計(jì)劃燒除火強(qiáng)度對滇中云南松純林的影響

龍騰騰，李佳琳，王勁，張文文，王秋華

(西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，昆明 650224)

火是森林生態(tài)系統(tǒng)中廣泛存在的雙重干擾因子，不同強(qiáng)度的火干擾構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的不同火險(xiǎn)等級、火后更新及功能恢復(fù)[1]。計(jì)劃燒除有目的、有計(jì)劃地將低強(qiáng)度火因子引入森林生態(tài)系統(tǒng)，重建林分結(jié)構(gòu)和地表可燃物特征，達(dá)到合理且有效防控火發(fā)生和蔓延的目的[2]。計(jì)劃燒除能減少森林可燃物，其燒除次數(shù)增加可降低樹冠火發(fā)生概率，但在燒除過程中必須控制火強(qiáng)度，高強(qiáng)度燒除會(huì)影響森林結(jié)構(gòu)及功能[3-5]。由于火強(qiáng)度直接影響主干燒焦的高度(莖焦高度)，增加火強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致植物死亡率上升[6-7]。生態(tài)學(xué)家發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳含量短期內(nèi)會(huì)隨燒除火強(qiáng)度增加而降低[8]。因此，明確不同計(jì)劃燒除火強(qiáng)度的防火效果，可為科學(xué)精準(zhǔn)地實(shí)施計(jì)劃燒除提供理論支撐和實(shí)踐指導(dǎo)。由于林火的復(fù)雜性及實(shí)體實(shí)驗(yàn)的條件限制，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬已經(jīng)成為重要手段。國外學(xué)者提出了基于物理模型的火災(zāi)模擬，并將其運(yùn)用到實(shí)體模型中進(jìn)行驗(yàn)證[9]。Lopes等[10]利用橢圓模型，通過輸入燃料特性和環(huán)境參數(shù)，研究了半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖碌幕鹇?。國?nèi)部分學(xué)者基于場模型軟件FDS，模擬分析不同可燃物的場蔓延，并提取其場分布規(guī)律[11-12]。目前的研究焦點(diǎn)都集中在單次火災(zāi)事件在大尺度上的宏觀火蔓延，而計(jì)劃燒除是研究中、小時(shí)空尺度火干擾對燃燒區(qū)域植被長期累積的反饋及影響。

圖1 采樣設(shè)置圖Fig.1 Sampling setting diagram

我國計(jì)劃燒除主要在西南林區(qū)針葉林、東北及內(nèi)蒙古林區(qū)的人工針葉林和針闊混交林得到廣泛應(yīng)用，其中云南林區(qū)易發(fā)生重大森林火災(zāi)，是我國實(shí)施計(jì)劃火燒最早和面積最大的地區(qū)之一[13]。云南省是較早實(shí)行飛播造林的地區(qū)之一，形成了以云南松(Pinusyunnanensis)等為主的飛播林群。云南松在云南省的分布面積約5×106hm2，約占云南省林地面積的52%，是滇中地區(qū)成林面積最廣的森林植被類型。云南松林木富含高燃油脂，一旦發(fā)生林火，尤其是樹冠火，會(huì)造成毀滅性影響[14]。戚書瑋等[15]對計(jì)劃燒除20年后恢復(fù)1年的云南松林地研究發(fā)現(xiàn)，計(jì)劃燒除對于云南松生長無顯著影響，可作為云南松林防火與經(jīng)營的一種方法[15]。云南松林地形地貌、氣候及火源形成的特殊生境，使得物種在不斷進(jìn)化中產(chǎn)生了對周期性火的適應(yīng)性[16]。如厚樹皮，發(fā)生火燒次數(shù)越多，樹皮越厚，樹皮厚度的增加能在一定程度上增加防火能力；頻繁火燒區(qū)域松針可燃性強(qiáng)于未火燒地區(qū)，其點(diǎn)燃時(shí)間更短，燃燒時(shí)間更長，釋放熱量更多[17]。

本研究在連續(xù)進(jìn)行計(jì)劃燒除的滇中地區(qū)新平縣云南松純林樣地進(jìn)行長期定點(diǎn)監(jiān)測，通過野外采樣及實(shí)驗(yàn)室測定獲取云南松樹皮、地表凋落物松針燃燒性能參數(shù)，利用Pyrosim模擬不同火強(qiáng)度下的林火蔓延，分析溫度、速度等場模型來綜合評價(jià)計(jì)劃燒除，以期為精準(zhǔn)實(shí)施計(jì)劃燒除、實(shí)現(xiàn)森林防火效應(yīng)與生態(tài)效益的統(tǒng)一提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省玉溪市新平彝族傣族自治縣南部照壁山(102°00′19″～102°02′10″E，24°01′15″～24°02′27″N)，屬溫帶氣候區(qū)。取樣地年總?cè)照諘r(shí)長約2 800 h，年均氣溫17.9 ℃，年降水量869 mm，林區(qū)內(nèi)較為干燥，無霜期316 d。照壁山自20世紀(jì)90年代后期開始每年1月底至2月中旬進(jìn)行計(jì)劃點(diǎn)燒，從未間斷。2019年計(jì)劃燒除時(shí)間為2月12日—13日。2020、2021年未開展計(jì)劃燒除，2022年2月12日進(jìn)行燒除。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與樣品采集

于2020年1月9日—15日(防火緊要期內(nèi))，選取距2019年2月進(jìn)行計(jì)劃燒除后約1年具有代表性的5塊樣地進(jìn)行調(diào)研，樣地大小為10 m×10 m;同時(shí)選擇生境條件基本一致但從未計(jì)劃燒除的5塊樣地作為對照(圖1)。詳細(xì)記錄地理位置、坡度、坡向、坡位，每木檢尺并記錄樣地內(nèi)所有云南松的樹高、枝下高、胸徑，估測林分的郁閉度，計(jì)算林分的密度。沿每個(gè)樣地對角線設(shè)置1 m×1 m小樣方，用收獲法稱取可燃物，取樣后用塑封袋密封并帶回實(shí)驗(yàn)室。并在每處標(biāo)準(zhǔn)樣地中按照“S”形至少選取5個(gè)取樣點(diǎn)，測量取樣樹木的胸徑、樹高、過火高度，并記錄取樣高度和樹皮厚度。用刀在不同方向上采集樹皮，所取樹皮樣品大小約10 cm×3 cm，分別放在信封中并做好標(biāo)記帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)測定

樹皮厚度使用游標(biāo)卡尺，在取樣現(xiàn)場對所取樹皮樣品進(jìn)行反復(fù)測量，并記錄測量數(shù)據(jù)，后期數(shù)據(jù)處理取其平均值；使用XRY-1C型微機(jī)氧彈式熱量計(jì)測定熱值；MDJ-300S密度測定儀測定密度；DW-02測定儀測定燃點(diǎn)。

1.2.3 計(jì)算機(jī)模擬

Pyrosim是基于FDS開發(fā)的可視化火災(zāi)數(shù)值模擬軟件，依據(jù)流體動(dòng)力學(xué)理論，能夠搭建并模擬復(fù)雜火災(zāi)場景效果，通過Smokeview輸出溫度、濃度、速度等場分布預(yù)測火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域火災(zāi)仿真模擬。

2 數(shù)值模型過程

2.1 模型建立

基于實(shí)地采樣數(shù)據(jù)1∶1建立Pyrosim數(shù)值模型，其中，云南松林木采用錐柱模型[18]，選擇蒙特卡洛法隨機(jī)分布在網(wǎng)格內(nèi)，樹干表面為纖維素。計(jì)劃燒除前燃燒模型為松針+云南松林木，根據(jù)實(shí)地測量結(jié)果，設(shè)定松針表面積∶土壤表面積=9∶1；燒除效果設(shè)定計(jì)劃燒除后松針表面積∶土壤表面積=2∶ 8，燒除后樹干靠近地表面處形成一層較薄的碳化層，設(shè)定為纖維素和碳質(zhì)量比為17∶3的表面，如圖2所示。模型水平方向和冠層下表面均設(shè)有熱電偶，水平方向每隔2 m設(shè)置1個(gè)，用于計(jì)算火焰水平蔓延速度；冠層下表面熱電偶用于測量松針是否達(dá)到分解溫度，進(jìn)而判斷計(jì)劃燒除所產(chǎn)生的熱量傳遞是否足以引燃云南松樹冠。整個(gè)計(jì)劃燒除模型搭建如圖3所示。

圖2 云南松表面碳化層Fig.2 Carbonized layer on the surface of Pinus yunnanensis

圖3 計(jì)劃燒除Pyrosim模型Fig.3 Planned burning Pyrosim model

2.2 參數(shù)設(shè)置

對采集的松針和樹皮在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行密度、燃燒熱和碳化層厚度測定，并參考相關(guān)研究的參數(shù)設(shè)置，模型中材料的表面結(jié)構(gòu)組成和性能參數(shù)如密度、熱傳導(dǎo)率和反應(yīng)熱等如表1所示。

表1 材料組成及性能參數(shù)Table 1 Performance and material composition

2.3 火強(qiáng)度設(shè)定

考慮計(jì)劃燒除是低強(qiáng)度火燒，模型分別設(shè)置6種不同火強(qiáng)度工況：50，100，200，500，1 000，2 000 kW/m，分別對云南松林進(jìn)行數(shù)值模擬。

3 結(jié)果與分析

數(shù)值模擬結(jié)果表明：火強(qiáng)度為50和100 kW/m時(shí)，計(jì)劃燒除前后火源溫度均為300～500 ℃；火強(qiáng)度為1 000和2 000 kW/m時(shí)，計(jì)劃燒除后火焰高度達(dá)2.3 m。根據(jù)王秋華等[4]通過燃燒床模擬計(jì)劃燒除的結(jié)論，計(jì)劃燒除的火焰高度小于50 cm且火源溫度接近600 ℃。因此，本研究將與火場實(shí)際情況不符的火強(qiáng)度場景模擬結(jié)果舍棄，重點(diǎn)分析200和500 kW/m的情況。

3.1 水平方向溫度場分布

距離火源位置2 m處的水平方向溫度場分布情況見圖4。從圖4a可以看出，計(jì)劃燒除前，不同火強(qiáng)度下火源周邊區(qū)域溫度場表現(xiàn)出顯著差異。火強(qiáng)度為200 kW/m時(shí)，火源周邊區(qū)域經(jīng)過近80 s的預(yù)熱時(shí)間，才開始出現(xiàn)驟然升溫達(dá)到火災(zāi)發(fā)展階段，最高溫度為700 ℃；而火強(qiáng)度為500 kW/m時(shí)，地表可燃物只需要30 s發(fā)展到猛烈燃燒階段，到達(dá)最高溫度接近1 000 ℃。在森林火災(zāi)發(fā)生發(fā)展過程中，非接觸式的熱輻射傳播，通過預(yù)熱未點(diǎn)燃的可燃物，使其迅速達(dá)到著火點(diǎn)溫度，繼而維持燃燒現(xiàn)象，成為地表火快速蔓延傳播的主要路徑?；饛?qiáng)度越大，引燃前方可燃物越容易，由低溫?zé)o焰燃燒發(fā)展為明火燃燒所需要的時(shí)間越短。圖4b顯示，兩種火強(qiáng)度下計(jì)劃燒除后火源附近溫度場分布較燒除前均有大幅度下降，火焰均難以在水平方向上蔓延擴(kuò)散，無法形成大面積火災(zāi)，火蔓延速度隨火強(qiáng)度降低而減小。一方面是因?yàn)橛?jì)劃燒除能有效清理地表凋落物，地表松針表面積與土壤表面積比由0.8降至0.2，大大降低了地表可燃性；另一方面，周期性計(jì)劃燒除火干擾使得云南松樹干表皮形成了5 cm碳化層，對火產(chǎn)生了一定的適應(yīng)性，增強(qiáng)了其阻火性能。

圖4 火源附近溫度隨時(shí)間變化情況(L=2 m)Fig.4 Variation of temperature near fire source with time(L=2 m)

3.2 垂直方向溫度場分布

t=60 s時(shí)，火強(qiáng)度為200和500 kW/m情況下冠層底部溫度場分布見圖5。觀察圖5a、c可知，計(jì)劃燒除實(shí)施前冠層表面溫度值隨火強(qiáng)度增加而升高，當(dāng)火強(qiáng)度增大到500 kW/m時(shí)冠層表面溫度高達(dá)894 ℃，極易形成樹冠火。由于木材在280～500 ℃會(huì)發(fā)生熱分解，因此該火強(qiáng)度下冠層下表面均處于著火狀態(tài)，地表火焰開始向上垂直蔓延至冠層。圖5a中火場面積較圖5c有明顯的擴(kuò)大，能夠蔓延至相鄰樹冠表面。對比分析圖5b、d發(fā)現(xiàn)，實(shí)施計(jì)劃燒除后，冠層表面溫度均呈現(xiàn)顯著驟降趨勢，200 kW/m冠層表面最高溫度為常溫狀態(tài)(24.3 ℃)，當(dāng)火強(qiáng)度增加至500 kW/m時(shí)，冠層最高溫度達(dá)40.9 ℃。一方面計(jì)劃燒除后，地表可燃物載量降低，可燃物在垂直方向上無法形成較好的連續(xù)性，冠層下表面溫度難以達(dá)到可燃物的著火點(diǎn)，且高溫區(qū)范圍向火源正上方縮減，但火強(qiáng)度增加，會(huì)影響操作人員的熱舒適感?？梢?，合理掌控計(jì)劃燒除火強(qiáng)度，可更加精準(zhǔn)實(shí)施營林性用火，保障實(shí)施燒除人員人身安全。

圖5 冠層表面溫度場分布圖(t=60 s)Fig.5 Distribution of canopy surface temperature field(t=60 s)

3.3 火蔓延速度場分布

選取時(shí)間節(jié)點(diǎn)20，60和100 s，對比計(jì)劃燒除前后不同火強(qiáng)度的蔓延情況(圖6)。計(jì)劃燒除前，當(dāng)火強(qiáng)度為200 kW/m時(shí)，燃燒能在短時(shí)間內(nèi)向四周蔓延，而計(jì)劃燒除后燃燒無法形成蔓延，火焰只維持在火源中心；當(dāng)火強(qiáng)度升高至500 kW/m時(shí)，計(jì)劃燒除前火蔓延速度極快，不到80 s的時(shí)間蔓延至整個(gè)模型。云南松地表可燃物主要有松針、枯枝等凋落物，如果不及時(shí)撫育、清理，即使地表火為低強(qiáng)度火，一旦著火，地表火很可能蔓延到樹冠，形成樹冠火。這與王秋華等[19]對華山松純林中地表可燃物蔓延行為的研究結(jié)論一致。

圖6 火蔓延速度隨時(shí)間變化情況Fig.6 Variation of fire spreading speed with time

運(yùn)用逐差法對火蔓延速度進(jìn)行計(jì)算，具體公式如下：

式中：v為火蔓延速度；L2為t2時(shí)間點(diǎn)火焰位置；L1為t1時(shí)間點(diǎn)火焰位置。

根據(jù)計(jì)算得知，計(jì)劃燒除前，200 kW/m中水平方向上火蔓延速度為2.2 cm/s，垂直方向?yàn)?.00 cm/s；500 kW/m中水平方向上火蔓延速度為4.8 cm/s，垂直方向?yàn)?.06 cm/s?；鹧嬖诖怪狈较蛏鲜芑饛?qiáng)度影響較大，水平方向上蔓延速度增長較緩慢，主要是因?yàn)闊彷椛渫坎蛔阋砸嫉乇砜扇嘉?。?jì)劃燒除后:火強(qiáng)度為200 kW/m時(shí)，火焰最高溫度僅為216 ℃，火焰無法蔓延；火強(qiáng)度為500 kW/m時(shí)，火焰最高溫度為557 ℃，火蔓延速度為1.2 cm/s，蔓延速度較計(jì)劃燒除前下降76.3%。

3.4 質(zhì)量燃燒速率

質(zhì)量燃燒速率反映的是單位時(shí)間可燃物燃燒數(shù)量。從圖7a可以看出，計(jì)劃燒除前，可燃物質(zhì)量燃燒速率隨火強(qiáng)度增加而增加，當(dāng)火強(qiáng)度從200 kW/m增加至500 kW/m時(shí)，質(zhì)量燃燒速率從1.1 g/s升高至2.6 g/s，燃燒過程從初期階段過渡至充分發(fā)展階段所需時(shí)長從60 s明顯縮短至20 s。由于燃燒過程進(jìn)入發(fā)展階段后，火焰反饋的熱量主要用于加熱地表可燃物揮發(fā)的可燃蒸氣，火場溫度逐漸升高，可參與燃燒的可燃物數(shù)量隨之增加，進(jìn)而質(zhì)量燃燒速率不斷增加。觀察圖7b得知，實(shí)施計(jì)劃燒除后兩種火強(qiáng)度下質(zhì)量燃燒速率均出現(xiàn)顯著下降，降幅均達(dá)95%以上，充分說明計(jì)劃燒除能夠極大減少地表可燃物數(shù)量，能顯著降低區(qū)域火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 火強(qiáng)度對質(zhì)量燃燒速率的影響Fig.7 Effect of fire intensity on mass combustion rate

4 結(jié)論與討論

計(jì)劃燒除作為一種常見且重要的可燃物調(diào)控措施，能有效預(yù)防大面積森林火災(zāi)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)劃燒除前火源中心可燃物點(diǎn)燃后產(chǎn)生的熱通量，通過輻射和對流等方式向前進(jìn)行傳播，能迅速預(yù)熱引燃相鄰可燃物，傳播速度隨火強(qiáng)度增加而加快；火強(qiáng)度增大的情況下，由地表火發(fā)展為樹冠火的可能性增加。通過對比不同火強(qiáng)度下冠層表面溫度和火蔓延速度發(fā)現(xiàn)，冠層被點(diǎn)燃的可能性隨著火強(qiáng)度增加而變大。計(jì)劃燒除后，能極大減少地表可燃物載量，可燃物水平和垂直連續(xù)性降低?；鹪粗行母浇鼫囟群凸趯颖砻鏈囟榷继幱诳煽胤秶鹧鏌o向前傳播、蔓延趨勢。冠層下表面溫度難以達(dá)到可燃物的著火點(diǎn)，且高溫區(qū)范圍隨火強(qiáng)度減小而縮減。相關(guān)研究也表明，地表可燃物載量與水平方向火行為關(guān)系密切，計(jì)劃燒除后即使防火緊要期發(fā)生火災(zāi)也不會(huì)蔓延至未著火區(qū)[3]，可以在一定程度上減少潛在的森林火災(zāi)面積[20]。

本研究較準(zhǔn)確地模擬了不同計(jì)劃燒除火強(qiáng)度情況下區(qū)域森林燃燒情況，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)精細(xì)化仿真，計(jì)劃燒除火強(qiáng)度控制在200～500 kW/m時(shí)防火效果最為明顯，這與王秋華等[4]野外計(jì)劃燒除和室內(nèi)模擬火燒實(shí)驗(yàn)結(jié)論中得到的火強(qiáng)度為405 kW/m基本一致。張文文等[14]發(fā)現(xiàn)在計(jì)劃燒除條件下，云南松死亡率為0.93%～1.27%，表明云南松對計(jì)劃燒除產(chǎn)生了一定的適應(yīng)性。進(jìn)一步論證了計(jì)劃燒除能有效降低區(qū)域火災(zāi)危險(xiǎn)性，是預(yù)防滇中云南松純林大面積森林火災(zāi)發(fā)生的有效措施。

計(jì)劃燒除作為森林生態(tài)系統(tǒng)重要干擾因子，可以通過減小林分密度等方式改變林分結(jié)構(gòu)和物種組成[21]。陳思帆等[22]研究表明，中、輕度火燒可以促進(jìn)草本、灌木層的物種多樣性。由于研究區(qū)域計(jì)劃燒除自20世紀(jì)90年代末期開始從未間斷，計(jì)劃燒除雖然在一定程度上能有效調(diào)控可燃物載量，卻降低了灌木和草本的物種數(shù)[3]。但是周期性計(jì)劃燒除的開展，有利于云南松對生境的適應(yīng)和更新。張文文等[3]發(fā)現(xiàn)，計(jì)劃燒除后3個(gè)月樣地里的小喬木、灌木和草本基本重新萌發(fā)，計(jì)劃燒除1年后，多數(shù)灌木和草本高度已超過計(jì)劃燒除前的高度。因此，計(jì)劃燒除的開展需綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)防火效應(yīng)和生態(tài)效益，以發(fā)揮其對生態(tài)效益的正反饋?zhàn)饔谩Ｓ捎谟?jì)劃燒除過程也使土壤溫度升高，進(jìn)而導(dǎo)致有機(jī)碳損失，不同火強(qiáng)度影響下土壤有機(jī)碳含量變化明顯[23-24]。土壤呼吸是森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有研究表明大部分土壤呼吸隨火強(qiáng)度增加顯著減少，減少程度主要取決于火強(qiáng)度[25]。因此，計(jì)劃燒除火強(qiáng)度的選擇要同時(shí)兼顧森林生態(tài)系統(tǒng)的短期影響和長期效應(yīng)，既能實(shí)現(xiàn)森林防火目標(biāo)，又能保持森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展。

本研究在模擬計(jì)算過程中僅考慮計(jì)劃燒除火強(qiáng)度因素的影響，而計(jì)劃燒除是開放空間的燃燒現(xiàn)象，受諸多因素影響，在將來還需考慮地形、氣候和防火通道道路等參數(shù)，提高模型精度。同時(shí)兼顧其生態(tài)效益，為當(dāng)?shù)氐牧只鸸芾砗碗p碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供理論和技術(shù)參考。