興安落葉松人工林腐殖質(zhì)陰燃燃燒溫度變化特征

尹賽男,杜 帥,單延龍,*,高 博,王明霞,韓喜越,張 昊

1 北華大學(xué)林學(xué)院,北華大學(xué)森林草原防滅火科技創(chuàng)新中心,吉林 132013 2 長(zhǎng)春市安全生產(chǎn)應(yīng)急指揮及安全監(jiān)管信息中心,長(zhǎng)春 130022

森林地下火是發(fā)生在腐殖質(zhì)和泥炭層的一種森林火災(zāi),它的燃燒是一種陰燃現(xiàn)象。陰燃燃燒與其他形式的森林燃燒有所不同,其受外界條件影響較小,一旦發(fā)生,無論是大量降雨、天氣變化還是滅火措施,都很難遏制,這就意味著陰燃燃燒可能會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間(數(shù)月或數(shù)年)[1]。中國1976年在綏化地區(qū)發(fā)生的森林地下火燃燒了長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的時(shí)間[2]；1997年東南亞的極端泥炭火災(zāi)事件期間釋放了0.81—2.57億t碳,相當(dāng)于當(dāng)年全球化石燃料碳排放量的13%—40%[3]；2009年發(fā)生在西班牙戴米爾國家公園的地下火燃燒了幾個(gè)星期[4]；2010年7月,俄羅斯爆發(fā)了大規(guī)模的地下火,直接經(jīng)濟(jì)損失逾150億美元[5]。由此可見,森林地下火對(duì)人類的健康和生態(tài)環(huán)境造成了重大的影響和危害。由于森林地下火的發(fā)生次數(shù)僅占森林火災(zāi)總次數(shù)的1%左右,而且地下火的火行為與地表火和樹冠火有所不同,其燃燒方式隱蔽無法進(jìn)行直接地跟蹤觀測(cè),很難進(jìn)行量化計(jì)算與模型的建立[6]。所以目前對(duì)地下火的研究要顯得比較薄弱。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下火的研究多集中在泥炭地燃燒的碳釋放、對(duì)地下水位的影響、火環(huán)境以及燃燒特征等方面的研究[7- 12]。

森林地下火是一種緩慢、無焰、低溫、持久的陰燃燃燒,整個(gè)燃燒過程都是靠自身所釋放的熱量所維持[13-14]。同時(shí)由于地下可燃物自身性質(zhì)的影響,導(dǎo)致火線呈現(xiàn)出間斷不規(guī)則的燃燒路線,火災(zāi)撲救時(shí)很難預(yù)測(cè)著火點(diǎn)和火線走勢(shì)[15- 17]。所以地下火發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的溫度是研究其火行為特征的重要指標(biāo),更是森林地下火監(jiān)測(cè)和撲救過程中的重要依據(jù)。而在現(xiàn)有的研究中以森林腐殖質(zhì)為研究對(duì)象以及對(duì)陰燃燃燒溫度變化特征的研究則相對(duì)較少。大興安嶺地區(qū)是我國地下火頻發(fā)區(qū)域之一,本研究以大興安嶺興安落葉松人工林地下腐殖質(zhì)為研究對(duì)象,通過室內(nèi)控制點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn),更加系統(tǒng)地對(duì)比分析不同地類和腐殖質(zhì)粒徑對(duì)陰燃燃燒最高溫度的影響以及確定地表溫度變化與燃燒時(shí)間的關(guān)系。相關(guān)研究成果旨在為該地區(qū)森林地下火監(jiān)測(cè)撲救過程提供科學(xué)有效的理論依據(jù),從而最大限度地實(shí)現(xiàn)森林地下火的“打早、打小、打了”撲火原則。

1 研究區(qū)概況

大興安嶺位于我國最北端,是我國唯一的寒溫帶針葉林區(qū),也是我國面積最大的林區(qū)。同時(shí)作為國家重要的生態(tài)功能區(qū)與生態(tài)敏感區(qū),對(duì)我國東北平原乃至華北平原起著重要的生態(tài)屏障作用,具有特殊的生態(tài)地位[18- 20]。由于地理位置因素和氣象因素影響,大興安嶺是我國北方林火多發(fā)區(qū),年均森林過火面積居全國首位[21-22]。而且隨著全球氣溫的不斷升高,導(dǎo)致北方林區(qū)氣候偏旱,林地地溫偏高,森林地下火的發(fā)生有增長(zhǎng)的趨勢(shì)[10]。

本研究區(qū)域?yàn)榇笈d安嶺地區(qū)加格達(dá)奇森林經(jīng)營技術(shù)推廣站(123°57′—124°0′E,50°20′—50°23′N)(圖1)。加格達(dá)奇位于黑龍江省西北部,地處大興安嶺山脈東南坡屬于大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,氣候多變,一年四季和晝夜溫差較大。年平均氣溫-1—2℃,年有效積溫1800—2000℃,無霜期90—120 d,年降雨量為450—500 mm。技術(shù)推廣站始建于1973年,位于加格達(dá)奇區(qū)以南15 km處,北部和西部與加格達(dá)奇林業(yè)局的東風(fēng)林場(chǎng)相接,全站施業(yè)區(qū)經(jīng)營面積7326 hm2。主要樹種為興安落葉松(Larixgmelinii)、柞樹(Quercusmongolica)、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)、黑樺(Betuladavurica)等[12,23]。

圖1 實(shí)驗(yàn)樣地Fig.1 Experimental plots

2 研究材料與方法

2.1 野外調(diào)查

于2018年春季防火期前往大興安嶺地區(qū)加格達(dá)奇進(jìn)行野外調(diào)查。選擇該地區(qū)在不同地類下人工種植的興安落葉松林為實(shí)驗(yàn)樣地,具體包括：有坡山地、塔頭甸子(塔頭甸子與林地的過渡地帶)、水濕地、無坡山地、農(nóng)用地。在每個(gè)地類下隨機(jī)選取3塊30 m×20 m的實(shí)驗(yàn)樣地,挖掘土壤剖面測(cè)量腐殖質(zhì)厚度,并記錄樣地的基本情況,包括：海拔、經(jīng)緯度、郁閉度等信息(表1)。

表1 樣地基本信息

2.2 可燃物采集與處理

在每塊樣地的對(duì)角線處分別選取3塊0.5 m×0.5 m的小樣方。去掉小樣方表層的枯枝落葉,然后挖掘整個(gè)小樣方內(nèi)的所有腐殖質(zhì)帶回實(shí)驗(yàn)室。首先將腐殖質(zhì)中殘留的枯枝落葉和植物根系挑出,之后將腐殖質(zhì)裝入檔案袋中,使用鼓風(fēng)干燥箱105℃,連續(xù)烘干48 h。最后將烘干的腐殖質(zhì)進(jìn)行粉碎并使用標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩在每個(gè)地類下分別篩選粒徑≤20目、≤40目、≤60目、≤80目的腐殖質(zhì)用于控制模擬點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)。在控制模擬點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)前為了減小實(shí)驗(yàn)誤差將篩選好的腐殖質(zhì)再次放置在鼓風(fēng)干燥箱中,105℃連續(xù)烘干24 h,使腐殖質(zhì)趨于絕干。

2.3 腐殖質(zhì)陰燃實(shí)驗(yàn)

本文使用的室內(nèi)模擬點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)裝置為自行組裝的地下火溫度采集系統(tǒng)。采集系統(tǒng)示意圖見圖2。模擬點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)使用圓柱形陰燃反應(yīng)爐,該裝置高20 cm,底厚10 cm,壁厚10 cm,內(nèi)直徑10 cm。實(shí)驗(yàn)所使用陰燃反應(yīng)爐的制作材料為硅酸鋁陶瓷纖維,具有很好的保溫隔熱效果。使用長(zhǎng)30 cm,直徑 2 mm的K型熱電偶采集腐殖質(zhì)燃燒過程中的溫度變化,然后通過數(shù)據(jù)采集模塊將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本電腦。數(shù)據(jù)采集模塊由美國NI公司生產(chǎn)的16通道NI9213電壓采集板卡和DAQ- 9174機(jī)箱(4卡槽)組成。數(shù)據(jù)采集軟件使用Labview2018,該軟件可以記錄每根熱電偶采集到的溫度變化曲線。使用遠(yuǎn)紅外加熱板作為實(shí)驗(yàn)的引燃裝置,并在加熱板和電源之間連接控溫表使加熱板的溫度恒定。

圖2 地下火溫度采集系統(tǒng)Fig.2 Underground fire temperature acquisition system

將不同地類下不同粒徑的腐殖質(zhì)分別置于陰燃反應(yīng)爐中,在陰燃反應(yīng)爐的側(cè)面自上而下每隔3 cm共打6個(gè)小孔。將K型熱電偶插入小孔直至腐殖質(zhì)中間處。使用補(bǔ)償導(dǎo)線連接熱電偶和數(shù)據(jù)采集模塊,最后將腐殖質(zhì)燃燒過程中的溫度變化數(shù)據(jù)傳輸回筆記本電腦,數(shù)據(jù)采集頻率為10 s一次。遠(yuǎn)紅外加熱板在使用前先預(yù)熱1 h之后放置在陰燃反應(yīng)爐上對(duì)腐殖質(zhì)進(jìn)行加熱,加熱時(shí)間為1.5 h,加熱溫度為500℃。同時(shí)為保證空氣的流通加熱板與反應(yīng)爐之間保留2 cm的空隙,并在加熱板撤去后,在腐殖質(zhì)層表面放置一根熱電偶用來監(jiān)測(cè)地表溫度的變化。

2.4 數(shù)據(jù)處理

使用excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)整理。使用SPSS進(jìn)行雙因素方差分析,顯著水平0.05,多重比較方法為L(zhǎng)SD。使用origin軟件完成擬合方程并繪制箱式圖,其中箱式圖的箱體為所有數(shù)據(jù)的20%—80%,箱體內(nèi)的橫線表示均值,上下延長(zhǎng)線表示數(shù)據(jù)的最大值和最小值。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同地類和腐殖質(zhì)粒徑對(duì)陰燃燃燒最高溫度影響的對(duì)比分析

在實(shí)驗(yàn)過程中我們發(fā)現(xiàn),不同地類的腐殖質(zhì)陰燃燃燒溫度變化都是先升高,達(dá)到最高溫度之后下降。而且不同地類和粒徑的腐殖質(zhì)燃燒產(chǎn)生的最高溫度有所不同,所以本文對(duì)不同地類和腐殖質(zhì)粒徑對(duì)陰燃產(chǎn)生的最高溫度的影響進(jìn)行雙因素方差分析。

表2可知,不同地類的腐殖質(zhì)陰燃燃燒產(chǎn)生的最高溫度之間存在極其顯著差異(P=0.000<0.01),而不同腐殖質(zhì)粒徑陰燃燃燒的最高點(diǎn)溫度之間則不存在差異(P=0.238>0.05)。不同地類和腐殖質(zhì)粒徑二者之間的交互作用也存在顯著差異(P=0.046<0.05),因此應(yīng)該對(duì)兩種條件進(jìn)一步進(jìn)行簡(jiǎn)單效應(yīng)分析。

表2 不同地類和腐殖質(zhì)粒徑對(duì)陰燃燃燒最高點(diǎn)溫度影響的方差檢驗(yàn)

由表3可知,4種腐殖質(zhì)粒徑條件下,不同地類之間陰燃燃燒產(chǎn)生的最高溫度皆存在差異。其中當(dāng)腐殖質(zhì)粒徑≤20目時(shí),不同地類陰燃燃燒產(chǎn)生的最高溫度之間存在顯著差異(P=0.025<0.05)。其他3種腐殖質(zhì)粒徑下不同地類陰燃燃燒產(chǎn)生的最高溫度之間都存在極其顯著差異(P=0.000<0.01)。

表3 不同腐殖質(zhì)粒徑下不同地類陰燃燃燒最高點(diǎn)溫度的簡(jiǎn)單效應(yīng)分析

由圖3可知,腐殖質(zhì)粒徑≤20目時(shí),塔頭甸子腐殖質(zhì)燃燒的溫度最高,燃燒的最高溫度可達(dá)741.19℃,均值631.57℃;其次是有坡山地、農(nóng)用地、水濕地,燃燒最高溫度的均值為567.96℃、542.79℃、528.93℃,且4種地類腐殖質(zhì)燃燒最高溫度之間不存在差異;無坡山地的腐殖質(zhì)燃燒溫度最低,最低溫度僅為423.12℃,均值為458.64℃,與塔頭甸子和坡地的腐殖質(zhì)燃燒溫度之間存在顯著差異。腐殖質(zhì)粒徑≤40目時(shí),塔頭甸子腐殖質(zhì)燃燒的溫度同樣是最高,最高溫度為897.53℃,是所有地類的腐殖質(zhì)燃燒溫度最高的,均值為686.51℃,與其他4種地類之都存在顯著差異;其次是水濕地腐殖質(zhì)燃燒最高溫度的均值為530.65℃,與無坡山地腐殖質(zhì)燃燒的溫度之間存在顯著差異;農(nóng)用地、有坡山地、無坡山地腐殖質(zhì)燃燒的溫度較低,均值分別為480.01、461.61、369.13℃,且這3種地類之間不存在顯著差異。

圖3 不同腐殖質(zhì)粒徑下不同地類陰燃燃燒最高溫度的多重比較Fig.3 Multiple comparisons of the maximum temperature of smoldering combustion in different land classifications under different humus particle sizes圖上存在任意一個(gè)相同的字母表示差異不顯著(P<0.05)

腐殖質(zhì)粒徑≤60目時(shí)塔頭甸子的腐殖質(zhì)燃燒溫度最高為650.71℃,與其他4種地類之間也存在顯著差異;其次是水濕地腐殖質(zhì)燃燒時(shí)的最高溫度均值為546.48℃,與有坡山地和無坡山地之間存在顯著差異;農(nóng)用地、無坡山地、有坡山地的腐殖質(zhì)燃燒溫度較低,且3者之間不存在顯著差異。腐殖質(zhì)粒徑≤80目時(shí)塔頭甸子的腐殖質(zhì)燃燒最高溫度均值為650.19℃,與農(nóng)用地和有坡山地之間存在顯著差異;其次是水濕地和無坡山地,腐殖質(zhì)燃燒的最高溫度均值分別為587.41、539.24℃,二者之間不存在顯著差異,但是皆與有坡山地之間存在顯著差異;農(nóng)用地和有坡山地腐殖質(zhì)燃燒溫度較低,分別為481.19、420.94℃,且二者之間不存在顯著差異。

3.2 腐殖質(zhì)陰燃燃燒地表溫度變化特征

3.2.1不同地類下地下火燃燒地表最高溫度

由表4可知,塔頭甸子的腐殖質(zhì)燃燒地表最高溫度除粒徑≤60目以外都是最高的;其中腐殖質(zhì)≤40地表溫度最高,為618.83℃;其次是粒徑≤80目地表溫度為615.78℃,粒徑≤20目的地表溫度為545.56℃;粒徑≤60目時(shí)地表溫度最低,為450.13℃。有坡山地條件下也是腐殖質(zhì)粒徑≤40目時(shí)地表溫度最高,為529.87℃;其次是腐殖質(zhì)粒徑≤20目時(shí)地表最高溫度為471.86℃;腐殖質(zhì)粒徑≤60目時(shí)地表溫度最低,為416.37℃。無坡山地和農(nóng)用地條件下腐殖質(zhì)燃燒地表的最高溫度都隨著粒徑的增加而升高,腐殖質(zhì)粒徑≤80目時(shí)溫度最高分別為544.61℃、585.76℃;粒徑≤20目溫度最低,分別為485.13℃、511.82℃。水濕地條件下則是腐殖質(zhì)粒徑≤80目時(shí)地表溫度最高,為573.50℃;粒徑≤40目時(shí)地表溫度,最低為511.55℃。

表4 不同地類下不同粒徑腐殖質(zhì)陰燃燃燒地表最高溫度

3.2.2不同地類下地下火燃燒地表溫度與時(shí)間的關(guān)系

基于y=a×xb方程分析5種地類的不同粒徑腐殖質(zhì)燃燒地表溫度與時(shí)間的關(guān)系。從表5可以看出各個(gè)條件下擬合的方程R2介于0.97—0.99之間,顯著性都小于0.01,說明地表溫度與時(shí)間之間的關(guān)系符合y=a×xb方程的變化趨勢(shì),且擬合效果極好。且b值都要小于0,說明腐殖質(zhì)燃燒的地表溫度隨燃燒時(shí)間的增加而逐漸降低。

表5 不同地類下不同粒徑腐殖質(zhì)陰燃燃燒地表溫度與時(shí)間的關(guān)系

4 討論

4.1 腐殖質(zhì)陰燃燃燒溫度研究的重要性

林火行為是指森林可燃物從被點(diǎn)燃開始到發(fā)生發(fā)展直至熄滅的整個(gè)過程中所表現(xiàn)出的各種現(xiàn)象和特征[24]。森林地表火和樹冠火發(fā)生時(shí)整個(gè)燃燒過程人們可以通過肉眼或借助無人機(jī)、衛(wèi)星遙感等手段進(jìn)行觀測(cè),這兩種林火類型也一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn),經(jīng)過多年的研究針對(duì)于這兩種林火的預(yù)防、監(jiān)測(cè)和撲救方法和技術(shù)要比地下火成熟[17]。對(duì)于地下火來說,由于其隱蔽性極強(qiáng)且發(fā)生時(shí)多伴隨著地表火發(fā)生,所以在撲救過程中極易被忽略,而當(dāng)?shù)叵禄鹇拥降乜p或者腐殖質(zhì)較薄的地區(qū)就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇砘鸹蚴菢涔诨?。在這種情況下引起的林火隨機(jī)性很強(qiáng),時(shí)間和地點(diǎn)等都很難預(yù)測(cè),稍有不慎就有可能發(fā)展成重特大森林火災(zāi)。森林地下火與地表火和樹冠火不同,地下火發(fā)生時(shí)沒有火焰[25],所以很難對(duì)其火強(qiáng)度、蔓延速度等火行為指標(biāo)進(jìn)行研究。但是任何物質(zhì)的燃燒都會(huì)釋放熱量,森林地下火也是如此,所以地下火燃燒所產(chǎn)生的溫度是開展地下火相關(guān)研究的基礎(chǔ)。本文通過室內(nèi)控制點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn),對(duì)大興安嶺地區(qū)不同地類下種植的人工興安落葉松林腐殖質(zhì)陰燃燃燒產(chǎn)生的溫度變化特征進(jìn)行了分析。研究過程中腐殖質(zhì)陰燃燃燒的特點(diǎn)和溫度變化趨勢(shì)與Huang和辛穎等人研究結(jié)果基本相符[26-27],而且本研究所選取的實(shí)驗(yàn)樣地和可燃物具有代表性,研究結(jié)果具有較高的實(shí)用性。

4.2 腐殖質(zhì)陰燃燃燒溫度特征

可燃物是森林燃燒的物質(zhì)基礎(chǔ),是燃燒三要素之一,可燃物的空間分布、大小、形狀等特征影響著林火的發(fā)生及發(fā)展。通過簡(jiǎn)單效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn),不同腐殖質(zhì)粒徑下不同地類的腐殖質(zhì)陰燃燃燒溫度之間存在顯著差異。何誠[28]、李世友[29]等學(xué)者在相關(guān)研究中也指出不同類型的可燃物所表現(xiàn)的陰燃燃燒特征也是不同的,這與本研究的結(jié)果基本一致。在5種地類中塔頭甸子在任何一種腐殖質(zhì)粒徑下陰燃燃燒溫度都是最高的,最高溫度可達(dá)897.53℃。辛穎[26]、Valeria[1]、Restuccia[30]等學(xué)者進(jìn)行的相關(guān)研究中,陰燃燃燒的最高溫度為600℃左右,而本研究進(jìn)行腐殖質(zhì)陰燃燃燒實(shí)驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的最高溫度要遠(yuǎn)高于600℃,表明腐殖質(zhì)燃燒時(shí)所釋放的熱量還有很大的上升空間。這樣高的燃燒溫度對(duì)植物的根系損傷很大,可直接導(dǎo)致植物死亡,從而造成樹木的大面積倒伏,同時(shí)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和地下水位也有一定的影響。這是由于塔頭甸子是由沼澤地上生長(zhǎng)著以苔草為主的草本沼澤植物而形成的。由于沼澤地的通透性差,導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)不易分解,地下存在大量的草根[31]。胡海清[32]和洪嬌嬌[33]等人在相關(guān)研究中提出可燃物的有機(jī)質(zhì)含量對(duì)林火強(qiáng)度存在一定的影響。而大興安嶺地區(qū)還分布著大面積在塔頭甸子種植的興安落葉松林[16],所以該地類是森林地下火的易發(fā)區(qū)和重災(zāi)區(qū)。

4.3 腐殖質(zhì)陰燃燃燒地表溫度在地下火監(jiān)測(cè)和撲救中應(yīng)用建議

由于地下火具有極強(qiáng)的隱蔽性,所以在撲救過程中存在著極大的困難和危險(xiǎn),目前挖掘防火溝是撲滅地下火最有效的方法,但是地下火火場(chǎng)邊界很難界定,因此在撲救過程中會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力財(cái)力。并且具有經(jīng)驗(yàn)的撲救人員講,下雨天或下雪天最有利于地下火的監(jiān)測(cè)和撲救,因?yàn)榈叵禄鸬娜紵龝?huì)引起地表雨水蒸發(fā)或積雪融化,極易被森林消防人員發(fā)現(xiàn)。所以地表溫度可以作為監(jiān)測(cè)地下火發(fā)生和確定火場(chǎng)邊界的重要依據(jù)。根據(jù)對(duì)腐殖質(zhì)陰燃燃燒地表溫度變化監(jiān)測(cè)可知,不同地類腐殖質(zhì)燃燒的地表溫度較高,最高溫度可達(dá)618.83℃。如此高的地表溫度極有可能會(huì)給撲救人員帶來損傷,所以在撲救過程中非必要情況不要進(jìn)入火場(chǎng),可以先大量澆水來降低地表溫度,進(jìn)入火場(chǎng)后也要注意腳部和腿部的防護(hù)。腐殖質(zhì)燃燒地表溫度隨時(shí)間的增加而降低。這是由于森林地下火剛發(fā)生時(shí),著火點(diǎn)距離地表較近,導(dǎo)致地表溫度較高。但是隨著燃燒向下蔓延,深層腐殖質(zhì)燃燒所釋放的熱量被上層的可燃物阻隔,地表的溫度也在逐漸降低直至穩(wěn)定。針對(duì)易發(fā)生地下火的地區(qū),如塔頭甸子和水濕地等地發(fā)生地表火時(shí)要提前挖掘防火溝,撲救時(shí)對(duì)腐殖質(zhì)也應(yīng)該進(jìn)行澆水降溫處置。一旦忽略地下火的發(fā)生,之后將很難監(jiān)測(cè),從而造成更大的森林資源損失。

5 結(jié)論

腐殖質(zhì)粒徑對(duì)陰燃燃燒最高溫度的影響不存在顯著差異,在相同腐殖質(zhì)粒徑條件下不同地類對(duì)陰燃燃燒最高溫度存在影響。塔頭甸子和水濕地的腐殖質(zhì)陰燃燃燒溫度較高,有坡山地、農(nóng)用地、無坡山地的腐殖質(zhì)陰燃燃燒溫度相對(duì)較低。所有地類的腐殖質(zhì)陰燃燃燒地表溫度隨時(shí)間的增加而降低,變化趨勢(shì)符合y=a×xb方程。當(dāng)燃燒時(shí)間為15—20 h時(shí)地表溫度基本趨于平穩(wěn),并且當(dāng)?shù)乇頊囟确€(wěn)定時(shí)也要高于室溫1—5℃。