滇東北地區(qū)華山松與云南松的地表凋落物載量及火強(qiáng)度對(duì)比研究

徐偉恒 吳 超 楊 磊 徐盛基 秦明明 王秋華

( 1. 西南林業(yè)大學(xué)大數(shù)據(jù)與智能工程學(xué)院，云南 昆明 650233；2. 西南林業(yè)大學(xué)大數(shù)據(jù)與智能工程研究院，云南 昆明 650233；3. 西南林業(yè)大學(xué)林業(yè)生態(tài)大數(shù)據(jù)國(guó)家林業(yè)與草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650233；4. 應(yīng)急管理部南方航空護(hù)林總站，云南 昆明 650021；5. 西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，云南 昆明 650233)

森林地表可燃物是森林燃燒的物質(zhì)條件[1]，同時(shí)也是引發(fā)森林火災(zāi)的重要原因[2]。掌握森林地表可燃物的載量分布及數(shù)量大小進(jìn)而分析其火行為參數(shù)，能夠有效預(yù)防森林火災(zāi)。林地火行為的研究是林火管理、預(yù)報(bào)和林火撲救的理論基礎(chǔ)[3]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室烘干及燃燒分別計(jì)算其地表各層次凋落物的含水率及各火行為參數(shù)，對(duì)于降低林火風(fēng)險(xiǎn)、防治火災(zāi)有著顯著的實(shí)踐意義。

隨著全球氣候變暖，云南省林區(qū)的防火工作已經(jīng)成為一項(xiàng)必須進(jìn)行的重大舉措[4]。云南松（Pinus yunnanensis）和華山松（Pinus armandii）均為云南省重要的山地造林樹(shù)種，分布區(qū)域廣，火災(zāi)發(fā)生頻率高。它們都是西南地區(qū)主要用材樹(shù)種，也是云貴高原上常見(jiàn)的針葉樹(shù)種，耐寒力強(qiáng)，具有廣泛的生態(tài)適應(yīng)性和較強(qiáng)的自然更新能力。華山松以及云南松活葉富含油脂，同時(shí)生長(zhǎng)覆蓋范圍很廣，易發(fā)生樹(shù)冠火[5]，引起森林火災(zāi)，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞[6]。

因此，本研究以滇東北地區(qū)華山松林和云南松林的地表凋落物為研究對(duì)象，進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，采集樣本計(jì)算可燃物載量，并在室內(nèi)分別對(duì)華山松和云南松地表凋落物的上層、下層、枯枝進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)[7]，得出云南松和華山松的火行為參數(shù)并進(jìn)行對(duì)比分析。本研究對(duì)火災(zāi)預(yù)測(cè)、火行為預(yù)測(cè)，以及不同樹(shù)種所造成火險(xiǎn)等級(jí)評(píng)測(cè)和林火發(fā)生后的安全撲救都具有十分重要的意義，可為今后的林火防控及科學(xué)保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

云南省宣威市楊柳鎮(zhèn)地處宣威市東北部，位于東經(jīng) 104°11′2″～104°23′42″，北緯 26°31′53″～28°39′49″，是典型的華山松林與云南松林分布地帶。該鎮(zhèn)東西最大距離30 km，南北最大距離11 km，面積為163.9 km2。地勢(shì)南高北低，最高點(diǎn)南部三叢樹(shù)（峰），海拔2 470 m；最低點(diǎn)東北沿大岔河口，海拔1 480 m，高差990 m，平均海拔1 600 m左右。巖性為灰色、灰黃色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖。楊柳鎮(zhèn)氣候大部分屬溫帶氣候，最冷月1月平均氣溫3 ℃，最熱7月平均氣溫19.5 ℃，年均氣溫16.7 ℃。一般初霜期11月9日，終霜期 3月 20日，年均無(wú)霜期 232 d。年均降水量902.2 mm。主要經(jīng)濟(jì)林有云南松、華山松、杉木（Cunninghamia lanceolata）等，其中華山松與云南松都是宣威市最主要的針葉樹(shù)種。

2 材料與方法

2.1 樣地調(diào)查

2018年4月3日至4日在楊柳鎮(zhèn)華山松純林與云南松純林連續(xù)分布地區(qū)進(jìn)行了初步觀(guān)測(cè)（云南森林火災(zāi)高發(fā)期為3—4月，森林火險(xiǎn)等級(jí)最高[8]）。于2018年4月5日在所選定林分內(nèi)，按照50 m×50 m 規(guī)格分別設(shè)置華山松林（104°17′36″E，26°34′31″N）、云南松林（104°21′36″E，26°36′43″N）樣地各1塊，詳細(xì)記錄樣地地理位置、坡度、坡向。每木檢尺并記錄50 m×50 m樣地內(nèi)所有華山松、云南松的樹(shù)高、枝下高、胸徑，估測(cè)林分的郁閉度，用于計(jì)算林分的密度[9]。為方便計(jì)算，在樣地對(duì)角線(xiàn)及對(duì)角線(xiàn)交點(diǎn)設(shè)置2 m×2 m的小樣方共5塊[10]，見(jiàn)圖1～2。

圖 1 樣方設(shè)置方式Fig. 1 Sample quadrat setting method

圖 2 實(shí)地布設(shè)樣地、取樣Fig. 2 Field sample plot and quadrat setting method

2.2 可燃物收集

按照地表可燃物凋落的先后順序，分別將華山松與云南松地表可燃物劃分為凋落物上層（主要是當(dāng)年掉落的華山松針葉與云南松針葉）、凋落物下層（主要為往年凋落、腐爛分解的凋落物）和枯枝共3個(gè)層次。取樣方式為順著樣方4條邊向下挖至土壤的母質(zhì)，順著樣方的邊界作凋落物的剖面、枯枝單獨(dú)采集裝袋，然后分別測(cè)量凋落物上層和下層的厚度，并稱(chēng)量其不同樣方內(nèi)3個(gè)層次可燃物的鮮質(zhì)量，最后取樣并將試樣裝入密封的收集袋中[10]。

2.3 可燃物載量

不同樣方內(nèi)的不同層次地表可燃物的絕對(duì)含水率（%）計(jì)算方法見(jiàn)式（1）。然后根據(jù)樣方內(nèi)絕干質(zhì)量（kg）及樣方面積（m2）計(jì)算各樣方的可燃物載量（kg/m2）計(jì)算法見(jiàn)式（2）[11]。

2.4 實(shí)驗(yàn)室模擬火燒

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)置鐵質(zhì)燃燒床（長(zhǎng)200 cm，寬120 cm，高32 cm），底部覆蓋2 cm厚的石膏板，以減少熱量損失。華山松和云南松的實(shí)驗(yàn)室燃燒床坡度分別設(shè)為8.6°及15°，在燃燒室內(nèi)模擬無(wú)風(fēng)狀態(tài)下的燃燒。引燃方式分為從下坡往上坡點(diǎn)燒，模擬上坡火；從上坡往下坡點(diǎn)燒，模擬下坡火。采集的地表可燃物盡可能保持野外的狀態(tài)，將可燃物均勻鋪在燃燒床內(nèi)（2 m×1 m），用鋼卷尺沿著對(duì)角線(xiàn)的5個(gè)點(diǎn)測(cè)厚度。用秒表計(jì)時(shí)，記錄可燃物點(diǎn)著時(shí)間、熄滅時(shí)間和陰燃持續(xù)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SL-309測(cè)火焰的溫度，用SFR-Ⅲ數(shù)字式輻射熱計(jì)分別測(cè)火線(xiàn)蔓延過(guò)程中最大火焰的熱輻射，同時(shí)用鋼卷尺測(cè)火焰高度。火強(qiáng)度[12]采用勃蘭姆公式計(jì)算，見(jiàn)式（3）。

式中：I表示火強(qiáng)度（kW/m）；H表示熱值（J/g）；W表示消耗的可燃物量（t/hm2）；R表示蔓延速度（m/min）。

3 結(jié)果與分析

3.1 華山松與云南松地表凋落物特征

華山松與云南松林林分及地表凋落可燃物特征見(jiàn)表1。由表1可知，華山松與云南松的上層厚度分別為（2.50±2.50）、（4.50±1.02）cm，下層厚度分別為（3.60±0.40）、（3.10±0.83）cm，因?yàn)榈釚|北地區(qū)華山松林與云南松松林密度小且有人為輕微干擾因素影響，所以可燃物厚度并不高。而含水率均以凋落物下層最為顯著，華山松達(dá)58.74%±18.39%，云南松達(dá)23.74%±8.67%，這是受到上層可燃物遮蔽陽(yáng)光而避免下層水分蒸發(fā)以及與地下水強(qiáng)烈交換的結(jié)果，且華山松林較云南松林更為顯著，因此華山松凋落物含水率是云南松的2倍多。華山松與云南松凋落物上層及枯枝層載量幾乎一致，凋落物下層載量差異較大，分別為1.69 kg/m2與0.59 kg/m2。

表 1 華山松與云南松林林分及地表凋落可燃物特征Table 1 Characteristics of combustibles in the stands and surface litter of P. armandii and P. yunnanensis

續(xù)表 1

3.2 室內(nèi)模擬火燒的火行為對(duì)比

在燃燒實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，將燃燒床置于燃燒室內(nèi)不通風(fēng)處，對(duì)華山松與云南松凋落物模擬無(wú)風(fēng)狀態(tài)下的燃燒。點(diǎn)火方式分別為上坡火和下坡火，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬火燒的火行為參數(shù)見(jiàn)表2。由表2可知，華山松與云南松下坡火和上坡火的可燃物均勻厚度均為6～8 cm，和野外華山松及云南松林地表凋落物的實(shí)際厚度相似。引燃時(shí)間都是為1 s，說(shuō)明華山松及云南松都非常易燃，并產(chǎn)生明亮的火焰。當(dāng)模擬上坡火引燃方式時(shí)，華山松火焰持續(xù)時(shí)間超過(guò)15 min，是云南松火焰持續(xù)時(shí)間的1倍多，這是由于華山松純林的地表凋落物以松針凋落物為主，含水率較高，且華山松的阻燃性較云南松強(qiáng)[13]。無(wú)論是華山松還是云南松，下坡火燃除率都較上坡火低，但是下坡火燃燒過(guò)程中除直徑較大的枯枝不易燃盡之外，凋落物上層和下層基本上被燃盡。原因是上坡火蔓延過(guò)程中，可燃物接受到的對(duì)流熱和輻射熱強(qiáng)度加強(qiáng)，增加了林火的蔓延速度[13]，下坡火則與之相反?？傮w來(lái)看，無(wú)論下坡火還是上坡火，云南松的燃除率都大于40%，華山松的燃除率都不超過(guò)30%，這說(shuō)明云南松林地表凋落物相比華山松林地表凋落物一旦發(fā)生火災(zāi)將會(huì)被燒掉更大的部分，進(jìn)而更加威脅土壤微生物及灌木樹(shù)種的生存。華山松與云南松二者的燃燒溫度差異不大且都較高，最高可接近600 ℃。華山松上坡火和下坡火的熱輻射分別為（6.06±1.68）kW/m2和（4.48±1.35）kW/m2；明顯低于云南松（7.22±1.51）kW/m2和（6.47±1.37）kW/m2，這是由于云南松地表凋落物的燃燒溫度與燃除率均高于華山松所導(dǎo)致的。除華山松下坡火的熱輻射值比王秋華等[7]的研究中計(jì)劃燒除時(shí)的熱輻射（5.75±2.39）kW/m2低以外，華山松上坡火與云南松的上坡火、下坡火都高，原因是燃燒實(shí)驗(yàn)是在無(wú)風(fēng)條件下進(jìn)行的，因此燃燒更為徹底。明亮火焰消失后，華山松與云南松二者的陰燃時(shí)間仍然能持續(xù)至少5 min，并且陰燃溫度都較高，最高接近200 ℃，因此華山松林與云南松林如果引起的森林火災(zāi)不徹底撲滅，在適宜條件下發(fā)生二次火災(zāi)的可能性非常大。

表 2 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬火燒的火行為參數(shù)Table 2 Fire behavior parameters of simulated fire in the experimental room

3.3 華山松與云南松火強(qiáng)度分析

華山松與云南松燃燒實(shí)驗(yàn)的明火蔓延時(shí)間是從點(diǎn)火開(kāi)始計(jì)時(shí)，直到燃燒床另一端鋪設(shè)的可燃物被點(diǎn)著的時(shí)間段結(jié)束，定義這段時(shí)間為蔓延時(shí)間（t），在燃燒床上鋪設(shè)的可燃物長(zhǎng)度定義為林火蔓延距離（L），那么蔓延速度（R）為林火蔓延距離與蔓延時(shí)間之比[14]。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室模擬火燒在無(wú)風(fēng)狀態(tài)下進(jìn)行，所以本研究忽略風(fēng)速對(duì)林火蔓延速度的影響。并且同一林型的熱值差異性并不大，本研究中熱值參數(shù)分別選用實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的華山松平均熱值5 000 J/g與王秋華等[7]的研究中所測(cè)定的云南松熱值21 350 J/g，利用式（3）計(jì)算火強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表2。在森林火災(zāi)燃燒過(guò)程中，熱值指可燃物干物質(zhì)完全燃燒后所釋放出來(lái)的能量，是植物本身的重要特征[15]。對(duì)林火溫度及蔓延過(guò)程都有著極其顯著的影響，并且熱值與火強(qiáng)度關(guān)系密切，熱值越高，火強(qiáng)度也就越大[16-17]。根據(jù)唐季林等[18]的研究將計(jì)算所得I劃分為3個(gè)等級(jí)：I＞3 500 kW/m為高強(qiáng)度火，I在500～3 500 kW/m之間為中強(qiáng)度火，I＜500 kW/m為弱強(qiáng)度火。本研究中云南松上坡火的I最大，為97.21 kW/m，屬于弱強(qiáng)度火。

4 結(jié)論與討論

研究可知，華山松林地表可燃物與云南松林地表可燃物的火行為參數(shù)有所異同。其載量值都較小，這是由于華山松林與云南松林林齡都不大，加之林分稀疏以及有人類(lèi)輕微干預(yù)，導(dǎo)致當(dāng)?shù)厝A山松林以及云南松林載量不大，地表凋落物厚度小，因此不易發(fā)生高強(qiáng)度森林火災(zāi)，但該結(jié)論是建立在忽略風(fēng)速影響因子的前提上。在真實(shí)森林火災(zāi)中，由于林火蔓延過(guò)程中熱輻射會(huì)提前預(yù)熱尚未被點(diǎn)燃的地表凋落物，而風(fēng)速又會(huì)加劇林火蔓延速度，且風(fēng)向變換則會(huì)重燃陰燃狀態(tài)下的尚未燃盡的可燃物，從而增強(qiáng)了林火燃燒的火強(qiáng)度。華山松林地表凋落物的燒除率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于云南松地表凋落物的燒除率，這是由于華山松的阻燃性較云南松更高所導(dǎo)致的。且華山松地表凋落物模擬火燒實(shí)驗(yàn)的2種引燃方式的火強(qiáng)度值均低于云南松地表凋落物的火強(qiáng)度值，這是由于華山松地表凋落物含水率較高，燒除率較低且火焰持續(xù)時(shí)間較短等多方面因素導(dǎo)致的結(jié)果。但華山松地表凋落物與云南松地表凋落物的火強(qiáng)度值均在人體可接受范圍內(nèi)，屬于低強(qiáng)度火燒，難以發(fā)展為樹(shù)冠火，因此若其地表凋落物的潛在能量引起火災(zāi)則不會(huì)對(duì)中林齡華山松及云南松造成威脅，與王秋華等[7]采用小樣地調(diào)查方法對(duì)于滇中地區(qū)云南松純林計(jì)劃燒除研究調(diào)查和鄭永波等[5]對(duì)于西南林區(qū)4種易燃可燃物的載量估測(cè)方法所統(tǒng)計(jì)出的結(jié)論相似。但在實(shí)際森林火災(zāi)中，由于云南松林燒除率比較高，燃燒比華山松林更為徹底。因此一旦發(fā)生森林火災(zāi)，枯枝將最先燃盡，然后燒入可燃物上層，通過(guò)熱輻射提前給下層可燃物預(yù)熱，進(jìn)而使下層可燃物點(diǎn)燃且燒盡，致使其喪失保護(hù)能力和隔離作用，進(jìn)而破壞土壤及植被根系，導(dǎo)致森林水土流失、巖石裸露、灌木死亡等情況，從而對(duì)整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞[8]，華山松與云南松相比雖含水率更高，燒除率更低，更不易燃燒，但其抗火性較弱[19]，仍需引起重視。由此可見(jiàn)，定期對(duì)華山松林及云南松林地表凋落物進(jìn)行計(jì)劃火燒，能夠減少可燃物的積累，降低森林燃燒性，具有良好的森林防火功能。

滇東北地區(qū)森林地表可燃物載量及火強(qiáng)度等火行為研究較少，未來(lái)為了進(jìn)一步加強(qiáng)研究，進(jìn)而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)滇東北地區(qū)林火蔓延的趨勢(shì)，完善林火防護(hù)體系，可采取如下措施：1）運(yùn)用高分辨率衛(wèi)星（如World viewer系列、Landsat系列和高分一號(hào)等）獲取更高分辨率遙感影像，進(jìn)行監(jiān)督以及非監(jiān)督分類(lèi)，結(jié)合林相圖將傳統(tǒng)手段難以細(xì)分的華山松及云南松的闊葉林和針葉林進(jìn)一步劃分，利用數(shù)字高程模型（DEM）以及土壤類(lèi)型，最后再運(yùn)用深度學(xué)習(xí)的算法——回歸或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法構(gòu)建模型，從而使估測(cè)的可燃物載量更加趨于精確[20]。2）定期在滇東北地區(qū)對(duì)華山松及云南松林進(jìn)行計(jì)劃火燒，尤其是在每年3月、4月防火緊要時(shí)期來(lái)臨前，將云南松林與華山松林的地表凋落物收集并集中燒除，減少可燃物積累，降低森林燃燒性，并著重對(duì)華山松及云南松未分解枝進(jìn)行清除。3）在滇東北地區(qū)分別設(shè)置云南松及華山松標(biāo)準(zhǔn)地，定期取凋落物進(jìn)行火燒實(shí)驗(yàn)，比較各標(biāo)準(zhǔn)地載量及火強(qiáng)度等火行為參數(shù)，從而更有針對(duì)性的對(duì)發(fā)生不同程度火強(qiáng)度火燒的華山松林與云南松林的側(cè)重防治撲救提供理論基礎(chǔ)。4）對(duì)分布于滇東北地區(qū)的各林區(qū)的不同林型在不同季節(jié)來(lái)分別設(shè)置樣地，分別測(cè)其不同季節(jié)所設(shè)樣地中各林型的可燃物載量，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期對(duì)不同林型的可燃物載量數(shù)據(jù)的比較分析進(jìn)一步掌握滇東北地區(qū)不同林型在不同季節(jié)的火強(qiáng)度，為防火提供理論依據(jù)。5）收集滇東北地區(qū)各林區(qū)不同樹(shù)種進(jìn)行計(jì)劃燒除的可燃物載量及火行為參數(shù)數(shù)據(jù)并作為訓(xùn)練樣本，結(jié)合計(jì)算機(jī)運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法將可燃物載量與其他因子關(guān)系建立燃燒模型，當(dāng)實(shí)際林火發(fā)生時(shí)能夠運(yùn)用模型準(zhǔn)確預(yù)測(cè)可燃物載量及火強(qiáng)度。6）在滇東北地區(qū)對(duì)林火多發(fā)區(qū)按林區(qū)面積比例建天然蓄水池，為林火撲救提供充足水源。

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