油松遼東櫟凋落葉可燃物載量對火行為的影響

喬虹，白晉華，南宏偉，李東昌，郭晉平

(山西農業大學 林學院，山西 晉中 030801)

林火行為是指森林火災發生、發展全過程中的表現和特征。林火蔓延速度、火強度、火焰高度是最常用的反映林火行為特征的三大指標。對林火行為進行研究可以有效預防與撲救森林火災。森林火行為非常復雜，并且影響因素較多，通常彼此之間相互制約，相互聯系。其中地表可燃物載量的大小對森林火行為有非常直接的影響。目前國內外有關載量的研究有載量與各林分因子間的相關性[1]、地表死可燃物載量的變化規律[2]、地表可燃物載量的測定方法[3]以及模型的建立[4]等。

油松(PinusTabulaeformis)和遼東櫟(Quercusliaotungensis)是山西省的重要鄉土樹種，有良好的耐寒、耐旱、耐貧瘠的生態學特性，尤其是油松作為山西省主要的造林樹種之一，廣泛應用于荒山造林中，形成了山西省大面積連片分布的油松人工林。但由于樹種單一，林分密度與結構極不合理，導致大部分油松人工林生長狀況較差，并且可燃物積累較多且易燃性強，其林下枯落物分解難，在北方春秋季兩個防火期內，遇到長期持續不降水時，森林火災發生的概率會大大增加，給森林防火工作帶來重大壓力。因此，對油松純林及油松混交林進行人工撫育和經營管理有非常重要的意義。通過對油松純林及油松遼東櫟混交林的經營管理，可以增加其群落的穩定性和多樣性，改善其生長狀況，減少林下凋落物的積累，有效降低其地表火的潛在危險性。為此，有必要對油松和遼東櫟凋落葉混合可燃物的火行為進行研究。

1 研究區概況

研究區位于山西省晉中市太谷縣縣城東南部的國有林場(112°37′30″—112°21′5″ E，37°15′10″—37°27′32″ N)，屬溫帶季風氣候，年平均氣溫在5～10 ℃。降水季節分布不均，主要集中在6—8月。年日照時間2 700 h，無霜期125 d。山西省太谷縣國有林場境內地貌屬于起伏狀山脈，主要由中度切割的石質山和土石山組成，海拔910～1 873 m，屬于中低山天然林區。

2 研究方法

2.1 試驗設計

選取山西省太谷縣國有林場內林齡在30 a左右的油松人工林和遼東櫟林凋落葉作為試驗材料，并于2016年4月初一次性采樣帶回實驗室內。模擬在連續無降水條件下，油松和遼東櫟凋落葉混合可燃物載量對火行為的影響。載量設4個水平，分別為4、6、8和10 t·hm-2。收集含水率為10 %[5]左右的凋落葉按照預設載量進行配比，依次均勻地鋪設在燃燒床上(長2 m、寬1 m)進行室內點燒試驗，并記錄經過相鄰兩個標記點(距離0.2 m)所用的時間以及火焰高度等。

2.2 指標測定

通過測定并計算蔓延速度、火線強度、火面強度和火焰高度這四個火行為指標，分析研究載量對其影響。其中，蔓延速度和火焰高度可直接測定。

2.2.1 總載荷量 樣本干質量采用烘干稱量法測定。在 105 ℃ 的烘箱中烘干24 h 后稱量，測定含水率，計算含水量，進而計算出總載荷量。其中可燃物含水率=(浸泡 t時間的凋落物質量-樣本烘干質量)/ 樣本烘干質量×100%；總載荷量=(浸泡t時間的凋落物質量-含水量)/樣方面積×(10 000/1 000)。

2.2.2 火線強度 計算公式為I=HWR

式中：I為火線強度(kW·m-1)；H為可燃物熱值(kJ·kg-1)；W為有效可燃物載量(kg·m-2)；R為林火蔓延速度(m·s-1)

可燃物樣品的熱值采用美國PARR 6300全自動氧彈量熱儀測定。每次試驗結束收集的未燃部分用烘箱烘干至恒質量并記錄剩余質量，用以計算一次點燒試驗的有效載量。

2.2.3 火面強度 計算公式為HA=681·I/R

式中：HA為火面強度(kJ·m-2)；I的單位(kW·m-1)；R為林火蔓延速度(m·min-1)

2.3 數據處理

本試驗的數據用Excel2007、SPSS18.0軟件對點燒試驗的結果進行統計分析。

3 結果與分析

點燒試驗的火行為指標的基本情況如表1所示。從表1中看出，油松遼東櫟凋落葉可燃物的蔓延速度范圍為0.093～2.384 m·min-1，從75%區間值來看，多數點燒試驗的蔓延速度不超過1.158 m·min-1；火線強度的范圍為4.070～516.413 kW·m-1，從75%區間值來看，多數點燒試驗的火線強度不超過109.360 kW·m-1；火面強度的范圍為22.930×103～152.870×103kJ·m-2，從75%區間值來看，多數點燒試驗的火面強度不超過108.435×103kJ·m-2；火焰高度的范圍為0.232～0.598 m，均值為0.428 m，從75%區間值來看，多數點燒試驗的火焰高度不超過0.517 m。

表1 各火行為指標統計數據

注：火面強度值×103

3.1 可燃物載量對蔓延速度的影響

不同載量與蔓延速度的方差多重比較結果如圖1所示。分析得出，載量4 t·hm-2與載量6 t·hm-2之間的蔓延速度有顯著差異，與載量8 t·hm-2、10 t·hm-2之間的蔓延速度有極顯著的差異；載量6 t·hm-2與載量8 t·hm-2之間的蔓延速度無顯著差異，與載量10 t·hm-2之間的蔓延速度有極顯著差異；載量8 t·hm-2與載量10 t·hm-2之間的蔓延速度有顯著差異，總體趨勢為蔓延速度隨著可燃物載量的增加而加快。

3.2 可燃物載量對火線強度的影響

不同載量對火線強度的影響如圖1所示。由圖1分析得出，載量4 t·hm-2與載量6 t·hm-2之間的火線強度有顯著差異，與針葉比例為8 t·hm-2、10 t·hm-2之間的火線強度有極顯著差異；載量6 t·hm-2與載量8 t·hm-2之間的火線強度無顯著差異，與載量10 t·hm-2之間的火線強度有極顯著差異；載量8 t·hm-2與載量10 t·hm-2之間的火線強度有極顯著差異，總體趨勢為火線強度隨著可燃物載量的增加而增大。

3.3 可燃物載量對火面強度的影響

不同載量對火面強度的影響如圖1所示。從圖1可以看出，隨著試驗中可燃物載量的增加，火面強度呈現增加趨勢。根據不同載量火面強度的方差多重比較結果分析得出，載量4 t·hm-2，與載量6 t·hm-2、8 t·hm-2、10 t·hm-2之間的火面強度有極顯著差異；載量6 t·hm-2，與載量8 t·hm-2、10 t·hm-2之間的火面強度有極顯著差異；載量8 t·hm-2，與載量10 t·hm-2之間的火面強度有極顯著差異。

3.4 可燃物載量對火焰高度的影響

不同載量與火焰高度的方差多重比較結果如圖1所示。分析得出，載量4 t·hm-2，與載量6 t·hm-2、8 t·hm-2、10 t·hm-2之間的火焰高度有極顯著差異；載量6 t·hm-2與載量8 t·hm-2之間的火焰高度無顯著差異，與載量10 t·hm-2之間的火焰高度有極顯著差異；載量8 t·hm-2與載量10 t·hm-2之間的火焰高度有極顯著差異，總體趨勢為火焰高度隨著可燃物載量的增加而增加。

4 討論與結論

4.1 油松、遼東櫟凋落葉可燃物載量對火行為指標的影響

可燃物載量對蔓延速度、火面強度、火線強度、火焰高度均呈顯著正相關，其中對火面強度、火線強度、火焰高度有極顯著影響。在無風條件下，可燃物平均蔓延速度為0.768 m·min-1，最小值為0.093 m·min-1，最大值為2.384 m·min-1，變化幅度較大。從不同載量對火線強度影響的比較結果來看，除載量6 t·hm-2與8 t·hm-2之間差異不顯著外，不同載量之間均存在顯著差異，這可能是因為載量為6tffffb8hm-2與8tffffb7hm-2時，可燃物床層鋪設不均，影響了可燃物的連續性，進而影響了火線強度。可燃物的火焰高度的最大值為0.598m，最小值為0.232m，變化幅度較小，今后可以增大可燃物載量的試驗范圍，這樣更具有實踐性。除載量6tffffb6hm-2與8tffffb5hm-2之間差異不顯著外，不同載量之間均存在顯著差異，因此，可以將可燃物載量控制在8tffffb4hm-2以下，進而減小地表火發生的危險性。

4.2 可燃物載量對森林火行為管理的影響

Agee[6]等歸納了調控森林可燃物4個較為基礎的原則，即減少地表可燃物、增加活枝高、降低林冠密度、保留大徑級抗火林木。可燃物管理通常通過機械處理和計劃燒除等手段調控可燃物的載量，以此控制林火行為。此外，通過營林撫育、防火林帶營造等方法改變可燃物床層結構及可燃物的燃燒環境，也是可燃物的調控的重要方法。試驗結果表明，可燃物的載量對火行為指標都有顯著的影響，降低地表可燃物的載量，能夠顯著降低林火的蔓延速度、火線強度、火面強度和火焰高度。因而在生產實踐中，可以結合可燃物載量調查的結果，對地表可燃物，特別是凋落物載量較多的地區，通過機械清除、計劃火燒等途徑減少地表可燃物，或采用其他方法加速凋落物分解，使地表可燃物的載量下降，在無風條件下，把凋落物的載量控制在8 t·hm-2以下，能夠有效降低發生地表火的潛在危險性。若在自然條件下，可以把可燃物載量控制的更低。在森林可燃物管理方面的研究中，相關文獻[7,8]提出可以通過不同的可燃物處理方式，來減少可燃物載量，降低森林火險，這與本研究結論是一致的。本試驗并未研究可燃物載量與林間可燃物厚度的關系，這可作為今后可燃物森林火行為研究的一個切入點，以便在森林經營管理中，根據可燃物厚度來判斷是否具有地表火潛在危險性，這將會為森林經營管理提供更便捷的方法。