滇東北地區華山松與云南松的地表凋落物載量及火強度對比研究

徐偉恒 吳 超 楊 磊 徐盛基 秦明明 王秋華

( 1. 西南林業大學大數據與智能工程學院，云南 昆明 650233；2. 西南林業大學大數據與智能工程研究院，云南 昆明 650233；3. 西南林業大學林業生態大數據國家林業與草原局重點實驗室，云南 昆明 650233；4. 應急管理部南方航空護林總站，云南 昆明 650021；5. 西南林業大學土木工程學院，云南 昆明 650233)

森林地表可燃物是森林燃燒的物質條件[1]，同時也是引發森林火災的重要原因[2]。掌握森林地表可燃物的載量分布及數量大小進而分析其火行為參數，能夠有效預防森林火災。林地火行為的研究是林火管理、預報和林火撲救的理論基礎[3]。通過實驗室烘干及燃燒分別計算其地表各層次凋落物的含水率及各火行為參數，對于降低林火風險、防治火災有著顯著的實踐意義。

隨著全球氣候變暖，云南省林區的防火工作已經成為一項必須進行的重大舉措[4]。云南松（Pinus yunnanensis）和華山松（Pinus armandii）均為云南省重要的山地造林樹種，分布區域廣，火災發生頻率高。它們都是西南地區主要用材樹種，也是云貴高原上常見的針葉樹種，耐寒力強，具有廣泛的生態適應性和較強的自然更新能力。華山松以及云南松活葉富含油脂，同時生長覆蓋范圍很廣，易發生樹冠火[5]，引起森林火災，對森林生態系統造成嚴重破壞[6]。

因此，本研究以滇東北地區華山松林和云南松林的地表凋落物為研究對象，進行實地調查，采集樣本計算可燃物載量，并在室內分別對華山松和云南松地表凋落物的上層、下層、枯枝進行燃燒實驗[7]，得出云南松和華山松的火行為參數并進行對比分析。本研究對火災預測、火行為預測，以及不同樹種所造成火險等級評測和林火發生后的安全撲救都具有十分重要的意義，可為今后的林火防控及科學保護提供參考。

1 研究區概況

云南省宣威市楊柳鎮地處宣威市東北部，位于東經 104°11′2″～104°23′42″，北緯 26°31′53″～28°39′49″，是典型的華山松林與云南松林分布地帶。該鎮東西最大距離30 km，南北最大距離11 km，面積為163.9 km2。地勢南高北低，最高點南部三叢樹（峰），海拔2 470 m；最低點東北沿大岔河口，海拔1 480 m，高差990 m，平均海拔1 600 m左右。巖性為灰色、灰黃色粉砂巖、砂質泥巖、砂巖。楊柳鎮氣候大部分屬溫帶氣候，最冷月1月平均氣溫3 ℃，最熱7月平均氣溫19.5 ℃，年均氣溫16.7 ℃。一般初霜期11月9日，終霜期 3月 20日，年均無霜期 232 d。年均降水量902.2 mm。主要經濟林有云南松、華山松、杉木（Cunninghamia lanceolata）等，其中華山松與云南松都是宣威市最主要的針葉樹種。

2 材料與方法

2.1 樣地調查

2018年4月3日至4日在楊柳鎮華山松純林與云南松純林連續分布地區進行了初步觀測（云南森林火災高發期為3—4月，森林火險等級最高[8]）。于2018年4月5日在所選定林分內，按照50 m×50 m 規格分別設置華山松林（104°17′36″E，26°34′31″N）、云南松林（104°21′36″E，26°36′43″N）樣地各1塊，詳細記錄樣地地理位置、坡度、坡向。每木檢尺并記錄50 m×50 m樣地內所有華山松、云南松的樹高、枝下高、胸徑，估測林分的郁閉度，用于計算林分的密度[9]。為方便計算，在樣地對角線及對角線交點設置2 m×2 m的小樣方共5塊[10]，見圖1～2。

圖 1 樣方設置方式Fig. 1 Sample quadrat setting method

圖 2 實地布設樣地、取樣Fig. 2 Field sample plot and quadrat setting method

2.2 可燃物收集

按照地表可燃物凋落的先后順序，分別將華山松與云南松地表可燃物劃分為凋落物上層（主要是當年掉落的華山松針葉與云南松針葉）、凋落物下層（主要為往年凋落、腐爛分解的凋落物）和枯枝共3個層次。取樣方式為順著樣方4條邊向下挖至土壤的母質，順著樣方的邊界作凋落物的剖面、枯枝單獨采集裝袋，然后分別測量凋落物上層和下層的厚度，并稱量其不同樣方內3個層次可燃物的鮮質量，最后取樣并將試樣裝入密封的收集袋中[10]。

2.3 可燃物載量

不同樣方內的不同層次地表可燃物的絕對含水率（%）計算方法見式（1）。然后根據樣方內絕干質量（kg）及樣方面積（m2）計算各樣方的可燃物載量（kg/m2）計算法見式（2）[11]。

2.4 實驗室模擬火燒

在實驗室內設置鐵質燃燒床（長200 cm，寬120 cm，高32 cm），底部覆蓋2 cm厚的石膏板，以減少熱量損失。華山松和云南松的實驗室燃燒床坡度分別設為8.6°及15°，在燃燒室內模擬無風狀態下的燃燒。引燃方式分為從下坡往上坡點燒，模擬上坡火；從上坡往下坡點燒，模擬下坡火。采集的地表可燃物盡可能保持野外的狀態，將可燃物均勻鋪在燃燒床內（2 m×1 m），用鋼卷尺沿著對角線的5個點測厚度。用秒表計時，記錄可燃物點著時間、熄滅時間和陰燃持續時間。

當火焰高度達到最大時，用手持紅外測溫儀SL-309測火焰的溫度，用SFR-Ⅲ數字式輻射熱計分別測火線蔓延過程中最大火焰的熱輻射，同時用鋼卷尺測火焰高度。火強度[12]采用勃蘭姆公式計算，見式（3）。

式中：I表示火強度（kW/m）；H表示熱值（J/g）；W表示消耗的可燃物量（t/hm2）；R表示蔓延速度（m/min）。

3 結果與分析

3.1 華山松與云南松地表凋落物特征

華山松與云南松林林分及地表凋落可燃物特征見表1。由表1可知，華山松與云南松的上層厚度分別為（2.50±2.50）、（4.50±1.02）cm，下層厚度分別為（3.60±0.40）、（3.10±0.83）cm，因為滇東北地區華山松林與云南松松林密度小且有人為輕微干擾因素影響，所以可燃物厚度并不高。而含水率均以凋落物下層最為顯著，華山松達58.74%±18.39%，云南松達23.74%±8.67%，這是受到上層可燃物遮蔽陽光而避免下層水分蒸發以及與地下水強烈交換的結果，且華山松林較云南松林更為顯著，因此華山松凋落物含水率是云南松的2倍多。華山松與云南松凋落物上層及枯枝層載量幾乎一致，凋落物下層載量差異較大，分別為1.69 kg/m2與0.59 kg/m2。

表 1 華山松與云南松林林分及地表凋落可燃物特征Table 1 Characteristics of combustibles in the stands and surface litter of P. armandii and P. yunnanensis

續表 1

3.2 室內模擬火燒的火行為對比

在燃燒實驗室內，將燃燒床置于燃燒室內不通風處，對華山松與云南松凋落物模擬無風狀態下的燃燒。點火方式分別為上坡火和下坡火，實驗室內模擬火燒的火行為參數見表2。由表2可知，華山松與云南松下坡火和上坡火的可燃物均勻厚度均為6～8 cm，和野外華山松及云南松林地表凋落物的實際厚度相似。引燃時間都是為1 s，說明華山松及云南松都非常易燃，并產生明亮的火焰。當模擬上坡火引燃方式時，華山松火焰持續時間超過15 min，是云南松火焰持續時間的1倍多，這是由于華山松純林的地表凋落物以松針凋落物為主，含水率較高，且華山松的阻燃性較云南松強[13]。無論是華山松還是云南松，下坡火燃除率都較上坡火低，但是下坡火燃燒過程中除直徑較大的枯枝不易燃盡之外，凋落物上層和下層基本上被燃盡。原因是上坡火蔓延過程中，可燃物接受到的對流熱和輻射熱強度加強，增加了林火的蔓延速度[13]，下坡火則與之相反。總體來看，無論下坡火還是上坡火，云南松的燃除率都大于40%，華山松的燃除率都不超過30%，這說明云南松林地表凋落物相比華山松林地表凋落物一旦發生火災將會被燒掉更大的部分，進而更加威脅土壤微生物及灌木樹種的生存。華山松與云南松二者的燃燒溫度差異不大且都較高，最高可接近600 ℃。華山松上坡火和下坡火的熱輻射分別為（6.06±1.68）kW/m2和（4.48±1.35）kW/m2；明顯低于云南松（7.22±1.51）kW/m2和（6.47±1.37）kW/m2，這是由于云南松地表凋落物的燃燒溫度與燃除率均高于華山松所導致的。除華山松下坡火的熱輻射值比王秋華等[7]的研究中計劃燒除時的熱輻射（5.75±2.39）kW/m2低以外，華山松上坡火與云南松的上坡火、下坡火都高，原因是燃燒實驗是在無風條件下進行的，因此燃燒更為徹底。明亮火焰消失后，華山松與云南松二者的陰燃時間仍然能持續至少5 min，并且陰燃溫度都較高，最高接近200 ℃，因此華山松林與云南松林如果引起的森林火災不徹底撲滅，在適宜條件下發生二次火災的可能性非常大。

表 2 實驗室內模擬火燒的火行為參數Table 2 Fire behavior parameters of simulated fire in the experimental room

3.3 華山松與云南松火強度分析

華山松與云南松燃燒實驗的明火蔓延時間是從點火開始計時，直到燃燒床另一端鋪設的可燃物被點著的時間段結束，定義這段時間為蔓延時間（t），在燃燒床上鋪設的可燃物長度定義為林火蔓延距離（L），那么蔓延速度（R）為林火蔓延距離與蔓延時間之比[14]。因為實驗室模擬火燒在無風狀態下進行，所以本研究忽略風速對林火蔓延速度的影響。并且同一林型的熱值差異性并不大，本研究中熱值參數分別選用實驗室測定的華山松平均熱值5 000 J/g與王秋華等[7]的研究中所測定的云南松熱值21 350 J/g，利用式（3）計算火強度，結果見表2。在森林火災燃燒過程中，熱值指可燃物干物質完全燃燒后所釋放出來的能量，是植物本身的重要特征[15]。對林火溫度及蔓延過程都有著極其顯著的影響，并且熱值與火強度關系密切，熱值越高，火強度也就越大[16-17]。根據唐季林等[18]的研究將計算所得I劃分為3個等級：I＞3 500 kW/m為高強度火，I在500～3 500 kW/m之間為中強度火，I＜500 kW/m為弱強度火。本研究中云南松上坡火的I最大，為97.21 kW/m，屬于弱強度火。

4 結論與討論

研究可知，華山松林地表可燃物與云南松林地表可燃物的火行為參數有所異同。其載量值都較小，這是由于華山松林與云南松林林齡都不大，加之林分稀疏以及有人類輕微干預，導致當地華山松林以及云南松林載量不大，地表凋落物厚度小，因此不易發生高強度森林火災，但該結論是建立在忽略風速影響因子的前提上。在真實森林火災中，由于林火蔓延過程中熱輻射會提前預熱尚未被點燃的地表凋落物，而風速又會加劇林火蔓延速度，且風向變換則會重燃陰燃狀態下的尚未燃盡的可燃物，從而增強了林火燃燒的火強度。華山松林地表凋落物的燒除率遠遠低于云南松地表凋落物的燒除率，這是由于華山松的阻燃性較云南松更高所導致的。且華山松地表凋落物模擬火燒實驗的2種引燃方式的火強度值均低于云南松地表凋落物的火強度值，這是由于華山松地表凋落物含水率較高，燒除率較低且火焰持續時間較短等多方面因素導致的結果。但華山松地表凋落物與云南松地表凋落物的火強度值均在人體可接受范圍內，屬于低強度火燒，難以發展為樹冠火，因此若其地表凋落物的潛在能量引起火災則不會對中林齡華山松及云南松造成威脅，與王秋華等[7]采用小樣地調查方法對于滇中地區云南松純林計劃燒除研究調查和鄭永波等[5]對于西南林區4種易燃可燃物的載量估測方法所統計出的結論相似。但在實際森林火災中，由于云南松林燒除率比較高，燃燒比華山松林更為徹底。因此一旦發生森林火災，枯枝將最先燃盡，然后燒入可燃物上層，通過熱輻射提前給下層可燃物預熱，進而使下層可燃物點燃且燒盡，致使其喪失保護能力和隔離作用，進而破壞土壤及植被根系，導致森林水土流失、巖石裸露、灌木死亡等情況，從而對整個森林生態系統造成嚴重破壞[8]，華山松與云南松相比雖含水率更高，燒除率更低，更不易燃燒，但其抗火性較弱[19]，仍需引起重視。由此可見，定期對華山松林及云南松林地表凋落物進行計劃火燒，能夠減少可燃物的積累，降低森林燃燒性，具有良好的森林防火功能。

滇東北地區森林地表可燃物載量及火強度等火行為研究較少，未來為了進一步加強研究，進而準確預測滇東北地區林火蔓延的趨勢，完善林火防護體系，可采取如下措施：1）運用高分辨率衛星（如World viewer系列、Landsat系列和高分一號等）獲取更高分辨率遙感影像，進行監督以及非監督分類，結合林相圖將傳統手段難以細分的華山松及云南松的闊葉林和針葉林進一步劃分，利用數字高程模型（DEM）以及土壤類型，最后再運用深度學習的算法——回歸或神經網絡的方法構建模型，從而使估測的可燃物載量更加趨于精確[20]。2）定期在滇東北地區對華山松及云南松林進行計劃火燒，尤其是在每年3月、4月防火緊要時期來臨前，將云南松林與華山松林的地表凋落物收集并集中燒除，減少可燃物積累，降低森林燃燒性，并著重對華山松及云南松未分解枝進行清除。3）在滇東北地區分別設置云南松及華山松標準地，定期取凋落物進行火燒實驗，比較各標準地載量及火強度等火行為參數，從而更有針對性的對發生不同程度火強度火燒的華山松林與云南松林的側重防治撲救提供理論基礎。4）對分布于滇東北地區的各林區的不同林型在不同季節來分別設置樣地，分別測其不同季節所設樣地中各林型的可燃物載量，經過長期對不同林型的可燃物載量數據的比較分析進一步掌握滇東北地區不同林型在不同季節的火強度，為防火提供理論依據。5）收集滇東北地區各林區不同樹種進行計劃燒除的可燃物載量及火行為參數數據并作為訓練樣本，結合計算機運用神經網絡算法將可燃物載量與其他因子關系建立燃燒模型，當實際林火發生時能夠運用模型準確預測可燃物載量及火強度。6）在滇東北地區對林火多發區按林區面積比例建天然蓄水池，為林火撲救提供充足水源。

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