新疆天山东部森林地表可燃物的热值研究

周 翔， 王 鹏， 布玛丽亚穆·麦麦提， 王秋琰， 岳 健

（1.新疆维吾尔自治区林业规划院，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆乌鲁木齐 830011；3.新疆策勒荒漠草地生态系统国家野外科学观测实验站，新疆 策勒 848300）

森林火灾（即不受控制的高强度植被火灾）对野生动物、物质资产、文化资产、人类健康和生命构成全球性的威胁［1］。可燃物载量决定了森林火灾的碳排放，以及其蔓延程度和强度、发现潜力和从地表火到顶部火过渡的可能性，也是森林防火灭火以及可持续管理的理论依据［1-4］。可燃物通常根据状态分为活可燃物和死可燃物，也可通过所处位置分为地下、地表以及冠层可燃物［5-6］，其中，森林地表可燃物对林火的发生、迅速蔓延以及水平和垂直的扩张起到关键性作用［7］，对林火的传播和延续有重大影响。而引燃可燃物除需氧气和火源等条件外，还取决于其自身含水率、热值、燃点等理化性质的差异［5,7-8］。热值是单位质量（或体积）的可燃物完全燃烧时所放出的热量［9］，是评估森林火燃烧速率和火强度的重要指标和依据。通常来说，可燃物的质量及热值等含量都与火灾强度、火场的蔓延速度以及释放的能量强度成正比［5,10］，通过这些数据可以有效且精准地防火灭火。

国外科研工作者早在20 世纪60 年代就已经开展了森林可燃物热值方面的研究，例如对森林种植园、高寒苔原植被以及热带潮湿森林植被等热值特征的调查［11-13］，近年来，随着可燃物热值研究的不断深入，家用木材的热值特征也受到一定关注，例如Lunguleasa 等［14］研究了非洲热带常用木材水分含量对热值和密度、热释放率和热效率的影响，选择最佳木材。国内森林可燃物热值方面的研究主要集中于地区性的各类型森林系统中植物理化性质的对比或潜在燃烧性。例如，有对新疆天山中部［5］、阿尔泰山［15］、东北大兴安岭［16-17］、云南中部［18-20］等林区的研究，研究大多侧重于地下或冠层中的可燃物燃烧性的分析，亦或是对同一地区不同树种理化性质的分析，对于不同林型森林地表可燃物的研究有限，且对森林不同地表可燃物组分（不同类型枯落物和腐殖质）之间差异特征以及可燃物的燃烧特性关注较少。

有研究表明，森林可燃物根据不同的分类（尤其是地表活可燃物和死可燃物）情况，在森林火中的表现，即引起森林火的强度、释放的能量强度以及燃烧速率表现各异［21］。另外，可燃物的燃点也是表征可燃物燃烧性的一个重要指标［17］，目前为止对森林可燃物热值与燃点影响林火发生的研究也很少。鉴于此，选择新疆天山东部分布的4 种典型植被类型其地表可燃物为研究对象，探讨不同地表可燃物组分热值之间的差异特征及可燃物热值与燃点间的关系，旨在为该地区管理人员准确预测林内可燃物热值能量和潜在森林火险提供理论依据，为区域地表可燃物深入研究提供数据支撑。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆天山东部，东至哈密地区伊吾县境内山区及山间盆地，西与博州精河林场相邻，南以天山分水岭为界，北抵天山北麓，横跨哈密、塔城、昌吉、乌鲁木齐4 个地州市和16 个县（区），东西长约1300 km，南北最宽处约250 km，总面积3.11×104km2，林地总面积1.08×104km2，其中有林地面积1.32×104km2，活立木总蓄积5282.1×104m3，森林覆盖率22.79%。该区域属于山地地形，山脉的基带为温带荒漠带，属于温带大陆性气候。地理坐标范围为42°24′～44°14′N，84°01′～93°42′E 之间，海拔1400～2710 m。该区植被随山地地形和气候的差异而形成明显的垂直分布带，植被类型包括：以天山云杉(Picea schrenkianavar.tianschanica)和西伯利亚落叶松(Larix sibirica)为主的针叶林型，林下分布的灌草以天山花楸(Sorbus tianschanica)、忍冬(Lonicera tatarica)、高山羊角芹(Aegopodium alpestreLedeb.)以及乳苣[Lactuca tatarica(L.)C.A.Mey.]为主，枯落物以主要植被的叶枝果为主；以欧洲山杨(Populus tremula)和天山桦(Betula tianshanica)为主的阔叶林型，林下分布的灌草以天山花楸、宽刺蔷薇(Rosa platyacantha)、西伯利亚早熟禾(Poa sibiricaTrin.)以及野青茅[Deyeuxia pyramidalis(Host) Veldkamp]为主，枯落物以主要植被的叶枝为主；以方枝柏(Sabina saltuaria)、宽刺蔷薇、天山绣线菊(Spiraea tianschanicaPojark.)以及忍冬为主的灌木林型，灌木下草类有拂子茅[Calamagrostis epigeios(L.) Roth]、无芒雀麦(Bromus inermisLeyss.)以及直穗鹅观草[Elymus gmelinii(Ledeb.) Tzvelev]等，枯落物以主要植被的叶枝刺为主。

1.2 试验方法

1.2.1 样方布设和样品采集 在研究区选取了7 个林区，包括哈密（巴里坤）、呼图壁、吉木萨尔、玛纳斯、奇台、乌鲁木齐南山以及乌苏（图1），分别在4种主要森林类型即针叶林（针叶树种总蓄积≥65%）、阔叶林（阔叶树种总蓄积≥65%）、针阔混交林（针叶树种或阔叶树种总蓄积占35%～65%）、灌木林（灌木树种总蓄积≥65%）等设置样地面积大小为666.7 m2，方形（25.82 m×25.82 m）设置，选择距样地每个角顶点两边3 m 处设置4 个灌木、草本层、枯落物和腐殖质可燃物载量样方。灌木层调查样方为2 m×2 m，草本层、枯落物层、腐殖质层调查样方为1 m×1 m（图2）。灌木层采集方法：每个样方选取3株（1～2丛）标准灌木，分别取每株灌木的干、枝和叶相同质量比10%～20%（通过称重，确保干、枝、叶的取样占各标准灌木的干、枝、叶总质量的比相同）混合，同一标准样地内4 个样方按照灌木树种分别混合取样，混合后的每份样品不少于500 g，称其鲜重，称重精确到10 g，用于带回实验室测定样方灌木的含水率（干鲜比）。样品采集好后，将采集的样品分别放入样品袋（纸袋或布袋）内并附上统一编号的标签，同时在样品采集清单上作好记录。

图1 研究区示意图Fig.1 Schematic diagram of the study area

图2 样方设置图Fig.2 Quadrat configuration diagram

草本层采集方法：沿地面完全收获每个样方所有活草本植物（包括高不足30 cm 的灌木）地上部分，称其鲜重，秤重精确到10 g。充分混合标准样地所有样方草本植物各部分，取混合后新鲜草本植物300 g 左右，秤重精确到10 g，装入样品袋中，贴上标签，带回实验室测定草本植物的干鲜比或含水率。

凋落物层采集方法：在森林内设置样方，调查凋落物厚度，用耙子收集样方内全部凋落物，包括各种枯枝、叶、果、枯草、半分解部分等枯死混合物，剔除其中石砾、土块等非有机物质。将凋落物分为凋落物1（直径＜0.6 cm 的小枝、叶和杂草）、凋落物2（直径≥0.6 cm，但＜2.5 cm 的小枝），凋落物3（直径≥2.5 cm，但＜7.62 cm 的枝条）。每个样方每类凋落物分别称量其鲜重，称重精确到10 g。样地内所有样方各类凋落物样品分别混合取样，每类取200 g左右，称重精确到10 g，装入样品袋中，贴上标签，带回实验室测定其干鲜比或含水率。

腐殖质层采集方法：调查腐殖质层厚度，采用完全收获法收获每个样方内腐殖质，剔除腐殖质中石砾、土块、明显的树根等非腐殖质，测定和记录样方内腐殖质湿重，并将所有样方样品混合取200 g样品带回实验室测定其干鲜比或含水率。

1.2.2 含水率的测定 采用烘干恒重法对可燃物的含水率进行测定。将野外采集的样品装入牛皮纸信封，用电子天平称其质量，减去空牛皮纸信封的质量得到可燃物湿质量；再将样品放入恒温干燥箱内，在105 ℃下烘至恒重。当样品质量在2 h之间变化小于0.01 g 时，称量得出样品的干质量。计算绝对含水率：

式中：AMC 为绝对含水率(%)；WH为可燃物湿质量(g)；WD为可燃物烘干后的绝干质量(g)。

1.2.3 热值和燃点的测定 将待测的样品进行烘干（60～80 ℃），烘干到重量不再变化（衡重），将烘干后的样品用研磨仪（德国RETSCH，型号MM400）粉碎，粉末过40目筛，存于封口袋中备用。

称取1.0 g 的过筛样品压成片状，采用自动热量计对样品进行热值的测定，每个样品均要反复测定5次，最终取其平均值。

称取0.10 g 的过筛样品与0.075 g 氧化剂（亚硝酸钠）均匀混合，采用全自动燃点检测仪进行燃点的测定，每个样品均要反复测定5 次，最终取其平均值。

1.2.4 数据处理 使用Origin 8 作图，用SPSS 19.0软件进行统计分析，采用单因素方差分析、双因素方差分析和Duncan检验进行比较参数间的差异。

2 结果与分析

2.1 不同组分地表可燃物热值比较

由图3 可以看出，各林型中凋落物组分热值一般较高，均值为19.27 kJ·g-1；而腐殖质组分热值都较低，均值为13.25 kJ·g-1。同一森林类型下地表可燃物各组分之间多数差异不显著。针叶林和阔叶林中，草本与凋落物组分之间差异显著（P＜0.05），其余组分间差异不显著；灌木林中，灌木与凋落物组分之间差异显著（P＜0.05），其余组分间差异不显著；针阔混交林中，所有组分差异都不显著。

图3 不同组分地表可燃物热值比较Fig.3 Comparison of calorific value of surface combustibles of different components

2.2 同一地表可燃物各森林类型间热值比较

由表1 可知，不同森林类型同一组分的可燃物热值存在差异。灌木可燃物组分中灌木林的热值最高（18.99±0.03 kJ·g-1），针叶林和针阔混交林的差异显著（P＜0.05），其余林型间差异不显著；草本可燃物组分中针叶林的热值最高（19.38±0.08 kJ·g-1），针叶林和灌木林的差异显著（P＜0.05），其余林型间差异不显著；凋落物可燃物组分中同样是针叶林的热值最高（19.55±0.05 kJ·g-1），针叶林和针阔混交林的差异显著（P＜0.05），阔叶林和灌木林的差异显著（P＜0.05），其余林型间差异不显著；腐殖质可燃物组分中灌木林的热值最高（15.76±0.10 kJ·g-1），所有林型间的差异都不显著。

表1 同组分地表可燃物不同森林类型间热值比较Tab.1 Comparison of calorific value between different forest types of surface fuel with the same component

2.3 不同组分地表可燃物热值与燃点的关系

由图4 可知，不同组分地表可燃物热值与燃点间的关系存在差异。灌木可燃物组分燃点与热值存在极显著关系（R2＝0.81，P＜0.01），凋落物可燃物组分燃点与热值存在显著相关性（R2＝0.38，P＜0.05）；然而草本和腐殖质可燃物组分燃点与热值间无显著相关（P＞0.05）。

2.4 不同组分地表可燃物热值与含水率的关系

由图5可知，不同组分含水率由高至低分别为：灌木（42.1%）>草本（37.5%）>腐殖质（31.2%）>凋落物（16.3%）。从图5还可以看出，所有地表可燃物热值与绝对含水率之间均无显著相关关系。

图5 不同组分地表可燃物热值与绝对含水率关系Fig.5 Relationship between calorific value and absolute water content of surface combustible of different components

3 讨论

对森林可燃物的研究可为森林防火灭火和可持续管理提供理论依据，而可燃物的热值是表征可燃物燃烧性的重要指标［22-23］。因此，对天山东部林区各林型下的地表可燃物不同组分（灌木、草本、凋落物以及腐殖质）热值分析是可燃物易燃性研究的基础，也是森林火灾研究的重点。研究结果表明，天山东部林区同一林型不同组分热值大小顺序为：凋落物>草本>灌木>腐殖质，这与武夷山国家公园内4 种森林类型地表可燃物热值特征相同［24］，但本研究区分析了腐殖质在林区可燃物中的影响，更全面地分析了死亡地表可燃物的热值特征，通过结果可知，腐殖质作为热值最小的组分，其占比多少有可能是森林火险发生的关键因子。另外，同一森林类型下地表可燃物各组分之间多数差异不显著，这也与武夷山国家公园的研究结果一致，同时也说明凋落物是研究区防火灭火应关注的重点对象。针叶林和阔叶林中，草本与凋落物组分之间差异显著，其余组分间差异不显著；灌木林中，灌木与凋落物组分之间差异显著，其余组分间差异不显著；针阔混交林中，所有组分差异都不显著。各林型不同组分间的差异可能与组分的植被类型相关，也可能与植被光合作用强度有关。

森林火灾的发生与森林地表可燃物的热值高低有密切的关系，而地表可燃物热值对于林火燃烧速度和火线强度有较大的影响，热值的高低可以反映森林林火的强度，因此，对不同林型地表可燃物的热值研究非常必要［25-26］。天山东部林区不同森林类型同一组分的可燃物热值存在差异。灌木可燃物组分中灌木林的热值最高（18.99±0.03 kJ·g-1），针叶林和针阔混交林的差异显著，其余林型间差异不显著。这可能是因为灌木林型下光照好，有利于灌木生长，可充分进行光合作用，固定太阳能较多［25］。草本可燃物组分中针叶林的热值最高（19.38±0.08 kJ·g-1），针叶林和灌木林的差异显著，其余林型间差异不显著；凋落物可燃物组分中同样是针叶林的热值最高（19.55±0.05 kJ·g-1），针叶林和针阔混交林的差异显著，阔叶林和灌木林的差异显著，其余林型间差异不显著。由于针叶林叶面积对光照影响较小，导致地面草本与凋落物可接收阳光辐射高，因此热值也较高。腐殖质可燃物组分中灌木林的热值最高（15.76±0.10 kJ·g-1），所有林型间的差异都不显著。这也说明腐殖质的热值不受林型的影响。通过与阿尔泰山主要林型燃烧性［15］综合比较发现，天山东部主要林型的燃烧性从易到难的顺序为：针叶林>灌木林>针阔混交林>阔叶林。因此，在天山东部林区针叶林和灌木林是森林火灾发生和蔓延的重点区域，应作为重点的森林防火保护区域。

天山东部林区不同组分地表可燃物热值与燃点间的关系存在差异。灌木可燃物组分燃点与热值存在极显著关系（R2＝0.81，P＜0.01），凋落物可燃物组分燃点与热值存在显著相关性（R2＝0.38，P＜0.05）；然而草本和腐殖质可燃物组分燃点与热值间无显著相关。但是通过与我国东北辽宁阜新地区4 种油松林热值燃点［27］综合对比发现，研究区凋落物和腐殖质组分相比于草本和灌木组分属于不易燃物质。然而也有研究表明，挥发性油和脂肪类物质与可燃物的热值与燃点密切相关［17］，未来的研究可以针对不同组分油性或脂肪类物质的含量进行比较，进一步阐明同组分地表可燃物热值与燃点间的关系。

天山东部林区所有类型的地表可燃物热值与绝对含水率之间均无显著相关关系。天山中部典型林区内的研究表明，可燃物含水率越低，其易燃性就越强，引起森林火灾的可能性较大；反之亦然［28］。说明研究区地表可燃物的热值高低与易燃性无关。也有研究表明，森林可燃物的含水率变化受多个因素（如树种、地形、气温、相对湿度、降水、风速以及太阳辐射等）综合影响，不能仅考虑单个因子的影响［21］。针对不同地区条件，筛选显著的预报因子，建立准确性较高的预测模型，可为未来我国森林防火预报研究工作提供有力的数据支撑。

4 结论

以新疆天山东部4种典型植被类型下地表可燃物为研究对象，分析地表可燃物热值特征及其与燃点、绝对含水率之间的关系。研究结果显示，天山东部林区同一林型不同组分热值大小顺序为：凋落物>草本>灌木>腐殖质。草本可燃物组分中针叶林的热值最高（19.38±0.08 kJ·g-1），凋落物可燃物组分中同样是针叶林的热值最高（19.55±0.05 kJ·g-1）。研究区草本（在阔叶林和灌木林中）和凋落物（在针叶林和混交林中）的热值较高，是森林防火需要重点关注的对象，而腐殖质在各林型中的热值都较低，可以起到一定的抗火作用。不同组分地表可燃物热值与燃点间的关系存在差异：灌木可燃物组分燃点与热值存在极显著关系（R2＝0.81，P＜0.01）,凋落物可燃物组分燃点与热值存在显著相关性（R2＝0.38，P＜0.05），然而草本和腐殖质可燃物组分燃点与热值间无显著相关（P＞0.05）。研究结果旨在为天山东部可燃物能量释放、林火强度的参数确定提供理论依据，为研究区森林地表可燃物精准管理提供数据支撑。