不同粒径腐殖质火垂直燃烧特征研究

尹赛男，单延龙，宋光辉，韩喜越，高 博

（1.北华大学 林学院，吉林 吉林 132013； 2.大兴安岭林业集团公司森林经营部技术推广站，黑龙江 加格达奇 165000）

森林火灾是威胁森林健康的重要风险因子之一，森林遭受火灾后，需要很长的恢复时间，如果遭遇强度高、面积大的林火，甚至很难恢复原貌，还有可能成为荒草地[1-2]。森林火灾分为地表火、地下火和树冠火。其中森林地下火是发生在腐殖质层和泥炭层的一种森林火灾，它的发生次数仅占森林火灾总次数的1%左右，但是造成的危害却是巨大的。森林地下火发生时不但会毁坏植被根部给植被造成致命的损伤[3-5]，还会破坏土壤结构造成地面坍塌[6]，同时地下火发生时所释放的CO2和CH4等影响全球温室效应的气体含量要远大于有焰火灾[7,8]。近年来随着全球气候的变化，极端气候出现的频率有所增加，导致北方森林地下火的发生频率也随之增加[9,10]。大兴安岭地区（北方森林的一部分）是我国森林地下火发生的主要区域之一，对该地区森林地下火展开研究是一项重要任务。

地下火发生机理复杂，具有极强的隐蔽性，目前国内外对地下火的研究却较少。舒立福和唐抒圆等研究了地下火的形成环境和特征，并提出了相关的防控措施[9,11]；Sikkink 和辛颖等通过研究表明，不同粒径的可燃物载量存在不同，可燃物载量越大，地下火越容易燃烧，地下火的燃烧时间随粒径的减小而变长[12,13]；Huang 和Yang 等提出，地下火的蔓延速率随含水率和可燃物中无机物含量的增加而降低[14,15]。但是在现有的研究中，国内针对于大兴安岭地区森林地下火的研究鲜有报道，而国外对地下火的研究主要集中在泥炭火，且使用的材料多为实验室配比材料或商业泥炭，这与实际的森林腐殖质和泥炭有很大的差别。因此，以大兴安岭地区典型林型—兴安落叶松：Larix gmelinii林为研究对象，研究不同粒径腐殖质火的垂直燃烧情况，这将对该地区森林地下火的扑救和森林资源的保护具有重要意义。

1 研究区概况

大兴安岭林区是我国重要的用材林区，也是我国森林火灾发生较严重的地区之一。大兴安岭位于寒温带针叶林区域，绝大部分土地为森林植被所覆盖，由于气候寒冷导致植物种类贫乏和森林结构单一[16]。以兴安落叶松Larix gmelinii为优势种的森林群落约占该区森林面积的80%，常见针叶树还有樟子松Pinus sylvestrisvar.mongolica和云杉Picea koraiensis，阔叶树有白桦Betula platyphylla、山杨Populus davidiana等[17]。

研究区域位于大兴安岭地区加格达奇森林经营部技术推广站，该地位于大兴安岭东坡，加格达奇区以南15 km 处，北部和西部与加格达奇林业局的东风林场相接，地理坐标为50°20′～50°23′ N，123°57′～124°0′ E。年平均气温-1～2 ℃，年有效积温1 800～2 000 ℃，无霜期90～120 d，年平均降水量450～500 mm。全站施业区经营面积7 326 hm2，主要树种为兴安落叶松Larix gmelinii、柞树Quercus mongolica、白桦Betula platyphylla、山杨Populus davidiana、黑桦Betula davurica等。

2 材料与方法

2.1 野外调查

于2018年秋季前往大兴安岭地区加格达奇森林经营部技术推广站进行野外调查。选择该地区典型林型兴安落叶松林为研究对象，在林内设置3 块30 m×20 m 的标准地，调查标准地的基本情况包括林龄、树高、胸径、郁闭度等信息。在林下挖掘土壤剖面，记录腐殖质厚度，并采集腐殖质带回实验室进行室内实验。样地具体情况见表1。

表1 样地信息Table1 Information of sampling plots

2.2 样品处理

将采集的腐殖质放入105 ℃鼓风干燥箱中连续烘干48 h，然后将烘干的腐殖质中大的枯枝落叶挑出，之后使用中药粉碎机进行粉碎。使用不同直径筛子对腐殖质进行筛选，选取的粒径分别为＜20 目、＜40 目、＜60 目、＜80 目、＜100 目，之后进行不同粒径腐殖质火垂直燃烧的控制实验，为了尽可能减少实验误差，在进行燃烧实验前将不同粒径的腐殖质置于105 ℃的烘干箱中连续烘干12 h，保证各粒径下腐殖质趋于绝干。各粒径腐殖质实际含水率见表2。

表2 各粒径腐殖质实际含水率Table2 Actual moisture content of each particle size humus

2.3 森林地下火燃烧实验

实验装置如图1所示。阴燃反应炉为硅酸铝陶瓷纤维材料，有很好的隔热保温效果，形状为圆柱体，顶部开口，炉腔尺寸为100 mm×300 mm（直径×高），壁厚100 mm，底厚100 mm；使用直径1 mm，长300 mm 的K 型热电偶（温度范围： 0 ℃～1 000 ℃）记录燃烧过程的温度变化；数据采集使用深圳诚控电子生产的DAM-3088 型8 通道温度采集模块和Labview 数据采集软件，采集数据频率为10 s 一次；利用远红外加热板（最高温度：400 ℃～450 ℃）对腐殖质进行加热；实验过程中使用美国福禄克公司生产的Ti100 远红外热像仪进行森林地下火垂直燃烧的辅助监测。

图1 森林地下火垂直燃烧实验装置Fig.1 Forest ground fire vertical combustion experimental device

进行实验前先将远红外加热板预热2 h，使其达到最高温度；在阴燃反应炉侧面每隔30 mm打一个孔洞，将烘干的不同粒径腐殖质分别置于阴燃反应炉中，之后插入热电偶，连接温度采集模块和笔记本电脑进行数据采集；将远红外加热板置于阴燃反应炉上方20 mm 处对腐殖质进行加热，以保持空气流通。通过6 次重复实验发现，当第二根热电偶温度达到100 ℃时腐殖质能完全进行垂直燃烧，据此，本研究将第二根热电偶达到100 ℃的时间作为加热板的加热时间。具体加热时间见表3。

表3 各粒径腐殖质加热时间 Table3 Heating time of each particle size humus

2.4 数据处理与分析

使用Origin 和Excel 软件对数据进行整理和绘图，使用SPSS19.0 进行相关分析和回归分析。

3 结果与分析

3.1 不同粒径森林地下火垂直燃烧特征

不同粒径腐殖质火的整个燃烧过程并没有出现火焰，甚至火星都没有出现，且燃烧时间缓慢，平均燃烧时间为15.04 h。如图2所示，当腐殖质粒径＜20 目和＜40 目时，燃烧时间相对较短，燃烧充分，燃烧后的腐殖质表层呈现炭黑色，深层则呈现明显的砖红色。当腐殖质粒径为＜60 目、＜80 目时，燃烧时间相对较长，燃烧后腐殖质表层呈现炭黑色，但是深层的砖红色并不明显，而当腐殖质粒径为＜100 目时，燃烧时间变短，燃烧后的腐殖质除表层呈现炭黑色外，深层并没有明显变化。这是由于森林地下火的燃烧是一个氧化还原反应过程[18]，可燃物中氧气的含量决定着燃烧过程的时间和燃烧是否充分。因此，随着腐殖质粒径的减小，可燃物中氧气浓度也会随之降低，整个燃烧过程的时间也会变长，而当腐殖质粒径为＜100 目时，可燃物中氧气浓度过于的少，以至于不能维持燃烧，所以造成燃烧不充分，燃烧时间短。

3.2 不同粒径森林地下火垂直燃烧温度变化特征

由图3可知，不同粒径下森林地下火垂直燃烧温度变化的特征相同，都是先升高后降低，当腐殖质粒径为＜20 目、＜40 目、＜60 目、＜80目时，在森林地下火向下蔓延过程中，每根热电偶最高温度大体上呈现上升趋势，其中粒径为＜20目时在第7 根热电偶处达到最高温度604.3 ℃；粒径为＜40 目、＜60 目、＜80 目时均在第8 根热电偶处达到最高温度，分别为626.1 ℃、475.8 ℃、537.2 ℃，且达到最高点温度的时间也在变短。但是当腐殖质粒径为＜100 目时，在第一根热电偶达到最高温度450.4 ℃后，在之后向下燃烧的过程中，最高点温度呈现下降趋势，尤其越靠近底部，最高点温度下降的越大，第8 根热电偶的最高点温度仅有396.3 ℃。

图2 不同粒径腐殖质火垂直燃烧时间和燃烧后可燃物状态Fig.2 Vertical burning time of different particle size humus fires and fuel state after combustion

图3 不同粒径腐殖质火垂直燃烧温度变化Fig.3 Vertical burning temperature change of humus fires in different particle sizes

森林地下火的燃烧是氧化还原反应过程，整个燃烧过程要依靠自身所释放的热量来维持[19]。当粒径较大时（＜20 目、＜40 目）腐殖质中氧气充足，燃烧充分，燃烧所释放的热量也就越大。当燃烧深度变厚时，上层燃烧所积累的灰烬也就越厚，这些灰烬起到一定的保温作用，减缓了燃烧过程的热量损失，所以达到最高点温度的时间也在变短。而当腐殖质粒径＜100 目时，腐殖质中空隙过于小，导致氧气含量低，氧化还原反应过程不充分，致使上层热量不足以维持下部的燃烧，最终可能会导致森林地下火的熄灭。

森林地下火的垂直燃烧深度与各热电偶最高点温度存在一定关系，对不同粒径的森林地下火燃烧深度与最高点温度进行相关分析。由表4可知，当腐殖质粒径为＜20 目、＜40 目、＜60 目、＜80目时，垂直燃烧深度与最高点温度呈现极显著正相关关系（P＜0.01）；腐殖质粒径为＜100 目时，燃烧深度与最高点温度无相关关系。

表4 不同粒径腐殖质火燃烧深度与最高温度的相关性†Table4 Correlation between combustion depth and maximum temperature of humus fires with different particle sizes

进一步分析森林地下火燃烧深度与最高点温度的关系，本研究对二者进行回归分析，从图4可以看出，当粒径为＜20 目、＜40 目、＜60目、＜80 目时，森林地下火的燃烧深度与最高点温度呈现极其显著线性关系（P＜0.01）。线性方程分别为：腐殖质粒径＜20 目的线性方程y= 10.21x+ 385.79；腐殖质粒径＜40 目的线性方程y= 10.43x+ 396.88；腐殖质粒径＜60 目的线性方程y= 4.79x+ 358.44；腐殖质粒径＜80 目的线性方程y= 6.35x+ 380.93。

图4 不同粒径腐殖质火燃烧深度与最高温度线性关系Fig.4 Linear relationship between combustion depth and maximum temperature of humus fires with different particle sizes

3.3 不同粒径森林地下火垂直燃烧蔓延速度变化特征

本研究采用分段法计算森林地下火垂直燃烧的蔓延速度，利用每两个热电偶之间的距离除以二者之间最高点温度间的时间视为森林地下火垂直燃烧的蔓延速度。由表5可知，腐殖质粒径为＜20 目时蔓延速度最快，平均达到2.49 cm/h，其中在第8段达到最大蔓延速度8.37 cm/h；其次为腐殖质粒径＜40 目，平均蔓延速度为1.99 cm/h，在第8 段达到最大蔓延速度5.74 cm/h；当腐殖质粒径＜60目时蔓延速度最小，平均蔓延速度为1.16 cm/h，在第6 段达到最大蔓延速度1.45 cm/h；腐殖质粒径＜80 目时，平均蔓延速度为1.28 cm/h，在第8段达到最大蔓延速度1.75 cm/h；腐殖质粒径＜100目时，平均蔓延速度为1.45 cm/h，在第6 段达到最大蔓延速度2.06 cm/h；

对不同粒径腐殖质火燃烧深度与每段蔓延速度进行相关分析。由表6可知，当腐殖质粒径为＜20 目、＜40 目、＜60 目、＜100 目时，燃烧深度与蔓延速度呈现显著正相关关系（P＜0.05）；当腐殖质粒径为＜80 目时，燃烧深度与蔓延速度呈现极显著正相关关系（P＜0.01），说明在这5种粒径条件下，森林地下火向下燃烧的深度越大，蔓延速度也会更快。

表5 不同粒径腐殖质火垂直蔓延速度Table5 Vertical spread speed of different particle size humus fires

表6 不同粒径腐殖质火燃烧深度与蔓延速度的相关性†Table6 Correlation between depth and spread speed of different particle size humus fires

分别对不同粒径腐殖质火垂直燃烧深度与蔓延速度进行回归分析。由图5可知，当腐殖质粒径为＜20 目、＜40 目、＜60 目、＜100 目时，燃烧深度与蔓延速度呈现显著线性关系（P＜0.05）；当腐殖质粒径为＜80 目时，燃烧深度与蔓延速度呈现极显著线性关系（P＜0.01）。线性方程分别为：腐殖质粒径＜20 目为y= 0.26x-0.95；腐殖质粒径＜40 目为y= 0.17x-0.31；腐殖质粒径＜60 目为y= 0.02x+ 0.89；腐殖质粒径＜80 为y= 0.04x+ 0.74；腐殖质粒径＜100 目为y= 0.04x+ 0.92。

图5 不同粒径腐殖质火燃烧深度与蔓延速度的线性关系Fig.5 Linear relationship between combustion depth and spread speed of different particle size humus fires

4 结论与讨论

森林地下火是一种缓慢、无焰、低温、持久的阴燃燃烧[6,20-22]，阴燃燃烧与其他形式的森林燃烧有所不同，其受外界条件影响较小，一旦发生，无论是大量降雨、天气变化还是灭火措施，都很难遏制，这就意味着阴燃燃烧可能会持续很长一段时间（数月或数年）[23]。如1976年在绥化地区发生的森林地下火就燃烧了长达6个月的时间[24]。通过实验研究我们发现，不同粒径腐殖质所发生的森林地下火燃烧时间极长，并且整个过程没有火焰甚至是火星的出现，而且燃烧温度高，最高可达626.1 ℃，这与Rein 等人提出的地下火阴燃燃烧的温度峰值为550 ℃～650 ℃的结论相符[25]。由此可见森林地下火具有极强的隐蔽性，发生时很难被发现，且燃烧产生的高温将会毁坏植物的根系、破坏土壤结构对森林资源构成巨大的威胁。当腐殖质粒径较大时（＜20 目、＜40 目）腐殖质中氧气浓度充分，致使燃烧充分、燃烧时间较短、燃烧温度高、蔓延速度快；当腐殖质粒径较小时（＜60 目、＜80 目）腐殖质中氧气浓度较少，致使燃烧时间长、燃烧温度较低、蔓延速度较慢；当腐殖质粒径过小时（＜100 目）腐殖质中氧气浓度极低导致燃烧不充分，温度降低。因此当腐殖质粒径较大的地区发生森林地下火时一定要及时扑救，而当腐殖质粒径极小时，森林地下火垂直燃烧则可能会自然熄灭。据此可见，氧气浓度是影响森林地下火燃烧的重要条件，这与Hadden等对氧气浓度影响地下火燃烧的研究结果一致[6]。

本研究通过控制燃烧实验确定了不同粒径下森林地下火燃烧深度与燃烧温度和蔓延速度之间存在关系，验证了Huang 等人对泥炭地下火上下传播研究时，提出的可燃物厚度对地下火的燃烧温度和蔓延速度会产生影响的结论[26]，同时为大兴安岭地区森林地下火的扑救提供了一定的理论依据。研究表明，随着森林地下火向下燃烧的深度增加，其燃烧温度（粒径＜100 目除外）和蔓延速度也在随之增加。因此针对森林地下火一定要坚决执行“打早、打小、打了”的扑火原则。如果不能及时发现、及时扑救，随着其燃烧温度和蔓延速度的增加，将会对植物根系、土壤结构、地下水位都产生很大的影响。目前对地下火垂直燃烧影响因素的研究中，含水率和氧气浓度一直都是学者的研究重点[27-29]，而笔者研究了粒径对地下火垂直燃烧的影响，在一定程度上拓展了地下火垂直燃烧的研究。对不同粒径腐殖质地下火垂直燃烧展开了研究，得出了不同粒径腐殖质地下火燃烧温度和蔓延速度在垂直方向上的变化特征。但是地下火的燃烧分为横向和纵向两个方向，本研究还存在一定的局限性，接下来还会针对地下火在水平方向上燃烧变化的特征进行研究。并且由于森林地下火的特殊性，其预防和监测体系尚不完善，所以未来还将从历史火灾资料和森林地下火燃烧的烟气释放及地表温度变化入手，展开一系列研究，最终构建一套完备的森林地下火预防-监测-扑救体系。