森林抚育对滇中地区潜在树冠火的影响

2023-10-12张运生舒立福赵凤君郭万力刘柯珍

森林工程 2023年5期

张运生,舒立福,赵凤君,郭万力,刘柯珍

(1.南京森林警察学院治安学院,南京 210023;2.中国林业科学研究院森林生态与环境保护研究所,北京 100091;3.云南森林自然中心,昆明 650051)

0 引言

森林抚育就是通过调整林分结构来改变林内光照、湿度和温度等条件,从而为林木生长提供更好的生长环境[1-2],是森林可燃物调控的常用方法之一[3]。针叶林非常易燃,但其自然整枝能力往往较差,枯死的枝条仍有大部分残留在活立木上,特别是较耐阴的柏木,下部活枝条距离地面很低,树干上的枯枝和鲜枝为地表火引燃树冠火创造了条件[4]。修枝、割灌和疏伐等可燃物调控措施可基于森林抚育来进行。通过疏伐降低了树冠可燃物的连续性,从而破坏了树冠火的连续性[1,5],中郁闭度针叶林林分常采用修枝抚育来对可燃物进行调控[1]。专家学者们还分别对同龄林和异龄林的森林抚育可燃物调控措施进行了研究[5-6],研究了不同抚育措施对减少地表火强度和树冠火发生的作用[7-15]。

树冠火是在林冠层燃烧和蔓延的火,一般由地表火烧至针叶幼树群或树冠下低垂的枝条、枯立木和风倒木等再延烧至树冠而引起。树冠火一般与地表火同时存在产生立体火灾,树冠火不仅可以烧毁枝叶和树干,还能烧毁幼树和下木,对森林破坏性极大。

因此,研究树冠火的发生机制及预防、降低树冠火发生和蔓延的措施具有非常重要的理论意义和实践价值。森林抚育措施间接地具有可燃物调控的作用,潜在地可降低林分地表火强度和树冠火发生概率。但森林抚育措施对潜在树冠火的影响定性分析多,定量评估研究少。

本研究结合昆明市盘龙区2021年中央财政天保区森林抚育项目进行,并严格按照《森林抚育规程》对抚育措施中修枝、割灌除草、疏伐/生长伐的详细规定进行。研究选择易燃性较高的华山松(Pinusarmandii)和柏木(Cypress)为优势树种的林分为空间单位,通过小班森林抚育前后可燃物数据对比、林分潜在火行为指标对比,定量评估森林抚育措施对潜在树冠火的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区森林和可燃物状况

云南省昆明市盘龙区2021年(云南森林自然中心)森林抚育范围属于天保工程区,从2000年以来进行了多项工程造林和封山育林,形成了大面积以华山松、柏木为优势树种的人工纯林,由于造林初植密度过大,自然整枝不良、通风透光不畅,为巩固造林成效,促进林木生长急需进行抚育。

2021年云南森林自然中心抚育任务面积365 hm2,按作业区条件共区划4个作业区,分布在长虫山林区、石关林区、摩天岭林区和平顶山林区,共39个作业小班。树种主要以华山松和柏木为主,林分起源均为人工林,龄组均为中龄林,林分平均胸径8.0～16.6 cm,郁闭度0.70～0.85,林下灌木盖度在5%左右,以柃木和其他灌木等为主,林下草本以紫茎泽兰、蒿类为主,草本分布均匀,覆盖度在5%～10%。

研究区华山松和柏木人工纯林内梯状可燃物明显,针叶油脂含量高,部分落叶掉落在下部的枯死枝条上,容易干燥,且树干下部枝条距离地面近,易导致地表火向树冠火蔓延,形成危害性大的树冠火。林内藤蔓缠绕卫生条件较差,地被物较厚,发生森林火灾的风险高。

1.2 研究区森林抚育措施

根据现场调查及林木生长情况,为更好地促进林木生长,保护植被,抚育方式确定为疏伐+修枝、生长伐+修枝、修枝+割灌,间伐过密、质量低劣、无培育前途的林木,对林木分化明显,被压木多、有半死木、自然整枝不良的林木,需要进一步调整林分组成和林分密度,以加速目的树种的生长。疏伐、生长伐遵循“砍劣留优、砍弱留强、砍弯留直、砍密留疏”的原则。

1.2.1 修枝、割灌措施

通过抚育,修去枯死枝和树冠下部1～2轮活枝,幼龄(中龄)林阶段修枝后保留冠长不低于树高的2/3(1/2)树桩尽量修平,剪口不能伤害树木的韧皮部和木质部。对影响目的树种的周围杂灌进行割除,进一步调整林分树种和空间结构,割灌过程中应避免全面割灌。

1.2.2 疏伐、生长伐措施

根据林木分类标准,伐除干扰树,保留目标树、辅助树和其他树。所采林木多为生长不良木或枯立木,直径多为5 cm以下幼树,及少量 6、8、10 cm。伐后郁闭度不低于0.60,林木分布均匀不造成林窗,保留株数应满足最低保留株数要求。对于一穴多株、一丛多株的林木,只保留干形好的一株,其他作为采伐木;对过于集中,群状生长的林木,适当选择长势较弱的林木作为采伐木,以改善林木营养空间;对林木过于分布稀疏的地段,应根据具体情况适当给予保留,避免采伐后出现林中空地。

1.3 研究方法

1.3.1 林分状况调查

森林抚育前,在39个作业小班内选择有代表性的地段设置样地,对样地内胸径≥5 cm的林木分树种每木检尺,按照林木分类标准,确定保留木、采伐木,并分树种按径阶进行登记,同时按径阶测定树高,每个径阶实测3～5株,计算各径阶平均高,利用云南省各树种二元立木材积公式计算各径阶蓄积,同时计算采伐木蓄积,各径阶蓄积合计得出样地蓄积,并以此推算出全小班林木蓄积(株数)、保留木和采伐木的蓄积(株数)。胸径<5 cm的幼树,在样地内查数株数,不进行蓄积推算,但株数计入样地株数(若为采伐木则计入采伐株数),并推算出全小班林木株数。

树种组成、平均胸径、平均树高、每公顷株数、每公顷蓄积、保留木(株数、蓄积)、伐除木(株数、蓄积)和株数采伐强度利用标准地各因子计算结果进行计算。林分郁闭度通过调查标准地的郁闭度得到。伐前郁闭度调查采取树冠投影点观测法;伐后郁闭度调查采取扣除采伐木后树冠投影点观测法;森林类别、林种和亚林种根据云南省盘龙区国家级、省级公益林规划布局图(2013年修编)确定;立地因子调查包括小班所处区域的海拔、坡度、坡向、坡位、地貌类型和土壤类型等;林下植被种类调查采用10 m×10 m的样方,调查内容包括主要灌木和草本的高度、盖度等情况。

1.3.1.1 林分环境因子

由林分环境因子一览表(表1)可以看出,进行抚育的森林位于4个林区,分别是长虫山林区、石关林区、摩天岭林区和平顶山林区,共包含5个林班,分别是长虫山林区的11和12林班、石关林区的9林班、摩天岭林区的10林班、平顶山林区的25林班,林班下又划分为39个不同的小班。

表1 林分环境因子一览表Tab.1 List of stand environmental factors

森林抚育区各林班面积差异较大,面积最大的为11林班,为108.1 hm2,最小是9林班,为36.3 hm2,12林班、10林班、25林班的面积分别为98.7、62.07、59.5 hm2。小班面积也存在差异,最大为9林班1小班,19.7 hm2,最小为10林班10小班,3.1 hm2。林班和小班面积的差异主要受自然地形条件的限制。森林抚育区地形都属中山范围,海拔2 000～2 400 m。9林班海拔最高,平均海拔2 300 m;11林班和25林班海拔较低,平均海拔2 100 m;10林班和12林班的海拔居中,平均海拔2 200 m。不同林班之间坡度也存在较大差异,9林班和10林班坡度较大,平均坡度分别为28.7°和25.1°;其余林班坡度相对较小,平均14.3°。

由于不同林班在环境因子方面存在差异,为更好地分析这些差异对地表可燃物载量和潜在火行为的影响,对林班和小班进行了编号,用A、B、C、D、E分别代表长虫山林区的11林班和12林班、石关林区的9林班、摩天岭林区的10林班、平顶山林区的25林班,林班下的小班则用数字表示,见表1。

1.3.1.2 森林抚育前林分因子调查结果

由长虫山林区、石关、摩天岭和平顶山林区森林抚育前林分调查结果(表2)可以看出,长虫山林区,除A1和B1、B2小班为华山松人工林外;其他小班的森林都是柏木人工林,柏木占到90%以上,其他栽植树种主要是华山松,也有少量的云杉和栎树。林分都为中龄林,林龄最大为A5、A6和A8小班,30 a,林龄最小为B2小班,14 a,其他小班林龄在25～28 a。小班郁闭度较大,在0.75～0.80,目的树和辅助树比例80.5%,目的树占比有待提高;A林班和B林班目的树种的树高和胸径分别为7.3 m和9.7 cm、7.5 m和9.9 cm,相差不大,柏木和华山松的树高和胸径分别为7.5 m和9.7 cm、7.0 m和10.3 cm,柏木较高,华山松胸径较粗;A林班和B林班的小班平均蓄积量分别为1 267.2 m3和1 200.9 m3,柏木林和华山松林小班平均蓄积1 524.7 m3和1 166.9 m3;A林班和B林班的小班林分密度分别为2 899株/hm2和2 817株/hm2,柏木林和华山松林小班株数2 814株/hm2和2 867株/hm2。

表2 森林抚育前林分调查结果Tab.2 Results of stand survey pre-tending

石关林区、摩天岭林区和平顶山林区的森林都为华山松人工林,栽植树种以华山松为主,占90%以上,栽植较多的其他树种主要是云杉,林内还有少量的圣诞树和其他阔叶树。林分都为中龄林,林龄最大为C1和C2小班,28 a;林龄最小为D11和D12小班,14 a;其他小班林龄在20～25 a,C、D、E林班的平均林龄分别为25、19.8、20 a。小班郁闭度较大,在0.75～0.80,目的树和辅助树比例80.5%,目的树占比有待提高。C林班、D林班和E林班华山松的树高和胸径分别为7.5 m和10.8 cm、7.9 m和10.7 cm、8.2 m和12.6 cm,小班平均蓄积量分别为1 185.6、510.9、948.5 m3,小班平均株数分别为2 506、2 353、2 207株/hm2。

1.3.2 可燃物载量调查

森林抚育前后在森林防火期共进行2次调查,抚育前是在2021年2月,抚育后是在2022年2月。

在每个作业小班内设置4个10 m×10 m样地,在样地沿对角线设置1 m×1 m小样方3个,在每个样地内记录数据,包括地形特征、树高、胸径和枝下高等。钢卷尺测定地表可燃物的厚度,用收获法收集每个小样方地表可燃物,称取鲜质量后,取一部分样品(鲜质量W1)回试验室进行含水率的测定,另取一部分样品进行热值测定,剩余样品全部带回实验室用于火蔓延指标的测定。

1.3.3 可燃物含水率和热值测定

可燃物含水率测定利用电热鼓风干燥箱进行,105 ℃ 连续烘 24 h至绝干状态,用电子天平称绝干质量(W2)。

由式(1)计算出可燃物相对含水率(H)。

(1)

式中:H为相对含水率,%;W1为鲜质量,g;W2为绝干质量,g。

用式(2)计算出(W)。

W=W0×(1-H)×10。

(2)

式中:W为有效可燃物负荷量,t/hm2;W0为单位面积可燃物鲜质量,kg/m2;H为相对含水率,%。

地表可燃物的热值用XRY-1C 微机氧弹式量热仪测定,计算见式(3)。

(3)

式中:Q为地表可燃物的热值,J/g;k为水当量,kJ/℃;T0为点燃前的温度,℃;T为点燃后的温度,℃;Δt为温度校正值,℃;G为样品质量,g。

1.3.4 火行为指标计算

1.3.4.1 火蔓延速度

在试验室内模拟近似无风状态下的燃烧火行为,获得火在风速为0 m/s时地表火的蔓延速度。试验室内水平放置铁质燃烧床(长200 cm,宽120 cm,高34 cm),底部覆盖一层 2 cm 厚的石膏板,以减少热量损失。样品采回后,尽快展开火烧试验。将样方内的地表可燃物均匀铺在燃烧床1 m×1 m 的范围内,可燃物厚度与外业调查测定的地表可燃物厚度相同。用秒表记录点着时间和熄灭时间,以计算水平无风火蔓延速度(R,m/s)。

1.3.4.2 地表火强度

20世纪50年代,Byram等[16]深入研究了森林燃烧中可燃物有效负荷量(available fuel)、热值(heat yield)和蔓延速率(rate of spread)之间的关系,提出了经典的火强度(fire intensity)公式,用来计算单位火线长度、单位时间内释放的能量。根据Byram等[16]提出的火强度公式,可以获得式(4)。

(4)

式中:I为火强度,kJ/(m·s);Q为可燃物热值,J/g;W为有效可燃物负荷量,t/hm2;R为林火的蔓延速度,m/min;1/600 为英制单位到公制单位的转换系数。

相同条件下,风速为0 m/s时,火焰长度就是火焰高度,火焰高度是地表火转化成树冠火过程中的重要指标[17],根据式(4)和Byram等[16]的火焰长度公式,可以计算出风速为0 m/s时的火焰高度,如式(5)所示。

(5)

式中:h为火焰高度,m;L0为风速为0 m/s时的火焰长度,m;Q为可燃物热值,J/g;W为有效可燃物负荷量,t/hm2;R0为风速为0 m/s时的林火蔓延速度,m/min。

坡度对林火蔓延速度有较大影响,根据王正非研究[18],对R0进行调整:

(6)

式中:R0为风速为0 m/s时的林火蔓延速度,m/min;R1为水平无风时火的初始蔓延速度,m/min;θ为地面平均坡度。

树冠的最低枝下高与地表可燃物火焰的高度差越大,发生树冠火的概率越低。通过测量森林抚育前后地表可燃物的载量、热值和火蔓延速度,进而计算出火线林火强度和火焰高度,通过分析森林抚育前后树冠最低枝下高与火焰的高度差,进而分析森林抚育对树冠火发生概率的影响。

2 结果与分析

2.1 抚育前后可燃物载量

图1和图2为林区森林抚育前后枝下高和可燃物载量,由于华山松与柏木生态特性的差异,华山松林和柏木林在枝下高、可燃物载量差异显著。

A.长虫山林区11林班;B.长虫山林区12林班;C.石关林区9林班;D.摩天岭林区10林班;E.平顶山林区25林班;数字1、2、3、…、12为小班号;0为抚育前;1为抚育后。下同。A.Changchongshan forest region 11 compartments; B.Changchongshan forest region 12 compartments; C.Shiguan forest region 9 compartments; D.Motianling forest region 10 compartments; E. Pingdingshan forest region 25 compartments; the numbers 1, 2, 3,... and 12 are small class numbers; 0 is before tending; 1 is after rearing. The same below.图1 森林抚育前后枝下高Fig.1 Height of lowest branch before and after tending

图2 森林抚育前后地表可燃物载量Fig.2 Fuel load before and after tending

由图1可以看出,森林抚育前华山松林平均枝下高(1.43 m)远高于柏木林平均枝下高(0.30 m),森林抚育后华山松林平均枝下高(2.02 m)高于柏木林平均枝下高(1.50 m)。森林抚育后华山松平均枝下高增加了41.2%,柏木林平均枝下高显著增加,增加了398.7%。

由图2可以看出,森林抚育前华山松林地表平均可燃物载量(11.21 t/hm2)远高于柏木林(5.35 t/hm2)。森林抚育后华山松林与柏木林地表平均可燃物载量显著降低,差距减小,华山松林为(2.78 t/hm2)高于柏木林(1.78 t/hm2),华山松林平均可燃物载量降低了75.2%,柏木林平均可燃物载量降低了66.7%。

2.2 抚育前后地表可燃物火行为

2.2.1 地表可燃物热值

图3为森林抚育前后地表可燃物热值,森林抚育后,地表可燃载量下降,地表可燃物由于光照、温度和湿度等发生变化,测得的热值较森林抚育前略有升高。

图3 森林抚育前后地表可燃物热值Fig.3 Heat yield before and after tending

由图3可以看出,华山松林地表可燃物高于柏木林地表可燃物热值,森林抚育前华山松林地表可燃物平均热值(20 861 J/g)大于柏木林地表可燃物平均热值(18 016 J/g),森林抚育后华山松林和柏木林地表可燃物平均热值均有小幅增加,其中,华山松林地表可燃物平均热值增加1.60%,柏木林地表可燃物平均热值增加3.03%。

2.2.2 可燃物林火强度

利用式(4)计算火线林火强度,结果如图4所示。由图4可以看出,经过森林抚育,地表可燃物火线林火强度下降明显,平均降低61.4 kJ/(m·s),平均下降幅度达76.1%,最大下降119.5 kJ/(m·s),最小下降14.4 kJ/(m·s)。其中,华山松林下降76.9%,柏木林下降68.5%,华山松地表可燃物火线林火强度下降幅度明显要大于柏木林。

2.2.3 可燃物林火蔓延速度

利用式(6)可以计算出森林抚育前后地表可燃物林火蔓延速度,如图5所示。

图5 森林抚育前后地表可燃物林火蔓延速度Fig.5 Speed of surface fire spreading before and after tending

由图5可以看出,森林抚育前华山松林地表火平均蔓延速度(0.28 m/min)大于柏木林地表火平均蔓延速度(0.15 m/min)。森林抚育后华山松林地表火平均蔓延速度下降7.92%,柏木林地表火平均蔓延速度下降8.50%。

2.2.4 引燃树冠火可能性

地表火火焰对上方的梯状可燃物有烘烤作用,使其脱水、热裂解、释放可燃气体(H2、CO、CH4等)和开始燃烧。火焰距离枝条越近,引燃时间越短。从火焰高度与枝下高之间的距离可以分析树冠火发生的危险性大小。

利用式(5)可以计算出地表可燃物火焰高度,如图6所示。

图6 森林抚育前后地表可燃物火焰高度Fig.6 Flame height before and after tending

由于华山松林地表可燃物载量明显高于柏木林,由图6可以看出,森林抚育前华山松林地表可燃物平均火焰高度(0.67 m)远高于柏木林地表可燃物平均火焰高度(0.34 m)。森林抚育后火焰高度均有明显下降,华山松林地表可燃物火焰高度平均下降49.13%,柏木林地表可燃物平均火焰高度下降41.40%。

3 结论与讨论

3.1 讨论

3.1.1 森林抚育对林下地表可燃物潜在火行为的影响

森林可燃物按照分布的空间位置可分为地下可燃物、地表可燃物和空中可燃物。可燃物的垂直连续性与树冠火的发生密切相关,利用林火蔓延模型可以模拟林火行为。

自W.R.Fons1946年首先提出林火蔓延的数学模型以来,美国的Rothermel模型、澳大利亚的McArthur模型、加拿大的国家林火蔓延模型以及中国的王正非[18]林火蔓延模型等相继被提出[19]。专家学者通过输入可燃物和环境因子相关参数,可以计算出林火发生的可能性大小或蔓延的相关火行为参数,已广泛应用于森林火灾蔓延模拟。王凯[20]利用Rothermel模型对油松林、阔叶混交林、刺槐林、侧柏林、针阔混交林地表火进行模拟,5种可燃物类型火线强度、火焰高度由大到小依次为:油松林、阔叶混交林、刺槐林、侧柏林、针阔混交林。王叁[21]利用Rothermel模型进行模拟研究分别以低燃烧条件、中燃条件和高燃条件下对铁杉林、云南松-侧柏林、油杉林、云南松-油杉林和侧柏林进行了研究。潘登[22]利用Rothermel模型和Byram模型进行研究,以环境因子、可燃物性质、空间位置以及林火特征为基础,把森林燃烧等级划分为低、中、高三级,并推算了不同燃烧等级下的林火强度、可燃物消耗量和火焰高度。

本研究通过实验室测定地表可燃物的载量、热值和无风条件下林火蔓延速度等因子,计算了华山松和柏木林下地表可燃物的林火强度。华山松相对于柏木林下可燃物载量高、热值和林火强度大、林火蔓延速度快,华山松和柏木林地表可燃物潜在的林火强度均低于 750 kJ/(m·s),为低强度火[23],这应该和地表可燃物载量较小有关。经过森林抚育后,华山松和柏木林下可燃物林火强度和林火蔓延速度显著降低,这主要是因为森林抚育后林下可燃物得到清理,可燃物载量得到显著降低。森林抚育后,地表可燃物由于光照、温度和湿度等发生变化,热值略有提高。

3.1.2 森林抚育对潜在树冠火的影响

根据地表火引燃树冠火的机理,通过地表林火行为的模拟及乔木特征,特别是活枝/枯枝枝下高,可以为阻断树冠火发生的可燃物调控提供依据。在地表火引发树冠火方面,树木的第一枝下高和树木的绝对含水率对树冠火的发生具有重要影响[24]。吕梦雅等[25]通过深入研究地表火向树冠火的转换过程,完成树冠火生长蔓延模型改进,并进行了实时仿真。牛树奎等[26]通过对北京山区主要针叶林建立可燃物水平连续性指数和等级,以及定量评估垂直连续性,并对树冠火蔓延的可能性进行评估发现,水平连续性高的针叶林,若发生树冠火,极易蔓延形成大面积高强度树冠火,垂直连续性高的针叶林,发生树冠火的危险性高。

本研究尝试了从森林抚育前后最低枝下高与地表可燃物火焰高度差来定量分析潜在树冠火的发生的可能性。柏木林抚育前枝下高低,森林抚育前,柏木林地表可燃物的火焰高度均高于枝下高,发生地表火后,有较大的树冠火发生隐患。森林抚育后,柏木林枝下高与地表可燃物火焰高度差平均增加了1.34 m,地表火引发树冠火的概率降低。华山松枯枝脱落,增加了地表可燃物载量,进而增加了地表火强度和火焰高度,森林抚育前,虽然火焰高度未达到枝条所在高度,但二者之间较短的垂直距离,使枯死的华山松在较长时间烘烧下被引燃的概率较大。经过修枝和地表可燃物清理后,华山松林枝下高与地表可燃物火焰高度差由森林抚育前的0.76 m(平均)增加到1.68 m(平均),平均增长121.1%,发生树冠火的危险性得到显著降低。

以往对森林抚育的研究多集中于森林抚育技术本身及森林抚育技术对森林质量提高的效果评价[27-28],而从森林抚育对潜在树冠火的影响研究较少,本研究为定量分析森林抚育措施对森林火灾预防提供了依据和参考。对于地表可燃物引燃树冠火的临界定量研究涉及因素复杂,本次研究并未深入开展,需要进一步研究。