油松辽东栎凋落叶可燃物载量对火行为的影响

乔虹，白晋华，南宏伟，李东昌，郭晋平

(山西农业大学 林学院，山西 晋中 030801)

林火行为是指森林火灾发生、发展全过程中的表现和特征。林火蔓延速度、火强度、火焰高度是最常用的反映林火行为特征的三大指标。对林火行为进行研究可以有效预防与扑救森林火灾。森林火行为非常复杂，并且影响因素较多，通常彼此之间相互制约，相互联系。其中地表可燃物载量的大小对森林火行为有非常直接的影响。目前国内外有关载量的研究有载量与各林分因子间的相关性[1]、地表死可燃物载量的变化规律[2]、地表可燃物载量的测定方法[3]以及模型的建立[4]等。

油松(PinusTabulaeformis)和辽东栎(Quercusliaotungensis)是山西省的重要乡土树种，有良好的耐寒、耐旱、耐贫瘠的生态学特性，尤其是油松作为山西省主要的造林树种之一，广泛应用于荒山造林中，形成了山西省大面积连片分布的油松人工林。但由于树种单一，林分密度与结构极不合理，导致大部分油松人工林生长状况较差，并且可燃物积累较多且易燃性强，其林下枯落物分解难，在北方春秋季两个防火期内，遇到长期持续不降水时，森林火灾发生的概率会大大增加，给森林防火工作带来重大压力。因此，对油松纯林及油松混交林进行人工抚育和经营管理有非常重要的意义。通过对油松纯林及油松辽东栎混交林的经营管理，可以增加其群落的稳定性和多样性，改善其生长状况，减少林下凋落物的积累，有效降低其地表火的潜在危险性。为此，有必要对油松和辽东栎凋落叶混合可燃物的火行为进行研究。

1 研究区概况

研究区位于山西省晋中市太谷县县城东南部的国有林场(112°37′30″—112°21′5″ E，37°15′10″—37°27′32″ N)，属温带季风气候，年平均气温在5～10 ℃。降水季节分布不均，主要集中在6—8月。年日照时间2 700 h，无霜期125 d。山西省太谷县国有林场境内地貌属于起伏状山脉，主要由中度切割的石质山和土石山组成，海拔910～1 873 m，属于中低山天然林区。

2 研究方法

2.1 试验设计

选取山西省太谷县国有林场内林龄在30 a左右的油松人工林和辽东栎林凋落叶作为试验材料，并于2016年4月初一次性采样带回实验室内。模拟在连续无降水条件下，油松和辽东栎凋落叶混合可燃物载量对火行为的影响。载量设4个水平，分别为4、6、8和10 t·hm-2。收集含水率为10 %[5]左右的凋落叶按照预设载量进行配比，依次均匀地铺设在燃烧床上(长2 m、宽1 m)进行室内点烧试验，并记录经过相邻两个标记点(距离0.2 m)所用的时间以及火焰高度等。

2.2 指标测定

通过测定并计算蔓延速度、火线强度、火面强度和火焰高度这四个火行为指标，分析研究载量对其影响。其中，蔓延速度和火焰高度可直接测定。

2.2.1 总载荷量 样本干质量采用烘干称量法测定。在 105 ℃ 的烘箱中烘干24 h 后称量，测定含水率，计算含水量，进而计算出总载荷量。其中可燃物含水率=(浸泡 t时间的凋落物质量-样本烘干质量)/ 样本烘干质量×100%；总载荷量=(浸泡t时间的凋落物质量-含水量)/样方面积×(10 000/1 000)。

2.2.2 火线强度 计算公式为I=HWR

式中：I为火线强度(kW·m-1)；H为可燃物热值(kJ·kg-1)；W为有效可燃物载量(kg·m-2)；R为林火蔓延速度(m·s-1)

可燃物样品的热值采用美国PARR 6300全自动氧弹量热仪测定。每次试验结束收集的未燃部分用烘箱烘干至恒质量并记录剩余质量，用以计算一次点烧试验的有效载量。

2.2.3 火面强度 计算公式为HA=681·I/R

式中：HA为火面强度(kJ·m-2)；I的单位(kW·m-1)；R为林火蔓延速度(m·min-1)

2.3 数据处理

本试验的数据用Excel2007、SPSS18.0软件对点烧试验的结果进行统计分析。

3 结果与分析

点烧试验的火行为指标的基本情况如表1所示。从表1中看出，油松辽东栎凋落叶可燃物的蔓延速度范围为0.093～2.384 m·min-1，从75%区间值来看，多数点烧试验的蔓延速度不超过1.158 m·min-1；火线强度的范围为4.070～516.413 kW·m-1，从75%区间值来看，多数点烧试验的火线强度不超过109.360 kW·m-1；火面强度的范围为22.930×103～152.870×103kJ·m-2，从75%区间值来看，多数点烧试验的火面强度不超过108.435×103kJ·m-2；火焰高度的范围为0.232～0.598 m，均值为0.428 m，从75%区间值来看，多数点烧试验的火焰高度不超过0.517 m。

表1 各火行为指标统计数据

注：火面强度值×103

3.1 可燃物载量对蔓延速度的影响

不同载量与蔓延速度的方差多重比较结果如图1所示。分析得出，载量4 t·hm-2与载量6 t·hm-2之间的蔓延速度有显著差异，与载量8 t·hm-2、10 t·hm-2之间的蔓延速度有极显著的差异；载量6 t·hm-2与载量8 t·hm-2之间的蔓延速度无显著差异，与载量10 t·hm-2之间的蔓延速度有极显著差异；载量8 t·hm-2与载量10 t·hm-2之间的蔓延速度有显著差异，总体趋势为蔓延速度随着可燃物载量的增加而加快。

3.2 可燃物载量对火线强度的影响

不同载量对火线强度的影响如图1所示。由图1分析得出，载量4 t·hm-2与载量6 t·hm-2之间的火线强度有显著差异，与针叶比例为8 t·hm-2、10 t·hm-2之间的火线强度有极显著差异；载量6 t·hm-2与载量8 t·hm-2之间的火线强度无显著差异，与载量10 t·hm-2之间的火线强度有极显著差异；载量8 t·hm-2与载量10 t·hm-2之间的火线强度有极显著差异，总体趋势为火线强度随着可燃物载量的增加而增大。

3.3 可燃物载量对火面强度的影响

不同载量对火面强度的影响如图1所示。从图1可以看出，随着试验中可燃物载量的增加，火面强度呈现增加趋势。根据不同载量火面强度的方差多重比较结果分析得出，载量4 t·hm-2，与载量6 t·hm-2、8 t·hm-2、10 t·hm-2之间的火面强度有极显著差异；载量6 t·hm-2，与载量8 t·hm-2、10 t·hm-2之间的火面强度有极显著差异；载量8 t·hm-2，与载量10 t·hm-2之间的火面强度有极显著差异。

3.4 可燃物载量对火焰高度的影响

不同载量与火焰高度的方差多重比较结果如图1所示。分析得出，载量4 t·hm-2，与载量6 t·hm-2、8 t·hm-2、10 t·hm-2之间的火焰高度有极显著差异；载量6 t·hm-2与载量8 t·hm-2之间的火焰高度无显著差异，与载量10 t·hm-2之间的火焰高度有极显著差异；载量8 t·hm-2与载量10 t·hm-2之间的火焰高度有极显著差异，总体趋势为火焰高度随着可燃物载量的增加而增加。

4 讨论与结论

4.1 油松、辽东栎凋落叶可燃物载量对火行为指标的影响

可燃物载量对蔓延速度、火面强度、火线强度、火焰高度均呈显著正相关，其中对火面强度、火线强度、火焰高度有极显著影响。在无风条件下，可燃物平均蔓延速度为0.768 m·min-1，最小值为0.093 m·min-1，最大值为2.384 m·min-1，变化幅度较大。从不同载量对火线强度影响的比较结果来看，除载量6 t·hm-2与8 t·hm-2之间差异不显著外，不同载量之间均存在显著差异，这可能是因为载量为6tffffb8hm-2与8tffffb7hm-2时，可燃物床层铺设不均，影响了可燃物的连续性，进而影响了火线强度。可燃物的火焰高度的最大值为0.598m，最小值为0.232m，变化幅度较小，今后可以增大可燃物载量的试验范围，这样更具有实践性。除载量6tffffb6hm-2与8tffffb5hm-2之间差异不显著外，不同载量之间均存在显著差异，因此，可以将可燃物载量控制在8tffffb4hm-2以下，进而减小地表火发生的危险性。

4.2 可燃物载量对森林火行为管理的影响

Agee[6]等归纳了调控森林可燃物4个较为基础的原则，即减少地表可燃物、增加活枝高、降低林冠密度、保留大径级抗火林木。可燃物管理通常通过机械处理和计划烧除等手段调控可燃物的载量，以此控制林火行为。此外，通过营林抚育、防火林带营造等方法改变可燃物床层结构及可燃物的燃烧环境，也是可燃物的调控的重要方法。试验结果表明，可燃物的载量对火行为指标都有显著的影响，降低地表可燃物的载量，能够显著降低林火的蔓延速度、火线强度、火面强度和火焰高度。因而在生产实践中，可以结合可燃物载量调查的结果，对地表可燃物，特别是凋落物载量较多的地区，通过机械清除、计划火烧等途径减少地表可燃物，或采用其他方法加速凋落物分解，使地表可燃物的载量下降，在无风条件下，把凋落物的载量控制在8 t·hm-2以下，能够有效降低发生地表火的潜在危险性。若在自然条件下，可以把可燃物载量控制的更低。在森林可燃物管理方面的研究中，相关文献[7,8]提出可以通过不同的可燃物处理方式，来减少可燃物载量，降低森林火险，这与本研究结论是一致的。本试验并未研究可燃物载量与林间可燃物厚度的关系，这可作为今后可燃物森林火行为研究的一个切入点，以便在森林经营管理中，根据可燃物厚度来判断是否具有地表火潜在危险性，这将会为森林经营管理提供更便捷的方法。