新形势下我国森林可燃物研究现状及森林防火对策∗

龙 骏 王艺颖 邓湘雯，3 詹长虹 李梓铭

（1.湖南省森林草原防火监测调度评估中心，湖南 长沙 410000；2.中南林业科技大学生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004；3.南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004）

林火作为森林生态系统中非常活跃的生态因子之一，参与森林生态系统的形成、演化和发展，与森林共存。但在多种威胁森林资源的因素中，森林火灾却又是破坏自然、社会和生态系统平衡的灾害之一[1]。随着全球气候变化与人类社会活动的发展，森林防火事业将在新形势下迎来挑战[2]；城镇化加剧、农村人口减少、农耕土地缺少科学管理等，使森林生态系统中可燃物的积累速度加剧；同时，工业化程度加快及能源结构改变，导致碳排放增加，加之周期性厄尔尼诺和拉尼娜事件等气象异常现象[3]，导致森林火灾发生可能性提高，森林资源持续稳定发展越来越重要。因此，新形势下面临着人口、环境、气候、森林资源等系列问题，森林防火、灭火倍受世界关注[1]。

森林防火工作主要包括森林火灾的预防和森林火灾的扑救。我国《森林防火条例》中指出“森林防火工作实行预防为主、积极消灭的方针”。森林可燃物是森林燃烧的物质基础，对其进行研究和管理，是森林火灾预防工作重要内容之一，森林防火工作都必须建立在此基础上。森林可燃物研究是林火管理科学化的基本手段，也是实现林火仿真的重要基础数据。因此，世界各国都十分重视森林可燃物基础性研究工作[4]。本研究通过综述国内外对森林可燃物研究现状，以及我国新形势下森林可燃物基本特点，提出新形势下现代森林防火工作对策，为提高森林防火科学化管理水平提供基础数据和理论依据。

1 国外森林可燃物研究进展

20世纪60年代，美国对可燃物载量模型开展了大量研究，随后加拿大、澳大利亚等国相继开展森林可燃物研究。各国对可燃物的研究从基础分类开始[5]，进而对可燃物物理性质进行测定，探究可燃物燃烧现象本质[6]；探究森林可燃物各项特征指标间的关系[7]，开展了一系列可燃物模型研究[8]，推动了世界各国森林火险预报体系的建设。

在发达国家的森林火灾预警和防火管控工作中，系统开展森林可燃物基础性研究工作，有效提升了森林火险预报水平。其中，美国国家火险等级系统（NFDRS）和加拿大森林火险等级系统（CFFDRS）是目前世界上应用较为广泛的火险系统[9-10]，均大量用到了森林可燃物基础研究成果。国外对森林可燃物研究发展至今，已具有较为完善的科学体系，对森林可燃物进行了大规模的动态模型研究，并应用于森林火灾的火行为预测[10]。

1.1 美国森林可燃物研究

美国国家火险等级系统（NFDRS）是在燃烧原理的基础上进行点烧实验，并结合可燃物、气候、地形等影响因素建立的物理模型[11]。系统中将全国森林可燃物类型划分成20个[12]，客观地描述了林火蔓延状态、预测火行为，模拟火险发生等，进而为决策部门做好火险预报预警工作提供准确的科学预测结果。由表1[9]可知，美国国家火险等级系统中将森林可燃物主要分为死可燃物和木本植物及草本植物分开研究，而死可燃物则由其受热失水的速度不同，分1、10、100 h和 1 000 h时滞分开进行统计，以用于火行为预测模型中。

表1 美国国家火险等级系统中可燃物类型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

加拿大对森林可燃物类型进行了系统研究，并将可燃物划分为16个类型（见表2），得到林火行为预报系统（FBP）[13-14]，可为全国提供火行为预报[15]。FBP系统中主要用到的森林可燃物数据包括林分树高和胸径、林分密度和树种组成、枯落物及半腐殖质层厚度、体积密度及有机质含量、地表草本和灌木种类型和数量、林冠可燃物层长度、数量和密度、发生火灾时可燃物熄灭含水率等[16]。

表2 加拿大林火行为预报系统（FBP）可燃物类型表[20]Tab.2 The forest fuel types in Canadian Forest fire Behavior Forecast Systems

加拿大林火等级研究小组根据16个不同可燃物类型、细小可燃物湿度码以及有效可燃物指标为变量因子，建立了森林火险等级系统（CFFDRS）统计模型，再根据站点气象观测结果，预测火险天气、火发生和火行为[17]。此系统适用于森林可燃物分布较为均匀、林区面积较小的地区[18]，为森林火灾管理与防治做出了重要的贡献[19]。

2 我国森林可燃物研究进展

我国对森林可燃物的研究于20世纪80年代中期开始，虽起步较晚，但研究范围较广，且形成了较为成熟的方法与体系。从定性分类到定量分析燃烧性，再到建立可燃物载量模型，发展至今，已在地理位置、气候环境、森林植被等方面形成系统的森林可燃物理论体系与研究方法。对我国森林火灾防治与管理提供了理论研究基础。

2.1 森林可燃物类型划分

可燃物类型不同，燃烧性和林火行为也不同[21]，通过对可燃物类型进行划分，既能掌握森林火险性，同时也能探索林火行为，为森林火灾预报提供基础数据。在森林火灾扑救过程中，可根据不同可燃物类型安排人力物力，决定扑火方法和扑火工具、扑火对策。因此，对可燃物类型划分是现代林火管理的重要组成部分。

我国学者在对森林可燃物研究初期，通过明确各类型植物物种在林火特征上的显著区别，对其类型进行划分[22-26]：1）从物种角度分：可分为乔木、灌木、草本、地衣、死地被物、苔藓、森林杂乱物等；2）从可燃物的空间分布分：分为地下、地表和空中可燃物；3）从是否容易点燃分：可分为易燃、燃烧缓慢和难燃可燃物；4）按燃烧时可燃物消耗分：可分为有效、剩余和总可燃物；5）按可燃物挥发性分：可分为低挥发性、高挥发性以及中挥发性可燃物；6）按生活力分：分为死可燃物和活可燃物两大类。

2.2 森林可燃物燃烧性研究进展

研究可燃物燃烧性，对建立林火数据库、进行森林火险等级划分，以及灭火指挥、营林用火和防火等都具有重要意义。我国学者对可燃物不同类型进行划分后，对其可燃物燃烧性的研究主要受生物量研究的束缚，没有上升到林火规律的高度，如对生物量的研究，没有根据森林燃烧、蔓延特点区分为有效可燃和潜在可燃物进行研究；而地表层却又缺乏对火险性最高凋落物载荷的研究，使可燃物载量研究缺乏系统性。针对以上问题，我国学者对森林可燃物主要进行了表3中几个方面的研究。

表3 我国森林可燃物燃烧性研究进展Tab.3 Research progress of forest fuel combustibility in China

2.3 森林可燃物载量预测模型

通过在前人对可燃物燃烧性的研究基础上，国内学者逐步通过建立森林可燃物载量模型，计算可燃物载量，用于探究林火发生规律（见表4）。对预测火险等级地表可燃物管理具有重要实践意义。其中，可燃物载量动态模型，可确认在不同时间点可燃物载量的变化情况，有助于进行计划烧除，对森林防火起到关键作用。我国森林可燃物模型及其预测研究始于20世纪80年代初期，通过不同方法建立了相关研究模型。

表4 我国森林可燃物载量预测模型Tab.4 Prediction models of forest fuel loading in China

3 我国森林防火工作对策

目前，我国对于森林火灾管理与扑救的实践应用缺乏科学高效措施。为应对当前人口、环境、气候、森林资源的变化，我国森林防火工作需根据当前形势进行调整。将改变单一防控对策，结合生物防火应用，调整农、林、牧产业结构，采用清洁能源；从预防、管理、防治等多方面提出相应对策，使森林防火工作更高效。

3.1 建设生物防火工程，管理森林可燃物

3.1.1 生物防火概念 生物防火[44]是运用生态学原理，利用植物、动物、微生物的理化性质及生物学和生态学特性上的差异，结合林业生产措施，营造防火林带，减少可燃物的积累，调节林分组成和结构，降低森林燃烧性，增强林分的抗火性和阻火能力，而达到控制林火目的的理论和技术措施[45]。生物防火有利于维护森林生态平衡，可充分发挥森林多种功能，促进林区经济发展，是低投资、高效率的森林防火措施[46]。例如，生物防火中的防火林带建设能较长期有效地阻止森林火灾的蔓延，减少火灾的损失，是生物防火体系建设主要内容之一[47]。

3.1.2 生物防火原理 1）组成森林群落的生物，由于个体大小、形状、理化性质的不同，燃烧性亦不相同。因此在易燃群落中调整林分结构，增加难燃物的比重则可有效降低群落的燃烧性。2）森林群落具有特定的森林环境。林内光照强度低、温度低、湿度大、风速小，不利于林火蔓延。因此林分郁闭度越大，越不易燃。3）林分的垂直结构影响林分中可燃物的连续性，从而影响林火的种类。如针叶异龄林呈复层结构，林内可燃物连续分布，易发生树冠火；针叶幼林中树冠高度低，亦易发生树冠火；而同龄成林和由不同树种构成的复层林，通常只发生地表火。因此，对火灾有较大抗性。4）不同立地条件下生长的森林具有不同抗火性。如云杉多生长在水湿条件下，树木本身富含油脂，易燃，但林内生长的大量藓类和水湿环境可阻止火蔓延。5）植物生物特性不同，具有不同抗火性。如落叶松落叶可作为防火树种[48]；南方的木荷、火力楠等树种在火灾季节常绿而能阻火；北方的早春植物在防火期内生长，对火的蔓延有阻止作用。

3.1.3 生物防火应用 细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、易燃灌木和杂草被称为危险森林可燃物。通常对于次生林改造和经营后，清理迹地残留采伐剩余物方式有三种：1）堆腐法，这种方式对改善林分的卫生状况和森林更新均有利，但自然腐朽的时间长，一旦发生火灾，可燃物堆就成了火灾迅速蔓延的“火药库”；2）焚烧法，这种方法的危险性大，技术要求高，有时对局部土壤还有一定的影响，且无任何经济效益，又污染空气；3）生物防火法[49]，如接种微生物，这种方法既能得到食用菌，增加林区农民的经济收入，又能大大降低可燃物的燃烧性能，同时可使营养元素及时回归土壤，加速物质循环的进程。现有生物防火带中，使用草甘膦，可杀灭杂草、杂灌等易燃物。因此应用生物防火技术是林业科技的重大进步，可为南方森林防火事业做出巨大贡献。

3.2 调整农、林、牧产业结构，降低森林燃烧性

农、林、牧、渔作为我国第一产业，同时也是其他产业的发展基础。应重视对其产业结构的调整，不单一发展某一产业，而是相互融合，共同发展。如经营管理土地时，在林场中科学合理地进行畜牧，可使林缘处减少杂草等易燃可燃物的出现，从而降低森林火险性，同时也为畜牧产业提供充足的养殖原料。因此，不断对产业进行深化改革，可充分发挥各产业的优势。

3.3 使用洁净生物质能源，减少可燃物载量

使用生物能源不仅有利于降低森林中的可燃物积累速度，而且有利于改良国家的能源消费结构，减少环境污染。目前，我国对生物质能源的研究也有相关成果，如对秸秆的使用[50]，可有效减少碳排放对环境的污染，但由于其分布不集中，砍伐、收集、运输成本等方面的发展还尚未成熟。同时生物质能源有效利用比例还不能满足市场需求，因此还需大力发展生物质能源技术。这将大幅减少林内易燃可燃物，可直接有效降低森林火灾风险。

4 展望

目前随着遥感技术、地理信息技术的发展，多元化的遥感数据收集方式使可燃物载量在景观尺度上进行估算成为了可能，做到了对我国林火发生规律的把控以及预测的作用，突破以往单一物种、小面积范围内的限制，可进行更大时间和空间尺度上对可燃物载量精准定量估测[51]。通过结合遥感法中3S技术，即RS（卫星遥感技术）、GIS（地理信息系统）、GPS（全球定位系统），研发和完善“堆腐制肥”技术，可增加对可燃物的研究广度与深度，为我国森林火灾防火与预测提供有力支撑，同时为研究林火行为与火险性提供坚实基础。

4.1 应用3S技术监测森林可燃物动态

对森林可燃物进行研究前提是精准掌握可燃物动态变化规律。我国在林火管理时，森林可燃物研究主要借助人工野外调查，收集森林可燃物相关基础数据，野外调查工作量大，样本量庞大。近期我国开展的“全国森林和草原火灾风险普查工作”，工作强度较高的即为森林可燃物调查。如应用3S技术来监测森林和草原可燃物动态，可及时且准确地监测森林生态系统和周边环境变化，经过GPS定位，借助GIS地理信息系统，进行计算机统计分析，从而克服人为操作的不足。

在森林防火中高新技术的应用主要是指利用遥感方法，借助3S技术进行科学的林火管理。利用3S技术能及时发现火情，这一技术已在我国得以应用。未来还需加强这一体系的普及与完善，培养相关技术人员，大范围推广使用，有助于增强数据调查的精度与广度。

4.2 应用3S技术和火险区划确定林火首要援助区域

除前期对森林火险进行防治研究，后期的火灾补救同样十分重要。林火发生时，首要任务是确定最紧急求援的林区，但在实践时过多依赖扑火指挥员的经验来进行判断，会降低工作效率。但GIS可根据其空间数据和地图资源，由专家子系统提供的推理机制，确定重要林区应急救援过程。且林火管理中，应用GIS确定首要扑救林区方法，已在美国研制成功，并在美国科罗拉多州和卡罗莱纳洲北部的国家公园推广应用。我国可以结合“全国森林和草原火灾风险普查工作”中森林可燃物类型基础数据，开展全国森林火险区划工作，借助3S技术，确定林火首要援助区域。

首先由专家子系统基于多参数进行分析，如对可燃物类型、载量、燃烧性、森林植被的耐火性能，结合气象要素进行分析，并综合坡度、坡向、土地利用情况等信息进行综合分析，由GIS提供地图知识，进行不同类型森林和草原的林火行为仿真研究，根据火行为指标，确定最优扑火路线。因此，未来应在火灾补救过程中使用3S技术，其集成系统还应根据估算林火区域的森林生态系统经济价值，确定合理的扑火队伍数量，根据林火价值等参数对飞机出动时间策略进行优化。

4.3 加强“堆腐制肥”等技术研发，减少可燃物积累

根据相关调查，森林生态系统中的可燃物积累有持续增加趋势，加强可燃物科学管理和利用将成为森林火灾预防的主要手段之一。业界已开展对农林业可燃物的研究，有学者研究了园林废弃物复合基质对农业生产的作用。结果表明：这些废弃物具有很好的增产作用；有学者对农林废弃物堆腐后生产栽培基质的理化性质进行了详细分析，发现废弃物生产基质的安全性是有保障的。因此未来开展森林可燃物的利用研究，研发和完善“堆腐制肥”技术，不仅可减少森林可燃物积累，还可大量减少使用化肥，改良土壤[52-54]。

5 结语

当前环境与气候变化等系列问题，增大了森林火灾的发生可能性。因此，需不断提升对森林火灾防御与控制工作的重视程度；结合我国国情及林业工作者的实际情况，根据我国各类森林生态系统特点，制定具有中国特色的森林防火方案；贯彻落实“预防为主，积极消灭”的森林防火方针；应用先进科学方法，对森林火灾进行预警、检测；采用高效的措施手段，对森林火灾进行应急处置，培养专业灭火队伍，对森林火灾进行管理扑救；全面提升我国森林火灾的综合防控能力，推进我国森林防火事业的科学化、现代化、法制化发展，保障国土安全及生态稳定，确保森林资源及人民生命财产安全。