新疆天山東部森林地表可燃物的熱值研究

周 翔， 王 鵬， 布瑪麗亞穆·麥麥提， 王秋琰， 岳 健

（1.新疆維吾爾自治區(qū)林業(yè)規(guī)劃院，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆烏魯木齊 830011；3.新疆策勒荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測實驗站，新疆 策勒 848300）

森林火災(zāi)（即不受控制的高強度植被火災(zāi)）對野生動物、物質(zhì)資產(chǎn)、文化資產(chǎn)、人類健康和生命構(gòu)成全球性的威脅［1］。可燃物載量決定了森林火災(zāi)的碳排放，以及其蔓延程度和強度、發(fā)現(xiàn)潛力和從地表火到頂部火過渡的可能性，也是森林防火滅火以及可持續(xù)管理的理論依據(jù)［1-4］?？扇嘉锿ǔ８鶕?jù)狀態(tài)分為活可燃物和死可燃物，也可通過所處位置分為地下、地表以及冠層可燃物［5-6］，其中，森林地表可燃物對林火的發(fā)生、迅速蔓延以及水平和垂直的擴張起到關(guān)鍵性作用［7］，對林火的傳播和延續(xù)有重大影響。而引燃可燃物除需氧氣和火源等條件外，還取決于其自身含水率、熱值、燃點等理化性質(zhì)的差異［5,7-8］。熱值是單位質(zhì)量（或體積）的可燃物完全燃燒時所放出的熱量［9］，是評估森林火燃燒速率和火強度的重要指標(biāo)和依據(jù)。通常來說，可燃物的質(zhì)量及熱值等含量都與火災(zāi)強度、火場的蔓延速度以及釋放的能量強度成正比［5,10］，通過這些數(shù)據(jù)可以有效且精準(zhǔn)地防火滅火。

國外科研工作者早在20 世紀(jì)60 年代就已經(jīng)開展了森林可燃物熱值方面的研究，例如對森林種植園、高寒苔原植被以及熱帶潮濕森林植被等熱值特征的調(diào)查［11-13］，近年來，隨著可燃物熱值研究的不斷深入，家用木材的熱值特征也受到一定關(guān)注，例如Lunguleasa 等［14］研究了非洲熱帶常用木材水分含量對熱值和密度、熱釋放率和熱效率的影響，選擇最佳木材。國內(nèi)森林可燃物熱值方面的研究主要集中于地區(qū)性的各類型森林系統(tǒng)中植物理化性質(zhì)的對比或潛在燃燒性。例如，有對新疆天山中部［5］、阿爾泰山［15］、東北大興安嶺［16-17］、云南中部［18-20］等林區(qū)的研究，研究大多側(cè)重于地下或冠層中的可燃物燃燒性的分析，亦或是對同一地區(qū)不同樹種理化性質(zhì)的分析，對于不同林型森林地表可燃物的研究有限，且對森林不同地表可燃物組分（不同類型枯落物和腐殖質(zhì)）之間差異特征以及可燃物的燃燒特性關(guān)注較少。

有研究表明，森林可燃物根據(jù)不同的分類（尤其是地表活可燃物和死可燃物）情況，在森林火中的表現(xiàn)，即引起森林火的強度、釋放的能量強度以及燃燒速率表現(xiàn)各異［21］。另外，可燃物的燃點也是表征可燃物燃燒性的一個重要指標(biāo)［17］，目前為止對森林可燃物熱值與燃點影響林火發(fā)生的研究也很少。鑒于此，選擇新疆天山東部分布的4 種典型植被類型其地表可燃物為研究對象，探討不同地表可燃物組分熱值之間的差異特征及可燃物熱值與燃點間的關(guān)系，旨在為該地區(qū)管理人員準(zhǔn)確預(yù)測林內(nèi)可燃物熱值能量和潛在森林火險提供理論依據(jù)，為區(qū)域地表可燃物深入研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆天山東部，東至哈密地區(qū)伊吾縣境內(nèi)山區(qū)及山間盆地，西與博州精河林場相鄰，南以天山分水嶺為界，北抵天山北麓，橫跨哈密、塔城、昌吉、烏魯木齊4 個地州市和16 個縣（區(qū)），東西長約1300 km，南北最寬處約250 km，總面積3.11×104km2，林地總面積1.08×104km2，其中有林地面積1.32×104km2，活立木總蓄積5282.1×104m3，森林覆蓋率22.79%。該區(qū)域?qū)儆谏降氐匦?，山脈的基帶為溫帶荒漠帶，屬于溫帶大陸性氣候。地理坐標(biāo)范圍為42°24′～44°14′N，84°01′～93°42′E 之間，海拔1400～2710 m。該區(qū)植被隨山地地形和氣候的差異而形成明顯的垂直分布帶，植被類型包括：以天山云杉(Picea schrenkianavar.tianschanica)和西伯利亞落葉松(Larix sibirica)為主的針葉林型，林下分布的灌草以天山花楸(Sorbus tianschanica)、忍冬(Lonicera tatarica)、高山羊角芹(Aegopodium alpestreLedeb.)以及乳苣[Lactuca tatarica(L.)C.A.Mey.]為主，枯落物以主要植被的葉枝果為主；以歐洲山楊(Populus tremula)和天山樺(Betula tianshanica)為主的闊葉林型，林下分布的灌草以天山花楸、寬刺薔薇(Rosa platyacantha)、西伯利亞早熟禾(Poa sibiricaTrin.)以及野青茅[Deyeuxia pyramidalis(Host) Veldkamp]為主，枯落物以主要植被的葉枝為主；以方枝柏(Sabina saltuaria)、寬刺薔薇、天山繡線菊(Spiraea tianschanicaPojark.)以及忍冬為主的灌木林型，灌木下草類有拂子茅[Calamagrostis epigeios(L.) Roth]、無芒雀麥(Bromus inermisLeyss.)以及直穗鵝觀草[Elymus gmelinii(Ledeb.) Tzvelev]等，枯落物以主要植被的葉枝刺為主。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣方布設(shè)和樣品采集 在研究區(qū)選取了7 個林區(qū)，包括哈密（巴里坤）、呼圖壁、吉木薩爾、瑪納斯、奇臺、烏魯木齊南山以及烏蘇（圖1），分別在4種主要森林類型即針葉林（針葉樹種總蓄積≥65%）、闊葉林（闊葉樹種總蓄積≥65%）、針闊混交林（針葉樹種或闊葉樹種總蓄積占35%～65%）、灌木林（灌木樹種總蓄積≥65%）等設(shè)置樣地面積大小為666.7 m2，方形（25.82 m×25.82 m）設(shè)置，選擇距樣地每個角頂點兩邊3 m 處設(shè)置4 個灌木、草本層、枯落物和腐殖質(zhì)可燃物載量樣方。灌木層調(diào)查樣方為2 m×2 m，草本層、枯落物層、腐殖質(zhì)層調(diào)查樣方為1 m×1 m（圖2）。灌木層采集方法：每個樣方選取3株（1～2叢）標(biāo)準(zhǔn)灌木，分別取每株灌木的干、枝和葉相同質(zhì)量比10%～20%（通過稱重，確保干、枝、葉的取樣占各標(biāo)準(zhǔn)灌木的干、枝、葉總質(zhì)量的比相同）混合，同一標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)4 個樣方按照灌木樹種分別混合取樣，混合后的每份樣品不少于500 g，稱其鮮重，稱重精確到10 g，用于帶回實驗室測定樣方灌木的含水率（干鮮比）。樣品采集好后，將采集的樣品分別放入樣品袋（紙袋或布袋）內(nèi)并附上統(tǒng)一編號的標(biāo)簽，同時在樣品采集清單上作好記錄。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area

圖2 樣方設(shè)置圖Fig.2 Quadrat configuration diagram

草本層采集方法：沿地面完全收獲每個樣方所有活草本植物（包括高不足30 cm 的灌木）地上部分，稱其鮮重，秤重精確到10 g。充分混合標(biāo)準(zhǔn)樣地所有樣方草本植物各部分，取混合后新鮮草本植物300 g 左右，秤重精確到10 g，裝入樣品袋中，貼上標(biāo)簽，帶回實驗室測定草本植物的干鮮比或含水率。

凋落物層采集方法：在森林內(nèi)設(shè)置樣方，調(diào)查凋落物厚度，用耙子收集樣方內(nèi)全部凋落物，包括各種枯枝、葉、果、枯草、半分解部分等枯死混合物，剔除其中石礫、土塊等非有機物質(zhì)。將凋落物分為凋落物1（直徑＜0.6 cm 的小枝、葉和雜草）、凋落物2（直徑≥0.6 cm，但＜2.5 cm 的小枝），凋落物3（直徑≥2.5 cm，但＜7.62 cm 的枝條）。每個樣方每類凋落物分別稱量其鮮重，稱重精確到10 g。樣地內(nèi)所有樣方各類凋落物樣品分別混合取樣，每類取200 g左右，稱重精確到10 g，裝入樣品袋中，貼上標(biāo)簽，帶回實驗室測定其干鮮比或含水率。

腐殖質(zhì)層采集方法：調(diào)查腐殖質(zhì)層厚度，采用完全收獲法收獲每個樣方內(nèi)腐殖質(zhì)，剔除腐殖質(zhì)中石礫、土塊、明顯的樹根等非腐殖質(zhì)，測定和記錄樣方內(nèi)腐殖質(zhì)濕重，并將所有樣方樣品混合取200 g樣品帶回實驗室測定其干鮮比或含水率。

1.2.2 含水率的測定 采用烘干恒重法對可燃物的含水率進行測定。將野外采集的樣品裝入牛皮紙信封，用電子天平稱其質(zhì)量，減去空牛皮紙信封的質(zhì)量得到可燃物濕質(zhì)量；再將樣品放入恒溫干燥箱內(nèi)，在105 ℃下烘至恒重。當(dāng)樣品質(zhì)量在2 h之間變化小于0.01 g 時，稱量得出樣品的干質(zhì)量。計算絕對含水率：

式中：AMC 為絕對含水率(%)；WH為可燃物濕質(zhì)量(g)；WD為可燃物烘干后的絕干質(zhì)量(g)。

1.2.3 熱值和燃點的測定 將待測的樣品進行烘干（60～80 ℃），烘干到重量不再變化（衡重），將烘干后的樣品用研磨儀（德國RETSCH，型號MM400）粉碎，粉末過40目篩，存于封口袋中備用。

稱取1.0 g 的過篩樣品壓成片狀，采用自動熱量計對樣品進行熱值的測定，每個樣品均要反復(fù)測定5次，最終取其平均值。

稱取0.10 g 的過篩樣品與0.075 g 氧化劑（亞硝酸鈉）均勻混合，采用全自動燃點檢測儀進行燃點的測定，每個樣品均要反復(fù)測定5 次，最終取其平均值。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 使用Origin 8 作圖，用SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析、雙因素方差分析和Duncan檢驗進行比較參數(shù)間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同組分地表可燃物熱值比較

由圖3 可以看出，各林型中凋落物組分熱值一般較高，均值為19.27 kJ·g-1；而腐殖質(zhì)組分熱值都較低，均值為13.25 kJ·g-1。同一森林類型下地表可燃物各組分之間多數(shù)差異不顯著。針葉林和闊葉林中，草本與凋落物組分之間差異顯著（P＜0.05），其余組分間差異不顯著；灌木林中，灌木與凋落物組分之間差異顯著（P＜0.05），其余組分間差異不顯著；針闊混交林中，所有組分差異都不顯著。

圖3 不同組分地表可燃物熱值比較Fig.3 Comparison of calorific value of surface combustibles of different components

2.2 同一地表可燃物各森林類型間熱值比較

由表1 可知，不同森林類型同一組分的可燃物熱值存在差異。灌木可燃物組分中灌木林的熱值最高（18.99±0.03 kJ·g-1），針葉林和針闊混交林的差異顯著（P＜0.05），其余林型間差異不顯著；草本可燃物組分中針葉林的熱值最高（19.38±0.08 kJ·g-1），針葉林和灌木林的差異顯著（P＜0.05），其余林型間差異不顯著；凋落物可燃物組分中同樣是針葉林的熱值最高（19.55±0.05 kJ·g-1），針葉林和針闊混交林的差異顯著（P＜0.05），闊葉林和灌木林的差異顯著（P＜0.05），其余林型間差異不顯著；腐殖質(zhì)可燃物組分中灌木林的熱值最高（15.76±0.10 kJ·g-1），所有林型間的差異都不顯著。

表1 同組分地表可燃物不同森林類型間熱值比較Tab.1 Comparison of calorific value between different forest types of surface fuel with the same component

2.3 不同組分地表可燃物熱值與燃點的關(guān)系

由圖4 可知，不同組分地表可燃物熱值與燃點間的關(guān)系存在差異。灌木可燃物組分燃點與熱值存在極顯著關(guān)系（R2＝0.81，P＜0.01），凋落物可燃物組分燃點與熱值存在顯著相關(guān)性（R2＝0.38，P＜0.05）；然而草本和腐殖質(zhì)可燃物組分燃點與熱值間無顯著相關(guān)（P＞0.05）。

2.4 不同組分地表可燃物熱值與含水率的關(guān)系

由圖5可知，不同組分含水率由高至低分別為：灌木（42.1%）>草本（37.5%）>腐殖質(zhì)（31.2%）>凋落物（16.3%）。從圖5還可以看出，所有地表可燃物熱值與絕對含水率之間均無顯著相關(guān)關(guān)系。

圖5 不同組分地表可燃物熱值與絕對含水率關(guān)系Fig.5 Relationship between calorific value and absolute water content of surface combustible of different components

3 討論

對森林可燃物的研究可為森林防火滅火和可持續(xù)管理提供理論依據(jù)，而可燃物的熱值是表征可燃物燃燒性的重要指標(biāo)［22-23］。因此，對天山東部林區(qū)各林型下的地表可燃物不同組分（灌木、草本、凋落物以及腐殖質(zhì)）熱值分析是可燃物易燃性研究的基礎(chǔ)，也是森林火災(zāi)研究的重點。研究結(jié)果表明，天山東部林區(qū)同一林型不同組分熱值大小順序為：凋落物>草本>灌木>腐殖質(zhì)，這與武夷山國家公園內(nèi)4 種森林類型地表可燃物熱值特征相同［24］，但本研究區(qū)分析了腐殖質(zhì)在林區(qū)可燃物中的影響，更全面地分析了死亡地表可燃物的熱值特征，通過結(jié)果可知，腐殖質(zhì)作為熱值最小的組分，其占比多少有可能是森林火險發(fā)生的關(guān)鍵因子。另外，同一森林類型下地表可燃物各組分之間多數(shù)差異不顯著，這也與武夷山國家公園的研究結(jié)果一致，同時也說明凋落物是研究區(qū)防火滅火應(yīng)關(guān)注的重點對象。針葉林和闊葉林中，草本與凋落物組分之間差異顯著，其余組分間差異不顯著；灌木林中，灌木與凋落物組分之間差異顯著，其余組分間差異不顯著；針闊混交林中，所有組分差異都不顯著。各林型不同組分間的差異可能與組分的植被類型相關(guān)，也可能與植被光合作用強度有關(guān)。

森林火災(zāi)的發(fā)生與森林地表可燃物的熱值高低有密切的關(guān)系，而地表可燃物熱值對于林火燃燒速度和火線強度有較大的影響，熱值的高低可以反映森林林火的強度，因此，對不同林型地表可燃物的熱值研究非常必要［25-26］。天山東部林區(qū)不同森林類型同一組分的可燃物熱值存在差異。灌木可燃物組分中灌木林的熱值最高（18.99±0.03 kJ·g-1），針葉林和針闊混交林的差異顯著，其余林型間差異不顯著。這可能是因為灌木林型下光照好，有利于灌木生長，可充分進行光合作用，固定太陽能較多［25］。草本可燃物組分中針葉林的熱值最高（19.38±0.08 kJ·g-1），針葉林和灌木林的差異顯著，其余林型間差異不顯著；凋落物可燃物組分中同樣是針葉林的熱值最高（19.55±0.05 kJ·g-1），針葉林和針闊混交林的差異顯著，闊葉林和灌木林的差異顯著，其余林型間差異不顯著。由于針葉林葉面積對光照影響較小，導(dǎo)致地面草本與凋落物可接收陽光輻射高，因此熱值也較高。腐殖質(zhì)可燃物組分中灌木林的熱值最高（15.76±0.10 kJ·g-1），所有林型間的差異都不顯著。這也說明腐殖質(zhì)的熱值不受林型的影響。通過與阿爾泰山主要林型燃燒性［15］綜合比較發(fā)現(xiàn)，天山東部主要林型的燃燒性從易到難的順序為：針葉林>灌木林>針闊混交林>闊葉林。因此，在天山東部林區(qū)針葉林和灌木林是森林火災(zāi)發(fā)生和蔓延的重點區(qū)域，應(yīng)作為重點的森林防火保護區(qū)域。

天山東部林區(qū)不同組分地表可燃物熱值與燃點間的關(guān)系存在差異。灌木可燃物組分燃點與熱值存在極顯著關(guān)系（R2＝0.81，P＜0.01），凋落物可燃物組分燃點與熱值存在顯著相關(guān)性（R2＝0.38，P＜0.05）；然而草本和腐殖質(zhì)可燃物組分燃點與熱值間無顯著相關(guān)。但是通過與我國東北遼寧阜新地區(qū)4 種油松林熱值燃點［27］綜合對比發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)凋落物和腐殖質(zhì)組分相比于草本和灌木組分屬于不易燃物質(zhì)。然而也有研究表明，揮發(fā)性油和脂肪類物質(zhì)與可燃物的熱值與燃點密切相關(guān)［17］，未來的研究可以針對不同組分油性或脂肪類物質(zhì)的含量進行比較，進一步闡明同組分地表可燃物熱值與燃點間的關(guān)系。

天山東部林區(qū)所有類型的地表可燃物熱值與絕對含水率之間均無顯著相關(guān)關(guān)系。天山中部典型林區(qū)內(nèi)的研究表明，可燃物含水率越低，其易燃性就越強，引起森林火災(zāi)的可能性較大；反之亦然［28］。說明研究區(qū)地表可燃物的熱值高低與易燃性無關(guān)。也有研究表明，森林可燃物的含水率變化受多個因素（如樹種、地形、氣溫、相對濕度、降水、風(fēng)速以及太陽輻射等）綜合影響，不能僅考慮單個因子的影響［21］。針對不同地區(qū)條件，篩選顯著的預(yù)報因子，建立準(zhǔn)確性較高的預(yù)測模型，可為未來我國森林防火預(yù)報研究工作提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)論

以新疆天山東部4種典型植被類型下地表可燃物為研究對象，分析地表可燃物熱值特征及其與燃點、絕對含水率之間的關(guān)系。研究結(jié)果顯示，天山東部林區(qū)同一林型不同組分熱值大小順序為：凋落物>草本>灌木>腐殖質(zhì)。草本可燃物組分中針葉林的熱值最高（19.38±0.08 kJ·g-1），凋落物可燃物組分中同樣是針葉林的熱值最高（19.55±0.05 kJ·g-1）。研究區(qū)草本（在闊葉林和灌木林中）和凋落物（在針葉林和混交林中）的熱值較高，是森林防火需要重點關(guān)注的對象，而腐殖質(zhì)在各林型中的熱值都較低，可以起到一定的抗火作用。不同組分地表可燃物熱值與燃點間的關(guān)系存在差異：灌木可燃物組分燃點與熱值存在極顯著關(guān)系（R2＝0.81，P＜0.01）,凋落物可燃物組分燃點與熱值存在顯著相關(guān)性（R2＝0.38，P＜0.05），然而草本和腐殖質(zhì)可燃物組分燃點與熱值間無顯著相關(guān)（P＞0.05）。研究結(jié)果旨在為天山東部可燃物能量釋放、林火強度的參數(shù)確定提供理論依據(jù)，為研究區(qū)森林地表可燃物精準(zhǔn)管理提供數(shù)據(jù)支撐。