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龙腾腾，李佳琳，王劲，张文文，王秋华
(西南林业大学土木工程学院，昆明 650224)
火是森林生态系统中广泛存在的双重干扰因子，不同强度的火干扰构成生态系统的不同火险等级、火后更新及功能恢复[1]。计划烧除有目的、有计划地将低强度火因子引入森林生态系统，重建林分结构和地表可燃物特征，达到合理且有效防控火发生和蔓延的目的[2]。计划烧除能减少森林可燃物，其烧除次数增加可降低树冠火发生概率，但在烧除过程中必须控制火强度，高强度烧除会影响森林结构及功能[3-5]。由于火强度直接影响主干烧焦的高度(茎焦高度)，增加火强度会导致植物死亡率上升[6-7]。生态学家发现土壤有机碳含量短期内会随烧除火强度增加而降低[8]。因此，明确不同计划烧除火强度的防火效果，可为科学精准地实施计划烧除提供理论支撑和实践指导。由于林火的复杂性及实体实验的条件限制，计算机数值模拟已经成为重要手段。国外学者提出了基于物理模型的火灾模拟，并将其运用到实体模型中进行验证[9]。Lopes等[10]利用椭圆模型，通过输入燃料特性和环境参数，研究了半经验模型下的火蔓延。国内部分学者基于场模型软件FDS，模拟分析不同可燃物的场蔓延，并提取其场分布规律[11-12]。目前的研究焦点都集中在单次火灾事件在大尺度上的宏观火蔓延，而计划烧除是研究中、小时空尺度火干扰对燃烧区域植被长期累积的反馈及影响。
图1 采样设置图Fig.1 Sampling setting diagram
我国计划烧除主要在西南林区针叶林、东北及内蒙古林区的人工针叶林和针阔混交林得到广泛应用，其中云南林区易发生重大森林火灾，是我国实施计划火烧最早和面积最大的地区之一[13]。云南省是较早实行飞播造林的地区之一，形成了以云南松(Pinusyunnanensis)等为主的飞播林群。云南松在云南省的分布面积约5×106hm2，约占云南省林地面积的52%，是滇中地区成林面积最广的森林植被类型。云南松林木富含高燃油脂，一旦发生林火，尤其是树冠火，会造成毁灭性影响[14]。戚书玮等[15]对计划烧除20年后恢复1年的云南松林地研究发现，计划烧除对于云南松生长无显著影响，可作为云南松林防火与经营的一种方法[15]。云南松林地形地貌、气候及火源形成的特殊生境，使得物种在不断进化中产生了对周期性火的适应性[16]。如厚树皮，发生火烧次数越多，树皮越厚，树皮厚度的增加能在一定程度上增加防火能力；
频繁火烧区域松针可燃性强于未火烧地区，其点燃时间更短，燃烧时间更长，释放热量更多[17]。
本研究在连续进行计划烧除的滇中地区新平县云南松纯林样地进行长期定点监测，通过野外采样及实验室测定获取云南松树皮、地表凋落物松针燃烧性能参数，利用Pyrosim模拟不同火强度下的林火蔓延，分析温度、速度等场模型来综合评价计划烧除，以期为精准实施计划烧除、实现森林防火效应与生态效益的统一提供依据。
1.1 研究区概况
研究区位于云南省玉溪市新平彝族傣族自治县南部照壁山(102°00′19″～102°02′10″E，24°01′15″～24°02′27″N)，属温带气候区。取样地年总日照时长约2 800 h，年均气温17.9 ℃，年降水量869 mm，林区内较为干燥，无霜期316 d。照壁山自20世纪90年代后期开始每年1月底至2月中旬进行计划点烧，从未间断。2019年计划烧除时间为2月12日—13日。2020、2021年未开展计划烧除，2022年2月12日进行烧除。
1.2 研究方法
1.2.1 样地设置与样品采集
于2020年1月9日—15日(防火紧要期内)，选取距2019年2月进行计划烧除后约1年具有代表性的5块样地进行调研，样地大小为10 m×10 m;同时选择生境条件基本一致但从未计划烧除的5块样地作为对照(图1)。详细记录地理位置、坡度、坡向、坡位，每木检尺并记录样地内所有云南松的树高、枝下高、胸径，估测林分的郁闭度，计算林分的密度。沿每个样地对角线设置1 m×1 m小样方，用收获法称取可燃物，取样后用塑封袋密封并带回实验室。并在每处标准样地中按照“S”形至少选取5个取样点，测量取样树木的胸径、树高、过火高度，并记录取样高度和树皮厚度。用刀在不同方向上采集树皮，所取树皮样品大小约10 cm×3 cm，分别放在信封中并做好标记带回实验室。
1.2.2 实验测定
树皮厚度使用游标卡尺，在取样现场对所取树皮样品进行反复测量，并记录测量数据，后期数据处理取其平均值；
使用XRY-1C型微机氧弹式热量计测定热值；
MDJ-300S密度测定仪测定密度；
DW-02测定仪测定燃点。
1.2.3 计算机模拟
Pyrosim是基于FDS开发的可视化火灾数值模拟软件，依据流体动力学理论，能够搭建并模拟复杂火灾场景效果，通过Smokeview输出温度、浓度、速度等场分布预测火灾发生、发展规律，被广泛应用于各领域火灾仿真模拟。
2.1 模型建立
基于实地采样数据1∶1建立Pyrosim数值模型，其中，云南松林木采用锥柱模型[18]，选择蒙特卡洛法随机分布在网格内，树干表面为纤维素。计划烧除前燃烧模型为松针+云南松林木，根据实地测量结果，设定松针表面积∶土壤表面积=9∶1；
烧除效果设定计划烧除后松针表面积∶土壤表面积=2∶ 8，烧除后树干靠近地表面处形成一层较薄的碳化层，设定为纤维素和碳质量比为17∶3的表面，如图2所示。模型水平方向和冠层下表面均设有热电偶，水平方向每隔2 m设置1个，用于计算火焰水平蔓延速度；
冠层下表面热电偶用于测量松针是否达到分解温度，进而判断计划烧除所产生的热量传递是否足以引燃云南松树冠。整个计划烧除模型搭建如图3所示。
图2 云南松表面碳化层Fig.2 Carbonized layer on the surface of Pinus yunnanensis
图3 计划烧除Pyrosim模型Fig.3 Planned burning Pyrosim model
2.2 参数设置
对采集的松针和树皮在实验室进行密度、燃烧热和碳化层厚度测定，并参考相关研究的参数设置，模型中材料的表面结构组成和性能参数如密度、热传导率和反应热等如表1所示。
表1 材料组成及性能参数Table 1 Performance and material composition
2.3 火强度设定
考虑计划烧除是低强度火烧，模型分别设置6种不同火强度工况：50，100，200，500，1 000，2 000 kW/m，分别对云南松林进行数值模拟。
数值模拟结果表明：火强度为50和100 kW/m时，计划烧除前后火源温度均为300～500 ℃；
火强度为1 000和2 000 kW/m时，计划烧除后火焰高度达2.3 m。根据王秋华等[4]通过燃烧床模拟计划烧除的结论，计划烧除的火焰高度小于50 cm且火源温度接近600 ℃。因此，本研究将与火场实际情况不符的火强度场景模拟结果舍弃，重点分析200和500 kW/m的情况。
3.1 水平方向温度场分布
距离火源位置2 m处的水平方向温度场分布情况见图4。从图4a可以看出，计划烧除前，不同火强度下火源周边区域温度场表现出显著差异。火强度为200 kW/m时，火源周边区域经过近80 s的预热时间，才开始出现骤然升温达到火灾发展阶段，最高温度为700 ℃；
而火强度为500 kW/m时，地表可燃物只需要30 s发展到猛烈燃烧阶段，到达最高温度接近1 000 ℃。在森林火灾发生发展过程中，非接触式的热辐射传播，通过预热未点燃的可燃物，使其迅速达到着火点温度，继而维持燃烧现象，成为地表火快速蔓延传播的主要路径。火强度越大，引燃前方可燃物越容易，由低温无焰燃烧发展为明火燃烧所需要的时间越短。图4b显示，两种火强度下计划烧除后火源附近温度场分布较烧除前均有大幅度下降，火焰均难以在水平方向上蔓延扩散，无法形成大面积火灾，火蔓延速度随火强度降低而减小。一方面是因为计划烧除能有效清理地表凋落物，地表松针表面积与土壤表面积比由0.8降至0.2，大大降低了地表可燃性；
另一方面，周期性计划烧除火干扰使得云南松树干表皮形成了5 cm碳化层，对火产生了一定的适应性，增强了其阻火性能。
图4 火源附近温度随时间变化情况(L=2 m)Fig.4 Variation of temperature near fire source with time(L=2 m)
3.2 垂直方向温度场分布
t=60 s时，火强度为200和500 kW/m情况下冠层底部温度场分布见图5。观察图5a、c可知，计划烧除实施前冠层表面温度值随火强度增加而升高，当火强度增大到500 kW/m时冠层表面温度高达894 ℃，极易形成树冠火。由于木材在280～500 ℃会发生热分解，因此该火强度下冠层下表面均处于着火状态，地表火焰开始向上垂直蔓延至冠层。图5a中火场面积较图5c有明显的扩大，能够蔓延至相邻树冠表面。对比分析图5b、d发现，实施计划烧除后，冠层表面温度均呈现显著骤降趋势，200 kW/m冠层表面最高温度为常温状态(24.3 ℃)，当火强度增加至500 kW/m时，冠层最高温度达40.9 ℃。一方面计划烧除后，地表可燃物载量降低，可燃物在垂直方向上无法形成较好的连续性，冠层下表面温度难以达到可燃物的着火点，且高温区范围向火源正上方缩减，但火强度增加，会影响操作人员的热舒适感。可见，合理掌控计划烧除火强度，可更加精准实施营林性用火，保障实施烧除人员人身安全。
图5 冠层表面温度场分布图(t=60 s)Fig.5 Distribution of canopy surface temperature field(t=60 s)
3.3 火蔓延速度场分布
选取时间节点20，60和100 s，对比计划烧除前后不同火强度的蔓延情况(图6)。计划烧除前，当火强度为200 kW/m时，燃烧能在短时间内向四周蔓延，而计划烧除后燃烧无法形成蔓延，火焰只维持在火源中心；
当火强度升高至500 kW/m时，计划烧除前火蔓延速度极快，不到80 s的时间蔓延至整个模型。云南松地表可燃物主要有松针、枯枝等凋落物，如果不及时抚育、清理，即使地表火为低强度火，一旦着火，地表火很可能蔓延到树冠，形成树冠火。这与王秋华等[19]对华山松纯林中地表可燃物蔓延行为的研究结论一致。
图6 火蔓延速度随时间变化情况Fig.6 Variation of fire spreading speed with time
运用逐差法对火蔓延速度进行计算，具体公式如下：
式中：v为火蔓延速度；
L2为t2时间点火焰位置；
L1为t1时间点火焰位置。
根据计算得知，计划烧除前，200 kW/m中水平方向上火蔓延速度为2.2 cm/s，垂直方向为2.00 cm/s；
500 kW/m中水平方向上火蔓延速度为4.8 cm/s，垂直方向为5.06 cm/s。火焰在垂直方向上受火强度影响较大，水平方向上蔓延速度增长较缓慢，主要是因为热辐射通量不足以引燃地表可燃物。计划烧除后:火强度为200 kW/m时，火焰最高温度仅为216 ℃，火焰无法蔓延；
火强度为500 kW/m时，火焰最高温度为557 ℃，火蔓延速度为1.2 cm/s，蔓延速度较计划烧除前下降76.3%。
3.4 质量燃烧速率
质量燃烧速率反映的是单位时间可燃物燃烧数量。从图7a可以看出，计划烧除前，可燃物质量燃烧速率随火强度增加而增加，当火强度从200 kW/m增加至500 kW/m时，质量燃烧速率从1.1 g/s升高至2.6 g/s，燃烧过程从初期阶段过渡至充分发展阶段所需时长从60 s明显缩短至20 s。由于燃烧过程进入发展阶段后，火焰反馈的热量主要用于加热地表可燃物挥发的可燃蒸气，火场温度逐渐升高，可参与燃烧的可燃物数量随之增加，进而质量燃烧速率不断增加。观察图7b得知，实施计划烧除后两种火强度下质量燃烧速率均出现显著下降，降幅均达95%以上，充分说明计划烧除能够极大减少地表可燃物数量，能显著降低区域火灾风险。
图7 火强度对质量燃烧速率的影响Fig.7 Effect of fire intensity on mass combustion rate
计划烧除作为一种常见且重要的可燃物调控措施，能有效预防大面积森林火灾发生风险。计划烧除前火源中心可燃物点燃后产生的热通量，通过辐射和对流等方式向前进行传播，能迅速预热引燃相邻可燃物，传播速度随火强度增加而加快；
火强度增大的情况下，由地表火发展为树冠火的可能性增加。通过对比不同火强度下冠层表面温度和火蔓延速度发现，冠层被点燃的可能性随着火强度增加而变大。计划烧除后，能极大减少地表可燃物载量，可燃物水平和垂直连续性降低。火源中心附近温度和冠层表面温度都处于可控范围，火焰无向前传播、蔓延趋势。冠层下表面温度难以达到可燃物的着火点，且高温区范围随火强度减小而缩减。相关研究也表明，地表可燃物载量与水平方向火行为关系密切，计划烧除后即使防火紧要期发生火灾也不会蔓延至未着火区[3]，可以在一定程度上减少潜在的森林火灾面积[20]。
本研究较准确地模拟了不同计划烧除火强度情况下区域森林燃烧情况，实现了火灾精细化仿真，计划烧除火强度控制在200～500 kW/m时防火效果最为明显，这与王秋华等[4]野外计划烧除和室内模拟火烧实验结论中得到的火强度为405 kW/m基本一致。张文文等[14]发现在计划烧除条件下，云南松死亡率为0.93%～1.27%，表明云南松对计划烧除产生了一定的适应性。进一步论证了计划烧除能有效降低区域火灾危险性，是预防滇中云南松纯林大面积森林火灾发生的有效措施。
计划烧除作为森林生态系统重要干扰因子，可以通过减小林分密度等方式改变林分结构和物种组成[21]。陈思帆等[22]研究表明，中、轻度火烧可以促进草本、灌木层的物种多样性。由于研究区域计划烧除自20世纪90年代末期开始从未间断，计划烧除虽然在一定程度上能有效调控可燃物载量，却降低了灌木和草本的物种数[3]。但是周期性计划烧除的开展，有利于云南松对生境的适应和更新。张文文等[3]发现，计划烧除后3个月样地里的小乔木、灌木和草本基本重新萌发，计划烧除1年后，多数灌木和草本高度已超过计划烧除前的高度。因此，计划烧除的开展需综合考虑生态系统防火效应和生态效益，以发挥其对生态效益的正反馈作用。由于计划烧除过程也使土壤温度升高，进而导致有机碳损失，不同火强度影响下土壤有机碳含量变化明显[23-24]。土壤呼吸是森林生态系统碳循环过程的关键环节，有研究表明大部分土壤呼吸随火强度增加显著减少，减少程度主要取决于火强度[25]。因此，计划烧除火强度的选择要同时兼顾森林生态系统的短期影响和长期效应，既能实现森林防火目标，又能保持森林生态系统可持续发展。
本研究在模拟计算过程中仅考虑计划烧除火强度因素的影响，而计划烧除是开放空间的燃烧现象，受诸多因素影响，在将来还需考虑地形、气候和防火通道道路等参数，提高模型精度。同时兼顾其生态效益，为当地的林火管理和双碳目标实现提供理论和技术参考。
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