昆明西山国家森林公园粗死木质残体的燃烧性研究

王秋华，刘文国，李世友，陶汝坤，李明华，吴从起，阮德振

(1.西南林业大学 土木工程学院，云南 昆明 650224;2.云南省森林灾害预警与控制重点实验室，云南 昆明650224;3.国家林业局 昆明勘察设计院，云南 昆明 650216)

可燃物是森林燃烧的物质基础条件，是林火行为的主体，影响着林火蔓延、林火强度以及火烧后的损失[1－3]。森林可燃物具有复杂性、多样性和动态变化的特征[4]。森林可燃物不同，其燃烧性和火行为均不同。只有对可燃物的特征进行深入研究，才能把握可燃物的基本属性，实现可持续管理[5]。现有的森林燃烧性研究主要还是小尺度的，如北京喇叭沟门林区[6]，阿尔泰山8个主要林型[7]，北京八达岭林场[8－9]，黑龙江帽儿山地区几种乔木树种[10－11]，江西井冈山自然保护区和和南昌湾里区亚热带季风区不同林型等[12]。中尺度的研究，如辽宁东部、西北部地区森林地被可燃物[13－14]，南昌地区典型园林树种[15]，昆明地区35种森林木本植物[16]，以及省级区域的江西省造林树种燃烧性研究[17]。研究主要集中于森林地表可燃物、树种等的燃烧性。

而森林粗死木质残体(Coarse Woody Debris，CWD)是森林生态系统中重要的结构性和功能性组成要素，是联系森林生态系统养分循环、碳库贮存、群落更新以及为其它有机体提供生境等主要功能的载体和纽带，是森林生态的研究热点[18－19]，同时，也是森林火灾研究的热点，因为它是森林火灾扑救过程中最难以彻底扑灭的可燃物，也是火场明火扑灭后引起森林火灾复燃从而再次导致大火蔓延的主要载体。因此，CWD的燃烧性应引起森林防火学者、专家们的关注和重视。本文从小尺度范围以昆明近郊的西山国家森林公园为研究对象，通过外业调查和实验室分析，测定了CWD的载量、热值、灰分含量和点着温度，并用单位面积热量作为关键指标来研究6种主要林型内粗死木质残体的燃烧性，进行排序。

1 研究地概况

昆明西山国家森林公园地处东经 102°37'－102°38'，北纬 24°57'－24°59'，东临滇池，是滇中高原浅切割中山的一部分，位于西南季风的影响范围内，海拔1 890～2 366 m，山体沿构造线成近乎南北走向，面积约16 km2，由于山体受断层作用的影响，山势陡峭。山体中下部年均温14.7℃，最热月均温19.8℃，最冷月均温7.7℃，年平均气温在10～22℃，年较差12.1℃[20]。全年干湿季节分明，降水量1 094.1 mm，每年5—10月为雨季(降水量占全年的88%)，11月至次年4月为干季(降水量占全年的12%)，其中2—4月降水最少，年均相对湿度74%[21]。土壤类型复杂多样，垂直分异明显。该公园除罗汉崖外，均为繁茂的原始次生林，随高度变化森林垂直带谱也十分明显。山体下部以栎类为主的亚热带常绿阔叶林，山体上部以地盘松、华山松为主的针叶林。

2 研究方法

2.1 样地设置

2012年1月2日—4月30日，在昆明西山国家森林公园内从山顶至山脚选择森林植被连续分布且具有代表性的林地，分别在云南的森林防火期(12月1日至翌年的6月15日)，特别是在防火紧要期间(3，4月份，森林火险等级最高，最具有代表性)内设置样地(20 m×10 m)，包括华山松林，地盘松林，云南油杉林，旱冬瓜林，麻栎林和青冈林6种主要林型，每个林型各3块样地，共计18块。在样地内测定树高、密度、胸径、郁闭度等林分因子，用生长锥测树木年龄，用明高海拔仪测定海拔高度，另外用罗盘测坡度、坡向等地形要素。在每个样地内沿对角线设置3块2 m×2 m小样方，统计每个小样方的粗死木质残体(直径≥2.5 cm的死木质物[22])，取样后用便携式电子天平(9号电池，精度±0.01 g)各称鲜质量150 g左右后装进信封并用封口袋密封备用。

2.2 燃烧性测定

(1)含水率测定。把带回的试样放入电热鼓风干燥箱内，在85℃下连续24 h烘至绝干，用电子天平称绝干质量，计算出每个样方内不同种类可燃物绝干含水率(%)。

(2)载量计算。根据样方内可燃物鲜重和含水率计算可燃物的载量(kg/m2)。

(3)热值测定。用XRY－1C微机氧弹式热量计，采用量热法测定热值。计算公式如下:

Q—预测可燃物的发热量，kJ/kg;k—水当量，kJ/℃;T0—点燃前的温度，℃;T—点燃后的温度，℃;△t—温度校正值，℃;G—样品质量，g。

(4)点着温度的测定。用DW－02型点着温度测定仪。每个样品测3次，取平均值。

(5)灰分含量的测定。采用干灰化法，即样品在箱式电阻炉(马弗炉)550℃下灰化5 h后测定其灰分含量。每个试样重复3次，取平均值。计算公式如下:

2.3 数据处理

用Excel 2007和SPSS 16.0对数据进行处理。

3 结果与分析

3.1 主要林型的特征

表1 西山国家森林公园6种主要林型的特征Tab.1 The characteristics of six forest types of Xishan national forest park

经样地设置和分析，在西山国家森林公园东南坡，从山顶至山脚主要有华山松(Pinus armandii Franch.)、云南油杉(Keteleeria evelyniana Mast.)和滇青冈(Cyclobalanopsis glaucoides Schottky)，在西坡主要有地盘松(Piuus Yunnanensis Var Paamaea)、麻栎(Quercus acutissima Carr.)和旱冬瓜(Alnus nepalensis D.Don)(表1)。从林分密度、林龄、郁闭度、树高以及胸径等，都具有代表性，具备西山国家森林公园6个主要林型的基本特征。地盘松由于主干不明显，紧贴地表，且非常茂密，人几乎无法进入，在此忽略不计密度。

3.2 主要林型CWD的燃烧性

3.2.1 含水率和载量 表2，华山松CWD含水率为8.25% ～76.13%，平均36.78%;载量为(0.14±0.03)kg/m2，因为华山松分布区气候属于温凉性，样地为中龄林，基本完成了自然整枝，林下CWD较少。

云南油杉 CWD 含水率为 23.43% ～53.77%，平均40.95%;载量为(0.08 ±0.03)kg/m2，这和云南油杉性喜温暖湿润的气候有关，其分布区属典型的季风高原亚热带气候，林分较稀疏，林内比较潮湿，生长较为缓慢。

滇青冈林 CWD 含水率为 8.42% ～12.67%，平均 10.58%;载量为(0.18 ±0.06)kg/m2，因为它是滇中高原地区偏干旱生境下发育的一类较为典型常绿阔叶林，主要生长在地势较陡的地方，不利于水分的积蓄，同时受到的人为影响也较大，树高较低、较稀疏，树干多弯曲，树皮厚，分枝多，林内下木不发达。

地盘松林 CWD 含水率为17.50% ～20.24%，平均18.87%;载量为(0.94 ±0.16)kg/m2，居第1，这和地盘松的生长特性有关:无明显主干，近地表呈盘状，贴伏地面，多为“纯林”，林内多枯死的枝条，属耐旱植物，连片出现，林内干燥。

麻栎林 CWD 含水率为16.03% ～18.90%，平均17.24%;载量为(0.19 ±0.07)kg/m2，居第1，因为麻栎是落叶、喜光树种，喜欢在光线充足，土壤深厚的山坡地上生长，不能在林冠下生长;在滇中地区麻栎林分布广，环境条件多样和人为破坏程度高，纯林多为中幼龄林或萌生矮林，单层林，林冠整齐，林下枯枝相对较多。

旱冬瓜林 CWD 含水率为12.71% ～16.97%，平均 15.29%;载量为(0.07 ±0.03)kg/m2，为最低，因为旱冬瓜喜温凉湿润的气候条件，要求生年降水量800 mm以上，相对湿度70% 以上[23]，林冠稀疏，林相较整齐，林分结构简单，组成单纯，多为单层林，叶片大而薄，极易分解，而枯死的枝条很少。

表2 6种林型CWD的含水率、载量及热值Tab.2 Moisture content，fuel load and heat value of CWD of six forest types

3.2.2 热值及单位面积热量 在进行林火燃烧计算以及评价火强度、能量传递、蔓延状态等时，燃烧热是不可缺少的依据。但由于森林可燃物很难确定其精确的分子式，常用热值(发热量)来代替燃烧热。热值与火强度有关，热值越大，火强度也越大[24－25]。森林可燃物燃烧时，燃烧产物释放到周围的空气中，燃烧产物中的水以气态存在并被冷却到环境温度，因此林火中森林可燃物的发热量常采用低发热量(热值)。可燃物的热值影响着火温度和火的蔓延过程。在森林燃烧的过程中，热值的贡献很大，因此在美国的很多火行为模型里都用到了这个指标，如BehavePluse火行为模型[26－27]。有研究表明，干重热值与灰分含量具有极显著的线性相关，灰分含量越高，干重热值越小[28－29]。在本文中，用单位面积热量，即单位面积可燃物在绝干状态完全燃烧所释放出的所有热量(热值与载量的乘积)来比较不同林型燃烧过程中释放的热量，并作为一个关键指标来评价CWD的燃烧性。

表3 6种林型CWD的灰分含量及点着温度Tab.3 Ash content and ignite temperature of CWD of six forest types

单位面积热量最高的是地盘松，达到了21 795.78 kJ/m2，最低的是云南油杉，为1 248.40 kJ/m2，相差了17.5倍，而旱冬瓜与云南油杉差距不大，非常接近，仅多了51.85 kJ/m2，麻栎与青冈及华山松也很接近，差距不是很明显，分别为300.17 kJ/m2及706.99 kJ/m2(图1)。

地盘松CWD的单位面积热值最高，这与林分特征、生长特性有关:地盘松属耐旱植物，连片出现，林内干燥，密度极大，人几乎无法进入;主干不明显，贴伏地面，基部生多干，呈丛生状，叶易燃，常生长在干燥、瘠薄的阳坡，形成高山矮林或灌丛，林分易燃，但在干燥、瘠薄的立地条件下易更新，小枝较粗，不易着火，具热沉、滞燃作用[30];地盘松多为“纯林”，林内枯死的枝条较多，载量达到了(0.94±0.16)kg/m2，为 6 种林型中的最大。同时，CWD的灰分含量为 1.91% ～3.50%，平均为2.70%，点着温度为281～284°，平均为282.5°(表3)。

云南油杉单位面积热量最低，为 1248.40 kJ/m2，原因是云南油杉树皮厚、含水率低，导热性差，内表面升温速率低，树皮对树干活组织有很强的保护作用，特别是云南油杉外皮层非常疏松，生成的木炭疏松多孔、导热性差，对内皮层和韧皮部、形成层具有很好的保护作用，阻燃性强[31](图1)。载量为(0.08 ±0.03)kg/m2，居第5。而灰分含量为1.32% ～5.49%，平均为2.71%，点着温度为296 ～298 ℃，平均为297.3 ℃(表3)。

云南油杉与旱冬瓜的单位面积热量差距不大，非常接近，仅少了51.85 kJ/m2，而灰分含量高0.58%，点着温度高6.0℃(图1)。麻栎与滇青冈及华山松也很接近，差距不是很明显，分别为300.17 kJ/m2及706.99 kJ/m2，灰分含量差距分别为0.75%和1.00%，点着温度的差距分别为3.4℃和8.0℃，也都不是很明显(表3)。

图1 单位面积热量Fig.1 Heat value of per area of six main forest types

4 结论与讨论

(1)6 种林型 CWD 载量最高为地盘松(0.94 ±0.16)kg/m2，最低为旱冬瓜(0.07 ±0.03)kg/m2，相差13.4倍，这和各种林型的生长特性、林下植被有关，特别是地盘松，呈盘状，贴伏地面，且连片出现，林内密度极大，可燃物丰富;而旱冬瓜的叶片大而薄，极易分解，自身积累的可燃物不多。6种林型CWD单位面积热量最高是地盘松，达到了21 795.78 kJ/m2，最低为云南油杉，只有1 248.40 kJ/m2，相差了17.5倍。旱冬瓜与云南油杉的差距不大，非常接近，仅多了51.85 kJ/m2，麻栎与青冈及华山松也很接近，差距不是很明显，分别为300.17 kJ/m2及706.99 kJ/m2。灰分含量及点着温度的差距不是很明显。运用单位面积热量对燃烧性进行排序，燃烧性最强的是地盘松，最弱的是云南油杉，而华山松、滇青冈和麻栎的燃烧性很接近，旱冬瓜的燃烧性仅次于云南油杉。因此，6种林型CWD燃烧性从强到弱依次为地盘松、麻栎、滇青冈、华山松、旱冬瓜和云南油杉。

(2)本文基于云南省特别是昆明市持续3年(2009—2012年)干旱的背景研究粗死木质残体(CWD)的燃烧性。但干旱特别是持续干旱对森林可燃物的影响是长期的，应该经过长期的定位研究才能够更深入地了解和把握，也才能够更透彻地研究相应的火行为、火影响以及火干扰。对昆明西山国家森林公园主要6种林型粗死木质残体的燃烧性进行了初步研究，属于小尺度区域的研究，但所选取的6种林型具有典型性和代表性。在本次研究中，已经设置了相应的固定样地，以后将继续进行系统研究，应该能够透彻地掌握森林可燃物燃烧性的动态变化特征，从而为西山森林公园的火灾风险性评估、林火行为以及火灾损失评估研究提供基础理论。同时，研究结果能够改进西山国家森林公园的林火管理:结合燃烧性进行防火区划特别是重点火险监控区域的划分;防火期(防火紧要期)进行的日常巡护、重点看守路线的制定，专业防火队力量的部署实现重点布防、快速出击，从而一旦发生火灾可以实现“打早、打小、打了”的方针。

[1]袁春明，文定元.森林可燃物分类与模型研究的现状与展望[J].世界林业研究，2001，14(2):29－34.

[2]张家来，曾祥福，胡仁华，等.湖北主要森林可燃物类型及潜在火行为研究[J].华中农业大学学报，2002，21(6):550－554.

[3]王明玉，舒立福，赵凤君，等.北京西山可燃物特点及潜在火行为[J].林业科学，2010，46(1):84－90.

[4]Lara A Arroyo，Cristina Pascual，et al.Fire models and methods to map fuel types:The role of remote sensin[J].Forest E-cology and Management，2008(256):1239 －1252.

[5]舒立福，田晓瑞.森林可燃物可持续管理技术理论与研究[J].火灾科学，1999，8(4):18－24.

[6]牛树奎，崔国发，雷鸣，等.北京喇叭沟门林区森林燃烧性及防火区研究[J].北京林业大学学报，2000，22(4):109－112.

[7]包艳丽，牛树奎，孙国庆，等.阿尔泰山主要林型燃烧性研究[J].干旱区资源与环境，2010，24(4):134－137.

[8]鲁绍伟，余新晓，刘凤芹，等.北京八达岭林场森林燃烧性及防火措施研究[J].北京林业大学学报，2006，28(3):109－114.

[9]王晓丽，牛树奎，马钦彦，等.以地表死可燃物评估八达岭林场森林燃烧性[J].生态学报，2009，29(10):5313－5319.

[10]李艳芹，胡海清，冯仲科，帽儿山地区几种乔木树种燃烧性研究[J].北京林业大学学报，2010，32(4):22－25.

[11]李艳芹，胡海清，帽儿山主要树种燃烧性分析与排序[J].东北林业大学学报，2010，38(5):34－36.

[12]祝必琴，黄淑娥，田俊，等.亚热带季风区不同林型可燃物理化性质及燃烧性研究[J].江西农业大学学报，2011，33(6):1149－1154.

[13]高国平，王月.辽宁东部地区森林地被可燃物及其燃烧性的研究[J].沈阳农业大学学报，2004，35(1):24－28.

[14]王月，高国平，周绍砚，等.辽宁西北部地区森林地被可燃物及其燃烧性的研究[J].沈阳农业大学学报，2006，37(5):716－719.

[15]肖金香，赵平，叶清，等.南昌典型园林树种燃烧性实验研究[J].火灾科学，2011，20(1):48－54.

[16]李世友，马长乐，罗文彪，等.昆明地区35种森林木本植物的燃烧性排序与分类[J].生态学杂志，2008，27(6):867－873.

[17]郑育桃，祝必琴，焦鸿渤，等.江西省造林树种燃烧性研究[J].江西农业大学学报，2012，34(1):93－98.

[18]Currie W S，Jadelhoffer K N.The imprint of land use history:patterns of carbon and nitrogen in downed woody debris at the Harvard forest[J].Ecosystems，2002，5:446 － 460.

[19]闫恩荣，王希华，黄建军.森林粗死木质残体的概念及其分类[J].生态学报，2005，25(1):158－167.

[20]王恒颖，欧晓昆.昆明西山常见草本植物在不同群落中的关联性研究[J].云南大学学报:自然科学版，2008，30(S2):391－397.

[21]金振洲，彭鉴.昆明植被[M].昆明:云南科技出版社，1998:8－51.

[22]Harmon M E，Franklin J F，Swanson F J，et al.Ecology of coarse woody debris in temperate ecosystems[M]//Macfadyen A，Ford E D.Ecology of Coarse Woody Debris in Temperate Ecosystems.London:Academic Press，1986:133 －302.

[23]李大伟，陈宏伟，史富强，等.云南旱冬瓜的生物学、生态学特性及地理分布[J].林业调查规划，2008，33(5):25－28.

[24]Xavier V D，Paulo P L.Fire spread in Canyon[J].International Journal of Wildland Fire，2004，13:253 －274.

[25]Stephens S L，Moghaddas J J.Experimental Fuel Treatment Impacts on Forest Structure，potential Fire Behavior，and predicted Tree Mortality in a California mixed Conifer Forest[J].Forest Ecology and Management，2005，215:21 － 36.

[26]单延龙，舒立福，李华，等.森林可燃物与火行为[M].哈尔滨:东北林业大学出版社，2007:57－87.

[27]Luis M D，Baeza M J，Fuel characteristics and fire behaviour in mature mediterranean gorse shrubland[J].International Journal of Wildland fire，2004，13:79 －87.

[28]林益明，黎中宝，陈奕源，等.福建华安竹园一些竹类植物叶的热值研究[J].植物学通报，2001，18(3):356－362.

[29]林益明，向平，林鹏.深圳福田几种红树植物繁殖体与不同发育阶段叶片热值研究[J].海洋科学，2004，28(2):43－48.

[30]金钱荣，吴兴辉.YFNC 8种乡土树种的抗火生态适应方略[J].内蒙古林业调查设计，2008，32(4):92－94.

[31]李世友，杨孝淋，李生红，等.树皮的阻燃性[J].林业科学，2009，45(3):85 －89.