呼中国家级自然保护区主要可燃物类型地下火燃烧特征

单延龙，王明霞，于 渤，王晓迪，李 威，赵凤君，高 博

(1.北华大学林学院，吉林 吉林 132013；2.敦化林业有限公司，吉林 敦化 133714；3.吉林省森林防火预警监测指挥中心，吉林 长春 130022；4.中国林业科学研究院森林生态环境与自然保护研究所，北京 100091；5.国家林业和草原局森林生态环境重点实验室，北京 100091)

森林地下火是发生在腐殖质层或泥炭层的森林火灾，是一种缓慢、低温、无焰的阴燃现象[1].森林地下火发生时，不但毁坏植物根系，还会消耗森林地下水，严重破坏森林结构[2]，且由于阴燃的特性使地下火具有隐蔽性强、监测难度大、不易被扑灭等特点[3].我国北方寒冷的针叶林是地下火频发地带，南方林区则不易发生地下火[4].森林地下火主要由地表火和雷击火引起.呼中国家级自然保护区位于黑龙江省大兴安岭地区，是我国寒温带最大的针叶林生态系统.该保护区由雷击引起的森林火灾发生频繁，为地下火的发生创造了条件[5-6].

森林地下火不同于地表火和树冠火易于直接观察，在科学研究中受到的关注程度也相对较低[7].近年来，国内外学者对地下火的研究主要集中在地下火热解过程、影响因素、火环境、烟气释放等方面[3，8-14].大兴安岭地区是我国森林地下火的频发区域之一，但目前针对地下火研究的试验材料主要以泥炭为主，也多为商业泥炭，而以我国北方森林实际的腐殖质为试验材料的研究鲜有报道.本研究以呼中国家级自然保护区主要可燃物类型为研究对象，通过室内模拟点烧试验确定主要可燃物类型的地下火燃烧特征，旨在更好地掌握地下火燃烧机理，为地下火防控提供理论依据，同时也为进一步研究该地区森林地下火奠定基础.

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于黑龙江省呼中国家级自然保护区，地理坐标为51°17′42″～51°56′31″N，122°42′14″～123°18′05″E.保护区东西宽约32 km，南北长约63 km，总面积为167 213 hm2，森林覆盖率为89.1%.该区属温带大陆性季风气候，冬季冷、夏季热、昼夜温差大、降雨量少.保护区长期处于封闭状态，以兴安落叶松(Larixgmelinii)为主的原生植被保存完整，其他树种还包括白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Populusdavidiana)、钻天柳(Choseniaarbutifolia)等；主要林下灌木有兴安杜鹃(Rhododendrondauricum)、偃松(Pinuspumila)、细叶杜香(Ledumpalustrevar.angustum)、越桔(Vacciniumvitis-idaea)等；主要草本植物有苔草(Carexappendiculata)、小叶樟(Deyeuxiaangustifolia)等[15].

1.2 研究方法

1.2.1 野外调查

于2021年春季防火期前往呼中国家级自然保护区进行野外调查.选择该区域主要可燃物类型为研究对象，具体包括杜香-兴安落叶松林、杜鹃-兴安落叶松林、草类-兴安落叶松林、偃松-兴安落叶松林.在每种可燃物类型下分别随机选取3块20 m×30 m试验样地，调查并记录样地的地下可燃物厚度、经纬度、海拔、郁闭度、林龄、胸径等基本信息.

1.2.2 样品采集与处理

在每块试验样地的对角线分别设置3块0.5 m×0.5 m的小样方，将上层的枯枝落叶去掉，挖掘小样方内所有的地下可燃物并带回实验室，用于室内模拟点烧试验.

本研究在每个可燃物类型下分别设置4个含水率梯度(0、10%、20%、30%)进行模拟点烧试验.将采集的部分腐殖质装入档案袋放入鼓风干燥箱中，105 ℃连续烘干48 h使可燃物趋于绝干；将剩余的腐殖质放在阴凉通风处自然风干，每隔6 h使用快速水分测定仪测量含水率，直至达到设定的含水率为止.将不同含水率的腐殖质分别置于塑封袋中密封用于模拟点烧试验.点烧试验前使用快速水分测定仪再次测量3次腐殖质含水率，取平均值作为腐殖质点烧的实际含水率.

1.2.3 地下火模拟点烧试验

使用的室内模拟点烧试验装置为自行组装的地下火温度采集系统，包括阴燃反应炉、热电偶、数据采集模块和笔记本电脑(图1).将主要可燃物类型的不同含水率地下可燃物分别置于阴燃反应炉中，在阴燃反应炉的侧面自上而下每隔3 cm打10个小孔.将K型热电偶插入小孔直至腐殖质中间.使用补偿导线连接热电偶和数据采集模块，最后将地下火燃烧过程中的温度变化数据传输回笔记本电脑，数据采集频率为10 s采集1次.远红外加热板在使用前先预热到500 ℃，之后持续加热0.5 h后撤掉加热板.同时，为保证空气流通，在加热板与反应炉之间保留1 cm的空隙.

图1地下火模拟点烧试验装置Fig.1Experimental device of underground fire simulation ignition

1.2.4 数据处理

使用Excel 2003对地下火模拟点烧试验中采集和记录的数据进行分类、整理；使用Origin 2018软件绘制主要可燃物类型地下火燃烧温度和蔓延速率变化特征图.蔓延速率的计算方法为每个热电偶所处深度除以其所在深度腐殖质燃烧达到最高温度的时间；变异系数表示地下火燃烧蔓延速率随深度的波动程度，计算公式：

式中：CV为变异系数；SD为标准偏差；MN为蔓延速率均值.

使用SPSS 19.0软件进行双因素方差分析，分析不同可燃物类型和含水率对地下火燃烧峰值温度和蔓延速率的影响，若二者之间存在交互作用，则进一步进行简单效应分析；显著水平P<0.05，多重比较方法使用LSD.

2 结果与分析

2.1 主要可燃物类型地下火燃烧特征

2.1.1 地下火燃烧温度变化特征

呼中国家级自然保护区主要可燃物类型不同含水率燃烧温度变化特征见图2.由图2可知：草类-兴安落叶松林在含水率为1.05%时，地下火燃烧温度上升较快，但波动较大，其中，18 cm处的燃烧温度最高(665.53 ℃)；含水率为12.21%时地下火燃烧时间最长，以深度27 cm的燃烧温度最高(611.57 ℃)；在含水率为20.92%和32.12%时，由于腐殖质中水分含量较高，所以燃烧温度上升较为缓慢，且深度24 cm和27 cm处燃烧温度下降缓慢，其中，含水率为20.92%时，深度18 cm处燃烧温度最高(613.07 ℃)，含水率为32.12%时，深度24 cm处燃烧温度最高(650.52 ℃)(图2 a).

杜香-兴安落叶松林在含水率为1.63%时，各深度燃烧温度均在3.5 h左右达到最高，其中，深度21 cm处的燃烧温度最高(674.42 ℃)；含水率为12.46%时，地下火燃烧过程较快，其中，燃烧深度9 cm处温度最高(713.99 ℃)，达到最高温度所需时间仅为0.89 h；含水率为22.38%时，不同深度的地下火燃烧过程较为集中，其中，深度3 cm的燃烧温度较低，24 cm的燃烧温度最高(640.25 ℃)；含水率为33.83%时，深度3～21 cm燃烧较为集中，且达到最高温度后快速下降，其中，深度9 cm的燃烧温度最高(679.82 ℃)，24 cm和27 cm处的地下火燃烧过程缓慢，且燃烧后温度下降较慢(图2 b).

偃松-兴安落叶松林在含水率为1.18%和12.53%时，地下火燃烧温度上升较快，在燃烧开始的1 h内就完成了水分蒸发并快速蔓延，其中，3～21 cm的燃烧较为集中，24～27 cm的燃烧较为缓慢，且温度下降速率也缓慢，分别在深度21 cm(654.29 ℃)和27 cm(685.87 ℃)处燃烧温度最高；在含水率为19.32%和32.09%时，地下火燃烧时间较长，并都在深度27 cm处的燃烧温度最高，分别为704.42 ℃和682.81 ℃，到达最高温度的时间分别需要7.14 h和4.41 h(图2 c).

杜鹃-兴安落叶松林在含水率为2.03%时，燃烧过程可分为2段：深度3～9 cm温度上升较快，12～27 cm燃烧过程缓慢，且与上一段燃烧过程之间存在“断层”，其中，21 cm处燃烧温度最高(652.99 ℃)；含水率为11.26%时，深度3～6 cm燃烧过程较快，之后的深度有较长时间的温度上升过程，深度24 cm处的燃烧温度最高(607.74 ℃)；含水率为21.43%时，燃烧过程较为集中，所有深度都在燃烧3～4 h之内达到最高温度，其中，21 cm处燃烧温度最高(616.30 ℃)；含水率为32.41%时，深度3～9 cm均在燃烧2 h左右达到燃烧最高温度，12～21 cm燃烧过程较为集中，24～27 cm燃烧过程缓慢(图2 d).

图2主要可燃物类型地下火燃烧温度变化特征Fig.2Variation characteristics of underground fire combustion temperature of main fuel types

2.1.2 地下火燃烧蔓延速率变化特征

呼中国家级自然保护区主要可燃物类型不同含水率燃烧蔓延速率变化特征见图3.由图3可知：草类-兴安落叶松林在含水率为1.05%(变异系数CV=30.89%)和32.12%(CV=37.78%)时，地下火燃烧的蔓延速率波动较大，且在上层的蔓延速率随深度的增加变化幅度加大，深层的蔓延速率随深度的增加波动较小，在深度27 cm处蔓延速率都最快；在含水率为12.21%(CV=18.78%)和20.92%(CV=22.43%)时，蔓延速率波动相对较小，其中，含水率为12.21%时深度15 cm处的蔓延速率最快(4.52 cm/h)，含水率为20.92%时深度24 cm处蔓延速率最快(9.54 cm/h)(图3 a).

杜香-兴安落叶松林在含水率为1.63%时蔓延速率波动最大(CV=72.19%)，深度3～24 cm蔓延速率都随深度的增加小幅加快，当蔓延至27 cm处时蔓延速率骤然加快至12.40 cm/h；在含水率为33.83%时(CV=35.51%)，深度3～21 cm蔓延速率随着深度的增加逐渐加快，蔓延至24～27 cm时蔓延速率有小幅降低；含水率为12.46%和22.38%时的蔓延速率波动程度相近(CV=48.00%，CV=48.27%)，蔓延速率最大值分别为25.45 cm/h和11.96 cm/h(图3 b).

偃松-兴安落叶松林在含水率为1.18%和12.53%时，蔓延速率波动较大(CV为44.71%和45.96%)，且都随深度的增加呈先加快后降低的趋势，其中，含水率为1.18%时，在深度18 cm处蔓延速率最快(11.19 cm/h)；含水率为12.53%时，在21 cm处蔓延速率最快(17.79 cm/h)；含水率为32.09%时(CV=36.97%)，在深度为21 cm处蔓延速率最快(8.07 cm/h)；含水率为19.32%时，蔓延速率波动最小(CV=16.95%)，在深度21 cm处蔓延速率最快(4.63 cm/h)(图3 c).

杜鹃-兴安落叶松林的蔓延速率较慢，在含水率为21.43%时，蔓延速率波动最大(CV=55.46%)，在深度为27 cm处蔓延速率最快，也仅为6.91 cm/h；在含水率为11.26%和32.41%时，蔓延速率波动程度相近(CV为32.91%和29.62%)；腐殖质含水率为1.03%时，蔓延速率波动较小(CV=21.05%)，在深度为27 cm处蔓延速率最快(4.07 cm/h)(图3 d).

图3主要可燃物类型地下火蔓延速率变化特征Fig.3Variation characteristics of underground fire spread rate of main fuel types

2.2 不同可燃物类型和含水率对地下火燃烧特征的影响

不同可燃物类型和含水率对地下火燃烧峰值温度和蔓延速率影响的方差检验见表1.由表1可知：不同可燃物类型和含水率的交互作用对地下火燃烧的峰值温度和蔓延速率影响较大，尤其是蔓延速率，影响的差异已经达到了极其显著水平(P<0.01).

表1 不同可燃物类型和含水率对地下火燃烧峰值温度和蔓延速率影响的方差检验Tab.1 Variance test of influence of different fuel types and moisture contents on peak combustion temperature and spread rate of underground fire

2.2.1 不同可燃物类型和含水率对地下火燃烧峰值温度的影响

不同可燃物类型和含水率对地下火燃烧峰值温度影响的简单效应分析结果见表2.由表2可知：偃松-兴安落叶松林不同含水率腐殖质燃烧的峰值温度存在显著差异(P<0.05)，其他可燃物类型不同含水率的燃烧峰值温度则不存在显著差异；当含水率为10%和30%时，不同可燃物类型的地下火燃烧峰值温度存在显著差异(P<0.05).

表2 不同可燃物类型和含水率对地下火燃烧峰值温度影响的简单效应分析Tab.2 Simple effect analysis of influence of different fuel types and moisture contents on peak combustion temperature of underground fire

不同可燃物类型和含水率对地下火燃烧峰值温度影响的多重比较见表3.由表3可知：偃松-兴安落叶松林地下火燃烧的峰值温度以含水率为12.53%时最高，其次是含水率为32.09%，且都与峰值温度最低的含水率19.32%存在显著差异.含水率为10%和30%时，杜香-兴安落叶松林和偃松-兴安落叶松林的地下火燃烧峰值温度都是最高，且二者之间不存在显著差异；含水率为10%时，4种可燃物类型的峰值温度之间差异较大，草类-兴安落叶松林和杜鹃-兴安落叶松林的峰值温度较低，与其他两种可燃物类型之间都存在显著差异.

表3 不同可燃物类型和含水率对地下火燃烧峰值温度影响的多重比较Tab.3 Multiple comparison of influence of different fuel types and moisture contents on peak combustion temperature of underground fire

2.2.2 不同可燃物类型和含水率对地下火燃烧蔓延速率的影响

不同可燃物类型和含水率对地下火燃烧蔓延速率影响的简单效应分析见表4.由表4可知：杜香-兴安落叶松林和偃松-兴安落叶松林不同含水率的燃烧蔓延速率差异极显著(P<0.01)；在含水率为10%、20%、30%的条件下，不同可燃物类型的蔓延速率差异极显著(P<0.01).

表4 不同可燃物类型和含水率对地下火燃烧蔓延速率影响的简单效应分析Tab.4 Simple effect analysis of influence of different fuel types and moisture contents on spread rate of underground fire

不同可燃物类型和含水率对地下火燃烧蔓延速率影响的多重比较见表5.由表5可知：杜香-兴安落叶松林和偃松-兴安落叶松林都以含水率12.46%和12.53%的蔓延速率最快，尤其是偃松-兴安落叶松林，含水率为12.53%的蔓延速率与其他含水率之间都存在显著差异，而其他3种含水率条件下的蔓延速率相近，不存在显著差异.在含水率为10%时，杜香-兴安落叶松林和偃松-兴安落叶松林的蔓延速率较快，且与其他可燃物类型之间存在显著差异；含水率为20%和30%时，以杜香-兴安落叶松林和草类-兴安落叶松林蔓延速率较快，尤其是含水率为20%时，草类-兴安落叶松林的蔓延速率最快.

表5 不同可燃物类型和含水率对地下火燃烧蔓延速率影响的多重比较Tab.5 Multiple comparison of influence of different fuel types and moisture contents on spread rate of underground fire

3 结论与讨论

呼中国家级自然保护区主要可燃物类型在含水率为30%时地下火都可以自我维持燃烧，一般认为，当地表可燃物含水率达到25%以上时将很难被点燃，大于35%时将不能被点燃[16].而在以泥炭为试验对象的相关研究中，地下火阴燃甚至可以在含水率为50%～60%条件下发生[9，17].由此可见，地下火可以在较高含水率水平下发生，相比于地表火和树冠火来说，发生的潜在风险更高，当存在稳进地表火或高强度雷击时，含水率较高的地下可燃物也很容易被点燃，进而引起地下火发生.

主要可燃物类型的地下火燃烧温度较高，最高可达713.99 ℃，且随着含水率的升高，地下火燃烧温度上升变慢.这是由于地下火燃烧首先是一个脱水干燥过程，之后才是燃烧蔓延[18]，高含水率的腐殖质需要更多的时间蒸发水分，所以燃烧温度上升缓慢.在燃烧过程中，上层温度上升快，温度下降也快；而深层则燃烧温度高，温度下降缓慢，且含水率越高，深层的温度下降越缓慢.这是由于地下火向下蔓延一段时间后，上层会出现坍塌现象，导致氧气进入，使下层的阴燃更加剧烈[19]，同时掉落物起到了阻止热量散失的作用，导致下层的燃烧温度高，且热量散失慢.而含水率较高的腐殖质在脱水干燥过程中将会消耗掉大量热量，剩余的热量将不能支持地下可燃物的完全燃烧[16，20]，所以导致剩余的地下可燃物多，温度下降也更缓慢.

本次研究显示，地下火燃烧过程蔓延速率缓慢，最快也仅为25.45 cm/h.相关研究也表明，地下火燃烧的蔓延速率缓慢[9]，与本研究结论相符.地下火燃烧蔓延速率随深度的增加波动较大，且深层的蔓延速率要大于上层.这是由于地下火的燃烧过程是靠自身释放的热量来维持的[21]，上层的可燃物燃烧时散热较快，燃烧温度较低，脱水干燥时间较长，所以蔓延速率较慢；当地下火蔓延到下层时，由于上层可燃物的阻挡，下层燃烧散热较慢，燃烧温度较高，所以蔓延速率较快.

不同可燃物类型和含水率的交互作用对地下火燃烧峰值温度和蔓延速率的影响都存在显著差异(P<0.05).其中，在相同可燃物类型下，只有偃松-兴安落叶松林不同含水率的燃烧峰值温度之间存在显著差异，其他可燃物类型的峰值温度之间不存在显著差异.可见，虽然含水率是决定地下火能否发生蔓延的重要条件[22-23]，不同含水率的地下火燃烧过程可能会有所不同，但是一旦形成稳定的地下火，含水率对燃烧温度的影响则会减弱.在相同含水率下，杜香-兴安落叶松林和偃松-兴安落叶松林的燃烧温度高.这是由于杜香的叶子中含有丰富的挥发性精油成分[24-25]，偃松油脂含量高[26]，这两种地被物都可以起到促进燃烧的作用；同时，这两种可燃物类型的地下可燃物主要由无法完全腐烂分解的植物组成，含有丰富的有机质[27]，且可燃物之间孔隙大，地下火燃烧时氧气含量高，所以燃烧温度高.

杜香-兴安落叶松林和偃松-兴安落叶松林以含水率10%的蔓延速率最快；草类-兴安落叶松林和杜鹃-兴安落叶松林也以含水率为20%时的蔓延速率最快.一般情况下，野火的蔓延速率被认为是随着可燃物含水率的增加而降低，但HUANG等[8]在相关研究中得出提高一定含水率会导致阴燃速率加快的结论；一定的含水率能增加热的传导速度，同时还会降低腐殖质的堆积密度[28]；GARLOUGH等[29]研究表明，较低的可燃物堆积密度会增加地下火持续燃烧的可能性，这可能是导致蔓延速率加快的原因.

根据研究结果，对呼中国家级自然保护区主要可燃物类型地下火的防控提出几点建议：

1)杜香-兴安落叶松林和偃松-兴安落叶松林的地下火燃烧温度高，且它们还是该保护区主要的可燃物类型，在保护区内分布较广.所以，针对这两种可燃物类型要着重预防森林地下火的发生，且发生时要及时扑救，否则高温地下火一旦发展蔓延将会造成巨大损失和严重危害.

2)杜鹃-兴安落叶松林的地下火燃烧时间长，温度较低，燃烧缓慢，最容易被忽视，很容易形成越冬火或第二火场.所以，当杜鹃-兴安落叶松林发生地表火或雷击时，应通过深挖防火沟来预防和监测地下火的发生，并适当延长火场看管时间；草类-兴安落叶松林在较高含水率时蔓延速率加快，所以在地下可燃物含水率较高时，要注意监测草类-兴安落叶松林地下火.

3)地下火深层燃烧后热量散失慢，可以保持高温数小时，所以建议在发生地下火时，扑救人员要在做好腿部以下防护后再进入火场进行扑救，且在地下火熄灭数小时后也不要贸然进入火场，以免造成人员损伤.