腐殖质粒径和燃烧深度对兴安落叶松人工林地下火燃烧温度的影响

高 博,尹赛男,韩喜越,单延龙,张国将,于 渤,姜禹森,王明霞

北华大学林学院, 吉林 132013

地下火是发生在地表以下的一种低温、无焰、燃烧缓慢的阴燃现象,虽然发生次数较少,但是一旦发生将严重破坏生态系统和景观格局[1—2]。地下火燃烧不仅会损害植物根系,对植物造成致命伤害[3]；还会消耗土壤有机碳,破坏土壤结构,改变土壤成分,造成地面坍塌[4—6]；同时释放出大量有害性气体和颗粒物,严重污染大气环境[7—8]。在一定条件下,当地下火阴燃达到一定温度后,就可能会转变成明火,引发地表火甚至树冠火,对森林造成二次损伤,同时还严重威胁扑救人员的人身安全[9—10]。如何科学有效地防控这一危害严重的森林火灾一直困扰着森林防火工组人员。森林群落中土壤有机碳存在空间异质性[11],不同地下可燃物的燃烧特征也存在一定差异[12],再加上地下火自身极强的隐蔽性,扑火人员很难确定其燃烧情况,冒然进入火场具有极高的风险性。

目前,国外关于地下火的研究主要集中在泥炭火,对腐殖质层地下火的研究较少；而国内对地下火的研究仍处于探索阶段,相关研究多以单一可燃物为研究对象,对不同类型可燃物的研究鲜有报道[13—15]。Huang等[16]研究了泥炭火的垂直蔓延,发现阴燃蔓延受氧气含量的影响,氧气浓度越大蔓延速度越快；Palamba等[17]对巴布亚和南苏门答腊的泥炭样品进行了模拟点烧实验,发现两种样品燃烧温度约600℃,蔓延速度为4.50—4.75cm/h；Reardon等[18]发现含水率和矿物质含量对泥炭阴燃的持续燃烧存在影响,并基于Logistics方程建立了不同含水率和矿物质含量下阴燃持续燃烧概率的预测模型；何诚等[13]通过模拟点烧实验发现大兴安岭地区半分解层和腐殖质层的点着温度分别为405℃和525℃,阴燃最高温度可达690℃；者香[19]研究发现不同条件下泥炭的燃烧温度存在差异,峰值温度在510—720℃之间,峰值温度随泥炭粒径的增大而减小。尹赛男等[20]通过对腐殖质层的模拟点烧实验发现,地下火阴燃的最高温度与燃烧深度存在正向线性关系,并拟合了地下火燃烧深度与最高温度的线性方程。

地下火的阴燃与其他林火蔓延方式不同,既能水平方向蔓延,也能垂直方向蔓延[21],且阴燃本身是一个氧化还原反应过程,燃烧所释放的温度影响着阴燃的蔓延[22]。本研究以我国地下火频发区域之一的大兴安岭地区为研究对象,在前文地下火阴燃温度特征研究的基础上[23],考虑地下火水平蔓延的影响,进一步研究了兴安落叶松(Larixgmelinii)人工林地下火燃烧温度影响因素和温度预测,这将对该地区地下火的预防、监测、扑救以及保护一线扑火人员的生命安全具有重要意义,同时还能够为扑火装备的研发提供重要的数据支撑。

1 研究区概况

大兴安岭林区是我国保存较完好、面积最大的原始森林,全长1400多km,均宽约200 km,海拔1100—1400 m,总面积32.72万 km2,其中黑龙江省境内8.48万 km2。本研究区域位于加格达奇森林经营技术推广站(123°45′—124°26′E,50°09′—50°35′N),该地区属于寒温带大陆性季风气候,冬季漫长高寒,夏季短暂温凉,春秋分明少雨,多高火险天气,年平均气温-2.6℃,最低温度-52.3℃,年降水量450—500mm,全年无霜期80—110d[24]。植被以山地寒温带针叶林为主,主要树种包括兴安落叶松(Larixgmelinii)、白桦(Betulaplatyphylla)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、山杨(Populusdavidiana)、红皮云杉(Piceakoraiensis)等[25],其中兴安落叶松为该地区主要优势建群种[26]。

2 材料与方法

2.1 实验样品的采集与处理

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,在该地区5种地类下分别选取3块30m×20m兴安落叶松人工林作为实验样地,并记录样地的基本信息(表1)。采用尹赛男[27]的研究方法采集腐殖质带回实验室,并进行预处理。实验前对腐殖质进行烘干处理,烘干温度为105℃,烘干时间为48h。本研究将烘干后的腐殖质通过中药粉碎机进行粉碎处理后过筛。在每种地类下分别设置了4个粒径(≤20目、≤40目、≤60目、≤80目),然后进行模拟点烧实验。

表1 样地基本信息

2.2 森林地下火模拟点烧实验

本实验使用尹赛男[27]硕士论文中自行组装的地下火温度采集系统(图1)。该系统包括阴燃反应炉、K型热电偶、数据采集模块、笔记本电脑、远红外加热板、补偿导线等。

图1 模拟燃烧实验装置Fig.1 Experimental apparatus for simulated combustion

2.3 数据处理与分析

使用Excel软件整理地下火阴燃温度变化数据,为减少远红外加热板对实验结果的影响,水平方向的数据从第3根热电偶开始记录,垂直方向自上向下记为垂直蔓延深度(下文记作深度),水平方向上从左至右记为水平蔓延距离(下文记作距离)；使用SPSS软件进行方差分析和逐步回归分析；使用Origin软件绘制箱式图,其中箱体为数据的25—75%,上下延长线为数据的最大值和最小值,箱体上存在任意一个相同的字母说明二者之间差异不显著。

3 结果与分析

3.1 不同地类的不同粒径腐殖质和深度对地下火燃烧最高温度的影响

根据方差分析结果可知,不同地类条件下不同粒径腐殖质和深度的地下火燃烧最高温度之间均存在极显著差异(P<0.01)；其中塔头甸子条件下二者之间交互作用存在极显著差异(P<0.01),需进行简单效应分析,而其他4种地类条件下二者之间交互作用则差异不显著(P>0.05)。通过简单效应分析可知,塔头甸子的不同粒径腐殖质条件下不同深度的燃烧最高温度之间均存在显著差异(P<0.05),但是在不同深度条件下不同粒径腐殖质之间无显著差异(P>0.05)。

由图2可知,有坡山地腐殖质粒径≤80目时燃烧的温度最高(492.45℃),与粒径≤20目(463.33℃)和≤60目(446.27℃)之间不存在差异；粒径≤40目的温度最低(427.74℃),与其它3种粒径之间都存在差异。无坡山地条件下的腐殖质粒径≤80目时燃烧的温度最高(401.15℃),与其它几种粒径之间都存在显著差异；其次是粒径≤20目时(332.01℃),与≤40目之间存在显著差异；粒径≤40目燃烧温度最低(272.46℃)。农用地在腐殖质粒径≤20目时燃烧温度最高(415.18℃),与粒径≤40目(411.40℃)和≤80目(385.52℃)之间无差异；粒径≤60目燃烧温度较低(345.47℃)。水湿地腐殖质粒径≤80目时燃烧温度最高(524.25℃)与粒径≤40目(475.07℃)之间不存在差异；粒径≤20目燃烧温度最低(374.22℃),且与其它3种粒径之间都存在显著差异。

图2 不同腐殖质粒径对地下火燃烧最高温度影响的多重比较Fig.2 Multiple comparison of the effects of different humus particle sizes on the maximum combustion temperature of underground firea、b、c、d不同字母间表示相关显著(P<0.05)

由图3可知,4种地类条件下均为深度12cm处的燃烧温度最高(有坡山地544.28℃；无坡山地403.50℃；农用地462.27℃；水湿地548.84℃),与其他3个深度之间存在显著差异,其次深度9cm时的燃烧温度与3cm和6cm时的燃烧温度之间存在显著差异；深度6cm和3cm时燃烧温度较低,且二者之间不存在显著差异。

由图4可知,塔头甸子的所有粒径腐殖质都是在深度12cm时燃烧温度最高,其中当粒径≤80目时温度最高,均值为745.63℃,并且与其它3个深度之间都存在显著差异；其次深度9cm时的燃烧温度与3cm和6cm时的燃烧温度之间存在显著差异；深度3cm和6cm时的燃烧温度较低,而且二者之间不存在差异。

图3 不同深度对地下火燃烧最高温度影响的多重比较Fig.3 Multiple comparison of the effects of different depths on the maximum combustion temperature of underground fire

图4 不同深度对塔头甸子不同腐殖质粒径地下火燃烧最高温度影响的多重比较Fig.4 Multiple comparison of the effects of different depths on the maximum combustion temperature of underground fire of different humus particle sizes in Tatuodianzi

3.2 不同燃烧深度的不同粒径腐殖质和地类对地下火燃烧最高温度的影响

根据方差分析可知,不同深度下不同粒径腐殖质、地类以及二者的交互作用对地下火燃烧最高温度的影响都存在显著差异(P<0.05)。根据简单效应分析可知,在不同粒径腐殖质条件下,不同地类对地下火燃烧温度的影响均存在极显著差异(P<0.01)；而在不同地类条件下,不同腐殖质粒径之间未见差异(P>0.05)。

由图5可知,当燃烧深度3cm腐殖质粒径≤20目时,塔头甸子的燃烧温度最高(470.24℃),与水湿地、农用地、无坡山地之间存在显著差异；其次是有坡山地(406.13℃),无坡山地最低(287.90℃)。粒径≤40目时,塔头甸子(479.81℃)与其它3种地类之间存在显著差异,其次是水湿地(399.14℃)；无坡山地的燃烧温度最低(208.18℃)。粒径≤60目和≤80目都是塔头甸子、有坡山地、水湿地的燃烧温度较高并且之间不存在显著差异；农用地和无坡山地的燃烧温度较低。

图5 不同腐殖质粒径下不同地类对地下火燃烧最高温度影响的多重比较(3cm)Fig.5 Multiple comparison of the effects of different land classifications on the maximum combustion temperature of underground fire under different humus particle sizes(3cm)

由图6可知,深度6cm腐殖质粒径≤20目时,塔头甸子的腐殖质燃烧温度最高(480.14℃),与其它4种地类之间均存在显著差异；其次是有坡山地(397.72℃)和农用地(388.09℃)；无坡山地的燃烧温度较低(301.11℃)。粒径≤40目时,塔头甸子的腐殖质燃烧温度最高(512.34℃),与其它4种地类之间存在显著差异；其次是水湿地(434.03℃)、有坡山地(377.46℃)、农用地(377.03℃)；无坡山地燃烧温度较低(230.79℃)。粒径≤60目时,塔头甸子(486.88℃)、有坡山地(430.15℃)、水湿地(410.77℃)的燃烧温度较高；农用地(318.87℃)和无坡山地(256.19℃)的燃烧温度较低。粒径≤80目时,塔头甸子的燃烧温度最高(521.83℃),与其它4种地类之间存在显著差异；其次是有坡山地(452.20℃)和水湿地(448.21℃)；无坡山地(358.76℃)和农用地(357.32℃)的温度较低。

由图7可知,深度9cm时,无论哪种粒径下塔头甸子燃烧温度都是最高的,并且与其它4种地类之间都存在显著差异。粒径≤20目时,有坡山地的燃烧温度(491.62℃)仅次于塔头甸子,与其他3种地类存在显著差异；水湿地(398.58℃)和无坡山地(350.17℃)的燃烧温度较低。粒径≤40目时,水湿地(494.67℃)、有坡山地(464.91℃)、农用地(438.35℃)的燃烧温度之间不存在显著。腐殖质粒径≤60目和≤80目时有坡山地和水湿地的腐殖质燃烧温度相近,并二者之间不存在显著差异,且都与农用地和无坡山地之间存在显著差异。

图6 不同腐殖质粒径下不同地类对地下火燃烧最高温度影响的多重比较(6cm)Fig.6 Multiple comparison of the effects of different land classifications on the maximum combustion temperature of underground fire under different humus particle sizes(6cm)

由图8可知,深度12cm腐殖质粒径≤20目时,塔头甸子(625.75℃)的燃烧温度最高,并且与其它4种地类之间存在显著差异；其次是有坡山地(557.85℃),并且与农用地、水湿地和无坡山地之间存在显著差异；无坡山地的燃烧温度最低(388.87℃)。粒径≤40目时,塔头甸子的燃烧温度最高(722.42℃),与其他4种地类之间存在显著差异；水湿地(572.43℃)、有坡山地(545.90℃)、农用地(519.67℃)的燃烧温度之间不存在显著差异。粒径≤60目时,塔头甸子腐殖质燃烧的温度最高(634.27℃)；水湿地(500.20℃)和有坡山地(489.92℃)的燃烧温度之间不存在显著差异。腐殖质粒径≤80目时,塔头甸子(736.80℃)和水湿地(673.95℃)的燃烧温度之间不存在显著差异,但都与其它3种地类都存在显著差异,农用地的燃烧温度最低(467.39℃)。

图8 不同腐殖质粒径下不同地类对地下火燃烧最高温度影响的多重比较(12cm)Fig.8 Multiple comparison of the effects of different land classifications on the maximum combustion temperature of underground fire under different humus particle sizes(12cm)

3.3 不同地类地下火燃烧温度与粒径、燃烧深度及距离的关系

表2 不同地类下地下火燃烧温度预测模型

4 结论与讨论

地下火燃烧过程极为复杂,具有隐蔽性强、燃烧不连续、方向易变等特点[28],所以很难开展实地点烧实验进行研究,目前国内外对地下火的相关研究绝大多数都以室内模拟点烧实验为主[13,29—30]。地下火是森林中一种低温、无焰的阴燃现象[31—32],燃烧过程一般无明火,依靠自身释放的热量维持,所以燃烧温度是研究其火行为特征的重要参考和依据[22—23]。大兴安岭地区岭南的人工林生长量和蓄积要高于岭北地区[33],而且位于岭南的加格达奇地区还分布着大面积在湿地种植的人工兴安落叶松林[34],湿地土壤是地下火的易发生地区[6],所以本文通过室内控制模拟点烧实验的方法对加格达奇地区5种地类条件下兴安落叶松人工林腐殖质阴燃温度变化的影响因素和预测进行了研究,结果表明不同地类、腐殖质粒径以及深度都影响地下火燃烧所释放的温度,者香[19],尹赛男等[20],Huang等[35]也曾指出地下火燃烧的最高温度受可燃物粒径和燃烧深度的影响,这与本研究的结论相符。森林可燃物是林火发生和燃烧的物质基础,可燃物的形状、密度、大小等特征都对火行为产生影响[36]。本研究选择的不同地类条件下兴安落叶松林腐殖质在组成和结构等方面都不同,所以阴燃所产生的温度也有着明显的差异；腐殖质粒径直接影响可燃物中的氧气含量,而且氧气含量是影响阴燃的主要因素之一[35],不同粒径可燃物的燃烧特征也是阴燃的重要研究方向之一[37—38]；地下火的燃烧除了水平蔓延还会向地下蔓延[39],而不同深度地下火燃烧的氧气含量和热量损失不同,燃烧所释放的温度自然就存在差异。

通过研究发现不同地类条件下地下火燃烧过程中都是以腐殖质粒径≤80时温度最高,辛颖等[38]在相关研究中也指出粒径小的可燃物阴燃温度较高。这是由于小粒径的腐殖质燃烧释放的热量散失慢,同时随着粒径的减小增加了燃烧表面积,使燃烧过程更为剧烈,所以导致燃烧温度高[38]。不同深度的腐殖质燃烧过程中,近表层的燃烧温度较低,深层的燃烧温度较高,者香等[40]和尹赛男等[20]的研究也表明阴燃温度随着深度的增加而升高。本次实验所使用的阴燃炉上层不密封,所以近表层的腐殖质燃烧热量散失快,而深度的腐殖质由于上层可燃物覆盖热量散失慢所以燃烧温度高。5种地类中塔头甸子和水湿地的腐殖质燃烧温度要高于其他地类,尤其是塔头甸子。这两种地类属于湿地的一种,在同样气候类型下,地表有积水时微生物活性因氧气匮乏处于较低水平,有机残体分解缓慢,时间越长越有利于有机碳的积累[41],而且有机质富集的泥炭地或湿地土壤很容易发生地下火[6],所以导致这两种地类的腐殖质有机质含量高,地下火燃烧所释放的温度也高。

通过逐步回归法对不同地类的不同粒径腐殖质在不同深度和距离处的最高温度进行了预测,建立预测模型。其中深度、距离和粒径可作为有坡山地、水湿地和农用地条件下模型自变量,深度和腐殖质粒径可作为塔头甸子和无坡山地条件下模型自变量,模型各变量均通过了显著性检验(P<0.05)。受实验条件的限制,本研究仅对垂直与水平蔓延12cm内地下火燃烧最高温度进行了预测,而深层地下火的燃烧深度可达20—50cm[2],所以对腐殖质燃烧温度的预测研究还有研究空间。此外,腐殖质层的含水率、灰分含量与结构等均可影响地下可燃物的燃烧[18,37],所以作者接下来还会结合其他因素对地下火燃烧温度预测进行进一步研究。