腐殖質粒徑和燃燒深度對興安落葉松人工林地下火燃燒溫度的影響

高 博,尹賽男,韓喜越,單延龍,張國將,于 渤,姜禹森,王明霞

北華大學林學院, 吉林 132013

地下火是發生在地表以下的一種低溫、無焰、燃燒緩慢的陰燃現象,雖然發生次數較少,但是一旦發生將嚴重破壞生態系統和景觀格局[1—2]。地下火燃燒不僅會損害植物根系,對植物造成致命傷害[3]；還會消耗土壤有機碳,破壞土壤結構,改變土壤成分,造成地面坍塌[4—6]；同時釋放出大量有害性氣體和顆粒物,嚴重污染大氣環境[7—8]。在一定條件下,當地下火陰燃達到一定溫度后,就可能會轉變成明火,引發地表火甚至樹冠火,對森林造成二次損傷,同時還嚴重威脅撲救人員的人身安全[9—10]。如何科學有效地防控這一危害嚴重的森林火災一直困擾著森林防火工組人員。森林群落中土壤有機碳存在空間異質性[11],不同地下可燃物的燃燒特征也存在一定差異[12],再加上地下火自身極強的隱蔽性,撲火人員很難確定其燃燒情況,冒然進入火場具有極高的風險性。

目前,國外關于地下火的研究主要集中在泥炭火,對腐殖質層地下火的研究較少；而國內對地下火的研究仍處于探索階段,相關研究多以單一可燃物為研究對象,對不同類型可燃物的研究鮮有報道[13—15]。Huang等[16]研究了泥炭火的垂直蔓延,發現陰燃蔓延受氧氣含量的影響,氧氣濃度越大蔓延速度越快；Palamba等[17]對巴布亞和南蘇門答臘的泥炭樣品進行了模擬點燒實驗,發現兩種樣品燃燒溫度約600℃,蔓延速度為4.50—4.75cm/h；Reardon等[18]發現含水率和礦物質含量對泥炭陰燃的持續燃燒存在影響,并基于Logistics方程建立了不同含水率和礦物質含量下陰燃持續燃燒概率的預測模型；何誠等[13]通過模擬點燒實驗發現大興安嶺地區半分解層和腐殖質層的點著溫度分別為405℃和525℃,陰燃最高溫度可達690℃；者香[19]研究發現不同條件下泥炭的燃燒溫度存在差異,峰值溫度在510—720℃之間,峰值溫度隨泥炭粒徑的增大而減小。尹賽男等[20]通過對腐殖質層的模擬點燒實驗發現,地下火陰燃的最高溫度與燃燒深度存在正向線性關系,并擬合了地下火燃燒深度與最高溫度的線性方程。

地下火的陰燃與其他林火蔓延方式不同,既能水平方向蔓延,也能垂直方向蔓延[21],且陰燃本身是一個氧化還原反應過程,燃燒所釋放的溫度影響著陰燃的蔓延[22]。本研究以我國地下火頻發區域之一的大興安嶺地區為研究對象,在前文地下火陰燃溫度特征研究的基礎上[23],考慮地下火水平蔓延的影響,進一步研究了興安落葉松(Larixgmelinii)人工林地下火燃燒溫度影響因素和溫度預測,這將對該地區地下火的預防、監測、撲救以及保護一線撲火人員的生命安全具有重要意義,同時還能夠為撲火裝備的研發提供重要的數據支撐。

1 研究區概況

大興安嶺林區是我國保存較完好、面積最大的原始森林,全長1400多km,均寬約200 km,海拔1100—1400 m,總面積32.72萬 km2,其中黑龍江省境內8.48萬 km2。本研究區域位于加格達奇森林經營技術推廣站(123°45′—124°26′E,50°09′—50°35′N),該地區屬于寒溫帶大陸性季風氣候,冬季漫長高寒,夏季短暫溫涼,春秋分明少雨,多高火險天氣,年平均氣溫-2.6℃,最低溫度-52.3℃,年降水量450—500mm,全年無霜期80—110d[24]。植被以山地寒溫帶針葉林為主,主要樹種包括興安落葉松(Larixgmelinii)、白樺(Betulaplatyphylla)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、山楊(Populusdavidiana)、紅皮云杉(Piceakoraiensis)等[25],其中興安落葉松為該地區主要優勢建群種[26]。

2 材料與方法

2.1 實驗樣品的采集與處理

于2018年春季防火期前往大興安嶺地區加格達奇進行野外調查,在該地區5種地類下分別選取3塊30m×20m興安落葉松人工林作為實驗樣地,并記錄樣地的基本信息(表1)。采用尹賽男[27]的研究方法采集腐殖質帶回實驗室,并進行預處理。實驗前對腐殖質進行烘干處理,烘干溫度為105℃,烘干時間為48h。本研究將烘干后的腐殖質通過中藥粉碎機進行粉碎處理后過篩。在每種地類下分別設置了4個粒徑(≤20目、≤40目、≤60目、≤80目),然后進行模擬點燒實驗。

表1 樣地基本信息

2.2 森林地下火模擬點燒實驗

本實驗使用尹賽男[27]碩士論文中自行組裝的地下火溫度采集系統(圖1)。該系統包括陰燃反應爐、K型熱電偶、數據采集模塊、筆記本電腦、遠紅外加熱板、補償導線等。

圖1 模擬燃燒實驗裝置Fig.1 Experimental apparatus for simulated combustion

2.3 數據處理與分析

使用Excel軟件整理地下火陰燃溫度變化數據,為減少遠紅外加熱板對實驗結果的影響,水平方向的數據從第3根熱電偶開始記錄,垂直方向自上向下記為垂直蔓延深度(下文記作深度),水平方向上從左至右記為水平蔓延距離(下文記作距離)；使用SPSS軟件進行方差分析和逐步回歸分析；使用Origin軟件繪制箱式圖,其中箱體為數據的25—75%,上下延長線為數據的最大值和最小值,箱體上存在任意一個相同的字母說明二者之間差異不顯著。

3 結果與分析

3.1 不同地類的不同粒徑腐殖質和深度對地下火燃燒最高溫度的影響

根據方差分析結果可知,不同地類條件下不同粒徑腐殖質和深度的地下火燃燒最高溫度之間均存在極顯著差異(P<0.01)；其中塔頭甸子條件下二者之間交互作用存在極顯著差異(P<0.01),需進行簡單效應分析,而其他4種地類條件下二者之間交互作用則差異不顯著(P>0.05)。通過簡單效應分析可知,塔頭甸子的不同粒徑腐殖質條件下不同深度的燃燒最高溫度之間均存在顯著差異(P<0.05),但是在不同深度條件下不同粒徑腐殖質之間無顯著差異(P>0.05)。

由圖2可知,有坡山地腐殖質粒徑≤80目時燃燒的溫度最高(492.45℃),與粒徑≤20目(463.33℃)和≤60目(446.27℃)之間不存在差異；粒徑≤40目的溫度最低(427.74℃),與其它3種粒徑之間都存在差異。無坡山地條件下的腐殖質粒徑≤80目時燃燒的溫度最高(401.15℃),與其它幾種粒徑之間都存在顯著差異；其次是粒徑≤20目時(332.01℃),與≤40目之間存在顯著差異；粒徑≤40目燃燒溫度最低(272.46℃)。農用地在腐殖質粒徑≤20目時燃燒溫度最高(415.18℃),與粒徑≤40目(411.40℃)和≤80目(385.52℃)之間無差異；粒徑≤60目燃燒溫度較低(345.47℃)。水濕地腐殖質粒徑≤80目時燃燒溫度最高(524.25℃)與粒徑≤40目(475.07℃)之間不存在差異；粒徑≤20目燃燒溫度最低(374.22℃),且與其它3種粒徑之間都存在顯著差異。

圖2 不同腐殖質粒徑對地下火燃燒最高溫度影響的多重比較Fig.2 Multiple comparison of the effects of different humus particle sizes on the maximum combustion temperature of underground firea、b、c、d不同字母間表示相關顯著(P<0.05)

由圖3可知,4種地類條件下均為深度12cm處的燃燒溫度最高(有坡山地544.28℃；無坡山地403.50℃；農用地462.27℃；水濕地548.84℃),與其他3個深度之間存在顯著差異,其次深度9cm時的燃燒溫度與3cm和6cm時的燃燒溫度之間存在顯著差異；深度6cm和3cm時燃燒溫度較低,且二者之間不存在顯著差異。

由圖4可知,塔頭甸子的所有粒徑腐殖質都是在深度12cm時燃燒溫度最高,其中當粒徑≤80目時溫度最高,均值為745.63℃,并且與其它3個深度之間都存在顯著差異；其次深度9cm時的燃燒溫度與3cm和6cm時的燃燒溫度之間存在顯著差異；深度3cm和6cm時的燃燒溫度較低,而且二者之間不存在差異。

圖3 不同深度對地下火燃燒最高溫度影響的多重比較Fig.3 Multiple comparison of the effects of different depths on the maximum combustion temperature of underground fire

圖4 不同深度對塔頭甸子不同腐殖質粒徑地下火燃燒最高溫度影響的多重比較Fig.4 Multiple comparison of the effects of different depths on the maximum combustion temperature of underground fire of different humus particle sizes in Tatuodianzi

3.2 不同燃燒深度的不同粒徑腐殖質和地類對地下火燃燒最高溫度的影響

根據方差分析可知,不同深度下不同粒徑腐殖質、地類以及二者的交互作用對地下火燃燒最高溫度的影響都存在顯著差異(P<0.05)。根據簡單效應分析可知,在不同粒徑腐殖質條件下,不同地類對地下火燃燒溫度的影響均存在極顯著差異(P<0.01)；而在不同地類條件下,不同腐殖質粒徑之間未見差異(P>0.05)。

由圖5可知,當燃燒深度3cm腐殖質粒徑≤20目時,塔頭甸子的燃燒溫度最高(470.24℃),與水濕地、農用地、無坡山地之間存在顯著差異；其次是有坡山地(406.13℃),無坡山地最低(287.90℃)。粒徑≤40目時,塔頭甸子(479.81℃)與其它3種地類之間存在顯著差異,其次是水濕地(399.14℃)；無坡山地的燃燒溫度最低(208.18℃)。粒徑≤60目和≤80目都是塔頭甸子、有坡山地、水濕地的燃燒溫度較高并且之間不存在顯著差異；農用地和無坡山地的燃燒溫度較低。

圖5 不同腐殖質粒徑下不同地類對地下火燃燒最高溫度影響的多重比較(3cm)Fig.5 Multiple comparison of the effects of different land classifications on the maximum combustion temperature of underground fire under different humus particle sizes(3cm)

由圖6可知,深度6cm腐殖質粒徑≤20目時,塔頭甸子的腐殖質燃燒溫度最高(480.14℃),與其它4種地類之間均存在顯著差異；其次是有坡山地(397.72℃)和農用地(388.09℃)；無坡山地的燃燒溫度較低(301.11℃)。粒徑≤40目時,塔頭甸子的腐殖質燃燒溫度最高(512.34℃),與其它4種地類之間存在顯著差異；其次是水濕地(434.03℃)、有坡山地(377.46℃)、農用地(377.03℃)；無坡山地燃燒溫度較低(230.79℃)。粒徑≤60目時,塔頭甸子(486.88℃)、有坡山地(430.15℃)、水濕地(410.77℃)的燃燒溫度較高；農用地(318.87℃)和無坡山地(256.19℃)的燃燒溫度較低。粒徑≤80目時,塔頭甸子的燃燒溫度最高(521.83℃),與其它4種地類之間存在顯著差異；其次是有坡山地(452.20℃)和水濕地(448.21℃)；無坡山地(358.76℃)和農用地(357.32℃)的溫度較低。

由圖7可知,深度9cm時,無論哪種粒徑下塔頭甸子燃燒溫度都是最高的,并且與其它4種地類之間都存在顯著差異。粒徑≤20目時,有坡山地的燃燒溫度(491.62℃)僅次于塔頭甸子,與其他3種地類存在顯著差異；水濕地(398.58℃)和無坡山地(350.17℃)的燃燒溫度較低。粒徑≤40目時,水濕地(494.67℃)、有坡山地(464.91℃)、農用地(438.35℃)的燃燒溫度之間不存在顯著。腐殖質粒徑≤60目和≤80目時有坡山地和水濕地的腐殖質燃燒溫度相近,并二者之間不存在顯著差異,且都與農用地和無坡山地之間存在顯著差異。

圖6 不同腐殖質粒徑下不同地類對地下火燃燒最高溫度影響的多重比較(6cm)Fig.6 Multiple comparison of the effects of different land classifications on the maximum combustion temperature of underground fire under different humus particle sizes(6cm)

由圖8可知,深度12cm腐殖質粒徑≤20目時,塔頭甸子(625.75℃)的燃燒溫度最高,并且與其它4種地類之間存在顯著差異；其次是有坡山地(557.85℃),并且與農用地、水濕地和無坡山地之間存在顯著差異；無坡山地的燃燒溫度最低(388.87℃)。粒徑≤40目時,塔頭甸子的燃燒溫度最高(722.42℃),與其他4種地類之間存在顯著差異；水濕地(572.43℃)、有坡山地(545.90℃)、農用地(519.67℃)的燃燒溫度之間不存在顯著差異。粒徑≤60目時,塔頭甸子腐殖質燃燒的溫度最高(634.27℃)；水濕地(500.20℃)和有坡山地(489.92℃)的燃燒溫度之間不存在顯著差異。腐殖質粒徑≤80目時,塔頭甸子(736.80℃)和水濕地(673.95℃)的燃燒溫度之間不存在顯著差異,但都與其它3種地類都存在顯著差異,農用地的燃燒溫度最低(467.39℃)。

圖8 不同腐殖質粒徑下不同地類對地下火燃燒最高溫度影響的多重比較(12cm)Fig.8 Multiple comparison of the effects of different land classifications on the maximum combustion temperature of underground fire under different humus particle sizes(12cm)

3.3 不同地類地下火燃燒溫度與粒徑、燃燒深度及距離的關系

表2 不同地類下地下火燃燒溫度預測模型

4 結論與討論

地下火燃燒過程極為復雜,具有隱蔽性強、燃燒不連續、方向易變等特點[28],所以很難開展實地點燒實驗進行研究,目前國內外對地下火的相關研究絕大多數都以室內模擬點燒實驗為主[13,29—30]。地下火是森林中一種低溫、無焰的陰燃現象[31—32],燃燒過程一般無明火,依靠自身釋放的熱量維持,所以燃燒溫度是研究其火行為特征的重要參考和依據[22—23]。大興安嶺地區嶺南的人工林生長量和蓄積要高于嶺北地區[33],而且位于嶺南的加格達奇地區還分布著大面積在濕地種植的人工興安落葉松林[34],濕地土壤是地下火的易發生地區[6],所以本文通過室內控制模擬點燒實驗的方法對加格達奇地區5種地類條件下興安落葉松人工林腐殖質陰燃溫度變化的影響因素和預測進行了研究,結果表明不同地類、腐殖質粒徑以及深度都影響地下火燃燒所釋放的溫度,者香[19],尹賽男等[20],Huang等[35]也曾指出地下火燃燒的最高溫度受可燃物粒徑和燃燒深度的影響,這與本研究的結論相符。森林可燃物是林火發生和燃燒的物質基礎,可燃物的形狀、密度、大小等特征都對火行為產生影響[36]。本研究選擇的不同地類條件下興安落葉松林腐殖質在組成和結構等方面都不同,所以陰燃所產生的溫度也有著明顯的差異；腐殖質粒徑直接影響可燃物中的氧氣含量,而且氧氣含量是影響陰燃的主要因素之一[35],不同粒徑可燃物的燃燒特征也是陰燃的重要研究方向之一[37—38]；地下火的燃燒除了水平蔓延還會向地下蔓延[39],而不同深度地下火燃燒的氧氣含量和熱量損失不同,燃燒所釋放的溫度自然就存在差異。

通過研究發現不同地類條件下地下火燃燒過程中都是以腐殖質粒徑≤80時溫度最高,辛穎等[38]在相關研究中也指出粒徑小的可燃物陰燃溫度較高。這是由于小粒徑的腐殖質燃燒釋放的熱量散失慢,同時隨著粒徑的減小增加了燃燒表面積,使燃燒過程更為劇烈,所以導致燃燒溫度高[38]。不同深度的腐殖質燃燒過程中,近表層的燃燒溫度較低,深層的燃燒溫度較高,者香等[40]和尹賽男等[20]的研究也表明陰燃溫度隨著深度的增加而升高。本次實驗所使用的陰燃爐上層不密封,所以近表層的腐殖質燃燒熱量散失快,而深度的腐殖質由于上層可燃物覆蓋熱量散失慢所以燃燒溫度高。5種地類中塔頭甸子和水濕地的腐殖質燃燒溫度要高于其他地類,尤其是塔頭甸子。這兩種地類屬于濕地的一種,在同樣氣候類型下,地表有積水時微生物活性因氧氣匱乏處于較低水平,有機殘體分解緩慢,時間越長越有利于有機碳的積累[41],而且有機質富集的泥炭地或濕地土壤很容易發生地下火[6],所以導致這兩種地類的腐殖質有機質含量高,地下火燃燒所釋放的溫度也高。

通過逐步回歸法對不同地類的不同粒徑腐殖質在不同深度和距離處的最高溫度進行了預測,建立預測模型。其中深度、距離和粒徑可作為有坡山地、水濕地和農用地條件下模型自變量,深度和腐殖質粒徑可作為塔頭甸子和無坡山地條件下模型自變量,模型各變量均通過了顯著性檢驗(P<0.05)。受實驗條件的限制,本研究僅對垂直與水平蔓延12cm內地下火燃燒最高溫度進行了預測,而深層地下火的燃燒深度可達20—50cm[2],所以對腐殖質燃燒溫度的預測研究還有研究空間。此外,腐殖質層的含水率、灰分含量與結構等均可影響地下可燃物的燃燒[18,37],所以作者接下來還會結合其他因素對地下火燃燒溫度預測進行進一步研究。