Characteristics of fire behavior in prescribed burning under Pinus yunnanensis forest

研究区位于云南省玉溪市新平县(23°38′15″~24°26′05″N，101°16′30″~102°16′50″E)。县域地势西北高、东南低，局部为深谷，最高海拔为3 165.9 m，最低海拔为422.0 m。土壤类型以红壤和赤红壤为主。林地和农田为县域内主要的土地利用方式，草地次之^[21]。县域内立体气候明显，年最高气温为32.8 ℃，年最低气温为1.3 ℃，年平均气温为18.0 ℃，年降水量为869.0 mm，年日照时数为2 838.0 h，无霜期为316.0 d。全县天然林面积为21.9万hm²，蓄积量为1 898.0万m³，人工林(含飞播林)面积为9.6万hm²，蓄积量为531.0万m³，飞播林结构与树种组成较为简单，多为云南松^[22−23]。由于云南松针叶、小枝条和树皮油脂含量高、易燃，因此云南松林属于易燃林分类型，但树皮较厚，具有一定的耐火和抗火能力^[24]。该县已经对云南松林开展了近20 a的计划烧除，很少跑火。

2022年1月11—14日在新平县照壁山云南松林连续分布区，沿海拔每隔10 m平行设置3~5个20 m×20 m的样地，每个样地内梅花状布置5个1 m×1 m的小样方，合计10个样地，50个样方。记录每个样地内的经纬度、坡度、坡向、坡位和郁闭度等信息，对胸径≥2 cm的乔木进行每木检尺并测量树高和枝下高。采用全收获法收获每个小样方内的松针凋落物、草本凋落物和枯死的蕨类，称其质量。所选样地均位于阳坡中上坡位，坡度为15°~25°。根据地表可燃物类型的不同，将地表细小可燃物主要是蕨类和松针的云南松林称为蕨类云南松林，将地表细小可燃物主要是禾本科Gramineae草类和松针的云南松林称为禾本云南松林。

云南省的森林防火期为每年12月1日到第2年的6月15日，防火紧要期为每年3—4月。2022年2月12日下午本次计划烧除在1月所设样地内开始。气象观测：计划烧除前、烧除过程中用手持气象仪现场观测气温、相对湿度等气象参数。点烧方法：以现有防火道路为依托，使用风力灭火机把道路上的凋落物吹到山下一侧，形成良好的防火隔离带。沿着防火隔离带，用滴油式点火器点下山火。火中观测：沿着火线蔓延方向，当燃烧相对稳定时，测量火焰高度、温度和蔓延速度。①火焰高度的测量。当样方过火时，用钢卷尺测定4个顶点和对角线交叉点共5个位置的火焰高度，取平均值。②火焰温度的测量。用手持式非接触红外线测温仪(DTM-T1)对样方若干点进行测量，取平均值。③火蔓延速度的测量。采用线速度方法测定火头在小样方内蔓延1 m所需时间，每个样方设置3组计时点，取平均值。火后评估：计划烧除结束后第2天测定火烧后样地内可燃物载量与分布特征，调查火烧迹地花脸率。采集样方内可燃物样本带回实验室测定热值，每组测3次，最终取固定值20 MJ·kg⁻¹为计划烧除地表凋落物的热值。

火线强度(I)计算公式(即拜拉姆公式)： I=0.007HWR。其中：I为火线强度(kW·m⁻¹)；H为热值(J·g⁻¹)；W为有效可燃物载量(t·hm⁻²)；R为蔓延速度(m·min⁻¹)。采用上式得到的火线强度为潜在最大值。烧除率(R)计算公式：R=(W₀−W₁)/W₀×100%。其中：W₀为烧除前可燃物载量(t·hm⁻²)；W₁为烧除后可燃物载量(t·hm⁻²)。花脸率(r)计算公式：r=(A₁/A₀)×100%。其中：A₀为计划烧除面积(m²)；A₁为未过火面积(m²)。

用Excel 2018进行数据汇总、整理和初步分析，用Origin 2018绘图，用SPSS 18.0对云南松林地表可燃物燃烧特征进行方差分析。

滇中高原的云南松林是季风常绿阔叶林被破坏后所形成的次生林，新平县照壁山云南松林为20世纪80年代飞播造林后自然生长形成的半天然林^[25]。经过30余a的人工抚育和自然稀疏，研究区的云南松林分结构稳定，蕨类云南松林和禾本云南松林受海拔影响，林分特征差异如表1所示。云南松林为中龄林，上层林木郁闭度为0.6，枝下高度平均大于7 m。缺乏梯状可燃物，低强度地表火难以形成树冠火。云南松林地表可燃物含水率为12%，地表可燃物载量平均为0.68 kg·m^–2(6.8 t·hm⁻²)。有研究表明^{[1, 26]}：当直径＜7.6 cm的可燃物少于10 t·hm⁻²时，应在含水率为10%~12%时点烧。对2组样地的林分特征进行成对t检验表明：2种可燃物类型的林分特征无显著差异，长势较一致。

已有研究表明^[27]：实行计划烧除的最佳气象因素指标为风速＜6.0 m·s⁻¹，空气湿度为30%~50%，气温为−5.0~10.0 ℃，可燃物含水率为7%~20%，大气气团应相对稳定。由于地表可燃物燃烧释放出大量热量，需随时记录气象数据有助于提前部署扑救力量，防止跑火。本次计划烧除的气象条件为多云天气，气温为14.0~16.0 ℃，相对湿度为40%~45%，林缘平均风速为0.5 ｍ·s⁻¹，阵风最高风速为1.2 m·s⁻¹。各项技术指标符合《云南省森林防火计划烧除规程》和《云南松林计划烧除技术规范》。为了随时准确地把握林地气象因子的变化情况，隔30 min测定气温、相对湿度和风速(表2)。计划烧除开始后，林内气温明显升高，最高达24.0 ℃，比林外高3.5~6.0 ℃。

计划烧除在阳坡实施，试验样地选取在靠近防火隔离带的安全位置。由表3可知：蕨类云南松林地表可燃物燃烧时的火焰高度为(80.20±7.50) cm，是禾本云南松林地表可燃物火焰高度的2倍，两者差异显著(P＜0.05)。由于蕨类植物株高较高，平均高度达0.6 m，且冬天枯死后立于地表不倒伏，因此在蕨类云南松林地表可燃物进行计划烧除时火焰高度最高可达0.9 m。可燃物的高度对于火烧类型从地表火向树冠火过渡起决定性作用^[28]。一般而言，安全用火的平均火焰高度不得高于1.5 m，在此标准内执行火烧，扑火队员可利用扑火机具(如风力灭火机和背负式水枪)控制火场。

2种不同可燃物类型的火焰温度相差不大，温差保持在10%以内，原因是2种地表可燃物均以松针凋落物为主，蕨类云南松林燃烧时的温度略高于禾本云南松林燃烧，但无显著差异。

火场立地条件影响林火蔓延速度，林火蔓延是由一个封闭曲线扩增成另一个封闭曲线的过程，坡度越陡，林火蔓延的速度越快^[29−30]。结合表1和表3可知：蕨类云南松林所在坡度较大，其火线蔓延速度较禾本云南松林快30%。本研究采用下山火点烧技术，林火种类为稳进地表火(蔓延速度＜4 km·h⁻¹)，可明显降低林火蔓延速度，保证用火安全^[31]。

人工灭火的火强度上限为1 000 kW·m⁻¹，通常不能超过中等强度^[32−33]。由图1可以看出：试验样地的火线强度均小于750 kW·m⁻¹，是低强度火。火线强度的大小与可燃物载量、气象、地形等因素关系密切，由于3号样方地表可燃物载量大，所处地形较陡峭，因此导致该样方出现最大火线强度。火线强度的大小也可以作为营林用火指标，以最小损失换取最大成果，即以小火防大火。

Figure 1.  Fireline intensity of prescribed burning in P. yunnanensis forest　　　　　　　　

对2组样地10个小样方的火线强度、火蔓延速度和火焰高度进行相关分析表明(表4)：火焰高度与火线强度和火蔓延速度呈极显著正相关(P＜0.01)，火蔓延速度与火线强度呈显著正相关(P＜0.05)，其中火焰高度与火线强度的相关系数达0.794，为最大。因此在烧除试验过程中可采用观察火焰高度来推测火线强度是否超过低强度火烧的临界标准。方差分析结果表明：2类可燃物类型的火焰高度、火焰蔓延速度和火线强度存在显著差异(P＜0.05)，若蕨类云南松林发生火灾，各项火行为参数偏大，扑火救援难度将提高。

研究区地表可燃物载量介于0.52~0.88 kg·m⁻²之间(表1)。图2A是烧除试验开展前1个月在研究区所记录的实拍图，图2B和图2C分别是烧除试验中从地面与空中拍摄，图2D是烧除后的火烧迹地。通过现场调查发现：低强度的计划烧除对乔木的影响微乎其微，只将下部枝干熏黑但并未灼伤，林冠层几乎没有任何损伤；大多数灌木层枝叶仍保持原状，部分矮灌木底部树叶被烤焦，是否烧死需另设样地后续跟踪研究；地表层凋落物过火情况明显，枯草、松针、蕨类等基本被烧光，枯枝的烧伤程度由径级决定。

Figure 2.  Comparing characteristics before and after the prescribed burning of P. yunnanensis forest

由表5可知：云南松纯林地表可燃物计划烧除率介于59%~75%之间，烧除效果明显。火烧强度和烧除率并不是呈现简单的线性关系，例如3号样方的火线强度最高，为369.6 kW·m^–1，但其相对应的烧除率并非最大值。由于采用下山火点烧技术，火焰与火头前进方向相反，会对燃烧过的可燃物进行二次燃烧，因此坡度越大烧除效果越好。对火烧迹地调查发现：样方中出现部分未被火烧的小面积植物，称为“花脸”。造成花脸的主要原因是小地形的变化，如坡地上的凹洼地，湿度大，又减缓了火蔓延速度，地表火从两旁绕过或跃过。一般来说上山火造成的花脸率远高于下山火，因为上山火蔓延速度很快导致燃烧不均匀、不彻底，留下许多未烧地块^[1]。方差分析结果表明：2种可燃物的烧除效果无显著差异。在云南松纯林不同可燃物类型中开展计划烧除，均能达到清理林下可燃物的效果，且能保证一定效果的烧除率。

低强度计划烧除能有效调控易燃可燃物，减少云南松林地表可燃物载量，烧除率在60%以上，实现火管理目的。本研究区云南松林为20世纪80年代的飞播林，枝下高在7 m以上，灌木很少，林下可燃物垂直连续性较差，计划烧除中最大火焰高度低于1 m，引发树冠火的概率极低，且对上层林木的生长没有明显影响。本次烧除采用下山火的点烧技术，实施过程中多项技术指标高于《云南省森林防火计划烧除规程》和《云南松林计划烧除技术规范》要求，研究结果对林火管理实践工作有一定的指导意义。计划烧除火行为特征表现为林火蔓延速度慢，保持在20 m·h^–1以内，稳进地表火对细小可燃物消耗彻底；火线强度均低于750 kW·m^–1，是低强度火，火势在人工可控范围内，能保证用火安全。

本研究从林火管理角度研究了在云南松纯林开展林下计划烧除过程中地表可燃物的火行为特征。尽管与云南松林大面积森林火灾的火行为有较大区别，但也能较好地反映计划烧除过程中各项火行为指标间的相关联系，可为森林火灾的安全扑救提供一定参考。计划烧除减少了危险可燃物，切断了可燃物的连续性(水平和垂直方向)分布，降低了火灾的发生率和火烧程度，是预防森林火灾的有效措施。将来研究应集中于：①持续定位研究计划烧除，创新更好的点火技术，提高烧除效率，提出科学的烧除间隔周期等。②应考虑计划烧除过程中烟气排放规律，特别是集中连片烧除产生的烟气成分及含量和迁移消散规律等，减少计划烧除造成的空气污染。③参考2021年全国第1次自然灾害风险普查中森林可燃物普查专项的调查结果，结合新一轮地区森林火险等级，确定更合适的计划烧除时间。④探讨计划烧除的长期影响，如对生物多样性和当地经济社会的影响。