紫莖澤蘭的燃燒火行為特征1)

閆想想 王秋華 張文文 龍騰騰 李曉娜 胡晶鈞 任俊橋

(西南林業(yè)大學(xué)，昆明，650224)

火行為指森林可燃物被點(diǎn)燃至熄滅過程中表現(xiàn)出的特征，受可燃物的處理方式、氣象和地形等多因素影響[1-5]。可燃物是森林燃燒的物質(zhì)基礎(chǔ)條件，是林火行為的主體，影響著林火蔓延、林火強(qiáng)度、過火后的損失等[6]。國外通過地表可燃物燃燒火行為評(píng)估潛在影響的報(bào)道很多，如：Cronan et al.[7]通過研究燃燒季節(jié)對(duì)灌木和草本可燃物的影響預(yù)測在佛羅里達(dá)北部的兩個(gè)地理區(qū)域的火行為；Cruz et al.[8]對(duì)環(huán)境輸入的處理方式和火行為特征進(jìn)行了分析；Fernandes et al.[9]通過模擬燃燒火行為和觀察處理可燃物和未處理可燃物的真實(shí)燃燒火行為，量化了10 a計(jì)劃燒除的殘余效應(yīng)；Kreye et al.[10]研究了美國佛羅里達(dá)州松林地表火行為特征；Valachovic et al.[11]橡樹猝死對(duì)地表可燃物的燃燒火行為的影響研究。國外的大部分研究偏向于火行為的模擬實(shí)驗(yàn)，真實(shí)火行為的實(shí)驗(yàn)研究有限，目前國內(nèi)也有大量火行為的研究，如：孫武等[12]對(duì)北京地區(qū)主要針葉林型林火行為進(jìn)行了研究；田曉瑞等[13]研究了大興安嶺森林火災(zāi)的火行為及可燃物變化；潘登等[14]對(duì)南亞熱帶馬尾松人工林潛在火行為進(jìn)行了研究；陳啟良等[15]研究了昆明地區(qū)沖天柏林地表可燃物特征及火行為；張吉利等[16]對(duì)平地?zé)o風(fēng)條件下蒙古櫟闊葉床層的火行為特征進(jìn)行了研究。雖然他們對(duì)火行為進(jìn)行了大量研究，但缺乏對(duì)危險(xiǎn)可燃物，尤其是草本可燃物火行為的研究。

紫莖澤蘭是菊科(Asteraceae)澤蘭屬(Eupatorium)多年生雜草植物，根系發(fā)達(dá)，具有極強(qiáng)繁殖能力，傳播性強(qiáng)，通常為叢生或集生分布，生態(tài)適應(yīng)性廣[17-18]，喜溫濕環(huán)境且能耐干旱貧瘠，植株下的溫度和濕度隨著季節(jié)的變化而變化，并在云南省廣泛分布。紫莖澤蘭在林地內(nèi)嚴(yán)重影響林內(nèi)草木的生長，排擠伴生植物形成大片的單優(yōu)群落，導(dǎo)致侵入地生態(tài)環(huán)境惡化，帶來災(zāi)難性的后果，已被定為Ⅰ級(jí)惡性入侵類植物[19-26]。紫莖澤蘭生長速度比較快，在一年內(nèi)可以迅速長到2 m左右的高度，燃燒性較好，為樹冠火的產(chǎn)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。由于紫莖澤蘭的植株干枯后大部分不會(huì)倒伏，且枯葉仍掛在枝干上，在林下易與枯死的草類、小枝條形成梯狀可燃物，林火容易在垂直方向上蔓延；紫莖澤蘭干枯后倒伏，呈水平連續(xù)性，由于滇中地區(qū)的地勢(shì)復(fù)雜，尤其是在箐溝溝底、山谷等，易成為林火水平蔓延的快速過火通道，紫莖澤蘭是地表火轉(zhuǎn)化為樹冠火的關(guān)鍵[27-30]。本文通過外業(yè)調(diào)查，采取紫莖澤蘭地上部分的整個(gè)植株，并在實(shí)驗(yàn)室可控條件下的燃燒床內(nèi)進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，研究著火、蔓延、熱釋放等特征，掌握紫莖澤蘭垂直燃燒和水平燃燒的火行為特征，為預(yù)防和撲救森林火災(zāi)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

云南森林自然中心位于昆明市東北郊，包括雙乳山、元寶山、長蟲山、平頂山、摩天嶺、三尖山和石關(guān)7個(gè)林區(qū)，地處東經(jīng)102°43′～102°53′，北緯25°4′～25°11′，南北長約14.2 km，東西寬約13.8 km，總面積約為1 872 hm2，森林面積為1 750 hm2。海拔2 000～2 200 m，屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候，年平均氣溫15 ℃，1月為氣溫最低月份(月平均6.8 ℃)，7月為氣溫最高月份(月平均18.2 ℃)，干濕季節(jié)分明，年降水量為980.5～1 156.5 mm，主要集中在5—8月份。森林植被以人工林為主，森林覆蓋率達(dá)到89.33%。主要喬木樹種有云南松(Pinusyunnanensis)、華山松(Pinusarmandii)、滇油杉(Keteleeriaevelyniana)、圓柏(Sabinachinensis)等；主要灌木有小鐵仔(Myusineafricana)，矮楊梅(Myricacheval)，還伴生禾本科大部分草本植物等?，F(xiàn)云南80%面積的土地都有紫莖澤蘭分布，西南地區(qū)的云南、貴州、四川、廣西、西藏等地都有分布[31]。

2 研究方法

2.1 外業(yè)調(diào)查及樣品采集

2019年2月8—9日(云南防火期為12月1日至翌年6月15日，跨年度)在云南森林自然中心有紫莖澤蘭連續(xù)分布的沖天柏(Cupressusduclouxiana)林地內(nèi)已設(shè)置的3個(gè)20 m×20 m樣地(2017年2月開始設(shè)置，并進(jìn)行連續(xù)調(diào)查)，每個(gè)樣地沿對(duì)角線選取3個(gè)1 m×1 m的樣方，總計(jì)18個(gè)樣方，用收獲法采集樣品。用于燃燒實(shí)驗(yàn)的紫莖澤蘭采集的地點(diǎn)較近，生長環(huán)境相同，保證了實(shí)驗(yàn)樣品具有可比性。每個(gè)樣方測海拔、坡度、坡向等地形要素，測紫莖澤蘭高度、叢數(shù)、株數(shù)等，采集植株可燃物，取樣后用便攜式電子天平稱鮮質(zhì)量帶回實(shí)驗(yàn)室分析。樣方的基本特征見表1，樣方①、②、③的紫莖澤蘭樣本進(jìn)行垂直燃燒，樣方④、⑤、⑥的紫莖澤蘭樣本進(jìn)行水平燃燒。

表1 各樣方的特征

2.2 可燃物定量分析

含水率是森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)中評(píng)價(jià)火災(zāi)危險(xiǎn)性大小的關(guān)鍵指標(biāo)之一[32]，載量影響著火災(zāi)的強(qiáng)度及蔓延速率，也是關(guān)鍵指標(biāo)[33]。

風(fēng)干含水率(r)=[(WH-WD)/WD]×100%。式中：WH為可燃物的濕質(zhì)量(采樣時(shí)的樣品質(zhì)量)，WD為可燃物的干質(zhì)量(樣品在自然狀態(tài)下風(fēng)干后的質(zhì)量)。

可燃物載量=m/s。式中：m為樣方內(nèi)可燃物質(zhì)量，s為樣方面積。

燒損率=[(m1-m0)/m1]×100%。式中：m1為燃燒前可燃物的質(zhì)量，m0為燃燒后剩余可燃物的質(zhì)量。

2.3 燃燒實(shí)驗(yàn)

在垂直燃燒的3個(gè)20 m×20 m樣地中各取3個(gè)1 m×1 m的小樣方，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)3個(gè)小樣方內(nèi)的樣品進(jìn)行燃燒取其平均值作為樣方①，其余樣地的樣方依次編號(hào)為②、③，水平燃燒的編號(hào)為④、⑤、⑥，在燃燒室內(nèi)設(shè)置鐵質(zhì)燃燒床(長203 cm，寬127 cm，高34 cm)。坡度均設(shè)為10°，底部覆蓋一層石膏板以減少熱量損失。使用網(wǎng)格法用鐵絲將紫莖澤蘭上部固定在燃燒床的正中央上方，紫莖澤蘭的根部緊貼燃燒床。其中有8根熱電偶絲，分別為1、2、3、4、5、6、7、8，它們分別距離燃燒床的距離為130、110、150、70、90、30、50、10 cm，如圖1所示。

圖1 熱電偶絲在燃燒床的垂直距離示意圖

燃燒實(shí)驗(yàn)時(shí)用點(diǎn)火器點(diǎn)火，用秒表記錄時(shí)間(引燃時(shí)間、火焰維持時(shí)間、蔓延時(shí)間和無焰燃燒時(shí)間)；用手持紅外測溫SL-309測火焰的溫度和無焰燃燒溫度；用SFR-Ⅲ數(shù)字式輻射熱計(jì)測量火焰的熱輻射和無焰燃燒熱輻射；同時(shí)用鋼卷尺測量火焰高度；用設(shè)置在火焰上方不同距離下的熱電偶絲連接轉(zhuǎn)換器，再用轉(zhuǎn)換器通過數(shù)據(jù)線連接電腦，導(dǎo)出溫度數(shù)據(jù)?？扇嘉锩看稳紵倪^程中，在燃燒床上從開始燃燒到結(jié)束燃燒1 m的距離劃分5個(gè)相等的間隔，分別在燃燒到此刻度時(shí)對(duì)應(yīng)的5組或5組以上火焰溫度、火焰高度、熱輻射，選取最大值。

2.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2015、Sigma Plot 12.5對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，總點(diǎn)燒次數(shù)為12次，每個(gè)處理下的點(diǎn)燒次數(shù)為6次，計(jì)算各項(xiàng)最大值、最小值和平均值等，并制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 紫莖澤蘭的燃燒火行為

由表2可知，紫莖澤蘭垂直燃燒時(shí)的平均點(diǎn)燃時(shí)間大于水平燃燒，分別為31、1 s，差別非常明顯；蔓延時(shí)間為點(diǎn)燃后火焰到蔓延到尾端的時(shí)間。水平燃燒時(shí)的平均蔓延時(shí)間為1.67 min，垂直燃燒時(shí)的平均蔓延時(shí)間為3.50 min。

水平燃燒的平均火焰最大熱輻射與無焰燃燒平均最大熱輻射相當(dāng)，都是7.23 kW/m2，垂直燃燒的火焰平均最大熱輻射與無焰燃燒平均最大熱輻射也相當(dāng)，為7.24 kW/m2。無論是水平燃燒還是垂直燃燒，紫莖澤蘭在有火焰燃燒和無焰燃燒時(shí)的熱輻射接近。

表2 紫莖澤蘭的水平、垂直燃燒火行為特征

紫莖澤蘭垂直燃燒時(shí)的平均無焰燃燒最高溫度大于水平燃燒，分別為680和670 ℃；紫莖澤蘭水平燃燒時(shí)的平均火焰維持時(shí)間大于垂直燃燒，分別為5.93和5.58 min，但差距不是很明顯；紫莖澤蘭水平燃燒時(shí)的平均火焰最高溫度大于垂直燃燒，分別為761和611 ℃；紫莖澤蘭垂直燃燒的平均火焰最大高度大于水平燃燒，分別為300和120 cm；紫莖澤蘭垂直燃燒的無焰燃燒平均維持時(shí)間大于水平燃燒，分別為7.72和5.95 min。

紫莖澤蘭垂直燃燒時(shí)的平均燒損率和水平燃燒差異不顯著，垂直燃燒和水平燃燒的各指標(biāo)變化不同。水平燃燒和垂直燃燒的點(diǎn)燃時(shí)間、火焰最大高度、火焰最高溫度、蔓延時(shí)間差異顯著(p<0.05)；垂直燃燒和水平燃燒的火焰維持時(shí)間、火焰最大熱輻射、陰燃最大熱輻射、無焰燃燒最高溫度、陰燃維持時(shí)間、燒損率差異不顯著(p>0.05)。

3.2 熱電偶法分析火焰溫度變化

由圖2可知，無論垂直還是水平燃燒，距離火焰越近，溫度則越高。除了8號(hào)熱電偶絲垂直燃燒時(shí)的最高溫度高于水平燃燒時(shí)的最高溫度，其余7根熱電偶絲均是水平燃燒時(shí)的最高溫度略高于垂直燃燒。由于8號(hào)熱電偶絲距離火焰的距離最近且在燃燒床的正中央，水平燃燒時(shí)是火焰從燃燒床的一側(cè)到另一側(cè)，隨著燃燒的進(jìn)行，火焰距離熱電偶的垂直距離不變，水平距離是先縮短后增大的過程。垂直燃燒時(shí)，將紫莖澤蘭直接固定在燃燒床的正中央進(jìn)行測量，火焰距離熱電偶絲的水平距離不變，垂直距離越來越遠(yuǎn)，所以導(dǎo)致當(dāng)火焰燒至燃燒床中央時(shí)8號(hào)熱電偶絲的溫度不是最大值。

圖2 水平燃燒(a)和垂直燃燒(b)時(shí)的熱電偶溫度變化曲線

熱電偶溫度從上升到下降之間的時(shí)間間隔為阻滯時(shí)間，是指火峰前沿穿越某一定點(diǎn)所用的時(shí)間，其大小影響著林火的蔓延速度和火焰深度。阻滯時(shí)間越長，火焰深度越大，蔓延速度越小。水平燃燒達(dá)到峰值溫度的時(shí)間大于垂直燃燒達(dá)到峰值溫度的時(shí)間。水平燃燒時(shí)達(dá)到峰值最短的時(shí)間為100 s左右，而垂直燃燒達(dá)到峰值的最短時(shí)間相對(duì)較小，均在38 s左右。水平燃燒維持峰值的時(shí)間比垂直燃燒較長，但火焰溫度低于垂直燃燒。在50～350 s內(nèi)，水平燃燒的火焰溫度維持在400～700 ℃；在31～78 s內(nèi)，垂直燃燒的火焰溫度維持在500～800 ℃。

4 結(jié)論與討論

枯死紫莖澤蘭在垂直、水平兩種不同燃燒方式下的主要燃燒火行為特征：(1)垂直燃燒的平均點(diǎn)著時(shí)間、蔓延時(shí)間、火焰最大高度和燒損率都大于水平燃燒；(2)水平燃燒的平均火焰最高溫度大于垂直燃燒，水平燃燒的平均火焰最高溫度761 ℃，垂直燃燒的平均火焰最高溫度611 ℃。(3)無論水平燃燒還是垂直燃燒，火焰熱輻射和無焰燃燒熱輻射接近，即水平燃燒的火焰平均最大熱輻射與無焰燃燒平均最大熱輻射都是7.23 kW/m2，垂直燃燒的火焰平均最大熱輻射和無焰燃燒平均最大熱輻射都是7.24 kW/m2，紫莖澤蘭有焰燃燒時(shí)產(chǎn)生的最大溫度與無焰燃燒無差別。(4)紫莖澤蘭垂直燃燒時(shí)的平均無焰燃燒最高溫度大于水平燃燒，但差異不大，分別為680和670 ℃。

水平燃燒紫莖澤蘭的點(diǎn)燃時(shí)間與王秋華等[12]在滇中地區(qū)入侵紫莖澤蘭的潛在火行為研究結(jié)果一致，垂直燃燒紫莖澤蘭的火焰最大高度300 cm，與王秋華等[34]在箐溝內(nèi)采取紫莖澤蘭燃燒時(shí)的火焰最大高度240 cm接近。紫莖澤蘭水平燃燒時(shí)的平均火焰維持時(shí)間大于垂直燃燒，分別為5.93和5.58 min，但差距不是很明顯，這與鄭永波等[13]對(duì)紫莖澤蘭干枯莖燃燒時(shí)間的結(jié)果不同，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件不同，其實(shí)驗(yàn)是在50%的氧氣氛圍下的燃燒，而本文為自然狀態(tài)下的燃燒。由于采樣的紫莖澤蘭的葉子較少，所以無論垂直或水平燃燒時(shí)的燃燒都相對(duì)緩慢，雖然2月份是云南的森林防火期，正值紫莖澤蘭植株的枯死期，但由于是雨后采樣，和箐溝內(nèi)濕潤的環(huán)境較接近。紫莖澤蘭在枯死后不倒伏，枯葉也掛在莖稈上，水平燃燒時(shí)和凋落物接近，燒掉的大部分是枯葉，枯葉引燃快，蔓延較快，熄滅也快，燃燒相對(duì)不完全，燒損率相對(duì)較??；紫莖澤蘭水平燃燒時(shí)，火焰是在水平的方向上向前蔓延，火焰蔓延的方向與火焰方向垂直，火焰高度相對(duì)較小；而垂直燃燒和枯死紫莖澤蘭接近，由于兩者均是從莖稈開始燃燒，莖稈相對(duì)枯葉較難引燃，蔓延相對(duì)緩慢，但接觸更多空氣，燃燒相對(duì)充分，燒損率較大，并且紫莖澤蘭垂直燃燒時(shí)，火焰是在垂直方向上延伸，與火焰方向一致，火焰高度也較大，因此，紫莖澤蘭垂直燃燒的火災(zāi)危險(xiǎn)性較大。紫莖澤蘭水平燃燒相對(duì)穩(wěn)定且緩慢，能量釋放也比較穩(wěn)定和緩慢；而垂直燃燒時(shí)，由于燃燒狀態(tài)相對(duì)不穩(wěn)定，大量能量的集聚會(huì)出現(xiàn)劇烈燃燒的狀態(tài)，能量釋放也比較塊，導(dǎo)致水平燃燒時(shí)的火焰最高溫度大于垂直燃燒時(shí)的最高溫度。

由此可見，無論水平燃燒還是垂直燃燒，紫莖澤蘭燃燒時(shí)溫度很高，都會(huì)釋放較大能量，溫度遠(yuǎn)超人體能夠忍受的閾值149 ℃[35]，熱輻射很大，即使有防護(hù)裝備，撲火人員在火場還是會(huì)受到熱傷害。同時(shí)，由于其植株防火期枯死，大部分不倒伏，凋萎的葉子懸在莖稈上，在林內(nèi)，增加了可燃物的垂直連續(xù)性，形成梯狀可燃物，增強(qiáng)了地表火轉(zhuǎn)化為樹冠火的可能性，在林緣，成片枯死的紫莖澤蘭是火的水平通道，有利于火的蔓延。紫莖澤蘭是入侵物種，對(duì)其所在的森林燃燒性有著深刻影響。尤其在防火期，其植株枯死后，有些不會(huì)倒伏，枯葉仍掛在莖稈上，增加了可燃物的垂直燃燒性，有利于地表火蔓延、轉(zhuǎn)換為樹冠火。由于地表火轉(zhuǎn)化為樹冠火的影響因素較多，今后需繼續(xù)深入研究各種因素及其相互關(guān)系，完善實(shí)驗(yàn)條件，根據(jù)紫莖澤蘭不同的林分條件[36]，結(jié)合生物學(xué)和生態(tài)學(xué)特性更系統(tǒng)研究紫莖澤蘭的火行為。