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Combustibles in Fires of Major Forest Fires in Kunming
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摘要: 为评估火烧迹地内可能再次发生火灾的危险性以及潜在火行为等，对西山区团结街道小妥吉村10多年后的重大森林火烧迹地进行外业调查，通过设置样地，测量样地内植被高度、盖度、冠幅等，采集样地内可燃物，包括地盘松幼、中林，光叶石栎的地表可燃物，紫茎泽兰的整个植株，在实验室测定并计算可燃物的载量、热值、灰分含量和火强度等。结果表明：地盘松幼林、中林，光叶石栎，紫茎泽兰的可燃物载量分别为0.40、0.44、0.47、1.13 kg/m2，4种林型的灰分含量分别为2.64%、2.24%、6.52%、2.25%，热值分别为20 730、21 510、20 557、19 138 kJ/kg，火强度分别1 426、1 590、745、524 kW/m；均属于中、低强度火，在有火源的情况下很有可能再次发生重大森林火灾。Abstract: In order to assess the risk of fires that may occur again in the burning area and the potential fire behavior, a field survey was conducted on the major forest fires in the village of Xiaotuo Village, Tuanjie Street, Xishan District. By setting the plot, measuring the vegetation height, coverage, crown width, etc. Collecting combustibles in the plot, including the surface combustibles of young and middle age of Pinus yunnanensis var. pygmaea, Lithocarpus mairei, and the whole plant of Eupatorium adenophora. The load, calorific value, ash content and fire intensity of combustibles were measured and calculated in the laboratory. Results show that the combustible content loads of the young and middlePinus yunnanensis var. pygmaea forest, Lithocarpus mairei and Eupatorium adenophora are 0.40 , 0.44 , 0.47 kg/m2 and 1.13 kg/m2, respectively. The ash content of 4 forest types is 2.64%, 2.24%, 6.52% and 2.25%, respectively, with their corresponding calorific value as 20 730, 21 510, 20 557 kJ/kg and 19 138 kJ/kg, respectively. Also, fire intensity of 4 forest types is 1 426 , 1 590 , 745 kw/m and 524 kw/m, respectively, which should belong to the category of medium and low-intensity fires, and it is very likely that major forest fires will occur again in the case of fire.
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森林火灾不断发生，使大片森林毁灭，导致人类生存的环境受到较大威胁[1]。森林可燃物是森林燃烧的基础，是构成林火行为的主体，其结构和组成影响林火发生与蔓延林火强度及火烧后的损失[2-7]。目前，研究火烧迹地可燃物的方法和领域多样化。基于HJ-IB卫星数据以及使用遥感数据预处理对火烧迹地可燃物调查研究[8-9]，在人工更新的情况下对北京西山林场4种林分类型下的火烧迹地植被更新[10]，在火灾后6 a左右，有不同强度火烧干扰[11]、滇中安宁“3·29”重大森林火灾[12]、森林湿地火灾[13]和次生林火[14]的可燃物的研究，在没有人为干扰的条件下，有滇中安宁地区火烧迹地光叶石栎（Lithocarpus mairei）[15]、芒萁（Dicranopteris dichotoma）、马尾松（Pinus massoniana）[16]以及大兴安岭呼中林区可燃物的研究[17]。在国外有关于美国俄勒冈州东北部[18]、华达山脉[19]、美国内华达山脉中部和南部[20]、美国西部[21]、加利福尼亚[22]、美国斯托里[23]、新西兰的南岛[24]、美国暖干混合针叶[25]、希腊克里特岛[26]和墨西哥恰帕斯的拉恩鲁西加达[27]等火烧迹地下可燃物的研究。
前人的工作对于火烧迹地可燃物的研究大多是在人为干扰的条件下或者是火灾发生后年限时间短的情况下进行的，对于火烧迹地可燃物在10多a后变化的研究很少。本研究为滇中昆明安宁2006年“3·29”重大森林火灾后的火烧迹地，尽管火灾过火面积较大，但火灾过后的10多a里火烧迹地人为干扰很少，可燃物保留较完整。选择过火范围内的小妥吉村进行调查，对发生重大森林火灾10多a后火灾迹地地盘松（Pinus yunnanensis var. pygmaea）幼、中林的林下可燃物，光叶石栎、紫茎泽兰（Eupatorium adenophorum）等可燃物进行调查，并分析可燃物特征，评估火烧迹地内可能再次发生火灾的危险性以及潜在火灾行为等，根据可燃物状况，判定再次发展为重大森林火灾的可能性，为火烧迹地管理、可燃物治理等方面提供参考，更好地贯彻“预防为主，积极消灭”的森林防火方针。
1. 研究地概况
团结街道办事处小妥吉村位于云南省昆明市西山区西北部，全村面积34.38 km2，地处东经102°20′58″～102°36′54″，北纬24°58′25″～25°12′51″，海拔高度1 890～2 366 m，山势陡峭，相对高差约460 m，属于半湿润季风气候，境内四季变化明显，夏无酷暑，冬少严寒，干湿季分明[28]。年平均气温约为14 ℃，年均降水量800～1 200 mm，年降水量集中在5—10月（占全年降水量的88%左右），11月至翌年4月降水极少（约占全年降水量的12%）[29]。2006年3月29日发生了重大森林火灾，从昆明安宁市蔓延到昆明西山区，过火面积约1 333 hm2，火灾持续时间为10 d[30]。火势猛烈，快速蔓延，地下火、地表火、树冠火立体推进，2次燃烧、火爆、矿石自燃等异常现象频频发生，在极短时间内形成了高强度的森林火灾[31]。
2. 研究方法
2.1 样地设置
2018年3月11日、4月1日到小妥吉村的2006年“3·29”重大森林火灾迹地进行取样调查（云南防火紧要期为3—4月份，此时的森林火险等级最高，调查最具代表性），调查样地特征见表1。
表 1 火烧迹地样地特征Table 1. The characteristics of forest plots in fire sites样地 样方丛数 每丛的株数 植株高度/cm 盖度/% 样地数/个 海拔/m 坡度/（°） 地理位置 地盘松幼林 5～11 3～19 76～83 30～40 3 2 340 5 102°26′10″E，25°3′26″N 地盘松中林 8～9 4～10 200～400 55～60 1 2 380 10 102°26′20″E，25°3′29″N 光叶石栎 / / 250～300 80～90 1 2 370 10 102°26′20″E，25°3′29″N 紫茎泽兰 8～10 9～10 148～150 70～75 1 2 270 15 102°26′23″E，25°3′28″N 地盘松幼林样地设置2个规格为5 m×10 m的样地，1个10 m×10 m的样地，在样地内按对角线的方式各设置3个1 m×1 m的样方；地盘松中林样地设置规格为10 m×10 m，在样地内以四角及中心的方式设置5个1 m×1 m的样方；光叶石栎样地设置规格为10 m×10 m，采用四角及中心的方式设置3个1 m×1 m的样方；紫茎泽兰样地设置规格为5 m×10 m，在样地内以对角线的方式设置3个1 m×1 m的样方。
2.2 可燃物调查
在设置的地盘松幼龄林、中龄林样地中，计算丛数，用钢卷尺测高度，用测树钢围尺测量其地径，然后将每个样方里的地表可燃物收集，称量，写上标签（标签包括样地、样方、树种、质量），共收集14个样方的样品（9个幼林样方，5个中林样方）；在设置的光叶石栎样地中，收集样方内的地表可燃物，进行分样装袋、称量、标记，共5个样方的样品；在设置的紫茎泽兰样地中，计算丛数，选5丛计算其株数，测量其高度，计算盖度，收集枯死紫茎泽兰整个植株，称重，记上样方标签，共有9个样方的样品。
2.3 指标分析
2.3.1 绝对含水率
绝对含水率的公式为：
$ {\rm{AMC}} = \left( {{W_{\rm{H}}} - {W_{\rm{D}}}} \right)/{W_{\rm{D}}} \times 100 \text{%} $
(1) 式中：AMC为绝对含水率（%），WH为可燃物的湿质量（取样时的样品质量，g）；WD为可燃物的干质量（样品烘干后的绝干质量，g）。
2.3.2 载量
载量计算方法：
$ \text{载量} = \frac{\text{样方内可燃物绝干质量}}{\text{样方面积}} $
(2) 通过跟绝对含水率的结合，可以对换成：
$ {\text{载量}} = \frac{\text{样方内可燃物质量}}{{1+{\text{绝对含水率}}}}\times 100 \text{%} $
(3) 将地盘松14个样方内收集到的可燃物，半分解的粗木质残体5个样方内收集到的可燃物，紫茎泽兰3个样方内收集到的可燃物依次用电子秤称出，计算各个出样方内载量，取平均值。
2.3.3 灰分含量
灰分含量的计算方法：
$ {\text{灰分含量}}= \frac{\text{灰分质量}}{\text{烘干样品粉末质量}} \times 100 \text{%} $
(4) 采用干灰化法。地盘松幼林3个样地9个样方的样品，地盘松中林样地5个样方的样品，共14组灰化测定。半分解的粗木质残体15组、紫茎泽兰9组进行灰化测定。
2.3.4 热值
用XRY-1C微机氧弹式热量计，采用量热法测定热值。计算公式如下：
$ Q = K\frac{{\left[ {\left( {t - {t_0}} \right) + \Delta t} \right]}}{m} $
(5) 式中：Q为预测可燃物的发热量（kJ/kg）；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（℃）；m为样品质量（g）。
将样品在电热鼓风干燥箱内烘干后，放入XRY−1C微机氧弹式热量计内安装好，各项实验步骤准备好后，启动电脑开始实验。注意内桶低于外桶温度0.5 ℃。期间观察是否正常点火，是否完全燃烧，如实验异常，需重做实验。
2.4 燃烧实验
在燃烧室内设置铁质燃烧床（长203 cm，宽127 cm，高34 cm），底部覆盖一层2 cm厚的石膏板，以减少热量损失。坡度设为10°，模拟近似无风状态下的燃烧。在燃烧床4个角设置铁质标杆（长200 cm）测火焰高度，以每个刻度5 cm标记出高度。凋落物上层和下层尽可能保持野外的状态，均匀铺在燃烧床内（厚度为10 cm），枯枝质量在1.5 kg左右，用钢卷尺测厚度。用秒表计时，记点着时间和熄灭时间。当火焰高度达到最大时，用手持红外测温SL-309（量程−40～999.9 ℃，精度±1 ℃）测火焰的温度。在距离火焰最高处，用SFR-Ⅲ数字式辐射热计（热量范围：0～10 kW/m2，误差≤±2.5%）分别在距离最大火焰10、20、30、40、50、60、80、100、150、200 cm处的热辐射，同时用钢卷尺测量火焰长度。每个试样同时做3组试验，进行对比分析[32]。
2.5 数据处理
用WPS 2015表格处理数据，通过计算得出数据的平均值、最大值、最小值和标准差等，列表比较分析。
3. 结果与分析
3.1 样地和可燃物特征
经过设置样地和分析火烧迹地主要林分特征（表1）可知，地盘松幼林、中林和紫茎泽兰的样方丛数分别为5～11、8～9丛和8～10丛，地盘松幼林、中林和紫茎泽兰每丛的株数分别为3～19、4～10株和9～10株，相比之下，紫茎泽兰最大，比较密集，这与其生长特性有关，生命力强、生长迅速、繁殖率高，属阳性偏阴植物，喜温喜湿耐旱耐贫瘠等，主要靠种子繁殖，能迅速形成单生优势[33]，多年生丛生型半灌木状杂草，根系发达，茎秆粗壮且直立[34]。地盘松幼林、中林，光叶石栎和紫茎泽兰的植株高度分别为76～83、200～400、250～300 cm和148～150 cm，其中地盘松中林的高度最高，由于地盘松属暖性常绿针叶林，生长于海拔2 200～3 100 m地区，常在干燥瘠薄的阳坡形成高山矮林或灌丛[35]。地盘松幼林、中林，光叶石栎和紫茎泽兰的盖度分别为30%～40%、55%～60%、80%～90%和70%～75%，其中光叶石栎的盖度最大，因为光叶石栎是云南特有树种，主要分布于滇中高原山地海拔1 200～2 500 m的向阳山坡，多散生于半湿润常绿阔叶林中，是阳性、旱生的常绿灌木[13]。
3.2 可燃物的理化特征
3.2.1 含水率和载量
可燃物含水率是森林火险预报中最主要的指标之一，是评价林火发生危险程度的最直接指标[36]，可燃物含水率影响着可燃物达到燃点的速度和可燃物释放的热量多少，影响到林火的发生、蔓延和强度，是进行森林火灾监测的重要因素[37]。从图1可看出：地盘松幼林、中林、光叶石栎和紫茎泽兰可燃物含水量分别为13.35%、10.91%、11.96%和10.77%，4种可燃物的含水率相差不大，但都低于15%，由于4种可燃物均为阳坡生长，取样时间是3、4月份，正是昆明地区森林防火紧要期，风大、气温高且相对湿度低，所以含水率较低。地盘松幼林、中林，光叶石栎和紫茎泽兰的灰分含量分别为2.64%、2.24%、6.52%、2.25%，灰分含量也较低。说明10多a之后的火烧迹地非常危险，很有可能发生二次森林火灾。
可燃物载量决定森林火灾的大小，是估测潜在能量释放大小的重要参数，是燃烧的物质基础，显著影响着森林火灾的强度及蔓延，载量越大，火强度越大，产生的热量也越大[11]。从图2可知：地盘松幼林、中林，光叶石栎和紫茎泽兰可燃物载量分别为0.40、0.44、0.47 kg/m2和1.13 kg/m2，其中紫茎泽兰的载量与其他3种相差甚大，是因为地盘松和光叶石栎采集的样本仅为地表的粗木质残体，而紫茎泽兰采集的是所有地表以上可燃烧的部分，因为紫茎泽兰的燃烧是整个植株的燃烧，其他参数均是在相同条件下做的对比分析。相对地盘松来说，光叶石栎的载量较大，是因为光叶石栎的盖度较大，枝叶茂盛，掉落的枝叶也较多，且林内干燥，因此可燃物载量较大。4种可燃物的载量均超过0.40 kg/m2，一旦着火，再次发生大火的可能性较大。
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图 1 火烧迹地可燃物含水率和灰分含量Figure 1. The moisture content and ash content of combustibles in fire sites3.2.2 热值
可燃物热值是单位可燃物干物质完全燃烧之后释放出来的能量值，是可燃物燃烧的重要特征，是可燃物有机化合物组成及其含量的综合反映，能有效评价植物化学能积累效率的高低，影响着火温度和火的蔓延过程，与火强度也有关，热值越大，火强度越大[32]。从图3可知：地盘松幼林、中林，光叶石栎和紫茎泽兰热值分别为20 730、21 510、20 557 kJ/kg和19 138 kJ/kg，其中地盘松中林的热值最大，紫茎泽兰的热值最小，这与林分特征、生长特性有关：地盘松属耐旱植物，在火后的山脊上连片出现，林内干燥，密度极大；主干不明显，贴伏地面，基部生多干，呈丛生状，叶易燃，常生长在干燥、瘠薄的阳坡，形成高山矮林或灌丛，林分易燃，但其本身适应能力强，在干燥、瘠薄的立地条件下也能更新。
3.3 可燃物的燃烧特征
3.3.1 火强度和热辐射
火强度是森林可燃物燃烧时的热量释放速度，是林火行为的重要标志之一，在组织灭火时要根据火强度的大小来配备相应的扑火力量，一般将火强度分为：低强度750 kW/m以下，中强度750～3 500 kW/m，高强度>3 500 kW/m[38]。由表2可知，地盘松幼林、中林，光叶石栎和紫茎泽兰火强度分别为1 426、1 590、745 kW/m和524 kW/m，其中，地盘松幼林和地盘松中林的火强度为中强度火，而光叶石栎为低强度火，接近中强度火，紫茎泽兰的火强度为低强度火。地盘松中林的火强度最大，燃烧时产生热量的速度最快，火灾危险性最大。其原因主要在于可燃物的热力学性质不同，特别是热值的差异。地盘松林地表可燃物具有很大的燃烧能量，一旦着火，很有可能释放出大量的热量，发展成中、高强度火灾，扑救非常困难，与地盘松林地表可燃物的燃烧火行为研究结果相似[39]。
在森林火灾初期，热辐射是最主要的热量传递方式，它预热了火焰前方未被点燃的可燃物，使其很快达到着火温度，从而发生燃烧，同时也是地表火传播的重要途径[39]。热辐射最大的是紫茎泽兰为6.27 kW/m2，最小的是地盘松幼林为2.98 kW/m2，说明发生火灾时，紫茎泽兰最容易预热前方未被点燃的可燃物，因为其为阳性密集丛生型，地上部分叶和杆枯死后也不会倒伏，仍然直立，是很好的过火通道，能够加速火灾的蔓延。
表 2 火烧迹地可燃物燃烧火行为参数Table 2. Fire behavior and parameters of combustibles in fire sites可燃物
类型点燃时间/s 最大辐射热/
（kW·m−2）火焰最大高度/
cm火强度
（kW·m−1）蔓延速度/
（cm·min−1）烧损率/% 地盘松幼林 1 2.98 41 1426 2.50 54.7 地盘松中林 1 5.25 64 1590 2.40 75.2 光叶石栎 65 4.85 75 745 0.75 74.1 紫茎泽兰 1 6.27 180 524 0.35 87.8 3.3.2 火焰特征
1）引燃时间。地盘松幼林、中林，紫茎泽兰的引燃时间均为1 s，而光叶石栎的引燃时间最长为65 s，因为光叶石栎采取的是粗木质残体，其灰分含量大，难以点着。
2）火焰维持时间及最大温度。由图4可知，地盘松幼林、中林，光叶石栎和紫茎泽兰的火焰维持时间分别为262、2 123、1 158 s和415 s。由图5可知，地盘松幼林、中林，光叶石栎和紫茎泽兰的火焰最大温度分别为536、608、715 ℃和719 ℃。其中，紫茎泽兰的火焰最高温度最大为719 ℃，但与光叶石栎相差不大，但光叶石栎的火焰维持时间却是紫茎泽兰的2倍多，说明地盘松燃烧时产生的能量值最大，火灾危险性也越大。说明火烧10多a之后，可燃物的能量得到了蓄积，一旦发生火灾，很可能再次酿成大火。
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图 4 火烧迹地可燃物的火焰维持时间和阴燃维持时间Figure 4. Flammable flame maintenance time and smolder maintenance time of combustibles in fire sites![]()
图 5 火烧迹地可燃物火焰最高温度和阴燃最高温度Figure 5. Maximum flame temperature and maximum smolder temperature of combustibles in fire sites3）火焰高度。用来表示火势凶猛的程度。当火焰高度达到0.5 m时，扑火人员可靠近这种火焰，直接用工具将其扑灭，当火焰高度达1.5 m时，扑火人员能用风力灭火器和地面消防车喷洒水或化学灭火剂等方法将其扑灭，当火焰高度大于2.5 m时，任何地面灭火机械都将无效[7]。由表2可知，地盘松幼林、中林，光叶石栎和紫茎泽兰的火焰高度分别为0.41、0.64、0.75 m和1.8 m，紫茎泽兰的火焰高度最高，由于紫茎泽兰是阳性草本，枯死后叶子和茎秆不会倒伏，呈现垂直燃烧，整个植株燃烧状态。总的来说，林地内4种可燃物的火焰高度均小于2 m，扑火人员可以控制，但在野外，4种可燃物一起燃烧时，火焰高度有可能远远超过2 m，扑火人员将很难直接扑灭、很难控制。
3.3.3 阴燃特征
由图4可知，地盘松幼林、中林、光叶石栎和紫茎泽兰的阴燃维持时间分别为432、557、836 s和1 380 s；由图5可知，地盘松幼林、中林、光叶石栎和紫茎泽兰的阴燃最高温度分别为384、428、524 ℃和695 ℃，阴燃时间和阴燃最高温度均是紫茎泽兰最大，因为其是强阳性草本植物，能够吸收更多的阳光，积累了更多的能量，同时，紫茎泽兰枯死后不会倒伏，呈直立状，有利于通风，燃烧更完全。阴燃进入稳定燃烧状态后无烟、气，难以被发现，在风的作用下可能引发二次燃烧，是一种安全隐患[40]。
4. 结论与讨论
在云南的森林防火紧要期内，对滇中安宁2006年“3·29”重大森林火灾的火烧迹地进行了外业调查，并进行了相关实验测定、分析和计算，结果显示：一旦发生火灾，火烧迹地上地盘松林的火势会比光叶石栎和紫茎泽兰林大很多，蔓延速率也更快，而紫茎泽兰发生2次火灾的可能性较大。地盘松幼林、中林，光叶石栎，紫茎泽兰的火强度分别为1 426、1 590、745、524 kW/m，紫茎泽兰属于低强度火，光叶石栎接近中强度火，地盘松幼林和中林都属于中强度火。原因在于载量、热值和灰分含量等的区别。地盘松幼林、中林，光叶石栎，紫茎泽兰的可燃物载量分别为0.40、0.44、0.47 k、1.13 kg/m2，紫茎泽兰的可燃物载量较大，载量越大，火强度越大；地盘松幼林、中林，光叶石栎和紫茎泽兰的热值分别为20 730、21 510、20 557、19 138 kJ/kg；而光叶石栎单位面积热量为9 464.4 kJ/ m2，与王秋华等[32]在相似地方光叶石栎灌木林死可燃物的单位面积热量为98 512.51 kJ /m2，相差10倍左右，原因在于其采集的是整个光叶石栎林内所有的死可燃物，而本实验仅采集了光叶石栎与地盘松交界处的地表可燃物，差异明显。地盘松幼林、中林，光叶石栎和紫茎泽兰的灰分含量较低，但热值很大，说明可燃物干燥易燃，在防火期有可能再次发生火灾，一旦火灾发生，火强度大，难以控制，使损失加重。
火烧迹地森林更新是生态恢复与重建的重要途径之一，也是维持森林动态稳定和可持续发展的基础[41]，火烧迹地上的地盘松林易燃，林下枯枝落叶可燃物多，呈丛生状，当发生火灾时，易从地表火蔓延到树冠，继而引发树冠火，形成高强度火。需要采取相应措施对火烧迹地可燃物进行清理，如移除或者就地掩埋部分可燃物，或允许当地老百姓在非防火期收集粗大可燃物，降低可燃物载量，减轻防火压力。结合可燃物燃烧性、地形地貌和气象特征进行火险区划，特别是划分重点火险监控区域，在防火期内制定日常巡护、重点看守路线，在防火紧要期，专业扑火队靠前部署，实现重点布防、快速出击。尽管人为干扰较少，但火烧迹地可燃物的自然状态每年都有改变，需要建立固定样地，进行多年连续跟踪调查，建议每隔5 a进行1次系统、全面的调查，制定出可行的可燃物处理预案。
致谢：西南林业大学消防工程2018届毕业生费昌称、徐文勇、房高义等一起参与了外业调查，云南生物多样性研究院的李伟副研究员帮忙修改了英文摘要，在此一并表示感谢！
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图 1 火烧迹地可燃物含水率和灰分含量
Figure 1. The moisture content and ash content of combustibles in fire sites
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图 4 火烧迹地可燃物的火焰维持时间和阴燃维持时间
Figure 4. Flammable flame maintenance time and smolder maintenance time of combustibles in fire sites
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图 5 火烧迹地可燃物火焰最高温度和阴燃最高温度
Figure 5. Maximum flame temperature and maximum smolder temperature of combustibles in fire sites
表 1 火烧迹地样地特征
Table 1 The characteristics of forest plots in fire sites
样地 样方丛数 每丛的株数 植株高度/cm 盖度/% 样地数/个 海拔/m 坡度/（°） 地理位置 地盘松幼林 5～11 3～19 76～83 30～40 3 2 340 5 102°26′10″E，25°3′26″N 地盘松中林 8～9 4～10 200～400 55～60 1 2 380 10 102°26′20″E，25°3′29″N 光叶石栎 / / 250～300 80～90 1 2 370 10 102°26′20″E，25°3′29″N 紫茎泽兰 8～10 9～10 148～150 70～75 1 2 270 15 102°26′23″E，25°3′28″N 
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表 2 火烧迹地可燃物燃烧火行为参数
Table 2 Fire behavior and parameters of combustibles in fire sites
可燃物
类型点燃时间/s 最大辐射热/
（kW·m−2）火焰最大高度/
cm火强度
（kW·m−1）蔓延速度/
（cm·min−1）烧损率/% 地盘松幼林 1 2.98 41 1426 2.50 54.7 地盘松中林 1 5.25 64 1590 2.40 75.2 光叶石栎 65 4.85 75 745 0.75 74.1 紫茎泽兰 1 6.27 180 524 0.35 87.8
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