王秋華，單保君，龔家平，普 俊，寇衛(wèi)利，徐偉恒，王浩宇

(1.西南林業(yè)大學 消防學院，云南省森林災害預警與控制重點實驗室，云南 昆明 650224；2.玉溪市新平縣林業(yè)局防火辦，云南 玉溪 653400；3.西南林業(yè)大學 大數(shù)據(jù)與智能工程學院，云南 昆明 650224)

計劃燒除是在人為控制下，有目的、有計劃、有步驟地在區(qū)域內(nèi)采用燃燒的方法對林冠下的用火，以達到預期用火目的。減少可燃物載量，降低森林火險，防治病蟲害等，是促進林木生長的一項重要營林措施，又被稱為“黑色防火”[1-2]。在合適的條件下進行計劃燒除為經(jīng)營森林生態(tài)系統(tǒng)提供了一條重要途徑[3]。計劃火燒雖然低成本、見效快，但一旦控制不當，也會出現(xiàn)“跑火”，引起森林火災。因此，如何開展計劃燒除，促進森林生態(tài)系統(tǒng)平衡顯得尤為重要[4]。國內(nèi)利用計劃燒除進行可燃物調(diào)控主要分布在西南林區(qū)針葉林及東北、內(nèi)蒙古林區(qū)的人工針葉林和針闊混交林[5-7]。大興安嶺地區(qū)進行了多年的計劃燒除，對減少該區(qū)域的森林火災起到了重要作用。但隨著全球氣候變暖，計劃燒除對大興安嶺當?shù)貎鐾?、濕地的影響問題也顯現(xiàn)出來，需要繼續(xù)深入研究[8]。國外的最新研究也表明，通過計劃火燒能夠顯著提高美國密蘇里州白橡(Quercusalba)的經(jīng)濟價值和生態(tài)效益[9]，秋季火燒比春季火燒更能有效減少美國西部西黃松(Pinusponderosa)的可燃物積累[10]，也有利于加拿大東部粘土帶生物多樣性的保護，能夠維持甚至提高森林生產(chǎn)力[11]。計劃燒除要根據(jù)林區(qū)的氣候狀況、立地條件、林分組成以及可燃物性質(zhì)等確定，因地制宜進行[1]。

云南松(PinusyunnanensisFranch.)分布以滇中高原為中心，并分布到廣西西北、貴州、四川、西藏等海拔600～3 100 m的區(qū)域，呈形狀不規(guī)則的多角形[12]。云南松是云南省的陽性鄉(xiāng)土樹種，多形成大面積純林或與其他樹種組成混交林，是西南地區(qū)主要用材樹種之一，也是云貴高原上常見的主要針葉樹種。云南松生長迅速、適應性強、耐干旱瘠薄，生態(tài)適應幅度很廣，火燒后也能迅速繁殖生長，是云南省飛播造林面積最大的樹種。云南省云南松林面積達500 萬hm2，占全省森林總面積的52%，蓄積量約3 000 萬m3,占全省有林蓄積的32%，木材占全省商品材的90%[13]。滇中地區(qū)是云南省森林火災最為嚴重的區(qū)域之一，云南松占有較大的比例。云南松計劃燒除的研究僅見于20世紀末四川省西昌市開展的林地危險可燃物累積量動態(tài)，計劃燒除區(qū)水土流失量，對林下植被的影響等[6,14-15]。因此，掌握滇中地區(qū)云南松林可燃物分布情況，開展計劃燒除，了解計劃燒除的火行為特征，進行合理調(diào)控，對云南松林火災發(fā)生預報、火行為預報，以及火災發(fā)生后的安全撲救都具有十分重要意義。

1 研究地概況

新平縣位于云南省中部偏西南，地處哀牢山中段東麓，23°38′15″～24°26′05″ N、101°16′30″～102°16′50″ E，國土總面積4 223 km2，地形以山地為主，山區(qū)面積達4 139.6 km2，占總面積的98.03%，地勢西北高、東南低，境內(nèi)最高海拔3 165.9 m，最低海拔422 m。屬溫帶氣候區(qū)，局部氣候受海拔影響，形成河谷高溫區(qū)、半山暖溫區(qū)、高山寒溫區(qū)3個氣候類型。年平均氣溫18.1 ℃，年最高氣溫32.8 ℃，年最低氣溫1.3 ℃，年降水量869 mm，總?cè)照諘r數(shù)2 838.7 h，無霜期316 d。有高等植物1 402種。全縣有林面積32.04萬hm2，森林覆蓋率60.96%，是玉溪市森林面積最大且唯一實施天然林保護工程的縣，境內(nèi)有1個國家級自然保護區(qū)，是滇中重點火險區(qū)，全國森林火災高危區(qū)。新平縣云南松是最主要的針葉樹種，在自然條件下，常成純林，林相整齊，多為單層林，同世代林分，同齡林，主要以飛播造林形成。林下灌木稀少，而草本植物較為發(fā)達，覆蓋度30%～50%，平均高40 cm，以禾本科草類為主。常見草類有羊茅(Festucaovina)，剪股穎(Agrostismatsumurae)、云南裂稃草(Schizachyriumdelavayi)、扭黃茅(Heteropogoncontortus)、蕓香草(Cymbopogondistans)、金茅(Eulaliaspeciosa)等。

2 研究方法

2.1 樣地設置

2016年11月1日至2日在新平縣古城街道辦事處照壁山選取云南松純林且連續(xù)分布地區(qū)作為研究區(qū)域并進行了一些初步觀測。于2017年2月8日上午在選定林分內(nèi)，以松針凋落物為主和松針+蕨類(冬季地上部分枯死，不倒伏，仍然直立)的可燃物按照10 m×10 m設置2塊樣地，詳細記錄地理位置、坡度、坡向、坡位，每木檢尺并記錄樣地內(nèi)所有云南松的樹高、枝下高、胸徑，估測林分的郁閉度，計算林分的密度。沿每個樣地對角線設置1 m×1 m小樣方，用收獲法稱取可燃物，取樣后用塑封袋密封并把小樣方內(nèi)所有的可燃物一起帶回實驗室。當天13:00用風力滅火機清理好路上可燃物，開設好隔離帶，開始用下山火點燒實驗。沿著路邊坐火(下坡火)點燒，并觀測火行為、測量其參數(shù)。2月9號在計劃燒除的火燒跡地上重新調(diào)查，測樣地內(nèi)小樣方的火燒剩物，計算燒除率。

2.2 可燃物定量分析

在每個樣地內(nèi)沿著對角線，在交叉點和隨機的兩個起點設置小樣方各1 m×1 m，稱取樣方內(nèi)所有的可燃物，包括松針凋落物與松針+蕨類，記錄鮮重，并取樣帶回實驗室烘干，計算含水率以計算載量，用XRY-1C微機氧彈式熱量計，量熱法測可燃物熱值，計算公式如下：

(1)

式中：Q—預測可燃物的發(fā)熱量，kJ/kg；K—水當量，kJ/℃；T0—點燃前的溫度，℃；T—點燃后的溫度，℃；△t—溫度校正值，℃；G—樣品質(zhì)量，g。

2.3 計劃火燒定位觀測

以現(xiàn)有防火公路為依托，用風力滅火機把公路上的凋落物等吹掃到路邊一側(cè)，形成良好的防火隔離帶。順著防火公路，用滴油式點火器點下坡火。沿著火線蔓延方向，當燃燒相對穩(wěn)定時，用5 m鋼卷尺多次測量火焰高度，手持紅外測溫儀SL-309(量程-40～999.9 ℃，精度±1 ℃)測火焰溫度，SFR-Ⅲ數(shù)字式輻射熱計(熱量范圍：0～10 kW/m2，誤差≤±2.5%)測量最大火焰熱輻射。火燒過后，用電子秤測樣方內(nèi)剩余可燃物及灰分等物質(zhì)的質(zhì)量，計算燒除率(燒前、燒后可燃物的質(zhì)量差與燒前可燃物的比值)，評估燒除效果。

2.4 實驗室內(nèi)模擬火燒

在燃燒室內(nèi)設置鐵質(zhì)燃燒床(長200 cm，寬120 cm，高32 cm)，底部覆蓋2 cm厚的石膏板，以減少熱量損失。坡度設為15°，在燃燒室內(nèi)模擬近似無風狀態(tài)下的燃燒。引燃方式分為從下坡往上坡點燒，模擬上坡火，從上坡往下坡點燒，模擬下坡火。采集的地表可燃物盡可能保持野外的狀態(tài)，均勻鋪在燃燒床內(nèi)(1 m×1 m)，用鋼卷尺沿著對角線的5個點測厚度。用秒表計時，記錄可燃物點著時間、熄滅時間和陰燃持續(xù)時間。當火焰高度達到最大時，用手持紅外測溫儀SL-309測火焰的溫度，用SFR-Ⅲ數(shù)字式輻射熱計分別測火線蔓延過程中最大火焰的熱輻射，同時用鋼卷尺測火焰高度。用勃蘭姆公式(Byram’s equation)計算火強度:

I=0.007×H×W×R

(2)

式中:I—火強度，kW/m;H—熱值，J/g;W—消耗的可燃物量，t/hm2;R—蔓延速度，m/min。

2.5 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010和SPSS 17.0對數(shù)據(jù)進行處理，計算平均值以及標準差。

3 結(jié)果與分析

3.1 主要林型的特征

云南松主要分布位于我國橫斷山系，自然地理環(huán)境特殊，冬、春季受西風環(huán)流南支急流控制，氣候干暖，少雨，此時又正是云南松及林下灌叢、草本的休眠期，林下枯枝落葉易著火，而松針含有大量油脂成分，極易形成大火[16]。云南松林區(qū)是我國森林火災最嚴重區(qū)域之一，也是西南林區(qū)火災多發(fā)區(qū)，歷年的火災次數(shù)和受害面積分別占該地區(qū)的40%和80%左右[17]。云南松次生林已成為西南的后續(xù)森林資源，是滇中地區(qū)森林經(jīng)營的主體。滇中高原生態(tài)系統(tǒng)有可能是火成生態(tài)系統(tǒng)，云南松對周期性的火產(chǎn)生了適應性[18]，具有一定的抗火性[19]，能夠開展周期性的計劃燒除。

新平縣照壁山云南松純林，林齡約為30年，為20世紀80年代的飛播造林，經(jīng)過人工撫育和自然稀疏，密度在2 000株/hm2左右，比較合理，胸徑達到了20 cm左右(表1)。樹高在11 m以上，枝下高超過8 m，也說明了云南松的自然整枝能力較強，盡管枯死枝條極易干燥，成為良好的可燃物，但云南松成林能抵抗一定強度的火。表2所示，火焰高度不到0.4 m，很難蔓延到樹冠，難以形成致命的樹冠火。

熱值指可燃物干物質(zhì)完全燃燒后所釋放出來的能量，是植物本身的重要特征。在森林火災的燃燒階段，植物燃燒釋放出一定的熱量。熱量主要以熱輻射的方式傳遞，預熱了火焰前方未被點燃的可燃物，使其很快達到著火點的溫度，發(fā)生燃燒，同時也是地表火傳播的重要途徑之一，使地面撲火隊員難以靠近火頭進行直接滅火。表1顯示，云南松純林的地表可燃物含水率很低，低于14%，易燃，但熱值較低，在22 000 kJ/kg以下，載量較低，小于1.2 kg/m2，同時表明計劃燒除時單位面積釋放的熱量不多，火強度較弱，如表2，都低于405 kW/m。

表1 云南松純林的林分及可燃物特征

“*”都為標準差，各表相同。

All of * in this paper are standard deviation，DBH is diameter of breast height of trees.

3.2 計劃燒除的火行為

火焰高度是林火行為中最方便觀測的參數(shù)之一，可用來估測林火強度，也是撲火指揮員選擇何種滅火手段的主要依據(jù)?；鹧嬉坏└哂?.5 m時，地面滅火設施很難起到有效作用，只能用開設防火隔離帶等間接方法來撲救[20]。由于火焰隨時都在不斷變化，是隨意、動亂和暫時的擾動現(xiàn)象，本研究選取最大火焰高度作為火行為各參數(shù)表征。由于實驗樣地每年進行計劃燒除，可燃物積累較少，同時，采用下坡火點燒，在重力、風等各種影響下，火焰不斷被拉伸，燒除時火焰高度較小，可以采用鋼卷尺隨火線蔓延方向，現(xiàn)場測量火焰高度。松針凋落物的火焰高度平均為0.22 cm，而松針+蕨類的火焰高度平均為0.35 cm，明顯比前者高(表2)，主要原因在于蕨類的地上部分在冬天都枯死，但仍然呈直立狀態(tài)，增加了火焰高度。火焰溫度和熱輻射的差別不明顯，主要原因是可燃物的差別不大，以松針凋落物為主。由于都采用下坡火點燒，火蔓延速率和燒除差別不明顯。下坡火在蔓延的過程中，由于重力、風等的影響，火焰會向后即上坡方向拉伸，再次預熱燒過的可燃物，使二次燃燒更徹底，燒除率(徹底燒掉的可燃物占所有可燃物的比例)更高，在60%左右，云南松純林地區(qū)，能夠合理控制計劃燒除的間隔時間，3年左右更為合適?；鹧娓叨冗_到最大值，甚至超過50 cm(表3)，原因在于室內(nèi)沒有風等因素的干擾，火焰表現(xiàn)比較穩(wěn)定。

表2 云南松純林計劃燒除的火行為參數(shù)

熱輻射是林火蔓延中一種主要的熱量傳遞方式，能夠預熱火焰前方未被點燃的可燃物，使其很快達到著火點，從而發(fā)生燃燒，同時也是地表火傳播的重要途徑之一，能引起大面積火災，造成人員間接損傷，對眼睛的危害最大，尤其在夜間更嚴重。熱輻射使地面撲火隊員難以靠近火頭實施直接滅火。由表2、表3可知，計劃燒除兩個樣地的熱輻射低于6 kW/m2，室內(nèi)模擬火燒的熱輻射低于8 kW/m2，都在人體可承受范圍內(nèi)。

3.3 室內(nèi)模擬火燒

圖1 自制燃燒床Fig.1 Combustion bed of own manufacture

圖1所示，為自制鐵質(zhì)燃燒床。將燃燒床置于燃燒室內(nèi)不通風處，模擬無風狀態(tài)下的燃燒。點火方式分別采用為上坡火和下坡火。

由表3可知，下坡火和上坡火的可燃物均勻厚度在10 cm左右，和野外狀態(tài)相似。引燃時間分別為1 s和3 s，說明可燃物非常易燃，并產(chǎn)生明亮的火焰?；鹧娉掷m(xù)時間超過4 min，原因在于云南松純林的地表可燃物都以松針凋落物為主，在防火期內(nèi)很干燥。由表2可知，可燃物含水率不到15%，在野外，用手一搓變成粉末狀。與表2相似，室內(nèi)模擬的火焰溫度相差不多，高于530 ℃但不超過600 ℃，燒除率介于50%～62%，說明了云南松純林地表可燃物的燃燒比較徹底，不管上坡火還是下坡火，都能消耗掉大部分的可燃物。明顯不同之處在于，室內(nèi)模擬火燒的火焰高度和熱輻射明顯比計劃燒除高出很多，主要在于室內(nèi)燃燒基本排除了風等因素的干擾，燃燒徹底、完全，在火焰熄滅后陰燃狀態(tài)保持4 min以上，陰燃的溫度也較高，最高可接近600 ℃。

表3 實驗室內(nèi)模擬火燒的火行為參數(shù)

4 結(jié)論與討論

以松針凋落物和松針+蕨類為主的云南松純林，無論是計劃燒除過程中的火燒，還是室內(nèi)模擬火燒，火焰高度都在50 cm以下，但溫度較高，接近600 ℃，熱輻射低于8 kW/m2，燒除率為60%左右，火強度在405 kW/m以下，都為低強度火燒，難以發(fā)展為樹冠火，不會燒死中林齡云南松。這與梁峻等[7]采用小樣地調(diào)查方法對四川省西康磨盤林區(qū)云南松林內(nèi)的可燃物及火行為進行調(diào)查、統(tǒng)計的結(jié)果相似，因此，定期進行計劃火燒，能減少可燃物積累，降低森林可燃性，具有良好的防火功能，但在對林內(nèi)枯枝落葉進行計劃燒除時，必須有效地控制火強度。周期性的低強度火燒有利于更好的調(diào)控云南松純林內(nèi)的地表可燃物，降低載量，減輕防火壓力。云南松純林的計劃燒除周期應該控制在3年左右，使載量維持在一個較低值，避免水土流失，巖石裸露，灌木死亡等。

未來的計劃燒除應加強連續(xù)定位觀測，加強煙氣釋放研究，包括燃燒效率、煙氣含量、成分、煙氣釋放、消散規(guī)律等，最大程度降低計劃燒除過程中煙氣的不良影響。有必要深入研究計劃燒除的周期，盡可能節(jié)約資金和人力，降低計劃燒除對土壤、植被等的負面影響。特別是火對土壤微生物的影響，是一個長期過程，更需要進行連續(xù)的定位研究，以發(fā)現(xiàn)潛在的影響規(guī)律[21]。即使是低強度的云南松純林的計劃燒除，在燒除過程中的火行為也非常復雜，燃燒過程存在時效性，火行為參數(shù)也不盡相同。如火焰，始終是一個動態(tài)變化的過程，如何更精確描述，值得探討。另外，可嘗試高科技的應用，如無人機攝影、攝像技術、熱電偶技術等，建立模型。

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