云南松林的燃烧性研究综述

张 鑫，段顺美，王秋华，张文文，龙腾腾，王睿琛

(1. 西南林业大学 土木工程学院，云南省森林灾害预警与控制重点实验室，云南 昆明 650224；2. 昆明市科技型中小企业技术创新基金管理中心，云南 昆明 650106)

近十年来，我国生态文明建设工作以及森林防火工作有较大进展，据国家统计局(NBS)数据，我国森林火灾的发生次数、火场总面积、受害森林面积整体上呈现连年下降趋势。但由于森林火灾的不确定性，森林火灾发生后造成的直接经济损失、财产损失、人员伤亡等数量近十年呈现相反的趋势，有所上升。“木里森林火灾”“西昌森林火灾”等有很大的不确定性，其过火总面积高达3 067 hm2。西昌森林火灾直接经济损失9 731.12余万元，其人员损失、财产损失数量呈现小幅增长。西南林区是我国的火灾高风险地区，这些经济相对落后地区的灭火救援装备配置不高，导致消防部队灭火救援的效率低[1]。了解森林可燃物理化性质，发展现代灭火救援体系，掌握防火灭火理论并将之运用到实践变得尤为重要。

根据对近十年的西南地区森林火灾案例分析以及对火灾迹地的外业调查，火烧迹地的可燃物中活体植物受火灾影响最大，尤其是西南地区分布广泛的云南松(Pinusyunnaneneis)。掌握云南松的燃烧特性对林火形成、发生、蔓延、控制、扑救工作有前瞻性意义。目前国内对云南松燃烧性的研究主要有以下成果：一些学者对云南松燃烧时的蔓延速度进行了分析[2-5]；一些学者对云南松的燃烧热值以及分布做了系统性研究[6-9]；一些学者采用间接测量的方法对云南松的燃烧消耗量做了宏观度量[10-12]；一些学者对云南松的细小凋落物、腐朽枯死残留物的燃烧性进行了多方面研究[13-15]。基于模拟实验在室内进行，无法大规模在野外进行模拟点烧实验，实验的结果会与实际火灾发生时的火行为、火动向产生偏差。故室内模拟实验旨在减少实验误差，尽可能模拟出野外火行为以及火特征，同时在研究云南松的燃烧性时采用小面积野外点火计划烧除，从而对云南松的燃烧性进行全方位系统性的分析。

1 云南松概述

云南松是云贵高原上的特有树种，主要分布在我国的云南省以及周边省份，在云南、西藏东南部、四川、贵州、广西等地海拔600～3 100 m的地带，多组成单纯林，或与华山松(PinusarmandiiFranch)、云南油杉(KeteleeriaevelynianaMast)、尼泊尔桤木(Alnusnepalensis)及栎类等树种组成混交林，分布面积广，生长极其旺盛。云南松多生长在山体的上坡、中坡，其中向阳面的分布数量较大于阴面，松脂含量高，属于易燃树种并且燃烧剧烈。

西南地区森林火灾主要发生在海拔低于2 000 m的地区，占所有火灾面积的86%[16]。由于云南松的分布面积极其广泛，并且属于易燃树种，故发生森林火灾时其成为了最主要的过火载体之一。2019年3月30日，四川省凉山州木里县发生森林火灾，火灾燃烧主体为云南松林，火场过火面积约20 hm2。2020年3月30日，凉山州西昌市发生森林火灾，其燃烧主体也是云南松林，火灾过火面积约1 000 hm2。凉山州拥有云南松127.5万hm2，蓄积量为1.37亿m3，使该地区重特大森林火灾发生次数较多。云南松林区可燃物负荷量达10～70 t/hm2，平均约30 t/hm2。云南松林占云南省林分总面积的19.63%，森林总蓄积量的14.28%，属于半湿润常绿阔叶林被破坏后形成的次生性森林[17-18]。云南松抗瘠薄能力强、生长迅速，常作为先锋树种进行拓荒种植，20世纪80年代云南省营造了大面积云南松飞播林，现已郁闭成林。干湿分明的气候气象以及特殊的地理地形分布，导致云南松林在11月至次年4月的干旱期内林内空气相对湿度低、蒸发量大、风速达到峰值[19]，气候气象、地形因子的综合作用使得林内火险骤升，火灾风险极大。

2 云南松燃烧性研究的主要内容

可燃物是森林火灾的物质基础，也是火灾传播的主导因素，对森林火灾的形成、发生、发展、控制和扑救产生重要的影响[20-21]。可燃物燃烧性指可燃物在完全燃烧下表现出来的火行为蔓延特征，综合体现了其物理学和生态学特性[22]。森林燃烧过程是多样性的，不同的物理性质和化学组成会产生不同的燃烧结果[23]。云南松的燃烧受到多种因素的影响，包括海拔、气候气象因子、坡度、坡向、坡位等。现阶段的云南松燃烧性研究方法主要有野外样地直接燃烧法以及室内燃烧室模拟燃烧法。野外样地燃烧法由于危险性高、数据难以记录、损耗大、周期长而少有采用，现有研究主要采用室内模拟点烧实验法。通过对云南松可燃物理化性质的测定，对云南松燃烧性能进行标定、分级。

现有云南松林的燃烧性研究多为一维的燃烧性研究模型，本文将探讨由一维拓展到四维，即通过对云南松的点燃性、剧烈性、持续性以及损耗性来对燃烧性进行评价[24]，进而得出模拟燃烧的理化性质。实验测定的燃烧性参数及火行为指标包括引燃时间、火强度、热辐射、蔓延时间、火焰维持时间、火焰最高温度、无焰燃烧维持时间和温度等。

2.1 点燃性(Ignitibility)

点燃性指可燃物遇火被点燃的难易程度。对点燃性的认识也是研究火焰传播性质的基础。研究森林可燃物的点燃性为防火救火工作提供了理论上的支持，在火灾发展之前便能有效做出相应对策，为灭火救援争取时间。为了发展理论模型需要，首先预测可燃材料在火灾中的可燃性，其次确定材料在何种条件下被点燃，然后确定材料的哪些性质的改进可减小火灾危险性。即必须了解材料是如何被点燃的[25]。

云南松林的点燃性主要由室内模拟点烧得出，通过外业取样，对燃烧样本的相对湿度、含水率、点燃温度、引燃时间相应测定，进而了解其点燃性。Dibble等[26-28](2007)提出，用TSI评价可燃物的点燃性。许多模拟燃烧模型在研究可燃物的点燃性时都会应用相对湿度这一影响因素。可燃物的相对湿度直接影响了其点燃的难易程度，相对湿度也反映了可燃物所含的水分的高低。可燃物处于低含水率时相较于高含水率更容易点燃，所需要的点燃温度也较低。可燃物点燃温度越低，越易点燃，点燃性越好[29]。采用热重分析等方法，以可燃物初始分解温度标定其点燃性，模拟云南松样本处于野外的不同含水率时，以50 kW/m2的功率测出云南松不同构件的分解温度为152.4～383.6 ℃，点燃时间为(1.4 ± 0.32) s～(9.1 ± 0.13) s，综合评价其点燃性属于低(Low)水平[30-32]。

2.2 剧烈性(Combustibility)

剧烈性指可燃物在被点燃后的燃烧速度，有助于了解林火蔓延速度、火灾发展趋势和林火行为。了解可燃物的燃烧速度对于森林火险预报、火灾救援指挥、生态环境抢救等都有积极意义。通常可燃物的燃烧速度与温度、燃烧热值、挥发分含量等因素有关。现阶段森林可燃物的燃烧速度通常由室内模拟点烧实验以及热重分析实验等来测定。在进行燃烧速度测定时，热源温度不足、氧气供应不足等均可能发生阴燃或熄灭，燃烧速度相对较慢。燃烧速度由多种因素共同作用，将可燃物由高含水率转变成低含水率的阶段所需要的时间越少，受热后挥发分作用得越快，燃烧时可燃物释放出的能量越多，则可燃物的燃烧速度也相应越快。云南松的活体叶片实验中由氧指数测定仪模拟林火的高温环境，通过记录的试验前后叶片的质量、面积、叶脉长度，计算云南松针叶的绝对燃烧速率和相对燃烧速率[33]。

剧烈性也可以用PHRR 等参数来评价，即了解可燃物燃烧时的最高热释放速率。通常，树木在发生火灾过火时，细小枝叶以及树皮最容易燃烧，而粗壮枝干不容易燃烧。将云南松的树皮、树叶以一定标准风干粉碎后，使用热重分析法对碾磨样本的综纤维素平均失重速率进行测量，以此评价云南松的燃烧速度[34]。综纤维素的平均失重速率越快，热解产生的可燃气体就越多，燃烧就越剧烈。采用锥形量热仪对云南松完全燃烧时的最高热释放速率进行全面测量[35]，得其燃烧速度为0.26～0.33 m/min，其剧烈性为高水平，燃烧速度快。

2.3 持续性(Sustainability)

持续性指可燃物燃烧过程的时间或空间连续性，即可燃物燃烧时的持续情况。时间上的连续性即可燃物从点燃至维持燃烧直至燃尽到蔓延这一完整过程；空间上的连续性即可燃物着火时在水平或垂直方向上发生蔓延，由局部火源发展为地表火、树冠火。了解云南松燃烧的时间或者空间上的连续性可以间接了解发生森林火灾时林火的持续时间，林火蔓延趋势以及林火潜在的行为和火灾发展规律，对灭火救援方式以及消防设备供配有指导性作用。

现阶段对云南松燃烧时持续性采用的研究方法多为室内模拟点烧实验。对云南松的持续性做出研究时，通常以稳进地表火这种林火形式进行模拟，人为构造不同类型的地被层以及林下凋落物进行点烧，并用THR(总释放热量)评价其燃烧的持续性。通过在实验室模拟不同坡度不同起火点等相关因子，对云南松的地被层样本进行点烧，测量出地表凋落物干重燃烧热值、火焰持续时间、辐射强度等[36]。金森、高健等使用热重仪对云南松燃烧时的生物组分进行分析，以纤维素失重时间跨度为对象标定云南松燃烧时的持续性。燃烧时的持续性受到多种因素共同作用，例如地理、气象因子等。综合上述分析，云南松林燃烧的持续性为中水平，燃烧持续时间较长。

2.4 损耗性(Consumability)

损耗性指可燃物燃烧过程中质量的损耗情况，其本质为可燃物所含水分、有机物、木质素、纤维素等随着燃烧放能而挥发。云南松燃烧时的损耗性可以用灰分含量进行标定。灰分含量即可燃物完全燃烧挥发后剩余的固体残留物的百分数。灰分其本质为矿物质，灰分含量越低则证明可燃物燃烧的越彻底。灰分含量可以标定可燃物燃烧的剧烈程度，燃烧的持续时间以及燃烧热等一系列参数。在野外发生森林火灾时可燃物无法完全燃烧，受到温度、火强度、地被层密实度等因素的影响，灰分的测定会有偏差，故评价损耗性需要引入另外一种参数—烧损率。

烧损率是云南松室内点烧实验的又一项研究内容，通过测量被火烧掉部分可燃物的质量与可燃物总质量，评价可燃物的燃烧状况以及质量损失状况。通常，烧损率可做为云南松损耗性研究的另一个评价标准。室内模拟点烧实验对云南松林下地被层的烧损率以及灰分含量进行测定，测出云南松处于不同燃烧状态时其烧损率为40.09%～80.37%，灰分含量为0.97%～6.55%[37-38]。基于微商热重法测量出可燃物燃烧时的相关失重特性指标，对可燃物燃烧时的损耗性进行系统性的评价[39]，结论为云南松发生燃烧后烧损率较高，灰分含量很少，其损耗性为高(High)水平，燃烧较为完全。

3 云南松燃烧性研究的主要方法

3.1 热重分析法

热重(TG)分析法通过对可燃物微小分子热解过程的模型分析、数据处理，统筹分析归纳出森林可燃物的自身燃烧性质。对可燃物进行热重分析，能够迅速、精确地表示出固态物质在热解过程中的热稳定性和热行为，在对可燃物的热分析处理过程中被大量使用[40]。通过热重分析法得出的函数曲线，能够间接反映可燃物燃烧时的失重状况以及热解特性。

热重分析是森林可燃物失重率与温度之间的函数，通常将森林可燃物的热失重温度作为曲线横坐标。以热重分析法引伸出来的微商热重法(DTG)是将热重分析法得出来的热重曲线对时间或温度一阶微商的结果标为新的温度[41]，纵坐标为可燃物的质量变化率。两种函数曲线相互对应，可更清晰地反映出可燃物的失重状况。在国内，张宏宇等[42]基于热重法对昆明周边林区的阔叶树种叶片进行了热重分析，并且建立了一级反应方程；宋彦彦等[43]等对黑龙江帽儿山的一些典型森林可燃物的热解特性以及热解动力学进行研究，得到了木质素与纤维素在热解过程中与温度、失重速率的关系；王雷等[44]对呼和浩特市园林典型树种的热解动力学以及热稳定性进行了分析并得到了相关成分的失重曲线；于娟等[45]采用热重分析对常见生物质材料的热解动力学进行研究；张小芹等[46]使用热重法对一些典型干杂物的热解特性以及燃烧性进行分析。

3.2 锥形量热仪实验分析法

自 Babrauskas et al[47](1984)设计开发了锥形量热仪(简称CONE)后，国内外的各学科学者利用其对森林可燃物的燃烧性进行了多方面的研究。Dimitrakopoulos等使用锥形量热仪对地中海常见植物的点燃时间(TSI)进行了测定，并且采用判别分析法和聚类分析法综合评价各类当地植物的可燃性；White等将CONE的热辐射功率控制为 25 kW/m2和50 kW/m2，在不同的辐射功率下测定出了不同植物的燃烧特征，利用最大热释放速率(peak heat release rate，PHRR)和平均有效热含量(effective heat content，EHC) 对植物的燃烧性进行了评价；对4种常见针叶树—油松(Pinustabuliformis)、侧柏(Platyladusorientalis)、杉木(Canninghamialanceolata)、马尾松(Pinusmassniana)的活枝进行试验，对4种树木总释放热量、热释放速率、质量损失率进行了评估和比较[48-49]。

CONE能够模拟出更接近野外的燃烧环境和燃烧状态，可极大地提高室内模拟实验的准确性。高精度的测量数据和高速率的实验过程，使得实验结果可信度高、实验周期短。在对可燃物的燃烧放热量、温度失重曲线、热释放速率峰值、火发生指数等参数进行高精度测量时，该仪器可以发挥出重要作用。

3.3 室内模拟点烧法

室内模拟点烧法通常经过外业取样、样本准备、模拟点烧、数据分析这几个步骤，人为构造可燃物床进行森林可燃物的燃烧性研究[50-51]。外业取样时在不同地块不同位置采集云南松的林下凋落物、地被下层腐朽颗粒物、活枯枝叶、茎干等；样本准备阶段一般将采集的样品做自然风干或机械烘干处理，对于不同的实验将样品进行切段或粉碎，人为控制、测定样本的含水率、载量等；在模拟点烧阶段对云南松的绝对含水率、熄灭含水率、挥发分含量、燃烧热值、灰分、热辐射强度、点燃温度、着火时间、发烟量、烟气温度等进行测定[52-54]，并通过多次实验减少实验误差；最后，归纳对比实验数据，分析研究成果的准确性与合理性。

3.4 野外点火计划烧除法

野外计划烧除作为控制森林可燃物载量、人为预防森林火灾发生的一项林火防治措施，现阶段已经较为成熟[55]。云南松林计划烧除的大面积推广应用，为云南松林科学防火，减少可燃物载量做出了贡献。选择合理的周期，合理的时间、地点进行计划烧除，能够有效地降低森林火险，并且为林下产业、林下生态做出贡献。计划烧除的主体为云南松的林下凋落物，即云南松枯枝、针叶、球果、树皮等。未及时分解的凋落物是发生地表火时燃烧的主体，计划烧除将这部分危险易燃物以下坡火的形式缓慢燃烧，控制其放能速率，使燃烧释放出的能量不致伤害到树干，且燃烧后的灰分可为林分提供大量养分。

云南松林野外点火计划烧除，对云南松的燃烧性相关研究有极大促进作用，对探究云南松林的林火蔓延速度、初始蔓延速度、火强度、火焰高度、碳化高度、可燃物含水量、可燃物消耗量、火烧技术以及林分状况、气象条件等多项指标有精确结果[56]。在对云南松进行计划烧除时，要对烧除区的火行为和火动向进行预先评价，对树木的近地冠幅、树枝树杈等做出修剪处理，防止地表火蔓延为树冠火等不利火行为。烧除区与未烧除区之间要构建可靠的防火隔离带，防止计划烧除的地表火发生蔓延或形成飞火[57]。

4 研究展望

云南松是一种燃烧性较高的树种，在发生森林火灾时容易着火且易发生蔓延[58]。现有云南松林多为单纯林，或与栎类、桤木、阔叶树种以及其它针叶树种组成混交林，其中云南松—灌木、云南松—落叶栎类、云南松—其它针叶树种混交林的火险等级较高。在对云南松林的火灾风险进行评估时，应对以上混交林的林内可燃物载量进行判断，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较强，大多分布在山体的中上部位以及向阳面，对干旱的环境已经有了适应性。不同的过火类型对云南松所造成的危害也大不相同。由于特殊的构造，云南松对地表火有一定的抵抗能力，地表火很难对其造成致命伤害。但如果发生树冠火，云南松基本没有抵御的能力，植株存活的几率极低，最终会使云南松林大面积受损。林火对云南松的自然更新以及种内分化有一定的促进作用。在发生树冠火时，林冠中宿存的球果可有效地保护种子，球果的鳞片能够抵御一定的高温。未来云南松林燃烧性的研究将向可燃物燃烧多维模拟和多指标定量评估的方向发展，例如将一维的燃烧性研究拓展为四维的研究，探讨云南松在垂直方向的燃烧连续性，发生树冠火的水平连续性，量化可燃物载量、火灾蔓延速度、灾后森林生态恢复以及林火对森林种内分化的影响等。