呼中國家級自然保護(hù)區(qū)主要可燃物類型地下火燃燒特征

單延龍，王明霞，于 渤，王曉迪，李 威，趙鳳君，高 博

(1.北華大學(xué)林學(xué)院，吉林 吉林 132013；2.敦化林業(yè)有限公司，吉林 敦化 133714；3.吉林省森林防火預(yù)警監(jiān)測指揮中心，吉林 長春 130022；4.中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與自然保護(hù)研究所，北京 100091；5.國家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室，北京 100091)

森林地下火是發(fā)生在腐殖質(zhì)層或泥炭層的森林火災(zāi)，是一種緩慢、低溫、無焰的陰燃現(xiàn)象[1].森林地下火發(fā)生時，不但毀壞植物根系，還會消耗森林地下水，嚴(yán)重破壞森林結(jié)構(gòu)[2]，且由于陰燃的特性使地下火具有隱蔽性強、監(jiān)測難度大、不易被撲滅等特點[3].我國北方寒冷的針葉林是地下火頻發(fā)地帶，南方林區(qū)則不易發(fā)生地下火[4].森林地下火主要由地表火和雷擊火引起.呼中國家級自然保護(hù)區(qū)位于黑龍江省大興安嶺地區(qū)，是我國寒溫帶最大的針葉林生態(tài)系統(tǒng).該保護(hù)區(qū)由雷擊引起的森林火災(zāi)發(fā)生頻繁，為地下火的發(fā)生創(chuàng)造了條件[5-6].

森林地下火不同于地表火和樹冠火易于直接觀察，在科學(xué)研究中受到的關(guān)注程度也相對較低[7].近年來，國內(nèi)外學(xué)者對地下火的研究主要集中在地下火熱解過程、影響因素、火環(huán)境、煙氣釋放等方面[3，8-14].大興安嶺地區(qū)是我國森林地下火的頻發(fā)區(qū)域之一，但目前針對地下火研究的試驗材料主要以泥炭為主，也多為商業(yè)泥炭，而以我國北方森林實際的腐殖質(zhì)為試驗材料的研究鮮有報道.本研究以呼中國家級自然保護(hù)區(qū)主要可燃物類型為研究對象，通過室內(nèi)模擬點燒試驗確定主要可燃物類型的地下火燃燒特征，旨在更好地掌握地下火燃燒機(jī)理，為地下火防控提供理論依據(jù)，同時也為進(jìn)一步研究該地區(qū)森林地下火奠定基礎(chǔ).

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省呼中國家級自然保護(hù)區(qū)，地理坐標(biāo)為51°17′42″～51°56′31″N，122°42′14″～123°18′05″E.保護(hù)區(qū)東西寬約32 km，南北長約63 km，總面積為167 213 hm2，森林覆蓋率為89.1%.該區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季冷、夏季熱、晝夜溫差大、降雨量少.保護(hù)區(qū)長期處于封閉狀態(tài)，以興安落葉松(Larixgmelinii)為主的原生植被保存完整，其他樹種還包括白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)、鉆天柳(Choseniaarbutifolia)等；主要林下灌木有興安杜鵑(Rhododendrondauricum)、偃松(Pinuspumila)、細(xì)葉杜香(Ledumpalustrevar.angustum)、越桔(Vacciniumvitis-idaea)等；主要草本植物有苔草(Carexappendiculata)、小葉樟(Deyeuxiaangustifolia)等[15].

1.2 研究方法

1.2.1 野外調(diào)查

于2021年春季防火期前往呼中國家級自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行野外調(diào)查.選擇該區(qū)域主要可燃物類型為研究對象，具體包括杜香-興安落葉松林、杜鵑-興安落葉松林、草類-興安落葉松林、偃松-興安落葉松林.在每種可燃物類型下分別隨機(jī)選取3塊20 m×30 m試驗樣地，調(diào)查并記錄樣地的地下可燃物厚度、經(jīng)緯度、海拔、郁閉度、林齡、胸徑等基本信息.

1.2.2 樣品采集與處理

在每塊試驗樣地的對角線分別設(shè)置3塊0.5 m×0.5 m的小樣方，將上層的枯枝落葉去掉，挖掘小樣方內(nèi)所有的地下可燃物并帶回實驗室，用于室內(nèi)模擬點燒試驗.

本研究在每個可燃物類型下分別設(shè)置4個含水率梯度(0、10%、20%、30%)進(jìn)行模擬點燒試驗.將采集的部分腐殖質(zhì)裝入檔案袋放入鼓風(fēng)干燥箱中，105 ℃連續(xù)烘干48 h使可燃物趨于絕干；將剩余的腐殖質(zhì)放在陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，每隔6 h使用快速水分測定儀測量含水率，直至達(dá)到設(shè)定的含水率為止.將不同含水率的腐殖質(zhì)分別置于塑封袋中密封用于模擬點燒試驗.點燒試驗前使用快速水分測定儀再次測量3次腐殖質(zhì)含水率，取平均值作為腐殖質(zhì)點燒的實際含水率.

1.2.3 地下火模擬點燒試驗

使用的室內(nèi)模擬點燒試驗裝置為自行組裝的地下火溫度采集系統(tǒng)，包括陰燃反應(yīng)爐、熱電偶、數(shù)據(jù)采集模塊和筆記本電腦(圖1).將主要可燃物類型的不同含水率地下可燃物分別置于陰燃反應(yīng)爐中，在陰燃反應(yīng)爐的側(cè)面自上而下每隔3 cm打10個小孔.將K型熱電偶插入小孔直至腐殖質(zhì)中間.使用補償導(dǎo)線連接熱電偶和數(shù)據(jù)采集模塊，最后將地下火燃燒過程中的溫度變化數(shù)據(jù)傳輸回筆記本電腦，數(shù)據(jù)采集頻率為10 s采集1次.遠(yuǎn)紅外加熱板在使用前先預(yù)熱到500 ℃，之后持續(xù)加熱0.5 h后撤掉加熱板.同時，為保證空氣流通，在加熱板與反應(yīng)爐之間保留1 cm的空隙.

圖1地下火模擬點燒試驗裝置Fig.1Experimental device of underground fire simulation ignition

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2003對地下火模擬點燒試驗中采集和記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、整理；使用Origin 2018軟件繪制主要可燃物類型地下火燃燒溫度和蔓延速率變化特征圖.蔓延速率的計算方法為每個熱電偶所處深度除以其所在深度腐殖質(zhì)燃燒達(dá)到最高溫度的時間；變異系數(shù)表示地下火燃燒蔓延速率隨深度的波動程度，計算公式：

式中：CV為變異系數(shù)；SD為標(biāo)準(zhǔn)偏差；MN為蔓延速率均值.

使用SPSS 19.0軟件進(jìn)行雙因素方差分析，分析不同可燃物類型和含水率對地下火燃燒峰值溫度和蔓延速率的影響，若二者之間存在交互作用，則進(jìn)一步進(jìn)行簡單效應(yīng)分析；顯著水平P<0.05，多重比較方法使用LSD.

2 結(jié)果與分析

2.1 主要可燃物類型地下火燃燒特征

2.1.1 地下火燃燒溫度變化特征

呼中國家級自然保護(hù)區(qū)主要可燃物類型不同含水率燃燒溫度變化特征見圖2.由圖2可知：草類-興安落葉松林在含水率為1.05%時，地下火燃燒溫度上升較快，但波動較大，其中，18 cm處的燃燒溫度最高(665.53 ℃)；含水率為12.21%時地下火燃燒時間最長，以深度27 cm的燃燒溫度最高(611.57 ℃)；在含水率為20.92%和32.12%時，由于腐殖質(zhì)中水分含量較高，所以燃燒溫度上升較為緩慢，且深度24 cm和27 cm處燃燒溫度下降緩慢，其中，含水率為20.92%時，深度18 cm處燃燒溫度最高(613.07 ℃)，含水率為32.12%時，深度24 cm處燃燒溫度最高(650.52 ℃)(圖2 a).

杜香-興安落葉松林在含水率為1.63%時，各深度燃燒溫度均在3.5 h左右達(dá)到最高，其中，深度21 cm處的燃燒溫度最高(674.42 ℃)；含水率為12.46%時，地下火燃燒過程較快，其中，燃燒深度9 cm處溫度最高(713.99 ℃)，達(dá)到最高溫度所需時間僅為0.89 h；含水率為22.38%時，不同深度的地下火燃燒過程較為集中，其中，深度3 cm的燃燒溫度較低，24 cm的燃燒溫度最高(640.25 ℃)；含水率為33.83%時，深度3～21 cm燃燒較為集中，且達(dá)到最高溫度后快速下降，其中，深度9 cm的燃燒溫度最高(679.82 ℃)，24 cm和27 cm處的地下火燃燒過程緩慢，且燃燒后溫度下降較慢(圖2 b).

偃松-興安落葉松林在含水率為1.18%和12.53%時，地下火燃燒溫度上升較快，在燃燒開始的1 h內(nèi)就完成了水分蒸發(fā)并快速蔓延，其中，3～21 cm的燃燒較為集中，24～27 cm的燃燒較為緩慢，且溫度下降速率也緩慢，分別在深度21 cm(654.29 ℃)和27 cm(685.87 ℃)處燃燒溫度最高；在含水率為19.32%和32.09%時，地下火燃燒時間較長，并都在深度27 cm處的燃燒溫度最高，分別為704.42 ℃和682.81 ℃，到達(dá)最高溫度的時間分別需要7.14 h和4.41 h(圖2 c).

杜鵑-興安落葉松林在含水率為2.03%時，燃燒過程可分為2段：深度3～9 cm溫度上升較快，12～27 cm燃燒過程緩慢，且與上一段燃燒過程之間存在“斷層”，其中，21 cm處燃燒溫度最高(652.99 ℃)；含水率為11.26%時，深度3～6 cm燃燒過程較快，之后的深度有較長時間的溫度上升過程，深度24 cm處的燃燒溫度最高(607.74 ℃)；含水率為21.43%時，燃燒過程較為集中，所有深度都在燃燒3～4 h之內(nèi)達(dá)到最高溫度，其中，21 cm處燃燒溫度最高(616.30 ℃)；含水率為32.41%時，深度3～9 cm均在燃燒2 h左右達(dá)到燃燒最高溫度，12～21 cm燃燒過程較為集中，24～27 cm燃燒過程緩慢(圖2 d).

圖2主要可燃物類型地下火燃燒溫度變化特征Fig.2Variation characteristics of underground fire combustion temperature of main fuel types

2.1.2 地下火燃燒蔓延速率變化特征

呼中國家級自然保護(hù)區(qū)主要可燃物類型不同含水率燃燒蔓延速率變化特征見圖3.由圖3可知：草類-興安落葉松林在含水率為1.05%(變異系數(shù)CV=30.89%)和32.12%(CV=37.78%)時，地下火燃燒的蔓延速率波動較大，且在上層的蔓延速率隨深度的增加變化幅度加大，深層的蔓延速率隨深度的增加波動較小，在深度27 cm處蔓延速率都最快；在含水率為12.21%(CV=18.78%)和20.92%(CV=22.43%)時，蔓延速率波動相對較小，其中，含水率為12.21%時深度15 cm處的蔓延速率最快(4.52 cm/h)，含水率為20.92%時深度24 cm處蔓延速率最快(9.54 cm/h)(圖3 a).

杜香-興安落葉松林在含水率為1.63%時蔓延速率波動最大(CV=72.19%)，深度3～24 cm蔓延速率都隨深度的增加小幅加快，當(dāng)蔓延至27 cm處時蔓延速率驟然加快至12.40 cm/h；在含水率為33.83%時(CV=35.51%)，深度3～21 cm蔓延速率隨著深度的增加逐漸加快，蔓延至24～27 cm時蔓延速率有小幅降低；含水率為12.46%和22.38%時的蔓延速率波動程度相近(CV=48.00%，CV=48.27%)，蔓延速率最大值分別為25.45 cm/h和11.96 cm/h(圖3 b).

偃松-興安落葉松林在含水率為1.18%和12.53%時，蔓延速率波動較大(CV為44.71%和45.96%)，且都隨深度的增加呈先加快后降低的趨勢，其中，含水率為1.18%時，在深度18 cm處蔓延速率最快(11.19 cm/h)；含水率為12.53%時，在21 cm處蔓延速率最快(17.79 cm/h)；含水率為32.09%時(CV=36.97%)，在深度為21 cm處蔓延速率最快(8.07 cm/h)；含水率為19.32%時，蔓延速率波動最小(CV=16.95%)，在深度21 cm處蔓延速率最快(4.63 cm/h)(圖3 c).

杜鵑-興安落葉松林的蔓延速率較慢，在含水率為21.43%時，蔓延速率波動最大(CV=55.46%)，在深度為27 cm處蔓延速率最快，也僅為6.91 cm/h；在含水率為11.26%和32.41%時，蔓延速率波動程度相近(CV為32.91%和29.62%)；腐殖質(zhì)含水率為1.03%時，蔓延速率波動較小(CV=21.05%)，在深度為27 cm處蔓延速率最快(4.07 cm/h)(圖3 d).

圖3主要可燃物類型地下火蔓延速率變化特征Fig.3Variation characteristics of underground fire spread rate of main fuel types

2.2 不同可燃物類型和含水率對地下火燃燒特征的影響

不同可燃物類型和含水率對地下火燃燒峰值溫度和蔓延速率影響的方差檢驗見表1.由表1可知：不同可燃物類型和含水率的交互作用對地下火燃燒的峰值溫度和蔓延速率影響較大，尤其是蔓延速率，影響的差異已經(jīng)達(dá)到了極其顯著水平(P<0.01).

表1 不同可燃物類型和含水率對地下火燃燒峰值溫度和蔓延速率影響的方差檢驗Tab.1 Variance test of influence of different fuel types and moisture contents on peak combustion temperature and spread rate of underground fire

2.2.1 不同可燃物類型和含水率對地下火燃燒峰值溫度的影響

不同可燃物類型和含水率對地下火燃燒峰值溫度影響的簡單效應(yīng)分析結(jié)果見表2.由表2可知：偃松-興安落葉松林不同含水率腐殖質(zhì)燃燒的峰值溫度存在顯著差異(P<0.05)，其他可燃物類型不同含水率的燃燒峰值溫度則不存在顯著差異；當(dāng)含水率為10%和30%時，不同可燃物類型的地下火燃燒峰值溫度存在顯著差異(P<0.05).

表2 不同可燃物類型和含水率對地下火燃燒峰值溫度影響的簡單效應(yīng)分析Tab.2 Simple effect analysis of influence of different fuel types and moisture contents on peak combustion temperature of underground fire

不同可燃物類型和含水率對地下火燃燒峰值溫度影響的多重比較見表3.由表3可知：偃松-興安落葉松林地下火燃燒的峰值溫度以含水率為12.53%時最高，其次是含水率為32.09%，且都與峰值溫度最低的含水率19.32%存在顯著差異.含水率為10%和30%時，杜香-興安落葉松林和偃松-興安落葉松林的地下火燃燒峰值溫度都是最高，且二者之間不存在顯著差異；含水率為10%時，4種可燃物類型的峰值溫度之間差異較大，草類-興安落葉松林和杜鵑-興安落葉松林的峰值溫度較低，與其他兩種可燃物類型之間都存在顯著差異.

表3 不同可燃物類型和含水率對地下火燃燒峰值溫度影響的多重比較Tab.3 Multiple comparison of influence of different fuel types and moisture contents on peak combustion temperature of underground fire

2.2.2 不同可燃物類型和含水率對地下火燃燒蔓延速率的影響

不同可燃物類型和含水率對地下火燃燒蔓延速率影響的簡單效應(yīng)分析見表4.由表4可知：杜香-興安落葉松林和偃松-興安落葉松林不同含水率的燃燒蔓延速率差異極顯著(P<0.01)；在含水率為10%、20%、30%的條件下，不同可燃物類型的蔓延速率差異極顯著(P<0.01).

表4 不同可燃物類型和含水率對地下火燃燒蔓延速率影響的簡單效應(yīng)分析Tab.4 Simple effect analysis of influence of different fuel types and moisture contents on spread rate of underground fire

不同可燃物類型和含水率對地下火燃燒蔓延速率影響的多重比較見表5.由表5可知：杜香-興安落葉松林和偃松-興安落葉松林都以含水率12.46%和12.53%的蔓延速率最快，尤其是偃松-興安落葉松林，含水率為12.53%的蔓延速率與其他含水率之間都存在顯著差異，而其他3種含水率條件下的蔓延速率相近，不存在顯著差異.在含水率為10%時，杜香-興安落葉松林和偃松-興安落葉松林的蔓延速率較快，且與其他可燃物類型之間存在顯著差異；含水率為20%和30%時，以杜香-興安落葉松林和草類-興安落葉松林蔓延速率較快，尤其是含水率為20%時，草類-興安落葉松林的蔓延速率最快.

表5 不同可燃物類型和含水率對地下火燃燒蔓延速率影響的多重比較Tab.5 Multiple comparison of influence of different fuel types and moisture contents on spread rate of underground fire

3 結(jié)論與討論

呼中國家級自然保護(hù)區(qū)主要可燃物類型在含水率為30%時地下火都可以自我維持燃燒，一般認(rèn)為，當(dāng)?shù)乇砜扇嘉锖蔬_(dá)到25%以上時將很難被點燃，大于35%時將不能被點燃[16].而在以泥炭為試驗對象的相關(guān)研究中，地下火陰燃甚至可以在含水率為50%～60%條件下發(fā)生[9，17].由此可見，地下火可以在較高含水率水平下發(fā)生，相比于地表火和樹冠火來說，發(fā)生的潛在風(fēng)險更高，當(dāng)存在穩(wěn)進(jìn)地表火或高強度雷擊時，含水率較高的地下可燃物也很容易被點燃，進(jìn)而引起地下火發(fā)生.

主要可燃物類型的地下火燃燒溫度較高，最高可達(dá)713.99 ℃，且隨著含水率的升高，地下火燃燒溫度上升變慢.這是由于地下火燃燒首先是一個脫水干燥過程，之后才是燃燒蔓延[18]，高含水率的腐殖質(zhì)需要更多的時間蒸發(fā)水分，所以燃燒溫度上升緩慢.在燃燒過程中，上層溫度上升快，溫度下降也快；而深層則燃燒溫度高，溫度下降緩慢，且含水率越高，深層的溫度下降越緩慢.這是由于地下火向下蔓延一段時間后，上層會出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，導(dǎo)致氧氣進(jìn)入，使下層的陰燃更加劇烈[19]，同時掉落物起到了阻止熱量散失的作用，導(dǎo)致下層的燃燒溫度高，且熱量散失慢.而含水率較高的腐殖質(zhì)在脫水干燥過程中將會消耗掉大量熱量，剩余的熱量將不能支持地下可燃物的完全燃燒[16，20]，所以導(dǎo)致剩余的地下可燃物多，溫度下降也更緩慢.

本次研究顯示，地下火燃燒過程蔓延速率緩慢，最快也僅為25.45 cm/h.相關(guān)研究也表明，地下火燃燒的蔓延速率緩慢[9]，與本研究結(jié)論相符.地下火燃燒蔓延速率隨深度的增加波動較大，且深層的蔓延速率要大于上層.這是由于地下火的燃燒過程是靠自身釋放的熱量來維持的[21]，上層的可燃物燃燒時散熱較快，燃燒溫度較低，脫水干燥時間較長，所以蔓延速率較慢；當(dāng)?shù)叵禄鹇拥较聦訒r，由于上層可燃物的阻擋，下層燃燒散熱較慢，燃燒溫度較高，所以蔓延速率較快.

不同可燃物類型和含水率的交互作用對地下火燃燒峰值溫度和蔓延速率的影響都存在顯著差異(P<0.05).其中，在相同可燃物類型下，只有偃松-興安落葉松林不同含水率的燃燒峰值溫度之間存在顯著差異，其他可燃物類型的峰值溫度之間不存在顯著差異.可見，雖然含水率是決定地下火能否發(fā)生蔓延的重要條件[22-23]，不同含水率的地下火燃燒過程可能會有所不同，但是一旦形成穩(wěn)定的地下火，含水率對燃燒溫度的影響則會減弱.在相同含水率下，杜香-興安落葉松林和偃松-興安落葉松林的燃燒溫度高.這是由于杜香的葉子中含有豐富的揮發(fā)性精油成分[24-25]，偃松油脂含量高[26]，這兩種地被物都可以起到促進(jìn)燃燒的作用；同時，這兩種可燃物類型的地下可燃物主要由無法完全腐爛分解的植物組成，含有豐富的有機(jī)質(zhì)[27]，且可燃物之間孔隙大，地下火燃燒時氧氣含量高，所以燃燒溫度高.

杜香-興安落葉松林和偃松-興安落葉松林以含水率10%的蔓延速率最快；草類-興安落葉松林和杜鵑-興安落葉松林也以含水率為20%時的蔓延速率最快.一般情況下，野火的蔓延速率被認(rèn)為是隨著可燃物含水率的增加而降低，但HUANG等[8]在相關(guān)研究中得出提高一定含水率會導(dǎo)致陰燃速率加快的結(jié)論；一定的含水率能增加熱的傳導(dǎo)速度，同時還會降低腐殖質(zhì)的堆積密度[28]；GARLOUGH等[29]研究表明，較低的可燃物堆積密度會增加地下火持續(xù)燃燒的可能性，這可能是導(dǎo)致蔓延速率加快的原因.

根據(jù)研究結(jié)果，對呼中國家級自然保護(hù)區(qū)主要可燃物類型地下火的防控提出幾點建議：

1)杜香-興安落葉松林和偃松-興安落葉松林的地下火燃燒溫度高，且它們還是該保護(hù)區(qū)主要的可燃物類型，在保護(hù)區(qū)內(nèi)分布較廣.所以，針對這兩種可燃物類型要著重預(yù)防森林地下火的發(fā)生，且發(fā)生時要及時撲救，否則高溫地下火一旦發(fā)展蔓延將會造成巨大損失和嚴(yán)重危害.

2)杜鵑-興安落葉松林的地下火燃燒時間長，溫度較低，燃燒緩慢，最容易被忽視，很容易形成越冬火或第二火場.所以，當(dāng)杜鵑-興安落葉松林發(fā)生地表火或雷擊時，應(yīng)通過深挖防火溝來預(yù)防和監(jiān)測地下火的發(fā)生，并適當(dāng)延長火場看管時間；草類-興安落葉松林在較高含水率時蔓延速率加快，所以在地下可燃物含水率較高時，要注意監(jiān)測草類-興安落葉松林地下火.

3)地下火深層燃燒后熱量散失慢，可以保持高溫數(shù)小時，所以建議在發(fā)生地下火時，撲救人員要在做好腿部以下防護(hù)后再進(jìn)入火場進(jìn)行撲救，且在地下火熄滅數(shù)小時后也不要貿(mào)然進(jìn)入火場，以免造成人員損傷.