兴安落叶松人工林腐殖质阴燃燃烧温度变化特征

尹赛男,杜 帅,单延龙,*,高 博,王明霞,韩喜越,张 昊

1 北华大学林学院,北华大学森林草原防灭火科技创新中心,吉林 132013 2 长春市安全生产应急指挥及安全监管信息中心,长春 130022

森林地下火是发生在腐殖质和泥炭层的一种森林火灾,它的燃烧是一种阴燃现象。阴燃燃烧与其他形式的森林燃烧有所不同,其受外界条件影响较小,一旦发生,无论是大量降雨、天气变化还是灭火措施,都很难遏制,这就意味着阴燃燃烧可能会持续很长一段时间(数月或数年)[1]。中国1976年在绥化地区发生的森林地下火燃烧了长达6个月的时间[2]；1997年东南亚的极端泥炭火灾事件期间释放了0.81—2.57亿t碳,相当于当年全球化石燃料碳排放量的13%—40%[3]；2009年发生在西班牙戴米尔国家公园的地下火燃烧了几个星期[4]；2010年7月,俄罗斯爆发了大规模的地下火,直接经济损失逾150亿美元[5]。由此可见,森林地下火对人类的健康和生态环境造成了重大的影响和危害。由于森林地下火的发生次数仅占森林火灾总次数的1%左右,而且地下火的火行为与地表火和树冠火有所不同,其燃烧方式隐蔽无法进行直接地跟踪观测,很难进行量化计算与模型的建立[6]。所以目前对地下火的研究要显得比较薄弱。国内外学者对地下火的研究多集中在泥炭地燃烧的碳释放、对地下水位的影响、火环境以及燃烧特征等方面的研究[7- 12]。

森林地下火是一种缓慢、无焰、低温、持久的阴燃燃烧,整个燃烧过程都是靠自身所释放的热量所维持[13-14]。同时由于地下可燃物自身性质的影响,导致火线呈现出间断不规则的燃烧路线,火灾扑救时很难预测着火点和火线走势[15- 17]。所以地下火发生时产生的温度是研究其火行为特征的重要指标,更是森林地下火监测和扑救过程中的重要依据。而在现有的研究中以森林腐殖质为研究对象以及对阴燃燃烧温度变化特征的研究则相对较少。大兴安岭地区是我国地下火频发区域之一,本研究以大兴安岭兴安落叶松人工林地下腐殖质为研究对象,通过室内控制点烧实验,更加系统地对比分析不同地类和腐殖质粒径对阴燃燃烧最高温度的影响以及确定地表温度变化与燃烧时间的关系。相关研究成果旨在为该地区森林地下火监测扑救过程提供科学有效的理论依据,从而最大限度地实现森林地下火的“打早、打小、打了”扑火原则。

1 研究区概况

大兴安岭位于我国最北端,是我国唯一的寒温带针叶林区,也是我国面积最大的林区。同时作为国家重要的生态功能区与生态敏感区,对我国东北平原乃至华北平原起着重要的生态屏障作用,具有特殊的生态地位[18- 20]。由于地理位置因素和气象因素影响,大兴安岭是我国北方林火多发区,年均森林过火面积居全国首位[21-22]。而且随着全球气温的不断升高,导致北方林区气候偏旱,林地地温偏高,森林地下火的发生有增长的趋势[10]。

本研究区域为大兴安岭地区加格达奇森林经营技术推广站(123°57′—124°0′E,50°20′—50°23′N)(图1)。加格达奇位于黑龙江省西北部,地处大兴安岭山脉东南坡属于大陆性季风气候,四季分明,气候多变,一年四季和昼夜温差较大。年平均气温-1—2℃,年有效积温1800—2000℃,无霜期90—120 d,年降雨量为450—500 mm。技术推广站始建于1973年,位于加格达奇区以南15 km处,北部和西部与加格达奇林业局的东风林场相接,全站施业区经营面积7326 hm2。主要树种为兴安落叶松(Larixgmelinii)、柞树(Quercusmongolica)、白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Populusdavidiana)、黑桦(Betuladavurica)等[12,23]。

图1 实验样地Fig.1 Experimental plots

2 研究材料与方法

2.1 野外调查

于2018年春季防火期前往大兴安岭地区加格达奇进行野外调查。选择该地区在不同地类下人工种植的兴安落叶松林为实验样地,具体包括：有坡山地、塔头甸子(塔头甸子与林地的过渡地带)、水湿地、无坡山地、农用地。在每个地类下随机选取3块30 m×20 m的实验样地,挖掘土壤剖面测量腐殖质厚度,并记录样地的基本情况,包括：海拔、经纬度、郁闭度等信息(表1)。

表1 样地基本信息

2.2 可燃物采集与处理

在每块样地的对角线处分别选取3块0.5 m×0.5 m的小样方。去掉小样方表层的枯枝落叶,然后挖掘整个小样方内的所有腐殖质带回实验室。首先将腐殖质中残留的枯枝落叶和植物根系挑出,之后将腐殖质装入档案袋中,使用鼓风干燥箱105℃,连续烘干48 h。最后将烘干的腐殖质进行粉碎并使用标准检验筛在每个地类下分别筛选粒径≤20目、≤40目、≤60目、≤80目的腐殖质用于控制模拟点烧实验。在控制模拟点烧实验前为了减小实验误差将筛选好的腐殖质再次放置在鼓风干燥箱中,105℃连续烘干24 h,使腐殖质趋于绝干。

2.3 腐殖质阴燃实验

本文使用的室内模拟点烧实验装置为自行组装的地下火温度采集系统。采集系统示意图见图2。模拟点烧实验使用圆柱形阴燃反应炉,该装置高20 cm,底厚10 cm,壁厚10 cm,内直径10 cm。实验所使用阴燃反应炉的制作材料为硅酸铝陶瓷纤维,具有很好的保温隔热效果。使用长30 cm,直径 2 mm的K型热电偶采集腐殖质燃烧过程中的温度变化,然后通过数据采集模块将采集的数据传输到笔记本电脑。数据采集模块由美国NI公司生产的16通道NI9213电压采集板卡和DAQ- 9174机箱(4卡槽)组成。数据采集软件使用Labview2018,该软件可以记录每根热电偶采集到的温度变化曲线。使用远红外加热板作为实验的引燃装置,并在加热板和电源之间连接控温表使加热板的温度恒定。

图2 地下火温度采集系统Fig.2 Underground fire temperature acquisition system

将不同地类下不同粒径的腐殖质分别置于阴燃反应炉中,在阴燃反应炉的侧面自上而下每隔3 cm共打6个小孔。将K型热电偶插入小孔直至腐殖质中间处。使用补偿导线连接热电偶和数据采集模块,最后将腐殖质燃烧过程中的温度变化数据传输回笔记本电脑,数据采集频率为10 s一次。远红外加热板在使用前先预热1 h之后放置在阴燃反应炉上对腐殖质进行加热,加热时间为1.5 h,加热温度为500℃。同时为保证空气的流通加热板与反应炉之间保留2 cm的空隙,并在加热板撤去后,在腐殖质层表面放置一根热电偶用来监测地表温度的变化。

2.4 数据处理

使用excel对数据进行初步统计整理。使用SPSS进行双因素方差分析,显著水平0.05,多重比较方法为LSD。使用origin软件完成拟合方程并绘制箱式图,其中箱式图的箱体为所有数据的20%—80%,箱体内的横线表示均值,上下延长线表示数据的最大值和最小值。

3 结果与分析

3.1 不同地类和腐殖质粒径对阴燃燃烧最高温度影响的对比分析

在实验过程中我们发现,不同地类的腐殖质阴燃燃烧温度变化都是先升高,达到最高温度之后下降。而且不同地类和粒径的腐殖质燃烧产生的最高温度有所不同,所以本文对不同地类和腐殖质粒径对阴燃产生的最高温度的影响进行双因素方差分析。

表2可知,不同地类的腐殖质阴燃燃烧产生的最高温度之间存在极其显著差异(P=0.000<0.01),而不同腐殖质粒径阴燃燃烧的最高点温度之间则不存在差异(P=0.238>0.05)。不同地类和腐殖质粒径二者之间的交互作用也存在显著差异(P=0.046<0.05),因此应该对两种条件进一步进行简单效应分析。

表2 不同地类和腐殖质粒径对阴燃燃烧最高点温度影响的方差检验

由表3可知,4种腐殖质粒径条件下,不同地类之间阴燃燃烧产生的最高温度皆存在差异。其中当腐殖质粒径≤20目时,不同地类阴燃燃烧产生的最高温度之间存在显著差异(P=0.025<0.05)。其他3种腐殖质粒径下不同地类阴燃燃烧产生的最高温度之间都存在极其显著差异(P=0.000<0.01)。

表3 不同腐殖质粒径下不同地类阴燃燃烧最高点温度的简单效应分析

由图3可知,腐殖质粒径≤20目时,塔头甸子腐殖质燃烧的温度最高,燃烧的最高温度可达741.19℃,均值631.57℃;其次是有坡山地、农用地、水湿地,燃烧最高温度的均值为567.96℃、542.79℃、528.93℃,且4种地类腐殖质燃烧最高温度之间不存在差异;无坡山地的腐殖质燃烧温度最低,最低温度仅为423.12℃,均值为458.64℃,与塔头甸子和坡地的腐殖质燃烧温度之间存在显著差异。腐殖质粒径≤40目时,塔头甸子腐殖质燃烧的温度同样是最高,最高温度为897.53℃,是所有地类的腐殖质燃烧温度最高的,均值为686.51℃,与其他4种地类之都存在显著差异;其次是水湿地腐殖质燃烧最高温度的均值为530.65℃,与无坡山地腐殖质燃烧的温度之间存在显著差异;农用地、有坡山地、无坡山地腐殖质燃烧的温度较低,均值分别为480.01、461.61、369.13℃,且这3种地类之间不存在显著差异。

图3 不同腐殖质粒径下不同地类阴燃燃烧最高温度的多重比较Fig.3 Multiple comparisons of the maximum temperature of smoldering combustion in different land classifications under different humus particle sizes图上存在任意一个相同的字母表示差异不显著(P<0.05)

腐殖质粒径≤60目时塔头甸子的腐殖质燃烧温度最高为650.71℃,与其他4种地类之间也存在显著差异;其次是水湿地腐殖质燃烧时的最高温度均值为546.48℃,与有坡山地和无坡山地之间存在显著差异;农用地、无坡山地、有坡山地的腐殖质燃烧温度较低,且3者之间不存在显著差异。腐殖质粒径≤80目时塔头甸子的腐殖质燃烧最高温度均值为650.19℃,与农用地和有坡山地之间存在显著差异;其次是水湿地和无坡山地,腐殖质燃烧的最高温度均值分别为587.41、539.24℃,二者之间不存在显著差异,但是皆与有坡山地之间存在显著差异;农用地和有坡山地腐殖质燃烧温度较低,分别为481.19、420.94℃,且二者之间不存在显著差异。

3.2 腐殖质阴燃燃烧地表温度变化特征

3.2.1不同地类下地下火燃烧地表最高温度

由表4可知,塔头甸子的腐殖质燃烧地表最高温度除粒径≤60目以外都是最高的;其中腐殖质≤40地表温度最高,为618.83℃;其次是粒径≤80目地表温度为615.78℃,粒径≤20目的地表温度为545.56℃;粒径≤60目时地表温度最低,为450.13℃。有坡山地条件下也是腐殖质粒径≤40目时地表温度最高,为529.87℃;其次是腐殖质粒径≤20目时地表最高温度为471.86℃;腐殖质粒径≤60目时地表温度最低,为416.37℃。无坡山地和农用地条件下腐殖质燃烧地表的最高温度都随着粒径的增加而升高,腐殖质粒径≤80目时温度最高分别为544.61℃、585.76℃;粒径≤20目温度最低,分别为485.13℃、511.82℃。水湿地条件下则是腐殖质粒径≤80目时地表温度最高,为573.50℃;粒径≤40目时地表温度,最低为511.55℃。

表4 不同地类下不同粒径腐殖质阴燃燃烧地表最高温度

3.2.2不同地类下地下火燃烧地表温度与时间的关系

基于y=a×xb方程分析5种地类的不同粒径腐殖质燃烧地表温度与时间的关系。从表5可以看出各个条件下拟合的方程R2介于0.97—0.99之间,显著性都小于0.01,说明地表温度与时间之间的关系符合y=a×xb方程的变化趋势,且拟合效果极好。且b值都要小于0,说明腐殖质燃烧的地表温度随燃烧时间的增加而逐渐降低。

表5 不同地类下不同粒径腐殖质阴燃燃烧地表温度与时间的关系

4 讨论

4.1 腐殖质阴燃燃烧温度研究的重要性

林火行为是指森林可燃物从被点燃开始到发生发展直至熄灭的整个过程中所表现出的各种现象和特征[24]。森林地表火和树冠火发生时整个燃烧过程人们可以通过肉眼或借助无人机、卫星遥感等手段进行观测,这两种林火类型也一直是国内外学者研究的重点,经过多年的研究针对于这两种林火的预防、监测和扑救方法和技术要比地下火成熟[17]。对于地下火来说,由于其隐蔽性极强且发生时多伴随着地表火发生,所以在扑救过程中极易被忽略,而当地下火蔓延到地缝或者腐殖质较薄的地区就会转变为地表火或是树冠火。在这种情况下引起的林火随机性很强,时间和地点等都很难预测,稍有不慎就有可能发展成重特大森林火灾。森林地下火与地表火和树冠火不同,地下火发生时没有火焰[25],所以很难对其火强度、蔓延速度等火行为指标进行研究。但是任何物质的燃烧都会释放热量,森林地下火也是如此,所以地下火燃烧所产生的温度是开展地下火相关研究的基础。本文通过室内控制点烧实验,对大兴安岭地区不同地类下种植的人工兴安落叶松林腐殖质阴燃燃烧产生的温度变化特征进行了分析。研究过程中腐殖质阴燃燃烧的特点和温度变化趋势与Huang和辛颖等人研究结果基本相符[26-27],而且本研究所选取的实验样地和可燃物具有代表性,研究结果具有较高的实用性。

4.2 腐殖质阴燃燃烧温度特征

可燃物是森林燃烧的物质基础,是燃烧三要素之一,可燃物的空间分布、大小、形状等特征影响着林火的发生及发展。通过简单效应分析发现,不同腐殖质粒径下不同地类的腐殖质阴燃燃烧温度之间存在显著差异。何诚[28]、李世友[29]等学者在相关研究中也指出不同类型的可燃物所表现的阴燃燃烧特征也是不同的,这与本研究的结果基本一致。在5种地类中塔头甸子在任何一种腐殖质粒径下阴燃燃烧温度都是最高的,最高温度可达897.53℃。辛颖[26]、Valeria[1]、Restuccia[30]等学者进行的相关研究中,阴燃燃烧的最高温度为600℃左右,而本研究进行腐殖质阴燃燃烧实验时产生的最高温度要远高于600℃,表明腐殖质燃烧时所释放的热量还有很大的上升空间。这样高的燃烧温度对植物的根系损伤很大,可直接导致植物死亡,从而造成树木的大面积倒伏,同时对土壤结构和地下水位也有一定的影响。这是由于塔头甸子是由沼泽地上生长着以苔草为主的草本沼泽植物而形成的。由于沼泽地的通透性差,导致有机质不易分解,地下存在大量的草根[31]。胡海清[32]和洪娇娇[33]等人在相关研究中提出可燃物的有机质含量对林火强度存在一定的影响。而大兴安岭地区还分布着大面积在塔头甸子种植的兴安落叶松林[16],所以该地类是森林地下火的易发区和重灾区。

4.3 腐殖质阴燃燃烧地表温度在地下火监测和扑救中应用建议

由于地下火具有极强的隐蔽性,所以在扑救过程中存在着极大的困难和危险,目前挖掘防火沟是扑灭地下火最有效的方法,但是地下火火场边界很难界定,因此在扑救过程中会耗费大量的人力物力财力。并且具有经验的扑救人员讲,下雨天或下雪天最有利于地下火的监测和扑救,因为地下火的燃烧会引起地表雨水蒸发或积雪融化,极易被森林消防人员发现。所以地表温度可以作为监测地下火发生和确定火场边界的重要依据。根据对腐殖质阴燃燃烧地表温度变化监测可知,不同地类腐殖质燃烧的地表温度较高,最高温度可达618.83℃。如此高的地表温度极有可能会给扑救人员带来损伤,所以在扑救过程中非必要情况不要进入火场,可以先大量浇水来降低地表温度,进入火场后也要注意脚部和腿部的防护。腐殖质燃烧地表温度随时间的增加而降低。这是由于森林地下火刚发生时,着火点距离地表较近,导致地表温度较高。但是随着燃烧向下蔓延,深层腐殖质燃烧所释放的热量被上层的可燃物阻隔,地表的温度也在逐渐降低直至稳定。针对易发生地下火的地区,如塔头甸子和水湿地等地发生地表火时要提前挖掘防火沟,扑救时对腐殖质也应该进行浇水降温处置。一旦忽略地下火的发生,之后将很难监测,从而造成更大的森林资源损失。

5 结论

腐殖质粒径对阴燃燃烧最高温度的影响不存在显著差异,在相同腐殖质粒径条件下不同地类对阴燃燃烧最高温度存在影响。塔头甸子和水湿地的腐殖质阴燃燃烧温度较高,有坡山地、农用地、无坡山地的腐殖质阴燃燃烧温度相对较低。所有地类的腐殖质阴燃燃烧地表温度随时间的增加而降低,变化趋势符合y=a×xb方程。当燃烧时间为15—20 h时地表温度基本趋于平稳,并且当地表温度稳定时也要高于室温1—5℃。