寒温带林区森林腐殖质泥炭火形成机制研究

The fire, hidden, long and non-visual, caused by forest humus peat is called forest ground fire which can bring about big devastating of forest ecosystem because it can burn down roots and underground microbes resulting in dead trees. For scholars, we know little about the forest humus peat fire behavior in the field, and its formation mechanism is an important issue that must be resolved. In this study, taking the cold forest zone as our research object, we shall make a comparative analysis on the variation of smoldering combustion from humus peat and its consumption with the support of statistical data and experimental results done by field surveys, simulated experiments with fires in the burning bed and model-based tests. By applying the suitable algorithm to the Uav hyperspectral image attribute, the correlate of its burning and spreading will be screened. Based on a quantitative analysis of their laws, in the end, we shall make an intensive study of the mechanism on the formation of forest humus peat fire in cold temperate forest zone, reinforcing how the gas products are derived from the fire, and then identifying the best model of its spreading. The simulation results could will lay an important scientific and technical basis for in-depth study of forest humus peat fire and provide many valuable materials and key ways for further effectively carrying out safe underground fire fighting.

森林腐殖质泥炭火形成的火灾称为森林地下火，具有隐蔽性强、持续时间长、目测难度大等特点，它能烧毁树根和地下微生物从而导致树木死亡，对森林生态系统的破坏性极大。森林腐殖质泥炭火行为是林火研究领域的重点和难点，对其形成机制尚缺乏深入了解，其科学问题亟待解决。本项目拟以寒温带林区为研究区域，通过开展野外调查实验、燃烧床模拟火烧实验、模型建立测试等，通过室内外实验和数据统计，分析森林腐殖质阴燃状态与消耗量的变化规律；利用无人机高光谱影像属性选择算法择选出森林腐殖质泥炭火发生和蔓延的相关因子；对森林腐殖质泥炭火发生及蔓延规律进行定量分析，研究寒温带林区森林腐殖质泥炭火形成机制，揭示林地腐殖质泥炭火气体产物生成规律，建立森林腐殖质泥炭火蔓延模型。项目成果为森林腐殖质泥炭火研究提供科学的理论依据，并为安全扑救森林地下火提供重要的方法和资料。

在实际森林火灾扑救工作中，如何掌握森林火灾中的森林腐殖质泥炭火发生机制及发展蔓延特征，是亟待解决的科学难题，目前国际上针对森林腐殖质泥炭火发生机制还处于总结经验规律总结阶段，迫切需要投入人力、物力进行系统的研究。本项目以寒温带林区为研究区域，开展了野外调查实验、燃烧床模拟火烧实验、模型建立测试等，通过室内外实验和数据统计，分析了森林腐殖质阴燃状态与消耗量的变化规律；利用无人机高光谱影像属性选择算法择选出了森林腐殖质泥炭火发生和蔓延的相关因子；对森林腐殖质泥炭火发生及蔓延规律进行定量分析，研究了寒温带林区森林腐殖质泥炭火形成机制，揭示了林地腐殖质泥炭火气体产物生成规律，建立了森林腐殖质泥炭火蔓延模型。结果表明，森林草原地下火过火区域可燃物的平均载量为37.3 t/ha，其中草本层、半分解层和腐殖层载量平均所占比例分别为18.50%、28.95% 和52.55%；半分解物和腐殖质的点着温度分别为405、525 ℃，阴燃最高温度值可以达到690 ℃，腐殖质阴燃产生的温度和持续性远高于其他可燃物类型，燃烧性排序为：腐殖质层>半分解层>草本层；可燃物含水量同地表可燃物阴燃下温度上升速度是成反比，随着可燃物物载量的增加，燃烧释放的热量增加，而达到最高温度的时间缩短；枯立木阴燃温度最高能达到689 ℃；当含水率大于42.3%时，腐殖质复燃的可能性极低；通过对比观察结果，风速对阴燃的复燃影响最为显著，燃烧深度则影响阴燃时间和燃烧范围；随着升温速率的加快，腐殖质进入热解阶段的时间变早，热解反应进行的速度变快; 随着腐殖质粒径的增加，热解反应变慢，其热解的最初温度、最终温度、最大质量损失速率和最大质量损失速率对应的温度均呈现增大趋势; 无氧条件下，热解产生的烟气成分主要为H2O、CO2、CO、烷烃类、苯类、酮类、酚类、醇类和羧酸类等物质; 缺氧条件下，主要有H2O、CO2、CO、苯类等物质产生; 氧气充足条件下，热解产生的气体只有H2O、CO2。项目成果为森林腐殖质泥炭火研究提供科学的理论依据。