滇中地区云南松纯林计划烧除研究

王秋华，单保君，龚家平，普 俊，寇卫利，徐伟恒，王浩宇

(1.西南林业大学 消防学院，云南省森林灾害预警与控制重点实验室，云南 昆明 650224；2.玉溪市新平县林业局防火办，云南 玉溪 653400；3.西南林业大学 大数据与智能工程学院，云南 昆明 650224)

计划烧除是在人为控制下，有目的、有计划、有步骤地在区域内采用燃烧的方法对林冠下的用火，以达到预期用火目的。减少可燃物载量，降低森林火险，防治病虫害等，是促进林木生长的一项重要营林措施，又被称为“黑色防火”[1-2]。在合适的条件下进行计划烧除为经营森林生态系统提供了一条重要途径[3]。计划火烧虽然低成本、见效快，但一旦控制不当，也会出现“跑火”，引起森林火灾。因此，如何开展计划烧除，促进森林生态系统平衡显得尤为重要[4]。国内利用计划烧除进行可燃物调控主要分布在西南林区针叶林及东北、内蒙古林区的人工针叶林和针阔混交林[5-7]。大兴安岭地区进行了多年的计划烧除，对减少该区域的森林火灾起到了重要作用。但随着全球气候变暖，计划烧除对大兴安岭当地冻土、湿地的影响问题也显现出来，需要继续深入研究[8]。国外的最新研究也表明，通过计划火烧能够显著提高美国密苏里州白橡(Quercusalba)的经济价值和生态效益[9]，秋季火烧比春季火烧更能有效减少美国西部西黄松(Pinusponderosa)的可燃物积累[10]，也有利于加拿大东部粘土带生物多样性的保护，能够维持甚至提高森林生产力[11]。计划烧除要根据林区的气候状况、立地条件、林分组成以及可燃物性质等确定，因地制宜进行[1]。

云南松(PinusyunnanensisFranch.)分布以滇中高原为中心，并分布到广西西北、贵州、四川、西藏等海拔600～3 100 m的区域，呈形状不规则的多角形[12]。云南松是云南省的阳性乡土树种，多形成大面积纯林或与其他树种组成混交林，是西南地区主要用材树种之一，也是云贵高原上常见的主要针叶树种。云南松生长迅速、适应性强、耐干旱瘠薄，生态适应幅度很广，火烧后也能迅速繁殖生长，是云南省飞播造林面积最大的树种。云南省云南松林面积达500 万hm2，占全省森林总面积的52%，蓄积量约3 000 万m3,占全省有林蓄积的32%，木材占全省商品材的90%[13]。滇中地区是云南省森林火灾最为严重的区域之一，云南松占有较大的比例。云南松计划烧除的研究仅见于20世纪末四川省西昌市开展的林地危险可燃物累积量动态，计划烧除区水土流失量，对林下植被的影响等[6,14-15]。因此，掌握滇中地区云南松林可燃物分布情况，开展计划烧除，了解计划烧除的火行为特征，进行合理调控，对云南松林火灾发生预报、火行为预报，以及火灾发生后的安全扑救都具有十分重要意义。

1 研究地概况

新平县位于云南省中部偏西南，地处哀牢山中段东麓，23°38′15″～24°26′05″ N、101°16′30″～102°16′50″ E，国土总面积4 223 km2，地形以山地为主，山区面积达4 139.6 km2，占总面积的98.03%，地势西北高、东南低，境内最高海拔3 165.9 m，最低海拔422 m。属温带气候区，局部气候受海拔影响，形成河谷高温区、半山暖温区、高山寒温区3个气候类型。年平均气温18.1 ℃，年最高气温32.8 ℃，年最低气温1.3 ℃，年降水量869 mm，总日照时数2 838.7 h，无霜期316 d。有高等植物1 402种。全县有林面积32.04万hm2，森林覆盖率60.96%，是玉溪市森林面积最大且唯一实施天然林保护工程的县，境内有1个国家级自然保护区，是滇中重点火险区，全国森林火灾高危区。新平县云南松是最主要的针叶树种，在自然条件下，常成纯林，林相整齐，多为单层林，同世代林分，同龄林，主要以飞播造林形成。林下灌木稀少，而草本植物较为发达，覆盖度30%～50%，平均高40 cm，以禾本科草类为主。常见草类有羊茅(Festucaovina)，剪股颖(Agrostismatsumurae)、云南裂稃草(Schizachyriumdelavayi)、扭黄茅(Heteropogoncontortus)、芸香草(Cymbopogondistans)、金茅(Eulaliaspeciosa)等。

2 研究方法

2.1 样地设置

2016年11月1日至2日在新平县古城街道办事处照壁山选取云南松纯林且连续分布地区作为研究区域并进行了一些初步观测。于2017年2月8日上午在选定林分内，以松针凋落物为主和松针+蕨类(冬季地上部分枯死，不倒伏，仍然直立)的可燃物按照10 m×10 m设置2块样地，详细记录地理位置、坡度、坡向、坡位，每木检尺并记录样地内所有云南松的树高、枝下高、胸径，估测林分的郁闭度，计算林分的密度。沿每个样地对角线设置1 m×1 m小样方，用收获法称取可燃物，取样后用塑封袋密封并把小样方内所有的可燃物一起带回实验室。当天13:00用风力灭火机清理好路上可燃物，开设好隔离带，开始用下山火点烧实验。沿着路边坐火(下坡火)点烧，并观测火行为、测量其参数。2月9号在计划烧除的火烧迹地上重新调查，测样地内小样方的火烧剩物，计算烧除率。

2.2 可燃物定量分析

在每个样地内沿着对角线，在交叉点和随机的两个起点设置小样方各1 m×1 m，称取样方内所有的可燃物，包括松针凋落物与松针+蕨类，记录鲜重，并取样带回实验室烘干，计算含水率以计算载量，用XRY-1C微机氧弹式热量计，量热法测可燃物热值，计算公式如下：

(1)

式中：Q—预测可燃物的发热量，kJ/kg；K—水当量，kJ/℃；T0—点燃前的温度，℃；T—点燃后的温度，℃；△t—温度校正值，℃；G—样品质量，g。

2.3 计划火烧定位观测

以现有防火公路为依托，用风力灭火机把公路上的凋落物等吹扫到路边一侧，形成良好的防火隔离带。顺着防火公路，用滴油式点火器点下坡火。沿着火线蔓延方向，当燃烧相对稳定时，用5 m钢卷尺多次测量火焰高度，手持红外测温仪SL-309(量程-40～999.9 ℃，精度±1 ℃)测火焰温度，SFR-Ⅲ数字式辐射热计(热量范围：0～10 kW/m2，误差≤±2.5%)测量最大火焰热辐射。火烧过后，用电子秤测样方内剩余可燃物及灰分等物质的质量，计算烧除率(烧前、烧后可燃物的质量差与烧前可燃物的比值)，评估烧除效果。

2.4 实验室内模拟火烧

在燃烧室内设置铁质燃烧床(长200 cm，宽120 cm，高32 cm)，底部覆盖2 cm厚的石膏板，以减少热量损失。坡度设为15°，在燃烧室内模拟近似无风状态下的燃烧。引燃方式分为从下坡往上坡点烧，模拟上坡火，从上坡往下坡点烧，模拟下坡火。采集的地表可燃物尽可能保持野外的状态，均匀铺在燃烧床内(1 m×1 m)，用钢卷尺沿着对角线的5个点测厚度。用秒表计时，记录可燃物点着时间、熄灭时间和阴燃持续时间。当火焰高度达到最大时，用手持红外测温仪SL-309测火焰的温度，用SFR-Ⅲ数字式辐射热计分别测火线蔓延过程中最大火焰的热辐射，同时用钢卷尺测火焰高度。用勃兰姆公式(Byram’s equation)计算火强度:

I=0.007×H×W×R

(2)

式中:I—火强度，kW/m;H—热值，J/g;W—消耗的可燃物量，t/hm2;R—蔓延速度，m/min。

2.5 数据处理

用Excel 2010和SPSS 17.0对数据进行处理，计算平均值以及标准差。

3 结果与分析

3.1 主要林型的特征

云南松主要分布位于我国横断山系，自然地理环境特殊，冬、春季受西风环流南支急流控制，气候干暖，少雨，此时又正是云南松及林下灌丛、草本的休眠期，林下枯枝落叶易着火，而松针含有大量油脂成分，极易形成大火[16]。云南松林区是我国森林火灾最严重区域之一，也是西南林区火灾多发区，历年的火灾次数和受害面积分别占该地区的40%和80%左右[17]。云南松次生林已成为西南的后续森林资源，是滇中地区森林经营的主体。滇中高原生态系统有可能是火成生态系统，云南松对周期性的火产生了适应性[18]，具有一定的抗火性[19]，能够开展周期性的计划烧除。

新平县照壁山云南松纯林，林龄约为30年，为20世纪80年代的飞播造林，经过人工抚育和自然稀疏，密度在2 000株/hm2左右，比较合理，胸径达到了20 cm左右(表1)。树高在11 m以上，枝下高超过8 m，也说明了云南松的自然整枝能力较强，尽管枯死枝条极易干燥，成为良好的可燃物，但云南松成林能抵抗一定强度的火。表2所示，火焰高度不到0.4 m，很难蔓延到树冠，难以形成致命的树冠火。

热值指可燃物干物质完全燃烧后所释放出来的能量，是植物本身的重要特征。在森林火灾的燃烧阶段，植物燃烧释放出一定的热量。热量主要以热辐射的方式传递，预热了火焰前方未被点燃的可燃物，使其很快达到着火点的温度，发生燃烧，同时也是地表火传播的重要途径之一，使地面扑火队员难以靠近火头进行直接灭火。表1显示，云南松纯林的地表可燃物含水率很低，低于14%，易燃，但热值较低，在22 000 kJ/kg以下，载量较低，小于1.2 kg/m2，同时表明计划烧除时单位面积释放的热量不多，火强度较弱，如表2，都低于405 kW/m。

表1 云南松纯林的林分及可燃物特征

“*”都为标准差，各表相同。

All of * in this paper are standard deviation，DBH is diameter of breast height of trees.

3.2 计划烧除的火行为

火焰高度是林火行为中最方便观测的参数之一，可用来估测林火强度，也是扑火指挥员选择何种灭火手段的主要依据。火焰一旦高于2.5 m时，地面灭火设施很难起到有效作用，只能用开设防火隔离带等间接方法来扑救[20]。由于火焰随时都在不断变化，是随意、动乱和暂时的扰动现象，本研究选取最大火焰高度作为火行为各参数表征。由于实验样地每年进行计划烧除，可燃物积累较少，同时，采用下坡火点烧，在重力、风等各种影响下，火焰不断被拉伸，烧除时火焰高度较小，可以采用钢卷尺随火线蔓延方向，现场测量火焰高度。松针凋落物的火焰高度平均为0.22 cm，而松针+蕨类的火焰高度平均为0.35 cm，明显比前者高(表2)，主要原因在于蕨类的地上部分在冬天都枯死，但仍然呈直立状态，增加了火焰高度。火焰温度和热辐射的差别不明显，主要原因是可燃物的差别不大，以松针凋落物为主。由于都采用下坡火点烧，火蔓延速率和烧除差别不明显。下坡火在蔓延的过程中，由于重力、风等的影响，火焰会向后即上坡方向拉伸，再次预热烧过的可燃物，使二次燃烧更彻底，烧除率(彻底烧掉的可燃物占所有可燃物的比例)更高，在60%左右，云南松纯林地区，能够合理控制计划烧除的间隔时间，3年左右更为合适。火焰高度达到最大值，甚至超过50 cm(表3)，原因在于室内没有风等因素的干扰，火焰表现比较稳定。

表2 云南松纯林计划烧除的火行为参数

热辐射是林火蔓延中一种主要的热量传递方式，能够预热火焰前方未被点燃的可燃物，使其很快达到着火点，从而发生燃烧，同时也是地表火传播的重要途径之一，能引起大面积火灾，造成人员间接损伤，对眼睛的危害最大，尤其在夜间更严重。热辐射使地面扑火队员难以靠近火头实施直接灭火。由表2、表3可知，计划烧除两个样地的热辐射低于6 kW/m2，室内模拟火烧的热辐射低于8 kW/m2，都在人体可承受范围内。

3.3 室内模拟火烧

图1 自制燃烧床Fig.1 Combustion bed of own manufacture

图1所示，为自制铁质燃烧床。将燃烧床置于燃烧室内不通风处，模拟无风状态下的燃烧。点火方式分别采用为上坡火和下坡火。

由表3可知，下坡火和上坡火的可燃物均匀厚度在10 cm左右，和野外状态相似。引燃时间分别为1 s和3 s，说明可燃物非常易燃，并产生明亮的火焰。火焰持续时间超过4 min，原因在于云南松纯林的地表可燃物都以松针凋落物为主，在防火期内很干燥。由表2可知，可燃物含水率不到15%，在野外，用手一搓变成粉末状。与表2相似，室内模拟的火焰温度相差不多，高于530 ℃但不超过600 ℃，烧除率介于50%～62%，说明了云南松纯林地表可燃物的燃烧比较彻底，不管上坡火还是下坡火，都能消耗掉大部分的可燃物。明显不同之处在于，室内模拟火烧的火焰高度和热辐射明显比计划烧除高出很多，主要在于室内燃烧基本排除了风等因素的干扰，燃烧彻底、完全，在火焰熄灭后阴燃状态保持4 min以上，阴燃的温度也较高，最高可接近600 ℃。

表3 实验室内模拟火烧的火行为参数

4 结论与讨论

以松针凋落物和松针+蕨类为主的云南松纯林，无论是计划烧除过程中的火烧，还是室内模拟火烧，火焰高度都在50 cm以下，但温度较高，接近600 ℃，热辐射低于8 kW/m2，烧除率为60%左右，火强度在405 kW/m以下，都为低强度火烧，难以发展为树冠火，不会烧死中林龄云南松。这与梁峻等[7]采用小样地调查方法对四川省西康磨盘林区云南松林内的可燃物及火行为进行调查、统计的结果相似，因此，定期进行计划火烧，能减少可燃物积累，降低森林可燃性，具有良好的防火功能，但在对林内枯枝落叶进行计划烧除时，必须有效地控制火强度。周期性的低强度火烧有利于更好的调控云南松纯林内的地表可燃物，降低载量，减轻防火压力。云南松纯林的计划烧除周期应该控制在3年左右，使载量维持在一个较低值，避免水土流失，岩石裸露，灌木死亡等。

未来的计划烧除应加强连续定位观测，加强烟气释放研究，包括燃烧效率、烟气含量、成分、烟气释放、消散规律等，最大程度降低计划烧除过程中烟气的不良影响。有必要深入研究计划烧除的周期，尽可能节约资金和人力，降低计划烧除对土壤、植被等的负面影响。特别是火对土壤微生物的影响，是一个长期过程，更需要进行连续的定位研究，以发现潜在的影响规律[21]。即使是低强度的云南松纯林的计划烧除，在烧除过程中的火行为也非常复杂，燃烧过程存在时效性，火行为参数也不尽相同。如火焰，始终是一个动态变化的过程，如何更精确描述，值得探讨。另外，可尝试高科技的应用，如无人机摄影、摄像技术、热电偶技术等，建立模型。

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