不同粒徑腐殖質(zhì)火垂直燃燒特征研究

尹賽男，單延龍，宋光輝，韓喜越，高 博

（1.北華大學(xué) 林學(xué)院，吉林 吉林 132013； 2.大興安嶺林業(yè)集團(tuán)公司森林經(jīng)營部技術(shù)推廣站，黑龍江 加格達(dá)奇 165000）

森林火災(zāi)是威脅森林健康的重要風(fēng)險因子之一，森林遭受火災(zāi)后，需要很長的恢復(fù)時間，如果遭遇強(qiáng)度高、面積大的林火，甚至很難恢復(fù)原貌，還有可能成為荒草地[1-2]。森林火災(zāi)分為地表火、地下火和樹冠火。其中森林地下火是發(fā)生在腐殖質(zhì)層和泥炭層的一種森林火災(zāi)，它的發(fā)生次數(shù)僅占森林火災(zāi)總次數(shù)的1%左右，但是造成的危害卻是巨大的。森林地下火發(fā)生時不但會毀壞植被根部給植被造成致命的損傷[3-5]，還會破壞土壤結(jié)構(gòu)造成地面坍塌[6]，同時地下火發(fā)生時所釋放的CO2和CH4等影響全球溫室效應(yīng)的氣體含量要遠(yuǎn)大于有焰火災(zāi)[7,8]。近年來隨著全球氣候的變化，極端氣候出現(xiàn)的頻率有所增加，導(dǎo)致北方森林地下火的發(fā)生頻率也隨之增加[9,10]。大興安嶺地區(qū)（北方森林的一部分）是我國森林地下火發(fā)生的主要區(qū)域之一，對該地區(qū)森林地下火展開研究是一項重要任務(wù)。

地下火發(fā)生機(jī)理復(fù)雜，具有極強(qiáng)的隱蔽性，目前國內(nèi)外對地下火的研究卻較少。舒立福和唐抒圓等研究了地下火的形成環(huán)境和特征，并提出了相關(guān)的防控措施[9,11]；Sikkink 和辛穎等通過研究表明，不同粒徑的可燃物載量存在不同，可燃物載量越大，地下火越容易燃燒，地下火的燃燒時間隨粒徑的減小而變長[12,13]；Huang 和Yang 等提出，地下火的蔓延速率隨含水率和可燃物中無機(jī)物含量的增加而降低[14,15]。但是在現(xiàn)有的研究中，國內(nèi)針對于大興安嶺地區(qū)森林地下火的研究鮮有報道，而國外對地下火的研究主要集中在泥炭火，且使用的材料多為實(shí)驗室配比材料或商業(yè)泥炭，這與實(shí)際的森林腐殖質(zhì)和泥炭有很大的差別。因此，以大興安嶺地區(qū)典型林型—興安落葉松：Larix gmelinii林為研究對象，研究不同粒徑腐殖質(zhì)火的垂直燃燒情況，這將對該地區(qū)森林地下火的撲救和森林資源的保護(hù)具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

大興安嶺林區(qū)是我國重要的用材林區(qū)，也是我國森林火災(zāi)發(fā)生較嚴(yán)重的地區(qū)之一。大興安嶺位于寒溫帶針葉林區(qū)域，絕大部分土地為森林植被所覆蓋，由于氣候寒冷導(dǎo)致植物種類貧乏和森林結(jié)構(gòu)單一[16]。以興安落葉松Larix gmelinii為優(yōu)勢種的森林群落約占該區(qū)森林面積的80%，常見針葉樹還有樟子松Pinus sylvestrisvar.mongolica和云杉Picea koraiensis，闊葉樹有白樺Betula platyphylla、山楊Populus davidiana等[17]。

研究區(qū)域位于大興安嶺地區(qū)加格達(dá)奇森林經(jīng)營部技術(shù)推廣站，該地位于大興安嶺東坡，加格達(dá)奇區(qū)以南15 km 處，北部和西部與加格達(dá)奇林業(yè)局的東風(fēng)林場相接，地理坐標(biāo)為50°20′～50°23′ N，123°57′～124°0′ E。年平均氣溫-1～2 ℃，年有效積溫1 800～2 000 ℃，無霜期90～120 d，年平均降水量450～500 mm。全站施業(yè)區(qū)經(jīng)營面積7 326 hm2，主要樹種為興安落葉松Larix gmelinii、柞樹Quercus mongolica、白樺Betula platyphylla、山楊Populus davidiana、黑樺Betula davurica等。

2 材料與方法

2.1 野外調(diào)查

于2018年秋季前往大興安嶺地區(qū)加格達(dá)奇森林經(jīng)營部技術(shù)推廣站進(jìn)行野外調(diào)查。選擇該地區(qū)典型林型興安落葉松林為研究對象，在林內(nèi)設(shè)置3 塊30 m×20 m 的標(biāo)準(zhǔn)地，調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)地的基本情況包括林齡、樹高、胸徑、郁閉度等信息。在林下挖掘土壤剖面，記錄腐殖質(zhì)厚度，并采集腐殖質(zhì)帶回實(shí)驗室進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗。樣地具體情況見表1。

表1 樣地信息Table1 Information of sampling plots

2.2 樣品處理

將采集的腐殖質(zhì)放入105 ℃鼓風(fēng)干燥箱中連續(xù)烘干48 h，然后將烘干的腐殖質(zhì)中大的枯枝落葉挑出，之后使用中藥粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎。使用不同直徑篩子對腐殖質(zhì)進(jìn)行篩選，選取的粒徑分別為＜20 目、＜40 目、＜60 目、＜80 目、＜100 目，之后進(jìn)行不同粒徑腐殖質(zhì)火垂直燃燒的控制實(shí)驗，為了盡可能減少實(shí)驗誤差，在進(jìn)行燃燒實(shí)驗前將不同粒徑的腐殖質(zhì)置于105 ℃的烘干箱中連續(xù)烘干12 h，保證各粒徑下腐殖質(zhì)趨于絕干。各粒徑腐殖質(zhì)實(shí)際含水率見表2。

表2 各粒徑腐殖質(zhì)實(shí)際含水率Table2 Actual moisture content of each particle size humus

2.3 森林地下火燃燒實(shí)驗

實(shí)驗裝置如圖1所示。陰燃反應(yīng)爐為硅酸鋁陶瓷纖維材料，有很好的隔熱保溫效果，形狀為圓柱體，頂部開口，爐腔尺寸為100 mm×300 mm（直徑×高），壁厚100 mm，底厚100 mm；使用直徑1 mm，長300 mm 的K 型熱電偶（溫度范圍： 0 ℃～1 000 ℃）記錄燃燒過程的溫度變化；數(shù)據(jù)采集使用深圳誠控電子生產(chǎn)的DAM-3088 型8 通道溫度采集模塊和Labview 數(shù)據(jù)采集軟件，采集數(shù)據(jù)頻率為10 s 一次；利用遠(yuǎn)紅外加熱板（最高溫度：400 ℃～450 ℃）對腐殖質(zhì)進(jìn)行加熱；實(shí)驗過程中使用美國福祿克公司生產(chǎn)的Ti100 遠(yuǎn)紅外熱像儀進(jìn)行森林地下火垂直燃燒的輔助監(jiān)測。

圖1 森林地下火垂直燃燒實(shí)驗裝置Fig.1 Forest ground fire vertical combustion experimental device

進(jìn)行實(shí)驗前先將遠(yuǎn)紅外加熱板預(yù)熱2 h，使其達(dá)到最高溫度；在陰燃反應(yīng)爐側(cè)面每隔30 mm打一個孔洞，將烘干的不同粒徑腐殖質(zhì)分別置于陰燃反應(yīng)爐中，之后插入熱電偶，連接溫度采集模塊和筆記本電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；將遠(yuǎn)紅外加熱板置于陰燃反應(yīng)爐上方20 mm 處對腐殖質(zhì)進(jìn)行加熱，以保持空氣流通。通過6 次重復(fù)實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)诙鶡犭娕紲囟冗_(dá)到100 ℃時腐殖質(zhì)能完全進(jìn)行垂直燃燒，據(jù)此，本研究將第二根熱電偶達(dá)到100 ℃的時間作為加熱板的加熱時間。具體加熱時間見表3。

表3 各粒徑腐殖質(zhì)加熱時間 Table3 Heating time of each particle size humus

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Origin 和Excel 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和繪圖，使用SPSS19.0 進(jìn)行相關(guān)分析和回歸分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同粒徑森林地下火垂直燃燒特征

不同粒徑腐殖質(zhì)火的整個燃燒過程并沒有出現(xiàn)火焰，甚至火星都沒有出現(xiàn)，且燃燒時間緩慢，平均燃燒時間為15.04 h。如圖2所示，當(dāng)腐殖質(zhì)粒徑＜20 目和＜40 目時，燃燒時間相對較短，燃燒充分，燃燒后的腐殖質(zhì)表層呈現(xiàn)炭黑色，深層則呈現(xiàn)明顯的磚紅色。當(dāng)腐殖質(zhì)粒徑為＜60 目、＜80 目時，燃燒時間相對較長，燃燒后腐殖質(zhì)表層呈現(xiàn)炭黑色，但是深層的磚紅色并不明顯，而當(dāng)腐殖質(zhì)粒徑為＜100 目時，燃燒時間變短，燃燒后的腐殖質(zhì)除表層呈現(xiàn)炭黑色外，深層并沒有明顯變化。這是由于森林地下火的燃燒是一個氧化還原反應(yīng)過程[18]，可燃物中氧氣的含量決定著燃燒過程的時間和燃燒是否充分。因此，隨著腐殖質(zhì)粒徑的減小，可燃物中氧氣濃度也會隨之降低，整個燃燒過程的時間也會變長，而當(dāng)腐殖質(zhì)粒徑為＜100 目時，可燃物中氧氣濃度過于的少，以至于不能維持燃燒，所以造成燃燒不充分，燃燒時間短。

3.2 不同粒徑森林地下火垂直燃燒溫度變化特征

由圖3可知，不同粒徑下森林地下火垂直燃燒溫度變化的特征相同，都是先升高后降低，當(dāng)腐殖質(zhì)粒徑為＜20 目、＜40 目、＜60 目、＜80目時，在森林地下火向下蔓延過程中，每根熱電偶最高溫度大體上呈現(xiàn)上升趨勢，其中粒徑為＜20目時在第7 根熱電偶處達(dá)到最高溫度604.3 ℃；粒徑為＜40 目、＜60 目、＜80 目時均在第8 根熱電偶處達(dá)到最高溫度，分別為626.1 ℃、475.8 ℃、537.2 ℃，且達(dá)到最高點(diǎn)溫度的時間也在變短。但是當(dāng)腐殖質(zhì)粒徑為＜100 目時，在第一根熱電偶達(dá)到最高溫度450.4 ℃后，在之后向下燃燒的過程中，最高點(diǎn)溫度呈現(xiàn)下降趨勢，尤其越靠近底部，最高點(diǎn)溫度下降的越大，第8 根熱電偶的最高點(diǎn)溫度僅有396.3 ℃。

圖2 不同粒徑腐殖質(zhì)火垂直燃燒時間和燃燒后可燃物狀態(tài)Fig.2 Vertical burning time of different particle size humus fires and fuel state after combustion

圖3 不同粒徑腐殖質(zhì)火垂直燃燒溫度變化Fig.3 Vertical burning temperature change of humus fires in different particle sizes

森林地下火的燃燒是氧化還原反應(yīng)過程，整個燃燒過程要依靠自身所釋放的熱量來維持[19]。當(dāng)粒徑較大時（＜20 目、＜40 目）腐殖質(zhì)中氧氣充足，燃燒充分，燃燒所釋放的熱量也就越大。當(dāng)燃燒深度變厚時，上層燃燒所積累的灰燼也就越厚，這些灰燼起到一定的保溫作用，減緩了燃燒過程的熱量損失，所以達(dá)到最高點(diǎn)溫度的時間也在變短。而當(dāng)腐殖質(zhì)粒徑＜100 目時，腐殖質(zhì)中空隙過于小，導(dǎo)致氧氣含量低，氧化還原反應(yīng)過程不充分，致使上層熱量不足以維持下部的燃燒，最終可能會導(dǎo)致森林地下火的熄滅。

森林地下火的垂直燃燒深度與各熱電偶最高點(diǎn)溫度存在一定關(guān)系，對不同粒徑的森林地下火燃燒深度與最高點(diǎn)溫度進(jìn)行相關(guān)分析。由表4可知，當(dāng)腐殖質(zhì)粒徑為＜20 目、＜40 目、＜60 目、＜80目時，垂直燃燒深度與最高點(diǎn)溫度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；腐殖質(zhì)粒徑為＜100 目時，燃燒深度與最高點(diǎn)溫度無相關(guān)關(guān)系。

表4 不同粒徑腐殖質(zhì)火燃燒深度與最高溫度的相關(guān)性?Table4 Correlation between combustion depth and maximum temperature of humus fires with different particle sizes

進(jìn)一步分析森林地下火燃燒深度與最高點(diǎn)溫度的關(guān)系，本研究對二者進(jìn)行回歸分析，從圖4可以看出，當(dāng)粒徑為＜20 目、＜40 目、＜60目、＜80 目時，森林地下火的燃燒深度與最高點(diǎn)溫度呈現(xiàn)極其顯著線性關(guān)系（P＜0.01）。線性方程分別為：腐殖質(zhì)粒徑＜20 目的線性方程y= 10.21x+ 385.79；腐殖質(zhì)粒徑＜40 目的線性方程y= 10.43x+ 396.88；腐殖質(zhì)粒徑＜60 目的線性方程y= 4.79x+ 358.44；腐殖質(zhì)粒徑＜80 目的線性方程y= 6.35x+ 380.93。

圖4 不同粒徑腐殖質(zhì)火燃燒深度與最高溫度線性關(guān)系Fig.4 Linear relationship between combustion depth and maximum temperature of humus fires with different particle sizes

3.3 不同粒徑森林地下火垂直燃燒蔓延速度變化特征

本研究采用分段法計算森林地下火垂直燃燒的蔓延速度，利用每兩個熱電偶之間的距離除以二者之間最高點(diǎn)溫度間的時間視為森林地下火垂直燃燒的蔓延速度。由表5可知，腐殖質(zhì)粒徑為＜20 目時蔓延速度最快，平均達(dá)到2.49 cm/h，其中在第8段達(dá)到最大蔓延速度8.37 cm/h；其次為腐殖質(zhì)粒徑＜40 目，平均蔓延速度為1.99 cm/h，在第8 段達(dá)到最大蔓延速度5.74 cm/h；當(dāng)腐殖質(zhì)粒徑＜60目時蔓延速度最小，平均蔓延速度為1.16 cm/h，在第6 段達(dá)到最大蔓延速度1.45 cm/h；腐殖質(zhì)粒徑＜80 目時，平均蔓延速度為1.28 cm/h，在第8段達(dá)到最大蔓延速度1.75 cm/h；腐殖質(zhì)粒徑＜100目時，平均蔓延速度為1.45 cm/h，在第6 段達(dá)到最大蔓延速度2.06 cm/h；

對不同粒徑腐殖質(zhì)火燃燒深度與每段蔓延速度進(jìn)行相關(guān)分析。由表6可知，當(dāng)腐殖質(zhì)粒徑為＜20 目、＜40 目、＜60 目、＜100 目時，燃燒深度與蔓延速度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；當(dāng)腐殖質(zhì)粒徑為＜80 目時，燃燒深度與蔓延速度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），說明在這5種粒徑條件下，森林地下火向下燃燒的深度越大，蔓延速度也會更快。

表5 不同粒徑腐殖質(zhì)火垂直蔓延速度Table5 Vertical spread speed of different particle size humus fires

表6 不同粒徑腐殖質(zhì)火燃燒深度與蔓延速度的相關(guān)性?Table6 Correlation between depth and spread speed of different particle size humus fires

分別對不同粒徑腐殖質(zhì)火垂直燃燒深度與蔓延速度進(jìn)行回歸分析。由圖5可知，當(dāng)腐殖質(zhì)粒徑為＜20 目、＜40 目、＜60 目、＜100 目時，燃燒深度與蔓延速度呈現(xiàn)顯著線性關(guān)系（P＜0.05）；當(dāng)腐殖質(zhì)粒徑為＜80 目時，燃燒深度與蔓延速度呈現(xiàn)極顯著線性關(guān)系（P＜0.01）。線性方程分別為：腐殖質(zhì)粒徑＜20 目為y= 0.26x-0.95；腐殖質(zhì)粒徑＜40 目為y= 0.17x-0.31；腐殖質(zhì)粒徑＜60 目為y= 0.02x+ 0.89；腐殖質(zhì)粒徑＜80 為y= 0.04x+ 0.74；腐殖質(zhì)粒徑＜100 目為y= 0.04x+ 0.92。

圖5 不同粒徑腐殖質(zhì)火燃燒深度與蔓延速度的線性關(guān)系Fig.5 Linear relationship between combustion depth and spread speed of different particle size humus fires

4 結(jié)論與討論

森林地下火是一種緩慢、無焰、低溫、持久的陰燃燃燒[6,20-22]，陰燃燃燒與其他形式的森林燃燒有所不同，其受外界條件影響較小，一旦發(fā)生，無論是大量降雨、天氣變化還是滅火措施，都很難遏制，這就意味著陰燃燃燒可能會持續(xù)很長一段時間（數(shù)月或數(shù)年）[23]。如1976年在綏化地區(qū)發(fā)生的森林地下火就燃燒了長達(dá)6個月的時間[24]。通過實(shí)驗研究我們發(fā)現(xiàn)，不同粒徑腐殖質(zhì)所發(fā)生的森林地下火燃燒時間極長，并且整個過程沒有火焰甚至是火星的出現(xiàn)，而且燃燒溫度高，最高可達(dá)626.1 ℃，這與Rein 等人提出的地下火陰燃燃燒的溫度峰值為550 ℃～650 ℃的結(jié)論相符[25]。由此可見森林地下火具有極強(qiáng)的隱蔽性，發(fā)生時很難被發(fā)現(xiàn)，且燃燒產(chǎn)生的高溫將會毀壞植物的根系、破壞土壤結(jié)構(gòu)對森林資源構(gòu)成巨大的威脅。當(dāng)腐殖質(zhì)粒徑較大時（＜20 目、＜40 目）腐殖質(zhì)中氧氣濃度充分，致使燃燒充分、燃燒時間較短、燃燒溫度高、蔓延速度快；當(dāng)腐殖質(zhì)粒徑較小時（＜60 目、＜80 目）腐殖質(zhì)中氧氣濃度較少，致使燃燒時間長、燃燒溫度較低、蔓延速度較慢；當(dāng)腐殖質(zhì)粒徑過小時（＜100 目）腐殖質(zhì)中氧氣濃度極低導(dǎo)致燃燒不充分，溫度降低。因此當(dāng)腐殖質(zhì)粒徑較大的地區(qū)發(fā)生森林地下火時一定要及時撲救，而當(dāng)腐殖質(zhì)粒徑極小時，森林地下火垂直燃燒則可能會自然熄滅。據(jù)此可見，氧氣濃度是影響森林地下火燃燒的重要條件，這與Hadden等對氧氣濃度影響地下火燃燒的研究結(jié)果一致[6]。

本研究通過控制燃燒實(shí)驗確定了不同粒徑下森林地下火燃燒深度與燃燒溫度和蔓延速度之間存在關(guān)系，驗證了Huang 等人對泥炭地下火上下傳播研究時，提出的可燃物厚度對地下火的燃燒溫度和蔓延速度會產(chǎn)生影響的結(jié)論[26]，同時為大興安嶺地區(qū)森林地下火的撲救提供了一定的理論依據(jù)。研究表明，隨著森林地下火向下燃燒的深度增加，其燃燒溫度（粒徑＜100 目除外）和蔓延速度也在隨之增加。因此針對森林地下火一定要堅決執(zhí)行“打早、打小、打了”的撲火原則。如果不能及時發(fā)現(xiàn)、及時撲救，隨著其燃燒溫度和蔓延速度的增加，將會對植物根系、土壤結(jié)構(gòu)、地下水位都產(chǎn)生很大的影響。目前對地下火垂直燃燒影響因素的研究中，含水率和氧氣濃度一直都是學(xué)者的研究重點(diǎn)[27-29]，而筆者研究了粒徑對地下火垂直燃燒的影響，在一定程度上拓展了地下火垂直燃燒的研究。對不同粒徑腐殖質(zhì)地下火垂直燃燒展開了研究，得出了不同粒徑腐殖質(zhì)地下火燃燒溫度和蔓延速度在垂直方向上的變化特征。但是地下火的燃燒分為橫向和縱向兩個方向，本研究還存在一定的局限性，接下來還會針對地下火在水平方向上燃燒變化的特征進(jìn)行研究。并且由于森林地下火的特殊性，其預(yù)防和監(jiān)測體系尚不完善，所以未來還將從歷史火災(zāi)資料和森林地下火燃燒的煙氣釋放及地表溫度變化入手，展開一系列研究，最終構(gòu)建一套完備的森林地下火預(yù)防-監(jiān)測-撲救體系。