昆明地區(qū)重大森林火災火燒跡地可燃物能量分析

王志鵬，張文文，李 巖，康宣勇，閆想想，龍騰騰，王秋華,2

(1.西南林業(yè)大學土木工程學院，云南 昆明 650224；2.云南省森林災害預警與控制重點實驗室，云南 昆明 650224)

森林火災不僅會破壞當地的生態(tài)環(huán)境，而且會燒毀森林，影響社會和諧安寧，是世界重大自然災害之一。近年來，全球頻發(fā)森林火災：2018年11月8日，美國加利福尼亞州發(fā)生史上最具破壞性的大火，火場過火面積約5.7萬hm2；2019年3月30日中國四川省涼山木里縣發(fā)生森林火災，導致30名消防指戰(zhàn)員壯烈犧牲；7月18日澳大利亞發(fā)生全國性火災，過火面積超過630萬hm2，火災持續(xù)時間210 d，近5億動物喪生；7月29日俄羅斯西伯利亞地區(qū)發(fā)生森林大火，過火面積超過 15 800 km2；8月“地球之肺”亞馬遜熱帶雨林發(fā)生大火，近百萬公頃的森林被毀。2020年5月9日下午安寧市青龍街道辦事處雙湄村委會山神壩發(fā)生森林火災，受火場高溫大風、植被易燃等不利因素的影響，火場多次出現飛火情況，形成多條火線，火頭數次越過隔離帶，嚴重威脅周邊企業(yè)村莊，火災持續(xù)時間6d，過火面積共170.1 hm2。全球森林火災越來越頻繁，大片森林在大火的侵蝕下化為一片灰燼。盡管森林系統的恢復力穩(wěn)定性強大，大火過后，樹木會重新長出，用不了多久就會恢復原貌。但事實上，森林一旦被燒毀，很可能永遠無法完全恢復。通過對昆明地區(qū)的林區(qū)可燃物進行系統研究，以期得到可燃物載量、含水率變化的規(guī)律及重大森林火災可燃物的基礎規(guī)律，為預防重大森林火災的發(fā)生提供理論基礎。

重大森林火災發(fā)生的物質能量基礎為可燃物。森林可燃物包括森林中的所有喬木、灌木、草類、地衣、苔蘚，以及地表的枯枝落葉和地表以下的腐殖質和泥炭等，其影響森林火災的發(fā)生、控制、撲救及用火安全、火燒后的損失[1-5]。森林可燃物的能量分析有利于林業(yè)部門制定科學有效的防火措施。

1 研究地概況

滇中地區(qū)的安寧市，行政區(qū)劃上屬于昆明市，位于東經 102°10′～102°37′，北緯 24°31′～25°06′，總面積 1 321 km2，兼具低緯氣候、高原山地氣候、季風氣候的特點，主要表現為降水充沛、干濕分明、分布不均。受西南季風影響，冬無嚴寒、夏無酷暑，年均溫14～17 ℃，年均日照時數為 2 054 h，森林防火期長達6～7個月[6]。系滇東高原盆地，地形以山地及山間盆地(壩子)為主，大面積土地高低參差、縱橫起伏。由于緯度低，海拔高，垂直地域分異明顯，動植物種類多，物種多樣性豐富。

森林植被類型主要有常綠闊葉林、暖溫性針葉林和灌木林。針葉樹種主要有分布最廣的云南松(Pinusyunnanensis)，華山松(Pinusarmandii)人工林、云南油杉(Keteleeriaevelynian)、地盤松(Pinusyunnanensis.var.pygmaea)等。闊葉樹主要有旱冬瓜(Alnusnepalensis)、滇青岡(Cyclobalanopsisglaucoides)、云南樟(Cinnamanumglanduliferum)、元江栲(Castanopsisorthacanth)。常見灌木包括南燭(Lyoniaovalifoli)、光葉石櫟(Lithocarpusmaire)、大白花杜鵑(Rhododendrondecorum)、大樹楊梅(Myricaesculenta)等。2006年“3·29”重大森林火災，過火面積達 1 695.4 hm2，損失大、影響廣[7]。

2 研究方法

2.1 外業(yè)調查

2019年5月2日對位于安寧市交界的西山區(qū)團結鄉(xiāng)2006年“3·29”重大森林火災跡地進行外業(yè)調查。地盤松林、光葉石櫟林樣地各設置2個10 m×10 m的樣地，在樣地內按對角線的方式各設置3個1 m×1 m的樣方；在紫莖澤蘭樣地內按四角及中心的方式設置5個1 m×1 m的樣方。

在設置的地盤松林、光葉石櫟林樣地中，用卷尺測高度，然后用尼龍網收集袋收集每個樣方內的地表可燃物，取樣后用便攜式電子天平稱其鮮質量，貼上標簽后裝袋備用。樣方內的可燃物收集后并稱量，寫上標簽后帶回實驗室，用以模擬火燒。

2.2 數據測定

1)絕對含水率的計算

(1)

2)載量的計算

(2)

3)熱值的測定

采用量熱法測定熱值,計算公式如下：

(3)

式中：Q為預計可燃物的發(fā)熱量(kJ/kg)；K為水當量(kJ/℃)；To為點燃前的溫度(℃)；T為點燃后的溫度(℃)；△t為溫度校正值(℃)；M為樣品質量(g)。

將取樣放入電熱鼓風干燥箱后，105℃連續(xù)烘制24 h至絕干狀態(tài)，放入XRY-1C微機氧彈式熱量計內，各項實驗步驟準備完畢，啟動電腦開始實驗。

2.3 數據處理

用Word 2010和Excel 2010對數據進行處理，通過計算得出數據的平均值、最大值、最小值和標準差等，并進行相關分析。

3 結果與分析

3.1 可燃物特征

在海拔約為 2 300 m、坡度約為10°的地區(qū)設置樣地，其地表可燃物能夠代表火燒跡地：地盤松主要為幼林，郁閉度為95%，高度不到1 m；光葉石櫟郁閉度為85%，高度約3 m；紫莖澤蘭為多年生菊科草本植物，高度約1.5 m，蓋度達75%(表1)。

表1 火燒跡地主要可燃物特征

3.2 可燃物的理化特征

3.2.1可燃物含水率

可燃物含水率用于表示可燃物水分多少，與林火發(fā)生、蔓延和強度息息相關，影響可燃物達到點著溫度的時間以及釋放熱量的多少[8]。地盤松幼林、光葉石櫟和紫莖澤蘭的絕對含水率分別為13%、11%和12%(圖1)。

圖1 火燒跡地可燃物的絕對含水率Fig.1 Absolute moisture content of combustibles in burned area

可見，5月的滇中地區(qū)仍然很干燥，可燃物易燃，要采取相應措施，嚴格火源管理、嚴控火種進山，預防火災的發(fā)生。本研究中，地盤松幼林和光葉石櫟均取林下凋落物，其含水率代表了林內可燃物的干燥狀態(tài)，能為營林用火、營林措施提供基本依據，也能為地表火的預測預報提供基礎。而紫莖澤蘭憑借強大的根狀莖在火燒跡地大量生長，但采樣時也處于干枯狀態(tài)，且枯死的葉子不落到地面，仍然密集懸掛在莖稈上，如果發(fā)生火災，將成為良好的“過火通道”。在昆明森林防火期內，風大、氣溫高且可燃物的含水率接近10%時，森林可燃物可以被快速引燃，且林火蔓延迅速，很有可能再次發(fā)生重大森林火災。

3.2.2可燃物載量

可燃物的載量是影響著火速度、火勢蔓延速度和火強度的重要因素之一，是估測潛在火災風險的重要參數。地表凋落物的累積和分解速度，氣象、地形條件等因素影響載量的數值，并隨時間和空間而動態(tài)變化[9]。地盤松幼林、光葉石櫟和紫莖澤蘭的可燃物載量分別為0.4、0.5和1.1 kg/m2(圖2)。

圖2 火燒跡地可燃物載量Fig.2 Combustibles load in burned area

地盤松幼林和光葉石櫟的可燃物載量不大，但紫莖澤蘭的載量超過1.0 kg/m2，超過前兩種可燃物的2倍，如若發(fā)生火災，發(fā)展為高強度火的概率較大。同時，由于紫莖澤蘭占據了大火后開設的生土隔離帶、火燒跡地的陽面山坡和溝箐，不但本身易著大火，而且有助于火的快速蔓延，應引起足夠的重視，在防火期也應采取相應的措施。

3.2.3可燃物熱值

可燃物熱值是指單位可燃物在絕干狀態(tài)下完全燃燒之后釋放出來的能量值，是可燃物燃燒的重要特征，是可燃物有機化合物組成及其含量的綜合反映，能有效評價植物化學能積累效率的高低，影響著火溫和火的蔓延過程，與火強度也有關，熱值越大，火強度越大[10]。一般情況下，森林可燃物中樹葉的熱值最高。地盤松幼林、光葉石櫟和紫莖澤蘭熱值分別為20 700、20 600和19 100 kJ/kg(圖3)。

圖3 火燒跡地可燃物熱值Fig.3 Calorific value of combustibles in burned area

林分特征、生長特性一定程度上決定了熱值的差異性：地盤松屬耐旱植物，在火燒跡地的山脊上連片出現，形成密度極高的高山矮林或灌叢，其主干不明顯，貼伏地面，基部生多干，呈叢生狀，葉及林分易燃，適應力強；光葉石櫟生于海拔 1 500～2 500 m較為干燥的山地雜木林地，與針葉林混生。

3.2.4可燃物單位面積熱量

單位面積的熱量指火頭內單位面積釋放的熱量,它不受風、坡度和蔓延方向的影響(單位面積熱量為熱值與可燃物載量的乘積)[11]。地盤松幼林、光葉石櫟和紫莖澤蘭的單位面積熱量分別為 8 280、10 300和21 010 kJ/m2(圖4)。

圖4 火燒跡地可燃物的單位面積熱量Fig.4 Heat per unit area of combustibles in burned area

由圖4可知，地盤松幼林的單位面積熱量最低，原因是幼林中可燃物載量較小，高度較低。紫莖澤蘭的熱值雖然不高，但可燃物載量最大，且生長密集，連續(xù)性好，導致單位面積能量最高。

4 結論與討論

13年后，2006年“3·29”重大森林火災火燒跡地內主要可燃物地盤松幼林、光葉石櫟和紫莖澤蘭單位面積熱量分別為8 280 kJ/m2、10 300 kJ/m2和 21 010 kJ/m2，達到了較高水平?？扇嘉锏暮瘦^低，熱值較大，說明火燒跡地的可燃物干燥易燃，在防火期有可能再次發(fā)生火災，并產生人為難以控制的中高強度火，加重損失?；馃E地中地盤松林分易燃、垂直分布良好且密度大，如果發(fā)生火災將可能由地表火轉變?yōu)楦邚姸然?。可見，火燒跡地內可燃物豐富、能量較大，一旦著火，仍然有可能發(fā)展為重大森林火災?；馃E地的更新、恢復，值得深入研究[12]。

重大森林火燒跡地的管理應引起足夠的重視[13]。在不嚴重破壞林地原有生態(tài)系統的情況下，可在非防火期清理部分林下可燃物，降低林地內可燃物載量，減少可燃物的水平垂直連續(xù)性；結合火燒跡地的地形、地貌和箐溝、山溝等[14]，加強防火林帶營造的力度，形成閉合的環(huán)線，起到阻隔作用；加大紫莖澤蘭的除治力度，降低林內火災危險性。

由于本次研究的采樣有限，建議將來增加采樣的量和時間，特別是在火險等級最高的3—4月，多采樣，獲得更多的數據，使研究更有說服力和代表性，提高研究的準確度。