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研究草地火灾生成原因及火管理系统的应用
摘要:火是管理生态系统的重要自然工具。草地火包括自然火和人为火,长期在自然界生态系统中起着作用。草地火管理可用计算机模型予测自然火烧或计划火烧等火行为,来取得可予测的资源管理目标,开展研究和监测保证。
关键词:计划火烧 火状况 草地火管理
1 前言
火是环境的自然组分,也是管理生态系统的重要自然工具。我国草地火生态研究,据文献考证在《管子》、《农政全书》和《齐民要术》等古籍中,早已有野火法令和火应用等记载。近代草地火生态学研究始于20世纪50年代末期,1991年我国周道玮博士有关火成因子和火频次、火积累量法的理论,出版专著论述,为我国近代草地火生态学研究开拓了新的领域,引起了草地界和生态学者的重视。
2 草地火灾的生成原因
草地火是燃烧产生的一种现象,亦是自然生态系统的一部分,从生态意义上的火烧称为野火(Wild fire)。草地火灾包括草原、山地林区和一切植被的火灾,主要由于雷击、闪电、滚石磨擦和长期气候干旱等原因而发生的自然火源,而人为因素也是我国发生草地火灾(包括山地火灾)的主要因素。所以草地火是物理环境的一个重要组成部分,经过长期自然选择的可燃物结构和化学特性对火类型生态系统中植物火适应性所产生的影响。亦在自然生态系统的进化中长期地起着重要的作用。
火状况由火强度(fire intensity)、火烧季节——时间(Season-time of occurrence)、火频次(fire frequency)、面积(size)和格局(Partten)等因素组成。周道玮博士有关火成因子和火频次、火积累量法的理论,即说明在不同火状况和不同生态系统相互关系的重要性。火强度是单位面积、单位时间内火烧所释放的能量,可用来判断对草地(山地)植被所产生的潜在拢动能力。火强度可用下列公式计算:
火强度(I)=H X W X R
H代表可燃物的能量值或热值;
W代表单位面积所消耗的可燃物量或能量值;
R代表扩展速度
火强度对草地地上部分影响极大,而对地下部分影响不大。火烧季节——时间和火频次对草地影响很大。对火燃烧性一般用S/V比值(即可燃物表面积与体积之比)来作为重要参数。S/V比值增加则燃烧速度越快,呈线性增加,但对计划火烧点燃时间的变化却相反。草地主要禾草具有较高的可燃性,叶片S/V比值在44·6~363·2cm2/cm3、茎秆S/V比值在189·1~380·5cm2/cm3之间,从点燃至自然所需时间与S/V比值的对数呈反比,而与禾草叶片的厚度成正比。
3 草地火灾发生的因素
3·1 我国北方草地火灾发生的因素
在我国北方(N36。~ 44。、E76。~104。)即新疆、青海、陕西、宁夏和内蒙古等省(自治区)行政管辖区内,草地面积辽阔,由于气候干旱少雨、风大等不利因素,经常发生雷电和人为的火灾事故。大面积天然草地自春季地温回升后,地温保持0℃以上即开始萌发返青。随着气温逐渐升高,草地净第一性产量亦随着增加,至8月份达到了最高产量,也是植株营养成分最丰富的时期。待秋季来临,随着气温下降,至11月上旬植株开始枯黄,草地的地上部分便成为立枯凋落的可燃物。草地火俗称“野火”,枯落物被火烧后,草地生态系统综合指标也逐渐增加。火烧是一项干扰因素,可燃物的物理特性中,可燃物湿度是影响火行为的最主要因素。研究表明,草地可燃物化学组成为纤维素、半纤维素(两者占50%~75%,热值为15·1~18·5J/g)、木质素(占15%~35%,热值为22·3~24·5J/g)和矿物质及萜、松香等提取物,其中无硅灰分和提取物是可燃物的两项特性,如内蒙古东部羊草草地灰分为6·5%,提取物为0·21%;内蒙古锡盟针茅草地灰分为5·3%,提取物为0·17%;东北西部羊草草甸灰分为7·2%,提取物为0·22%。在呼伦贝尔盟大兴安岭林区松树树枝的萜、松香等提取物占0·5%~4·8%,热值达32·5~34·6J/g。同时随着可燃物降解和点燃等一系列反应,即成为火行为。火行为的主要决定因素包括风速、风向、风的稳定性、可燃物总量和可燃物湿度等。草地可燃物表面床的体积密度表示可燃物排列疏松情况,如内蒙古贝加尔针茅杂草群落草地为0·33~0·86kg/m2,东北羊草草地为0·54~1·03kg/m3,西北半荒漠草地为0·19~0·51kg/m2。草地火经燃烧5~10分钟后,扩展速度能稳定,火强度达300~500kw/m时,则开始产生火星。可燃物量决定火强度,而可燃物产生量和积累速度决定火频次。我国北方草地属长冷型,最冷的12月、1月、2月平均气温在-1·3℃~-8·5℃之间,草地可燃物积累量较多,易发生草地火情。
3·2 我国南方山地植被(或草地)火灾发生的因素
在我国西南地区(N23°~28°、E100°~110°)属四川、贵州、云南和重庆等省(市)行政管辖区;由于气候暖和,山地及边坡草地的覆盖林木和植被生长茂密,在秋冬季节干旱,常有人为的火灾发生。研究表明,火产生的热量即可燃物量的函数。可燃物的表面积与体积比(用S/V比值来表示),在山地植被禾草类的S/V比值为92·0~376·5,常绿灌木的S/V比值为68·5~124·6,乔木S/V比值为73·3~86·4;S/V比值增加即火蔓延速度越快,呈线性增加。
4 草地火的利弊
草地火烧产生大量光照、热量和烟雾,直接影响草地地上和地下部位,如地上活体由于受热刺激而致杀死;火烧后地表裸露,风蚀严重,据内蒙古兴安盟和吉林省白城地区调查表明,由于火烧后地表缺少枯落物覆盖,土壤容易跑墒(0~15cm土层失水6·5%~25·0%),并将地面肥土被刮走(6级风5h刮走表层土1·7~2·3cm)。同时地下表层土壤仅能吸收太阳短波照射,而对长波辐射则产生不利的影响。
“在自然界适应火的生态系统中,频繁火烧能维持这些早期演替种”;这样可以证实对火作为自然重要扰动概念及论证的正确性。许多草地、山地和针叶林均适合这种演替模式,所以利用火导致这种的循环模式,可以大面积改善草地和山地植被种群的生态变化及化学组成。但是对林木焚烧、野生动植物的繁衍和人类的生存均带来巨大的损失。所以在火管理上应进行计划用火烧管理系统的应用和研究。
但是火烧也有一定的好处,计划火烧可以保护草地禾草休眠芽抽条再生,提高种子发芽率;火烧后草地返青早,内蒙古针茅杂草类草地可提前8~14d左右;内蒙古东部和东北西部的羊草草地可提前10~18d左右。对植物花和果实都有所增加,并提早成熟。由于火烧后可加速地表有机质的硝化作用,火烧后灰烬都能成为可利用的营养物质,特别是有效磷的增加,而导致草地产草量也随之有所增加。火烧后禾草草质柔软,适口性有所改善。1993年在火烧后羊草草地采样分析,火烧后再生羊草粗蛋白质含量比未烧草地增加5·3%~10·2%,灰分提高4·5%~7·8%,叶量提高8·8%~9·8%。在内蒙古东部牧区,由于
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