黑河地区红松人工林根朽病对其主干燃烧性的影响1)

郭琦钰 宁吉彬 瓮岳太 李杰 何诚 邸雪颖 杨光

(东北林业大学，哈尔滨，150040) (黑龙江省孙吴县林业局) (南京森林警察学院森林消防学院) (东北林业大学)

红松(Pinuskoraiensis)是东北亚地区极具生态价值的主要的造林树种，也是我国东北地区珍贵树种之一。因其适应性强，好栽易管，具有经济、生态、社会3大效益高的优点，近年来人工林的面积不断增加[1-2]。由于人为干预增多，红松人工林林分组成及生产条件发生改变，致使人工红松林生态稳定性大大降低，因此导致了各种病虫害的发生。

红松人工林主要病害以红松根朽病、红松烂皮病[3]、红松疱锈病[4]、红松落针病在红松人工林病害中最为常见[5-7]。其中根朽病是世界著名的传染性病害，其寄主多达600余种，是红松重要病害之一[8-9]。根朽病是由蜜环菌(Arimillariellamellea)引起，发病率在30%左右，严重林分达到80%。因为红松根朽病主干患病部位主要在树基部2 m以下至树根部，而其患病的病症是干基肿大、流脂、溃烂[10-13]，这使其自身的生物特性发生改变，所以患病后所分泌的树脂会增强树干的燃烧性，其溃烂部位则会降低树干的抗火性及耐火性。在病害侵染过的区域，还留有大量的病腐木或枯立木,这些进一步增加了森林的燃烧性。

森林病虫害和森林火灾是重要的森林生态系统干扰因子,对森林生态系统结构有着长期的影响。火对大多数森林生态系统具有两面性,一方面它是森林生态系统演替过程中的一种自然干扰因子,在促进森林发育、维持生物多样性特别是景观多样性方面起着积极的作用[14-16];另一方面,森林火灾会引起森林的大面积死亡,造成重大的经济损失。火灾能导致森林结构和功能的变化,并常常引发病虫害等次生灾害，那么反之，森林病虫害的入侵，可引起大量林木的衰弱或死亡，并由此带来一系列的林木生理，森林组成、结构等的变化，破坏了森林生态环境，在同等的外界条件(包括相对湿度、风、降水、气温、树种组成等)下，上述变化加剧了森林火灾发生的可能性，那么，在有可燃物和火源的情况下，很容易引起森林火灾[17-21]。了解火与病虫害的关系,对于科学管理林火有着重要意义。当前我国对于森林火灾和病虫害的研究和管理都相对独立，在森林管理中没有考虑这些干扰因子的综合影响,未来需要加强这方面的研究。本文将红松根朽病与可燃物燃烧性相联系，对于患病后林木的燃烧性强弱的判断及森林火灾防护一系列相关工作具有重要意义。

1 研究区域概况

黑河位于黑龙江省北部，介于北纬47°42′～51°3′，东经124°45′～129°18′，春季高温多风，夏季雨热同现，秋季降温急骤，冬季寒冷干燥，冬长夏短、四季分明。全市年均降水量491～540 mm，有效积温1 950～2 300 ℃，年均气温零下0.4 ℃，日最高气温38.2 ℃，最低气温零下40 ℃。林区内以天然次生林为主，伴有少量人工林和原始森林，有红松、落叶松(Larixgmelinii)，樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)，蒙古栎(Quercusmongolica)、山杨(Populusdavidiana)、白桦(Betulaplatyphylla)等30余种林木。

2 研究方法

2.1 样地设置

研究对象为黑河市孙吴县红松人工林内不同发病程度的红松，选取3块发病率较高的红松根朽病样地，按调查森林病害要求，设置30 m×30 m样地，记录包括地形、林型在内的样地基本信息，进行每木检尺并根据根朽病的发病流脂程度划分和记录发病情况，基本情况见表1。

表1 红松样地基本信息

2.2 标准木选择和试样制备

在每块样地内选取患重病标准木、轻病标准木和健康标准木各1株，在树根部及树干处每隔1 m截取圆盘，将全部发病部位的树根、树干和圆盘带回实验。

将采集回来的样品分类放置，风干30 d。将采集红松样品分为3类：健康红松、患轻病红松与患重病红松，其中轻病红松和重病红松的划分，依据根朽病发病病症来划分。轻病时树冠变稀，针叶变细，颜色暗淡且1/3以下冠枯黄，重病时地际处干基肿大流脂，病皮开裂变黑且1/3以上冠枯黄[9，13]。每一类样品从下至上分按照树根部(a)、树基部(b)及树干部(c)3部分划分。其中，树根部为靠近土壤往上0.5 m处，树基部为树根部往上0.5 m处，树干部为靠近树基部往上0.5 m处。然后将其劈成小块，分装到档案袋中编号后，在烘箱中进行105 ℃烘干处理，然后带树皮磨成粉末，过20目筛，装入封口袋中备用。进行森林可燃物燃烧性的测定，探究森林病害对森林燃烧性的影响。

2.3 试验方法

燃烧性参数的测定采用锥形量热仪法[22]。采用英国FTT公司生产的标准型锥形量热仪，锥形量热技术可模拟真实燃烧环境，测试可燃物燃烧性，它是一种评价材料燃烧性的重要方法，在筛选防火树种，评价森林可燃物燃烧性中得到广泛应用，这种测试方法有测试参数较多、实验结果与材料在实际火灾中的表现更加相近,实验结果与实际情况关联性大的优点，由锥形量热仪可测定的燃烧性指标有引燃时间，热释放速率，质量损失速率等[23-26]。

测试方法：测试前称其质量所制备试样均20 g，倒入盛样品的铁盒内，调试锥形量热仪并输入测试条件及相关样品参数，将样品用锡箱纸包好置于测试台上，仪器数据稳定时开始进行测试，对样品进行点火操作，实验正式开始，随着样品表面辐射时间增加，样品温度不断升高直到达到样品燃点，热辐射范围控制在0～100 kW/m2[23-26]。

为了消除由于木材种类不同以及自身密度、粒径不均等因素对实验产生的影响，每次实验所采用的样品均来自同一批次粒径为20目(0.71 mm)的带皮红松粉末，以使材料自身性质对实验结果的影响保持一致[27]。将试样平铺在尺寸100 mm×100 mm×100 mm的铁盒内，用铝箔纸包裹，并用不锈钢丝网覆盖在铁盒上面，以避免样品的翘曲不规则，水平放入不锈钢制的样品固定支架内，温度为780 ℃，热源福射为50 kW/m2，各实验均重复3次，得到燃烧性能的多个参数，其中包括引燃时间(TTI)、质量损失速率(MLR)、热释放速率(HRR)、热释放总量(THR)等。使用Origin7.5软件和Excel，按照ISO 5660-1标准对实验数据进行处理与分析[27-30]。

3 结果与分析

3.1 引燃时间

引燃时间是指材料从加热开始到出现稳定火焰的时间，它反映了材料被点燃的难易程度，是评价材料燃烧性能的重要指标之一。对无病红松、轻病红松、重病红松进行引燃时间分析，得到表2。由表可知，部位相同但发病程度不同的红松的引燃时间均存在差异。在树根部位(a)处，重病红松的引燃时间最短，为16 s，树基部位(b)处无病红松引燃时间最短，为10 s，树干部位(c)处无病红松引燃时间最短，为14 s，而重病的引燃时间相对较长，轻病与重病的引燃时间差异不显著。从燃烧时间来看，重病红松的燃烧时间较短，说明其燃烧较快且相对较剧烈。

表2 红松引燃时间 s

3.2 热释放速率

热释放速率指的是单位面积释放热量的速率，反映了火源释放热量的快慢和大小，也就是火源释放热量的能力。热释放速率越大，燃烧反馈给材料表面的热量就越多，结果造成材料热解速度加快和挥发性可燃物生成量的增多，从而加速了火焰的传播。

对无病红松、轻病红松及患病红松进行热释放速率的分析，并绘制热释放速率曲线。从热释放速率曲线可以看出，红松的热释放速率曲线呈抛物状，有峰值。在图1中，红松热释放速率峰值均在100 s之内出现，且峰值最高的为重病红松的3个部位，无病红松的3个部位的峰值较低，且都明显低于重病红松，轻病红松则介于重病红松与无病红松之间，在400 s之后，所有曲线都处于水平趋势，说明其燃烧过程结束。按部位来看，红松树根部位的热释放速率高于无病红松与轻病红松的树根部位的热释放速率，重病红松树基部位的热释放速率要高于轻病与无病部位的热释放速率，轻病部位的热释放速率高于无病部位，重病与轻病红松树干部位的热释放速率明显高于无病树干部位，而重病红松树干部位的热释放速率峰值处高于轻病红松树干部位。总的来说，患重病红松的各部位的热释放速率均高于无病红松，而热放速率越高越容易加速火焰的传播，一旦发生森林火灾，火头将会在患重病红松林内迅速蔓延。

3.3 热释放总量

热释放总量(THR)指材料从燃烧实验开始到实验结束，单位面积所释放的热量总和。将热释放速率和热释放总量联合起来进行分析，能够比较全面客观地反映出材料的整体燃烧性能。对无病红松，轻病红松，重病红松进行热释放总量的分析，并绘制热释放总量曲线，如图所示。由图2可知，从引燃至100 s之内，树根部位的重病红松、轻病红松与无病红松差异不显著，而100 s之后，红松热释放总量曲线开始出现不同的上升趋势，重病红松与轻病红松的升高趋势明显高于无病红松。在树基部位处，轻病红松的热释放总量略高于重病红松，显著高于无病红松，重病红松的热释放总量高于无病红松。树干部位的重病红松、轻病红松与无病红松在前100 s内无显著差异，在100～400 s内，重病红松的热释放速率高于轻病红松，高于无病红松，轻病红松的热释放总量高于无病红松，在400 s燃烧过程结束之后，热释放总量曲线趋于水平。结合热释放速率的情况进一步说明，重病红松热释放量最大，存在更大的森林火灾风险。表明重病红松的挥发性可燃物生成量可能超过了无病红松，轻病红松则处在重病与无病红松之间。因此控制红松根朽病病害对森林防火有着重要的意义。

3.4 质量损失

质量损失速率指材料燃烧后单位面积、单位时间的质量变化值。由质量损失速率可计算出红松燃烧期间的质量损失，如表2所示。在初始质量相同的条件下，重病红松的各部位质量损失皆显著高于轻病红松与无病红松的质量损失，轻病红松的质量损失也高于无病红松，这说明患病红松在燃烧过程中，参与燃烧的物质多于无病红松，且燃烧的相对充分。

表2 红松质量损失

3.5 浓烟释放量

总烟释放量是评价森林可燃物燃烧危险性的另一重要指标，火灾中产生的浓烟危险性更离，总烟释放量越大，火灾越危险，火灾中的人员伤亡在很大程度上都是由于浓烟窒息造成的。对无病红松、轻病红松、重病红松进行浓烟释放量的分析，并绘制总烟释放量曲线。如图3所示，树根部、树基部及树干部的重病红松的浓烟释放量显著高于轻病红松与无病红松，轻病红松在树根部位及树干部位的浓烟释放量显著高于无病红松，而在树基部位略高于无病红松。总的来说，患病红松的浓烟释放量明显高于无病红松，说明患病红松在燃烧过程中发烟量较大，这与其理化性质有关，患根朽病的红松内部松油脂含量增多，可燃性比较强，火灾危险性增高。

火发生指数(IFP)常被用来评价测试材料的火险程度，它是着火感应时间(TTI)与热释放速率峰值(RHRpeak)的比值。IFP=TTI/RHRpeak，火发生指数值越大，抗火能力越强，反之燃烧性越强。火发生指数火发生指数表示火险程度，如表3所示。在树根部位(a)，重病红松的火发生指数值最小，说明其火险程度最大，其次是轻病红松的值小于无病红松，说明无病红松的火险程度较低；在树基部(b)，重病红松的火发生指数值最小，其次是轻病红松，无病红松火发生指数值最大，说明重病红松与轻病红松的火险程度略高于无病红松，相较于树根部(a)，树基部(b)的数值差距略小；在树干部位(c)，轻病红松与无病红松的火发生指数值差异不显著，但显著高于重病红松，整体来看，重病红松的火险程度更高。

表3 火灾发生指数

4 结论与讨论

本研究对相同立地条件和相同树龄的患病红松与健康红松的树干发病部位进行燃烧性测定，通过锥形量热仪法模拟真实燃烧所测的指标来看，患重病后的红松所测得的燃烧性指标皆显著高于轻病红松和无病红松，而轻病红松与无病红松三个部位略有差异，且差异各不相同，其中，树基部与树根部位处燃烧性变化较明显。在锥形量热仪测定的过程中，重病红松燃烧速度较快，较剧烈，热释放量较大，发烟量较大且烟呈深黑色，而轻病红松与健康红松差异不显著且燃烧过程较缓慢，说明红松在患重病后，燃烧性显著提高，而患轻病后对其自身的燃烧性的影响不大。其原因可能是重病红松发病处出现腐朽、开裂、流脂的情况，导致其理化性质发生改变，挥发性可燃物生成量增多，热分解产物也随之增多，而轻病红松与健康红松还未出现这种情况。在患病程度相同且部位不同的前提下，树根部位处的燃烧性最强，其次为树基部，树干部位的燃烧性较弱，这正与根朽病的发病部位严重程度相对应[9]。本文无病红松、轻病红松与南方的毛竹、麻栗，北方的紫缎、蒙古栎等的燃烧性指数相似[31-32]，几类树种抗火性相对较强；重病红松与南方的华山松、柳杉、马尾松，北方的油松、落叶松的燃烧性指数相似[31-32]，抗火性较低，进一步说明了红松根朽病对其主干燃烧性有影响。

综上所述，患病红松的燃烧性强于无病红松，且根据火灾发生指数来看，患病后的红松抗火能力弱，加上其患病后所分泌的油脂等物质更容易增加其易燃性，并且还能加速火焰的传播，存在更大的森林火灾风险。从定性的角度看，一是红松患病后，其内部稳定性发生改变，被侵染处分泌大量油脂，增强了燃烧性；二是红松患重病后主干开始腐烂直至枯死，逐渐失去生命特征，使其含水率降低，增强了其燃烧性；从定量角度看，红松枯死后，死可燃物增加，增强了人工林的易燃性。无论是自然发病枯萎倒地还是受害后被伐除，其原先占据的生态位均出现了闲置，周围竞争木或林下灌草在随后几年内会迅速占据这个“闲置”生态位，从而改变了原有松林内主要树种的空间分布和格局，进而引起各主要种群生态位的变化。本实验对森林病害中遗传性较强的根朽病与燃烧性相结合研究，确定了根朽病对其主干的燃烧性有促进作用，且随着病害的加重其燃烧性也随之增强。而森林病害的种类还有很多，且不同患病树种、发病症状等对燃烧性的影响也各不相同，这些还有待进一步研究。