灌木林燃燒性研究綜述

張 鑫，王 勁，張文文，王秋華，龍騰騰，王睿琛

（西南林業大學土木工程學院/云南省森林災害預警與控制重點實驗室，昆明 650224）

灌木林是一種以灌木為主體，混雜小喬木、草本的植被類型，是生態系統重要組成部分。灌木（Shrub）是一種較好的工農業原料，在林產化工、生態建設、城市綠化等領域，均有重要應用。由于灌木林特殊的形態外貌、特有的理化性質、生存環境以及叢生或集生的分布特征，在研究灌木林火災時同樣具有特殊性。通常灌木林火災的燃燒強度大，林火蔓延的速度快，一但火災失控極易引起較大或特大森林火災，由此造成的社會影響、經濟損失將會難以預測，故灌木林燃燒性的研究應當推廣。

國內外對于灌木林火災及其相關特性探究的文章略有規模，例如一些學者（婁茂達，1991）研究了地中海地區灌木林在干旱少雨時期的燃燒性以及林火預防撲救技術[1]；一些學者（Scott L，2005）分析了干濕分明氣候對美國加州地區灌木林火災的影響以及強季風氣候對森林火行為的影響[2-3]；一些學者（張文文，2021）分析了極端氣象條件與高可燃物載量兩者互相作用下對澳大利亞森林大火發展趨勢的影響[4-5]；一些學者（魏建珩，2021）分析了我國一些地區灌木林的燃燒性和潛在火行為[6]；一些學者（郭夢佳，2021）研究了灌木林火災對生態環境的影響和灌木林在生態環境恢復中起到的作用[7]。國外對于森林火災消防體制的建立成型較早，但是成果卻明顯不如國內，近些年澳大利亞東海岸森林火災、地中海地區森林火災、美國加利福尼亞州11.8 特大森林火災等便是最好的證明。這些森林火災造成的影響是全球性的，其對生態環境以及社會穩定的影響不可估量。

本文旨在歸納整理有關探究灌木林燃燒性的文章，統籌分析灌木林在燃燒時的理化特性和潛在火行為，以此來估測不同生長地段、不同種類的灌木林發生火災時的林火行為。從而對灌木林的林火發生做出預測，為我國森林火災預防撲救工作做出理論指導。

1 灌木林及其特征

灌木林即以灌木為主體的植被類型，常以闊葉類灌木簇擁成林。灌木林內的植株較矮小，高度多為1～5 m，冠幅蓋度多為40%及以上。灌木的枝葉較為茂密，冠幅較小且靠近地面，枝條叢生而主干不明顯。灌木適應力強，在我國東北、華北、東南沿海以及西部地區均有大量分布。其對土壤、氣候、氣象條件要求簡單，各種不同的地形地貌都能維持其生長。從低海拔東南沿海地區的濕生灌木到西部海拔3000m—5000 m 的高寒地區灌木林，從沙地、鹽堿地、干熱河谷的旱生灌木，到亞高山、高山等的中生灌木林，均有灌木的更替延續[8]。

灌木作為一種更替能力強，應用范圍廣的樹種，常被應用于人類生活的各種領域。良好的環境適應性，使得灌木成為生態環境保護中重要的一環[9]。例如紅柳（Tamarix ramosissima Lcdcb）、霸王（Zygophyllum xanthoxylon）等沙生灌木耐瘠薄能力強、不苛求生長環境，強大的根系使得其在防風固沙、水土保持方面發揮出重要作用。灌木也是生產生活的重要原材料，其易于取材、用途廣泛，適用面涉及到工業、農業、手工制造業等多個領域。例如在景觀綠化、制藥、制肥、造紙、飼料、畜牧等產業均有灌木的大量使用[10]。

灌木林也是一種極易發生森林火災的林型，在近幾年美國加州大火、澳大利亞森林火災以及地中海灌木林火災的例子中[11]，可以看出集中連片分布的灌木林對森林火災的正向促進作用。這些區域常年受副熱帶高氣壓影響，夏季干旱少雨，日較差大，結合危險地形、危險氣候、危險氣象等致險因素，有較大概率發生森林火災。在發生低強度灌木林火災時，灌木能給火線提供連續的載體，低強度火災極易發展成高強度森林火災。

2 灌木林燃燒理化特性

森林生態系統在不同的地域、區域存在顯著差異，各組分之間有著復雜的交互關系。評價灌木林燃燒的理化特征時，其內在特征是重點。目前對森林可燃物理化特征的研究中，對熱值(calorific value)、燃點(burning point)、抽提物含量(extract content)、灰分含量(ash content)、熱解物質(thermal decomposition)等[12]，存在大量研究先例。

灌木林燃燒的理化特性研究，通常需要考慮林內全部有效可燃有機物。灌木林的有效可燃物可分為活灌木、枯死可燃物、粗木質殘體(Coarse Woody Debris，CWD)等[13]。這些不同的組分具有的理化性質不同、形態特征不同，其在燃燒時的數據表征也不相同。

2.1 灌木的熱值

熱值即為可燃物在絕干狀態下完全燃燒釋放出的總熱量，通常作為評判可燃物燃燒性的重要化學性質之一。可燃物所含熱值越高，燃燒越劇烈，釋放的熱量越多。熱值越高的森林可燃物，其燃燒時的火強度也相應越大。熱值的高低也反映了植物積累有機物的多少。

國內外在研究灌木林燃燒熱值時，測量儀器主要采用微機氧彈式量熱儀和錐形量熱儀(CONE) 。前者將內燃氧彈放置在水中，通過測量水的升溫來計算樣本的放熱量；后者通過測量樣本在不同熱源下燃燒過程中的耗氧量，計算出材料的放熱率。這兩種測量方法是國內外研究可燃物熱值的主要方法[14]，但其與樣本的狀態有強相關性。不同狀態下的樣本燃燒熱值略有差異，例如活灌木的含水率較高、有機揮發氣體含量也較高，燃燒熱值比枯死灌木和CWD 的熱值大。

2.2 灌木的燃點

燃燒是可燃物與熱源相互作用的一系列化學反應，當可燃物受熱蒸發出可燃的有機揮發分時，在一定溫度火源的作用下便會燃燒，發光放熱并伴隨火焰。灌木林燃點的測定主要采用DW—02 型點著溫度測定儀，研究表明無水木材的燃點為275℃左右，這與王秋華（2016）在對滇中火燒跡地灌木的點著溫度測定實驗中，所測定的276 ± 4 ℃相吻合。一般情況下，可燃物的燃點與其含水率、所處環境有很大關系，在外部因素作用下，所測定的燃點也會有所偏差，以至于可燃物沒有一個精確的燃點。但決定其燃點的主要因素還是自身所含物質，所以灌木林的燃點在一個范圍內是正常的。

2.3 灌木的抽提物含量

抽提物是指用一些有機溶劑（苯—乙醇、醚等）、水、呈現弱酸或弱堿性的水溶液提取出的物質的總和。抽提物的組成復雜多樣，對可燃物燃燒性影響較大的成分則主要是粗脂肪和揮發性油類物質。一些學者(王午豪,2021)使用索氏提取法、水蒸餾法對可燃物的粗脂肪和揮發性油類進行測定。結果顯示在樹葉和小枝條中，這2 種易燃性物質的含量較高[15]。灌木作為一種多枝葉的叢生植被，小枝條與樹葉的載量較高，其所含的粗脂肪和有機揮發分也較多。田曉瑞等（1999）用方差分析法將多個樹種的苯—乙醇抽提物與燃燒熱值進行分析，結果呈正相關；粗脂肪、苯—乙醇抽提物與可燃物的燃點呈負相關，粗脂肪、苯—乙醇抽提物含量越高，可燃物的燃點越低。

2.4 灌木的灰分物質含量

灰分即為烘干的可燃物在高溫密封條件下完全燃燒后，燃燒后剩下的灰的質量與未燃燒時質量的比值。灰分的大小可以反向表現出可燃物中含有的有機物的數量。灰分越大，則可燃物所含的有機物越少，兩者呈現出反比。灰分含量可以影響到可燃物的燃燒性，組成灰分的物質主要為常見鈉、磷、鉀、鈣、鐵等礦物質組成的化合物[12]，這些物質會增加木炭生成，從而減低植被燃燒時的火焰活動。

有研究證明（王曉麗，2000），植株的灰分含量為樹葉＜細枝＜樹皮＜大枝。大多數灌木為多莖干樹種，細枝茂盛，故而灌木的灰分含量是小于大型喬木的。從肖慧娟（2017）對滇中森林火災火燒跡地可燃物理化性質測定中，多數灌木不同燃燒分的灰分含量都小于10 %，其含量關系為死可燃物（6.32 %）＞活灌木（5.08 %）＞CWD（3.75 %），可證實該地多數灌木的灰分含量都處于較低水平[16]。

2.5 灌木的熱分解

多數灌木熱分解的成分主要是纖維素（cellulose）、半纖維素（Hemicellulose）和木質素（lignin），其熱解產物主分為氣體（如CO、CO2、H2等）、液體（如醇類、酮類、醛類等）和固體（如木炭等）。王舜娩（2015）提出，草本灌木類可燃物的熱分解在116℃—444℃時達到峰值，可燃物的纖維素在200℃—380℃之間開始熱分解，平均分解速率在1.66% min-1—2.95% min-1之間；木質素在380℃—525℃時開始熱分解，平均分解速率在1.67% min-1—4.32% min-1之間。纖維素分解出的可燃氣體對灌木林火災蔓延影響大，而分解緩慢焦炭的木質素則對灌木林火災的蔓延影響較小[17-18]。

3 灌木林潛在火行為

森林中林火行為主要指森林火災從可燃物著火到火勢發展、向周圍空間蔓延、火勢衰退直至熄滅的全過程所表現出來的全部特征。我國灌木林的分布情況同總體森林資源分布情況大致相同，主要分布在南方林區和東北林區。受到時空區域的影響，灌木林火災與可燃物類型、季節氣候、地形氣象、火源條件和人類活動等條件聯系緊密，不同的條件下所表現出的林火行為各有不同。

3.1 林火種類

灌木林火災種類與其植株形態緊密相關，多數灌木林都有叢生的特征，冠幅矮小，密度大。灌木林下多生草本、禾本科植物，以致于林內郁閉度高，各層次連接緊密。在發生灌木林火災時，地表火、樹干火、樹冠火會同時存在，植株密度大導致林火相互催生，火勢發展迅速。通過對灌木林火燒跡地的實地調查[19]，過火片區通常僅剩較粗枝干未被燒除，其余有效可燃物燃燒較充分。該結論再次證實了灌木林內發生火災時，林內可燃物燃燒充分，地表火、樹干火、樹冠火等林火類型均會存在。

3.2 著火難易程度

著火的難易程度可以正面估測森林火災發生的可能性，從而給林火預防做出提前預警。著火難易程度與可燃物的燃點、可燃物的含水率、野外火源等有關。燃點即為可燃物的點著溫度，燃點越低則該可燃物越容易被點燃。一些學者（陳家興，2018 等）用DW—02 型點著溫度測定儀來測量不同灌木的燃點[20-21]，測定出林內地表凋落物上層的點著溫度為287.4 ± 6.5℃，凋落物下層的點著溫度為288.9 ± 5.3℃。野外常見的火源多為祭祀上墳、煙頭、燒荒積肥、電線短路等[22]，這些火源的燃燒溫度都大于灌木林地表凋落物的點著溫度，可以預見灌木林在遇到火源時的危險性。一些學者（金森，2012）用灌木的含水率（FMC）來估測灌木著火的難易程度[23]。灌木林的活地表可燃物與死地表可燃物的含水率差距不大，一般情況下FMC 小于40%時[24]，可燃物均能夠不同程度的燃燒。

3.3 林火蔓延

具有規模的森林火災，其火災蔓延的空間范圍均比較大。作為灌木林火災潛在火行為的因素之一，林火蔓延的趨勢決定了森林火場的大致范圍。在森林火場中，受制于地形、風向等因素，不同部位的火線強度也大有不同。Anderson 等[25-26](1983)提出風對林火蔓延影響的雙橢圓形數模型，用于模擬不同風向、地形等因素下林火蔓延的趨勢。數據證明了在山地起伏變化的坡地，上坡火的火頭部位火線強度最大，而位于火尾部位的下坡火，其蔓延速度、火線強度則相對較低。位于火翼部位的火線，其蔓延速度則相對持中，整個森林火場呈現“V”形。而在地形平緩且風速較小的條件下，林火的蔓延趨勢則以著火點向四周均勻輻射，火場形狀近似圓形。

叢生灌木林的連續性較高，植株通常擁有較大的表體比，其著火時受熱面積大，熱量接受多，植株所含水分在短時間內迅速蒸發，火焰極易蔓延。一些學者（徐偉恒，2019）采用“燃燒床”模型探究林火蔓延速率[27]，這是一種在室內構建模擬野外地被層進行點燒的實驗方法，從而測量出火線強度，林火蔓延速度、火焰高度等數據的方法。一些學者（王正非，1983）依靠數學模型去預測林火蔓延的趨勢[28-29]，如McArthur,A.G.(1960)的澳大利亞草地火蔓延模型、王正非林火蔓延模型、加拿大林火蔓延模型、羅森邁爾(Rothermel)地表火蔓延模型、Van Wagner 樹冠火蔓延模型、林火加速模型等。這些方法依靠可燃物負荷量、風速、坡度、濕度、樹冠高度等易測量數據來預測林火蔓延速度、林火蔓延面積、平衡蔓延速率等抽象數據，從而對林火發生做出理論支持和數據依靠，為森林防火、打火滅火工作做出理論依據。

3.4 林火持續時間

發生森林火災時，火焰在火場的停留時間即為林火持續時間，火焰駐留時間的長短決定著過火植被的存亡。火焰駐留時間極短的火場，即便是高強度火災，對植被的損傷也不會太大；而長時間駐留的低強度火，可能會給林區造成極大損傷，火燒跡地存活植被較少。故而林火持續時間與火強度一樣，都能表征火災的嚴重程度。

灌木林的原生更替能力很強，代謝快，生成地被層的速度也很快，故而有效可燃物載量大[30-31]。灌木林的地表易形成枯死莖葉層、CWD、地表腐植層的積累，多層次可燃物的堆積達到了火焰停留的條件，進而增長火焰持續時間[32]。

3.5 火烈度

森林火災能量釋放的大小與火燒持續時間兩者相互作用則為火烈度，火烈度可以用來衡量過火后植被的破壞程度。發生森林火災后，整個森林生態系統都會受到不同程度的損傷。能直接表征火烈度的方法便是林木死亡率，小于5%林木死亡率，則判定該林火為低烈度的輕微地表火；而大于80%的林木死亡率，則該森林火災為近似毀滅性的爆燃火[33-34]。

一些學者（楊一，2016）研究了不同火烈度對灌木林次生演替及火災后恢復狀況的影響，結果證實了中烈度的林火對灌木林中主要物種的更替有直接影響。發生過灌木火災的林地，在灌木冠層消失后，喜陰的草本植物災后恢復物種數量大幅下降，一些耐光的植物數量占據優勢。在灌木林火燒跡地中，外來物種易入侵，且變成該地優勢種類,而原生植被的數量則有所減少。

3.6 火強度

火強度即為森林火災能量釋放量與能量釋放速率之積，它可以表示為輻射強度、對流強度、發熱強度、反應強度和火線強度等[35-36]。在森林防火和撲火、用火過程中，低強度的林火對森林生態系統有促進作用[37]，合理的計劃燒除對種子萌發、植物生長、森林防火等均有積極作用。

當火強度大于3500 KW/m 時，火場會出現樹冠火和飛火，火頭難以控制。高強度林火長時間作用于灌木林時，會對灌木林造成毀滅性影響。一但灌木林發生火災，極易由地表火發展到樹冠火，由間歇性樹冠火發展為連續性樹冠火。灌木林具有良好的連續性，是連續樹冠火的載體。灌木林冠層給樹冠火提供充足的燃料以及過火路徑，著火時冠層會被大火燒除，而火燒跡地僅存留較粗壯枝干[38-39]。一些學者（陳羚，2019）用火燒跡地殘留物判斷林火強度，結果證明高強度的林火通常會將灌木林完全燒毀，樹枝會被燒成白灰狀。

3.7 能量釋放

灌木林火災的能量釋放主要表現在發熱量上，其發熱量的大小與可燃物的含水率有著密切關系。通常，含水率與發熱量的大小呈反比[40]。在灌木林火災中，火焰前沿會在連續的有效載體上持續前進。持續的熱量釋放，讓已燃區域與未燃區域之間存在高強度熱輻射。可燃物被預熱后，含水率下降，蒸發出易燃有機揮發氣體，使火焰前沿持續燃燒蔓延[41]。

高能量火會形成特殊的火行為，如對流柱、火旋風、爆發火、火爆、飛火、跳躍式火團等[42-43]。在極端天氣、危險地形主導下，特殊火行為極易成型，這對林火控制、防火撲火造成極大困難。了解特殊火行為的成因及危害，對我國森林消防工作有極大促進作用。徹底了解特殊火行為，對可控火災的打火作戰方法，對失去控制的火災的預測及防治方法，對預測火災演變及對打火人員的人身安全保障等都有很大幫助[44]。

4 結論與展望

解放以前，我國的森林資源受損嚴重，開山造田、濫砍濫伐、森林火災等大肆泛濫，森林覆蓋率一度降低到5.18%。解放后植樹造林、封山育林、飛播造林等措施開始施行，到現在，我國的森林覆蓋率已經增長到23.04%。隨著社會的發展，當今我國對森林資源的需求和使用性質已有所不同，我國的森林防火工作也面臨著新的挑戰。

本文主要以灌木林的燃燒理化特性及其潛在林火行為為出發點，對國內外研究灌木林森林火災的文獻資料進行了綜述撰寫，并且得出了以下結論：灌木屬于高熱值的植被，其燃點較低，灰分含量低，不易生成焦炭，發生灌木林火災后容易燃燒殆盡。灌木熱解速率快，水分蒸發快，易揮發出可燃成分，這種特性對灌木林火災的蔓延有很大促進作用。國內外在探究灌木林燃燒性的方法中，主要有實驗室測定（點著溫度測定、CONE 熱值測定等）、人為搭建模擬燃燒床（火焰高度、煙氣溫度、陰燃發熱量等的測定）、計算機建模（Pyrosim、Behave Plus、FDS 等）、野外點火計劃燒除等方法。

灌木林火研究目前屬于冷學科，我國的相關研究主要分布于華北、東北和部分西南地區，這與我國西部灌木林的分布數量和西部森林防火的高壓態勢有所不符，應當加大在西部地區的探究力度。在研究內容上，各類研究方法并沒有統一實驗樣本的標準，以至于實驗數據參照不一，對現實防火工作幫助不大，建議在實驗測定中統一部分標準，從而有所對照。在灌木林火燒跡地災后恢復的相關研究中，火燒跡地外來物種入侵的防治與灌木林災后次生演替規律的探索仍需加強。