興安落葉松人工林腐殖質陰燃燃燒溫度變化特征

尹賽男,杜 帥,單延龍,*,高 博,王明霞,韓喜越,張 昊

1 北華大學林學院,北華大學森林草原防滅火科技創新中心,吉林 132013 2 長春市安全生產應急指揮及安全監管信息中心,長春 130022

森林地下火是發生在腐殖質和泥炭層的一種森林火災,它的燃燒是一種陰燃現象。陰燃燃燒與其他形式的森林燃燒有所不同,其受外界條件影響較小,一旦發生,無論是大量降雨、天氣變化還是滅火措施,都很難遏制,這就意味著陰燃燃燒可能會持續很長一段時間(數月或數年)[1]。中國1976年在綏化地區發生的森林地下火燃燒了長達6個月的時間[2]；1997年東南亞的極端泥炭火災事件期間釋放了0.81—2.57億t碳,相當于當年全球化石燃料碳排放量的13%—40%[3]；2009年發生在西班牙戴米爾國家公園的地下火燃燒了幾個星期[4]；2010年7月,俄羅斯爆發了大規模的地下火,直接經濟損失逾150億美元[5]。由此可見,森林地下火對人類的健康和生態環境造成了重大的影響和危害。由于森林地下火的發生次數僅占森林火災總次數的1%左右,而且地下火的火行為與地表火和樹冠火有所不同,其燃燒方式隱蔽無法進行直接地跟蹤觀測,很難進行量化計算與模型的建立[6]。所以目前對地下火的研究要顯得比較薄弱。國內外學者對地下火的研究多集中在泥炭地燃燒的碳釋放、對地下水位的影響、火環境以及燃燒特征等方面的研究[7- 12]。

森林地下火是一種緩慢、無焰、低溫、持久的陰燃燃燒,整個燃燒過程都是靠自身所釋放的熱量所維持[13-14]。同時由于地下可燃物自身性質的影響,導致火線呈現出間斷不規則的燃燒路線,火災撲救時很難預測著火點和火線走勢[15- 17]。所以地下火發生時產生的溫度是研究其火行為特征的重要指標,更是森林地下火監測和撲救過程中的重要依據。而在現有的研究中以森林腐殖質為研究對象以及對陰燃燃燒溫度變化特征的研究則相對較少。大興安嶺地區是我國地下火頻發區域之一,本研究以大興安嶺興安落葉松人工林地下腐殖質為研究對象,通過室內控制點燒實驗,更加系統地對比分析不同地類和腐殖質粒徑對陰燃燃燒最高溫度的影響以及確定地表溫度變化與燃燒時間的關系。相關研究成果旨在為該地區森林地下火監測撲救過程提供科學有效的理論依據,從而最大限度地實現森林地下火的“打早、打小、打了”撲火原則。

1 研究區概況

大興安嶺位于我國最北端,是我國唯一的寒溫帶針葉林區,也是我國面積最大的林區。同時作為國家重要的生態功能區與生態敏感區,對我國東北平原乃至華北平原起著重要的生態屏障作用,具有特殊的生態地位[18- 20]。由于地理位置因素和氣象因素影響,大興安嶺是我國北方林火多發區,年均森林過火面積居全國首位[21-22]。而且隨著全球氣溫的不斷升高,導致北方林區氣候偏旱,林地地溫偏高,森林地下火的發生有增長的趨勢[10]。

本研究區域為大興安嶺地區加格達奇森林經營技術推廣站(123°57′—124°0′E,50°20′—50°23′N)(圖1)。加格達奇位于黑龍江省西北部,地處大興安嶺山脈東南坡屬于大陸性季風氣候,四季分明,氣候多變,一年四季和晝夜溫差較大。年平均氣溫-1—2℃,年有效積溫1800—2000℃,無霜期90—120 d,年降雨量為450—500 mm。技術推廣站始建于1973年,位于加格達奇區以南15 km處,北部和西部與加格達奇林業局的東風林場相接,全站施業區經營面積7326 hm2。主要樹種為興安落葉松(Larixgmelinii)、柞樹(Quercusmongolica)、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)、黑樺(Betuladavurica)等[12,23]。

圖1 實驗樣地Fig.1 Experimental plots

2 研究材料與方法

2.1 野外調查

于2018年春季防火期前往大興安嶺地區加格達奇進行野外調查。選擇該地區在不同地類下人工種植的興安落葉松林為實驗樣地,具體包括：有坡山地、塔頭甸子(塔頭甸子與林地的過渡地帶)、水濕地、無坡山地、農用地。在每個地類下隨機選取3塊30 m×20 m的實驗樣地,挖掘土壤剖面測量腐殖質厚度,并記錄樣地的基本情況,包括：海拔、經緯度、郁閉度等信息(表1)。

表1 樣地基本信息

2.2 可燃物采集與處理

在每塊樣地的對角線處分別選取3塊0.5 m×0.5 m的小樣方。去掉小樣方表層的枯枝落葉,然后挖掘整個小樣方內的所有腐殖質帶回實驗室。首先將腐殖質中殘留的枯枝落葉和植物根系挑出,之后將腐殖質裝入檔案袋中,使用鼓風干燥箱105℃,連續烘干48 h。最后將烘干的腐殖質進行粉碎并使用標準檢驗篩在每個地類下分別篩選粒徑≤20目、≤40目、≤60目、≤80目的腐殖質用于控制模擬點燒實驗。在控制模擬點燒實驗前為了減小實驗誤差將篩選好的腐殖質再次放置在鼓風干燥箱中,105℃連續烘干24 h,使腐殖質趨于絕干。

2.3 腐殖質陰燃實驗

本文使用的室內模擬點燒實驗裝置為自行組裝的地下火溫度采集系統。采集系統示意圖見圖2。模擬點燒實驗使用圓柱形陰燃反應爐,該裝置高20 cm,底厚10 cm,壁厚10 cm,內直徑10 cm。實驗所使用陰燃反應爐的制作材料為硅酸鋁陶瓷纖維,具有很好的保溫隔熱效果。使用長30 cm,直徑 2 mm的K型熱電偶采集腐殖質燃燒過程中的溫度變化,然后通過數據采集模塊將采集的數據傳輸到筆記本電腦。數據采集模塊由美國NI公司生產的16通道NI9213電壓采集板卡和DAQ- 9174機箱(4卡槽)組成。數據采集軟件使用Labview2018,該軟件可以記錄每根熱電偶采集到的溫度變化曲線。使用遠紅外加熱板作為實驗的引燃裝置,并在加熱板和電源之間連接控溫表使加熱板的溫度恒定。

圖2 地下火溫度采集系統Fig.2 Underground fire temperature acquisition system

將不同地類下不同粒徑的腐殖質分別置于陰燃反應爐中,在陰燃反應爐的側面自上而下每隔3 cm共打6個小孔。將K型熱電偶插入小孔直至腐殖質中間處。使用補償導線連接熱電偶和數據采集模塊,最后將腐殖質燃燒過程中的溫度變化數據傳輸回筆記本電腦,數據采集頻率為10 s一次。遠紅外加熱板在使用前先預熱1 h之后放置在陰燃反應爐上對腐殖質進行加熱,加熱時間為1.5 h,加熱溫度為500℃。同時為保證空氣的流通加熱板與反應爐之間保留2 cm的空隙,并在加熱板撤去后,在腐殖質層表面放置一根熱電偶用來監測地表溫度的變化。

2.4 數據處理

使用excel對數據進行初步統計整理。使用SPSS進行雙因素方差分析,顯著水平0.05,多重比較方法為LSD。使用origin軟件完成擬合方程并繪制箱式圖,其中箱式圖的箱體為所有數據的20%—80%,箱體內的橫線表示均值,上下延長線表示數據的最大值和最小值。

3 結果與分析

3.1 不同地類和腐殖質粒徑對陰燃燃燒最高溫度影響的對比分析

在實驗過程中我們發現,不同地類的腐殖質陰燃燃燒溫度變化都是先升高,達到最高溫度之后下降。而且不同地類和粒徑的腐殖質燃燒產生的最高溫度有所不同,所以本文對不同地類和腐殖質粒徑對陰燃產生的最高溫度的影響進行雙因素方差分析。

表2可知,不同地類的腐殖質陰燃燃燒產生的最高溫度之間存在極其顯著差異(P=0.000<0.01),而不同腐殖質粒徑陰燃燃燒的最高點溫度之間則不存在差異(P=0.238>0.05)。不同地類和腐殖質粒徑二者之間的交互作用也存在顯著差異(P=0.046<0.05),因此應該對兩種條件進一步進行簡單效應分析。

表2 不同地類和腐殖質粒徑對陰燃燃燒最高點溫度影響的方差檢驗

由表3可知,4種腐殖質粒徑條件下,不同地類之間陰燃燃燒產生的最高溫度皆存在差異。其中當腐殖質粒徑≤20目時,不同地類陰燃燃燒產生的最高溫度之間存在顯著差異(P=0.025<0.05)。其他3種腐殖質粒徑下不同地類陰燃燃燒產生的最高溫度之間都存在極其顯著差異(P=0.000<0.01)。

表3 不同腐殖質粒徑下不同地類陰燃燃燒最高點溫度的簡單效應分析

由圖3可知,腐殖質粒徑≤20目時,塔頭甸子腐殖質燃燒的溫度最高,燃燒的最高溫度可達741.19℃,均值631.57℃;其次是有坡山地、農用地、水濕地,燃燒最高溫度的均值為567.96℃、542.79℃、528.93℃,且4種地類腐殖質燃燒最高溫度之間不存在差異;無坡山地的腐殖質燃燒溫度最低,最低溫度僅為423.12℃,均值為458.64℃,與塔頭甸子和坡地的腐殖質燃燒溫度之間存在顯著差異。腐殖質粒徑≤40目時,塔頭甸子腐殖質燃燒的溫度同樣是最高,最高溫度為897.53℃,是所有地類的腐殖質燃燒溫度最高的,均值為686.51℃,與其他4種地類之都存在顯著差異;其次是水濕地腐殖質燃燒最高溫度的均值為530.65℃,與無坡山地腐殖質燃燒的溫度之間存在顯著差異;農用地、有坡山地、無坡山地腐殖質燃燒的溫度較低,均值分別為480.01、461.61、369.13℃,且這3種地類之間不存在顯著差異。

圖3 不同腐殖質粒徑下不同地類陰燃燃燒最高溫度的多重比較Fig.3 Multiple comparisons of the maximum temperature of smoldering combustion in different land classifications under different humus particle sizes圖上存在任意一個相同的字母表示差異不顯著(P<0.05)

腐殖質粒徑≤60目時塔頭甸子的腐殖質燃燒溫度最高為650.71℃,與其他4種地類之間也存在顯著差異;其次是水濕地腐殖質燃燒時的最高溫度均值為546.48℃,與有坡山地和無坡山地之間存在顯著差異;農用地、無坡山地、有坡山地的腐殖質燃燒溫度較低,且3者之間不存在顯著差異。腐殖質粒徑≤80目時塔頭甸子的腐殖質燃燒最高溫度均值為650.19℃,與農用地和有坡山地之間存在顯著差異;其次是水濕地和無坡山地,腐殖質燃燒的最高溫度均值分別為587.41、539.24℃,二者之間不存在顯著差異,但是皆與有坡山地之間存在顯著差異;農用地和有坡山地腐殖質燃燒溫度較低,分別為481.19、420.94℃,且二者之間不存在顯著差異。

3.2 腐殖質陰燃燃燒地表溫度變化特征

3.2.1不同地類下地下火燃燒地表最高溫度

由表4可知,塔頭甸子的腐殖質燃燒地表最高溫度除粒徑≤60目以外都是最高的;其中腐殖質≤40地表溫度最高,為618.83℃;其次是粒徑≤80目地表溫度為615.78℃,粒徑≤20目的地表溫度為545.56℃;粒徑≤60目時地表溫度最低,為450.13℃。有坡山地條件下也是腐殖質粒徑≤40目時地表溫度最高,為529.87℃;其次是腐殖質粒徑≤20目時地表最高溫度為471.86℃;腐殖質粒徑≤60目時地表溫度最低,為416.37℃。無坡山地和農用地條件下腐殖質燃燒地表的最高溫度都隨著粒徑的增加而升高,腐殖質粒徑≤80目時溫度最高分別為544.61℃、585.76℃;粒徑≤20目溫度最低,分別為485.13℃、511.82℃。水濕地條件下則是腐殖質粒徑≤80目時地表溫度最高,為573.50℃;粒徑≤40目時地表溫度,最低為511.55℃。

表4 不同地類下不同粒徑腐殖質陰燃燃燒地表最高溫度

3.2.2不同地類下地下火燃燒地表溫度與時間的關系

基于y=a×xb方程分析5種地類的不同粒徑腐殖質燃燒地表溫度與時間的關系。從表5可以看出各個條件下擬合的方程R2介于0.97—0.99之間,顯著性都小于0.01,說明地表溫度與時間之間的關系符合y=a×xb方程的變化趨勢,且擬合效果極好。且b值都要小于0,說明腐殖質燃燒的地表溫度隨燃燒時間的增加而逐漸降低。

表5 不同地類下不同粒徑腐殖質陰燃燃燒地表溫度與時間的關系

4 討論

4.1 腐殖質陰燃燃燒溫度研究的重要性

林火行為是指森林可燃物從被點燃開始到發生發展直至熄滅的整個過程中所表現出的各種現象和特征[24]。森林地表火和樹冠火發生時整個燃燒過程人們可以通過肉眼或借助無人機、衛星遙感等手段進行觀測,這兩種林火類型也一直是國內外學者研究的重點,經過多年的研究針對于這兩種林火的預防、監測和撲救方法和技術要比地下火成熟[17]。對于地下火來說,由于其隱蔽性極強且發生時多伴隨著地表火發生,所以在撲救過程中極易被忽略,而當地下火蔓延到地縫或者腐殖質較薄的地區就會轉變為地表火或是樹冠火。在這種情況下引起的林火隨機性很強,時間和地點等都很難預測,稍有不慎就有可能發展成重特大森林火災。森林地下火與地表火和樹冠火不同,地下火發生時沒有火焰[25],所以很難對其火強度、蔓延速度等火行為指標進行研究。但是任何物質的燃燒都會釋放熱量,森林地下火也是如此,所以地下火燃燒所產生的溫度是開展地下火相關研究的基礎。本文通過室內控制點燒實驗,對大興安嶺地區不同地類下種植的人工興安落葉松林腐殖質陰燃燃燒產生的溫度變化特征進行了分析。研究過程中腐殖質陰燃燃燒的特點和溫度變化趨勢與Huang和辛穎等人研究結果基本相符[26-27],而且本研究所選取的實驗樣地和可燃物具有代表性,研究結果具有較高的實用性。

4.2 腐殖質陰燃燃燒溫度特征

可燃物是森林燃燒的物質基礎,是燃燒三要素之一,可燃物的空間分布、大小、形狀等特征影響著林火的發生及發展。通過簡單效應分析發現,不同腐殖質粒徑下不同地類的腐殖質陰燃燃燒溫度之間存在顯著差異。何誠[28]、李世友[29]等學者在相關研究中也指出不同類型的可燃物所表現的陰燃燃燒特征也是不同的,這與本研究的結果基本一致。在5種地類中塔頭甸子在任何一種腐殖質粒徑下陰燃燃燒溫度都是最高的,最高溫度可達897.53℃。辛穎[26]、Valeria[1]、Restuccia[30]等學者進行的相關研究中,陰燃燃燒的最高溫度為600℃左右,而本研究進行腐殖質陰燃燃燒實驗時產生的最高溫度要遠高于600℃,表明腐殖質燃燒時所釋放的熱量還有很大的上升空間。這樣高的燃燒溫度對植物的根系損傷很大,可直接導致植物死亡,從而造成樹木的大面積倒伏,同時對土壤結構和地下水位也有一定的影響。這是由于塔頭甸子是由沼澤地上生長著以苔草為主的草本沼澤植物而形成的。由于沼澤地的通透性差,導致有機質不易分解,地下存在大量的草根[31]。胡海清[32]和洪嬌嬌[33]等人在相關研究中提出可燃物的有機質含量對林火強度存在一定的影響。而大興安嶺地區還分布著大面積在塔頭甸子種植的興安落葉松林[16],所以該地類是森林地下火的易發區和重災區。

4.3 腐殖質陰燃燃燒地表溫度在地下火監測和撲救中應用建議

由于地下火具有極強的隱蔽性,所以在撲救過程中存在著極大的困難和危險,目前挖掘防火溝是撲滅地下火最有效的方法,但是地下火火場邊界很難界定,因此在撲救過程中會耗費大量的人力物力財力。并且具有經驗的撲救人員講,下雨天或下雪天最有利于地下火的監測和撲救,因為地下火的燃燒會引起地表雨水蒸發或積雪融化,極易被森林消防人員發現。所以地表溫度可以作為監測地下火發生和確定火場邊界的重要依據。根據對腐殖質陰燃燃燒地表溫度變化監測可知,不同地類腐殖質燃燒的地表溫度較高,最高溫度可達618.83℃。如此高的地表溫度極有可能會給撲救人員帶來損傷,所以在撲救過程中非必要情況不要進入火場,可以先大量澆水來降低地表溫度,進入火場后也要注意腳部和腿部的防護。腐殖質燃燒地表溫度隨時間的增加而降低。這是由于森林地下火剛發生時,著火點距離地表較近,導致地表溫度較高。但是隨著燃燒向下蔓延,深層腐殖質燃燒所釋放的熱量被上層的可燃物阻隔,地表的溫度也在逐漸降低直至穩定。針對易發生地下火的地區,如塔頭甸子和水濕地等地發生地表火時要提前挖掘防火溝,撲救時對腐殖質也應該進行澆水降溫處置。一旦忽略地下火的發生,之后將很難監測,從而造成更大的森林資源損失。

5 結論

腐殖質粒徑對陰燃燃燒最高溫度的影響不存在顯著差異,在相同腐殖質粒徑條件下不同地類對陰燃燃燒最高溫度存在影響。塔頭甸子和水濕地的腐殖質陰燃燃燒溫度較高,有坡山地、農用地、無坡山地的腐殖質陰燃燃燒溫度相對較低。所有地類的腐殖質陰燃燃燒地表溫度隨時間的增加而降低,變化趨勢符合y=a×xb方程。當燃燒時間為15—20 h時地表溫度基本趨于平穩,并且當地表溫度穩定時也要高于室溫1—5℃。