滇东北地区华山松与云南松的地表凋落物载量及火强度对比研究

徐伟恒 吴 超 杨 磊 徐盛基 秦明明 王秋华

( 1. 西南林业大学大数据与智能工程学院，云南 昆明 650233；2. 西南林业大学大数据与智能工程研究院，云南 昆明 650233；3. 西南林业大学林业生态大数据国家林业与草原局重点实验室，云南 昆明 650233；4. 应急管理部南方航空护林总站，云南 昆明 650021；5. 西南林业大学土木工程学院，云南 昆明 650233)

森林地表可燃物是森林燃烧的物质条件[1]，同时也是引发森林火灾的重要原因[2]。掌握森林地表可燃物的载量分布及数量大小进而分析其火行为参数，能够有效预防森林火灾。林地火行为的研究是林火管理、预报和林火扑救的理论基础[3]。通过实验室烘干及燃烧分别计算其地表各层次凋落物的含水率及各火行为参数，对于降低林火风险、防治火灾有着显著的实践意义。

随着全球气候变暖，云南省林区的防火工作已经成为一项必须进行的重大举措[4]。云南松（Pinus yunnanensis）和华山松（Pinus armandii）均为云南省重要的山地造林树种，分布区域广，火灾发生频率高。它们都是西南地区主要用材树种，也是云贵高原上常见的针叶树种，耐寒力强，具有广泛的生态适应性和较强的自然更新能力。华山松以及云南松活叶富含油脂，同时生长覆盖范围很广，易发生树冠火[5]，引起森林火灾，对森林生态系统造成严重破坏[6]。

因此，本研究以滇东北地区华山松林和云南松林的地表凋落物为研究对象，进行实地调查，采集样本计算可燃物载量，并在室内分别对华山松和云南松地表凋落物的上层、下层、枯枝进行燃烧实验[7]，得出云南松和华山松的火行为参数并进行对比分析。本研究对火灾预测、火行为预测，以及不同树种所造成火险等级评测和林火发生后的安全扑救都具有十分重要的意义，可为今后的林火防控及科学保护提供参考。

1 研究区概况

云南省宣威市杨柳镇地处宣威市东北部，位于东经 104°11′2″～104°23′42″，北纬 26°31′53″～28°39′49″，是典型的华山松林与云南松林分布地带。该镇东西最大距离30 km，南北最大距离11 km，面积为163.9 km2。地势南高北低，最高点南部三丛树（峰），海拔2 470 m；最低点东北沿大岔河口，海拔1 480 m，高差990 m，平均海拔1 600 m左右。岩性为灰色、灰黄色粉砂岩、砂质泥岩、砂岩。杨柳镇气候大部分属温带气候，最冷月1月平均气温3 ℃，最热7月平均气温19.5 ℃，年均气温16.7 ℃。一般初霜期11月9日，终霜期 3月 20日，年均无霜期 232 d。年均降水量902.2 mm。主要经济林有云南松、华山松、杉木（Cunninghamia lanceolata）等，其中华山松与云南松都是宣威市最主要的针叶树种。

2 材料与方法

2.1 样地调查

2018年4月3日至4日在杨柳镇华山松纯林与云南松纯林连续分布地区进行了初步观测（云南森林火灾高发期为3—4月，森林火险等级最高[8]）。于2018年4月5日在所选定林分内，按照50 m×50 m 规格分别设置华山松林（104°17′36″E，26°34′31″N）、云南松林（104°21′36″E，26°36′43″N）样地各1块，详细记录样地地理位置、坡度、坡向。每木检尺并记录50 m×50 m样地内所有华山松、云南松的树高、枝下高、胸径，估测林分的郁闭度，用于计算林分的密度[9]。为方便计算，在样地对角线及对角线交点设置2 m×2 m的小样方共5块[10]，见图1～2。

图 1 样方设置方式Fig. 1 Sample quadrat setting method

图 2 实地布设样地、取样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顺序，分别将华山松与云南松地表可燃物划分为凋落物上层（主要是当年掉落的华山松针叶与云南松针叶）、凋落物下层（主要为往年凋落、腐烂分解的凋落物）和枯枝共3个层次。取样方式为顺着样方4条边向下挖至土壤的母质，顺着样方的边界作凋落物的剖面、枯枝单独采集装袋，然后分别测量凋落物上层和下层的厚度，并称量其不同样方内3个层次可燃物的鲜质量，最后取样并将试样装入密封的收集袋中[10]。

2.3 可燃物载量

不同样方内的不同层次地表可燃物的绝对含水率（%）计算方法见式（1）。然后根据样方内绝干质量（kg）及样方面积（m2）计算各样方的可燃物载量（kg/m2）计算法见式（2）[11]。

2.4 实验室模拟火烧

在实验室内设置铁质燃烧床（长200 cm，宽120 cm，高32 cm），底部覆盖2 cm厚的石膏板，以减少热量损失。华山松和云南松的实验室燃烧床坡度分别设为8.6°及15°，在燃烧室内模拟无风状态下的燃烧。引燃方式分为从下坡往上坡点烧，模拟上坡火；从上坡往下坡点烧，模拟下坡火。采集的地表可燃物尽可能保持野外的状态，将可燃物均匀铺在燃烧床内（2 m×1 m），用钢卷尺沿着对角线的5个点测厚度。用秒表计时，记录可燃物点着时间、熄灭时间和阴燃持续时间。

当火焰高度达到最大时，用手持红外测温仪SL-309测火焰的温度，用SFR-Ⅲ数字式辐射热计分别测火线蔓延过程中最大火焰的热辐射，同时用钢卷尺测火焰高度。火强度[12]采用勃兰姆公式计算，见式（3）。

式中：I表示火强度（kW/m）；H表示热值（J/g）；W表示消耗的可燃物量（t/hm2）；R表示蔓延速度（m/min）。

3 结果与分析

3.1 华山松与云南松地表凋落物特征

华山松与云南松林林分及地表凋落可燃物特征见表1。由表1可知，华山松与云南松的上层厚度分别为（2.50±2.50）、（4.50±1.02）cm，下层厚度分别为（3.60±0.40）、（3.10±0.83）cm，因为滇东北地区华山松林与云南松松林密度小且有人为轻微干扰因素影响，所以可燃物厚度并不高。而含水率均以凋落物下层最为显著，华山松达58.74%±18.39%，云南松达23.74%±8.67%，这是受到上层可燃物遮蔽阳光而避免下层水分蒸发以及与地下水强烈交换的结果，且华山松林较云南松林更为显著，因此华山松凋落物含水率是云南松的2倍多。华山松与云南松凋落物上层及枯枝层载量几乎一致，凋落物下层载量差异较大，分别为1.69 kg/m2与0.59 kg/m2。

表 1 华山松与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

续表 1

3.2 室内模拟火烧的火行为对比

在燃烧实验室内，将燃烧床置于燃烧室内不通风处，对华山松与云南松凋落物模拟无风状态下的燃烧。点火方式分别为上坡火和下坡火，实验室内模拟火烧的火行为参数见表2。由表2可知，华山松与云南松下坡火和上坡火的可燃物均匀厚度均为6～8 cm，和野外华山松及云南松林地表凋落物的实际厚度相似。引燃时间都是为1 s，说明华山松及云南松都非常易燃，并产生明亮的火焰。当模拟上坡火引燃方式时，华山松火焰持续时间超过15 min，是云南松火焰持续时间的1倍多，这是由于华山松纯林的地表凋落物以松针凋落物为主，含水率较高，且华山松的阻燃性较云南松强[13]。无论是华山松还是云南松，下坡火燃除率都较上坡火低，但是下坡火燃烧过程中除直径较大的枯枝不易燃尽之外，凋落物上层和下层基本上被燃尽。原因是上坡火蔓延过程中，可燃物接受到的对流热和辐射热强度加强，增加了林火的蔓延速度[13]，下坡火则与之相反。总体来看，无论下坡火还是上坡火，云南松的燃除率都大于40%，华山松的燃除率都不超过30%，这说明云南松林地表凋落物相比华山松林地表凋落物一旦发生火灾将会被烧掉更大的部分，进而更加威胁土壤微生物及灌木树种的生存。华山松与云南松二者的燃烧温度差异不大且都较高，最高可接近600 ℃。华山松上坡火和下坡火的热辐射分别为（6.06±1.68）kW/m2和（4.48±1.35）kW/m2；明显低于云南松（7.22±1.51）kW/m2和（6.47±1.37）kW/m2，这是由于云南松地表凋落物的燃烧温度与燃除率均高于华山松所导致的。除华山松下坡火的热辐射值比王秋华等[7]的研究中计划烧除时的热辐射（5.75±2.39）kW/m2低以外，华山松上坡火与云南松的上坡火、下坡火都高，原因是燃烧实验是在无风条件下进行的，因此燃烧更为彻底。明亮火焰消失后，华山松与云南松二者的阴燃时间仍然能持续至少5 min，并且阴燃温度都较高，最高接近200 ℃，因此华山松林与云南松林如果引起的森林火灾不彻底扑灭，在适宜条件下发生二次火灾的可能性非常大。

表 2 实验室内模拟火烧的火行为参数Table 2 Fire behavior parameters of simulated fire in the experimental room

3.3 华山松与云南松火强度分析

华山松与云南松燃烧实验的明火蔓延时间是从点火开始计时，直到燃烧床另一端铺设的可燃物被点着的时间段结束，定义这段时间为蔓延时间（t），在燃烧床上铺设的可燃物长度定义为林火蔓延距离（L），那么蔓延速度（R）为林火蔓延距离与蔓延时间之比[14]。因为实验室模拟火烧在无风状态下进行，所以本研究忽略风速对林火蔓延速度的影响。并且同一林型的热值差异性并不大，本研究中热值参数分别选用实验室测定的华山松平均热值5 000 J/g与王秋华等[7]的研究中所测定的云南松热值21 350 J/g，利用式（3）计算火强度，结果见表2。在森林火灾燃烧过程中，热值指可燃物干物质完全燃烧后所释放出来的能量，是植物本身的重要特征[15]。对林火温度及蔓延过程都有着极其显著的影响，并且热值与火强度关系密切，热值越高，火强度也就越大[16-17]。根据唐季林等[18]的研究将计算所得I划分为3个等级：I＞3 500 kW/m为高强度火，I在500～3 500 kW/m之间为中强度火，I＜500 kW/m为弱强度火。本研究中云南松上坡火的I最大，为97.21 kW/m，属于弱强度火。

4 结论与讨论

研究可知，华山松林地表可燃物与云南松林地表可燃物的火行为参数有所异同。其载量值都较小，这是由于华山松林与云南松林林龄都不大，加之林分稀疏以及有人类轻微干预，导致当地华山松林以及云南松林载量不大，地表凋落物厚度小，因此不易发生高强度森林火灾，但该结论是建立在忽略风速影响因子的前提上。在真实森林火灾中，由于林火蔓延过程中热辐射会提前预热尚未被点燃的地表凋落物，而风速又会加剧林火蔓延速度，且风向变换则会重燃阴燃状态下的尚未燃尽的可燃物，从而增强了林火燃烧的火强度。华山松林地表凋落物的烧除率远远低于云南松地表凋落物的烧除率，这是由于华山松的阻燃性较云南松更高所导致的。且华山松地表凋落物模拟火烧实验的2种引燃方式的火强度值均低于云南松地表凋落物的火强度值，这是由于华山松地表凋落物含水率较高，烧除率较低且火焰持续时间较短等多方面因素导致的结果。但华山松地表凋落物与云南松地表凋落物的火强度值均在人体可接受范围内，属于低强度火烧，难以发展为树冠火，因此若其地表凋落物的潜在能量引起火灾则不会对中林龄华山松及云南松造成威胁，与王秋华等[7]采用小样地调查方法对于滇中地区云南松纯林计划烧除研究调查和郑永波等[5]对于西南林区4种易燃可燃物的载量估测方法所统计出的结论相似。但在实际森林火灾中，由于云南松林烧除率比较高，燃烧比华山松林更为彻底。因此一旦发生森林火灾，枯枝将最先燃尽，然后烧入可燃物上层，通过热辐射提前给下层可燃物预热，进而使下层可燃物点燃且烧尽，致使其丧失保护能力和隔离作用，进而破坏土壤及植被根系，导致森林水土流失、岩石裸露、灌木死亡等情况，从而对整个森林生态系统造成严重破坏[8]，华山松与云南松相比虽含水率更高，烧除率更低，更不易燃烧，但其抗火性较弱[19]，仍需引起重视。由此可见，定期对华山松林及云南松林地表凋落物进行计划火烧，能够减少可燃物的积累，降低森林燃烧性，具有良好的森林防火功能。

滇东北地区森林地表可燃物载量及火强度等火行为研究较少，未来为了进一步加强研究，进而准确预测滇东北地区林火蔓延的趋势，完善林火防护体系，可采取如下措施：1）运用高分辨率卫星（如World viewer系列、Landsat系列和高分一号等）获取更高分辨率遥感影像，进行监督以及非监督分类，结合林相图将传统手段难以细分的华山松及云南松的阔叶林和针叶林进一步划分，利用数字高程模型（DEM）以及土壤类型，最后再运用深度学习的算法——回归或神经网络的方法构建模型，从而使估测的可燃物载量更加趋于精确[20]。2）定期在滇东北地区对华山松及云南松林进行计划火烧，尤其是在每年3月、4月防火紧要时期来临前，将云南松林与华山松林的地表凋落物收集并集中烧除，减少可燃物积累，降低森林燃烧性，并着重对华山松及云南松未分解枝进行清除。3）在滇东北地区分别设置云南松及华山松标准地，定期取凋落物进行火烧实验，比较各标准地载量及火强度等火行为参数，从而更有针对性的对发生不同程度火强度火烧的华山松林与云南松林的侧重防治扑救提供理论基础。4）对分布于滇东北地区的各林区的不同林型在不同季节来分别设置样地，分别测其不同季节所设样地中各林型的可燃物载量，经过长期对不同林型的可燃物载量数据的比较分析进一步掌握滇东北地区不同林型在不同季节的火强度，为防火提供理论依据。5）收集滇东北地区各林区不同树种进行计划烧除的可燃物载量及火行为参数数据并作为训练样本，结合计算机运用神经网络算法将可燃物载量与其他因子关系建立燃烧模型，当实际林火发生时能够运用模型准确预测可燃物载量及火强度。6）在滇东北地区对林火多发区按林区面积比例建天然蓄水池，为林火扑救提供充足水源。

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