灌木林燃烧性研究综述

张 鑫，王 劲，张文文，王秋华，龙腾腾，王睿琛

（西南林业大学土木工程学院/云南省森林灾害预警与控制重点实验室，昆明 650224）

灌木林是一种以灌木为主体，混杂小乔木、草本的植被类型，是生态系统重要组成部分。灌木（Shrub）是一种较好的工农业原料，在林产化工、生态建设、城市绿化等领域，均有重要应用。由于灌木林特殊的形态外貌、特有的理化性质、生存环境以及丛生或集生的分布特征，在研究灌木林火灾时同样具有特殊性。通常灌木林火灾的燃烧强度大，林火蔓延的速度快，一但火灾失控极易引起较大或特大森林火灾，由此造成的社会影响、经济损失将会难以预测，故灌木林燃烧性的研究应当推广。

国内外对于灌木林火灾及其相关特性探究的文章略有规模，例如一些学者（娄茂达，1991）研究了地中海地区灌木林在干旱少雨时期的燃烧性以及林火预防扑救技术[1]；一些学者（Scott L，2005）分析了干湿分明气候对美国加州地区灌木林火灾的影响以及强季风气候对森林火行为的影响[2-3]；一些学者（张文文，2021）分析了极端气象条件与高可燃物载量两者互相作用下对澳大利亚森林大火发展趋势的影响[4-5]；一些学者（魏建珩，2021）分析了我国一些地区灌木林的燃烧性和潜在火行为[6]；一些学者（郭梦佳，2021）研究了灌木林火灾对生态环境的影响和灌木林在生态环境恢复中起到的作用[7]。国外对于森林火灾消防体制的建立成型较早，但是成果却明显不如国内，近些年澳大利亚东海岸森林火灾、地中海地区森林火灾、美国加利福尼亚州11.8 特大森林火灾等便是最好的证明。这些森林火灾造成的影响是全球性的，其对生态环境以及社会稳定的影响不可估量。

本文旨在归纳整理有关探究灌木林燃烧性的文章，统筹分析灌木林在燃烧时的理化特性和潜在火行为，以此来估测不同生长地段、不同种类的灌木林发生火灾时的林火行为。从而对灌木林的林火发生做出预测，为我国森林火灾预防扑救工作做出理论指导。

1 灌木林及其特征

灌木林即以灌木为主体的植被类型，常以阔叶类灌木簇拥成林。灌木林内的植株较矮小，高度多为1～5 m，冠幅盖度多为40%及以上。灌木的枝叶较为茂密，冠幅较小且靠近地面，枝条丛生而主干不明显。灌木适应力强，在我国东北、华北、东南沿海以及西部地区均有大量分布。其对土壤、气候、气象条件要求简单，各种不同的地形地貌都能维持其生长。从低海拔东南沿海地区的湿生灌木到西部海拔3000m—5000 m 的高寒地区灌木林，从沙地、盐碱地、干热河谷的旱生灌木，到亚高山、高山等的中生灌木林，均有灌木的更替延续[8]。

灌木作为一种更替能力强，应用范围广的树种，常被应用于人类生活的各种领域。良好的环境适应性，使得灌木成为生态环境保护中重要的一环[9]。例如红柳（Tamarix ramosissima Lcdcb）、霸王（Zygophyllum xanthoxylon）等沙生灌木耐瘠薄能力强、不苛求生长环境，强大的根系使得其在防风固沙、水土保持方面发挥出重要作用。灌木也是生产生活的重要原材料，其易于取材、用途广泛，适用面涉及到工业、农业、手工制造业等多个领域。例如在景观绿化、制药、制肥、造纸、饲料、畜牧等产业均有灌木的大量使用[10]。

灌木林也是一种极易发生森林火灾的林型，在近几年美国加州大火、澳大利亚森林火灾以及地中海灌木林火灾的例子中[11]，可以看出集中连片分布的灌木林对森林火灾的正向促进作用。这些区域常年受副热带高气压影响，夏季干旱少雨，日较差大，结合危险地形、危险气候、危险气象等致险因素，有较大概率发生森林火灾。在发生低强度灌木林火灾时，灌木能给火线提供连续的载体，低强度火灾极易发展成高强度森林火灾。

2 灌木林燃烧理化特性

森林生态系统在不同的地域、区域存在显著差异，各组分之间有着复杂的交互关系。评价灌木林燃烧的理化特征时，其内在特征是重点。目前对森林可燃物理化特征的研究中，对热值(calorific value)、燃点(burning point)、抽提物含量(extract content)、灰分含量(ash content)、热解物质(thermal decomposition)等[12]，存在大量研究先例。

灌木林燃烧的理化特性研究，通常需要考虑林内全部有效可燃有机物。灌木林的有效可燃物可分为活灌木、枯死可燃物、粗木质残体(Coarse Woody Debris，CWD)等[13]。这些不同的组分具有的理化性质不同、形态特征不同，其在燃烧时的数据表征也不相同。

2.1 灌木的热值

热值即为可燃物在绝干状态下完全燃烧释放出的总热量，通常作为评判可燃物燃烧性的重要化学性质之一。可燃物所含热值越高，燃烧越剧烈，释放的热量越多。热值越高的森林可燃物，其燃烧时的火强度也相应越大。热值的高低也反映了植物积累有机物的多少。

国内外在研究灌木林燃烧热值时，测量仪器主要采用微机氧弹式量热仪和锥形量热仪(CONE) 。前者将内燃氧弹放置在水中，通过测量水的升温来计算样本的放热量；后者通过测量样本在不同热源下燃烧过程中的耗氧量，计算出材料的放热率。这两种测量方法是国内外研究可燃物热值的主要方法[14]，但其与样本的状态有强相关性。不同状态下的样本燃烧热值略有差异，例如活灌木的含水率较高、有机挥发气体含量也较高，燃烧热值比枯死灌木和CWD 的热值大。

2.2 灌木的燃点

燃烧是可燃物与热源相互作用的一系列化学反应，当可燃物受热蒸发出可燃的有机挥发分时，在一定温度火源的作用下便会燃烧，发光放热并伴随火焰。灌木林燃点的测定主要采用DW—02 型点着温度测定仪，研究表明无水木材的燃点为275℃左右，这与王秋华（2016）在对滇中火烧迹地灌木的点着温度测定实验中，所测定的276 ± 4 ℃相吻合。一般情况下，可燃物的燃点与其含水率、所处环境有很大关系，在外部因素作用下，所测定的燃点也会有所偏差，以至于可燃物没有一个精确的燃点。但决定其燃点的主要因素还是自身所含物质，所以灌木林的燃点在一个范围内是正常的。

2.3 灌木的抽提物含量

抽提物是指用一些有机溶剂（苯—乙醇、醚等）、水、呈现弱酸或弱碱性的水溶液提取出的物质的总和。抽提物的组成复杂多样，对可燃物燃烧性影响较大的成分则主要是粗脂肪和挥发性油类物质。一些学者(王午豪,2021)使用索氏提取法、水蒸馏法对可燃物的粗脂肪和挥发性油类进行测定。结果显示在树叶和小枝条中，这2 种易燃性物质的含量较高[15]。灌木作为一种多枝叶的丛生植被，小枝条与树叶的载量较高，其所含的粗脂肪和有机挥发分也较多。田晓瑞等（1999）用方差分析法将多个树种的苯—乙醇抽提物与燃烧热值进行分析，结果呈正相关；粗脂肪、苯—乙醇抽提物与可燃物的燃点呈负相关，粗脂肪、苯—乙醇抽提物含量越高，可燃物的燃点越低。

2.4 灌木的灰分物质含量

灰分即为烘干的可燃物在高温密封条件下完全燃烧后，燃烧后剩下的灰的质量与未燃烧时质量的比值。灰分的大小可以反向表现出可燃物中含有的有机物的数量。灰分越大，则可燃物所含的有机物越少，两者呈现出反比。灰分含量可以影响到可燃物的燃烧性，组成灰分的物质主要为常见钠、磷、钾、钙、铁等矿物质组成的化合物[12]，这些物质会增加木炭生成，从而减低植被燃烧时的火焰活动。

有研究证明（王晓丽，2000），植株的灰分含量为树叶＜细枝＜树皮＜大枝。大多数灌木为多茎干树种，细枝茂盛，故而灌木的灰分含量是小于大型乔木的。从肖慧娟（2017）对滇中森林火灾火烧迹地可燃物理化性质测定中，多数灌木不同燃烧分的灰分含量都小于10 %，其含量关系为死可燃物（6.32 %）＞活灌木（5.08 %）＞CWD（3.75 %），可证实该地多数灌木的灰分含量都处于较低水平[16]。

2.5 灌木的热分解

多数灌木热分解的成分主要是纤维素（cellulose）、半纤维素（Hemicellulose）和木质素（lignin），其热解产物主分为气体（如CO、CO2、H2等）、液体（如醇类、酮类、醛类等）和固体（如木炭等）。王舜娩（2015）提出，草本灌木类可燃物的热分解在116℃—444℃时达到峰值，可燃物的纤维素在200℃—380℃之间开始热分解，平均分解速率在1.66% min-1—2.95% min-1之间；木质素在380℃—525℃时开始热分解，平均分解速率在1.67% min-1—4.32% min-1之间。纤维素分解出的可燃气体对灌木林火灾蔓延影响大，而分解缓慢焦炭的木质素则对灌木林火灾的蔓延影响较小[17-18]。

3 灌木林潜在火行为

森林中林火行为主要指森林火灾从可燃物着火到火势发展、向周围空间蔓延、火势衰退直至熄灭的全过程所表现出来的全部特征。我国灌木林的分布情况同总体森林资源分布情况大致相同，主要分布在南方林区和东北林区。受到时空区域的影响，灌木林火灾与可燃物类型、季节气候、地形气象、火源条件和人类活动等条件联系紧密，不同的条件下所表现出的林火行为各有不同。

3.1 林火种类

灌木林火灾种类与其植株形态紧密相关，多数灌木林都有丛生的特征，冠幅矮小，密度大。灌木林下多生草本、禾本科植物，以致于林内郁闭度高，各层次连接紧密。在发生灌木林火灾时，地表火、树干火、树冠火会同时存在，植株密度大导致林火相互催生，火势发展迅速。通过对灌木林火烧迹地的实地调查[19]，过火片区通常仅剩较粗枝干未被烧除，其余有效可燃物燃烧较充分。该结论再次证实了灌木林内发生火灾时，林内可燃物燃烧充分，地表火、树干火、树冠火等林火类型均会存在。

3.2 着火难易程度

着火的难易程度可以正面估测森林火灾发生的可能性，从而给林火预防做出提前预警。着火难易程度与可燃物的燃点、可燃物的含水率、野外火源等有关。燃点即为可燃物的点着温度，燃点越低则该可燃物越容易被点燃。一些学者（陈家兴，2018 等）用DW—02 型点着温度测定仪来测量不同灌木的燃点[20-21]，测定出林内地表凋落物上层的点着温度为287.4 ± 6.5℃，凋落物下层的点着温度为288.9 ± 5.3℃。野外常见的火源多为祭祀上坟、烟头、烧荒积肥、电线短路等[22]，这些火源的燃烧温度都大于灌木林地表凋落物的点着温度，可以预见灌木林在遇到火源时的危险性。一些学者（金森，2012）用灌木的含水率（FMC）来估测灌木着火的难易程度[23]。灌木林的活地表可燃物与死地表可燃物的含水率差距不大，一般情况下FMC 小于40%时[24]，可燃物均能够不同程度的燃烧。

3.3 林火蔓延

具有规模的森林火灾，其火灾蔓延的空间范围均比较大。作为灌木林火灾潜在火行为的因素之一，林火蔓延的趋势决定了森林火场的大致范围。在森林火场中，受制于地形、风向等因素，不同部位的火线强度也大有不同。Anderson 等[25-26](1983)提出风对林火蔓延影响的双椭圆形数模型，用于模拟不同风向、地形等因素下林火蔓延的趋势。数据证明了在山地起伏变化的坡地，上坡火的火头部位火线强度最大，而位于火尾部位的下坡火，其蔓延速度、火线强度则相对较低。位于火翼部位的火线，其蔓延速度则相对持中，整个森林火场呈现“V”形。而在地形平缓且风速较小的条件下，林火的蔓延趋势则以着火点向四周均匀辐射，火场形状近似圆形。

丛生灌木林的连续性较高，植株通常拥有较大的表体比，其着火时受热面积大，热量接受多，植株所含水分在短时间内迅速蒸发，火焰极易蔓延。一些学者（徐伟恒，2019）采用“燃烧床”模型探究林火蔓延速率[27]，这是一种在室内构建模拟野外地被层进行点烧的实验方法，从而测量出火线强度，林火蔓延速度、火焰高度等数据的方法。一些学者（王正非，1983）依靠数学模型去预测林火蔓延的趋势[28-29]，如McArthur,A.G.(1960)的澳大利亚草地火蔓延模型、王正非林火蔓延模型、加拿大林火蔓延模型、罗森迈尔(Rothermel)地表火蔓延模型、Van Wagner 树冠火蔓延模型、林火加速模型等。这些方法依靠可燃物负荷量、风速、坡度、湿度、树冠高度等易测量数据来预测林火蔓延速度、林火蔓延面积、平衡蔓延速率等抽象数据，从而对林火发生做出理论支持和数据依靠，为森林防火、打火灭火工作做出理论依据。

3.4 林火持续时间

发生森林火灾时，火焰在火场的停留时间即为林火持续时间，火焰驻留时间的长短决定着过火植被的存亡。火焰驻留时间极短的火场，即便是高强度火灾，对植被的损伤也不会太大；而长时间驻留的低强度火，可能会给林区造成极大损伤，火烧迹地存活植被较少。故而林火持续时间与火强度一样，都能表征火灾的严重程度。

灌木林的原生更替能力很强，代谢快，生成地被层的速度也很快，故而有效可燃物载量大[30-31]。灌木林的地表易形成枯死茎叶层、CWD、地表腐植层的积累，多层次可燃物的堆积达到了火焰停留的条件，进而增长火焰持续时间[32]。

3.5 火烈度

森林火灾能量释放的大小与火烧持续时间两者相互作用则为火烈度，火烈度可以用来衡量过火后植被的破坏程度。发生森林火灾后，整个森林生态系统都会受到不同程度的损伤。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，则判定该林火为低烈度的轻微地表火；而大于80%的林木死亡率，则该森林火灾为近似毁灭性的爆燃火[33-34]。

一些学者（杨一，2016）研究了不同火烈度对灌木林次生演替及火灾后恢复状况的影响，结果证实了中烈度的林火对灌木林中主要物种的更替有直接影响。发生过灌木火灾的林地，在灌木冠层消失后，喜阴的草本植物灾后恢复物种数量大幅下降，一些耐光的植物数量占据优势。在灌木林火烧迹地中，外来物种易入侵，且变成该地优势种类,而原生植被的数量则有所减少。

3.6 火强度

火强度即为森林火灾能量释放量与能量释放速率之积，它可以表示为辐射强度、对流强度、发热强度、反应强度和火线强度等[35-36]。在森林防火和扑火、用火过程中，低强度的林火对森林生态系统有促进作用[37]，合理的计划烧除对种子萌发、植物生长、森林防火等均有积极作用。

当火强度大于3500 KW/m 时，火场会出现树冠火和飞火，火头难以控制。高强度林火长时间作用于灌木林时，会对灌木林造成毁灭性影响。一但灌木林发生火灾，极易由地表火发展到树冠火，由间歇性树冠火发展为连续性树冠火。灌木林具有良好的连续性，是连续树冠火的载体。灌木林冠层给树冠火提供充足的燃料以及过火路径，着火时冠层会被大火烧除，而火烧迹地仅存留较粗壮枝干[38-39]。一些学者（陈羚，2019）用火烧迹地残留物判断林火强度，结果证明高强度的林火通常会将灌木林完全烧毁，树枝会被烧成白灰状。

3.7 能量释放

灌木林火灾的能量释放主要表现在发热量上，其发热量的大小与可燃物的含水率有着密切关系。通常，含水率与发热量的大小呈反比[40]。在灌木林火灾中，火焰前沿会在连续的有效载体上持续前进。持续的热量释放，让已燃区域与未燃区域之间存在高强度热辐射。可燃物被预热后，含水率下降，蒸发出易燃有机挥发气体，使火焰前沿持续燃烧蔓延[41]。

高能量火会形成特殊的火行为，如对流柱、火旋风、爆发火、火爆、飞火、跳跃式火团等[42-43]。在极端天气、危险地形主导下，特殊火行为极易成型，这对林火控制、防火扑火造成极大困难。了解特殊火行为的成因及危害，对我国森林消防工作有极大促进作用。彻底了解特殊火行为，对可控火灾的打火作战方法，对失去控制的火灾的预测及防治方法，对预测火灾演变及对打火人员的人身安全保障等都有很大帮助[44]。

4 结论与展望

解放以前，我国的森林资源受损严重，开山造田、滥砍滥伐、森林火灾等大肆泛滥，森林覆盖率一度降低到5.18%。解放后植树造林、封山育林、飞播造林等措施开始施行，到现在，我国的森林覆盖率已经增长到23.04%。随着社会的发展，当今我国对森林资源的需求和使用性质已有所不同，我国的森林防火工作也面临着新的挑战。

本文主要以灌木林的燃烧理化特性及其潜在林火行为为出发点，对国内外研究灌木林森林火灾的文献资料进行了综述撰写，并且得出了以下结论：灌木属于高热值的植被，其燃点较低，灰分含量低，不易生成焦炭，发生灌木林火灾后容易燃烧殆尽。灌木热解速率快，水分蒸发快，易挥发出可燃成分，这种特性对灌木林火灾的蔓延有很大促进作用。国内外在探究灌木林燃烧性的方法中，主要有实验室测定（点着温度测定、CONE 热值测定等）、人为搭建模拟燃烧床（火焰高度、烟气温度、阴燃发热量等的测定）、计算机建模（Pyrosim、Behave Plus、FDS 等）、野外点火计划烧除等方法。

灌木林火研究目前属于冷学科，我国的相关研究主要分布于华北、东北和部分西南地区，这与我国西部灌木林的分布数量和西部森林防火的高压态势有所不符，应当加大在西部地区的探究力度。在研究内容上，各类研究方法并没有统一实验样本的标准，以至于实验数据参照不一，对现实防火工作帮助不大，建议在实验测定中统一部分标准，从而有所对照。在灌木林火烧迹地灾后恢复的相关研究中，火烧迹地外来物种入侵的防治与灌木林灾后次生演替规律的探索仍需加强。