王秋華，閆想想，龍騰騰，許若水，葉 彪，陳啟良，李曉娜

（1.西南林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院/云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650224；2.云南森林自然中心，云南 昆明 650224；3.西南林業(yè)大學(xué) 地理與生態(tài)旅游學(xué)院，云南 昆明 650224）

【研究意義】森林可燃物是森林中能夠燃燒的物質(zhì)，是燃燒三要素的主體，影響到森林火災(zāi)的發(fā)生、控制、撲救及用火安全、火燒后的損失[1-4]。森林可燃物是復(fù)雜的、多樣的和動(dòng)態(tài)變化的[5]。對(duì)可燃物的特征，尤其是燃燒性進(jìn)行深入研究，能夠把握可燃物的基本屬性，有利于可燃物的可持續(xù)管理[6]。森林燃燒性指森林被引燃著火的難易程度以及著火后所表現(xiàn)出的燃燒狀態(tài)和燃燒速度、火強(qiáng)度等的綜合，包括可燃物的理化性質(zhì)和空間組合特征[7]，是個(gè)綜合指標(biāo)，需要統(tǒng)籌考慮多個(gè)影響因素，定量表達(dá)。森林燃燒性的研究有利于制定科學(xué)的營(yíng)林防火措施?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】現(xiàn)有森林可燃物燃燒性研究集中于樹(shù)種、林型和凋落物等。大尺度的如北京地區(qū)森林燃燒性[8]，黑龍江省4種常見(jiàn)針葉樹(shù)紅松（Pinus koraiensis）、樟子松（Pinus sylvestris）、紅皮云杉（Picea koraiensis）、落葉松（Larix gmelinii）的樹(shù)皮、枯落葉燃燒性[9]，吉林省17個(gè)主要森林類(lèi)型紅松、落葉松、云杉（Picea asperata）、胡桃楸（Juglans mandshurica）、黃波羅（Phellodendron amurense）等的燃燒性[10]，中尺度區(qū)域的如昆明地區(qū)35種森林木本植物的燃燒性[11]、落葉灌木南燭（Vaccinium bracteatum）的燃燒性[12]，及9種藤本植物活葉片的燃燒性[13]，魯中山區(qū)主要森林類(lèi)型易燃可燃物垂直分布及其燃燒性[14]，阿爾泰山西伯利亞云杉純林（Picia obovata）、西伯利亞冷杉純林（Abies sibirica）、西伯利亞落葉松純林（Larix sibirica）等8個(gè)主要林型[15]，黑龍江帽兒山地區(qū)紅皮云杉（Picea koraiensis）、胡桃楸、黃波羅等8種喬木樹(shù)種[16]，遼寧東部、西北部地區(qū)森林地被可燃物的燃燒性[17-18]，也有小尺度區(qū)域的如江西省南昌市茶園山林場(chǎng)喬木油茶（Camellia oleifera）、香樟（Cinnamomum camphora）、鵝掌楸（Liriodendron chinensis）等8種凋落物的燃燒性[19]，昆明安寧重大森林火災(zāi)7年后火燒跡地里沒(méi)有人為干擾的光葉石櫟（Lithocarpus mairei）灌木林的燃燒性[20]，北京妙峰山林場(chǎng)104個(gè)小班地表可燃物燃燒性[21]等?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】華山松（Pinus armandii）是我國(guó)西亞熱帶地區(qū)的山地針葉林，也是云南主要針葉樹(shù)種之一，不耐寒、不耐濕熱，稍耐干燥、貧瘠，在氣候溫涼而濕潤(rùn)、酸性黃壤、黃褐土壤或鈣質(zhì)土上，組成純林或針闊混交林[22]。昆明周邊的華山松純林，林相整齊，多為單層林，林分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但林內(nèi)可燃物（以凋落的松針和枯枝為主）積累到了一定的水平。尤其是枯枝，干燥，垂直連續(xù)性好，密集，是地表火蔓延成樹(shù)冠火的重要介質(zhì)，一旦地表著火，枯枝很快被引燃，垂直蔓延到樹(shù)冠，形成樹(shù)冠火?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】通過(guò)野外調(diào)查采集可燃物和在實(shí)驗(yàn)室的燃燒床內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定可燃物的火行為燃燒特征，包括點(diǎn)著時(shí)間、火焰維持時(shí)間、無(wú)焰燃燒維持時(shí)間、蔓延時(shí)間，火焰高度、長(zhǎng)度，火焰溫度、無(wú)焰燃燒溫度，火焰熱輻射、無(wú)焰燃燒熱輻射等，明確華山松枯枝的燃燒性，及時(shí)掌握并合理評(píng)估森林可燃物能量變化和燃燒性特征。

1 研究地概況

云南森林自然中心為云南省林草局直屬生態(tài)公益型林場(chǎng)，位于25°04′～25°11′N(xiāo)，102°43′～102°53′E，管護(hù)著昆明東北郊國(guó)有林，包括長(zhǎng)蟲(chóng)山、摩天嶺、石關(guān)、三尖山、圓寶山、雙乳山和平頂山7個(gè)林區(qū)[23]，總面積1 885 hm2，有林地面積1 671.6 hm2，占88.7%，活立木總蓄積10.14萬(wàn)m3，森林覆蓋率達(dá)94.9%，其中，華山松林面積約為725 hm2，約占全中心有林地的43.37%，蓄積量101 240 m3，約占總蓄積量的46.74%。海拔最低點(diǎn)1 965 m，最高點(diǎn)2 458 m，年平均氣溫12.3℃，年平均降水量1 190.0 mm，5—10月為雨季，降水量約占全年88%，11月到次年4月為干季，全年無(wú)霜期約250 d[24]。常見(jiàn)植物163科，923種，喬木樹(shù)種主要有華山松、云南松（Pinus yunnanensis）、沖天柏（Cupressus duclouxiana）、云南油杉（Keteleeria evelyniana）、麻櫟（Quercus acutissima）、銀荊（Acacia dealbata）等，灌木主要有烏鴉果（Vaccinium fragile）、小鐵仔（Mysine africana）、牛筋條（Dichotomanthus tristaniaecarpa）、爆仗杜鵑（Rhododendron spinuliferum）、火把果（Pyracantha fortuneana）、矮楊梅（Myrica cheval）等，常見(jiàn)草本植物有紫莖澤蘭（Eupatorium adenophora）、鬼針草（Bidens pilosa）、毛宿苞豆（Shuteria pampaniniana）、剛莠竹（Microstegium ciliatum）、金茅（Eulalia speciosa）和竹葉草（Oplismenus compositus）等[25]。

石關(guān)、摩天嶺林區(qū)、圓寶山3個(gè)林區(qū)在昆明市松華壩水庫(kù)水源保護(hù)區(qū)內(nèi)，屬于生態(tài)公益林區(qū)。2010年初石關(guān)林區(qū)發(fā)生過(guò)一起森林火災(zāi)，過(guò)火面積約56 hm2。由于7個(gè)林區(qū)大多在昆明城市面山，其地理位置、生態(tài)保護(hù)功能等極其重要。但林區(qū)分散不連片，林農(nóng)交錯(cuò)，節(jié)假日市民進(jìn)山旅游、拾菌子，清明節(jié)上墳的人數(shù)較多，火源管理難度大，森林防火任務(wù)艱巨。

2 研究方法

2.1 外業(yè)調(diào)查

2016年12月20日至25日（云南的森林防火期從12月1日開(kāi)始至翌年6月15日）在云南森林自然中心林區(qū)內(nèi)連續(xù)分布且具有代表性的華山松純林設(shè)置長(zhǎng)期固定樣地，分別是：長(zhǎng)蟲(chóng)山1個(gè)10 m×10 m樣地，摩天嶺2個(gè)10 m×10 m樣地，圓寶山2個(gè)20 m×30 m樣地。

2018年1月17日（連旱天數(shù)8 d）到長(zhǎng)蟲(chóng)山、摩天嶺林區(qū)，3月18日（連旱天數(shù)12 d）至三尖山、圓寶山林區(qū)，4月13日（連旱天數(shù)10 d）去長(zhǎng)蟲(chóng)山、摩天嶺、石關(guān)林區(qū)外業(yè)調(diào)查。在已設(shè)置的樣地內(nèi)測(cè)所有胸徑大于5 cm的樹(shù)高、枝下高、胸徑和株數(shù)，估算郁閉度等林分因子，計(jì)算林分密度。沿著每個(gè)樣地的對(duì)角線(xiàn)上，設(shè)置3個(gè)1 m×1 m的小樣方，共有15個(gè)小樣方。采集小樣方內(nèi)胸徑大于5 cm活樹(shù)2 m以下的枯枝，用密封袋裝好，稱(chēng)重?？葜θ雍笥帽銛y式電子天平稱(chēng)其鮮質(zhì)量，裝袋備用。

2.2 實(shí)驗(yàn)室主要燃燒性參數(shù)測(cè)定

2.2.1 絕對(duì)含水率和載量 所有樣品放入101型電熱鼓風(fēng)干燥箱中，在105℃下，連續(xù)烘干24 h至絕干狀態(tài)，計(jì)算絕對(duì)含水率（%）[26]，計(jì)算可燃物的載量（kg/m2）。

2.2.2 可燃物熱值 用XRY-1C微機(jī)氧彈式量熱儀，采用量熱值法測(cè)熱值[27]。計(jì)算公式為：

式中：Q-預(yù)測(cè)可燃物的發(fā)熱量（kJ/kg）；k為水當(dāng)量（kJ/℃）；T0為點(diǎn)燃前的溫度（℃）；T為點(diǎn)燃后的溫度（℃）；△t為溫度校正值（℃）；G為樣品質(zhì)量（g）。

2.2.3 灰分含量 采用干灰化法[28]，過(guò)60目篩的樣品在箱式電阻爐（馬弗爐）中850℃灰化5 h，稱(chēng)其灰分質(zhì)量。計(jì)算公式為：

2.3 燃燒火行為實(shí)驗(yàn)

圖1為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)置鐵質(zhì)燃燒床，燃燒床長(zhǎng)203 cm，寬127 cm，高34 cm，底部覆蓋一層2 cm厚的石膏板，防止散熱，坡度設(shè)為10°（野外華山松純林可燃物的狀態(tài)），模擬無(wú)風(fēng)狀態(tài)下的燃燒。在燃燒床四個(gè)角設(shè)置4根標(biāo)桿，以每個(gè)刻度10 cm標(biāo)記，最高200 cm，火線(xiàn)達(dá)到最高火焰時(shí)測(cè)火焰高度[28]。將野外樣方內(nèi)采集的枯枝平整鋪放在燃燒床內(nèi)，面積為1 m×1 m，用氣體點(diǎn)火器點(diǎn)火，用秒表記錄有焰燃燒時(shí)間、無(wú)焰燃燒時(shí)間，用鋼卷尺測(cè)火焰高度（cm）、紅外測(cè)溫儀SL-309測(cè)火焰溫度（℃）、無(wú)焰燃燒溫度（℃）、SFR-Ⅲ數(shù)字式輻射熱計(jì)測(cè)火焰輻射（kw/m2）、無(wú)焰燃燒輻射（kw/m2）。

圖1 自制燃燒床Fig.1 Homemade burning bed

2.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel2015和SPSS18.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等。

3 結(jié)果與分析

3.1 華山松純林的林分特征

云南森林自然中心的華山松純林主要連續(xù)分布在圓寶山、長(zhǎng)蟲(chóng)山、摩天嶺等3個(gè)林區(qū)。從海拔高度、坡度、樹(shù)齡、郁閉度和密度等都具有典型性和代表性（表1）。華山松純林主要分布在1 900～2 210 m，坡度為10°～25°，平均年齡28 a，為同齡林，平均樹(shù)高大于6.8 m，平均胸徑大于9.8 cm，平均枝下高大于1.5 m。林分因子都相似，郁閉度都大于0.7，最近5年沒(méi)有人工撫育更新，密度較大，最低為2 550株/hm2，最高接近3 800株/hm2。華山松純林基本沒(méi)有混生灌木，林內(nèi)草本植物很少，林下可燃物只有凋落物和枯枝，有自然稀疏的枯死樹(shù)。華山松純林的枝下高不足2 m，可燃物垂直方向連續(xù)性好，一旦發(fā)生火災(zāi)，極有可能發(fā)展為樹(shù)冠火。

表1 云南森林自然中心華山松純林的林分特征Tab.1 Stand characteristics of Pinus armandii Forest in Yunnan natural centre of forestry

3.2 華山松純林枯枝的燃燒物理特征

3.2.1 枯枝含水率和載量 可燃物含水率表征可燃物水分多少，即干、濕程度，是影響林火發(fā)生、發(fā)展最重要因子之一，影響到可燃物達(dá)到點(diǎn)著溫度的時(shí)間和熱量的釋放[29]?？扇嘉锏暮市∮?0%時(shí)，可燃物能被快速引燃，且火蔓延迅速。

表2 云南森林自然中心華山松純林枯枝的物理特征Tab.2 Physic characteristics of dead branches of Pinus armandii forest in Yunnan natural centre of forestry

防火期內(nèi)，尤其在防火緊要期，云南森林自然中心未人工撫育過(guò)的華山松純林的枯枝含水率非常低，長(zhǎng)蟲(chóng)山的凋落物的平均含水率為14.61%，摩天嶺為12.99%，圓寶山為7.37%（表2），處于非常干燥的狀態(tài)，很容易引燃，一旦著火，蔓延迅速，撲救難度大?？扇嘉锏妮d量直接影響著火速度、蔓延快慢和火強(qiáng)度大小。載量的多少，取決于凋落物的累積和分解速度，與植被類(lèi)型和環(huán)境條件有關(guān)，并隨時(shí)間和空間而動(dòng)態(tài)變化。表2載量的差異非常明顯，長(zhǎng)蟲(chóng)山、摩天嶺和圓寶山的枯枝平均載量分別為0.35 g/m2、0.38 kg/m2和0.13 kg/m2?？葜υ跇?shù)上垂直分布連續(xù)，是地表火轉(zhuǎn)變?yōu)闃?shù)冠火銜接的一種良好介質(zhì)，為易燃和極易燃狀態(tài)，一旦發(fā)生森林火災(zāi)，枯枝將會(huì)是蔓延為樹(shù)冠火的關(guān)鍵。

3.2.2 點(diǎn)著溫度和灰分含量 點(diǎn)著溫度即著火點(diǎn)，用來(lái)衡量可燃物著火的難易程度?；曳质强扇嘉锿耆紵笫Ｏ碌臒o(wú)機(jī)元素的統(tǒng)稱(chēng)，包括鈉、鉀、鎂、鈣、磷等，灰分物質(zhì)含量越高，可燃物就越難燃。許多灰分元素具有阻燃作用，對(duì)燃燒有明顯的影響，它們?cè)黾幽咎康纳珊蜏p少焦油的形成，可降低火焰的活動(dòng)，限制有焰燃燒和火蔓延的速度[28]。

長(zhǎng)蟲(chóng)山、摩天嶺、圓寶山華山松純林枯枝的點(diǎn)著溫度分別為274℃、285℃和279℃（表2），灰分含量分別為6.89%、7.74%和5.32%。3個(gè)林區(qū)華山松純林枯枝的點(diǎn)著溫度和灰分含量差別都不大，因?yàn)槿A山松基本處于同一環(huán)境中，對(duì)礦物質(zhì)元素的選擇吸收和累積的差異不大。

3.2.3 熱值 熱值是單位質(zhì)量可燃物完全燃燒所釋放的熱量，不同森林可燃物的熱值差異很大，是評(píng)價(jià)火強(qiáng)度、能量傳遞、蔓延狀態(tài)等的依據(jù)[27]，影響著火溫度和火的蔓延過(guò)程。

長(zhǎng)蟲(chóng)山、摩天嶺和圓寶山華山松枯枝的熱值為18 812，17 291，17 579 kJ/kg（表2）。如果發(fā)生森林火災(zāi)，這些可燃物將釋放大量的熱量，為未燃的可燃物和空氣提供熱量，惡化撲火人員的滅火環(huán)境。

3.3 華山松枯枝的燃燒性

3.3.1 引燃時(shí)間和輻射熱 華山松枯枝的引燃時(shí)間為3.5～4.1 s（表3），處于干燥狀態(tài)，極易燃燒，只要有點(diǎn)火源就能燃燒。長(zhǎng)蟲(chóng)山、摩天嶺的熱輻射為3.36 kw/m2和2.85 kw/m2，圓寶山的枯枝熱輻射最大，達(dá)到4.25 kw/m2。在林火蔓延初期，熱輻射預(yù)熱了火焰前方未被點(diǎn)燃的可燃物，使燃燒更連續(xù)。

表3 云南森林自然中心華山松純林枯枝的燃燒參數(shù)Tab.3 Combustion parameters of dead branches of Pinus armandii forest in Yunnan natural centre of forestry

3.3.2 有焰燃燒特征 有焰燃燒是可燃物揮發(fā)出足夠可燃性氣體的燃燒，能看到明亮火焰，同時(shí)釋放出大量熱，也稱(chēng)明火[7]。有焰燃燒速度快，直接撲救危險(xiǎn)大?；鹧媸侨剂虾涂諝饣旌虾笱杆俎D(zhuǎn)變?yōu)槿紵a(chǎn)物過(guò)程中出現(xiàn)的可見(jiàn)光或其他表現(xiàn)形式，是放熱反應(yīng)中反應(yīng)區(qū)周邊空氣分子加熱而高速運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)光的狀態(tài)或現(xiàn)象[30]?；鹧媸请S意的、動(dòng)亂的且不斷變化。火焰高度在滅火行動(dòng)中較容易觀(guān)測(cè)，可用來(lái)計(jì)算火強(qiáng)度，也是撲火指揮員選擇滅火手段的主要依據(jù)之一。

可燃物的垂直連續(xù)性在地表火向樹(shù)冠火轉(zhuǎn)換中起到?jīng)Q定性作用[31]。長(zhǎng)蟲(chóng)山、摩天嶺和圓寶山華山松純林枯枝的火焰維持時(shí)間都大于8.9 min，平均火焰高度都大于42 cm（表3），在實(shí)驗(yàn)中摩天嶺枯枝火焰高度可達(dá)到42 cm，而圓寶山的最高火焰高度更達(dá)到了74 cm。在野外，一旦地表火蔓延到枯枝，枯枝能輕易把火焰蔓延到樹(shù)冠，形成樹(shù)冠火。

枯枝的火焰溫度都高于546℃（表3），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了滅火隊(duì)員所能承受的極限，也能快速引燃別的可燃物，加速林火蔓延。燒損率是燃燒消耗的可燃物與燒前可燃物的比例，用來(lái)表征燃燒效率?？葜Φ臒龘p率都高于70%，可見(jiàn)枯枝燃燒效率較高，也將釋放出更多能量。

3.3.3 無(wú)焰燃燒特征 無(wú)焰燃燒指燃燒時(shí)不能揮發(fā)出足夠可燃?xì)怏w，沒(méi)有明亮火焰的現(xiàn)象，也叫暗火，燃燒速度緩慢，但持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，不易被發(fā)現(xiàn)和撲滅，易產(chǎn)生復(fù)燃[7]。無(wú)焰燃燒維持時(shí)間平均超過(guò)30 min。在野外，有大量的腐殖質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致其明火燃燒后無(wú)焰燃燒時(shí)間更長(zhǎng)。無(wú)焰燃燒溫度都在347℃以上，熱輻射大于2.9 kw/m2（表4），這也說(shuō)明燃燒結(jié)束或者人工撲滅明火以后，還會(huì)存在較大的復(fù)燃幾率，增加了森林火災(zāi)撲救的難度。

表4 云南森林自然中心華山松純林枯枝的無(wú)焰燃燒特征Tab.4 Flameless combustion characteristics of dead branches of Pinus armandii forest in Yunnan natural centre of forestry

4 結(jié)論與討論

防火期內(nèi)，云南森林自然中心林區(qū)華山松純林枯枝的含水率極低，為7.37%～14.61%，平均載量為0.13～0.38 kg/m2，雖然載量小，但枯死的凋落物連續(xù)、緊密的分布在華山松純林地下空間，一旦著火，極易燃燒蔓延至其他地上可燃物和含水率極低的樹(shù)上枯枝?？葜κ橇己玫拇怪狈较虻慕橘|(zhì)，火沿著枯枝蔓延至樹(shù)冠，形成樹(shù)冠火。枯枝的點(diǎn)燃時(shí)間極短大約為4 s左右，處于極易引燃狀態(tài)，明火燃燒時(shí)間超過(guò)3.5 min，最高火焰高度達(dá)到了74 cm。含水率和火焰高度是最重要的參數(shù)，一旦著火，樹(shù)上的枯枝很快引燃，成為高效過(guò)火媒介，很可能發(fā)生樹(shù)冠火。這與李世友等[31]提出的預(yù)防昆明周邊華山松樹(shù)冠火的最低修枝高度很接近。

本文從森林燃燒角度研究了防火期內(nèi)火環(huán)境下華山松純林枯枝的燃燒性。含水率、熱值、灰分含量等的測(cè)定、載量的計(jì)算以及引燃、有焰、無(wú)焰燃燒特征的觀(guān)測(cè)，能更科學(xué)、合理評(píng)估燃燒性，為更好預(yù)防森林火災(zāi)提供理論依據(jù)，為昆明周邊的林火管理提供理論支撐。

可燃物野外的燃燒、蔓延受到諸多因素影響，火行為非常復(fù)雜，如何更好模擬野外燃燒狀態(tài)，值得繼續(xù)探索?？扇嘉镒陨淼目臻g異質(zhì)性，特別是枯立木，對(duì)森林燃燒性也有一定影響。在野外，隨著華山松純林的自然更新，林下可燃物的量將積累到一定程度，將會(huì)釋放更多的能量，同時(shí)，由于地表特別是樹(shù)上的枯枝，地表火焰能輕易引燃枯枝，順著枯枝蔓延到樹(shù)冠，形成樹(shù)冠火。需要采取相應(yīng)措施對(duì)可燃物進(jìn)行科學(xué)管理，如在非防火期允許當(dāng)?shù)乩习傩帐占欢康牡蚵渌舍?、小枯枝等用于中藥材三七的栽培，清理?shù)上的枯枝，減少梯狀可燃物的連續(xù)性，有計(jì)劃清除枯立木，降低樹(shù)冠火的風(fēng)險(xiǎn)，或有預(yù)案地進(jìn)行華山松林撫育更新。