计划烧除文献综述

1、计划烧除介绍引言 11计划烧除的定义和由来 12 计划烧除用途及实践 22.1 平整土地，为植树造林准备立地22.2 降低火险 22.3 控制林内竞争性植被的生长 42.4 计划烧除还可以用来控制森林病虫害 42.5 管理动物栖息环境 52.6 维护和转变植被类型 52.7 利用计划烧除维持特定物种和种群 52.8 促进物种多样性，（生物系统）景观多样性 62.9 用火来维持生态系统 63 计划烧除的理论依据 63.1 林火燃烧机理 73.1.1森林燃烧的理化过程 73.1.2 森林可燃物的理化特性 83.1.3火行为 103.2 点火技术 143.3 生态学认识 163.3.1火对环境的影响

2、 163.3.2 火烧对植物个体以及种群的影响 183.3.3植物对火烧的反应 213.3.4 火对森林群落的影响 213.3.5 火与森林生态系统的关系21 早期的认识 21 “火历史和火状况 (fire regime) ”概念的提出。 火与生态系统的动态关系 224.计划烧除的实施程序 264.1 确定计划烧除的目的 资源管理目标 264.2 确定技术指标 264.3 编写火烧配方 264.4 制定烧除计划 264.5 实施烧除 264.6 评估烧除结果 27结束语 27参考文献： 28引言对森林火烧开展科学研究并大规模地利用火烧实现土地资源管

3、理目标虽然历史不长但发展非常迅速。 今天，人工火烧或者是有控制的自然火烧被许多国家的土地资源管 理特别是森林资源管理部门用作一种常规的管理手段。现在，人们已经认识到，在森林生态系统中，火是一个非常重要的因子。森林中每年的凋落物不能完全腐化，就造成了地表枯落物的积累， 在自然条件下，火便成为促进枯落物转化的因子。利用计划烧除预防森林火灾、改善更新条件是一种经济、实用而又能够实现多种效益的管理手段。1计划烧除的定义和由来关于计划烧除的定义，国际机构、政府部门、科学家和生产部门等作了很多的表述：(1) 联合国粮农组织(FAO )对计划烧除下的定义为“在特定环境条件下，对室外处于自然状况或经过人工处理

4、过的可燃物有控制地用火，将火限制在预先设定的区域，同时让火产生足够的强度和蔓延速度以达到预定的资源管理目的(Chandler et al,1985)”。(2) 美国林学会对计划烧除的定义是：“在一定气候、可燃物湿度、土壤温度条 件下，熟练地用火烧除天然可燃物，并把火限定在规定的地面，在一定的时间内产生合适的热量强度和蔓延速度，为防火、育林、野生动物管理、放牧和减少病虫害等一个或 几个目标，而获得一定的予期效果”(舒立福，田晓瑞，寇晓军，1998)。(3) 1998年由美国国家公园管理局、林务局、印地安事务局、鱼类与野生动物管理局和土地管理局共同颁布的 荒火与计划烧除火管理规定的定义为：“任何为

5、了实现特定目标而人工点燃的火烧，必须有书面的经过批准的烧除计划”。(4) 其它的定义如“在特定的可燃物、天气和其它条件下有计划地将火用之于野 外可燃物，让火保持在预先确定的范围内，从而实现资源管理的目的”( , 1997 )。这些定义的表述不尽相同，但其共同特点就是强调人为地利用火烧进行资源管理。早在1890年美国就有人提出计划烧除。目的是为了减少森林可燃物。1907年，F.E.Olmosted第一次提出了 “计划火烧”概念。 1911年，R.Harper提出用控制火烧来管理 森林的下层杂木。1935年以后，计划火烧在美国森林区进行了大范围的研究，1960年以

6、后计划火烧被广泛应用，直到本世纪 70 年代中期 ,计划烧除才作为一种有效的森林、 生态管理手段，在美国被广泛接受 (周道玮，李晓波， 1996) 。在计划烧除开展得比较广 泛的加拿大，情况也基本如此。早在 1925 年，加拿大就已有用计划烧除来降低火险和 帮助森林更新的报道，在本世纪 30， 40 年代都进行过计划烧除的实践和研究(VanWagner, 1995)，但是，直到60-70年代以后才大规模地应用于生产中。 在安大略(Ontairio ) 省，从 1962 年到 1992 年的 30 年间，计划烧除面积增加了近十倍 ( Van Wagner, 1995)。2 计划烧除用途及实践随着

7、火生态研究的日益深入， 火烧在森林经营和生态管理等方面的应用也正变得越 来越广泛。人们正设法利用这种廉价而高效的手段来实现多重目标。2.1 平整土地，为植树造林准备立地在世界上许多地方， 火仍是种庄稼、 改良牧场和造林之前平整立地的主要工具， 用 火烧整地的好处除了快速外， 就在于火烧后植被所释放出的有效养份可以被随后出现的 处于快速生长、正需营养的植被所吸收。而且， 如果操作得当， 火烧的方法比机械方法 引起土壤压实、 物理移动的可能性也要小些。 火烧法整地的一个弊端就是由于可燃物特 征、地形地貌、 以及可燃物分布和点火技术的不均匀性容易导致火烧效果的不一致。不过， 这个问题可以通过对可燃物

8、进行预处理如分散、集中、 控制点火技术等措施加以克服(Chandler et al，1985)。用火烧法整地的关键是火烧时机的选择，可燃物太干燥时，容易导致大面积高强度火烧，这样对立地本身的破坏作用可能会超过其所产生的效益， 而且强度太大也容易失控，造成损失。 可燃物湿度太高时， 又达不到烧除目的， 而且烧 除时机受气象要素所控制程度也较高。 在加拿大、 美国以及中国东北林区采伐后通常用 此法来清除林地剩余物， 以便重新造林。 在有些经济落后的地区， 炼山造林的作法一直 沿用至今。2.2 降低火险用计划烧除降低森林火险， 也叫可燃物管理， 即在比较温和的燃烧条件下烧除伐余 物或自然积累的危险可

9、燃物以防止在干燥或有风等的高火险季节发生火突，或即使起火也不致燃火大 (吴德友， 1998)。它是迄今为止计划烧除用得最广的领域。森林火灾一直是全球， 尤其是温带和亚热带森林所面临的最大问题。全世界每年发生森林火灾约22多万次，烧毁森林面积640万公倾以上，约占世界森林覆盖率的 2.3%。 以上（舒立福， 1998）。这种大面积的森林火灾不仅使大片森林资源突然消失，对生态 系统和环境造成极大破坏，而且往往伴随着生命财产的巨大损失。如 1987 年 5 月发生 的中国大兴安岭森林火灾过火面积达 114万公倾，烧死 213人。 1997年 6日开始的印 度尼西亚大火到 11 月已有 191.4 万

10、公倾珍贵热带雨林过火，许多人在大火中丧生，大 气污染同时波及到马来西亚、文莱、新加坡和菲律宾等国。火灾之害，由此可见一斑。 正因为如此， 如何防止大规模的、 灾害性强的森林火灾的发生， 一直是各国火管理部门 和科研工作者的工作重点。森林火灾是三个要素：火源、气象条件、森林可燃物相结合的产物。由于人们很容易看到火源在引起森林火灾中的作用， 所以过去的防火工作主要侧重 在利用行政手段加强火源管理上。 但是， 这种手段的作用十分有限， 因为：首先，火源管理可以加强，但是无法杜绝。随着经济活动、生产活动的日益繁频、 生活方式的改变、 生活水平的提高、人们越来越向往大自然，这样形成了农村、 城市的 居民

11、与森林的接触都比以前更频繁， 所以人为火源的控制越发困难。 而自然火源如雷击、 火山、泥石流等引起的火源则更是难以控制。 虽然有人尝试在雷击多发区域安装雷针等， 但收效甚微（ Chandler et al,1985 ）。其次，由于加强了火源管理， 森林火灾发生的次数确实减少了。 但是，由于火灾次 数少了， 森林内可燃累积越来越多，所以一旦发生火灾，往往都是大的森林火灾，森林 火灾造成的总的损失并没有多大改变。气象条件受大气环流的控制，人类目前的能力还只能初步预报，但无法改变。基于对于上述事实的认识， 人们将目光转向可燃物的管理。 可燃物管理主要反映的 是林地上的枯枝落叶等死的和下层草本灌木等细

12、小可燃物的管理。 随着人们对林火行为 的认识的加深和对火与生态的关系认识的转变， 人们开始趋利避害， 选择一定的可燃物 状况、气候条件和点火技术在高火险季节到来之前就将林内的易燃可燃物如枯枝落叶、 活地被物等完全或部分去除， 以降低火险。 计划烧除降低了林内易燃物量， 即使发生火 灾，由于火烧强度低， 同时又由于不断地烧除降低了林内草本和灌木层的高度、 打破了 可燃物的垂直连续性， 发生灾害性树冠火的可能性也大大降低。利用计划烧除进行森林防火的关键在于要 （ 1）了解被保护树种对不同强度、 频度、 季节火烧的物理、生理反应；（ 2）根据可燃物状况、气候条件以及被保护树种生长情 况选择烧除时机和

13、点火技术； （ 3）确定恰当的烧除间隔期； （ 4）控制火行为。各国科学家根据不同的具体情况制定出了许多用于在不同树种的林内开展计划烧 除以降低火险的用火规程。在中国， 计划烧除是由各级森林防火部门组织开展的。 东北林区、四川林区、 云南 林区等， 每年都要烧除很大的面积， 主要目的就是为了降低森林火险等级、 减轻防火压 力，取得了良好的效果。许多林区，如东北林区、内蒙古、云南省等都根据本省情况制 定了开展计划烧除的林业政策和火烧规程， 用于指导本省的计划烧除工作。同时，各国科学家都针对不同树种的情况开展了大量研究。 Van Wagner(1993) 对北 美的主要树种的火生态学进行了仔细的研

14、究。 在中国，西南林学院的吴德友教授等 (1995) 对云南松、 思茅松的林火特性进行了研究并提出了在云南松、 思茅松林分内开展计划烧 除的技术规程。 王金锡等人 (1995) 也在四川西昌等对云南松林区计划烧除进行了大量的 研究。2.3 控制林内竞争性植被的生长计划烧除的又一个作用就是用于控制竞争性植被， 促进主要树种更新。 例如在以针 叶树为主的用材林中，当主林层郁闲后，林内小环境的湿、热、光等条件发生变化，针 叶树幼苗无法适应林内环境，只有耐阴的硬杂木幼苗可以建群生长，如果不加以控制， 这些硬杂木既会与目的树种争夺资源又不利于针叶树的天然更新。 由于硬杂木与目的树 种高度不一样，树木抗火

15、性也不一样， 硬杂木、 林下植被等的抗火性不及针叶树强， 利 用计划烧除可以消除下层植被， 从而消除竞争树种， 既利于目的树种生长， 又利于其天 然更新。2.4 计划烧除还可以用来控制森林病虫害火能烧死林内害虫和病原体， 同时还能除去大部分生长能力弱的病木和被压木， 火 烧后留下的林分将会更加健康，长势更优。Van Wagner( 1993)将以上几种用途归为与生产木材有关的营林性计划火烧，它的显著优势就是速度快，成本低。计划烧除的另一领域与木材等林产品经营关系不大， 而侧重于发挥火的生态作用以 实现生态学方面的目标。 这些目标大多包括管理和维持某些野生动物的栖息环境、 促进 生物、生境多样性

16、，或维持某些特殊的生态系统、维持特殊种群或群落。2.5 管理动物栖息环境国外已有许多关于成功地应用计划烧除管理牧场、 改良松鸡生境和火烧沼泽地以改 善水禽和水生动物栖息地的报道( Van Wagner( 1993)。如果是在孵化期以外进行的 话，低强度火烧对野生动物总是有利的(Cha ndler et al,1985)。因为大多数动物和鸟类都喜欢多样化生境和边缘地带， 低强度火烧有利于促进边缘效应。 但是， 要成功地做到 这一点， 仍然要求对有关动物的生态要求有较彻底的了解， 对一种动物有利的火烧或许 对另一种动物有害。所以，在设计计划时一定要权衡利弊，综合考虑有关动物的要求。 计划烧除对动物

17、带来的另一个好处就在于火烧后生长的嫩草，萌发的枝条， 树叶等比烧前更鲜嫩适口，更富营养。(杨道贵等，1997)。火烧林地可提高草的有效营养成分。火烧后长出的草中粗脂肪， 粗蛋质， 无氮浸出物等含量都比未火烧地长出的要高 (杨道 贵， 1995)。2.6 维护和转变植被类型火烧转换植被类型的作用很明显的。 如果目的是要使植被逆行演替， 只需正确使用 计划火烧就是可达到目的 (Chandler et al,1985 )。如利用火烧可以成功地去除草地中的 木本植物； 利用计划火烧也可以成功地去除针阔混交林分中的阔叶树种，因为火能控制杂木生长从而有利于松树生长( Liu et a l , 1 9 97

18、 ) 。以上两种情况都是利用火烧维持植被 类型的例子。 成功的关键还是在于对于群落演替方向的了解， 以及对于火烧强度、 火烧 频度和火烧时机的选择。2.7 利用计划烧除维持特定物种和种群许多物种在长期的进化中已经进化了许多靠火烧才能完成天然更新的生活特征。Whelan (1995)在火生态一书中列出了20多种生长在北美、黑西哥和地中海地区的松伯科植物如地中海地区的 Pinus pinaster 、北美的池松( P. serotina )、杰克松( P. banksiana)、扭叶松(P. contorta )、墨西哥的展叶松(P. patula)等与火的依赖关系。 这些树的球果的鳞片都由脂类粘

19、在一起， 包闭在其中的种子只有在高温熔化了树脂使鳞 片张开后才会掉下，开始新的一轮生活史。典型的例子就是杰克松。 杰克松的球果的鳞片粘得很紧， 只有高强度的树冠火才能 使其种子被释放出来。 这些种子可以一直在树上停留很多年而且仍然可育。 如果没有火 烧，就只有在天气很热或枝条枯死时才会掉下来。 但是靠这种方式掉下的种子数量太少， 即使不被动物捕食， 也会由于上部遮荫或林地枯落物太厚而无法发芽、扎根， 所以无法完成天然更新。 在自然状况下， 这些树都是靠高强度火来完成更新的。火烧一方面使球果大量开裂， 放出种子， 一方面又能清除地表枯枝落叶层， 暴露出矿质土壤，有利于种 子发芽，扎根。另一方面，

20、火烧烧掉林内灌木杂草消除了营养和空间竞争。再者，火烧 至少会烧死部分上层林木， 从而为下层幼苗更新提供其所需的光热条件。 澳大利亚的一 些山龙眼科植物也有这样的特性。有些种类的兰花也要靠频繁的火烧才能延续其种群 (Whelan, 1995)。通过长期进化， 这些树种组成的群落各自都演化了比较固定的火烧周期， 如杰克松 (P. bansiana)的自然火烧周期为 25-100年(Chandler, 1985)。过于频繁和过于推迟 的火烧都会影响其更新能力， 影响植被的演替途径。 近年来， 人们开始使用计划火烧来 恢复长叶松林群落( Liu et al, 1997 )。Van Wagner ( 1

21、 993)研究了加拿大的 10种主要用材树种的火生态特征和用火潜力。2.8 促进物种多样性， (生物系统) 景观多样性在美国阿肯色州进行的实验表明，火烧能增加草本植物多样性和豆科植物的多度( Sparks 等， 1998)。火烧过后一年生、两年生的有花植物会大量出现。同时，火烧 能产生多样化的生境， 从而利于各种动、 植物的生存。 火烧后促进了植被类型的多样化 从而有利于景观多样性， 增加了森林的美学价值。 在美国， 人们用火烧来促进公园景观 多样性，以吸引观光。2.9 用火来维持生态系统火是维持生态系统动态平衡的一个潜在力量。 研究表明， 每一种生态系统都有其固 有的火烧历史( Chandl

22、er, 1985)。每种生态系统的现状都同一定火烧历史有关。所以， 要维持生态系统，就有必要让这些自然的因子发挥作用。美国 1964 年的荒原法案 认为：森林公园是一些其土地及生命群落不受人类影响， 人类自己只是一个不常来的过 客的地方，对这些地方加以保护和管理以保存其自然状况一一只受自然力的作用(Chandler 等， 1985)， 1979 年加拿大公园政策中说永久保护具加拿大国家意义 的自然区域，将其原封不动地留给后代( Van Wagner, 及 Methven 1980 )。这种指导思 想允许生态系统遵循其自身的演替路线，并且允许火在这个演过程中发挥其应有的作 用。3 计划烧除的理论

23、依据计划烧除的理论依据来源于人们在三个方面的研究成果：( 1 )火烧机理(2) 点火技术(3) 火的生态作用。3.1林火燃烧机理长期以来，人们对森林火烧机理进行了大量研究，取得了丰硕成果。3.1.1森林燃烧的理化过程通过研究发现植物材料的燃烧实际上就是植物体中纤维素、半纤维素、木素以多种抽提物的燃烧。纤维素和半纤维素的燃烧热为2,850卡/克，大大低于木素(5,860卡/克)或抽提物。其中木素含量对火烧强度起重要作用，但抽提物在火的蔓延和火焰高度上起作用。燃烧的第一阶段是可燃物遇热源吸热降解的过程，也是一个纤维脱水的过程。当达到一定温度(280 C时)时，放热过程就占优势并推动反应继续进行。当

24、表面温度 达到500C 600C时，如果脱水降解生成的木炭表面有氧气供应的话，就开始有焰燃 烧。在有焰燃烧的过程中，木炭在其表面直接转化成CO,并在表面稍上一点地方又立关于点热过程，人们也做了大量研究，植物材料能否被点燃取决于传导到木材材料 的热量和该热量被吸收的情况。在研究了许多木材样品后，Marian提出了一个经验公式，用可燃物密度和水分表示的木材传导率：K= (4.78+0.79M ) S+0.568 X 10-4 ( 0 40)其中， K= 热传导率（卡 /秒 .厘米 2）M= 水分含量（千重 %）S=容重（千重/在 M时的湿体积）实践证明， 这一公式适用于一大批森林可燃物。 森林火烧

25、传播除了通过传导、 对流、 辐射等方式外， 还可以通过质量传播的方式在火头前方很远地方形成飞火。3.1.2 森林可燃物的理化特性可燃物中对火行为产生影响的因子主要有：（ 1）可燃物的化学性质中最重要的变量就是乙醚提取物和无硅灰分的含量。森林 可燃物的抽提物含量在 0.2715左右，无硅灰分含量在2-40之间。乙醚提取物含量高的植物比较容易着火而且燃烧时火焰较高， 无硅灰分含量高的树种具有较高的抗火 性。植物的乙醚提取物具有季节性变化。（ 2）可燃物的水分含量对火行为具有压到一切的重要性（Chandler,1983） 。活的可燃物的水分含量受其生理过程、 季节和大气环流所左右。 死可燃物的水分含

26、量主要受 气候和相对湿度的影响， 两种可燃物都有日变化。水分含量对可燃物引燃，以及引燃后的火行为都有较大影响。 Van Wagner 的实验 表明在其它条件相同时，叶含水量为135的林冠火蔓延速度为 17 米/分钟，火焰高度为 20 米，而叶含水量为 95的林冠火蔓延速度则达到 27 米/分钟，火焰高度则可达 30 米。60年代初，Byram提出了时间滞差（time tag）这个概念用以表征可燃物含水率与 空气含水率取得平衡所需时间： 任何一个以指数速率减少的量在单位时间里大约将失去 起始量的三分之二，准确地说为1-1/e,即卩63.2%。（ 3）可燃物的多少即可燃物负荷是决定火烧可能性以及影

27、响火行为的重要因素。人们根据研究和生产需要提出了总的可燃物量或植物量（W=26VA,其中，W为以吨计算的每公顷总植物量； A 为林龄）、潜在可燃物（在最强烈的火烧中可能烧掉的可燃 物数量） 、有效可燃物载荷 （在特定火烧天气条件下可望燃烧的可燃物量） 。为了计算一定燃烧条件下的有效可燃物载荷， 人们将可燃物分别归类为叶子、 直径 为 0.5-1cm、1-2cm、2-5cm、5-10cm 和大于 10cm 等若干类。(4) 紧实度，即可燃物载床(从矿质土壤到树冠顶部的各种大小和形状的活的和 死的植物材料的集合) 内可燃物充填的程度。 紧实度影响燃烧颗粒的空气供应和热量传 导，进而影响燃烧速率和火

28、焰高度。对于任一给定大小的可燃物载床都有一个最适合燃 烧的紧实度。紧实度处于最佳值时，燃烧反应最快，火强度最大。(5) 表面积/体积比描述可燃物颗粒的几何特征和可燃物复合体各组成成分相对尺度的物理量就是可 燃物的表面积/体积比。可燃物的表面积是可燃物一个十分重要的参数，因为它对燃烧 过程的几个方面如着火性、可持续燃烧性、燃烧性等都有比较大的影响(Paulo M.Fernandes &Francisco C. Rego, 1998 )。大的表面积和体积比能够大大增加气相燃烧阶 段的能量和质量交换，从而加快点燃过程，提高蔓延速度。Rothermel(1972)在其著名的火蔓延模型中，就将可燃物的表

29、面积和体积比作为一个主要的变量 Ferna ndes&Francisco C. Rego, 1998 )。该物理量与可燃物的厚度(粗度)有关，它与紧实度一块 可以用来表征火烧在该可燃物上传播的速度，如厚度为 0.011的雀麦草的值为189,欧 州山毛榉叶的值为 222，粗度为0.1cm的小技的值为40,粗度为0.5cm的小枝的值为8， 而粗度为2.0的小技的值为 2( Chandler,1987)。Fernandes和Rego( 1998)提出了一种新的用水浸法测定可燃物表面积/体积比的方法：_ _W2W1p-W9.033其中：(T =表面积/体积比W2=可燃物被水浸泡后的重量W1 =可燃物被

30、水浸泡前的重量Q p=可燃物的密度同传统的方法相比，该方法快速、简便、省钱，而且适用于各种可燃物。该方法中的密度随物种和可燃物颗粒的直径大小不同而变化。(5)可燃物的水平和重直连续性可燃物的水平和垂直连续性决定了火能够从一种可燃物类型蔓延到另外一种可燃物类型和由地表火转变为树冠火的可能性。不同的可燃物类型内的燃烧具有不同的火行为，这一点对于扑火也具有指导意义。 有些森林群落的成层性比较明显， 下层火烧一般 很难传播到上层可燃物， 而有些森林的垂直分层不明显， 很多中间的或附生植物等会起 到传播火种的作用， 使得地表火转变成树冠火。 在幼林林分里， 由于目的树种比较低矮， 枝下高较小， 而林分内

31、的灌木和杂草则比较高， 往往形成比较好的垂直连续性， 使得地 表火很容易发展成毁灭性的树冠火。 而在近成熟林分内， 由于目的树种比较高大， 枝下 高也比较大， 从而在地表可燃物层和上部林冠层之间形成比较大的空隙， 地表火很难到 达林冠层可燃物， 发生树冠火的可能性也比较小。(6) 可燃物积累随着可燃物的积累， 森林的火险等级也越来越高。 林地可燃物积累取决于植物种类、 年龄和密度、 温度和湿度等。 后两者决定了可燃物到地面后的分解速度。 人们常用分解 常数，即从林分发生到枯落物的分解速率等于积累速率的时间来表示可燃物的分解速 度。在地中海灌丛区为 50-70 年，而在夏多雨量充沛的美国南部地区

32、则只有 17-20 年。 活下木的数量取决于气候、 土壤和上木的种类与密度。 下木可燃物载荷随上木密度变化 可以用下面的公式表示( Chandler,1967 )。Y=X- (X-Z )( 1-eac) b其中，Y= 下木可燃物载荷( T/HA )X= 没有上木时的下木可燃物载荷Z= 树冠完全郁闭的下木可燃物载荷C= 树冠层郁闭度 (%)a 与 b 为取决于上木树种的常数e=自然对数底3.1.3 火行为(1) 火焰温度如果木材按照化学计量学的方式燃烧，着木木材的化学计量学火焰温度可达1,920 C，但在实际火烧中，由于通常都是氧供应不足，所以火焰温度很少真正达到 1920 C。在实际火烧中火焰

33、温度一般在1500 C( Philpot,1965 )至 800左右(Clements,Memahon, 1980)。火焰温度和过量空气之间存在着下列相关关系( smithy,1952) 。2195 -1.435TfE =Tf -Ta其中E=过量空气的量Tf=火焰温度Ta=周围空气温度目前人们已经可以利用多普勒红外成像仪很容易地测得火焰各个层面的温度情况。（2）火强度火强度即火烧所产生的热能的速率，用卡或焦耳表示。表示火强度的方法有辐射强度、对流强度、总的火强度、反应强度、火线强度等，在林火中最常见最常用的火强度 量度还是火线强度。火线强度也叫Byram强度，它等于地上单位面积燃烧的有效热能跟

34、火蔓延速率的乘积（Cha ndler et al, 1983 ）即1=0.007 HWR其中I=火线强度（千瓦/米）H=可燃物热值（卡/克）W=可燃物载荷（吨/公顷）只=蔓延速度（米/分）火线强度被普遍接受的主要原因是其跟火焰长度有直接的相关关系，而火焰长度是一个很容易观察而且也比较容易测定的现象。同时Byram还为野外确定火强度设计了一个沿用至今的经验公式：1=273（ h）2.17其中I=火线强度（千瓦/米）h=火焰高度（米）而且该公式还可进一步写成1=3（ 10H） 2,其误差也是可以接受的。（4）火焰高度对于实际发生的火烧，当然可以实际测量火焰高度，但是在预测火焰高度时，仍然 可以利用

35、Byram火强度公式。根据有关可燃物载荷等可以计算机出火烧强度，进而利 用火强度计算火焰高度，即： IH=.300（5）烤焦高度由于火烧能否引起树冠火以及计划火烧对树木的损害情况都与地表火的烤焦高度 有直接关系，所以林火工作者对此进行了大量的研究。从理论上来说，树叶烤焦是由几个因素决定的：地表火烧强度、树叶接受的辐射能、树叶的致死温度。前者因树而异， 后者受地表火强度、 树叶离火焰的高度、 热滞留时间所左右。 Byram得出的针叶簇烤死高度的经验公式为:(35 )/.7/6、1l60-T )卫.79(1 +47W3)1/2 式中S=火烤焦高度（米）T=为空气温度（C）1=火线强度（千瓦/米）W

36、=为风速（米/秒） Van Wag ner （ 1973）提出的公式为HS =11.61160 T式中HS烤焦高度T空气温度 J. S. Gould, I. Knigh+和A. L. Sullan（1997）提出的按树计划烧除的烤焦高度的经验公式为：（简要介绍本公式的由来）”67 971 2/3 a.Hs= . +hv（无风时）l47.5-Ta 丿b.Hs=*679712/33/547.5 -Ta /式中Hs=烤焦高度I=火线强度Ta=空气温度H u =虚拟高度（m）A=羽流倾角FJ/2bI ）Si nA= I （Van Wag ner,1973）iBI +U3 丿式中U=为风速I=火线强度B

37、=0.0265c.3.94仃7/8HS= (0.1075 U3)1/2(60-l)（6）林火蔓延林火蔓延速度包括线速度（火烧起点到终点的距离除以火烧时间）；面积速度（面积扩张速度，M2/分钟或ha/小时）；以及火烧周边增长速度。林火蔓延速度受很多因子 的影响，这些因子有地理的，如坡度、坡向；有气候因子如风速、风向；也有可燃物方 面的，如可燃物类型、 可燃物特性等。多年来，林火工作者根据各自的实践提出了许多 描述林火蔓延的公式、数学模型、计算机软件等，现择其主要叙述如下： 王正菲林火蔓延速度R = R。 kw ks Kt其中R0=可燃物在无风时燃烧的初始蔓延速度Kw=风速更正系数Ks=可燃物配置

38、更正系数Kt= 坡度更正系数 罗森梅尔火蔓延速度计算公式1972年美国的罗森梅尔（R.C. Rothermel）制定了一个用于单一均质可燃物中林火蔓延的模型，也是目前世界上用得最广泛的公式之一，该公式在1983 年被改进后编成了计算机程序 BEHAVE 。公式如下：V = IrE （1+ 0 W + S）/（ p b e Qig）其中V=林火蔓延速度（米/分钟）2Ir=林火强度（千焦耳/分钟米）E =传播的热能量与火强度之比 （无因次量）0 w=风因子（无因次量）$=坡度因子（无因次量）P匕=可燃物体积密度（千克/米 3）e = 有效热数（无因次量）Qig=燃烧前的预热量（KJ/kg） 在此基

39、础上，葡萄牙科学家P.P.Goncalves及P.M.Diogo （1994）以GIS为工作平台提出了一个新的模型，并编制了一个名为 FIREGIS 的软件包，供个人电脑使用， 用以预测林火漫延。 中国科技大学的景文峰等 （ 1993）等在罗森梅尔的蔓延速度模上也设计了一套林 火蔓延预测计算机图形显示系统。 该系统结合我国林区可燃物分布状况及火蔓延数学模 式并编制了火蔓延预报的专家系统（ FF-IG ）。此外， 科研人员还为具体的植物类型上的火烧蔓延设计了许多模型，如澳大利亚的N. P. Cheney 等人（ 1998）提出了一个用来预报草地火蔓延的模型。3.2 点火技术不同的点火方式会造成不

40、同的火行为， 从而产生不同的后果。 科研人员根据多年的从而对森林火行为进行控制， 这些研究设计出了用于不同目的和具体情况的点火技术， 点火技术具有很强的实践意义。 点火技术主要包括：（1）顺风火顺风火是最快的也是计划烧除中最经常使用的人工点火技术。 它也是产生烟气最多 和最难控制的火烧。 由于顺风火的火焰高度比较高和蔓延速度都比较快， 所以用顺风火 进行冠下烧除时要求的温度比其它点火技术低。 如果温度比较低， 可燃物的含水率比较 高，则顺风火通常是一个比较好的选择。（2）逆风火逆风火是通过沿已经平整好的基线如公路、 河流或防火线等的逆风面直线点烧。 逆 风火有几个好处： 产生的烟量少； 对上层

41、林冠树叶损害最小； 由于火星被吹到刚好烧过 的地方， 因此造成飞火或其它安全问题的可能性也很小。 逆风火的一个无法克服的缺点 就是进展太慢，一般小于 1 米 /分钟。（3）侧翼火侧翼火比逆风火蔓延速度快，强度又比顺风火小和稳定的优点。（4）网格式点火网格式点火是空中点火优先采用的技术， 但地面人员也可以使用。 在网格式点火中， 各个点的火呈格子状被点着。 各点之间距离应该根据生产实践的具体要求而定。 由于几 个火点的火汇合在一起， 则能大大增加火烧强度， 所以，如果实践需要高强度的火烧时， 就可以将各火点距离安排得使整个火烧在预定时间汇合在一起。 相反， 如果是为了避免 产生高强度的火烧和火烧

42、对流， 则应该尽量避免几个火烧汇合在一起。 在烧除伐除剩余 物时，经常利用网格式点火。（5）周边点火这是一种点燃拟烧区域的四周边缘， 让其席卷整个区域的点火技术。 该方法同中央 点火结合可以保证火烧的对流中心向燃烧区的中央集中。（6）中央点火中央点火时， 各引燃点在燃烧区的中部， 在这些火点发展到形成强对流柱时， 再另 外引燃一些非常靠近最初着火点的地方， 以便能够被拉向主要对流柱的着火点。 中央点 火很适合重型可燃物大量积累的情况。7)人字形点火人字形点火是在多山地形使用的、 将火从各山头往下引的一种点火技术。除了选择适当的点烧技术外， 实施计划烧除的人员还可以通过烧前对可燃物进行处 理的方

43、式来控制火行为。3.3 生态学认识 对于林火燃烧机理和点火技术的认识使得人们能够有控制有计划地利用火烧， 但真 正促使人们将火大规模用之于林业和土地资源管理的却是人们对于火烧对于环境的影 响和火与物种、 种群、群落以及生态系统的动态关系的认识。3.3.1 火对环境的影响火对环境的影响主要表现在火烧对土壤的理化性质等的影响。 火对环境的影响的程 度与性质取决于火烧发生的季节、 火烧强度、火烧持续时间以及其他地形和气候因素等。(1) 土壤温度：火烧对土壤温度的影响受火烧强度、 火烧持续时间以及土壤性质影响较大。 如果火 烧强度过大， 消除了地被物和腐殖层， 露出了矿质土壤， 则土壤温度的上升幅度就

44、会大 一些。 所以不同可燃物负载以及不同强度的火烧引起的土温升幅也不一样。 而且， 在所 有情况下， 温度升值都随土壤深度急剧下降。 例如加里弗尼亚灌丛高强度火烧地表温度 达到将近400C，但是在2.5cm深度处记录到的最高温度则已不到100C( DeBa no等1977)。在由采伐剩余物组成的重型可燃物火烧中，地表温度最高达到 250C,而2.5cm处就已下降到 100C 以下(Neal 等，1965, Whelan1995 , P19)。Beadle (1940)在澳大利 亚桉树林内分别对中等强度、 较高强度和高强度的火烧进行的观测表明， 三场火烧的地 表温度分别达到110C, 180C,

45、 300C,但在15cm深处，记录到的最高温度则分别为 10C, 40C和60C。各种研究表明，许多即使是高强度的火烧在土壤2.5cm深处产生的峰值温度就已远远低于100 C( Whelan ,1995)。干燥土壤温度的升幅所达到的最高温度要比湿土壤所达到的高(Beadle1940)。可以看出，大多数火烧，尤其是中低强度 火烧,对土壤温度产生的影响在最多 5cm 左右就已减少到从生态意义上来说可以接受 的程度。由于火烧消除了植被的遮荫作用，同时去除了枯落物层的隔热作用(Ahlgren 等，1969)，改变了土壤表面的反射率 (van Cleve， 1981)。所以土壤以及林内温度的日变化 都较

46、火烧前有所变化， 从而对植物生产力、 对有机物尤其是土壤微生物的活动产生潜在影响。一般说来， 火烧迹地的日温差要大于未烧地。许多文献报道了高温对土壤表层的消毒杀菌作用(Whelan ，1995)，并以此来解释高强度火烧后许多群落如加里佛尼亚灌丛、 澳大利亚桉树林等出现大量种子萌发的现 象。有人提出，在有些土壤中存在一些克生化合物 ( Muller 等 1968;Wilson 和 Rice,1968)， 火烧产生的高温有利于消灭这些化合物 ( Christensen &Muller1975 )。(2) 风速由于完全或部分消除了植被， 火烧迹地的风速要高于烧前。 从而带来一个潜在的结 果就是动物生

47、境、 植物和土壤迅速干燥，增加了土壤浸蚀的可能性，不过， 同时也有利于有些种子的传播( Whelan， 1995)(3) 土壤结构由于腐殖层的隔热作用， 低强度的火烧对土壤结构不会有多大的作用。 但是， 高强 度的火烧能去除地表腐殖层， 使地表层温度升高太大， 从而破坏了土壤的团粒结构， 使 土壤板结。高温使土壤形成憎水层，影响土壤透气、透水性。另外，火烧后裸露出的矿 质土壤抗扰动能力低，物理性位移加剧( Chandler,1983) .(4) 土壤营养高强度火烧可使大范围内80%以上的林下地被物被毁，同时使原来被束缚在生态系统各个部分土壤矿质元素、 土壤有机物、 枯枝落叶以及活生物量中的营养

48、物损失 掉。损失主要是通过高温蒸发和其他过程(Whelan，1995)。 N、P、S、Ca 等元素通过挥发而流失。但是，低强度的火烧造成的N、P 等元素的损失是有限的。火烧有利于促进森林生态系统的物质流和能量流， 特别是在高寒地区， 死地被物分解速度非常缓慢， 火烧可以加速物质循环、 增加林内可用营养， 有利于森林更新及幼苗的生长。 在其他地 区，低强度火烧也能为随即进行的更新幼苗提供充足营养。另外，火烧后改变了土壤 PH 值，从而增加有效氮含量，也通过矿化过程，使其他元素从活生物量和腐殖物中重 新回到土壤( Whelan ，1995)。火烧中 D、N、S、 P、Mg 、K、Ca 的损失主要是

49、通过挥发损失到大气中去的，通 过淋溶损失的只是一小部分，而且随火烈度增加损失也增加( C. M. Bellilas 和 M.C.Feller ，1998)大气损失与淋溶损失之间无甚相关性 ( C.M.Bellilas&M.C.Feller ，1998)A. M. Oconnel 和 W. L. McCcw ( 1997)的实验表明木质、树皮和树叶中的氮有 55%-99% 被挥发了，而枯枝落叶中则只挥发了38%，氮损失量与可燃物消耗量有很大 相关关系， 可燃物消耗量与氮挥发损失随土壤干旱指数增加而增加， 随枯枝落叶含水量 增加而减少，氮的损失（ 50-180 千克 /公顷）与土壤氮相比，是不太显

50、著的，但是对于 高强度火烧来说， 其对正在生长的植被和表层土壤引起的氮损失是很严重的。 他们提出 在枯落层含水量达到 90% 时利用火烧烧掉大部分富含氮的底层可燃物。火烧对于土壤光照和土壤微生物的影响也是多方面的。3.3.2 火烧对植物个体以及种群的影响如前所述， 除热带雨林外， 地球上的植被总是同一定的火烧历史和火烧状况相联系 的。极端高强度大范围的火烧能够毁灭植物营养体、 繁殖体以及剧烈地改变其生境从而 使物种无法延续。 但是，有记载的火烧很少有达到这个程度的。植物不被火烧所淘汰包括以下集中情形：（1） 植物营养体能抵抗火的直接作用， 即不被火烧死；（2） 植株繁殖体能够抵抗或避开火的直接

51、作用；（3）植物能耐受火烧后的环境。高温造成植物新陈代谢紊乱、 蛋白质变性、 油脂移动性以及化学成分变化从而对植 株产生损害（ Whelan ，1995）。温度与植物组织细胞死亡的关系是复杂的。 如果滞留时间短， 即使是高强度火烧造 成的高温火焰对植物细胞组织造成的损害也不及以较低的温度持续较长的损害。对于给定温度，植物组织细胞死亡取决于（1）热源作用时间长短；（2）细胞所处状态，即是否处于充水和新陈代谢活跃阶段。在植物生理休眠期进 行的火烧比在新陈代谢活跃期进行的火烧对植物造成的损害要小得多。处于休眠、 失水状态下的植物组织比新成代谢活跃、 高度充水的植物组织耐热处理 的能力要强得多。有人做

52、过实验，完好的、有坚硬外种皮的种子在120C温度下烧烤30分钟照样具生活能力，而类似的种子在弄破外皮 (允许充水 )的情况下在沸水中仅10 分钟就失去生命力 (Levifl, 1972)植物组织细胞的耐热水平也受其所处部位不同而变化。 总的说来， 典型的中生植物 细胞的热致死温度在 50-55 C之间(Hare, 1961)。实际上， 在现实的火烧中， 植物体的关键性组织是受到各种各样的保护的。 如形成 层和分生组织细胞受树皮保护， 地下茎及分生组织细胞受土壤保护， 顶尖分生组织甚至 仅凭其高度就可以避免灭顶之灾。由于用计划烧除管理针叶林分的需求， 北美地区在 30-50 年代对树皮的绝热性能

53、进 行过大量研究 (Spalt, Reifsynder, 1962)，各种研究表明形成层细胞达到致死温度所需时 间是树皮厚度和树皮热属性的函数(Whelan,1995)。Hare(1965)进行的研究表明；所有被试树种的形成层达致死温度(60C )所需的时间与树皮厚度成指数函数关系并表现出种间差异。另外，形成层细胞到达到60 C所需的时间还同形成层细胞起始温度有关 (Hare,1961),所以从这一点来说， 树木冬季抗火烧的能力比夏天要强 (Caly, 1932)。当然 冬季树木比较抗火还有其它生理等方面的原因。总的说来， 树皮形成层所受的高温损害取决于火烧强度； 火峰蔓延速度； 树 皮厚度；

54、树种；树木生长季节。Hare等人(1964)的研究表明在一切顺风火中，尽管皮的最高温度高达 800C,由于在7分钟内火焰就已过去，去卩只引起了形成层极小的温 度变化，由20 C升到40 C然后又会到20 C。草本植物通过将顶芽埋在草丛中的办法避开火的直接灼烧。 其它乔木等也有类似的 将顶芽埋藏起来的机制来避开高温灼烧。除树皮外，树木的根以及灌木等的地下茎也是很好的防火器官。如前所述，地下5cm 处受火的影响就已微小， 在地上部分被烧掉后， 许多植物尤其是灌木可以通过埋在 地下的根或茎上的芽抽条萌发。 在特定高温灼烧后植株萌条的能力取决于根、 茎埋藏深 度、火烧频率、火烧季节和物种。植株的有些部

55、分如种子、 顶芽仅凭其高度就可以使其不受火烧伤害。 植物被烧焦的 高度与火线火强度相关。对于种群来说， 这种保护是具有十分重要的意义的， 但对于单个植株来说， 则只有 当主干部形成层也同时受到保护的前提下， 高度的这种保护作用才有意义 (Rundel,1973)。因为如果通往根部的维管束中断，则树冠即使被保护下来也无甚意义。Fahnestoch和Hare(1964)发现尽管地面以上 30cm处树皮温度远远超过 500 C,但该高 度形成层温度很少达到致死温度(60C )。但是，树干基部的烧伤却可以抵消这种效果。所以在计划烧除中， 要特别考虑树干基部可燃物堆积造成的影响， 另外在诸如马尾松这 样

56、的主要产脂树种林分内进门计划烧除时应充分考虑割脂部位(通常在树木胸高处以下 )的剧烈燃烧情况。植物花期是对火烧特别敏感的时期， 这个时期的火烧可能会消除当年的种子， 但是， 植物开花结实都有大小年现象，在大年开花时节进行的火烧对物种的繁殖影响就大一 些。不过，在实行计划烧除以消除某些杂草或不需要的种类时也可以利用这一点。植物种子是植物生活史中最能对抗火烧的阶段。 种子尤其是休眠期的种子的细胞都 处于一种不活跃、 失水的状态， 这两个特点都有利于种子度过高温伤害。 在一次实验中， 豆、向日葵和小麦种子用 70-90 C温度烤4小时仍能发芽(Beadle 1940)。 Beaufait(1960) 将杰克松种子置于 370C条件下达15秒之久，其生活力并无显著变化。当然，不能以 此来断定种子在自然火烧中的幸存能力。实际上，掉在枯技落叶层的种子肯定被烧光。 种子能不被火烧死要靠两条途径：( 1 )被埋在土壤中； (2)被包在树冠层的果实里来避开直接火烧。火烧对土壤温度的影响随深度迅速下降， 从而为种子提供了一个潜在的避难所， 人 们普遍观察到火烧后火烧迹地出现大量发芽的情况 (Whelan, 1995)。但是， 种子成活与发芽、 埋藏深度、 火强度和火烧类型以及土壤温度的关系是很复 杂的(Gill, 1981)。首先，根据火强度