中蒙边境林草交错区沟塘草甸可燃物无风条件下燃烧火行为模拟

班擎宇，杨 辉，张 恒

（内蒙古农业大学 林学院，内蒙古 呼和浩特 010019）

森林火灾是一种突发性强、破坏性大、处置救助较为困难的自然灾害。随着全球气温的不断升高，森林火灾发生次数、过火面积以及破坏程度都呈现出上升的趋势[1]，其中森林边缘与草原接壤地区由于含有大量枯死草本植物，火灾危险性最大[2]。这些地表可燃物具有体积小、着火点较低、数量较多、质量轻、含水率较低等特点，易于点燃，是传播火的重要途径[3-4]。沟塘草甸火行为是指森林草原交错区可燃物在点燃后所产生的火焰、火蔓延及其发展过程，是全球陆地生态系统中最重要的自然干扰过程之一[5]。草本植物等可燃物作为沟塘草甸火的载体，其含水率和载量等对火灾蔓延速率、火强度以及辐射热等火行为指标具有重要影响[6]。

国内外学者使用不同的试验设计和分析方法对森林和草原火行为进行了相关研究。Yospin等[7]通过分类法和回归树法得出高原草原和橡树稀树草原的树冠覆盖率降到57%以下，单位面积的地表火灾热量降低了一个数量级。郭平等[8]采用室内与野外点烧试验相结合的方式研究草地可燃物床特性与草地火行为的关系，表明可燃物量、可燃物床体积密度、可燃物床孔隙度、可燃物空间配置和坡度对火行为都有一定影响。曹萌等[9]对妙峰山林场油松和栓皮栎枯叶地表火行为进行研究，得出风速和坡度是影响蔓延速率等3个火行为指标的主要因素，但风速的影响更加显著。辛喆等[10]利用FDS建立了草原火灾模型，对不同温度、地形及可燃物含水率条件下的草原火行为进行模拟研究，得出不同影响因子下草原火蔓延速度的变化规律。Rodrigues等[11]通过对比不同火灾频率下的火灾变量（火灾强度、温度、火焰高度、传播速率、燃料负荷、裸露土壤百分比、死燃料覆盖率和环境变量），得出燃料负荷分布与露天稀树草原中的燃料数量共同影响火灾行为，每个群落结构组成部分覆盖的土壤百分比会影响火灾温度和停留时间，进而影响火灾的严重程度。Frandsen[12]建立了森林草原地下火阴燃蔓延概率与可燃物中无机物含量、可燃物含水率和可燃物密度的三因素模型。Bradstock等[13]对野外草丛进行点烧试验发现，火焰高度与草丛高度和草本直径呈正相关。目前大量研究聚焦于可燃物对火灾燃烧程度的影响因素上，而对可燃物的热辐射、阴燃热辐射等导致交错区复燃的因素研究较少，而这一点对森林防火期至关重要。

以中蒙边境阿尔山地区沟塘草甸草本植物羊草为研究对象，为了控制变量，不考虑风速和坡度的影响，仅模拟测定平地无风条件下羊草可燃物燃烧火行为，探究羊草的理化性质、蔓延速率、火焰高度和辐射热等重要参数的波动变化及其相关性，为沟塘草甸火灾的预防和扑救提供理论指导。

1 研究地区和研究方法

1.1 研究区域概况

本研究选择内蒙古大兴安岭阿尔山地区进行取样模拟，该地区位于内蒙古自治区兴安盟的西北部。大兴安岭是我国主要木材生产基地，内蒙古大兴安岭林区总经营面积为980.99×104hm2；活立木总蓄积为897.151 1×106m3；森林覆盖率为78.97%；总盖度达70%～90%；平均海拔1 200 m[14]。地理坐标为46°39′～47°39′N，119°28′～121°23′E。阿尔山属温带大陆性季风气候，地处寒温带，多年平均气温-2.3℃，气温日差较大,多年平均降水量为441.3 mm，无霜期短，约90 d。阿尔山内草甸为草原化草甸，以旱中生植物为主，土壤为草甸黑土。大兴安岭广泛分布的羊草-杂类草草甸，草群茂密，林木相连，属于我国森林火灾高发地区，火源管理难度大，极易发生火灾[15]。

1.2 研究方法

1.2.1 外业调查

样品采集于2018年秋季防火期，在阿尔山地区沟塘草甸羊草分布密集地区布置6块10 m×10 m样地。调查主要采用收获法，在样地四角及样地内对角线交叉点设置5块1 m×1 m等面积的样方。用收获法收集每个小样方的羊草Leymuschinensis(Trin.) Tzvel及根部，使用电子天平称质量记录鲜质量，记载日期、标准地号、可燃物种类和质量等数据，并装进档案袋带回实验室，对其进行火行为模拟与测定。

1.3 燃烧火行为试验

在燃烧实验室内设置铁质燃烧床（图2），燃烧床外长203 cm，内长200 cm，外宽127 cm，内宽120 cm，外高34 cm，内高32 cm，底部覆盖1层2 cm厚的石膏板，防止散热，将燃烧床置放于不通风的密闭房间内，模拟无风状态下的燃烧。将风干后的可燃物均匀铺在燃烧床上，尽可能地还原野外真实条件下沟塘草甸草本可燃物床层结构。本研究采用混合样品试验，将每个样地采集样品混合后进行点烧试验，共进行了6次室内模拟点烧试验，试验过程中无熄灭现象产生，6次试验均可持续燃烧。用点火器点燃，用秒表记录点着时间、火焰持续时间、阴燃时间和熄灭时间。利用点着时间和熄灭时间的差值计算草本植物在野外无风条件下的蔓延速度。用卷尺沿铺设区域的对角线分别测四角以及对角线交叉点的可燃物厚度，平均值为野外沟塘草甸的可燃物床层厚度。

图1 样地设置示意Fig.1 Plot layout

图2 自制燃烧床Fig.2 The self-made combustion bed

在可燃物燃烧水平中间位置的上方垂直分布着8个热电偶丝，距离分别为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1 m，每隔0.05 s测定一个温度数据，热电偶丝连接热电偶，热电偶通过数据线、数据收集卡与计算机连接，所测的温度数据保存在计算机上。用SL—309手持红外测温仪测量最大火焰高度时的温度，同时用卷钢尺测量最大火焰高度，在最大火焰高度处用SFR—III数字辐射热计记录热辐射。火焰熄灭后，继续用SL—309手持红外测温仪和SFR—III数字辐射热计测量阴燃温度和阴燃热辐射。待可燃物阴燃熄灭后，称灰分质量。

2 数据处理

2.1 可燃物性质测定

可燃物载量（W0，kg·m-2）和风干含水率（m，%）的计算公式为：

式中：M为可燃物的干质量，kg；S为样方面积，m2；M1为可燃物湿质量，kg。

2.2 消耗量和烧损率

消耗量（有效可燃物载量W，kg/m2）和烧损率（B）的计算公式为：

式中：W0为可燃物载量（kg/m2）；Wr为火头过后的剩余载量（kg/m2）。

2.3 灰分测定

灰分测定采用干灰分法，计算公式为：

式中：X为样品中灰分的含量，%；m1为坩埚的质量，g；m2为坩埚和样品的质量，g；m3为坩埚和灰分的质量，g。

2.4 数据整理

采用Excel 2007软件进行火行为参数的整理统计，采用Origin 2018软件绘制不同样地可燃物燃烧时温度参数对比图，采用SPSS 26.0软件进行方差分析(ANOVA)探究中蒙边境阿尔山地区草本可燃物火行为参数的相关性，比较样品火行为参数之间的差异显著性。

3 结果与分析

3.1 中蒙边境森林草原交错区羊草理化性质分析

理化性质反映可燃物自身的易燃性，可燃物床层厚度反映燃烧的环境，其中理化性质指标主要包括灰分含量、热值和含水率。由表1可知，阿尔山地区采集的羊草含水率均值为36.33%，平均厚度为5 cm，可燃物载量为0.27 kg/m2，灰分含量为6.83%。羊草含水率、灰分含量较小，易燃，而床层厚度较低，极易蔓延并导致重大火灾的发生。

表1 中蒙边境森林草原交错区羊草理化性质Table 1 Physicochemical properties of Leymus chinensis in forest-steppe ecotone on the China-Mongolia border

3.2 中蒙边境森林草原交错区可燃物的火行为

3.2.1 引燃时间、火焰维持时间和阴燃时间

由表2可知，点烧试验中的草本植物引燃时间为1 s，这也体现了草本植物的易燃性。阿尔山地区沟塘草甸羊草的火焰维持时间均值为147 s，中值为150 s，从75%置信区间来看，多数点烧试验的火焰维持时间不超过150.7 s，火焰维持时间在123～172 s之间。火焰维持时间与灰分含量有关，灰分含量越高，火焰维持时间越久。阴燃为明火熄灭后可能会引起复燃的状态。阴燃持续时间长，在火灾后期不易被发现。羊草的阴燃维持时间在28～55 s之间，均值为43.5 s，中值为44.5 s。

3.2.2 蔓延速率

蔓延速率的大小影响着火灾的强度，蔓延速率越快，则能在越短的时间内引燃越多的可燃物，使火灾也越难控制。羊草的蔓延速率均值为0.83 m/min，中值为0.8 m/min，从75%置信区间来看，多数点烧试验的蔓延速率不超过0.85 m/min，蔓延速率在0.70～0.97 m/min之间。小于1 m/min，蔓延速率较小，如能及时发现着火，采用各种灭火工具可以在火灾前期很好地控制火灾。

3.2.3 火焰特征

火焰高度可以用标尺直接在燃烧床上测量。羊草的火焰高度均值为29 cm，中值为28 cm，从75%置信区间来看，多数点烧试验的最大火焰高度不超过30 cm，最大火焰高度在12～45 cm之间。羊草的最高火焰温度均值为472.90℃，中值为470℃，从75%置信区间来看，多数点烧试验的最高火焰温度不超过485.49℃，最高火焰温度在360～590℃，最高火焰温度达到600℃。

图3为羊草进行点烧试验从开始到结束时水平距离相同、垂直距离不同的火焰温度变化曲线。从垂直方向分析，0.3 m处热电偶所测的最高温度范围为203.25～280.50℃；0.4 m处热电偶所测的最高温度范围为124.00～195.75℃；0.5 m处热电偶所测的最高温度范围为115.75～186.50℃；0.6 m处热电偶所测的最高温度范围为90.75～140.75℃；0.7 m处热电偶所测的最高温度范围为72.75～121.75℃；0.8 m处热电偶所测的最高温度范围为59.75～98.5℃；0.9 m处热电偶所测的最高温度范围为71.00～95.25℃；1 m处热电偶所测的最高温度范围为57.75～93.00℃；燃烧达到最高温度的时间范围为72～112 s。可以发现随着时间的增长和燃烧的进行，温度上升速率越来越快，达到最高温度之后，温度下降速率随着时间和燃烧的进行越来越慢，最后趋于平缓，进入阴燃状态。

图3 中蒙边境森林草原交错区羊草火焰温度变化曲线Fig.3 Flame temperature changing curves of Leymus chinensis in forest-steppe ecotone on the China-Mongolia border

3.2.4 辐射热特征和消耗量

热辐射是火行为的重要传播方式，也是地表火传播的一个重要的方式。羊草的热辐射均值为0.94 kW/m2，中值为0.80 kW/m2，从75%置信区间来看，多数点烧试验的热辐射不超过1.05 kW/m2，热辐射的范围在0.15～2.66 kW/m2。阿尔山地区沟塘草甸羊草的阴燃热辐射均值为0.16 kW/m2，中值为0.15 kW/m2，从75%置信区间来看，多数点烧试验的阴燃热辐射不超过0.17 kW/m2，阴燃热辐射的范围在0.04～0.28 kW/m2。可燃物消耗量如表2所示，在实验室无风状态下所测的羊草消耗量均值为0.2 kg；烧损率指可燃物燃烧所消耗的质量与烧前质量的比值，表征燃烧效果。烧损率均值在73%左右，说明在室内无风条件下绝大部分可燃物被消耗，燃烧比较彻底，可达到良好的火行为模拟效果。

表2 中蒙边境森林草原交错区羊草火行为参数Table 2 Fire behavior parameters of Leymus chinensis in forest-steppe ecotone on the China-Mongolia border

3.2.5 单因素多元方差检验

通过单因素多元方差分析将草本可燃物的火焰高度、火焰温度和阴燃热辐射等5项指标作为因变量，将含水率作为自变量。由表3所示，火焰高度和阴燃热辐射与含水率极显著相关（P＜0.001），其他指标与含水率无显著相关性。主要是因为含水率低时，热解速率较快，可燃物消耗量多，产生的热解气体多，导致火焰较高；同时，含水率较小时燃烧较完全，导致阴燃热辐射较小，与其呈负相关。

表3 火行为参数多元方差分析参数检验Table 3 Fire behavior parameter multivariate analysis of variance parameter tests

4 讨论与结论

4.1 讨 论

中蒙边境阿尔山地区的可燃物羊草在燃烧时距离火焰0.3 m处热电偶所测温度变化曲线幅度差异明显。可燃物羊草在燃烧时，距离火焰0.3 m的热电偶在72～112 s时所测温度达到的最大值范围为203.25～280.50℃，且草本可燃物在发生火灾时温度波动维持的时间较长，容易发生复燃现象。羊草燃烧时的火焰温度变化曲线急剧上升的时间点不同，上升区间的时间长短不同，温度达到的最大值不同，可能是因为含水率的差异、燃烧的完全程度不同以及堆放方式的不同。含水率与火焰温度上升速率呈负相关，含水率升高，火焰温度上升速率降低，达到最高温度的时间加长。在可燃物燃烧时距火焰0.8 m以外的热电偶所测温度，从点着开始到阴燃结束，热电偶温度所测的温度范围为59.75～98.50℃，始终低于100℃。说明距离火焰0.8 m以外的可燃物被引燃的可能性小。因此，在扑救火灾时要注意扑火人员与着火点的距离不小于0.8 m。

细小可燃物如草本植物、枯落物的载量和分布是决定火险高低的主要因素[16]。羊草为禾本科多年生草本，具有无性繁殖能力强的特点，是北方草原区的优势植物[17]。阿尔山地区沟塘草甸可燃物羊草的可燃物载量为0.27 kg/m2。羊草枯死后不易分解，导致可燃物载量较高，且可燃物载量对森林草原火灾的蔓延速率有显著的影响[18]。可燃物载量较高时，火焰维持时间长，火强度较大，破坏力强，不易扑灭。草本可燃物对矿质元素累积不同而导致灰分含量有差异[19]，可燃物羊草的蔓延速率均值为0.83 m/min，灰分含量均值为8.50%。草本植物蔓延速率与灰分含量呈负相关，基本符合草本植物灰分含量越高，可燃物燃烧时蔓延速率越小这一自然规律，与金森等[20]的研究结果相似。可燃物是森林草原火灾发生的基础，是火行为的主体，所以可燃物自身的理化性质对火行为指标有着显著影响[21]。通过单因素多元方差分析，得出在低含水率条件下阴燃热辐射较低，且与含水率呈极显著相关。可能是含水率较高时，其在明燃状态下，可燃物燃烧不完全，导致在阴燃状态下，未完全燃烧的可燃物较多，进行阴燃时，阴燃热辐射较高。

在森林草原火灾的发生发展的过程当中，热辐射是最重要的热量传送形式，能够预热未被点燃的可燃物，使其很快达到点着温度发生燃烧[22]。可燃物热辐射越大，越容易预热火焰前方未被点燃的可燃物，明火熄灭后，可燃物还有热量释放，若不及时采取措施，在风速等影响下容易引发二次燃烧。因此扑灭火灾后及时采取人工调控措施能够有效防止复燃，降低火险。阿尔山地区沟塘草甸可燃物羊草的热辐射的均值为0.94 kW/m2，阴燃热辐射的均值为0.16 kW/m2。阿尔山地区沟塘草甸可燃物羊草的热辐射与阴燃热辐射差距较大，可能是因为沟塘草甸的草本植物枯死后其结构仍然保持其直立形状，燃烧较为彻底，未完全燃烧的可燃物较少，所以导致差距较大。且王秋华[23]认为除上述影响因素对热辐射大小的影响外，热辐射可能还与点火的方式和坡向有关。

4.2 结 论

综上所述，本研究收集了中蒙边境阿尔山地区的草本植物羊草，进行室内可燃物模拟燃烧试验，并对可燃物的蔓延速率和火焰高度等火行为指标进行研究，得出以下结论：

1）通过热电偶对阿尔山地区沟塘草甸羊草燃烧的实时温度监测表明，在无风条件下，距离火焰0.8 m以外的可燃物被引燃的可能性较小。因此，在扑救火灾时要注意扑火人员与着火点的距离不小于0.8 m。

2）阿尔山地区沟塘草甸羊草的灰分含量较低，可燃物干燥易燃且热辐射较大，在防火期一旦发生火灾难以控制，使损失加重。可以进行计划火烧来降低可燃物载量，以降低其火灾危险性，由于阴燃热辐射较小，计划火烧安全性较高，发生复燃的可能性较小。

由于条件限制，试验时仅在垂直方向上设置了热电偶。今后可布置水平方向的热电偶监测火行为的变化，以便全方位、多角度研究火行为参数，从而使研究结果更具有代表性和实用性，为阿尔山沟塘草甸管理提供科学依据。另外，所有试验均在平面燃烧床上进行，所以不存在点火方式和坡向的不同，在今后的研究中应逐步加强关于草本植物的点火方式和坡向对辐射热影响的工作。