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扭叶松枝条水分运输与温度关系研究



全 文 :扭叶松枝条水分运输与温度关系研究
野外火通常是根据地表燃烧物的分 布来 划分
的。 乔木和灌木林树冠着火称为树冠火 , 但还缺乏
对树冠火的发生机理及造成的危害的正确评估。 由
于火灾常常会造成不可估 t 的财产损失及对野生动
物的生存形成威胁 , 因此正确认识和评估林火是十
分有益的 。
回顾与展翅
枝叶含水量低时 , 最易发生树 冠火 , 水分含量
高时林火发生较少 , 这是由于以往对树冠火机理的
研究主要着重在水分含 里 的 研 究。 v a n w a g n e r
( 19 63
,
19 67 ) 研究观侧了圣诞树类中的欧洲赤松
( P i n u s s y lv e s t r is )
、 白云杉 ( P i e e a g la u e a ) 和
香脂冷杉的树冠火 , 结果表明在含水量低时 , 树冠
火燃烧速度要比含水量高时快得多。 v a n w a g n e r
( 19 68 ) 还测试 了三起人为控制的多 脂 松 ( P i n u s
er is n o sa ) 林的树冠火传播速度 , 而得出含水童的
不同 , 树冠火的传播速度不同 的结 论 。 Q iu nt il io
( 19 7 ) 研究了不同情况下扭叶松树冠火嫩烧过程
中叶水分含量的丧失情况 。 已知道象可嫌物种类及
环境特征等也影响着树冠火的特性。 v a n w a g n er
( 19 77 )

A l b i li 和S to e kS ( 19 68 ) 及 A le x a n d e r
( 19 8 ) 对这些因素都进行过研究。
利用模型来描述树冠火的特征 , 活树冠可燃物
吸收的能量可以用枝叶含水量公式来计算 。 活可嫌
物在升温过程中对能量的吸收量计算的 表 达 式 如
下 :
E = (抽 . W C j) + (C p j’ 盯 ) + H , ( 1 )
这里 E 是循环热 t 吸收值 (每克干可嫌物吸收
的能 t , 单位千焦尔 /克 ) , 肠是可嫌物中水分上升
到 10 ℃时的水分燕腾潜热量的校正系数 ( 2 . 25 千
焦尔 / 克 ) , W C是每克干可嫩物的含水量 , C jP 是干
可燃物的比热 (千焦尔 /克 ·焦尔 ) , 盯是可燃物温
度变化值 , H提可嫌物始烧所释放的能量 (千焦尔 /
克干可嫌物 ) , ( ( C 矿盯 ) + H p ) 的值约 等于 0 . 4
千焦尔 /克 。 本公式是 S c ot t1 9 82 年根据对扭叶松针
叶 (未正式发表的实验数据 )和西黄松针叶从 45 “ 一
25 0 ℃范围内的变化过程的实验数据而建立的 。
新 的 假 设
、 即然含水率是以枝条组织的克干重的含水 t 来
表达的 , 那么只能对树冠温度上升之前的含水 t 进
行测定 。 但是 , 正如 R . C . R ot h er len l和 R . 人 .
s 比 ot t所提出的假说那样 , 初含水 t 仅仅是加热树
冠可燃物时水分蒸腾的一部分 。 他们还认为 , 在针
叶树冠着火时 , 已有部分水分被输送到树冠枝叶 ,
而干枝条没有这个能力。 如果在受热过程中活着生
枝条把水分输送至枝和叶并蒸发 , 那么 , 用这种模
式化的公式来计算树冠对热量的吸收是不恰当的 。
在本研究中 , 通过对无抗早压的扭叶松着生枝
和截取枝的实验来进一步验证热量和水分运愉关系
的假设 。在专门设计的树枝热 t 计中 , 我们测定了相
同条件下受热的着生枝和截枝的能量吸收 t , 并进
行 了比较 。 在整个加热过程中 , 着生枝条每克干物
质所吸收的能量要大于截枝所吸收的能 t 。
方 法
热量计的加热室是一个直径 5 厘米 , 高 4 厘米
的圆柱钢筒 , 用两层绝缘层包被 , 两端各有一个加
热管 , 利用 M a s et r 型 H G 751 B 加热器 , 把加热室的
空气加热 , 升温过程 中利用 H e u一e t t P a r k a r d H P
71 B 计算机进行温度调控 , 利用计算机程序 , 每 3
秒钟对加热室发出一次指令 。 加热升温至 l 分钟时 ,
计算加热所消耗的能量 , 温度上升速率约为每秒钟
15 度 , 温度上升到 250 ℃时 , 约需 16 分钟。 此后保
持加热室温度并控制在 250 ℃ 约 3 分钟。 在加热的
前20 分钟内 , 截枝的初含水量大量被蒸发 , 而保持
枝条不被点烧 。 在温度 250 ℃ 时加热室可以尽可 能 ,
地重复试验 , 每秒钟升高 15 ℃是有效利用的加热速
度。 经过 H e w le t p a e k a r d H P洲 2 1人数据收集系
统 , 在加热室的进口和出口处利用色温标本器来侧
量加热室内的温度变化 。 利用安装在 v e nt ur i管中
的 590 D B a or c el 压力传感器来侧 t 室内气压 。 温度
4 2 森林防火 19 9 1年第 2 期 总第 29 期
64艺…l` .11
幻月6…l口 O
ǎ叹\汤班俗à瑕琴李
魂争 J艺, 1户叹、资fJó琴樱翻李
和压力每 3 秒钟自动测量一次 。 在 20 分钟的加热过
程中共测量 4 0 次 。 用汽油发动机为热量计提供动
力 。
加热后对30 厘米长的枝条重复做如 下 实 验 步
骤 :
1
. 在 225 ℃ 条件下 , 每 10 分钟对枝条称 重一
次 。
2
. 加热后 , 对枝条重新称重 , 以计算出其加
热后枝条的重量和残存含水量 。
3
. 利用如下公式 :
E 。 = M . C ,
.
( T `一 T 。 ) . ( 2 )
计算热量器中枝条每 3 秒钟的能量吸收率。
这里 E提枝条的能量吸收率 , (千焦尔 /秒 ) ,
m 为空气流动速率 ( 千克 /秒 ) , C , 为空气比椒千
焦尔 /克 · 华氏度 ) , T .和 T 。 分别表示加热室的进出
口 的温度 (华氏 ) 。
4
.
E
b乘 3 得到每 3 分钟枝条吸收的能量 。
5
. 计算每 3 秒钟时枝条的干重 , 除以 3 得到
每秒钟枝条的标准干重 。
6
. 根据对 4 0 个观测数据进行累加得到枝条
能量吸收量 。
7
. 通过 13 对枝条累积的能量吸收量 , 计算出
每对枝条能量吸收的差异 。 自然地每对枝条的相关
性是密切的 。 我们可以用 t 检验来对 13 对枝条测试
的 40 个数据的能量吸收差及每对枝条的差异进行
检验。
烈量器在加热过程中 , 其加热室要吸收部分能
量 , 而引起能量测量数据偏高 , 通过对 20 多次的检
测实验表明 , 加热枝条时 , 加热室本身吸收的能量
平均数低于 10 % , 在允许条件下 , 利用图表形式 ,
可以 更确切地表示加热过程中枝条吸收能 t 的变化
规律 。 因此在 ( 4 ) 中 , 减去 40 个数据平均损失
的能量 。 在计算 ( 5 ) 、 ( 6 )之后 , 分别计算着生
枝和截枝在加热时吸收的总能量值 。
我们做了加热时加热室能量测定和水分蒸腾之
间的相互关系验证实验 。 首先在已知加热室中水分
数量条件下做了七次实验 , 第二我们比较了在加热
时截枝中水分含量和 能量吸收量 。
结 果
图 1 . 表示 了各对枝条总能量吸收差 。 在加热
1 分钟 (3 0 ℃ ) 时 , 热量吸收的差异是明显的 , 在
加热 8 分钟 ( 135 ℃ ) 时 , 干枝的吸收差异达 50 焦
尔 / 克 , 在 8 一 10 分钟时 , 差异变化幅度较平缓。
在 20 分钟 ( 2 50 ℃ ) 时 , 干枝的吸收量差异为 15 73 焦
尔 /克。 这种能量吸收的差异在加热前就相当明显 ,
在整个加热过程中 , 仍然保持明显的差异 。
修正后的实验数据用图 2 表示 , 在加热到 4 分
钟 (7 5 ℃ ) 时 , 截枝的能量吸收率稳步上升 。 4 一
5 分钟 ( 90 ℃ ) 时 , 上升速度加快 , 到 5 一 9 分钟
( 150 oC ) 时达到最 高 , 9 一 1 1分 ( 250 ℃ ) 时增长
速度和开始时基本上一致 。 17 分钟以后 , 枝条已停
止吸收能量 , 此时 , 可以确定枝内已无 水 分 存在
(数据未给出 ) 。
着生枝能量吸收特征和截枝有所不同。 在加热
过程中 , 大多数情况下 , 能量吸收率要大于截枝 ,
截枝在 9 分钟后能量吸收率开始放慢 。 相反着生枝
热 . 计 r 作时间
图 l 热 t 计加热到 2功 ℃过程中 13 对枝条的能 t
吸收总量的平均标准差 。
/
, ~
.一 . . . . .口
粉 ,仁枝
峨 枝
热 t 计 「作时间
图 2 13 对着生枝 、 13 对截枝在加 t 计加热过程中
枝 条每克干重所吸收的总能蛋数 . 数据已经
修改 , 扣 除损失的能盈 。
在前 2 0分钟的加热过程中 , 在 9 分钟时 , 吸热率达
到最大值 ( 约 3 焦尔 /克 ) 〔图 2 〕 ) , 并在以 后 加
热过程中保持这一特性。 在加热器加热结束时着生
枝比截枝多吸收 49 % 的能量 , 且剩余的含水率还可
达 10 . 8 % 。
在加热的 20 分钟过程中截枝每克的平均能 t 吸
收 t 为32 08 焦尔 (图 2 ) , 加热前的平均含水 率 为
12 0
.
8 %
, 截枝能量吸收 t 比加热前含水率为 12 0 . 8纬
的枝条约少吸收 10 % 的能 t 〔公式 ( l )〕 , 所以总
体平均而言 , 热 l 计工作中利用热 t 损失的数量来
修正实验数据 , 便可得到可靠的水分燕腾数据 。 这
意味着吸收的能 t 要比总能量数低 10 % , 第一和第
二步实验的相关系数分别为 0 . 97 和 0 . 92 。 这表明 ,
热量计对水分蒸腾的侧定是相当精确的 。
讨 论
公式 (1 )表萌了枝条吸收热量导致了枝条内部水
分的燕腾 。 从统计数据来看 , 在加热实验中 , 着生
枝的总能量吸收的平均差要大于截枝的平均差 , 水
分蒸腾量也大于截枝的蒸腾量 , 并表明在加热过程
中在着生枝条内部存在水分的运愉。 加热之后截枝
和着生枝的残存含水率分别为 0 . 0 和 10 . 8 % , 这也
肯定了着生枝中水分运摘过程的存在 。 在加热结束
时 , 每克着生枝的干重比截枝每克干重多蒸发 0 . 62 克 ,
的水。 显然在加热过程中 , 扭 叶松具有足够的水分
翰送能力而把水分愉送到具叶枝条 。
在一般正常条件下 , 扭 叶松每秒钟每平方厘米
叶面积约吸收 0 . 0 24 焦尔的能量并用于蒸腾消耗 ,
根据下式计算 :
E f 二 T F D . 天 ( .3 )
这里 E是每秒钟每平方厘米叶面积吸收的对流
热量 (焦尔 ) 、 T F D 是燕腾强度 , 入是水分蒸腾潜
热 ( 24 27焦尔 / 克) 。
在热量计加热过程中 , 着生枝的能量吸收速率
稳定在 3 焦尔 / 克 · 干重 。 可 以假设 , 在加热的枝条
上 , 叶是主要的水分蒸腾载体 , 也是主要的热盆吸
收体 。 在本实验中 , 叶的干重为2 . 54 克 , 去叶枝条
干重为 4 . 95 克 , 枝重约为叶重的 1 . 95 倍 , 因此 , 在
加热过程中叶的能量吸收率 应 为 5 . 85 焦尔 厂克 ·秒
( 3 焦尔 /克 ·秒 x 1 . 95 ) , l 克扭叶松叶的表 面 积
可达 95 平方厘米 , 所以着生枝水分燕腾单位面积能
量吸收率为 0 . 06 焦尔 ,克 ·秒 。 这就意味着平均水分
蒸腾走 厂常情况下蒸腾卯 . 佣焦尔 / c m Z · 秒厂0 . 0 24
4 4
焦尔 / c m 2 . 秒 ) 的 25 倍。
本研究还表明 , 热量和水分的运摘作用可以有
效地阻止林冠嫩烧物的进一步干燥 ,因此 , 可以延迟
或防止进一步燃烧 。 因为在加热过程中水分运愉减
缓 了枝条和叶的干操过程 。 在未嫌烧情况下 , 也可
以防止地面火对树冠的灼烤。
当野火嫩烧猛烈 , 热辐射强烈时 , 投射在针叶
表面的热 t 达 6 焦尔c/ m Z · 秒 , 是正常情况下燕腾
消耗量的2 沁 O倍 , 是热量计实验过程中的 10 倍 。
显然热量计实验中热量辐射强仅相当于 小 型 的 野
火 。
在一般的撤烧加热过程中植物体内水 分 的 流
动 , 可以有效的阻止林火的进一步扩大 , 虽然林火
燃烧受到许多因素的影响 , 但水分输送量和运愉速
度的影响是确切的 。
在本实验中 , 扭叶松在加热过程中水分被愉送
到枝条的速度是相当快的 。 当开始加热时 , 热强度
低 , 着生枝的水分蒸腾强度大于截枝。 在蒸腾计实
验中将扭叶松枝条直接收入 225 ℃ 的烘箱中 , 与野
火的情况大致相同 。 此时 , 大约 1 分钟后 , 燕腾计
显示出枝条中水分大 t 蒸腾 , 明显高于预热阶段 。
树干和枝条也许没有蒸腾计翰送水分的 效 率那 么
高 , 但本研究表明 , 水分蒸腾速度受到加热强度的
影响 。
当叶被加热时 , 叶表面的气孔随着燕腾压力的
减小而关闭。 在吸热水分蒸腾时 , 气孔保卫细胞被
破坏或叶表皮被烧坏 , 降低了叶对水分蒸腾的控制
能力。 随后有效水和内部组织的控制力使得水分蒸
腾变小 。 当植物处于萎蔫状态时 , 体内无充足的水
分用于正常的水分蒸腾 。 所 以枝条的嫩烧必然导致
水分运输能力的下降 。 也就是说 , 植物体水分运输
的多少主要取决于植物体内水分压力的大小 。
众所周知 , 带叶枝条的初含水量影响着林冠火
的性质 , 但对植物体水分压力对林冠火的影响的认
识还十分有限 。 在加热过程中 , 植物体中含水量多
少与水分运翰能力的相互关系并不明显 。 水分压力
更加清楚的表示了叶水势和含水量 。 在另一实验中
对三种植物的枝条进行了水分压力 、 水势与水分愉
送关系的研究 , 证明了抗旱压力是从低到高。
结 论
本研究表明 , 扭 叶松具叶枝条在嫩烧过程中能
(下转 48页 )
197 8年 1 2月在青岛召开全国首届 E N学术讨论会短
短几年间 , 已有大 t 科研人员致力于 E N 与各地气
候异常关系的研究 , 但对二级气候效应研究极少 。
显然季节性野地火活动严重地依赖 于 气候 变
动 , 因此应受大范围环流或天气气候异常的形响。
美国 S im a r d 等 ( 19 86 ) 通过对美国 48个州各
57 年的火灾资料 (次数 、 面积 ) 与 E N 事件对比发
现 , 南部 16 个州在 E N 年因冬春季降水偏少 , 火活
动明显下降 ; 另外还有 6 个州也存在这种负相关性 。
研究还指出 : ( l ) E N 事件和火活动之间的联系也
许可当作大概的间接火活动的征兆或指标 , 可作为
制订一种火管理计划工作的第一步 ; ( 2 ) E N 事件
和火活动之间的联系存在显 著 的 地 区 差 异 性 ,
( 3) 对南方 16 个州 , 平均地 74 %的 E N `年燃烧面
积低于平均值 ; 67 % E N年火发生次数低于平均值 ;
( 4) 在这些州 , E N 年 平均标准化后的嫩烧面积是
一 0 . 34
, 火发生为 一 0 . 32 ; (5 ) 相对于期望值 , 这
些州在 E N 年的火活动标准差低于平均值标准差的
3 倍 , 且 40 %可能为平均值之上至少一个标准差 ;
( 6) 其它 26 个州 E N 与火活动关系不明显 。 这项研
究成果是相当令人鼓舞的 。
在中国 , 张玉升等在浙江 、 郑焕能在黑龙江 、
陈正洪在湖北的研究发现 : 森林火灾多发及重灾年
与太阳黑子数极值年有较好的对应关系 , 即在太阳
黑子极高值年和极低值年附近火灾次数特别多。
三 、 E N 等现象与湖北省森林火灾
笔者利用 19乳一 19 89 年湖北省逐年发火次数 、
过火面积资料及 19 51一 19 89 年 E N G (埃尔尼诺等
级 ) 、 S O (I 南方涛动指数 ) 、 S S N (太阳黑子数 )及全
省四大林区早涝综合指数等制图 l 一 6 (略 ) 对比
分析 , 得到了一些有意思的结果 :
( 1) E N G与 5 0 1有较好的关联性 , E N 事件发
生年与5 0 1 出现负极值基本上能一一对应 。 近 40 年
来 E N 事件有3年和 6年左右的周期性 , 此与太阳黑
子数所具有的著名的 n 年周期的 1/ 4 、 12/ 周期相吻
合 , 这三个指标具有互补性和一足乍桥竺 ;
(2 ) E N 事件发生 、 5 0 1 出现较大 负 值 (勺 -
0
.
4 )
、 太阳黑子数的峰谷及次高值的当年或次年 ,
湖北省野火活动 (发火次数 、 过火面积 ) 达到极
强或相当较强 , 吻合率可达 8 一 9 1/ 0左 右 , 效 果
很好。 如 19 57 、 19 72 、 19 86年 E N S O 事件出现 , S S N
为峰或谷值年 , 当年火活动强盛 ;
( 3) 利用以上关系可对湖北省的森林火灾多发
性 、 重灾年年景进行预测 。 由于有关文献指出E N 年
我国东部地区大部分 3 一 5 月 (高火险季 ) 出现干
早 , 故湖北省的分析结果可推广应用到我国东部广
大地区 乃至全国 。 E N S O 事件出现 、 太阳活动极值
当年或次年火活动强 , 这种关系与美国南部 16 个州
火活动与 E N 呈负相反的结果恰恰相反 ;
( 4 ) S S N

E N S O 先使气候异常 (主要是早捞
趋势 ) , 如 S S N 出现峰谷值 、 E N S O 事件当 年 或
次年湖北省各地多为大早或早 (平 ) 年 , 反之多为
涝 (平 ) 、 大涝年。 而气候异常则是火活动的直接
影响环境条件。 在连续大早 (早 ) 当年或次年 , 火
灾就多发或损失严重 , 相反大涝 (涝 ) 年火灾就较
少 。
四 、 问硬与讨论
因为 E N 的预兆指标往往在 E N 到来前几个月
甚至一年多就表现出来 (N i e h o 一s , 一9 8 4 ; C a n e ,
19 83 )
, 利用复杂的统计模式 , B a r n e t t ( 19 84 ) 、
翁文洁等 ( 19 87 ) 证实 E N 能提前几个月被预报出
来 。 太阳黑子数则能更准确地得到预侧 , 往往几年
前就能预测出趋势及数值。所以将 E N S O 、 太阳活
动和野地火活动有机地联系起来就能制作出火活动
长期预报结果 。
但至今所有的研究只是简单地根据已有资料来
简单地看看 (对比 ) E N S O 事件 、 太阳活动 、 气候
异常 (早涝 ) 等重大天地现象之间的一些简单对应
关系以及它们分别与火活动年代 (际 ) 变化的遥相
关性 , 当然分析结果似乎是令人鼓舞的 , 但未能揭
示它们之间及与火灾发生的本质联系 , 故有待进一
步研究。
(上接 44页 )
大量运愉水分 , 热量与水分的交换降低了 枝 条 的
受热干燥的速度 , 并影响着树冠嫩烧的着火点和火
的特征 。 在加热过程中 , 植物体内水分压力可能具
有影响水分蒸腾多少的能力。 不同树种在受热过程
48
中水分压力的不同 , 水分蒸腾量是不同的。 因此为
了能对树冠火的特性及其危害作出正确的评估 , 尚
需针对树种的不同 , 来对模式进行必要的修正 。
贺文同 摘译 自 (美 ) ( F o r e s t S c i e n c e 》
J u n e
,
19 9() P
:
246一 25 4

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