王志鵬,張文文,李 巖,康宣勇,閆想想,龍騰騰,王秋華,2
(1.西南林業(yè)大學土木工程學院,云南 昆明 650224;2.云南省森林災害預警與控制重點實驗室,云南 昆明 650224)
森林火災不僅會破壞當地的生態(tài)環(huán)境,而且會燒毀森林,影響社會和諧安寧,是世界重大自然災害之一。近年來,全球頻發(fā)森林火災:2018年11月8日,美國加利福尼亞州發(fā)生史上最具破壞性的大火,火場過火面積約5.7萬hm2;2019年3月30日中國四川省涼山木里縣發(fā)生森林火災,導致30名消防指戰(zhàn)員壯烈犧牲;7月18日澳大利亞發(fā)生全國性火災,過火面積超過630萬hm2,火災持續(xù)時間210 d,近5億動物喪生;7月29日俄羅斯西伯利亞地區(qū)發(fā)生森林大火,過火面積超過 15 800 km2;8月“地球之肺”亞馬遜熱帶雨林發(fā)生大火,近百萬公頃的森林被毀。2020年5月9日下午安寧市青龍街道辦事處雙湄村委會山神壩發(fā)生森林火災,受火場高溫大風、植被易燃等不利因素的影響,火場多次出現飛火情況,形成多條火線,火頭數次越過隔離帶,嚴重威脅周邊企業(yè)村莊,火災持續(xù)時間6d,過火面積共170.1 hm2。全球森林火災越來越頻繁,大片森林在大火的侵蝕下化為一片灰燼。盡管森林系統的恢復力穩(wěn)定性強大,大火過后,樹木會重新長出,用不了多久就會恢復原貌。但事實上,森林一旦被燒毀,很可能永遠無法完全恢復。通過對昆明地區(qū)的林區(qū)可燃物進行系統研究,以期得到可燃物載量、含水率變化的規(guī)律及重大森林火災可燃物的基礎規(guī)律,為預防重大森林火災的發(fā)生提供理論基礎。
重大森林火災發(fā)生的物質能量基礎為可燃物。森林可燃物包括森林中的所有喬木、灌木、草類、地衣、苔蘚,以及地表的枯枝落葉和地表以下的腐殖質和泥炭等,其影響森林火災的發(fā)生、控制、撲救及用火安全、火燒后的損失[1-5]。森林可燃物的能量分析有利于林業(yè)部門制定科學有效的防火措施。
滇中地區(qū)的安寧市,行政區(qū)劃上屬于昆明市,位于東經 102°10′~102°37′,北緯 24°31′~25°06′,總面積 1 321 km2,兼具低緯氣候、高原山地氣候、季風氣候的特點,主要表現為降水充沛、干濕分明、分布不均。受西南季風影響,冬無嚴寒、夏無酷暑,年均溫14~17 ℃,年均日照時數為 2 054 h,森林防火期長達6~7個月[6]。系滇東高原盆地,地形以山地及山間盆地(壩子)為主,大面積土地高低參差、縱橫起伏。由于緯度低,海拔高,垂直地域分異明顯,動植物種類多,物種多樣性豐富。
森林植被類型主要有常綠闊葉林、暖溫性針葉林和灌木林。針葉樹種主要有分布最廣的云南松(Pinusyunnanensis),華山松(Pinusarmandii)人工林、云南油杉(Keteleeriaevelynian)、地盤松(Pinusyunnanensis.var.pygmaea)等。闊葉樹主要有旱冬瓜(Alnusnepalensis)、滇青岡(Cyclobalanopsisglaucoides)、云南樟(Cinnamanumglanduliferum)、元江栲(Castanopsisorthacanth)。常見灌木包括南燭(Lyoniaovalifoli)、光葉石櫟(Lithocarpusmaire)、大白花杜鵑(Rhododendrondecorum)、大樹楊梅(Myricaesculenta)等。2006年“3·29”重大森林火災,過火面積達 1 695.4 hm2,損失大、影響廣[7]。
2019年5月2日對位于安寧市交界的西山區(qū)團結鄉(xiāng)2006年“3·29”重大森林火災跡地進行外業(yè)調查。地盤松林、光葉石櫟林樣地各設置2個10 m×10 m的樣地,在樣地內按對角線的方式各設置3個1 m×1 m的樣方;在紫莖澤蘭樣地內按四角及中心的方式設置5個1 m×1 m的樣方。
在設置的地盤松林、光葉石櫟林樣地中,用卷尺測高度,然后用尼龍網收集袋收集每個樣方內的地表可燃物,取樣后用便攜式電子天平稱其鮮質量,貼上標簽后裝袋備用。樣方內的可燃物收集后并稱量,寫上標簽后帶回實驗室,用以模擬火燒。
1)絕對含水率的計算
(1)
2)載量的計算
(2)
3)熱值的測定
采用量熱法測定熱值,計算公式如下:
(3)
式中:Q為預計可燃物的發(fā)熱量(kJ/kg);K為水當量(kJ/℃);To為點燃前的溫度(℃);T為點燃后的溫度(℃);△t為溫度校正值(℃);M為樣品質量(g)。
將取樣放入電熱鼓風干燥箱后,105℃連續(xù)烘制24 h至絕干狀態(tài),放入XRY-1C微機氧彈式熱量計內,各項實驗步驟準備完畢,啟動電腦開始實驗。
用Word 2010和Excel 2010對數據進行處理,通過計算得出數據的平均值、最大值、最小值和標準差等,并進行相關分析。
在海拔約為 2 300 m、坡度約為10°的地區(qū)設置樣地,其地表可燃物能夠代表火燒跡地:地盤松主要為幼林,郁閉度為95%,高度不到1 m;光葉石櫟郁閉度為85%,高度約3 m;紫莖澤蘭為多年生菊科草本植物,高度約1.5 m,蓋度達75%(表1)。
表1 火燒跡地主要可燃物特征
3.2.1可燃物含水率
可燃物含水率用于表示可燃物水分多少,與林火發(fā)生、蔓延和強度息息相關,影響可燃物達到點著溫度的時間以及釋放熱量的多少[8]。地盤松幼林、光葉石櫟和紫莖澤蘭的絕對含水率分別為13%、11%和12%(圖1)。
圖1 火燒跡地可燃物的絕對含水率Fig.1 Absolute moisture content of combustibles in burned area
可見,5月的滇中地區(qū)仍然很干燥,可燃物易燃,要采取相應措施,嚴格火源管理、嚴控火種進山,預防火災的發(fā)生。本研究中,地盤松幼林和光葉石櫟均取林下凋落物,其含水率代表了林內可燃物的干燥狀態(tài),能為營林用火、營林措施提供基本依據,也能為地表火的預測預報提供基礎。而紫莖澤蘭憑借強大的根狀莖在火燒跡地大量生長,但采樣時也處于干枯狀態(tài),且枯死的葉子不落到地面,仍然密集懸掛在莖稈上,如果發(fā)生火災,將成為良好的“過火通道”。在昆明森林防火期內,風大、氣溫高且可燃物的含水率接近10%時,森林可燃物可以被快速引燃,且林火蔓延迅速,很有可能再次發(fā)生重大森林火災。
3.2.2可燃物載量
可燃物的載量是影響著火速度、火勢蔓延速度和火強度的重要因素之一,是估測潛在火災風險的重要參數。地表凋落物的累積和分解速度,氣象、地形條件等因素影響載量的數值,并隨時間和空間而動態(tài)變化[9]。地盤松幼林、光葉石櫟和紫莖澤蘭的可燃物載量分別為0.4、0.5和1.1 kg/m2(圖2)。
圖2 火燒跡地可燃物載量Fig.2 Combustibles load in burned area
地盤松幼林和光葉石櫟的可燃物載量不大,但紫莖澤蘭的載量超過1.0 kg/m2,超過前兩種可燃物的2倍,如若發(fā)生火災,發(fā)展為高強度火的概率較大。同時,由于紫莖澤蘭占據了大火后開設的生土隔離帶、火燒跡地的陽面山坡和溝箐,不但本身易著大火,而且有助于火的快速蔓延,應引起足夠的重視,在防火期也應采取相應的措施。
3.2.3可燃物熱值
可燃物熱值是指單位可燃物在絕干狀態(tài)下完全燃燒之后釋放出來的能量值,是可燃物燃燒的重要特征,是可燃物有機化合物組成及其含量的綜合反映,能有效評價植物化學能積累效率的高低,影響著火溫和火的蔓延過程,與火強度也有關,熱值越大,火強度越大[10]。一般情況下,森林可燃物中樹葉的熱值最高。地盤松幼林、光葉石櫟和紫莖澤蘭熱值分別為20 700、20 600和19 100 kJ/kg(圖3)。
圖3 火燒跡地可燃物熱值Fig.3 Calorific value of combustibles in burned area
林分特征、生長特性一定程度上決定了熱值的差異性:地盤松屬耐旱植物,在火燒跡地的山脊上連片出現,形成密度極高的高山矮林或灌叢,其主干不明顯,貼伏地面,基部生多干,呈叢生狀,葉及林分易燃,適應力強;光葉石櫟生于海拔 1 500~2 500 m較為干燥的山地雜木林地,與針葉林混生。
3.2.4可燃物單位面積熱量
單位面積的熱量指火頭內單位面積釋放的熱量,它不受風、坡度和蔓延方向的影響(單位面積熱量為熱值與可燃物載量的乘積)[11]。地盤松幼林、光葉石櫟和紫莖澤蘭的單位面積熱量分別為 8 280、10 300和21 010 kJ/m2(圖4)。
圖4 火燒跡地可燃物的單位面積熱量Fig.4 Heat per unit area of combustibles in burned area
由圖4可知,地盤松幼林的單位面積熱量最低,原因是幼林中可燃物載量較小,高度較低。紫莖澤蘭的熱值雖然不高,但可燃物載量最大,且生長密集,連續(xù)性好,導致單位面積能量最高。
13年后,2006年“3·29”重大森林火災火燒跡地內主要可燃物地盤松幼林、光葉石櫟和紫莖澤蘭單位面積熱量分別為8 280 kJ/m2、10 300 kJ/m2和 21 010 kJ/m2,達到了較高水平??扇嘉锏暮瘦^低,熱值較大,說明火燒跡地的可燃物干燥易燃,在防火期有可能再次發(fā)生火災,并產生人為難以控制的中高強度火,加重損失?;馃E地中地盤松林分易燃、垂直分布良好且密度大,如果發(fā)生火災將可能由地表火轉變?yōu)楦邚姸然?。可見,火燒跡地內可燃物豐富、能量較大,一旦著火,仍然有可能發(fā)展為重大森林火災?;馃E地的更新、恢復,值得深入研究[12]。
重大森林火燒跡地的管理應引起足夠的重視[13]。在不嚴重破壞林地原有生態(tài)系統的情況下,可在非防火期清理部分林下可燃物,降低林地內可燃物載量,減少可燃物的水平垂直連續(xù)性;結合火燒跡地的地形、地貌和箐溝、山溝等[14],加強防火林帶營造的力度,形成閉合的環(huán)線,起到阻隔作用;加大紫莖澤蘭的除治力度,降低林內火災危險性。
由于本次研究的采樣有限,建議將來增加采樣的量和時間,特別是在火險等級最高的3—4月,多采樣,獲得更多的數據,使研究更有說服力和代表性,提高研究的準確度。