当前形势下发展生物防火技术的重要性

王海晖

（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230026）

当前形势下发展生物防火技术的重要性

王海晖

（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230026）

生物防火是通过营建独特局部植被分布以预防和抵御火灾的技术。由火灾案例出发分析国内外森林火灾控制能力现状，探讨火灾直接经济损失以及扑救费用的规模和发展趋势，由此论证发展生物防火技术的重要性。生物防火技术实现火灾预防和控制与营林及生态维护的最佳结合，为新形势下森林火灾防治工作中的重要法宝。营建方法的多样性使得其适用于任何林地条件，并可同时对地表火和树冠火实施有效预防及阻隔。大力推广该项技术有利于构筑长期有效的森林防火基础设施，降低火灾频次、控制火灾规模并减少火灾带来的经济损失及相应的扑救费用。推动生物防火技术现代化是对我国乃至世界森林防火事业以及生态文明建设的重要贡献。

森林防火；生物防火技术；生物防火林带；遮阴型防火隔离带；技术现代化

森林防火工作涉及面广，其核心内容围绕火灾预防和控制两个方面展开。工作目标为有效避免火灾对森林资源和林间设施的干扰及破坏，保障人民生命和财产安全。随着我国经济的发展以及生活水平的提高，政府和社会各界对生态文明建设日益重视，相应对森林防火工作提出更高标准和要求。

生物防火技术依靠植物间可燃性差异以及其局部空间分布所构成的潜在火蔓延规律，实现由独特局部植被分布预防火灾发生并阻隔火灾蔓延[1-3]。以营造特定植被分布为手段的林火防控，因对森林植被及其生态环境干扰较小，常被称为绿色防火技术。这项技术主要包括两大核心方法，即国内较流行的生物防火林带技术以及欧美较流行的遮阴型防火隔离带技术[2-3]。

生物防火林带是在易燃的针叶植物群落中呈带状密植特定常绿阔叶树，林带宽度在15～30 m间。生物防火林带的防隔火功能源于常绿阔叶树的树冠结构以及相对密植构成的独特林分：通过抑制带内地表可燃物的生长，实现对地表火的阻隔；在遭受树冠火袭击时，则以其树冠较弱的可燃性和分层特性消减火势，使火蔓延自动终止[1,2,4]。该项技术在我国应用广泛，先后数次被纳入国家五年发展计划。尽管国内外相关学者仍有质疑的，但在长期的实践中已证明该项技术的有效性和可靠性。

遮阴型防火隔离带是近十来年西方较流行的林火阻隔技术。在隔离带内基本清除地表易燃可燃物或改变其易燃属性，伐去小胸径树，保留胸径较粗和抗火性较强的树，并提升树冠层底部离地面的高度[3,5,6]。带宽大多为65～300 m。该项技术利用地表火和树冠火蔓延的最低可燃物密度条件，实现对火灾的预防及阻隔[3,6]。两类实现方法上的差异为，一个是需在特定林地上密植常绿阔叶树等，并确保其郁闭度超过90%；另一个则是直接在易燃针叶树林分中实施间伐，使得其局部盖度＜40%[3]。

在改革林政体系和加强生态建设的呼声中，生物防火技术迎来新的发展机遇。本文由国内外典型火灾案例出发，分析当下森林防火工作的重点，论证生物防火技术在森林防火工作中的地位，并揭示其应用的多样性以及效益可控特性。最后确认该项技术的现代化对于推动林业发展是大有裨益的。

1 国内外林火控制现状

随着国民经济的发展，我国在森林火灾的控制能力上取得长足进步。这可以从近些年林火发生的次数、过火面积和火灾造成的影响上看到。近些年，我国每年林火发生次数基本稳定在3000余次，受害森林面积维持数万公顷规模上；与十余年前的火灾形势相比，有很大改善。但是，火灾形势依然严峻。2016年3月在甘肃省甘南藏族自治州迭部县达拉林场发生的森林火灾，尽管投入地面扑救力量4000余名，仍历时9天才将其扑灭[7]。

纵观世界上多林国家，除法国外，在近10年时间内都发生过震惊世界的特大森林或丛林火灾。表1将若干主要火灾发生情况、采用的扑救方法和手段以及损失数据予以对比[7-14]。火灾案例展示出的数据是评估各国预防和抵御灾害综合能力的最有效依据。众多火灾案例表明，人类在火灾面前依然处于被动状态，到目前为止还无法实现及时和主动性灾害控制。以2016年5月初发生在加拿大阿尔伯塔省麦克默里堡地区的森林火灾为例，数天时间内过火面积达数十万公顷，造成石油重镇Fort McMurray近10万人紧急撤离，2000多栋房屋损毁[14]。虽然投入大量人力并动用多种控火和灭火设备，但面对大规模火灾只能任其肆掠，被动承受火灾带来的巨大损失。这反映了一个本质，现下控制大规模火灾的能力依然有限。

这是林火的特点使然：因通常发生偏远地域，短时间内难以组织有效扑救力量将其扼制，相应会发展成较大规模火灾。形成大规模火灾后，蔓延势头迅猛；同时，火源作为高温气团，对环境产生很强的热辐射，并通过热对流使得环境气温上升，对环境的影响是灾难性的[15]。因火灾波及面广加上伴随而来的特殊林火行为，使得临时开设工程阻隔带的做法难以奏效。针对大面积区域燃烧的情形，有效灭火方法或是通过沙土和泥浆覆盖或化学泡沫以隔绝空气，或是通过洒水以冷却降温，或是通过喷洒化学灭火药剂以消减火区燃烧反应速率。现有的地面扑救力量通常因火区的高温热气流以及强烈的热辐射而无法靠近并发挥作用，空中灭火力量通常亦是杯水车薪，无法迅速有效地控制大规模能量灾害的发展势态。

2 生物防火技术在森林防火工作中地位

现有灾害应急响应周期以及实际控火能力的局限性决定了对火灾这种能量灾害的应对策略必须是预防为主；加上灾害即时释放能量的强度以及波及的范围，火灾的控制则主要是通过可燃物的隔断来实现。在人们生活的城市中，火灾防治工作采用的应对措施相类似：提升建筑构件、家具、装潢材料和电器用品的阻燃性能；在每栋建筑设施中布置大量自动灭火装置，还采用防火门和水幕墙等设施实现对潜在火蔓延的分隔。所有这些措施的目的均是为有效降低火灾发生概率，减小潜在火灾波及范围，并利用相关灭火设备实现快速扑救响应，从而有效降低火灾损失。

我国林火基本特点是，南方火灾次数多，但单次火灾过火面积小；而东北林区的火灾发生次数少，但单次火灾过火面积较大。尽管南方火源较丰富，但林地较分散；而北方火源来源相对较少，但林地面积集中。在大面积林地中，一旦发生火灾，则过火区域甚大。南北方林区火灾的特点其实在某种程度上亦证实防火分隔的作用。

森林火灾一旦发生，不但破坏资源和生态环境，危及生命和财产安全，还会产生大量的应急和扑救费用。以云南2014年4月和5月发生的两起火灾为例，4月份滇西森林火灾造成林木损失464.4万元，生态损失1 222.2万元，扑救人力消耗折合510万元，投入物资330.5万元，扑救费用275万元，航空消防费用207万元。5月份滇中森林火灾造成林木损失1183.5万元，生态损失1 212.7万元，扑救人力消耗折合1220万元，投入物资274.5万元，航空消防费用796万元，省市补助958万元[13]。从表1中列出的那些震惊世界的林火案例中也能看到难以挽回的火灾代价。

西方国家针对单次火灾的损失评估时，往往采用总损失的概念，即直接经济损失与各项应急救援费用之和[16]。运用该计算方法，云南省2014年两次火灾的总损失分别为3009.1万元和5644.7万元，并且很容易看到火灾扑救费用占总损失的比例已超过直接经济损失的。如果这两场火灾发生在现下，由于人工费有所增加，总损失还会更大。我国未来应急响应物资采购和储备费用以及员工维持费用将不断上涨，火灾扑救的开销势必越来越大。在经济杠杆面前，火灾防治工作的重心须面向灾害预防和避免出现大规模火灾的策略。

随着“退耕还林”和“封山育林”等政策的广泛和持久实施，林区可燃物的累积现象日益严重，产生森林大火的概率显著增加。随着国民经济发展所带来的防火新任务包括，保护林间或周边的文化古迹、国防设施、通讯中继系统、高压输电线、油气管道、仓储基地以及公路和铁路干线等；相应地，对重点林区尤其是涉及被保护设施地域的防火分隔的必要性和工作量均有所增加。

以生物防火林带和遮阴型防火隔离带为主要内容的生物防火技术，尽管是由传统工程阻隔带衍生出的，但为防火分隔措施的革命性发展带来先机[3]。生物防火技术的独特之处包括，可以和营林同步，可以开展林下的多种经营，实现绿化、生态、景观和经济效益的有效结合。由于其生物特性，由此建设成的森林防火设施具有无可比拟的长效性—一旦建成，可持续使用一百年。这确保其在森林防火设施建设中成为当然的首选。

表1 近10年国内外主要林火的扑救方法和手段以及损失情况对比[7-14]

其重要优势更多表现在可以有效吸收林火火源形成的燃烧屑块（即飞火），并且对火源向被保护林分的热辐射具有高度消减和遮挡作用，为扑救队员接近火场并组织扑救带来便利[1,3,17]。无论是生物防火林带还是遮阴型防火隔离带，它们所具有的遮挡和削弱火源热辐射的功能，使得其可以成为接近火源的掩体和通道（图1）。表2为美国农业部林务局科技人员总结出的人体承受热辐射的阈值数据[18]。可以看出，包括头部和颈部均充分保护的扑救队员，无法在辐射强度超过7.0 kW/m2环境中作业；没有穿特殊保护服的扑救队员，则难以承受4.7 kW/m2的热辐射。辐射强度4.7 kW/m2相当于宽5 m和高0.54 m火焰面在距离3 m远处对正前方高度1.5 m接受单元的热辐射通量，这里设定火焰温度900℃（1173 K），发射率0.85。森林火灾扑救过程中的作业机具以及通信设备，在较高热辐射环境中亦难以长时间使用。生物防火林带以及由此形成的防火分隔网络可以为扑救队员接近火灾现场并输运和囤积扑救物资提供重要庇护场所（图1）。该项功能亦是生物防火林带所独有的，是包括传统防火隔离带在内的所有其他森林防火设施所无法替代的。

图1 生物防火技术在森林防火工作中作用和地位

生物防火建设工程可行性还在于其无须太大投入。以生物防火林带计，每公里最多数万元；而遮阴型防火隔离带建设，因为无须重新栽植，每公里的营建费用则更低。据了解，目前福建省每年投入生物防火林带的建设费用，与前面提到的云南省2014年4和5月间两次火灾总损失的费用相当。可是，这两笔费用有本质区别：一笔是森林防火基础设施建设费用，并可因此产生多重效益；另一笔则是随灾害的发生消耗掉，荡然无存。以生物技术营建的防火隔离带涉及年度维护费用。3年前在浙江省部分地区调研时了解到，大型国有林场生物防火林带的年度维护费用为20万元上下，相当于现下航空护林站租赁直升机数次巡航的开销。比较而言，我国在城市建筑防火设施上的投入以及维护与更新费用则为天文数字。

表2 热辐射阈值以及对现场扑救人员的伤害[18]

3 技术多样性和可控效能特性

生物防火技术除两大核心方法外，还有派生出的改进版，共计5种，见图2。具体实施方法及其对应的功能概括如下：

1）选择较难燃林分，清理特定带状区域的地表可燃物，并适度控制林下枝丫高（图2a）。这是北方林区通常营建的改培型生物防火林带[3,19]。具有的功能基本为预防和控制地表火蔓延。尤其适合在结合部附近一般只出现地表火的情形下采用。

2）在易燃针叶林分中选择局部区域，清理其地表可燃物，控制枝下高，并稀化林木密度构筑遮阴型防火隔离带（图2b）。具体实施标准为：将地表可燃物载量降低到4.5 t/hm2以下；伐去胸径通常＜15 cm的树木，林冠盖度降至40%以下，并保证树冠间间距3 m以上；树冠层底部离地面高2 m以上[3,5,6,20-21]。该隔离带可同时预防或阻隔地表火和树冠火，适合一般不生长常绿阔叶树或生长缓慢的地域。目前在北美林区应用较广。

3）在易燃林分中间插常绿阔叶树，即通常的林相改造（图2c）。实施基本原则为，控制林下地表可燃物的载量；建混交林，并确保针叶树剩余量的覆盖率＜40%。该方法预防和阻隔火灾的机理与第2种完全相同。如果实施得当，该方法的效果应等同于遮阴型防火隔离带。其独特优势是，混交的阔叶树有利于避免第2种方法中因出现局部生态位真空而产生的地表可燃物生长以及外部物种侵入现象[3]。

4）常规生物防火林带—将树冠浓郁和含水量高的常绿阔叶树呈带状栽植进易燃林分或植物群落中（图2d）。具体栽植方法已在前面介绍。在我国的南方省份木荷等树种被广泛采用为主要“防火树种”，这是因为它们在造林特性（树冠幅度和浓郁程度、生长速度以及土壤适应性）、持水性（可燃性或抗火特性）、灾后再生能力（耐火性）和抗病虫害的能力上存在优势[1,2,22]。常规生物防火林带适宜在气候温热的地域生长。

5）复合型生物防火林带（图2e）。在林带外或林内实现阳性与阴性植物混交，或常绿乔木与常绿草本植物或灌木混交，拓展其有效宽度，增强其吸收火源燃烧屑块和阻隔高强度林火的效能，同时提高土地利用率[1,2]。

5种方法中，前两种基本通过间伐实现的，而后3种均涉及“防火树种”的栽植。通过局部改变可燃物的属性和分布状态，就可以达到不同程度地预防火灾和阻隔火灾的目的（图2）。生物防火技术的多样性确保在任何特定林区，无论是植被分布多么特殊抑或当地气候条件如何，均可以实施防火分隔，并且可以立即见效。同样，因生物防火技术较强的可塑性，使得运用该项技术营建的防火隔离带具备可阻隔几乎任何规模林火的侵袭。从这个意义上来说，人类实现主动性预防和控制森林火灾的战略手段业已具备。

图2 生物防火技术多样性和功能可塑性展示

4 技术现代化标志

生物防火技术是林业科学与森林防火工作的最佳结合。技术本身的进一步发展和完善，有利于提高实施的效率和防隔火的效果。技术的现代化特征应体现在以下几个方面。

4.1 建立防火隔离带防隔火效能的量化指标

依据生物防火技术营建的隔离带能防树冠火，但不是所有强度的树冠火都能阻隔。当然，也没有这个必要，因为不是任何林子都会形成最高强度林火。由栽植常绿阔叶树营建成的防火设施是活体，栽植的宽度以及生长过程中高度和丰满程度变化，对其抵御树冠火袭击的能力有重大影响。通过间伐营造的遮阴型防火隔离带也存在类似问题。有必要进一步增进对生物防火林带和遮阴型防火隔离带抵抗树冠火规模的量化研究，并建立相应技术性能指标，以确定具体隔离带能阻隔多高强度的树冠火[2]。这将为特定林区生物防火技术的实施提供不可或缺的科学依据。

4.2 科学实施原则和规范化技术规划方法

这里的实施原则不是指技术实施过程中的具体做法，而是针对实施前的技术实施规划和设计而言的。特定林区是否需营建森林防火分隔网络，其建设密度如何，这些对于生物防火技术实施的有效性和经济性均产生重要影响。现有的关于生物防火林带建设规划方法过于笼统，没有考虑当地火险等级情况以及被保护易燃植被的潜在林火行为。科学实施的原则应综合当地林分的火险等级以及被保护林分遭受侵袭后的可能火灾强度和规模，给出合理的实施方案，以实现防火隔离带建设中有效性与经济性统一。

4.3 高效作业机具

隔离带内可燃物处理，是隔离带建设和维护中的主要工作量之所在，通常采用人工作业、机械作业、生物化学方法、计划烧除等多种方法。技术实施中高效作业方式和装备尤为重要：这不但会提高工作效率，还会大幅降低隔离带的营建成本，并确保隔离带内清理出的可燃物可以作为生物质能源再利用[3]。现代化的作业装备应包括更高效清除复杂地形条件下森林地表禾草类植物、灌木和树木的机具，以及集切割、收集、分类和装卸于一体的联合作业机械等。

4.4 保障技术实施效益最大化的相关政策条例

构建生物防火林带作为寓植树与防火一体化的作业，可以同时兼顾防火功能、景观效应、生态和经济效益的多重性。营造遮阴型防火隔离带，不但能在易燃针叶林分中开辟出迅速产生阻隔火灾能力的防火隔离带，也因局部清理了特定林分中的杂草、枯死木和病树，使得林木健康得到改善，并由此促进林木的产出[23]；与此同时，开辟防火隔离带产生大量的废弃物，将成为林区生物质能源物质的重要来源。相关的政策政令可以保障生物防火技术营建的森林防火设施长期使用过程中防隔火功能以及其他效益的稳定性。

5 结论

依据国际国内森林火灾形势，实现防火分隔和预防大规模森林火灾依然是当前工作的重点。大力推广生物防火技术有利于进一步减少火灾发生的频次，并显著降低火灾直接经济损失以及相应的扑救费用。生物防火技术实现火灾预防和控制与林业建设的完美结合，可以同时兼顾防火功能、景观效应、生态和经济效益的多元化。

实施方法的多样性使得其适用于任何林地条件，并可确保效益的最大化和长期化。该项技术现代化的标志包括，建立量化的技术效能评定指标、开发技术实施的高效作业机具以及保障技术实施效益稳定性的相关政策条例等。

[1]国家林业局森林防火办公室.中国生物防火林带建设[M].北京:中国林业出版社,2003.

[2]王海晖.生物防火林带的科学基础和应用前景[J].林业科学研究,2015,28(5):731–738.

[3]王海晖,陶骏骏,盛昌栋.森林防火隔离带技术的变革与优势[J].世界林业研究,2015,28(6):46–52.

[4]郑焕能,刘艳红.生物阻火层次分析法[J].森林防火，1995，（1）：45–48.

[5]Green LR.Fuelbreaks and other fuel modification for wildland fire control.USDA Agricultural Handbook 499 [M].Washington DC:US Government Printing Office,1977.

[6]Agee JK,Bahro B,Finney MA,et al.The use of shaded fuelbreaks in landscape fire management[J].Forest Ecology and Management,2000,127(1):55–66.

[7]中国林业网.甘肃省达拉林场“3·02”森林火灾扑救取得决定性胜利[EB/OL].[2016-03-11].http://www. forestry.gov.cn/main/3564/content-851271.html.

[8]国际在线.澳大利亚火灾损失可能达13.9亿美元[EB/OL].[2009-02-11].http://gb.cri.cn/27824/2009/02/ 11/2225s2422223.htm.

[9]中国森林防火网.2007年希腊大火[EB/OL].[2014-03-18].http://www.slfh.gov.cn/slfhw/Item/17106.aspx.

[10]中国森林防火网.2010年俄罗斯森林大火[EB/OL]. [2014-03-18].http://www.slfh.gov.cn/slfhw/Item/17108. aspx,

[11]中国森林防火网.2013年美国亚利桑那州森林火灾[EB/OL].[2014-03-18].http://www.slfh.gov.cn/slfhw/ Item/17110.aspx

[12]新华网.云南安宁“5·21”森林火灾明火全部扑灭[EB/ OL].[2014-05-26].http://news.xinhuanet.com/local/ [2014-05/26]/c_1110859479.html.

[13]新华网.去年云南两场森林火灾扑救成本数千万元[EB/OL].[2015-04-02].http://news.cntv.cn/2015/04/02/ ARTI1427968800313300.shtml.

[14]中国森林防火网.以加拿大山火为鉴加强我国森林防火工作[EB/OL].[2016-07-12].http://www.slfh.gov.cn/ slfhw/Item/22842.aspx,

[15]Pyne SJ,Andrews PL,Laven RD.Introduction to Wildland Fire[M].2nd ed.Wiley,America,1996.

[16]王清安,王海晖.谈对完善火灾统计内容的看法[J].安徽消防,1994,(5):8–9.

[17]Wang H-H.Analysis on downwind distribution of firebrands sourced from a wildland fire[J].Fire Technology,2011,47(2):321–340.

[18]Zárate L,Arnaldos J,Casal J.Establishing safety distances for wildlandfires[J].Fire Safety Journal,2008, 43(8):565–575.

[19]刘广菊,孙清芳,李云红,等.改培型生物防火林带阻隔体系防火效果评价体系构建[J].东北林业大学学报,2012,40,(4):106-109.

[20]Rigolot E,Castelli L,Cohen M,et al.Recommendations for fuel-break design and fuel management at the wildland urban interface:an empirical approach in south eastern France[C].Institute of Mediterranean Forest Ecosystems and Forest Products Warm International Workshop,Athènes,2004,131–142.

[21]Mooney C.Fuelbreak effectiveness in Canada's boreal forests:a synthesis of current knowledge:final report[R]. Vancouver:FPInnovations,2010.

[22]陈存及,何宗明,陈东华,等.37种针阔叶树种抗火性能及其综合评价的研究[J].林业科学,1995,31(2): 135–143.

[23]Grah RF,Long A.Three California fuelbreaks:costs and benefits[J].Journal of Forestry,1971,69(2):89–93.

（责任编辑：韩焕金）

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2016-12-19