班擎宇，楊 輝，張 恒

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019）

森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、處置救助較為困難的自然災(zāi)害。隨著全球氣溫的不斷升高，森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)、過火面積以及破壞程度都呈現(xiàn)出上升的趨勢[1]，其中森林邊緣與草原接壤地區(qū)由于含有大量枯死草本植物，火災(zāi)危險(xiǎn)性最大[2]。這些地表可燃物具有體積小、著火點(diǎn)較低、數(shù)量較多、質(zhì)量輕、含水率較低等特點(diǎn)，易于點(diǎn)燃，是傳播火的重要途徑[3-4]。溝塘草甸火行為是指森林草原交錯(cuò)區(qū)可燃物在點(diǎn)燃后所產(chǎn)生的火焰、火蔓延及其發(fā)展過程，是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的自然干擾過程之一[5]。草本植物等可燃物作為溝塘草甸火的載體，其含水率和載量等對火災(zāi)蔓延速率、火強(qiáng)度以及輻射熱等火行為指標(biāo)具有重要影響[6]。

國內(nèi)外學(xué)者使用不同的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法對森林和草原火行為進(jìn)行了相關(guān)研究。Yospin等[7]通過分類法和回歸樹法得出高原草原和橡樹稀樹草原的樹冠覆蓋率降到57%以下，單位面積的地表火災(zāi)熱量降低了一個(gè)數(shù)量級。郭平等[8]采用室內(nèi)與野外點(diǎn)燒試驗(yàn)相結(jié)合的方式研究草地可燃物床特性與草地火行為的關(guān)系，表明可燃物量、可燃物床體積密度、可燃物床孔隙度、可燃物空間配置和坡度對火行為都有一定影響。曹萌等[9]對妙峰山林場油松和栓皮櫟枯葉地表火行為進(jìn)行研究，得出風(fēng)速和坡度是影響蔓延速率等3個(gè)火行為指標(biāo)的主要因素，但風(fēng)速的影響更加顯著。辛喆等[10]利用FDS建立了草原火災(zāi)模型，對不同溫度、地形及可燃物含水率條件下的草原火行為進(jìn)行模擬研究，得出不同影響因子下草原火蔓延速度的變化規(guī)律。Rodrigues等[11]通過對比不同火災(zāi)頻率下的火災(zāi)變量（火災(zāi)強(qiáng)度、溫度、火焰高度、傳播速率、燃料負(fù)荷、裸露土壤百分比、死燃料覆蓋率和環(huán)境變量），得出燃料負(fù)荷分布與露天稀樹草原中的燃料數(shù)量共同影響火災(zāi)行為，每個(gè)群落結(jié)構(gòu)組成部分覆蓋的土壤百分比會影響火災(zāi)溫度和停留時(shí)間，進(jìn)而影響火災(zāi)的嚴(yán)重程度。Frandsen[12]建立了森林草原地下火陰燃蔓延概率與可燃物中無機(jī)物含量、可燃物含水率和可燃物密度的三因素模型。Bradstock等[13]對野外草叢進(jìn)行點(diǎn)燒試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，火焰高度與草叢高度和草本直徑呈正相關(guān)。目前大量研究聚焦于可燃物對火災(zāi)燃燒程度的影響因素上，而對可燃物的熱輻射、陰燃熱輻射等導(dǎo)致交錯(cuò)區(qū)復(fù)燃的因素研究較少，而這一點(diǎn)對森林防火期至關(guān)重要。

以中蒙邊境阿爾山地區(qū)溝塘草甸草本植物羊草為研究對象，為了控制變量，不考慮風(fēng)速和坡度的影響，僅模擬測定平地?zé)o風(fēng)條件下羊草可燃物燃燒火行為，探究羊草的理化性質(zhì)、蔓延速率、火焰高度和輻射熱等重要參數(shù)的波動變化及其相關(guān)性，為溝塘草甸火災(zāi)的預(yù)防和撲救提供理論指導(dǎo)。

1 研究地區(qū)和研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究選擇內(nèi)蒙古大興安嶺阿爾山地區(qū)進(jìn)行取樣模擬，該地區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟的西北部。大興安嶺是我國主要木材生產(chǎn)基地，內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)總經(jīng)營面積為980.99×104hm2；活立木總蓄積為897.151 1×106m3；森林覆蓋率為78.97%；總蓋度達(dá)70%～90%；平均海拔1 200 m[14]。地理坐標(biāo)為46°39′～47°39′N，119°28′～121°23′E。阿爾山屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，地處寒溫帶，多年平均氣溫-2.3℃，氣溫日差較大,多年平均降水量為441.3 mm，無霜期短，約90 d。阿爾山內(nèi)草甸為草原化草甸，以旱中生植物為主，土壤為草甸黑土。大興安嶺廣泛分布的羊草-雜類草草甸，草群茂密，林木相連，屬于我國森林火災(zāi)高發(fā)地區(qū)，火源管理難度大，極易發(fā)生火災(zāi)[15]。

1.2 研究方法

1.2.1 外業(yè)調(diào)查

樣品采集于2018年秋季防火期，在阿爾山地區(qū)溝塘草甸羊草分布密集地區(qū)布置6塊10 m×10 m樣地。調(diào)查主要采用收獲法，在樣地四角及樣地內(nèi)對角線交叉點(diǎn)設(shè)置5塊1 m×1 m等面積的樣方。用收獲法收集每個(gè)小樣方的羊草Leymuschinensis(Trin.) Tzvel及根部，使用電子天平稱質(zhì)量記錄鮮質(zhì)量，記載日期、標(biāo)準(zhǔn)地號、可燃物種類和質(zhì)量等數(shù)據(jù)，并裝進(jìn)檔案袋帶回實(shí)驗(yàn)室，對其進(jìn)行火行為模擬與測定。

1.3 燃燒火行為試驗(yàn)

在燃燒實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)置鐵質(zhì)燃燒床（圖2），燃燒床外長203 cm，內(nèi)長200 cm，外寬127 cm，內(nèi)寬120 cm，外高34 cm，內(nèi)高32 cm，底部覆蓋1層2 cm厚的石膏板，防止散熱，將燃燒床置放于不通風(fēng)的密閉房間內(nèi)，模擬無風(fēng)狀態(tài)下的燃燒。將風(fēng)干后的可燃物均勻鋪在燃燒床上，盡可能地還原野外真實(shí)條件下溝塘草甸草本可燃物床層結(jié)構(gòu)。本研究采用混合樣品試驗(yàn)，將每個(gè)樣地采集樣品混合后進(jìn)行點(diǎn)燒試驗(yàn)，共進(jìn)行了6次室內(nèi)模擬點(diǎn)燒試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中無熄滅現(xiàn)象產(chǎn)生，6次試驗(yàn)均可持續(xù)燃燒。用點(diǎn)火器點(diǎn)燃，用秒表記錄點(diǎn)著時(shí)間、火焰持續(xù)時(shí)間、陰燃時(shí)間和熄滅時(shí)間。利用點(diǎn)著時(shí)間和熄滅時(shí)間的差值計(jì)算草本植物在野外無風(fēng)條件下的蔓延速度。用卷尺沿鋪設(shè)區(qū)域的對角線分別測四角以及對角線交叉點(diǎn)的可燃物厚度，平均值為野外溝塘草甸的可燃物床層厚度。

圖1 樣地設(shè)置示意Fig.1 Plot layout

圖2 自制燃燒床Fig.2 The self-made combustion bed

在可燃物燃燒水平中間位置的上方垂直分布著8個(gè)熱電偶絲，距離分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1 m，每隔0.05 s測定一個(gè)溫度數(shù)據(jù)，熱電偶絲連接熱電偶，熱電偶通過數(shù)據(jù)線、數(shù)據(jù)收集卡與計(jì)算機(jī)連接，所測的溫度數(shù)據(jù)保存在計(jì)算機(jī)上。用SL—309手持紅外測溫儀測量最大火焰高度時(shí)的溫度，同時(shí)用卷鋼尺測量最大火焰高度，在最大火焰高度處用SFR—III數(shù)字輻射熱計(jì)記錄熱輻射?；鹧嫦绾?，繼續(xù)用SL—309手持紅外測溫儀和SFR—III數(shù)字輻射熱計(jì)測量陰燃溫度和陰燃熱輻射。待可燃物陰燃熄滅后，稱灰分質(zhì)量。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 可燃物性質(zhì)測定

可燃物載量（W0，kg·m-2）和風(fēng)干含水率（m，%）的計(jì)算公式為：

式中：M為可燃物的干質(zhì)量，kg；S為樣方面積，m2；M1為可燃物濕質(zhì)量，kg。

2.2 消耗量和燒損率

消耗量（有效可燃物載量W，kg/m2）和燒損率（B）的計(jì)算公式為：

式中：W0為可燃物載量（kg/m2）；Wr為火頭過后的剩余載量（kg/m2）。

2.3 灰分測定

灰分測定采用干灰分法，計(jì)算公式為：

式中：X為樣品中灰分的含量，%；m1為坩堝的質(zhì)量，g；m2為坩堝和樣品的質(zhì)量，g；m3為坩堝和灰分的質(zhì)量，g。

2.4 數(shù)據(jù)整理

采用Excel 2007軟件進(jìn)行火行為參數(shù)的整理統(tǒng)計(jì)，采用Origin 2018軟件繪制不同樣地可燃物燃燒時(shí)溫度參數(shù)對比圖，采用SPSS 26.0軟件進(jìn)行方差分析(ANOVA)探究中蒙邊境阿爾山地區(qū)草本可燃物火行為參數(shù)的相關(guān)性，比較樣品火行為參數(shù)之間的差異顯著性。

3 結(jié)果與分析

3.1 中蒙邊境森林草原交錯(cuò)區(qū)羊草理化性質(zhì)分析

理化性質(zhì)反映可燃物自身的易燃性，可燃物床層厚度反映燃燒的環(huán)境，其中理化性質(zhì)指標(biāo)主要包括灰分含量、熱值和含水率。由表1可知，阿爾山地區(qū)采集的羊草含水率均值為36.33%，平均厚度為5 cm，可燃物載量為0.27 kg/m2，灰分含量為6.83%。羊草含水率、灰分含量較小，易燃，而床層厚度較低，極易蔓延并導(dǎo)致重大火災(zāi)的發(fā)生。

表1 中蒙邊境森林草原交錯(cuò)區(qū)羊草理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of Leymus chinensis in forest-steppe ecotone on the China-Mongolia border

3.2 中蒙邊境森林草原交錯(cuò)區(qū)可燃物的火行為

3.2.1 引燃時(shí)間、火焰維持時(shí)間和陰燃時(shí)間

由表2可知，點(diǎn)燒試驗(yàn)中的草本植物引燃時(shí)間為1 s，這也體現(xiàn)了草本植物的易燃性。阿爾山地區(qū)溝塘草甸羊草的火焰維持時(shí)間均值為147 s，中值為150 s，從75%置信區(qū)間來看，多數(shù)點(diǎn)燒試驗(yàn)的火焰維持時(shí)間不超過150.7 s，火焰維持時(shí)間在123～172 s之間。火焰維持時(shí)間與灰分含量有關(guān)，灰分含量越高，火焰維持時(shí)間越久。陰燃為明火熄滅后可能會引起復(fù)燃的狀態(tài)。陰燃持續(xù)時(shí)間長，在火災(zāi)后期不易被發(fā)現(xiàn)。羊草的陰燃維持時(shí)間在28～55 s之間，均值為43.5 s，中值為44.5 s。

3.2.2 蔓延速率

蔓延速率的大小影響著火災(zāi)的強(qiáng)度，蔓延速率越快，則能在越短的時(shí)間內(nèi)引燃越多的可燃物，使火災(zāi)也越難控制。羊草的蔓延速率均值為0.83 m/min，中值為0.8 m/min，從75%置信區(qū)間來看，多數(shù)點(diǎn)燒試驗(yàn)的蔓延速率不超過0.85 m/min，蔓延速率在0.70～0.97 m/min之間。小于1 m/min，蔓延速率較小，如能及時(shí)發(fā)現(xiàn)著火，采用各種滅火工具可以在火災(zāi)前期很好地控制火災(zāi)。

3.2.3 火焰特征

火焰高度可以用標(biāo)尺直接在燃燒床上測量。羊草的火焰高度均值為29 cm，中值為28 cm，從75%置信區(qū)間來看，多數(shù)點(diǎn)燒試驗(yàn)的最大火焰高度不超過30 cm，最大火焰高度在12～45 cm之間。羊草的最高火焰溫度均值為472.90℃，中值為470℃，從75%置信區(qū)間來看，多數(shù)點(diǎn)燒試驗(yàn)的最高火焰溫度不超過485.49℃，最高火焰溫度在360～590℃，最高火焰溫度達(dá)到600℃。

圖3為羊草進(jìn)行點(diǎn)燒試驗(yàn)從開始到結(jié)束時(shí)水平距離相同、垂直距離不同的火焰溫度變化曲線。從垂直方向分析，0.3 m處熱電偶所測的最高溫度范圍為203.25～280.50℃；0.4 m處熱電偶所測的最高溫度范圍為124.00～195.75℃；0.5 m處熱電偶所測的最高溫度范圍為115.75～186.50℃；0.6 m處熱電偶所測的最高溫度范圍為90.75～140.75℃；0.7 m處熱電偶所測的最高溫度范圍為72.75～121.75℃；0.8 m處熱電偶所測的最高溫度范圍為59.75～98.5℃；0.9 m處熱電偶所測的最高溫度范圍為71.00～95.25℃；1 m處熱電偶所測的最高溫度范圍為57.75～93.00℃；燃燒達(dá)到最高溫度的時(shí)間范圍為72～112 s?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的增長和燃燒的進(jìn)行，溫度上升速率越來越快，達(dá)到最高溫度之后，溫度下降速率隨著時(shí)間和燃燒的進(jìn)行越來越慢，最后趨于平緩，進(jìn)入陰燃狀態(tài)。

圖3 中蒙邊境森林草原交錯(cuò)區(qū)羊草火焰溫度變化曲線Fig.3 Flame temperature changing curves of Leymus chinensis in forest-steppe ecotone on the China-Mongolia border

3.2.4 輻射熱特征和消耗量

熱輻射是火行為的重要傳播方式，也是地表火傳播的一個(gè)重要的方式。羊草的熱輻射均值為0.94 kW/m2，中值為0.80 kW/m2，從75%置信區(qū)間來看，多數(shù)點(diǎn)燒試驗(yàn)的熱輻射不超過1.05 kW/m2，熱輻射的范圍在0.15～2.66 kW/m2。阿爾山地區(qū)溝塘草甸羊草的陰燃熱輻射均值為0.16 kW/m2，中值為0.15 kW/m2，從75%置信區(qū)間來看，多數(shù)點(diǎn)燒試驗(yàn)的陰燃熱輻射不超過0.17 kW/m2，陰燃熱輻射的范圍在0.04～0.28 kW/m2。可燃物消耗量如表2所示，在實(shí)驗(yàn)室無風(fēng)狀態(tài)下所測的羊草消耗量均值為0.2 kg；燒損率指可燃物燃燒所消耗的質(zhì)量與燒前質(zhì)量的比值，表征燃燒效果。燒損率均值在73%左右，說明在室內(nèi)無風(fēng)條件下絕大部分可燃物被消耗，燃燒比較徹底，可達(dá)到良好的火行為模擬效果。

表2 中蒙邊境森林草原交錯(cuò)區(qū)羊草火行為參數(shù)Table 2 Fire behavior parameters of Leymus chinensis in forest-steppe ecotone on the China-Mongolia border

3.2.5 單因素多元方差檢驗(yàn)

通過單因素多元方差分析將草本可燃物的火焰高度、火焰溫度和陰燃熱輻射等5項(xiàng)指標(biāo)作為因變量，將含水率作為自變量。由表3所示，火焰高度和陰燃熱輻射與含水率極顯著相關(guān)（P＜0.001），其他指標(biāo)與含水率無顯著相關(guān)性。主要是因?yàn)楹实蜁r(shí)，熱解速率較快，可燃物消耗量多，產(chǎn)生的熱解氣體多，導(dǎo)致火焰較高；同時(shí)，含水率較小時(shí)燃燒較完全，導(dǎo)致陰燃熱輻射較小，與其呈負(fù)相關(guān)。

表3 火行為參數(shù)多元方差分析參數(shù)檢驗(yàn)Table 3 Fire behavior parameter multivariate analysis of variance parameter tests

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

中蒙邊境阿爾山地區(qū)的可燃物羊草在燃燒時(shí)距離火焰0.3 m處熱電偶所測溫度變化曲線幅度差異明顯?？扇嘉镅虿菰谌紵龝r(shí)，距離火焰0.3 m的熱電偶在72～112 s時(shí)所測溫度達(dá)到的最大值范圍為203.25～280.50℃，且草本可燃物在發(fā)生火災(zāi)時(shí)溫度波動維持的時(shí)間較長，容易發(fā)生復(fù)燃現(xiàn)象。羊草燃燒時(shí)的火焰溫度變化曲線急劇上升的時(shí)間點(diǎn)不同，上升區(qū)間的時(shí)間長短不同，溫度達(dá)到的最大值不同，可能是因?yàn)楹实牟町?、燃燒的完全程度不同以及堆放方式的不同。含水率與火焰溫度上升速率呈負(fù)相關(guān)，含水率升高，火焰溫度上升速率降低，達(dá)到最高溫度的時(shí)間加長。在可燃物燃燒時(shí)距火焰0.8 m以外的熱電偶所測溫度，從點(diǎn)著開始到陰燃結(jié)束，熱電偶溫度所測的溫度范圍為59.75～98.50℃，始終低于100℃。說明距離火焰0.8 m以外的可燃物被引燃的可能性小。因此，在撲救火災(zāi)時(shí)要注意撲火人員與著火點(diǎn)的距離不小于0.8 m。

細(xì)小可燃物如草本植物、枯落物的載量和分布是決定火險(xiǎn)高低的主要因素[16]。羊草為禾本科多年生草本，具有無性繁殖能力強(qiáng)的特點(diǎn)，是北方草原區(qū)的優(yōu)勢植物[17]。阿爾山地區(qū)溝塘草甸可燃物羊草的可燃物載量為0.27 kg/m2。羊草枯死后不易分解，導(dǎo)致可燃物載量較高，且可燃物載量對森林草原火災(zāi)的蔓延速率有顯著的影響[18]?？扇嘉镙d量較高時(shí)，火焰維持時(shí)間長，火強(qiáng)度較大，破壞力強(qiáng)，不易撲滅。草本可燃物對礦質(zhì)元素累積不同而導(dǎo)致灰分含量有差異[19]，可燃物羊草的蔓延速率均值為0.83 m/min，灰分含量均值為8.50%。草本植物蔓延速率與灰分含量呈負(fù)相關(guān)，基本符合草本植物灰分含量越高，可燃物燃燒時(shí)蔓延速率越小這一自然規(guī)律，與金森等[20]的研究結(jié)果相似?？扇嘉锸巧植菰馂?zāi)發(fā)生的基礎(chǔ)，是火行為的主體，所以可燃物自身的理化性質(zhì)對火行為指標(biāo)有著顯著影響[21]。通過單因素多元方差分析，得出在低含水率條件下陰燃熱輻射較低，且與含水率呈極顯著相關(guān)?？赡苁呛瘦^高時(shí)，其在明燃狀態(tài)下，可燃物燃燒不完全，導(dǎo)致在陰燃狀態(tài)下，未完全燃燒的可燃物較多，進(jìn)行陰燃時(shí)，陰燃熱輻射較高。

在森林草原火災(zāi)的發(fā)生發(fā)展的過程當(dāng)中，熱輻射是最重要的熱量傳送形式，能夠預(yù)熱未被點(diǎn)燃的可燃物，使其很快達(dá)到點(diǎn)著溫度發(fā)生燃燒[22]?？扇嘉餆彷椛湓酱?，越容易預(yù)熱火焰前方未被點(diǎn)燃的可燃物，明火熄滅后，可燃物還有熱量釋放，若不及時(shí)采取措施，在風(fēng)速等影響下容易引發(fā)二次燃燒。因此撲滅火災(zāi)后及時(shí)采取人工調(diào)控措施能夠有效防止復(fù)燃，降低火險(xiǎn)。阿爾山地區(qū)溝塘草甸可燃物羊草的熱輻射的均值為0.94 kW/m2，陰燃熱輻射的均值為0.16 kW/m2。阿爾山地區(qū)溝塘草甸可燃物羊草的熱輻射與陰燃熱輻射差距較大，可能是因?yàn)闇咸敛莸榈牟荼局参锟菟篮笃浣Y(jié)構(gòu)仍然保持其直立形狀，燃燒較為徹底，未完全燃燒的可燃物較少，所以導(dǎo)致差距較大。且王秋華[23]認(rèn)為除上述影響因素對熱輻射大小的影響外，熱輻射可能還與點(diǎn)火的方式和坡向有關(guān)。

4.2 結(jié) 論

綜上所述，本研究收集了中蒙邊境阿爾山地區(qū)的草本植物羊草，進(jìn)行室內(nèi)可燃物模擬燃燒試驗(yàn)，并對可燃物的蔓延速率和火焰高度等火行為指標(biāo)進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1）通過熱電偶對阿爾山地區(qū)溝塘草甸羊草燃燒的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測表明，在無風(fēng)條件下，距離火焰0.8 m以外的可燃物被引燃的可能性較小。因此，在撲救火災(zāi)時(shí)要注意撲火人員與著火點(diǎn)的距離不小于0.8 m。

2）阿爾山地區(qū)溝塘草甸羊草的灰分含量較低，可燃物干燥易燃且熱輻射較大，在防火期一旦發(fā)生火災(zāi)難以控制，使損失加重。可以進(jìn)行計(jì)劃火燒來降低可燃物載量，以降低其火災(zāi)危險(xiǎn)性，由于陰燃熱輻射較小，計(jì)劃火燒安全性較高，發(fā)生復(fù)燃的可能性較小。

由于條件限制，試驗(yàn)時(shí)僅在垂直方向上設(shè)置了熱電偶。今后可布置水平方向的熱電偶監(jiān)測火行為的變化，以便全方位、多角度研究火行為參數(shù)，從而使研究結(jié)果更具有代表性和實(shí)用性，為阿爾山溝塘草甸管理提供科學(xué)依據(jù)。另外，所有試驗(yàn)均在平面燃燒床上進(jìn)行，所以不存在點(diǎn)火方式和坡向的不同，在今后的研究中應(yīng)逐步加強(qiáng)關(guān)于草本植物的點(diǎn)火方式和坡向?qū)椛錈嵊绊懙墓ぷ鳌?/p>