油松遼東櫟凋落葉可燃物載量對(duì)火行為的影響

喬虹，白晉華，南宏偉，李東昌，郭晉平

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山西 晉中 030801)

林火行為是指森林火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展全過(guò)程中的表現(xiàn)和特征。林火蔓延速度、火強(qiáng)度、火焰高度是最常用的反映林火行為特征的三大指標(biāo)。對(duì)林火行為進(jìn)行研究可以有效預(yù)防與撲救森林火災(zāi)。森林火行為非常復(fù)雜，并且影響因素較多，通常彼此之間相互制約，相互聯(lián)系。其中地表可燃物載量的大小對(duì)森林火行為有非常直接的影響。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)載量的研究有載量與各林分因子間的相關(guān)性[1]、地表死可燃物載量的變化規(guī)律[2]、地表可燃物載量的測(cè)定方法[3]以及模型的建立[4]等。

油松(PinusTabulaeformis)和遼東櫟(Quercusliaotungensis)是山西省的重要鄉(xiāng)土樹(shù)種，有良好的耐寒、耐旱、耐貧瘠的生態(tài)學(xué)特性，尤其是油松作為山西省主要的造林樹(shù)種之一，廣泛應(yīng)用于荒山造林中，形成了山西省大面積連片分布的油松人工林。但由于樹(shù)種單一，林分密度與結(jié)構(gòu)極不合理，導(dǎo)致大部分油松人工林生長(zhǎng)狀況較差，并且可燃物積累較多且易燃性強(qiáng)，其林下枯落物分解難，在北方春秋季兩個(gè)防火期內(nèi)，遇到長(zhǎng)期持續(xù)不降水時(shí)，森林火災(zāi)發(fā)生的概率會(huì)大大增加，給森林防火工作帶來(lái)重大壓力。因此，對(duì)油松純林及油松混交林進(jìn)行人工撫育和經(jīng)營(yíng)管理有非常重要的意義。通過(guò)對(duì)油松純林及油松遼東櫟混交林的經(jīng)營(yíng)管理，可以增加其群落的穩(wěn)定性和多樣性，改善其生長(zhǎng)狀況，減少林下凋落物的積累，有效降低其地表火的潛在危險(xiǎn)性。為此，有必要對(duì)油松和遼東櫟凋落葉混合可燃物的火行為進(jìn)行研究。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省晉中市太谷縣縣城東南部的國(guó)有林場(chǎng)(112°37′30″—112°21′5″ E，37°15′10″—37°27′32″ N)，屬溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫在5～10 ℃。降水季節(jié)分布不均，主要集中在6—8月。年日照時(shí)間2 700 h，無(wú)霜期125 d。山西省太谷縣國(guó)有林場(chǎng)境內(nèi)地貌屬于起伏狀山脈，主要由中度切割的石質(zhì)山和土石山組成，海拔910～1 873 m，屬于中低山天然林區(qū)。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取山西省太谷縣國(guó)有林場(chǎng)內(nèi)林齡在30 a左右的油松人工林和遼東櫟林凋落葉作為試驗(yàn)材料，并于2016年4月初一次性采樣帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。模擬在連續(xù)無(wú)降水條件下，油松和遼東櫟凋落葉混合可燃物載量對(duì)火行為的影響。載量設(shè)4個(gè)水平，分別為4、6、8和10 t·hm-2。收集含水率為10 %[5]左右的凋落葉按照預(yù)設(shè)載量進(jìn)行配比，依次均勻地鋪設(shè)在燃燒床上(長(zhǎng)2 m、寬1 m)進(jìn)行室內(nèi)點(diǎn)燒試驗(yàn)，并記錄經(jīng)過(guò)相鄰兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)(距離0.2 m)所用的時(shí)間以及火焰高度等。

2.2 指標(biāo)測(cè)定

通過(guò)測(cè)定并計(jì)算蔓延速度、火線(xiàn)強(qiáng)度、火面強(qiáng)度和火焰高度這四個(gè)火行為指標(biāo)，分析研究載量對(duì)其影響。其中，蔓延速度和火焰高度可直接測(cè)定。

2.2.1 總載荷量 樣本干質(zhì)量采用烘干稱(chēng)量法測(cè)定。在 105 ℃ 的烘箱中烘干24 h 后稱(chēng)量，測(cè)定含水率，計(jì)算含水量，進(jìn)而計(jì)算出總載荷量。其中可燃物含水率=(浸泡 t時(shí)間的凋落物質(zhì)量-樣本烘干質(zhì)量)/ 樣本烘干質(zhì)量×100%；總載荷量=(浸泡t時(shí)間的凋落物質(zhì)量-含水量)/樣方面積×(10 000/1 000)。

2.2.2 火線(xiàn)強(qiáng)度 計(jì)算公式為I=HWR

式中：I為火線(xiàn)強(qiáng)度(kW·m-1)；H為可燃物熱值(kJ·kg-1)；W為有效可燃物載量(kg·m-2)；R為林火蔓延速度(m·s-1)

可燃物樣品的熱值采用美國(guó)PARR 6300全自動(dòng)氧彈量熱儀測(cè)定。每次試驗(yàn)結(jié)束收集的未燃部分用烘箱烘干至恒質(zhì)量并記錄剩余質(zhì)量，用以計(jì)算一次點(diǎn)燒試驗(yàn)的有效載量。

2.2.3 火面強(qiáng)度 計(jì)算公式為HA=681·I/R

式中：HA為火面強(qiáng)度(kJ·m-2)；I的單位(kW·m-1)；R為林火蔓延速度(m·min-1)

2.3 數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)用Excel2007、SPSS18.0軟件對(duì)點(diǎn)燒試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

點(diǎn)燒試驗(yàn)的火行為指標(biāo)的基本情況如表1所示。從表1中看出，油松遼東櫟凋落葉可燃物的蔓延速度范圍為0.093～2.384 m·min-1，從75%區(qū)間值來(lái)看，多數(shù)點(diǎn)燒試驗(yàn)的蔓延速度不超過(guò)1.158 m·min-1；火線(xiàn)強(qiáng)度的范圍為4.070～516.413 kW·m-1，從75%區(qū)間值來(lái)看，多數(shù)點(diǎn)燒試驗(yàn)的火線(xiàn)強(qiáng)度不超過(guò)109.360 kW·m-1；火面強(qiáng)度的范圍為22.930×103～152.870×103kJ·m-2，從75%區(qū)間值來(lái)看，多數(shù)點(diǎn)燒試驗(yàn)的火面強(qiáng)度不超過(guò)108.435×103kJ·m-2；火焰高度的范圍為0.232～0.598 m，均值為0.428 m，從75%區(qū)間值來(lái)看，多數(shù)點(diǎn)燒試驗(yàn)的火焰高度不超過(guò)0.517 m。

表1 各火行為指標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

注：火面強(qiáng)度值×103

3.1 可燃物載量對(duì)蔓延速度的影響

不同載量與蔓延速度的方差多重比較結(jié)果如圖1所示。分析得出，載量4 t·hm-2與載量6 t·hm-2之間的蔓延速度有顯著差異，與載量8 t·hm-2、10 t·hm-2之間的蔓延速度有極顯著的差異；載量6 t·hm-2與載量8 t·hm-2之間的蔓延速度無(wú)顯著差異，與載量10 t·hm-2之間的蔓延速度有極顯著差異；載量8 t·hm-2與載量10 t·hm-2之間的蔓延速度有顯著差異，總體趨勢(shì)為蔓延速度隨著可燃物載量的增加而加快。

3.2 可燃物載量對(duì)火線(xiàn)強(qiáng)度的影響

不同載量對(duì)火線(xiàn)強(qiáng)度的影響如圖1所示。由圖1分析得出，載量4 t·hm-2與載量6 t·hm-2之間的火線(xiàn)強(qiáng)度有顯著差異，與針葉比例為8 t·hm-2、10 t·hm-2之間的火線(xiàn)強(qiáng)度有極顯著差異；載量6 t·hm-2與載量8 t·hm-2之間的火線(xiàn)強(qiáng)度無(wú)顯著差異，與載量10 t·hm-2之間的火線(xiàn)強(qiáng)度有極顯著差異；載量8 t·hm-2與載量10 t·hm-2之間的火線(xiàn)強(qiáng)度有極顯著差異，總體趨勢(shì)為火線(xiàn)強(qiáng)度隨著可燃物載量的增加而增大。

3.3 可燃物載量對(duì)火面強(qiáng)度的影響

不同載量對(duì)火面強(qiáng)度的影響如圖1所示。從圖1可以看出，隨著試驗(yàn)中可燃物載量的增加，火面強(qiáng)度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。根據(jù)不同載量火面強(qiáng)度的方差多重比較結(jié)果分析得出，載量4 t·hm-2，與載量6 t·hm-2、8 t·hm-2、10 t·hm-2之間的火面強(qiáng)度有極顯著差異；載量6 t·hm-2，與載量8 t·hm-2、10 t·hm-2之間的火面強(qiáng)度有極顯著差異；載量8 t·hm-2，與載量10 t·hm-2之間的火面強(qiáng)度有極顯著差異。

3.4 可燃物載量對(duì)火焰高度的影響

不同載量與火焰高度的方差多重比較結(jié)果如圖1所示。分析得出，載量4 t·hm-2，與載量6 t·hm-2、8 t·hm-2、10 t·hm-2之間的火焰高度有極顯著差異；載量6 t·hm-2與載量8 t·hm-2之間的火焰高度無(wú)顯著差異，與載量10 t·hm-2之間的火焰高度有極顯著差異；載量8 t·hm-2與載量10 t·hm-2之間的火焰高度有極顯著差異，總體趨勢(shì)為火焰高度隨著可燃物載量的增加而增加。

4 討論與結(jié)論

4.1 油松、遼東櫟凋落葉可燃物載量對(duì)火行為指標(biāo)的影響

可燃物載量對(duì)蔓延速度、火面強(qiáng)度、火線(xiàn)強(qiáng)度、火焰高度均呈顯著正相關(guān)，其中對(duì)火面強(qiáng)度、火線(xiàn)強(qiáng)度、火焰高度有極顯著影響。在無(wú)風(fēng)條件下，可燃物平均蔓延速度為0.768 m·min-1，最小值為0.093 m·min-1，最大值為2.384 m·min-1，變化幅度較大。從不同載量對(duì)火線(xiàn)強(qiáng)度影響的比較結(jié)果來(lái)看，除載量6 t·hm-2與8 t·hm-2之間差異不顯著外，不同載量之間均存在顯著差異，這可能是因?yàn)檩d量為6tffffb8hm-2與8tffffb7hm-2時(shí)，可燃物床層鋪設(shè)不均，影響了可燃物的連續(xù)性，進(jìn)而影響了火線(xiàn)強(qiáng)度?？扇嘉锏幕鹧娓叨鹊淖畲笾禐?.598m，最小值為0.232m，變化幅度較小，今后可以增大可燃物載量的試驗(yàn)范圍，這樣更具有實(shí)踐性。除載量6tffffb6hm-2與8tffffb5hm-2之間差異不顯著外，不同載量之間均存在顯著差異，因此，可以將可燃物載量控制在8tffffb4hm-2以下，進(jìn)而減小地表火發(fā)生的危險(xiǎn)性。

4.2 可燃物載量對(duì)森林火行為管理的影響

Agee[6]等歸納了調(diào)控森林可燃物4個(gè)較為基礎(chǔ)的原則，即減少地表可燃物、增加活枝高、降低林冠密度、保留大徑級(jí)抗火林木?？扇嘉锕芾硗ǔＭㄟ^(guò)機(jī)械處理和計(jì)劃燒除等手段調(diào)控可燃物的載量，以此控制林火行為。此外，通過(guò)營(yíng)林撫育、防火林帶營(yíng)造等方法改變可燃物床層結(jié)構(gòu)及可燃物的燃燒環(huán)境，也是可燃物的調(diào)控的重要方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，可燃物的載量對(duì)火行為指標(biāo)都有顯著的影響，降低地表可燃物的載量，能夠顯著降低林火的蔓延速度、火線(xiàn)強(qiáng)度、火面強(qiáng)度和火焰高度。因而在生產(chǎn)實(shí)踐中，可以結(jié)合可燃物載量調(diào)查的結(jié)果，對(duì)地表可燃物，特別是凋落物載量較多的地區(qū)，通過(guò)機(jī)械清除、計(jì)劃火燒等途徑減少地表可燃物，或采用其他方法加速凋落物分解，使地表可燃物的載量下降，在無(wú)風(fēng)條件下，把凋落物的載量控制在8 t·hm-2以下，能夠有效降低發(fā)生地表火的潛在危險(xiǎn)性。若在自然條件下，可以把可燃物載量控制的更低。在森林可燃物管理方面的研究中，相關(guān)文獻(xiàn)[7,8]提出可以通過(guò)不同的可燃物處理方式，來(lái)減少可燃物載量，降低森林火險(xiǎn)，這與本研究結(jié)論是一致的。本試驗(yàn)并未研究可燃物載量與林間可燃物厚度的關(guān)系，這可作為今后可燃物森林火行為研究的一個(gè)切入點(diǎn)，以便在森林經(jīng)營(yíng)管理中，根據(jù)可燃物厚度來(lái)判斷是否具有地表火潛在危險(xiǎn)性，這將會(huì)為森林經(jīng)營(yíng)管理提供更便捷的方法。