紫莖澤蘭的燃燒火行為特征1)

閆想想 王秋華 張文文 龍騰騰 李曉娜 胡晶鈞 任俊橋

(西南林業大學，昆明，650224)

火行為指森林可燃物被點燃至熄滅過程中表現出的特征，受可燃物的處理方式、氣象和地形等多因素影響[1-5]。可燃物是森林燃燒的物質基礎條件，是林火行為的主體，影響著林火蔓延、林火強度、過火后的損失等[6]。國外通過地表可燃物燃燒火行為評估潛在影響的報道很多，如：Cronan et al.[7]通過研究燃燒季節對灌木和草本可燃物的影響預測在佛羅里達北部的兩個地理區域的火行為；Cruz et al.[8]對環境輸入的處理方式和火行為特征進行了分析；Fernandes et al.[9]通過模擬燃燒火行為和觀察處理可燃物和未處理可燃物的真實燃燒火行為，量化了10 a計劃燒除的殘余效應；Kreye et al.[10]研究了美國佛羅里達州松林地表火行為特征；Valachovic et al.[11]橡樹猝死對地表可燃物的燃燒火行為的影響研究。國外的大部分研究偏向于火行為的模擬實驗，真實火行為的實驗研究有限，目前國內也有大量火行為的研究，如：孫武等[12]對北京地區主要針葉林型林火行為進行了研究；田曉瑞等[13]研究了大興安嶺森林火災的火行為及可燃物變化；潘登等[14]對南亞熱帶馬尾松人工林潛在火行為進行了研究；陳啟良等[15]研究了昆明地區沖天柏林地表可燃物特征及火行為；張吉利等[16]對平地無風條件下蒙古櫟闊葉床層的火行為特征進行了研究。雖然他們對火行為進行了大量研究，但缺乏對危險可燃物，尤其是草本可燃物火行為的研究。

紫莖澤蘭是菊科(Asteraceae)澤蘭屬(Eupatorium)多年生雜草植物，根系發達，具有極強繁殖能力，傳播性強，通常為叢生或集生分布，生態適應性廣[17-18]，喜溫濕環境且能耐干旱貧瘠，植株下的溫度和濕度隨著季節的變化而變化，并在云南省廣泛分布。紫莖澤蘭在林地內嚴重影響林內草木的生長，排擠伴生植物形成大片的單優群落，導致侵入地生態環境惡化，帶來災難性的后果，已被定為Ⅰ級惡性入侵類植物[19-26]。紫莖澤蘭生長速度比較快，在一年內可以迅速長到2 m左右的高度，燃燒性較好，為樹冠火的產生提供了物質基礎。由于紫莖澤蘭的植株干枯后大部分不會倒伏，且枯葉仍掛在枝干上，在林下易與枯死的草類、小枝條形成梯狀可燃物，林火容易在垂直方向上蔓延；紫莖澤蘭干枯后倒伏，呈水平連續性，由于滇中地區的地勢復雜，尤其是在箐溝溝底、山谷等，易成為林火水平蔓延的快速過火通道，紫莖澤蘭是地表火轉化為樹冠火的關鍵[27-30]。本文通過外業調查，采取紫莖澤蘭地上部分的整個植株，并在實驗室可控條件下的燃燒床內進行燃燒實驗，研究著火、蔓延、熱釋放等特征，掌握紫莖澤蘭垂直燃燒和水平燃燒的火行為特征，為預防和撲救森林火災提供依據。

1 研究區概況

云南森林自然中心位于昆明市東北郊，包括雙乳山、元寶山、長蟲山、平頂山、摩天嶺、三尖山和石關7個林區，地處東經102°43′～102°53′，北緯25°4′～25°11′，南北長約14.2 km，東西寬約13.8 km，總面積約為1 872 hm2，森林面積為1 750 hm2。海拔2 000～2 200 m，屬亞熱帶高原季風氣候，年平均氣溫15 ℃，1月為氣溫最低月份(月平均6.8 ℃)，7月為氣溫最高月份(月平均18.2 ℃)，干濕季節分明，年降水量為980.5～1 156.5 mm，主要集中在5—8月份。森林植被以人工林為主，森林覆蓋率達到89.33%。主要喬木樹種有云南松(Pinusyunnanensis)、華山松(Pinusarmandii)、滇油杉(Keteleeriaevelyniana)、圓柏(Sabinachinensis)等；主要灌木有小鐵仔(Myusineafricana)，矮楊梅(Myricacheval)，還伴生禾本科大部分草本植物等。現云南80%面積的土地都有紫莖澤蘭分布，西南地區的云南、貴州、四川、廣西、西藏等地都有分布[31]。

2 研究方法

2.1 外業調查及樣品采集

2019年2月8—9日(云南防火期為12月1日至翌年6月15日，跨年度)在云南森林自然中心有紫莖澤蘭連續分布的沖天柏(Cupressusduclouxiana)林地內已設置的3個20 m×20 m樣地(2017年2月開始設置，并進行連續調查)，每個樣地沿對角線選取3個1 m×1 m的樣方，總計18個樣方，用收獲法采集樣品。用于燃燒實驗的紫莖澤蘭采集的地點較近，生長環境相同，保證了實驗樣品具有可比性。每個樣方測海拔、坡度、坡向等地形要素，測紫莖澤蘭高度、叢數、株數等，采集植株可燃物，取樣后用便攜式電子天平稱鮮質量帶回實驗室分析。樣方的基本特征見表1，樣方①、②、③的紫莖澤蘭樣本進行垂直燃燒，樣方④、⑤、⑥的紫莖澤蘭樣本進行水平燃燒。

表1 各樣方的特征

2.2 可燃物定量分析

含水率是森林火險預報中評價火災危險性大小的關鍵指標之一[32]，載量影響著火災的強度及蔓延速率，也是關鍵指標[33]。

風干含水率(r)=[(WH-WD)/WD]×100%。式中：WH為可燃物的濕質量(采樣時的樣品質量)，WD為可燃物的干質量(樣品在自然狀態下風干后的質量)。

可燃物載量=m/s。式中：m為樣方內可燃物質量，s為樣方面積。

燒損率=[(m1-m0)/m1]×100%。式中：m1為燃燒前可燃物的質量，m0為燃燒后剩余可燃物的質量。

2.3 燃燒實驗

在垂直燃燒的3個20 m×20 m樣地中各取3個1 m×1 m的小樣方，在實驗室內對3個小樣方內的樣品進行燃燒取其平均值作為樣方①，其余樣地的樣方依次編號為②、③，水平燃燒的編號為④、⑤、⑥，在燃燒室內設置鐵質燃燒床(長203 cm，寬127 cm，高34 cm)。坡度均設為10°，底部覆蓋一層石膏板以減少熱量損失。使用網格法用鐵絲將紫莖澤蘭上部固定在燃燒床的正中央上方，紫莖澤蘭的根部緊貼燃燒床。其中有8根熱電偶絲，分別為1、2、3、4、5、6、7、8，它們分別距離燃燒床的距離為130、110、150、70、90、30、50、10 cm，如圖1所示。

圖1 熱電偶絲在燃燒床的垂直距離示意圖

燃燒實驗時用點火器點火，用秒表記錄時間(引燃時間、火焰維持時間、蔓延時間和無焰燃燒時間)；用手持紅外測溫SL-309測火焰的溫度和無焰燃燒溫度；用SFR-Ⅲ數字式輻射熱計測量火焰的熱輻射和無焰燃燒熱輻射；同時用鋼卷尺測量火焰高度；用設置在火焰上方不同距離下的熱電偶絲連接轉換器，再用轉換器通過數據線連接電腦，導出溫度數據。可燃物每次燃燒的過程中，在燃燒床上從開始燃燒到結束燃燒1 m的距離劃分5個相等的間隔，分別在燃燒到此刻度時對應的5組或5組以上火焰溫度、火焰高度、熱輻射，選取最大值。

2.4 數據處理

用Excel 2015、Sigma Plot 12.5對數據進行處理，總點燒次數為12次，每個處理下的點燒次數為6次，計算各項最大值、最小值和平均值等，并制圖。

3 結果與分析

3.1 紫莖澤蘭的燃燒火行為

由表2可知，紫莖澤蘭垂直燃燒時的平均點燃時間大于水平燃燒，分別為31、1 s，差別非常明顯；蔓延時間為點燃后火焰到蔓延到尾端的時間。水平燃燒時的平均蔓延時間為1.67 min，垂直燃燒時的平均蔓延時間為3.50 min。

水平燃燒的平均火焰最大熱輻射與無焰燃燒平均最大熱輻射相當，都是7.23 kW/m2，垂直燃燒的火焰平均最大熱輻射與無焰燃燒平均最大熱輻射也相當，為7.24 kW/m2。無論是水平燃燒還是垂直燃燒，紫莖澤蘭在有火焰燃燒和無焰燃燒時的熱輻射接近。

表2 紫莖澤蘭的水平、垂直燃燒火行為特征

紫莖澤蘭垂直燃燒時的平均無焰燃燒最高溫度大于水平燃燒，分別為680和670 ℃；紫莖澤蘭水平燃燒時的平均火焰維持時間大于垂直燃燒，分別為5.93和5.58 min，但差距不是很明顯；紫莖澤蘭水平燃燒時的平均火焰最高溫度大于垂直燃燒，分別為761和611 ℃；紫莖澤蘭垂直燃燒的平均火焰最大高度大于水平燃燒，分別為300和120 cm；紫莖澤蘭垂直燃燒的無焰燃燒平均維持時間大于水平燃燒，分別為7.72和5.95 min。

紫莖澤蘭垂直燃燒時的平均燒損率和水平燃燒差異不顯著，垂直燃燒和水平燃燒的各指標變化不同。水平燃燒和垂直燃燒的點燃時間、火焰最大高度、火焰最高溫度、蔓延時間差異顯著(p<0.05)；垂直燃燒和水平燃燒的火焰維持時間、火焰最大熱輻射、陰燃最大熱輻射、無焰燃燒最高溫度、陰燃維持時間、燒損率差異不顯著(p>0.05)。

3.2 熱電偶法分析火焰溫度變化

由圖2可知，無論垂直還是水平燃燒，距離火焰越近，溫度則越高。除了8號熱電偶絲垂直燃燒時的最高溫度高于水平燃燒時的最高溫度，其余7根熱電偶絲均是水平燃燒時的最高溫度略高于垂直燃燒。由于8號熱電偶絲距離火焰的距離最近且在燃燒床的正中央，水平燃燒時是火焰從燃燒床的一側到另一側，隨著燃燒的進行，火焰距離熱電偶的垂直距離不變，水平距離是先縮短后增大的過程。垂直燃燒時，將紫莖澤蘭直接固定在燃燒床的正中央進行測量，火焰距離熱電偶絲的水平距離不變，垂直距離越來越遠，所以導致當火焰燒至燃燒床中央時8號熱電偶絲的溫度不是最大值。

圖2 水平燃燒(a)和垂直燃燒(b)時的熱電偶溫度變化曲線

熱電偶溫度從上升到下降之間的時間間隔為阻滯時間，是指火峰前沿穿越某一定點所用的時間，其大小影響著林火的蔓延速度和火焰深度。阻滯時間越長，火焰深度越大，蔓延速度越小。水平燃燒達到峰值溫度的時間大于垂直燃燒達到峰值溫度的時間。水平燃燒時達到峰值最短的時間為100 s左右，而垂直燃燒達到峰值的最短時間相對較小，均在38 s左右。水平燃燒維持峰值的時間比垂直燃燒較長，但火焰溫度低于垂直燃燒。在50～350 s內，水平燃燒的火焰溫度維持在400～700 ℃；在31～78 s內，垂直燃燒的火焰溫度維持在500～800 ℃。

4 結論與討論

枯死紫莖澤蘭在垂直、水平兩種不同燃燒方式下的主要燃燒火行為特征：(1)垂直燃燒的平均點著時間、蔓延時間、火焰最大高度和燒損率都大于水平燃燒；(2)水平燃燒的平均火焰最高溫度大于垂直燃燒，水平燃燒的平均火焰最高溫度761 ℃，垂直燃燒的平均火焰最高溫度611 ℃。(3)無論水平燃燒還是垂直燃燒，火焰熱輻射和無焰燃燒熱輻射接近，即水平燃燒的火焰平均最大熱輻射與無焰燃燒平均最大熱輻射都是7.23 kW/m2，垂直燃燒的火焰平均最大熱輻射和無焰燃燒平均最大熱輻射都是7.24 kW/m2，紫莖澤蘭有焰燃燒時產生的最大溫度與無焰燃燒無差別。(4)紫莖澤蘭垂直燃燒時的平均無焰燃燒最高溫度大于水平燃燒，但差異不大，分別為680和670 ℃。

水平燃燒紫莖澤蘭的點燃時間與王秋華等[12]在滇中地區入侵紫莖澤蘭的潛在火行為研究結果一致，垂直燃燒紫莖澤蘭的火焰最大高度300 cm，與王秋華等[34]在箐溝內采取紫莖澤蘭燃燒時的火焰最大高度240 cm接近。紫莖澤蘭水平燃燒時的平均火焰維持時間大于垂直燃燒，分別為5.93和5.58 min，但差距不是很明顯，這與鄭永波等[13]對紫莖澤蘭干枯莖燃燒時間的結果不同，因為實驗條件不同，其實驗是在50%的氧氣氛圍下的燃燒，而本文為自然狀態下的燃燒。由于采樣的紫莖澤蘭的葉子較少，所以無論垂直或水平燃燒時的燃燒都相對緩慢，雖然2月份是云南的森林防火期，正值紫莖澤蘭植株的枯死期，但由于是雨后采樣，和箐溝內濕潤的環境較接近。紫莖澤蘭在枯死后不倒伏，枯葉也掛在莖稈上，水平燃燒時和凋落物接近，燒掉的大部分是枯葉，枯葉引燃快，蔓延較快，熄滅也快，燃燒相對不完全，燒損率相對較小；紫莖澤蘭水平燃燒時，火焰是在水平的方向上向前蔓延，火焰蔓延的方向與火焰方向垂直，火焰高度相對較小；而垂直燃燒和枯死紫莖澤蘭接近，由于兩者均是從莖稈開始燃燒，莖稈相對枯葉較難引燃，蔓延相對緩慢，但接觸更多空氣，燃燒相對充分，燒損率較大，并且紫莖澤蘭垂直燃燒時，火焰是在垂直方向上延伸，與火焰方向一致，火焰高度也較大，因此，紫莖澤蘭垂直燃燒的火災危險性較大。紫莖澤蘭水平燃燒相對穩定且緩慢，能量釋放也比較穩定和緩慢；而垂直燃燒時，由于燃燒狀態相對不穩定，大量能量的集聚會出現劇烈燃燒的狀態，能量釋放也比較塊，導致水平燃燒時的火焰最高溫度大于垂直燃燒時的最高溫度。

由此可見，無論水平燃燒還是垂直燃燒，紫莖澤蘭燃燒時溫度很高，都會釋放較大能量，溫度遠超人體能夠忍受的閾值149 ℃[35]，熱輻射很大，即使有防護裝備，撲火人員在火場還是會受到熱傷害。同時，由于其植株防火期枯死，大部分不倒伏，凋萎的葉子懸在莖稈上，在林內，增加了可燃物的垂直連續性，形成梯狀可燃物，增強了地表火轉化為樹冠火的可能性，在林緣，成片枯死的紫莖澤蘭是火的水平通道，有利于火的蔓延。紫莖澤蘭是入侵物種，對其所在的森林燃燒性有著深刻影響。尤其在防火期，其植株枯死后，有些不會倒伏，枯葉仍掛在莖稈上，增加了可燃物的垂直燃燒性，有利于地表火蔓延、轉換為樹冠火。由于地表火轉化為樹冠火的影響因素較多，今后需繼續深入研究各種因素及其相互關系，完善實驗條件，根據紫莖澤蘭不同的林分條件[36]，結合生物學和生態學特性更系統研究紫莖澤蘭的火行為。