紫茎泽兰的燃烧火行为特征1)

闫想想 王秋华 张文文 龙腾腾 李晓娜 胡晶钧 任俊桥

(西南林业大学，昆明，650224)

火行为指森林可燃物被点燃至熄灭过程中表现出的特征，受可燃物的处理方式、气象和地形等多因素影响[1-5]。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、过火后的损失等[6]。国外通过地表可燃物燃烧火行为评估潜在影响的报道很多，如：Cronan et al.[7]通过研究燃烧季节对灌木和草本可燃物的影响预测在佛罗里达北部的两个地理区域的火行为；Cruz et al.[8]对环境输入的处理方式和火行为特征进行了分析；Fernandes et al.[9]通过模拟燃烧火行为和观察处理可燃物和未处理可燃物的真实燃烧火行为，量化了10 a计划烧除的残余效应；Kreye et al.[10]研究了美国佛罗里达州松林地表火行为特征；Valachovic et al.[11]橡树猝死对地表可燃物的燃烧火行为的影响研究。国外的大部分研究偏向于火行为的模拟实验，真实火行为的实验研究有限，目前国内也有大量火行为的研究，如：孙武等[12]对北京地区主要针叶林型林火行为进行了研究；田晓瑞等[13]研究了大兴安岭森林火灾的火行为及可燃物变化；潘登等[14]对南亚热带马尾松人工林潜在火行为进行了研究；陈启良等[15]研究了昆明地区冲天柏林地表可燃物特征及火行为；张吉利等[16]对平地无风条件下蒙古栎阔叶床层的火行为特征进行了研究。虽然他们对火行为进行了大量研究，但缺乏对危险可燃物，尤其是草本可燃物火行为的研究。

紫茎泽兰是菊科(Asteraceae)泽兰属(Eupatorium)多年生杂草植物，根系发达，具有极强繁殖能力，传播性强，通常为丛生或集生分布，生态适应性广[17-18]，喜温湿环境且能耐干旱贫瘠，植株下的温度和湿度随着季节的变化而变化，并在云南省广泛分布。紫茎泽兰在林地内严重影响林内草木的生长，排挤伴生植物形成大片的单优群落，导致侵入地生态环境恶化，带来灾难性的后果，已被定为Ⅰ级恶性入侵类植物[19-26]。紫茎泽兰生长速度比较快，在一年内可以迅速长到2 m左右的高度，燃烧性较好，为树冠火的产生提供了物质基础。由于紫茎泽兰的植株干枯后大部分不会倒伏，且枯叶仍挂在枝干上，在林下易与枯死的草类、小枝条形成梯状可燃物，林火容易在垂直方向上蔓延；紫茎泽兰干枯后倒伏，呈水平连续性，由于滇中地区的地势复杂，尤其是在箐沟沟底、山谷等，易成为林火水平蔓延的快速过火通道，紫茎泽兰是地表火转化为树冠火的关键[27-30]。本文通过外业调查，采取紫茎泽兰地上部分的整个植株，并在实验室可控条件下的燃烧床内进行燃烧实验，研究着火、蔓延、热释放等特征，掌握紫茎泽兰垂直燃烧和水平燃烧的火行为特征，为预防和扑救森林火灾提供依据。

1 研究区概况

云南森林自然中心位于昆明市东北郊，包括双乳山、元宝山、长虫山、平顶山、摩天岭、三尖山和石关7个林区，地处东经102°43′～102°53′，北纬25°4′～25°11′，南北长约14.2 km，东西宽约13.8 km，总面积约为1 872 hm2，森林面积为1 750 hm2。海拔2 000～2 200 m，属亚热带高原季风气候，年平均气温15 ℃，1月为气温最低月份(月平均6.8 ℃)，7月为气温最高月份(月平均18.2 ℃)，干湿季节分明，年降水量为980.5～1 156.5 mm，主要集中在5—8月份。森林植被以人工林为主，森林覆盖率达到89.33%。主要乔木树种有云南松(Pinusyunnanensis)、华山松(Pinusarmandii)、滇油杉(Keteleeriaevelyniana)、圆柏(Sabinachinensis)等；主要灌木有小铁仔(Myusineafricana)，矮杨梅(Myricacheval)，还伴生禾本科大部分草本植物等。现云南80%面积的土地都有紫茎泽兰分布，西南地区的云南、贵州、四川、广西、西藏等地都有分布[31]。

2 研究方法

2.1 外业调查及样品采集

2019年2月8—9日(云南防火期为12月1日至翌年6月15日，跨年度)在云南森林自然中心有紫茎泽兰连续分布的冲天柏(Cupressusduclouxiana)林地内已设置的3个20 m×20 m样地(2017年2月开始设置，并进行连续调查)，每个样地沿对角线选取3个1 m×1 m的样方，总计18个样方，用收获法采集样品。用于燃烧实验的紫茎泽兰采集的地点较近，生长环境相同，保证了实验样品具有可比性。每个样方测海拔、坡度、坡向等地形要素，测紫茎泽兰高度、丛数、株数等，采集植株可燃物，取样后用便携式电子天平称鲜质量带回实验室分析。样方的基本特征见表1，样方①、②、③的紫茎泽兰样本进行垂直燃烧，样方④、⑤、⑥的紫茎泽兰样本进行水平燃烧。

表1 各样方的特征

2.2 可燃物定量分析

含水率是森林火险预报中评价火灾危险性大小的关键指标之一[32]，载量影响着火灾的强度及蔓延速率，也是关键指标[33]。

风干含水率(r)=[(WH-WD)/WD]×100%。式中：WH为可燃物的湿质量(采样时的样品质量)，WD为可燃物的干质量(样品在自然状态下风干后的质量)。

可燃物载量=m/s。式中：m为样方内可燃物质量，s为样方面积。

烧损率=[(m1-m0)/m1]×100%。式中：m1为燃烧前可燃物的质量，m0为燃烧后剩余可燃物的质量。

2.3 燃烧实验

在垂直燃烧的3个20 m×20 m样地中各取3个1 m×1 m的小样方，在实验室内对3个小样方内的样品进行燃烧取其平均值作为样方①，其余样地的样方依次编号为②、③，水平燃烧的编号为④、⑤、⑥，在燃烧室内设置铁质燃烧床(长203 cm，宽127 cm，高34 cm)。坡度均设为10°，底部覆盖一层石膏板以减少热量损失。使用网格法用铁丝将紫茎泽兰上部固定在燃烧床的正中央上方，紫茎泽兰的根部紧贴燃烧床。其中有8根热电偶丝，分别为1、2、3、4、5、6、7、8，它们分别距离燃烧床的距离为130、110、150、70、90、30、50、10 cm，如图1所示。

图1 热电偶丝在燃烧床的垂直距离示意图

燃烧实验时用点火器点火，用秒表记录时间(引燃时间、火焰维持时间、蔓延时间和无焰燃烧时间)；用手持红外测温SL-309测火焰的温度和无焰燃烧温度；用SFR-Ⅲ数字式辐射热计测量火焰的热辐射和无焰燃烧热辐射；同时用钢卷尺测量火焰高度；用设置在火焰上方不同距离下的热电偶丝连接转换器，再用转换器通过数据线连接电脑，导出温度数据。可燃物每次燃烧的过程中，在燃烧床上从开始燃烧到结束燃烧1 m的距离划分5个相等的间隔，分别在燃烧到此刻度时对应的5组或5组以上火焰温度、火焰高度、热辐射，选取最大值。

2.4 数据处理

用Excel 2015、Sigma Plot 12.5对数据进行处理，总点烧次数为12次，每个处理下的点烧次数为6次，计算各项最大值、最小值和平均值等，并制图。

3 结果与分析

3.1 紫茎泽兰的燃烧火行为

由表2可知，紫茎泽兰垂直燃烧时的平均点燃时间大于水平燃烧，分别为31、1 s，差别非常明显；蔓延时间为点燃后火焰到蔓延到尾端的时间。水平燃烧时的平均蔓延时间为1.67 min，垂直燃烧时的平均蔓延时间为3.50 min。

水平燃烧的平均火焰最大热辐射与无焰燃烧平均最大热辐射相当，都是7.23 kW/m2，垂直燃烧的火焰平均最大热辐射与无焰燃烧平均最大热辐射也相当，为7.24 kW/m2。无论是水平燃烧还是垂直燃烧，紫茎泽兰在有火焰燃烧和无焰燃烧时的热辐射接近。

表2 紫茎泽兰的水平、垂直燃烧火行为特征

紫茎泽兰垂直燃烧时的平均无焰燃烧最高温度大于水平燃烧，分别为680和670 ℃；紫茎泽兰水平燃烧时的平均火焰维持时间大于垂直燃烧，分别为5.93和5.58 min，但差距不是很明显；紫茎泽兰水平燃烧时的平均火焰最高温度大于垂直燃烧，分别为761和611 ℃；紫茎泽兰垂直燃烧的平均火焰最大高度大于水平燃烧，分别为300和120 cm；紫茎泽兰垂直燃烧的无焰燃烧平均维持时间大于水平燃烧，分别为7.72和5.95 min。

紫茎泽兰垂直燃烧时的平均烧损率和水平燃烧差异不显著，垂直燃烧和水平燃烧的各指标变化不同。水平燃烧和垂直燃烧的点燃时间、火焰最大高度、火焰最高温度、蔓延时间差异显著(p<0.05)；垂直燃烧和水平燃烧的火焰维持时间、火焰最大热辐射、阴燃最大热辐射、无焰燃烧最高温度、阴燃维持时间、烧损率差异不显著(p>0.05)。

3.2 热电偶法分析火焰温度变化

由图2可知，无论垂直还是水平燃烧，距离火焰越近，温度则越高。除了8号热电偶丝垂直燃烧时的最高温度高于水平燃烧时的最高温度，其余7根热电偶丝均是水平燃烧时的最高温度略高于垂直燃烧。由于8号热电偶丝距离火焰的距离最近且在燃烧床的正中央，水平燃烧时是火焰从燃烧床的一侧到另一侧，随着燃烧的进行，火焰距离热电偶的垂直距离不变，水平距离是先缩短后增大的过程。垂直燃烧时，将紫茎泽兰直接固定在燃烧床的正中央进行测量，火焰距离热电偶丝的水平距离不变，垂直距离越来越远，所以导致当火焰烧至燃烧床中央时8号热电偶丝的温度不是最大值。

图2 水平燃烧(a)和垂直燃烧(b)时的热电偶温度变化曲线

热电偶温度从上升到下降之间的时间间隔为阻滞时间，是指火峰前沿穿越某一定点所用的时间，其大小影响着林火的蔓延速度和火焰深度。阻滞时间越长，火焰深度越大，蔓延速度越小。水平燃烧达到峰值温度的时间大于垂直燃烧达到峰值温度的时间。水平燃烧时达到峰值最短的时间为100 s左右，而垂直燃烧达到峰值的最短时间相对较小，均在38 s左右。水平燃烧维持峰值的时间比垂直燃烧较长，但火焰温度低于垂直燃烧。在50～350 s内，水平燃烧的火焰温度维持在400～700 ℃；在31～78 s内，垂直燃烧的火焰温度维持在500～800 ℃。

4 结论与讨论

枯死紫茎泽兰在垂直、水平两种不同燃烧方式下的主要燃烧火行为特征：(1)垂直燃烧的平均点着时间、蔓延时间、火焰最大高度和烧损率都大于水平燃烧；(2)水平燃烧的平均火焰最高温度大于垂直燃烧，水平燃烧的平均火焰最高温度761 ℃，垂直燃烧的平均火焰最高温度611 ℃。(3)无论水平燃烧还是垂直燃烧，火焰热辐射和无焰燃烧热辐射接近，即水平燃烧的火焰平均最大热辐射与无焰燃烧平均最大热辐射都是7.23 kW/m2，垂直燃烧的火焰平均最大热辐射和无焰燃烧平均最大热辐射都是7.24 kW/m2，紫茎泽兰有焰燃烧时产生的最大温度与无焰燃烧无差别。(4)紫茎泽兰垂直燃烧时的平均无焰燃烧最高温度大于水平燃烧，但差异不大，分别为680和670 ℃。

水平燃烧紫茎泽兰的点燃时间与王秋华等[12]在滇中地区入侵紫茎泽兰的潜在火行为研究结果一致，垂直燃烧紫茎泽兰的火焰最大高度300 cm，与王秋华等[34]在箐沟内采取紫茎泽兰燃烧时的火焰最大高度240 cm接近。紫茎泽兰水平燃烧时的平均火焰维持时间大于垂直燃烧，分别为5.93和5.58 min，但差距不是很明显，这与郑永波等[13]对紫茎泽兰干枯茎燃烧时间的结果不同，因为实验条件不同，其实验是在50%的氧气氛围下的燃烧，而本文为自然状态下的燃烧。由于采样的紫茎泽兰的叶子较少，所以无论垂直或水平燃烧时的燃烧都相对缓慢，虽然2月份是云南的森林防火期，正值紫茎泽兰植株的枯死期，但由于是雨后采样，和箐沟内湿润的环境较接近。紫茎泽兰在枯死后不倒伏，枯叶也挂在茎秆上，水平燃烧时和凋落物接近，烧掉的大部分是枯叶，枯叶引燃快，蔓延较快，熄灭也快，燃烧相对不完全，烧损率相对较小；紫茎泽兰水平燃烧时，火焰是在水平的方向上向前蔓延，火焰蔓延的方向与火焰方向垂直，火焰高度相对较小；而垂直燃烧和枯死紫茎泽兰接近，由于两者均是从茎秆开始燃烧，茎秆相对枯叶较难引燃，蔓延相对缓慢，但接触更多空气，燃烧相对充分，烧损率较大，并且紫茎泽兰垂直燃烧时，火焰是在垂直方向上延伸，与火焰方向一致，火焰高度也较大，因此，紫茎泽兰垂直燃烧的火灾危险性较大。紫茎泽兰水平燃烧相对稳定且缓慢，能量释放也比较稳定和缓慢；而垂直燃烧时，由于燃烧状态相对不稳定，大量能量的集聚会出现剧烈燃烧的状态，能量释放也比较块，导致水平燃烧时的火焰最高温度大于垂直燃烧时的最高温度。

由此可见，无论水平燃烧还是垂直燃烧，紫茎泽兰燃烧时温度很高，都会释放较大能量，温度远超人体能够忍受的阈值149 ℃[35]，热辐射很大，即使有防护装备，扑火人员在火场还是会受到热伤害。同时，由于其植株防火期枯死，大部分不倒伏，凋萎的叶子悬在茎秆上，在林内，增加了可燃物的垂直连续性，形成梯状可燃物，增强了地表火转化为树冠火的可能性，在林缘，成片枯死的紫茎泽兰是火的水平通道，有利于火的蔓延。紫茎泽兰是入侵物种，对其所在的森林燃烧性有着深刻影响。尤其在防火期，其植株枯死后，有些不会倒伏，枯叶仍挂在茎秆上，增加了可燃物的垂直燃烧性，有利于地表火蔓延、转换为树冠火。由于地表火转化为树冠火的影响因素较多，今后需继续深入研究各种因素及其相互关系，完善实验条件，根据紫茎泽兰不同的林分条件[36]，结合生物学和生态学特性更系统研究紫茎泽兰的火行为。