周 翔， 王 鵬， 布瑪麗亞穆·麥麥提， 王秋琰， 岳 健

（1.新疆維吾爾自治區(qū)林業(yè)規(guī)劃院，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆烏魯木齊 830011；3.新疆策勒荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，新疆 策勒 848300）

森林火災(zāi)（即不受控制的高強(qiáng)度植被火災(zāi)）對(duì)野生動(dòng)物、物質(zhì)資產(chǎn)、文化資產(chǎn)、人類健康和生命構(gòu)成全球性的威脅［1］。可燃物載量決定了森林火災(zāi)的碳排放，以及其蔓延程度和強(qiáng)度、發(fā)現(xiàn)潛力和從地表火到頂部火過(guò)渡的可能性，也是森林防火滅火以及可持續(xù)管理的理論依據(jù)［1-4］?？扇嘉锿ǔ８鶕?jù)狀態(tài)分為活可燃物和死可燃物，也可通過(guò)所處位置分為地下、地表以及冠層可燃物［5-6］，其中，森林地表可燃物對(duì)林火的發(fā)生、迅速蔓延以及水平和垂直的擴(kuò)張起到關(guān)鍵性作用［7］，對(duì)林火的傳播和延續(xù)有重大影響。而引燃可燃物除需氧氣和火源等條件外，還取決于其自身含水率、熱值、燃點(diǎn)等理化性質(zhì)的差異［5,7-8］。熱值是單位質(zhì)量（或體積）的可燃物完全燃燒時(shí)所放出的熱量［9］，是評(píng)估森林火燃燒速率和火強(qiáng)度的重要指標(biāo)和依據(jù)。通常來(lái)說(shuō)，可燃物的質(zhì)量及熱值等含量都與火災(zāi)強(qiáng)度、火場(chǎng)的蔓延速度以及釋放的能量強(qiáng)度成正比［5,10］，通過(guò)這些數(shù)據(jù)可以有效且精準(zhǔn)地防火滅火。

國(guó)外科研工作者早在20 世紀(jì)60 年代就已經(jīng)開展了森林可燃物熱值方面的研究，例如對(duì)森林種植園、高寒苔原植被以及熱帶潮濕森林植被等熱值特征的調(diào)查［11-13］，近年來(lái)，隨著可燃物熱值研究的不斷深入，家用木材的熱值特征也受到一定關(guān)注，例如Lunguleasa 等［14］研究了非洲熱帶常用木材水分含量對(duì)熱值和密度、熱釋放率和熱效率的影響，選擇最佳木材。國(guó)內(nèi)森林可燃物熱值方面的研究主要集中于地區(qū)性的各類型森林系統(tǒng)中植物理化性質(zhì)的對(duì)比或潛在燃燒性。例如，有對(duì)新疆天山中部［5］、阿爾泰山［15］、東北大興安嶺［16-17］、云南中部［18-20］等林區(qū)的研究，研究大多側(cè)重于地下或冠層中的可燃物燃燒性的分析，亦或是對(duì)同一地區(qū)不同樹種理化性質(zhì)的分析，對(duì)于不同林型森林地表可燃物的研究有限，且對(duì)森林不同地表可燃物組分（不同類型枯落物和腐殖質(zhì)）之間差異特征以及可燃物的燃燒特性關(guān)注較少。

有研究表明，森林可燃物根據(jù)不同的分類（尤其是地表活可燃物和死可燃物）情況，在森林火中的表現(xiàn)，即引起森林火的強(qiáng)度、釋放的能量強(qiáng)度以及燃燒速率表現(xiàn)各異［21］。另外，可燃物的燃點(diǎn)也是表征可燃物燃燒性的一個(gè)重要指標(biāo)［17］，目前為止對(duì)森林可燃物熱值與燃點(diǎn)影響林火發(fā)生的研究也很少。鑒于此，選擇新疆天山東部分布的4 種典型植被類型其地表可燃物為研究對(duì)象，探討不同地表可燃物組分熱值之間的差異特征及可燃物熱值與燃點(diǎn)間的關(guān)系，旨在為該地區(qū)管理人員準(zhǔn)確預(yù)測(cè)林內(nèi)可燃物熱值能量和潛在森林火險(xiǎn)提供理論依據(jù)，為區(qū)域地表可燃物深入研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆天山東部，東至哈密地區(qū)伊吾縣境內(nèi)山區(qū)及山間盆地，西與博州精河林場(chǎng)相鄰，南以天山分水嶺為界，北抵天山北麓，橫跨哈密、塔城、昌吉、烏魯木齊4 個(gè)地州市和16 個(gè)縣（區(qū)），東西長(zhǎng)約1300 km，南北最寬處約250 km，總面積3.11×104km2，林地總面積1.08×104km2，其中有林地面積1.32×104km2，活立木總蓄積5282.1×104m3，森林覆蓋率22.79%。該區(qū)域?qū)儆谏降氐匦?，山脈的基帶為溫帶荒漠帶，屬于溫帶大陸性氣候。地理坐標(biāo)范圍為42°24′～44°14′N，84°01′～93°42′E 之間，海拔1400～2710 m。該區(qū)植被隨山地地形和氣候的差異而形成明顯的垂直分布帶，植被類型包括：以天山云杉(Picea schrenkianavar.tianschanica)和西伯利亞落葉松(Larix sibirica)為主的針葉林型，林下分布的灌草以天山花楸(Sorbus tianschanica)、忍冬(Lonicera tatarica)、高山羊角芹(Aegopodium alpestreLedeb.)以及乳苣[Lactuca tatarica(L.)C.A.Mey.]為主，枯落物以主要植被的葉枝果為主；以歐洲山楊(Populus tremula)和天山樺(Betula tianshanica)為主的闊葉林型，林下分布的灌草以天山花楸、寬刺薔薇(Rosa platyacantha)、西伯利亞早熟禾(Poa sibiricaTrin.)以及野青茅[Deyeuxia pyramidalis(Host) Veldkamp]為主，枯落物以主要植被的葉枝為主；以方枝柏(Sabina saltuaria)、寬刺薔薇、天山繡線菊(Spiraea tianschanicaPojark.)以及忍冬為主的灌木林型，灌木下草類有拂子茅[Calamagrostis epigeios(L.) Roth]、無(wú)芒雀麥(Bromus inermisLeyss.)以及直穗鵝觀草[Elymus gmelinii(Ledeb.) Tzvelev]等，枯落物以主要植被的葉枝刺為主。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣方布設(shè)和樣品采集 在研究區(qū)選取了7 個(gè)林區(qū)，包括哈密（巴里坤）、呼圖壁、吉木薩爾、瑪納斯、奇臺(tái)、烏魯木齊南山以及烏蘇（圖1），分別在4種主要森林類型即針葉林（針葉樹種總蓄積≥65%）、闊葉林（闊葉樹種總蓄積≥65%）、針闊混交林（針葉樹種或闊葉樹種總蓄積占35%～65%）、灌木林（灌木樹種總蓄積≥65%）等設(shè)置樣地面積大小為666.7 m2，方形（25.82 m×25.82 m）設(shè)置，選擇距樣地每個(gè)角頂點(diǎn)兩邊3 m 處設(shè)置4 個(gè)灌木、草本層、枯落物和腐殖質(zhì)可燃物載量樣方。灌木層調(diào)查樣方為2 m×2 m，草本層、枯落物層、腐殖質(zhì)層調(diào)查樣方為1 m×1 m（圖2）。灌木層采集方法：每個(gè)樣方選取3株（1～2叢）標(biāo)準(zhǔn)灌木，分別取每株灌木的干、枝和葉相同質(zhì)量比10%～20%（通過(guò)稱重，確保干、枝、葉的取樣占各標(biāo)準(zhǔn)灌木的干、枝、葉總質(zhì)量的比相同）混合，同一標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)4 個(gè)樣方按照灌木樹種分別混合取樣，混合后的每份樣品不少于500 g，稱其鮮重，稱重精確到10 g，用于帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定樣方灌木的含水率（干鮮比）。樣品采集好后，將采集的樣品分別放入樣品袋（紙袋或布袋）內(nèi)并附上統(tǒng)一編號(hào)的標(biāo)簽，同時(shí)在樣品采集清單上作好記錄。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area

圖2 樣方設(shè)置圖Fig.2 Quadrat configuration diagram

草本層采集方法：沿地面完全收獲每個(gè)樣方所有活草本植物（包括高不足30 cm 的灌木）地上部分，稱其鮮重，秤重精確到10 g。充分混合標(biāo)準(zhǔn)樣地所有樣方草本植物各部分，取混合后新鮮草本植物300 g 左右，秤重精確到10 g，裝入樣品袋中，貼上標(biāo)簽，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定草本植物的干鮮比或含水率。

凋落物層采集方法：在森林內(nèi)設(shè)置樣方，調(diào)查凋落物厚度，用耙子收集樣方內(nèi)全部凋落物，包括各種枯枝、葉、果、枯草、半分解部分等枯死混合物，剔除其中石礫、土塊等非有機(jī)物質(zhì)。將凋落物分為凋落物1（直徑＜0.6 cm 的小枝、葉和雜草）、凋落物2（直徑≥0.6 cm，但＜2.5 cm 的小枝），凋落物3（直徑≥2.5 cm，但＜7.62 cm 的枝條）。每個(gè)樣方每類凋落物分別稱量其鮮重，稱重精確到10 g。樣地內(nèi)所有樣方各類凋落物樣品分別混合取樣，每類取200 g左右，稱重精確到10 g，裝入樣品袋中，貼上標(biāo)簽，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其干鮮比或含水率。

腐殖質(zhì)層采集方法：調(diào)查腐殖質(zhì)層厚度，采用完全收獲法收獲每個(gè)樣方內(nèi)腐殖質(zhì)，剔除腐殖質(zhì)中石礫、土塊、明顯的樹根等非腐殖質(zhì)，測(cè)定和記錄樣方內(nèi)腐殖質(zhì)濕重，并將所有樣方樣品混合取200 g樣品帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其干鮮比或含水率。

1.2.2 含水率的測(cè)定 采用烘干恒重法對(duì)可燃物的含水率進(jìn)行測(cè)定。將野外采集的樣品裝入牛皮紙信封，用電子天平稱其質(zhì)量，減去空牛皮紙信封的質(zhì)量得到可燃物濕質(zhì)量；再將樣品放入恒溫干燥箱內(nèi)，在105 ℃下烘至恒重。當(dāng)樣品質(zhì)量在2 h之間變化小于0.01 g 時(shí)，稱量得出樣品的干質(zhì)量。計(jì)算絕對(duì)含水率：

式中：AMC 為絕對(duì)含水率(%)；WH為可燃物濕質(zhì)量(g)；WD為可燃物烘干后的絕干質(zhì)量(g)。

1.2.3 熱值和燃點(diǎn)的測(cè)定 將待測(cè)的樣品進(jìn)行烘干（60～80 ℃），烘干到重量不再變化（衡重），將烘干后的樣品用研磨儀（德國(guó)RETSCH，型號(hào)MM400）粉碎，粉末過(guò)40目篩，存于封口袋中備用。

稱取1.0 g 的過(guò)篩樣品壓成片狀，采用自動(dòng)熱量計(jì)對(duì)樣品進(jìn)行熱值的測(cè)定，每個(gè)樣品均要反復(fù)測(cè)定5次，最終取其平均值。

稱取0.10 g 的過(guò)篩樣品與0.075 g 氧化劑（亞硝酸鈉）均勻混合，采用全自動(dòng)燃點(diǎn)檢測(cè)儀進(jìn)行燃點(diǎn)的測(cè)定，每個(gè)樣品均要反復(fù)測(cè)定5 次，最終取其平均值。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 使用Origin 8 作圖，用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析、雙因素方差分析和Duncan檢驗(yàn)進(jìn)行比較參數(shù)間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同組分地表可燃物熱值比較

由圖3 可以看出，各林型中凋落物組分熱值一般較高，均值為19.27 kJ·g-1；而腐殖質(zhì)組分熱值都較低，均值為13.25 kJ·g-1。同一森林類型下地表可燃物各組分之間多數(shù)差異不顯著。針葉林和闊葉林中，草本與凋落物組分之間差異顯著（P＜0.05），其余組分間差異不顯著；灌木林中，灌木與凋落物組分之間差異顯著（P＜0.05），其余組分間差異不顯著；針闊混交林中，所有組分差異都不顯著。

圖3 不同組分地表可燃物熱值比較Fig.3 Comparison of calorific value of surface combustibles of different components

2.2 同一地表可燃物各森林類型間熱值比較

由表1 可知，不同森林類型同一組分的可燃物熱值存在差異。灌木可燃物組分中灌木林的熱值最高（18.99±0.03 kJ·g-1），針葉林和針闊混交林的差異顯著（P＜0.05），其余林型間差異不顯著；草本可燃物組分中針葉林的熱值最高（19.38±0.08 kJ·g-1），針葉林和灌木林的差異顯著（P＜0.05），其余林型間差異不顯著；凋落物可燃物組分中同樣是針葉林的熱值最高（19.55±0.05 kJ·g-1），針葉林和針闊混交林的差異顯著（P＜0.05），闊葉林和灌木林的差異顯著（P＜0.05），其余林型間差異不顯著；腐殖質(zhì)可燃物組分中灌木林的熱值最高（15.76±0.10 kJ·g-1），所有林型間的差異都不顯著。

表1 同組分地表可燃物不同森林類型間熱值比較Tab.1 Comparison of calorific value between different forest types of surface fuel with the same component

2.3 不同組分地表可燃物熱值與燃點(diǎn)的關(guān)系

由圖4 可知，不同組分地表可燃物熱值與燃點(diǎn)間的關(guān)系存在差異。灌木可燃物組分燃點(diǎn)與熱值存在極顯著關(guān)系（R2＝0.81，P＜0.01），凋落物可燃物組分燃點(diǎn)與熱值存在顯著相關(guān)性（R2＝0.38，P＜0.05）；然而草本和腐殖質(zhì)可燃物組分燃點(diǎn)與熱值間無(wú)顯著相關(guān)（P＞0.05）。

2.4 不同組分地表可燃物熱值與含水率的關(guān)系

由圖5可知，不同組分含水率由高至低分別為：灌木（42.1%）>草本（37.5%）>腐殖質(zhì)（31.2%）>凋落物（16.3%）。從圖5還可以看出，所有地表可燃物熱值與絕對(duì)含水率之間均無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。

圖5 不同組分地表可燃物熱值與絕對(duì)含水率關(guān)系Fig.5 Relationship between calorific value and absolute water content of surface combustible of different components

3 討論

對(duì)森林可燃物的研究可為森林防火滅火和可持續(xù)管理提供理論依據(jù)，而可燃物的熱值是表征可燃物燃燒性的重要指標(biāo)［22-23］。因此，對(duì)天山東部林區(qū)各林型下的地表可燃物不同組分（灌木、草本、凋落物以及腐殖質(zhì)）熱值分析是可燃物易燃性研究的基礎(chǔ)，也是森林火災(zāi)研究的重點(diǎn)。研究結(jié)果表明，天山東部林區(qū)同一林型不同組分熱值大小順序?yàn)椋旱蚵湮?草本>灌木>腐殖質(zhì)，這與武夷山國(guó)家公園內(nèi)4 種森林類型地表可燃物熱值特征相同［24］，但本研究區(qū)分析了腐殖質(zhì)在林區(qū)可燃物中的影響，更全面地分析了死亡地表可燃物的熱值特征，通過(guò)結(jié)果可知，腐殖質(zhì)作為熱值最小的組分，其占比多少有可能是森林火險(xiǎn)發(fā)生的關(guān)鍵因子。另外，同一森林類型下地表可燃物各組分之間多數(shù)差異不顯著，這也與武夷山國(guó)家公園的研究結(jié)果一致，同時(shí)也說(shuō)明凋落物是研究區(qū)防火滅火應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)對(duì)象。針葉林和闊葉林中，草本與凋落物組分之間差異顯著，其余組分間差異不顯著；灌木林中，灌木與凋落物組分之間差異顯著，其余組分間差異不顯著；針闊混交林中，所有組分差異都不顯著。各林型不同組分間的差異可能與組分的植被類型相關(guān)，也可能與植被光合作用強(qiáng)度有關(guān)。

森林火災(zāi)的發(fā)生與森林地表可燃物的熱值高低有密切的關(guān)系，而地表可燃物熱值對(duì)于林火燃燒速度和火線強(qiáng)度有較大的影響，熱值的高低可以反映森林林火的強(qiáng)度，因此，對(duì)不同林型地表可燃物的熱值研究非常必要［25-26］。天山東部林區(qū)不同森林類型同一組分的可燃物熱值存在差異。灌木可燃物組分中灌木林的熱值最高（18.99±0.03 kJ·g-1），針葉林和針闊混交林的差異顯著，其余林型間差異不顯著。這可能是因?yàn)楣嗄玖中拖鹿庹蘸?，有利于灌木生長(zhǎng)，可充分進(jìn)行光合作用，固定太陽(yáng)能較多［25］。草本可燃物組分中針葉林的熱值最高（19.38±0.08 kJ·g-1），針葉林和灌木林的差異顯著，其余林型間差異不顯著；凋落物可燃物組分中同樣是針葉林的熱值最高（19.55±0.05 kJ·g-1），針葉林和針闊混交林的差異顯著，闊葉林和灌木林的差異顯著，其余林型間差異不顯著。由于針葉林葉面積對(duì)光照影響較小，導(dǎo)致地面草本與凋落物可接收陽(yáng)光輻射高，因此熱值也較高。腐殖質(zhì)可燃物組分中灌木林的熱值最高（15.76±0.10 kJ·g-1），所有林型間的差異都不顯著。這也說(shuō)明腐殖質(zhì)的熱值不受林型的影響。通過(guò)與阿爾泰山主要林型燃燒性［15］綜合比較發(fā)現(xiàn)，天山東部主要林型的燃燒性從易到難的順序?yàn)椋横樔~林>灌木林>針闊混交林>闊葉林。因此，在天山東部林區(qū)針葉林和灌木林是森林火災(zāi)發(fā)生和蔓延的重點(diǎn)區(qū)域，應(yīng)作為重點(diǎn)的森林防火保護(hù)區(qū)域。

天山東部林區(qū)不同組分地表可燃物熱值與燃點(diǎn)間的關(guān)系存在差異。灌木可燃物組分燃點(diǎn)與熱值存在極顯著關(guān)系（R2＝0.81，P＜0.01），凋落物可燃物組分燃點(diǎn)與熱值存在顯著相關(guān)性（R2＝0.38，P＜0.05）；然而草本和腐殖質(zhì)可燃物組分燃點(diǎn)與熱值間無(wú)顯著相關(guān)。但是通過(guò)與我國(guó)東北遼寧阜新地區(qū)4 種油松林熱值燃點(diǎn)［27］綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)凋落物和腐殖質(zhì)組分相比于草本和灌木組分屬于不易燃物質(zhì)。然而也有研究表明，揮發(fā)性油和脂肪類物質(zhì)與可燃物的熱值與燃點(diǎn)密切相關(guān)［17］，未來(lái)的研究可以針對(duì)不同組分油性或脂肪類物質(zhì)的含量進(jìn)行比較，進(jìn)一步闡明同組分地表可燃物熱值與燃點(diǎn)間的關(guān)系。

天山東部林區(qū)所有類型的地表可燃物熱值與絕對(duì)含水率之間均無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。天山中部典型林區(qū)內(nèi)的研究表明，可燃物含水率越低，其易燃性就越強(qiáng)，引起森林火災(zāi)的可能性較大；反之亦然［28］。說(shuō)明研究區(qū)地表可燃物的熱值高低與易燃性無(wú)關(guān)。也有研究表明，森林可燃物的含水率變化受多個(gè)因素（如樹種、地形、氣溫、相對(duì)濕度、降水、風(fēng)速以及太陽(yáng)輻射等）綜合影響，不能僅考慮單個(gè)因子的影響［21］。針對(duì)不同地區(qū)條件，篩選顯著的預(yù)報(bào)因子，建立準(zhǔn)確性較高的預(yù)測(cè)模型，可為未來(lái)我國(guó)森林防火預(yù)報(bào)研究工作提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)論

以新疆天山東部4種典型植被類型下地表可燃物為研究對(duì)象，分析地表可燃物熱值特征及其與燃點(diǎn)、絕對(duì)含水率之間的關(guān)系。研究結(jié)果顯示，天山東部林區(qū)同一林型不同組分熱值大小順序?yàn)椋旱蚵湮?草本>灌木>腐殖質(zhì)。草本可燃物組分中針葉林的熱值最高（19.38±0.08 kJ·g-1），凋落物可燃物組分中同樣是針葉林的熱值最高（19.55±0.05 kJ·g-1）。研究區(qū)草本（在闊葉林和灌木林中）和凋落物（在針葉林和混交林中）的熱值較高，是森林防火需要重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象，而腐殖質(zhì)在各林型中的熱值都較低，可以起到一定的抗火作用。不同組分地表可燃物熱值與燃點(diǎn)間的關(guān)系存在差異：灌木可燃物組分燃點(diǎn)與熱值存在極顯著關(guān)系（R2＝0.81，P＜0.01）,凋落物可燃物組分燃點(diǎn)與熱值存在顯著相關(guān)性（R2＝0.38，P＜0.05），然而草本和腐殖質(zhì)可燃物組分燃點(diǎn)與熱值間無(wú)顯著相關(guān)（P＞0.05）。研究結(jié)果旨在為天山東部可燃物能量釋放、林火強(qiáng)度的參數(shù)確定提供理論依據(jù)，為研究區(qū)森林地表可燃物精準(zhǔn)管理提供數(shù)據(jù)支撐。