龍 駿 王藝穎 鄧湘雯，3 詹長虹 李梓銘

（1.湖南省森林草原防火監(jiān)測調(diào)度評(píng)估中心，湖南 長沙 410000；2.中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004；3.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410004）

林火作為森林生態(tài)系統(tǒng)中非常活躍的生態(tài)因子之一，參與森林生態(tài)系統(tǒng)的形成、演化和發(fā)展，與森林共存。但在多種威脅森林資源的因素中，森林火災(zāi)卻又是破壞自然、社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)平衡的災(zāi)害之一[1]。隨著全球氣候變化與人類社會(huì)活動(dòng)的發(fā)展，森林防火事業(yè)將在新形勢下迎來挑戰(zhàn)[2]；城鎮(zhèn)化加劇、農(nóng)村人口減少、農(nóng)耕土地缺少科學(xué)管理等，使森林生態(tài)系統(tǒng)中可燃物的積累速度加??；同時(shí)，工業(yè)化程度加快及能源結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致碳排放增加，加之周期性厄爾尼諾和拉尼娜事件等氣象異?，F(xiàn)象[3]，導(dǎo)致森林火災(zāi)發(fā)生可能性提高，森林資源持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展越來越重要。因此，新形勢下面臨著人口、環(huán)境、氣候、森林資源等系列問題，森林防火、滅火倍受世界關(guān)注[1]。

森林防火工作主要包括森林火災(zāi)的預(yù)防和森林火災(zāi)的撲救。我國《森林防火條例》中指出“森林防火工作實(shí)行預(yù)防為主、積極消滅的方針”。森林可燃物是森林燃燒的物質(zhì)基礎(chǔ)，對其進(jìn)行研究和管理，是森林火災(zāi)預(yù)防工作重要內(nèi)容之一，森林防火工作都必須建立在此基礎(chǔ)上。森林可燃物研究是林火管理科學(xué)化的基本手段，也是實(shí)現(xiàn)林火仿真的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，世界各國都十分重視森林可燃物基礎(chǔ)性研究工作[4]。本研究通過綜述國內(nèi)外對森林可燃物研究現(xiàn)狀，以及我國新形勢下森林可燃物基本特點(diǎn)，提出新形勢下現(xiàn)代森林防火工作對策，為提高森林防火科學(xué)化管理水平提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 國外森林可燃物研究進(jìn)展

20世紀(jì)60年代，美國對可燃物載量模型開展了大量研究，隨后加拿大、澳大利亞等國相繼開展森林可燃物研究。各國對可燃物的研究從基礎(chǔ)分類開始[5]，進(jìn)而對可燃物物理性質(zhì)進(jìn)行測定，探究可燃物燃燒現(xiàn)象本質(zhì)[6]；探究森林可燃物各項(xiàng)特征指標(biāo)間的關(guān)系[7]，開展了一系列可燃物模型研究[8]，推動(dòng)了世界各國森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)體系的建設(shè)。

在發(fā)達(dá)國家的森林火災(zāi)預(yù)警和防火管控工作中，系統(tǒng)開展森林可燃物基礎(chǔ)性研究工作，有效提升了森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)水平。其中，美國國家火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)（NFDRS）和加拿大森林火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)（CFFDRS）是目前世界上應(yīng)用較為廣泛的火險(xiǎn)系統(tǒng)[9-10]，均大量用到了森林可燃物基礎(chǔ)研究成果。國外對森林可燃物研究發(fā)展至今，已具有較為完善的科學(xué)體系，對森林可燃物進(jìn)行了大規(guī)模的動(dòng)態(tài)模型研究，并應(yīng)用于森林火災(zāi)的火行為預(yù)測[10]。

1.1 美國森林可燃物研究

美國國家火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)（NFDRS）是在燃燒原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合可燃物、氣候、地形等影響因素建立的物理模型[11]。系統(tǒng)中將全國森林可燃物類型劃分成20個(gè)[12]，客觀地描述了林火蔓延狀態(tài)、預(yù)測火行為，模擬火險(xiǎn)發(fā)生等，進(jìn)而為決策部門做好火險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警工作提供準(zhǔn)確的科學(xué)預(yù)測結(jié)果。由表1[9]可知，美國國家火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)中將森林可燃物主要分為死可燃物和木本植物及草本植物分開研究，而死可燃物則由其受熱失水的速度不同，分1、10、100 h和 1 000 h時(shí)滯分開進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以用于火行為預(yù)測模型中。

表1 美國國家火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)中可燃物類型Tab.1 The forest fuel types in the US National Fire Risk Classification System

1.2 加拿大森林可燃物研究

加拿大對森林可燃物類型進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并將可燃物劃分為16個(gè)類型（見表2），得到林火行為預(yù)報(bào)系統(tǒng)（FBP）[13-14]，可為全國提供火行為預(yù)報(bào)[15]。FBP系統(tǒng)中主要用到的森林可燃物數(shù)據(jù)包括林分樹高和胸徑、林分密度和樹種組成、枯落物及半腐殖質(zhì)層厚度、體積密度及有機(jī)質(zhì)含量、地表草本和灌木種類型和數(shù)量、林冠可燃物層長度、數(shù)量和密度、發(fā)生火災(zāi)時(shí)可燃物熄滅含水率等[16]。

表2 加拿大林火行為預(yù)報(bào)系統(tǒng)（FBP）可燃物類型表[20]Tab.2 The forest fuel types in Canadian Forest fire Behavior Forecast Systems

加拿大林火等級(jí)研究小組根據(jù)16個(gè)不同可燃物類型、細(xì)小可燃物濕度碼以及有效可燃物指標(biāo)為變量因子，建立了森林火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)（CFFDRS）統(tǒng)計(jì)模型，再根據(jù)站點(diǎn)氣象觀測結(jié)果，預(yù)測火險(xiǎn)天氣、火發(fā)生和火行為[17]。此系統(tǒng)適用于森林可燃物分布較為均勻、林區(qū)面積較小的地區(qū)[18]，為森林火災(zāi)管理與防治做出了重要的貢獻(xiàn)[19]。

2 我國森林可燃物研究進(jìn)展

我國對森林可燃物的研究于20世紀(jì)80年代中期開始，雖起步較晚，但研究范圍較廣，且形成了較為成熟的方法與體系。從定性分類到定量分析燃燒性，再到建立可燃物載量模型，發(fā)展至今，已在地理位置、氣候環(huán)境、森林植被等方面形成系統(tǒng)的森林可燃物理論體系與研究方法。對我國森林火災(zāi)防治與管理提供了理論研究基礎(chǔ)。

2.1 森林可燃物類型劃分

可燃物類型不同，燃燒性和林火行為也不同[21]，通過對可燃物類型進(jìn)行劃分，既能掌握森林火險(xiǎn)性，同時(shí)也能探索林火行為，為森林火災(zāi)預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在森林火災(zāi)撲救過程中，可根據(jù)不同可燃物類型安排人力物力，決定撲火方法和撲火工具、撲火對策。因此，對可燃物類型劃分是現(xiàn)代林火管理的重要組成部分。

我國學(xué)者在對森林可燃物研究初期，通過明確各類型植物物種在林火特征上的顯著區(qū)別，對其類型進(jìn)行劃分[22-26]：1）從物種角度分：可分為喬木、灌木、草本、地衣、死地被物、苔蘚、森林雜亂物等；2）從可燃物的空間分布分：分為地下、地表和空中可燃物；3）從是否容易點(diǎn)燃分：可分為易燃、燃燒緩慢和難燃可燃物；4）按燃燒時(shí)可燃物消耗分：可分為有效、剩余和總可燃物；5）按可燃物揮發(fā)性分：可分為低揮發(fā)性、高揮發(fā)性以及中揮發(fā)性可燃物；6）按生活力分：分為死可燃物和活可燃物兩大類。

2.2 森林可燃物燃燒性研究進(jìn)展

研究可燃物燃燒性，對建立林火數(shù)據(jù)庫、進(jìn)行森林火險(xiǎn)等級(jí)劃分，以及滅火指揮、營林用火和防火等都具有重要意義。我國學(xué)者對可燃物不同類型進(jìn)行劃分后，對其可燃物燃燒性的研究主要受生物量研究的束縛，沒有上升到林火規(guī)律的高度，如對生物量的研究，沒有根據(jù)森林燃燒、蔓延特點(diǎn)區(qū)分為有效可燃和潛在可燃物進(jìn)行研究；而地表層卻又缺乏對火險(xiǎn)性最高凋落物載荷的研究，使可燃物載量研究缺乏系統(tǒng)性。針對以上問題，我國學(xué)者對森林可燃物主要進(jìn)行了表3中幾個(gè)方面的研究。

表3 我國森林可燃物燃燒性研究進(jìn)展Tab.3 Research progress of forest fuel combustibility in China

2.3 森林可燃物載量預(yù)測模型

通過在前人對可燃物燃燒性的研究基礎(chǔ)上，國內(nèi)學(xué)者逐步通過建立森林可燃物載量模型，計(jì)算可燃物載量，用于探究林火發(fā)生規(guī)律（見表4）。對預(yù)測火險(xiǎn)等級(jí)地表可燃物管理具有重要實(shí)踐意義。其中，可燃物載量動(dòng)態(tài)模型，可確認(rèn)在不同時(shí)間點(diǎn)可燃物載量的變化情況，有助于進(jìn)行計(jì)劃燒除，對森林防火起到關(guān)鍵作用。我國森林可燃物模型及其預(yù)測研究始于20世紀(jì)80年代初期，通過不同方法建立了相關(guān)研究模型。

表4 我國森林可燃物載量預(yù)測模型Tab.4 Prediction models of forest fuel loading in China

3 我國森林防火工作對策

目前，我國對于森林火災(zāi)管理與撲救的實(shí)踐應(yīng)用缺乏科學(xué)高效措施。為應(yīng)對當(dāng)前人口、環(huán)境、氣候、森林資源的變化，我國森林防火工作需根據(jù)當(dāng)前形勢進(jìn)行調(diào)整。將改變單一防控對策，結(jié)合生物防火應(yīng)用，調(diào)整農(nóng)、林、牧產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，采用清潔能源；從預(yù)防、管理、防治等多方面提出相應(yīng)對策，使森林防火工作更高效。

3.1 建設(shè)生物防火工程，管理森林可燃物

3.1.1 生物防火概念 生物防火[44]是運(yùn)用生態(tài)學(xué)原理，利用植物、動(dòng)物、微生物的理化性質(zhì)及生物學(xué)和生態(tài)學(xué)特性上的差異，結(jié)合林業(yè)生產(chǎn)措施，營造防火林帶，減少可燃物的積累，調(diào)節(jié)林分組成和結(jié)構(gòu)，降低森林燃燒性，增強(qiáng)林分的抗火性和阻火能力，而達(dá)到控制林火目的的理論和技術(shù)措施[45]。生物防火有利于維護(hù)森林生態(tài)平衡，可充分發(fā)揮森林多種功能，促進(jìn)林區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，是低投資、高效率的森林防火措施[46]。例如，生物防火中的防火林帶建設(shè)能較長期有效地阻止森林火災(zāi)的蔓延，減少火災(zāi)的損失，是生物防火體系建設(shè)主要內(nèi)容之一[47]。

3.1.2 生物防火原理 1）組成森林群落的生物，由于個(gè)體大小、形狀、理化性質(zhì)的不同，燃燒性亦不相同。因此在易燃群落中調(diào)整林分結(jié)構(gòu)，增加難燃物的比重則可有效降低群落的燃燒性。2）森林群落具有特定的森林環(huán)境。林內(nèi)光照強(qiáng)度低、溫度低、濕度大、風(fēng)速小，不利于林火蔓延。因此林分郁閉度越大，越不易燃。3）林分的垂直結(jié)構(gòu)影響林分中可燃物的連續(xù)性，從而影響林火的種類。如針葉異齡林呈復(fù)層結(jié)構(gòu)，林內(nèi)可燃物連續(xù)分布，易發(fā)生樹冠火；針葉幼林中樹冠高度低，亦易發(fā)生樹冠火；而同齡成林和由不同樹種構(gòu)成的復(fù)層林，通常只發(fā)生地表火。因此，對火災(zāi)有較大抗性。4）不同立地條件下生長的森林具有不同抗火性。如云杉多生長在水濕條件下，樹木本身富含油脂，易燃，但林內(nèi)生長的大量蘚類和水濕環(huán)境可阻止火蔓延。5）植物生物特性不同，具有不同抗火性。如落葉松落葉可作為防火樹種[48]；南方的木荷、火力楠等樹種在火災(zāi)季節(jié)常綠而能阻火；北方的早春植物在防火期內(nèi)生長，對火的蔓延有阻止作用。

3.1.3 生物防火應(yīng)用 細(xì)小易燃可燃物是森林易燃的主要原因之一。森林中的凋落物、易燃灌木和雜草被稱為危險(xiǎn)森林可燃物。通常對于次生林改造和經(jīng)營后，清理跡地殘留采伐剩余物方式有三種：1）堆腐法，這種方式對改善林分的衛(wèi)生狀況和森林更新均有利，但自然腐朽的時(shí)間長，一旦發(fā)生火災(zāi)，可燃物堆就成了火災(zāi)迅速蔓延的“火藥庫”；2）焚燒法，這種方法的危險(xiǎn)性大，技術(shù)要求高，有時(shí)對局部土壤還有一定的影響，且無任何經(jīng)濟(jì)效益，又污染空氣；3）生物防火法[49]，如接種微生物，這種方法既能得到食用菌，增加林區(qū)農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入，又能大大降低可燃物的燃燒性能，同時(shí)可使?fàn)I養(yǎng)元素及時(shí)回歸土壤，加速物質(zhì)循環(huán)的進(jìn)程?，F(xiàn)有生物防火帶中，使用草甘膦，可殺滅雜草、雜灌等易燃物。因此應(yīng)用生物防火技術(shù)是林業(yè)科技的重大進(jìn)步，可為南方森林防火事業(yè)做出巨大貢獻(xiàn)。

3.2 調(diào)整農(nóng)、林、牧產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，降低森林燃燒性

農(nóng)、林、牧、漁作為我國第一產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也是其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)。應(yīng)重視對其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，不單一發(fā)展某一產(chǎn)業(yè)，而是相互融合，共同發(fā)展。如經(jīng)營管理土地時(shí)，在林場中科學(xué)合理地進(jìn)行畜牧，可使林緣處減少雜草等易燃可燃物的出現(xiàn)，從而降低森林火險(xiǎn)性，同時(shí)也為畜牧產(chǎn)業(yè)提供充足的養(yǎng)殖原料。因此，不斷對產(chǎn)業(yè)進(jìn)行深化改革，可充分發(fā)揮各產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢。

3.3 使用潔凈生物質(zhì)能源，減少可燃物載量

使用生物能源不僅有利于降低森林中的可燃物積累速度，而且有利于改良國家的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，減少環(huán)境污染。目前，我國對生物質(zhì)能源的研究也有相關(guān)成果，如對秸稈的使用[50]，可有效減少碳排放對環(huán)境的污染，但由于其分布不集中，砍伐、收集、運(yùn)輸成本等方面的發(fā)展還尚未成熟。同時(shí)生物質(zhì)能源有效利用比例還不能滿足市場需求，因此還需大力發(fā)展生物質(zhì)能源技術(shù)。這將大幅減少林內(nèi)易燃可燃物，可直接有效降低森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

4 展望

目前隨著遙感技術(shù)、地理信息技術(shù)的發(fā)展，多元化的遙感數(shù)據(jù)收集方式使可燃物載量在景觀尺度上進(jìn)行估算成為了可能，做到了對我國林火發(fā)生規(guī)律的把控以及預(yù)測的作用，突破以往單一物種、小面積范圍內(nèi)的限制，可進(jìn)行更大時(shí)間和空間尺度上對可燃物載量精準(zhǔn)定量估測[51]。通過結(jié)合遙感法中3S技術(shù)，即RS（衛(wèi)星遙感技術(shù)）、GIS（地理信息系統(tǒng)）、GPS（全球定位系統(tǒng)），研發(fā)和完善“堆腐制肥”技術(shù)，可增加對可燃物的研究廣度與深度，為我國森林火災(zāi)防火與預(yù)測提供有力支撐，同時(shí)為研究林火行為與火險(xiǎn)性提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4.1 應(yīng)用3S技術(shù)監(jiān)測森林可燃物動(dòng)態(tài)

對森林可燃物進(jìn)行研究前提是精準(zhǔn)掌握可燃物動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。我國在林火管理時(shí)，森林可燃物研究主要借助人工野外調(diào)查，收集森林可燃物相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，野外調(diào)查工作量大，樣本量龐大。近期我國開展的“全國森林和草原火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)普查工作”，工作強(qiáng)度較高的即為森林可燃物調(diào)查。如應(yīng)用3S技術(shù)來監(jiān)測森林和草原可燃物動(dòng)態(tài)，可及時(shí)且準(zhǔn)確地監(jiān)測森林生態(tài)系統(tǒng)和周邊環(huán)境變化，經(jīng)過GPS定位，借助GIS地理信息系統(tǒng)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)分析，從而克服人為操作的不足。

在森林防火中高新技術(shù)的應(yīng)用主要是指利用遙感方法，借助3S技術(shù)進(jìn)行科學(xué)的林火管理。利用3S技術(shù)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情，這一技術(shù)已在我國得以應(yīng)用。未來還需加強(qiáng)這一體系的普及與完善，培養(yǎng)相關(guān)技術(shù)人員，大范圍推廣使用，有助于增強(qiáng)數(shù)據(jù)調(diào)查的精度與廣度。

4.2 應(yīng)用3S技術(shù)和火險(xiǎn)區(qū)劃確定林火首要援助區(qū)域

除前期對森林火險(xiǎn)進(jìn)行防治研究，后期的火災(zāi)補(bǔ)救同樣十分重要。林火發(fā)生時(shí)，首要任務(wù)是確定最緊急求援的林區(qū)，但在實(shí)踐時(shí)過多依賴撲火指揮員的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行判斷，會(huì)降低工作效率。但GIS可根據(jù)其空間數(shù)據(jù)和地圖資源，由專家子系統(tǒng)提供的推理機(jī)制，確定重要林區(qū)應(yīng)急救援過程。且林火管理中，應(yīng)用GIS確定首要撲救林區(qū)方法，已在美國研制成功，并在美國科羅拉多州和卡羅萊納洲北部的國家公園推廣應(yīng)用。我國可以結(jié)合“全國森林和草原火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)普查工作”中森林可燃物類型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，開展全國森林火險(xiǎn)區(qū)劃工作，借助3S技術(shù)，確定林火首要援助區(qū)域。

首先由專家子系統(tǒng)基于多參數(shù)進(jìn)行分析，如對可燃物類型、載量、燃燒性、森林植被的耐火性能，結(jié)合氣象要素進(jìn)行分析，并綜合坡度、坡向、土地利用情況等信息進(jìn)行綜合分析，由GIS提供地圖知識(shí)，進(jìn)行不同類型森林和草原的林火行為仿真研究，根據(jù)火行為指標(biāo)，確定最優(yōu)撲火路線。因此，未來應(yīng)在火災(zāi)補(bǔ)救過程中使用3S技術(shù)，其集成系統(tǒng)還應(yīng)根據(jù)估算林火區(qū)域的森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，確定合理的撲火隊(duì)伍數(shù)量，根據(jù)林火價(jià)值等參數(shù)對飛機(jī)出動(dòng)時(shí)間策略進(jìn)行優(yōu)化。

4.3 加強(qiáng)“堆腐制肥”等技術(shù)研發(fā)，減少可燃物積累

根據(jù)相關(guān)調(diào)查，森林生態(tài)系統(tǒng)中的可燃物積累有持續(xù)增加趨勢，加強(qiáng)可燃物科學(xué)管理和利用將成為森林火災(zāi)預(yù)防的主要手段之一。業(yè)界已開展對農(nóng)林業(yè)可燃物的研究，有學(xué)者研究了園林廢棄物復(fù)合基質(zhì)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的作用。結(jié)果表明：這些廢棄物具有很好的增產(chǎn)作用；有學(xué)者對農(nóng)林廢棄物堆腐后生產(chǎn)栽培基質(zhì)的理化性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)廢棄物生產(chǎn)基質(zhì)的安全性是有保障的。因此未來開展森林可燃物的利用研究，研發(fā)和完善“堆腐制肥”技術(shù)，不僅可減少森林可燃物積累，還可大量減少使用化肥，改良土壤[52-54]。

5 結(jié)語

當(dāng)前環(huán)境與氣候變化等系列問題，增大了森林火災(zāi)的發(fā)生可能性。因此，需不斷提升對森林火災(zāi)防御與控制工作的重視程度；結(jié)合我國國情及林業(yè)工作者的實(shí)際情況，根據(jù)我國各類森林生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)，制定具有中國特色的森林防火方案；貫徹落實(shí)“預(yù)防為主，積極消滅”的森林防火方針；應(yīng)用先進(jìn)科學(xué)方法，對森林火災(zāi)進(jìn)行預(yù)警、檢測；采用高效的措施手段，對森林火災(zāi)進(jìn)行應(yīng)急處置，培養(yǎng)專業(yè)滅火隊(duì)伍，對森林火災(zāi)進(jìn)行管理撲救；全面提升我國森林火災(zāi)的綜合防控能力，推進(jìn)我國森林防火事業(yè)的科學(xué)化、現(xiàn)代化、法制化發(fā)展，保障國土安全及生態(tài)穩(wěn)定，確保森林資源及人民生命財(cái)產(chǎn)安全。