云南松林的燃燒性研究綜述

張 鑫，段順美，王秋華，張文文，龍騰騰，王睿琛

(1. 西南林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點(diǎn)實驗室，云南 昆明 650224；2. 昆明市科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金管理中心，云南 昆明 650106)

近十年來，我國生態(tài)文明建設(shè)工作以及森林防火工作有較大進(jìn)展，據(jù)國家統(tǒng)計局(NBS)數(shù)據(jù)，我國森林火災(zāi)的發(fā)生次數(shù)、火場總面積、受害森林面積整體上呈現(xiàn)連年下降趨勢。但由于森林火災(zāi)的不確定性，森林火災(zāi)發(fā)生后造成的直接經(jīng)濟(jì)損失、財產(chǎn)損失、人員傷亡等數(shù)量近十年呈現(xiàn)相反的趨勢，有所上升?！澳纠锷只馂?zāi)”“西昌森林火災(zāi)”等有很大的不確定性，其過火總面積高達(dá)3 067 hm2。西昌森林火災(zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失9 731.12余萬元，其人員損失、財產(chǎn)損失數(shù)量呈現(xiàn)小幅增長。西南林區(qū)是我國的火災(zāi)高風(fēng)險地區(qū)，這些經(jīng)濟(jì)相對落后地區(qū)的滅火救援裝備配置不高，導(dǎo)致消防部隊滅火救援的效率低[1]。了解森林可燃物理化性質(zhì)，發(fā)展現(xiàn)代滅火救援體系，掌握防火滅火理論并將之運(yùn)用到實踐變得尤為重要。

根據(jù)對近十年的西南地區(qū)森林火災(zāi)案例分析以及對火災(zāi)跡地的外業(yè)調(diào)查，火燒跡地的可燃物中活體植物受火災(zāi)影響最大，尤其是西南地區(qū)分布廣泛的云南松(Pinusyunnaneneis)。掌握云南松的燃燒特性對林火形成、發(fā)生、蔓延、控制、撲救工作有前瞻性意義。目前國內(nèi)對云南松燃燒性的研究主要有以下成果：一些學(xué)者對云南松燃燒時的蔓延速度進(jìn)行了分析[2-5]；一些學(xué)者對云南松的燃燒熱值以及分布做了系統(tǒng)性研究[6-9]；一些學(xué)者采用間接測量的方法對云南松的燃燒消耗量做了宏觀度量[10-12]；一些學(xué)者對云南松的細(xì)小凋落物、腐朽枯死殘留物的燃燒性進(jìn)行了多方面研究[13-15]。基于模擬實驗在室內(nèi)進(jìn)行，無法大規(guī)模在野外進(jìn)行模擬點(diǎn)燒實驗，實驗的結(jié)果會與實際火災(zāi)發(fā)生時的火行為、火動向產(chǎn)生偏差。故室內(nèi)模擬實驗旨在減少實驗誤差，盡可能模擬出野外火行為以及火特征，同時在研究云南松的燃燒性時采用小面積野外點(diǎn)火計劃燒除，從而對云南松的燃燒性進(jìn)行全方位系統(tǒng)性的分析。

1 云南松概述

云南松是云貴高原上的特有樹種，主要分布在我國的云南省以及周邊省份，在云南、西藏東南部、四川、貴州、廣西等地海拔600～3 100 m的地帶，多組成單純林，或與華山松(PinusarmandiiFranch)、云南油杉(KeteleeriaevelynianaMast)、尼泊爾榿木(Alnusnepalensis)及櫟類等樹種組成混交林，分布面積廣，生長極其旺盛。云南松多生長在山體的上坡、中坡，其中向陽面的分布數(shù)量較大于陰面，松脂含量高，屬于易燃樹種并且燃燒劇烈。

西南地區(qū)森林火災(zāi)主要發(fā)生在海拔低于2 000 m的地區(qū)，占所有火災(zāi)面積的86%[16]。由于云南松的分布面積極其廣泛，并且屬于易燃樹種，故發(fā)生森林火災(zāi)時其成為了最主要的過火載體之一。2019年3月30日，四川省涼山州木里縣發(fā)生森林火災(zāi)，火災(zāi)燃燒主體為云南松林，火場過火面積約20 hm2。2020年3月30日，涼山州西昌市發(fā)生森林火災(zāi)，其燃燒主體也是云南松林，火災(zāi)過火面積約1 000 hm2。涼山州擁有云南松127.5萬hm2，蓄積量為1.37億m3，使該地區(qū)重特大森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)較多。云南松林區(qū)可燃物負(fù)荷量達(dá)10～70 t/hm2，平均約30 t/hm2。云南松林占云南省林分總面積的19.63%，森林總蓄積量的14.28%，屬于半濕潤常綠闊葉林被破壞后形成的次生性森林[17-18]。云南松抗瘠薄能力強(qiáng)、生長迅速，常作為先鋒樹種進(jìn)行拓荒種植，20世紀(jì)80年代云南省營造了大面積云南松飛播林，現(xiàn)已郁閉成林。干濕分明的氣候氣象以及特殊的地理地形分布，導(dǎo)致云南松林在11月至次年4月的干旱期內(nèi)林內(nèi)空氣相對濕度低、蒸發(fā)量大、風(fēng)速達(dá)到峰值[19]，氣候氣象、地形因子的綜合作用使得林內(nèi)火險驟升，火災(zāi)風(fēng)險極大。

2 云南松燃燒性研究的主要內(nèi)容

可燃物是森林火災(zāi)的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是火災(zāi)傳播的主導(dǎo)因素，對森林火災(zāi)的形成、發(fā)生、發(fā)展、控制和撲救產(chǎn)生重要的影響[20-21]。可燃物燃燒性指可燃物在完全燃燒下表現(xiàn)出來的火行為蔓延特征，綜合體現(xiàn)了其物理學(xué)和生態(tài)學(xué)特性[22]。森林燃燒過程是多樣性的，不同的物理性質(zhì)和化學(xué)組成會產(chǎn)生不同的燃燒結(jié)果[23]。云南松的燃燒受到多種因素的影響，包括海拔、氣候氣象因子、坡度、坡向、坡位等?，F(xiàn)階段的云南松燃燒性研究方法主要有野外樣地直接燃燒法以及室內(nèi)燃燒室模擬燃燒法。野外樣地燃燒法由于危險性高、數(shù)據(jù)難以記錄、損耗大、周期長而少有采用，現(xiàn)有研究主要采用室內(nèi)模擬點(diǎn)燒實驗法。通過對云南松可燃物理化性質(zhì)的測定，對云南松燃燒性能進(jìn)行標(biāo)定、分級。

現(xiàn)有云南松林的燃燒性研究多為一維的燃燒性研究模型，本文將探討由一維拓展到四維，即通過對云南松的點(diǎn)燃性、劇烈性、持續(xù)性以及損耗性來對燃燒性進(jìn)行評價[24]，進(jìn)而得出模擬燃燒的理化性質(zhì)。實驗測定的燃燒性參數(shù)及火行為指標(biāo)包括引燃時間、火強(qiáng)度、熱輻射、蔓延時間、火焰維持時間、火焰最高溫度、無焰燃燒維持時間和溫度等。

2.1 點(diǎn)燃性(Ignitibility)

點(diǎn)燃性指可燃物遇火被點(diǎn)燃的難易程度。對點(diǎn)燃性的認(rèn)識也是研究火焰?zhèn)鞑バ再|(zhì)的基礎(chǔ)。研究森林可燃物的點(diǎn)燃性為防火救火工作提供了理論上的支持，在火災(zāi)發(fā)展之前便能有效做出相應(yīng)對策，為滅火救援爭取時間。為了發(fā)展理論模型需要，首先預(yù)測可燃材料在火災(zāi)中的可燃性，其次確定材料在何種條件下被點(diǎn)燃，然后確定材料的哪些性質(zhì)的改進(jìn)可減小火災(zāi)危險性。即必須了解材料是如何被點(diǎn)燃的[25]。

云南松林的點(diǎn)燃性主要由室內(nèi)模擬點(diǎn)燒得出，通過外業(yè)取樣，對燃燒樣本的相對濕度、含水率、點(diǎn)燃溫度、引燃時間相應(yīng)測定，進(jìn)而了解其點(diǎn)燃性。Dibble等[26-28](2007)提出，用TSI評價可燃物的點(diǎn)燃性。許多模擬燃燒模型在研究可燃物的點(diǎn)燃性時都會應(yīng)用相對濕度這一影響因素?？扇嘉锏南鄬穸戎苯佑绊懥似潼c(diǎn)燃的難易程度，相對濕度也反映了可燃物所含的水分的高低?？扇嘉锾幱诘秃蕰r相較于高含水率更容易點(diǎn)燃，所需要的點(diǎn)燃溫度也較低?？扇嘉稂c(diǎn)燃溫度越低，越易點(diǎn)燃，點(diǎn)燃性越好[29]。采用熱重分析等方法，以可燃物初始分解溫度標(biāo)定其點(diǎn)燃性，模擬云南松樣本處于野外的不同含水率時，以50 kW/m2的功率測出云南松不同構(gòu)件的分解溫度為152.4～383.6 ℃，點(diǎn)燃時間為(1.4 ± 0.32) s～(9.1 ± 0.13) s，綜合評價其點(diǎn)燃性屬于低(Low)水平[30-32]。

2.2 劇烈性(Combustibility)

劇烈性指可燃物在被點(diǎn)燃后的燃燒速度，有助于了解林火蔓延速度、火災(zāi)發(fā)展趨勢和林火行為。了解可燃物的燃燒速度對于森林火險預(yù)報、火災(zāi)救援指揮、生態(tài)環(huán)境搶救等都有積極意義。通?？扇嘉锏娜紵俣扰c溫度、燃燒熱值、揮發(fā)分含量等因素有關(guān)?，F(xiàn)階段森林可燃物的燃燒速度通常由室內(nèi)模擬點(diǎn)燒實驗以及熱重分析實驗等來測定。在進(jìn)行燃燒速度測定時，熱源溫度不足、氧氣供應(yīng)不足等均可能發(fā)生陰燃或熄滅，燃燒速度相對較慢。燃燒速度由多種因素共同作用，將可燃物由高含水率轉(zhuǎn)變成低含水率的階段所需要的時間越少，受熱后揮發(fā)分作用得越快，燃燒時可燃物釋放出的能量越多，則可燃物的燃燒速度也相應(yīng)越快。云南松的活體葉片實驗中由氧指數(shù)測定儀模擬林火的高溫環(huán)境，通過記錄的試驗前后葉片的質(zhì)量、面積、葉脈長度，計算云南松針葉的絕對燃燒速率和相對燃燒速率[33]。

劇烈性也可以用PHRR 等參數(shù)來評價，即了解可燃物燃燒時的最高熱釋放速率。通常，樹木在發(fā)生火災(zāi)過火時，細(xì)小枝葉以及樹皮最容易燃燒，而粗壯枝干不容易燃燒。將云南松的樹皮、樹葉以一定標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)干粉碎后，使用熱重分析法對碾磨樣本的綜纖維素平均失重速率進(jìn)行測量，以此評價云南松的燃燒速度[34]。綜纖維素的平均失重速率越快，熱解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w就越多，燃燒就越劇烈。采用錐形量熱儀對云南松完全燃燒時的最高熱釋放速率進(jìn)行全面測量[35]，得其燃燒速度為0.26～0.33 m/min，其劇烈性為高水平，燃燒速度快。

2.3 持續(xù)性(Sustainability)

持續(xù)性指可燃物燃燒過程的時間或空間連續(xù)性，即可燃物燃燒時的持續(xù)情況。時間上的連續(xù)性即可燃物從點(diǎn)燃至維持燃燒直至燃盡到蔓延這一完整過程；空間上的連續(xù)性即可燃物著火時在水平或垂直方向上發(fā)生蔓延，由局部火源發(fā)展為地表火、樹冠火。了解云南松燃燒的時間或者空間上的連續(xù)性可以間接了解發(fā)生森林火災(zāi)時林火的持續(xù)時間，林火蔓延趨勢以及林火潛在的行為和火災(zāi)發(fā)展規(guī)律，對滅火救援方式以及消防設(shè)備供配有指導(dǎo)性作用。

現(xiàn)階段對云南松燃燒時持續(xù)性采用的研究方法多為室內(nèi)模擬點(diǎn)燒實驗。對云南松的持續(xù)性做出研究時，通常以穩(wěn)進(jìn)地表火這種林火形式進(jìn)行模擬，人為構(gòu)造不同類型的地被層以及林下凋落物進(jìn)行點(diǎn)燒，并用THR(總釋放熱量)評價其燃燒的持續(xù)性。通過在實驗室模擬不同坡度不同起火點(diǎn)等相關(guān)因子，對云南松的地被層樣本進(jìn)行點(diǎn)燒，測量出地表凋落物干重燃燒熱值、火焰持續(xù)時間、輻射強(qiáng)度等[36]。金森、高健等使用熱重儀對云南松燃燒時的生物組分進(jìn)行分析，以纖維素失重時間跨度為對象標(biāo)定云南松燃燒時的持續(xù)性。燃燒時的持續(xù)性受到多種因素共同作用，例如地理、氣象因子等。綜合上述分析，云南松林燃燒的持續(xù)性為中水平，燃燒持續(xù)時間較長。

2.4 損耗性(Consumability)

損耗性指可燃物燃燒過程中質(zhì)量的損耗情況，其本質(zhì)為可燃物所含水分、有機(jī)物、木質(zhì)素、纖維素等隨著燃燒放能而揮發(fā)。云南松燃燒時的損耗性可以用灰分含量進(jìn)行標(biāo)定。灰分含量即可燃物完全燃燒揮發(fā)后剩余的固體殘留物的百分?jǐn)?shù)?；曳制浔举|(zhì)為礦物質(zhì)，灰分含量越低則證明可燃物燃燒的越徹底?；曳趾靠梢詷?biāo)定可燃物燃燒的劇烈程度，燃燒的持續(xù)時間以及燃燒熱等一系列參數(shù)。在野外發(fā)生森林火災(zāi)時可燃物無法完全燃燒，受到溫度、火強(qiáng)度、地被層密實度等因素的影響，灰分的測定會有偏差，故評價損耗性需要引入另外一種參數(shù)—燒損率。

燒損率是云南松室內(nèi)點(diǎn)燒實驗的又一項研究內(nèi)容，通過測量被火燒掉部分可燃物的質(zhì)量與可燃物總質(zhì)量，評價可燃物的燃燒狀況以及質(zhì)量損失狀況。通常，燒損率可做為云南松損耗性研究的另一個評價標(biāo)準(zhǔn)。室內(nèi)模擬點(diǎn)燒實驗對云南松林下地被層的燒損率以及灰分含量進(jìn)行測定，測出云南松處于不同燃燒狀態(tài)時其燒損率為40.09%～80.37%，灰分含量為0.97%～6.55%[37-38]。基于微商熱重法測量出可燃物燃燒時的相關(guān)失重特性指標(biāo)，對可燃物燃燒時的損耗性進(jìn)行系統(tǒng)性的評價[39]，結(jié)論為云南松發(fā)生燃燒后燒損率較高，灰分含量很少，其損耗性為高(High)水平，燃燒較為完全。

3 云南松燃燒性研究的主要方法

3.1 熱重分析法

熱重(TG)分析法通過對可燃物微小分子熱解過程的模型分析、數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)籌分析歸納出森林可燃物的自身燃燒性質(zhì)。對可燃物進(jìn)行熱重分析，能夠迅速、精確地表示出固態(tài)物質(zhì)在熱解過程中的熱穩(wěn)定性和熱行為，在對可燃物的熱分析處理過程中被大量使用[40]。通過熱重分析法得出的函數(shù)曲線，能夠間接反映可燃物燃燒時的失重狀況以及熱解特性。

熱重分析是森林可燃物失重率與溫度之間的函數(shù)，通常將森林可燃物的熱失重溫度作為曲線橫坐標(biāo)。以熱重分析法引伸出來的微商熱重法(DTG)是將熱重分析法得出來的熱重曲線對時間或溫度一階微商的結(jié)果標(biāo)為新的溫度[41]，縱坐標(biāo)為可燃物的質(zhì)量變化率。兩種函數(shù)曲線相互對應(yīng)，可更清晰地反映出可燃物的失重狀況。在國內(nèi)，張宏宇等[42]基于熱重法對昆明周邊林區(qū)的闊葉樹種葉片進(jìn)行了熱重分析，并且建立了一級反應(yīng)方程；宋彥彥等[43]等對黑龍江帽兒山的一些典型森林可燃物的熱解特性以及熱解動力學(xué)進(jìn)行研究，得到了木質(zhì)素與纖維素在熱解過程中與溫度、失重速率的關(guān)系；王雷等[44]對呼和浩特市園林典型樹種的熱解動力學(xué)以及熱穩(wěn)定性進(jìn)行了分析并得到了相關(guān)成分的失重曲線；于娟等[45]采用熱重分析對常見生物質(zhì)材料的熱解動力學(xué)進(jìn)行研究；張小芹等[46]使用熱重法對一些典型干雜物的熱解特性以及燃燒性進(jìn)行分析。

3.2 錐形量熱儀實驗分析法

自 Babrauskas et al[47](1984)設(shè)計開發(fā)了錐形量熱儀(簡稱CONE)后，國內(nèi)外的各學(xué)科學(xué)者利用其對森林可燃物的燃燒性進(jìn)行了多方面的研究。Dimitrakopoulos等使用錐形量熱儀對地中海常見植物的點(diǎn)燃時間(TSI)進(jìn)行了測定，并且采用判別分析法和聚類分析法綜合評價各類當(dāng)?shù)刂参锏目扇夹?；White等將CONE的熱輻射功率控制為 25 kW/m2和50 kW/m2，在不同的輻射功率下測定出了不同植物的燃燒特征，利用最大熱釋放速率(peak heat release rate，PHRR)和平均有效熱含量(effective heat content，EHC) 對植物的燃燒性進(jìn)行了評價；對4種常見針葉樹—油松(Pinustabuliformis)、側(cè)柏(Platyladusorientalis)、杉木(Canninghamialanceolata)、馬尾松(Pinusmassniana)的活枝進(jìn)行試驗，對4種樹木總釋放熱量、熱釋放速率、質(zhì)量損失率進(jìn)行了評估和比較[48-49]。

CONE能夠模擬出更接近野外的燃燒環(huán)境和燃燒狀態(tài)，可極大地提高室內(nèi)模擬實驗的準(zhǔn)確性。高精度的測量數(shù)據(jù)和高速率的實驗過程，使得實驗結(jié)果可信度高、實驗周期短。在對可燃物的燃燒放熱量、溫度失重曲線、熱釋放速率峰值、火發(fā)生指數(shù)等參數(shù)進(jìn)行高精度測量時，該儀器可以發(fā)揮出重要作用。

3.3 室內(nèi)模擬點(diǎn)燒法

室內(nèi)模擬點(diǎn)燒法通常經(jīng)過外業(yè)取樣、樣本準(zhǔn)備、模擬點(diǎn)燒、數(shù)據(jù)分析這幾個步驟，人為構(gòu)造可燃物床進(jìn)行森林可燃物的燃燒性研究[50-51]。外業(yè)取樣時在不同地塊不同位置采集云南松的林下凋落物、地被下層腐朽顆粒物、活枯枝葉、莖干等；樣本準(zhǔn)備階段一般將采集的樣品做自然風(fēng)干或機(jī)械烘干處理，對于不同的實驗將樣品進(jìn)行切段或粉碎，人為控制、測定樣本的含水率、載量等；在模擬點(diǎn)燒階段對云南松的絕對含水率、熄滅含水率、揮發(fā)分含量、燃燒熱值、灰分、熱輻射強(qiáng)度、點(diǎn)燃溫度、著火時間、發(fā)煙量、煙氣溫度等進(jìn)行測定[52-54]，并通過多次實驗減少實驗誤差；最后，歸納對比實驗數(shù)據(jù)，分析研究成果的準(zhǔn)確性與合理性。

3.4 野外點(diǎn)火計劃燒除法

野外計劃燒除作為控制森林可燃物載量、人為預(yù)防森林火災(zāi)發(fā)生的一項林火防治措施，現(xiàn)階段已經(jīng)較為成熟[55]。云南松林計劃燒除的大面積推廣應(yīng)用，為云南松林科學(xué)防火，減少可燃物載量做出了貢獻(xiàn)。選擇合理的周期，合理的時間、地點(diǎn)進(jìn)行計劃燒除，能夠有效地降低森林火險，并且為林下產(chǎn)業(yè)、林下生態(tài)做出貢獻(xiàn)。計劃燒除的主體為云南松的林下凋落物，即云南松枯枝、針葉、球果、樹皮等。未及時分解的凋落物是發(fā)生地表火時燃燒的主體，計劃燒除將這部分危險易燃物以下坡火的形式緩慢燃燒，控制其放能速率，使燃燒釋放出的能量不致傷害到樹干，且燃燒后的灰分可為林分提供大量養(yǎng)分。

云南松林野外點(diǎn)火計劃燒除，對云南松的燃燒性相關(guān)研究有極大促進(jìn)作用，對探究云南松林的林火蔓延速度、初始蔓延速度、火強(qiáng)度、火焰高度、碳化高度、可燃物含水量、可燃物消耗量、火燒技術(shù)以及林分狀況、氣象條件等多項指標(biāo)有精確結(jié)果[56]。在對云南松進(jìn)行計劃燒除時，要對燒除區(qū)的火行為和火動向進(jìn)行預(yù)先評價，對樹木的近地冠幅、樹枝樹杈等做出修剪處理，防止地表火蔓延為樹冠火等不利火行為。燒除區(qū)與未燒除區(qū)之間要構(gòu)建可靠的防火隔離帶，防止計劃燒除的地表火發(fā)生蔓延或形成飛火[57]。

4 研究展望

云南松是一種燃燒性較高的樹種，在發(fā)生森林火災(zāi)時容易著火且易發(fā)生蔓延[58]?，F(xiàn)有云南松林多為單純林，或與櫟類、榿木、闊葉樹種以及其它針葉樹種組成混交林，其中云南松—灌木、云南松—落葉櫟類、云南松—其它針葉樹種混交林的火險等級較高。在對云南松林的火災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行評估時，應(yīng)對以上混交林的林內(nèi)可燃物載量進(jìn)行判斷，并按照不同情形制定不同的防火措施。

云南松抗土壤瘠薄能力較強(qiáng)，大多分布在山體的中上部位以及向陽面，對干旱的環(huán)境已經(jīng)有了適應(yīng)性。不同的過火類型對云南松所造成的危害也大不相同。由于特殊的構(gòu)造，云南松對地表火有一定的抵抗能力，地表火很難對其造成致命傷害。但如果發(fā)生樹冠火，云南松基本沒有抵御的能力，植株存活的幾率極低，最終會使云南松林大面積受損。林火對云南松的自然更新以及種內(nèi)分化有一定的促進(jìn)作用。在發(fā)生樹冠火時，林冠中宿存的球果可有效地保護(hù)種子，球果的鱗片能夠抵御一定的高溫。未來云南松林燃燒性的研究將向可燃物燃燒多維模擬和多指標(biāo)定量評估的方向發(fā)展，例如將一維的燃燒性研究拓展為四維的研究，探討云南松在垂直方向的燃燒連續(xù)性，發(fā)生樹冠火的水平連續(xù)性，量化可燃物載量、火災(zāi)蔓延速度、災(zāi)后森林生態(tài)恢復(fù)以及林火對森林種內(nèi)分化的影響等。