森林撫育對滇中地區潛在樹冠火的影響

張運生,舒立福,趙鳳君,郭萬力,劉柯珍

(1.南京森林警察學院 治安學院,南京 210023;2.中國林業科學研究院 森林生態與環境保護研究所,北京 100091;3.云南森林自然中心,昆明 650051)

0 引言

森林撫育就是通過調整林分結構來改變林內光照、濕度和溫度等條件,從而為林木生長提供更好的生長環境[1-2],是森林可燃物調控的常用方法之一[3]。針葉林非常易燃,但其自然整枝能力往往較差,枯死的枝條仍有大部分殘留在活立木上,特別是較耐陰的柏木,下部活枝條距離地面很低,樹干上的枯枝和鮮枝為地表火引燃樹冠火創造了條件[4]。修枝、割灌和疏伐等可燃物調控措施可基于森林撫育來進行。通過疏伐降低了樹冠可燃物的連續性,從而破壞了樹冠火的連續性[1,5],中郁閉度針葉林林分常采用修枝撫育來對可燃物進行調控[1]。專家學者們還分別對同齡林和異齡林的森林撫育可燃物調控措施進行了研究[5-6],研究了不同撫育措施對減少地表火強度和樹冠火發生的作用[7-15]。

樹冠火是在林冠層燃燒和蔓延的火,一般由地表火燒至針葉幼樹群或樹冠下低垂的枝條、枯立木和風倒木等再延燒至樹冠而引起。樹冠火一般與地表火同時存在產生立體火災,樹冠火不僅可以燒毀枝葉和樹干,還能燒毀幼樹和下木,對森林破壞性極大。

因此,研究樹冠火的發生機制及預防、降低樹冠火發生和蔓延的措施具有非常重要的理論意義和實踐價值。森林撫育措施間接地具有可燃物調控的作用,潛在地可降低林分地表火強度和樹冠火發生概率。但森林撫育措施對潛在樹冠火的影響定性分析多,定量評估研究少。

本研究結合昆明市盤龍區2021年中央財政天保區森林撫育項目進行,并嚴格按照《森林撫育規程》對撫育措施中修枝、割灌除草、疏伐/生長伐的詳細規定進行。研究選擇易燃性較高的華山松(Pinusarmandii)和柏木(Cypress)為優勢樹種的林分為空間單位,通過小班森林撫育前后可燃物數據對比、林分潛在火行為指標對比,定量評估森林撫育措施對潛在樹冠火的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區森林和可燃物狀況

云南省昆明市盤龍區2021年(云南森林自然中心)森林撫育范圍屬于天保工程區,從2000年以來進行了多項工程造林和封山育林,形成了大面積以華山松、柏木為優勢樹種的人工純林,由于造林初植密度過大,自然整枝不良、通風透光不暢,為鞏固造林成效,促進林木生長急需進行撫育。

2021年云南森林自然中心撫育任務面積365 hm2,按作業區條件共區劃4個作業區,分布在長蟲山林區、石關林區、摩天嶺林區和平頂山林區,共39個作業小班。樹種主要以華山松和柏木為主,林分起源均為人工林,齡組均為中齡林,林分平均胸徑8.0～16.6 cm,郁閉度0.70～0.85,林下灌木蓋度在5%左右,以柃木和其他灌木等為主,林下草本以紫莖澤蘭、蒿類為主,草本分布均勻,覆蓋度在5%～10%。

研究區華山松和柏木人工純林內梯狀可燃物明顯,針葉油脂含量高,部分落葉掉落在下部的枯死枝條上,容易干燥,且樹干下部枝條距離地面近,易導致地表火向樹冠火蔓延,形成危害性大的樹冠火。林內藤蔓纏繞衛生條件較差,地被物較厚,發生森林火災的風險高。

1.2 研究區森林撫育措施

根據現場調查及林木生長情況,為更好地促進林木生長,保護植被,撫育方式確定為疏伐+修枝、生長伐+修枝、修枝+割灌,間伐過密、質量低劣、無培育前途的林木,對林木分化明顯,被壓木多、有半死木、自然整枝不良的林木,需要進一步調整林分組成和林分密度,以加速目的樹種的生長。疏伐、生長伐遵循“砍劣留優、砍弱留強、砍彎留直、砍密留疏”的原則。

1.2.1 修枝、割灌措施

通過撫育,修去枯死枝和樹冠下部1～2輪活枝,幼齡(中齡)林階段修枝后保留冠長不低于樹高的2/3(1/2)樹樁盡量修平,剪口不能傷害樹木的韌皮部和木質部。對影響目的樹種的周圍雜灌進行割除,進一步調整林分樹種和空間結構,割灌過程中應避免全面割灌。

1.2.2 疏伐、生長伐措施

根據林木分類標準,伐除干擾樹,保留目標樹、輔助樹和其他樹。所采林木多為生長不良木或枯立木,直徑多為5 cm以下幼樹,及少量 6、8、10 cm。伐后郁閉度不低于0.60,林木分布均勻不造成林窗,保留株數應滿足最低保留株數要求。對于一穴多株、一叢多株的林木,只保留干形好的一株,其他作為采伐木;對過于集中,群狀生長的林木,適當選擇長勢較弱的林木作為采伐木,以改善林木營養空間;對林木過于分布稀疏的地段,應根據具體情況適當給予保留,避免采伐后出現林中空地。

1.3 研究方法

1.3.1 林分狀況調查

森林撫育前,在39個作業小班內選擇有代表性的地段設置樣地,對樣地內胸徑≥5 cm的林木分樹種每木檢尺,按照林木分類標準,確定保留木、采伐木,并分樹種按徑階進行登記,同時按徑階測定樹高,每個徑階實測3～5株,計算各徑階平均高,利用云南省各樹種二元立木材積公式計算各徑階蓄積,同時計算采伐木蓄積,各徑階蓄積合計得出樣地蓄積,并以此推算出全小班林木蓄積(株數)、保留木和采伐木的蓄積(株數)。胸徑<5 cm的幼樹,在樣地內查數株數,不進行蓄積推算,但株數計入樣地株數(若為采伐木則計入采伐株數),并推算出全小班林木株數。

樹種組成、平均胸徑、平均樹高、每公頃株數、每公頃蓄積、保留木(株數、蓄積)、伐除木(株數、蓄積)和株數采伐強度利用標準地各因子計算結果進行計算。林分郁閉度通過調查標準地的郁閉度得到。伐前郁閉度調查采取樹冠投影點觀測法;伐后郁閉度調查采取扣除采伐木后樹冠投影點觀測法;森林類別、林種和亞林種根據云南省盤龍區國家級、省級公益林規劃布局圖(2013年修編)確定;立地因子調查包括小班所處區域的海拔、坡度、坡向、坡位、地貌類型和土壤類型等;林下植被種類調查采用10 m×10 m的樣方,調查內容包括主要灌木和草本的高度、蓋度等情況。

1.3.1.1 林分環境因子

由林分環境因子一覽表(表1)可以看出,進行撫育的森林位于4個林區,分別是長蟲山林區、石關林區、摩天嶺林區和平頂山林區,共包含5個林班,分別是長蟲山林區的11和12林班、石關林區的9林班、摩天嶺林區的10林班、平頂山林區的25林班,林班下又劃分為39個不同的小班。

表1 林分環境因子一覽表Tab.1 List of stand environmental factors

森林撫育區各林班面積差異較大,面積最大的為11林班,為108.1 hm2,最小是9林班,為36.3 hm2,12林班、10林班、25林班的面積分別為98.7、62.07、59.5 hm2。小班面積也存在差異,最大為9林班1小班,19.7 hm2,最小為10林班10小班,3.1 hm2。林班和小班面積的差異主要受自然地形條件的限制。森林撫育區地形都屬中山范圍,海拔2 000～2 400 m。9林班海拔最高,平均海拔2 300 m;11林班和25林班海拔較低,平均海拔2 100 m;10林班和12林班的海拔居中,平均海拔2 200 m。不同林班之間坡度也存在較大差異,9林班和10林班坡度較大,平均坡度分別為28.7°和25.1°;其余林班坡度相對較小,平均14.3°。

由于不同林班在環境因子方面存在差異,為更好地分析這些差異對地表可燃物載量和潛在火行為的影響,對林班和小班進行了編號,用A、B、C、D、E分別代表長蟲山林區的11林班和12林班、石關林區的9林班、摩天嶺林區的10林班、平頂山林區的25林班,林班下的小班則用數字表示,見表1。

1.3.1.2 森林撫育前林分因子調查結果

由長蟲山林區、石關、摩天嶺和平頂山林區森林撫育前林分調查結果(表2)可以看出,長蟲山林區,除A1和B1、B2小班為華山松人工林外;其他小班的森林都是柏木人工林,柏木占到90%以上,其他栽植樹種主要是華山松,也有少量的云杉和櫟樹。林分都為中齡林,林齡最大為A5、A6和A8小班,30 a,林齡最小為B2小班,14 a,其他小班林齡在25～28 a。小班郁閉度較大,在0.75～0.80,目的樹和輔助樹比例80.5%,目的樹占比有待提高;A林班和B林班目的樹種的樹高和胸徑分別為7.3 m和9.7 cm、7.5 m和9.9 cm,相差不大,柏木和華山松的樹高和胸徑分別為7.5 m和9.7 cm、7.0 m和10.3 cm,柏木較高,華山松胸徑較粗;A林班和B林班的小班平均蓄積量分別為1 267.2 m3和1 200.9 m3,柏木林和華山松林小班平均蓄積1 524.7 m3和1 166.9 m3;A林班和B林班的小班林分密度分別為2 899株/hm2和2 817株/hm2,柏木林和華山松林小班株數2 814株/hm2和2 867株/hm2。

表2 森林撫育前林分調查結果Tab.2 Results of stand survey pre-tending

石關林區、摩天嶺林區和平頂山林區的森林都為華山松人工林,栽植樹種以華山松為主,占90%以上,栽植較多的其他樹種主要是云杉,林內還有少量的圣誕樹和其他闊葉樹。林分都為中齡林,林齡最大為C1和C2小班,28 a;林齡最小為D11和D12小班,14 a;其他小班林齡在20～25 a,C、D、E林班的平均林齡分別為25、19.8、20 a。小班郁閉度較大,在0.75～0.80,目的樹和輔助樹比例80.5%,目的樹占比有待提高。C林班、D林班和E林班華山松的樹高和胸徑分別為7.5 m和10.8 cm、7.9 m和10.7 cm、8.2 m和12.6 cm,小班平均蓄積量分別為1 185.6、510.9、948.5 m3,小班平均株數分別為2 506、2 353、2 207株/hm2。

1.3.2 可燃物載量調查

森林撫育前后在森林防火期共進行2次調查,撫育前是在2021年2月,撫育后是在2022年2月。

在每個作業小班內設置4個10 m×10 m樣地,在樣地沿對角線設置1 m×1 m小樣方3個,在每個樣地內記錄數據,包括地形特征、樹高、胸徑和枝下高等。鋼卷尺測定地表可燃物的厚度,用收獲法收集每個小樣方地表可燃物,稱取鮮質量后,取一部分樣品(鮮質量W1)回試驗室進行含水率的測定,另取一部分樣品進行熱值測定,剩余樣品全部帶回實驗室用于火蔓延指標的測定。

1.3.3 可燃物含水率和熱值測定

可燃物含水率測定利用電熱鼓風干燥箱進行,105 ℃ 連續烘 24 h至絕干狀態,用電子天平稱絕干質量(W2)。

由式(1)計算出可燃物相對含水率(H)。

(1)

式中:H為相對含水率,%;W1為鮮質量,g;W2為絕干質量,g。

用式(2)計算出(W)。

W=W0×(1-H)×10。

(2)

式中:W為有效可燃物負荷量,t/hm2;W0為單位面積可燃物鮮質量,kg/m2;H為相對含水率,%。

地表可燃物的熱值用XRY-1C 微機氧彈式量熱儀測定,計算見式(3)。

(3)

式中:Q為地表可燃物的熱值,J/g;k為水當量,kJ/℃;T0為點燃前的溫度,℃;T為點燃后的溫度,℃;Δt為溫度校正值,℃;G為樣品質量,g。

1.3.4 火行為指標計算

1.3.4.1 火蔓延速度

在試驗室內模擬近似無風狀態下的燃燒火行為,獲得火在風速為0 m/s時地表火的蔓延速度。試驗室內水平放置鐵質燃燒床(長200 cm,寬120 cm,高34 cm),底部覆蓋一層 2 cm 厚的石膏板,以減少熱量損失。樣品采回后,盡快展開火燒試驗。將樣方內的地表可燃物均勻鋪在燃燒床1 m×1 m 的范圍內,可燃物厚度與外業調查測定的地表可燃物厚度相同。用秒表記錄點著時間和熄滅時間,以計算水平無風火蔓延速度(R,m/s)。

1.3.4.2 地表火強度

20世紀50年代,Byram等[16]深入研究了森林燃燒中可燃物有效負荷量(available fuel)、熱值(heat yield)和蔓延速率(rate of spread)之間的關系,提出了經典的火強度(fire intensity)公式,用來計算單位火線長度、單位時間內釋放的能量。根據Byram等[16]提出的火強度公式,可以獲得式(4)。

(4)

式中:I為火強度,kJ/(m·s);Q為可燃物熱值,J/g;W為有效可燃物負荷量,t/hm2;R為林火的蔓延速度,m/min;1/600 為英制單位到公制單位的轉換系數。

相同條件下,風速為0 m/s時,火焰長度就是火焰高度,火焰高度是地表火轉化成樹冠火過程中的重要指標[17],根據式(4)和Byram等[16]的火焰長度公式,可以計算出風速為0 m/s時的火焰高度,如式(5)所示。

(5)

式中:h為火焰高度,m;L0為風速為0 m/s時的火焰長度,m;Q為可燃物熱值,J/g;W為有效可燃物負荷量,t/hm2;R0為風速為0 m/s時的林火蔓延速度,m/min。

坡度對林火蔓延速度有較大影響,根據王正非研究[18],對R0進行調整:

(6)

式中:R0為風速為0 m/s時的林火蔓延速度,m/min;R1為水平無風時火的初始蔓延速度,m/min;θ為地面平均坡度。

樹冠的最低枝下高與地表可燃物火焰的高度差越大,發生樹冠火的概率越低。通過測量森林撫育前后地表可燃物的載量、熱值和火蔓延速度,進而計算出火線林火強度和火焰高度,通過分析森林撫育前后樹冠最低枝下高與火焰的高度差,進而分析森林撫育對樹冠火發生概率的影響。

2 結果與分析

2.1 撫育前后可燃物載量

圖1和圖2為林區森林撫育前后枝下高和可燃物載量,由于華山松與柏木生態特性的差異,華山松林和柏木林在枝下高、可燃物載量差異顯著。

A.長蟲山林區11林班;B.長蟲山林區12林班;C.石關林區9林班;D.摩天嶺林區10林班;E.平頂山林區25林班;數字1、2、3、…、12為小班號;0為撫育前;1為撫育后。下同。A.Changchongshan forest region 11 compartments; B.Changchongshan forest region 12 compartments; C.Shiguan forest region 9 compartments; D.Motianling forest region 10 compartments; E. Pingdingshan forest region 25 compartments; the numbers 1, 2, 3,... and 12 are small class numbers; 0 is before tending; 1 is after rearing. The same below.圖1 森林撫育前后枝下高Fig.1 Height of lowest branch before and after tending

圖2 森林撫育前后地表可燃物載量Fig.2 Fuel load before and after tending

由圖1可以看出,森林撫育前華山松林平均枝下高(1.43 m)遠高于柏木林平均枝下高(0.30 m),森林撫育后華山松林平均枝下高(2.02 m)高于柏木林平均枝下高(1.50 m)。森林撫育后華山松平均枝下高增加了41.2%,柏木林平均枝下高顯著增加,增加了398.7%。

由圖2可以看出,森林撫育前華山松林地表平均可燃物載量(11.21 t/hm2)遠高于柏木林(5.35 t/hm2)。森林撫育后華山松林與柏木林地表平均可燃物載量顯著降低,差距減小,華山松林為(2.78 t/hm2)高于柏木林(1.78 t/hm2),華山松林平均可燃物載量降低了75.2%,柏木林平均可燃物載量降低了66.7%。

2.2 撫育前后地表可燃物火行為

2.2.1 地表可燃物熱值

圖3為森林撫育前后地表可燃物熱值,森林撫育后,地表可燃載量下降,地表可燃物由于光照、溫度和濕度等發生變化,測得的熱值較森林撫育前略有升高。

圖3 森林撫育前后地表可燃物熱值Fig.3 Heat yield before and after tending

由圖3可以看出,華山松林地表可燃物高于柏木林地表可燃物熱值,森林撫育前華山松林地表可燃物平均熱值(20 861 J/g)大于柏木林地表可燃物平均熱值(18 016 J/g),森林撫育后華山松林和柏木林地表可燃物平均熱值均有小幅增加,其中,華山松林地表可燃物平均熱值增加1.60%,柏木林地表可燃物平均熱值增加3.03%。

2.2.2 可燃物林火強度

利用式(4)計算火線林火強度,結果如圖4所示。由圖4可以看出,經過森林撫育,地表可燃物火線林火強度下降明顯,平均降低61.4 kJ/(m·s),平均下降幅度達76.1%,最大下降119.5 kJ/(m·s),最小下降14.4 kJ/(m·s)。其中,華山松林下降76.9%,柏木林下降68.5%,華山松地表可燃物火線林火強度下降幅度明顯要大于柏木林。

2.2.3 可燃物林火蔓延速度

利用式(6)可以計算出森林撫育前后地表可燃物林火蔓延速度,如圖5所示。

圖5 森林撫育前后地表可燃物林火蔓延速度Fig.5 Speed of surface fire spreading before and after tending

由圖5可以看出,森林撫育前華山松林地表火平均蔓延速度(0.28 m/min)大于柏木林地表火平均蔓延速度(0.15 m/min)。森林撫育后華山松林地表火平均蔓延速度下降7.92%,柏木林地表火平均蔓延速度下降8.50%。

2.2.4 引燃樹冠火可能性

地表火火焰對上方的梯狀可燃物有烘烤作用,使其脫水、熱裂解、釋放可燃氣體(H2、CO、CH4等)和開始燃燒。火焰距離枝條越近,引燃時間越短。從火焰高度與枝下高之間的距離可以分析樹冠火發生的危險性大小。

利用式(5)可以計算出地表可燃物火焰高度,如圖6所示。

圖6 森林撫育前后地表可燃物火焰高度Fig.6 Flame height before and after tending

由于華山松林地表可燃物載量明顯高于柏木林,由圖6可以看出,森林撫育前華山松林地表可燃物平均火焰高度(0.67 m)遠高于柏木林地表可燃物平均火焰高度(0.34 m)。森林撫育后火焰高度均有明顯下降,華山松林地表可燃物火焰高度平均下降49.13%,柏木林地表可燃物平均火焰高度下降41.40%。

3 結論與討論

3.1 討論

3.1.1 森林撫育對林下地表可燃物潛在火行為的影響

森林可燃物按照分布的空間位置可分為地下可燃物、地表可燃物和空中可燃物。可燃物的垂直連續性與樹冠火的發生密切相關,利用林火蔓延模型可以模擬林火行為。

自W.R.Fons1946年首先提出林火蔓延的數學模型以來,美國的Rothermel模型、澳大利亞的McArthur模型、加拿大的國家林火蔓延模型以及中國的王正非[18]林火蔓延模型等相繼被提出[19]。專家學者通過輸入可燃物和環境因子相關參數,可以計算出林火發生的可能性大小或蔓延的相關火行為參數,已廣泛應用于森林火災蔓延模擬。王凱[20]利用Rothermel模型對油松林、闊葉混交林、刺槐林、側柏林、針闊混交林地表火進行模擬,5種可燃物類型火線強度、火焰高度由大到小依次為:油松林、闊葉混交林、刺槐林、側柏林、針闊混交林。王叁[21]利用Rothermel模型進行模擬研究分別以低燃燒條件、中燃條件和高燃條件下對鐵杉林、云南松-側柏林、油杉林、云南松-油杉林和側柏林進行了研究。潘登[22]利用Rothermel模型和Byram模型進行研究,以環境因子、可燃物性質、空間位置以及林火特征為基礎,把森林燃燒等級劃分為低、中、高三級,并推算了不同燃燒等級下的林火強度、可燃物消耗量和火焰高度。

本研究通過實驗室測定地表可燃物的載量、熱值和無風條件下林火蔓延速度等因子,計算了華山松和柏木林下地表可燃物的林火強度。華山松相對于柏木林下可燃物載量高、熱值和林火強度大、林火蔓延速度快,華山松和柏木林地表可燃物潛在的林火強度均低于 750 kJ/(m·s),為低強度火[23],這應該和地表可燃物載量較小有關。經過森林撫育后,華山松和柏木林下可燃物林火強度和林火蔓延速度顯著降低,這主要是因為森林撫育后林下可燃物得到清理,可燃物載量得到顯著降低。森林撫育后,地表可燃物由于光照、溫度和濕度等發生變化,熱值略有提高。

3.1.2 森林撫育對潛在樹冠火的影響

根據地表火引燃樹冠火的機理,通過地表林火行為的模擬及喬木特征,特別是活枝/枯枝枝下高,可以為阻斷樹冠火發生的可燃物調控提供依據。在地表火引發樹冠火方面,樹木的第一枝下高和樹木的絕對含水率對樹冠火的發生具有重要影響[24]。呂夢雅等[25]通過深入研究地表火向樹冠火的轉換過程,完成樹冠火生長蔓延模型改進,并進行了實時仿真。牛樹奎等[26]通過對北京山區主要針葉林建立可燃物水平連續性指數和等級,以及定量評估垂直連續性,并對樹冠火蔓延的可能性進行評估發現,水平連續性高的針葉林,若發生樹冠火,極易蔓延形成大面積高強度樹冠火,垂直連續性高的針葉林,發生樹冠火的危險性高。

本研究嘗試了從森林撫育前后最低枝下高與地表可燃物火焰高度差來定量分析潛在樹冠火的發生的可能性。柏木林撫育前枝下高低,森林撫育前,柏木林地表可燃物的火焰高度均高于枝下高,發生地表火后,有較大的樹冠火發生隱患。森林撫育后,柏木林枝下高與地表可燃物火焰高度差平均增加了1.34 m,地表火引發樹冠火的概率降低。華山松枯枝脫落,增加了地表可燃物載量,進而增加了地表火強度和火焰高度,森林撫育前,雖然火焰高度未達到枝條所在高度,但二者之間較短的垂直距離,使枯死的華山松在較長時間烘燒下被引燃的概率較大。經過修枝和地表可燃物清理后,華山松林枝下高與地表可燃物火焰高度差由森林撫育前的0.76 m(平均)增加到1.68 m(平均),平均增長121.1%,發生樹冠火的危險性得到顯著降低。

以往對森林撫育的研究多集中于森林撫育技術本身及森林撫育技術對森林質量提高的效果評價[27-28],而從森林撫育對潛在樹冠火的影響研究較少,本研究為定量分析森林撫育措施對森林火災預防提供了依據和參考。對于地表可燃物引燃樹冠火的臨界定量研究涉及因素復雜,本次研究并未深入開展,需要進一步研究。

3.2 結論

華山松林和柏木林森林撫育后地表可燃物載量降低、枝下高增加,阻斷了可燃物的垂直連續性,使潛在的地表火蔓延速度和地表火火焰高度降低,增加了林木枝條與地表火焰間的距離,有效降低了樹冠火的發生概率。獲得的主要研究結果如下。

1)森林撫育前柏木林枝下高較低,平均0.30 m,模擬的地表火火焰高度約0.34 m,很多枝條都在火焰高度范圍內。撫育前的柏木林有非常高的樹冠火發生隱患。

2)森林撫育前華山松林枝下高較柏木林高,平均1.43 m,模擬的地表火火焰高度約0.67 m,雖然華山松的枝條不在火焰高度范圍內,但二者之間的距離差僅0.76 m。由于華山松樹干下部有很多輪枯枝,在高強度地表火焰的烘燒下,被引燃的可能性非常大,因此撫育前的華山松林也有很大的樹冠火發生隱患。

3)撫育后的柏木林,枝下高1.50 m左右,與地表火焰間的距離由負值增加到1.34 m,較大地降低了高強度樹冠火發生的隱患。

4)撫育后的華山松林,枝下高2.02 m左右,與地表火焰間的距離增加到1.68 m,高強度樹冠火發生的隱患也得到了很大程度降低。

通過森林撫育,可以有效減少地表可燃物載量和提高枝下高的高度,從而有效降低地表可燃物林火強度,進而降低發生樹冠火的可能性。