫度、樹皮點燒時間、點燒距離進(jìn)行控制。在樹皮受到火燒情況下，通過對樹皮內(nèi)部熱量傳遞規(guī)律、樹皮對不同火燒強(qiáng)度及抗火時間的適應(yīng)能力的研究，確定興安落葉松形成層最高耐受溫度，并建立樹皮的60 ℃死亡層的推進(jìn)深度與火源溫度、滯留時間的函數(shù)模型，運用模型判斷興安落葉松火燒后死亡的可能性。

1 實驗樣品采集

以興安落葉松樹皮為研究對象，試驗用樹皮采集于黑龍江省大興安嶺地區(qū)的塔河林業(yè)局。大興安嶺地區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，該區(qū)域森林火災(zāi)的發(fā)生有比較明顯的季節(jié)規(guī)律，春季防火期發(fā)生森林火災(zāi)最多，且過火面積大。歷史上火災(zāi)最多發(fā)生于塔林林場，重大和特大森林火災(zāi)以塔林林場和盤中林場的發(fā)生比例最高[14]。實驗選擇生長良好、樹干為圓形、樹皮在各個方向上分布相對均勻的木材為采樣木，在工人的幫助下伐取、切割大塊的興安落葉松樹皮，帶回實驗室鋸成適合試驗的小塊樹皮。

2 實驗方法

2.1 實驗設(shè)計

取厚度基本相同興安落葉松樹皮，裁成20 cm×30 cm樹皮塊備用，于3個月內(nèi)做完全部實驗；每塊樹皮由表皮向內(nèi)每0、5、10、15 mm處用電鉆鉆一個孔，4孔距表皮距離為定性深度，供插熱電偶使用。將落葉松樹皮的兩個側(cè)面和內(nèi)側(cè)用隔熱膜包上并固定在鐵架臺上。將熱電偶分別插入樹皮預(yù)先鉆孔處，熱電偶上的傳熱線插入事先鉆好的孔內(nèi)并與電腦相連接；將試驗樹皮放在支架上并用試管夾固定，樹皮外表皮朝上,外表面中心處與火源的距離分別為0、2、5 cm，將汽油噴燈對準(zhǔn)樹皮的外表皮進(jìn)行明火噴烤模擬火災(zāi)實驗，距樹皮表面的熱電偶實測溫度為火源溫度，實驗主要通過熱電偶將樹皮在噴烤過程中不同深度溫度變化的數(shù)據(jù)傳導(dǎo)入電腦(見圖1)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

將電腦內(nèi)導(dǎo)入數(shù)據(jù)與現(xiàn)場記錄情況做預(yù)先比對導(dǎo)入excel中，利用散點圖，判定噴烤時間對樹皮內(nèi)溫度變化基本趨勢，用excel做出火源距離樹皮0、2、5 cm的基本變化圖，并對圖中異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除(剔除數(shù)據(jù)為在實驗過程由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接觸問題以及熱電偶損耗誤差所造成的記錄數(shù)據(jù)缺失的樣本數(shù)據(jù))，用剔除后的數(shù)據(jù)作圖進(jìn)行基本分析。在火源溫度不同條件下，分析火焰滯留時間的差異對溫度隨深度變化關(guān)系的影響[15]。繪制變量與因變量的散點圖，利用所得到不同火焰溫度下、不同烘烤時間的溫度遞降趨勢圖。

圖1 樹皮升溫測定試驗裝置示意圖

根據(jù)線性內(nèi)插法，確定在溫度、距離一定時，達(dá)到60 ℃的深度距離，而后利用編程將隨噴烤時間變化樹皮內(nèi)部達(dá)到60 ℃溫度及深度數(shù)據(jù)進(jìn)行重新整合，分析判定樹木形成層溫度達(dá)到60 ℃時，與不同滯留時間、溫度的關(guān)系，構(gòu)建模型并驗證[16-17]。模型判定過程中，如有個別過大或過小的異常數(shù)據(jù)混雜會影響擬合曲線精度，為此須二次剔除異常數(shù)據(jù)以提高曲線的質(zhì)量。用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)擬合基礎(chǔ)模型，并繪制模型預(yù)估值的標(biāo)準(zhǔn)殘差圖。在標(biāo)準(zhǔn)殘差圖中，將超出±2倍標(biāo)準(zhǔn)差以外的數(shù)據(jù)作為極端觀測值予以剔除[18]。對D60-火焰溫度-烘烤時間模型進(jìn)行模擬，利用Statistica 6.0 統(tǒng)計軟件估計非線性回歸模型的參數(shù)，并計算各曲線方程的擬合統(tǒng)計量，選擇剩余平方和(RSS)最小、剩余均方差(MSR)最小、剩余標(biāo)準(zhǔn)差(Sy.x)最小、相關(guān)系數(shù)(R2)最大的方程作為曲線模型，并對所確定的方程進(jìn)行殘差分析[19-21]。

模型確定后利用平均相對誤差(MRE)進(jìn)行檢驗，檢驗公式為：

式中：xi為觀測值、xj為預(yù)測值、n為樣本數(shù)[15]。

3 結(jié)果與分析

3.1 樹皮內(nèi)部不同溫度測定

數(shù)據(jù)處理時，用excel做出火源距離樹皮0、2、5 cm的基本變化圖，判斷數(shù)據(jù)基本變化趨勢相同，所以用火源距離0 cm為例進(jìn)行分析，將初始火源溫度分為三段，分別為250、350、450 ℃，分別火源溫度繪制在噴烤時間不同的情況下(噴烤時間選擇有代表性的10、30、60、100、200、300 s)，樹皮內(nèi)定性深度(0、5、10、15 mm)溫度的變化情況，繪制出平均火源溫度為250、350、450 ℃時不同滯留時間下樹皮溫度隨定性深度變化的關(guān)系圖(見圖2～4)。

圖2 火源溫度250 ℃不同滯留時間下溫度隨深度變化關(guān)系

圖3 火源溫度350 ℃不同滯留時間下溫度隨深度變化關(guān)系

由圖2～4可知，在外部火焰溫度不同時，樹皮內(nèi)部溫度不相同，但仍可觀察出其變化趨勢相同，火源溫度越高的情況下，樹皮內(nèi)各定性深度達(dá)到的溫度也隨噴烤時間的增加而增大，隨深度加深呈一定的線性關(guān)系；不同滯留時間火源溫度不同情況下樹皮溫度隨深度變化0～5 mm部分斜率最大，15 mm處溫度變化不大，實驗樹皮5～10 mm處為海綿層，說明興安落葉松樹皮海綿層具有明顯的緩沖溫度傳導(dǎo)的作用；不同滯留時間樹皮內(nèi)定性深度所達(dá)到的溫度最高值與最低值相差不大，火源溫度450 ℃溫度遞降趨勢圖內(nèi)由于只有兩組實驗數(shù)據(jù)符合，導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)幾乎重合，最高值最低值變化不明顯。

3.2 模型的構(gòu)建

由圖5可知，圖中數(shù)據(jù)變化趨勢基本相同，由中數(shù)據(jù)擬合方程P值過半大于0.05可判斷大部分方程擬合情況不理想，達(dá)到60 ℃的死亡層推進(jìn)深度與火焰溫度變化相關(guān)性不明顯，但觀察圖中擬合方程y=a1+b1×x中隨截距a1增加變化趨于平穩(wěn)判斷隨滯留時間增加而穩(wěn)定增加判斷滯留時間對于達(dá)到60 ℃的死亡層推進(jìn)深度的影響高于火焰溫度對于達(dá)到60 ℃的死亡層推進(jìn)深度的影響。

圖4 火源溫度450 ℃不同滯留時間下溫度隨深度變化關(guān)系

圖5 火焰溫度在滯留時間變化下達(dá)到60 ℃深度的關(guān)系

通過達(dá)到60 ℃的死亡層推進(jìn)深度隨滯留時間變化，以實驗序號為分類作圖(見圖6)，圖中數(shù)據(jù)變化趨勢基本相似，擬合方程P值均為0，可判斷方程擬合情況理想[19-20]。達(dá)到60 ℃的死亡層推進(jìn)深度與滯留時間變化相關(guān)性明顯，以此為根據(jù)，繪制60 ℃深度對烘烤時間、火焰溫度的3D圖(見圖7)。

3.3 最優(yōu)模型確定

由表1和圖8可知，經(jīng)過對比分析，模型3的R2值最大，為最優(yōu)模型，MRE=0.037 470 19。其方程為：D60=b0Tb1[b2(t-60)/(t-20)]+b3(t-60)/(t-20)3，其中，b0=2.094 9，b1=0.197 4，b2=2.342 4，b3=-72 162.308 4。

4 結(jié)論與討論

通過實驗數(shù)據(jù)分析，外部火焰溫度不同，樹皮內(nèi)定性深度溫度不同，火源溫度越高，樹皮內(nèi)各定性深度達(dá)到的溫度隨烘烤時間的增加而增大，隨深度加深呈一定的線性關(guān)系；不同火源溫度下，滯留時間為60 s內(nèi)，樹皮內(nèi)不同定性深度溫度變化不大，滯留時間300 s內(nèi)，樹皮內(nèi)不同定性深度溫度變化較大，說明滯留時間對樹皮定性深度溫度影響很大，急進(jìn)地表火后對林木損害較小，反之損害較大；在樹皮內(nèi)部0～5 mm部分斜率最大，樹皮內(nèi)定性深度15 mm處溫度變化不大，說明興安落葉松樹皮海綿層具有明顯的緩沖溫度傳導(dǎo)的作用，興安落葉松樹種的耐火性是由興安落葉松樹皮的較厚海綿層結(jié)構(gòu)決定的[22]。

圖6 不同樹皮樣本下火焰滯留時間與達(dá)到60 ℃深度之間關(guān)系

圖7 60 ℃深度對烘烤時間、火焰溫度3D分析

通過對樹皮進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征分析和樹皮內(nèi)溫度變化測定的基礎(chǔ)上，提出了樹皮的60 ℃死亡層的推進(jìn)深度函數(shù)模型(D60)，根據(jù)D60值大小對火燒后林木死亡損傷進(jìn)行判斷。擬定60 ℃為形成層的死亡溫度，提出了樹皮的60 ℃死亡層的推進(jìn)深度與火源溫度、滯留時間的函數(shù)模型，根據(jù)D60值大小可進(jìn)行對火燒后快速林木損失調(diào)查。

死亡模型的應(yīng)用在發(fā)達(dá)國家極為普遍，Grayson et al.[23]對美國西北太平洋地區(qū)的14種針葉林的預(yù)測樹死亡率模型評估研究表明，死亡模型局限于有限的物種和地區(qū)，其通過開發(fā)新邏輯回歸模型發(fā)現(xiàn)收到破壞的樹木形成層和樹冠都是重要預(yù)測因子。本文在興安落葉松的死亡模型判斷中，著重于形成層的受傷所導(dǎo)致的死亡，后續(xù)研究可通過增加樣本數(shù)量以及物種數(shù)量對現(xiàn)有模型進(jìn)行進(jìn)一步完善。Ganio et al.[12]對美國俄勒岡州和華盛頓所生長的花旗松與杰克松火后死亡率進(jìn)行預(yù)測研究，通過識別每種樹種燒傷量來修正模型，修正參數(shù)獲得新的預(yù)測模型。本研究由于實驗條件限制，沒有開展野外實驗，未來將在在后續(xù)研究中，通過在真實火后模型應(yīng)用對現(xiàn)有模型進(jìn)行改進(jìn)。

表1 非線性回歸模型對比

注：D60為溫度達(dá)到60 ℃樹皮內(nèi)的深度，T為火焰溫度，t為噴烤時間，b0、b1、b2、b3為參數(shù)。

圖8 函數(shù)模型模擬值與實測值

通過對實驗數(shù)據(jù)的計算以及模型的構(gòu)建，當(dāng)外部火源溫度不同時，溫度在樹皮內(nèi)部的傳遞呈非線性變化趨勢。在實際的森林火災(zāi)過程中，熱量釋放速度往往是先上升后下降，樹皮和樹干要經(jīng)歷先接受熱量后釋放熱量的過程[24-25]。在接受熱量階段，樹皮和樹干溫度上升，阻燃性強(qiáng)的厚樹皮對韌皮部、形成層有很好的保護(hù)作用[26-27]。但在燃燒后期或熄滅階段，當(dāng)樹皮周圍氣溫低于樹皮溫度時，樹干進(jìn)入熱量釋放階段，即溫度下降階段。在這一階段強(qiáng)阻燃性在這個階段成為一個不利因素，如何更加合理評價樹皮的阻燃性對韌皮部、形成層的保護(hù)作用需要進(jìn)一步研究。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 鄭煥能,賈松青,胡海清.大興安嶺林區(qū)的林火與森林恢復(fù)[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報,1986,14(4):1-7.

[2] 段向閣.興安落葉松抗火性研究[J].森林防火,1991(4):7-10.

[3] 胡海清,牛樹奎,金森,等.林火生態(tài)與管理[M].北京:中國林業(yè)出版社,2005:17-91.

[4] 單延龍,張敏,于永波.森林可燃物研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].北華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004,5(3):264-269.

[5] 田曉瑞,舒立福,喬啟宇,等.南方林區(qū)防火樹種的篩選研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2001,23(5):43-47.

[6] BEHRE E C. Preliminary notes on studies of tree form[J]. Journal of Forestry,1923,21(5):507-511.

[7] OWENS J N, MOLDER M. Bud development inLarixoccidentalis. I. Growth and development of vegetative long shoot and vegetative short shoot buds[J]. Canadian Journal of Botany,1979,57(7):687-700.

[8] 孟憲宇.測樹學(xué)[M].北京:中國林業(yè)出版社,1996.

[9] 高國平,遲功德,周紹林,等.遼寧省主要造林樹種抗火性能測定及其抗火樹種的篩選[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,1995,26(2):177-182.

[10] 胡海清,鞠琳.小興安嶺8個闊葉樹種的燃燒性能[J].林業(yè)科學(xué),2008,44(5):90-95.

[11] 李世友,金貴軍,周全,等.3種針葉樹種樹皮的抗火性研究[J].浙江林業(yè)科技,2006,26(4): 6-9.

[12] GANIO L M, PROGAR R A. Mortality predictions of fire-injured large Douglas-fir and ponderosa pine in Oregon and Washington, USA[J]. Forest Ecology & Management,2017,390:47-67.

[13] HOOD S M, LUTES D. Predicting post-fire tree mortality for 12 Western US conifers using the first order fire effects model (FOFEM)[J]. Fire Ecology,2017,13(2):66-84.

[14] 隋堃.大興安嶺塔河縣森林火災(zāi)面積演變特征研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué),2014.

[15] 胡淑宜.樹皮的熱分析法研究[J].中國造紙學(xué)報,1999,14(S1): 97-101.

[16] HOOD S M, MCHUGH C W, RYAN K C, et al. Evaluation of a post-fire tree mortality model for western USA conifers[J]. International Journal of Wildland Fire,2007,16(6):679-689.

[17] CLARK, RACHEL. Improving a widely-used tree mortality model: better predictions change the landscape[R]. Nebraska： University of Nebraska，2009.

[18] 唐守正,張會儒,胥輝.相容性生物量模型的建立及其估計方法研究[J].林業(yè)科學(xué),2000,36(S1):19-27.

[19] SIEG C H, MCMILLIN J D, FOWLER J F, et al. Best predictors for postflre mortality of ponderosa pine trees in the intermountain west[J]. Forest Science,2006,52(6):718-728.

[20] SMITH S, CHUCK D, REINHARDT E, et al. Delayed tree mortality following fire in western conifers[R]. Nebraska： University of Nebraska，2008.

[21] THIES W G, WESTLIND D J, LOEWEN M, et al. Prediction of delayed mortality of fire-damaged ponderosa pine following prescribed fires in eastern Oregon, USA[J]. International Journal of Wildland Fire,2006,15:19-29.

[22] 姚樹人,文定元.森林消防管理學(xué)[M].北京：中國林業(yè)出版社, 2002：51-79.

[23] GRAYSON L M, PROGAR R A, HOOD S M. Predicting post-fire tree mortality for 14 conifers in the Pacific Northwest, USA: Model evaluation, development, and thresholds[J]. Forest Ecology and Management,2017,399:213-226.

[24] 國家林業(yè)局森林防火辦公室.中國生物防火林帶建設(shè)[M].北京:中國林業(yè)出版社,2003.

[25] 單延龍.大興安嶺森林可燃物的研究[M].哈爾濱: 東北林業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[26] 單延龍,李華,其其格.黑龍江大興安嶺主要樹種燃燒性及理化性質(zhì)的實驗分析[J].火災(zāi)科學(xué),2003,12(2):74-78.

[27] 舒立福,田曉瑞,馬林濤.林火生態(tài)的研究與應(yīng)用[J].林業(yè)科學(xué)研究,1999,12(4): 422-427.