国内森林地下火研究进展

李存宇，赵 南

(黑龙江省森林保护研究所，哈尔滨 150081)

2022年，国土绿化状况公报显示，全国森林覆盖率达24.02%，森林蓄积量达194.93亿m3，连续30多年保持森林面积、蓄积“双增长”。森林火灾是对森林资源危害最大的自然灾害之一，大力开展森林火灾预防扑救研究是我国从少林国家迈向森林高覆盖率国家的重要举措。多数森林火灾为地表火，树冠火和地下火属于由地表火升级发展而来的特殊火行为，相较于地表火的研究，极端火行为的研究尚存不足。地下火具有燃烧隐蔽性强、燃烧持续时间长、破坏力大和预防扑救困难等特点，虽然发生次数仅占森林火灾的1%左右，但随着全球气温升高，在降雨少且长期干旱的北方林区，森林地下火发生频率有逐步增长的趋势[1]。

1 森林地下火简介

1.1 概述

1)森林地下火多发于高温干旱地区，是指在森林底层的枯枝落叶堆积物与泥土混合后发生的阴燃现象，多发于我国北方针叶林带，南方林区较少发生。由于干旱层以下的可燃物堆积层环境相对潮湿、缺氧，故这些枯枝落叶的阴燃显示出了蔓延持久缓慢、燃烧隐蔽、温差跨度大和释放大量烟气等特点。

2)森林地下火在差异性环境中的燃烧深度区别较大。燃烧深度<20 cm的为浅层地下火，多发于草甸或人工林下；燃烧深度>20 cm的为深层地下火，多发于次生林或原始林下[2]。

3)现有研究通过对燃烧强度、平均燃烧深度的统计得出：有林地发生的森林地下火多数较弱，平均燃烧深度15～30 cm；草塘发生的中度森林地下火燃烧深度则可达30～60 cm[3]。

4)地下火发生初期难以及时发现，发现后火情往往已蔓延扩大，控制、扑救难度大幅提高。随着地下火发生频次与规模逐年增加，其带来的生态、经济损失也大幅提高，故对地下火的成因、特点、危害和防控措施等研究正逐步深入。

1.2 成因与危害

1)自然界的气候变化与人为改变森林生态环境是森林地下火发生的2个主要原因。持续的高温干旱使森林地表堆积的大量可燃物与底层泥潭变得干燥易燃，少量的降水也会在晴朗高温时快速蒸发殆尽，森林地表与可燃物底层长时间处于高温干燥状态，极大地提高了森林地下火的发生概率。森林与土壤局部的生态环境变化是加剧森林地下火火险等级提升的另一项重要因素，人类的各种开发活动导致可燃物载量巨变、土壤含水率降低、不可控火源数量增加，为地下火的发生发展提供了必要条件。

2)森林地下火是地球上时空跨度最大的火现象，地表可燃物与地下腐殖质层较厚的林区，地下火燃烧时间可达数天甚至数月之久，随着燃烧深度不断加深，其蔓延速度与燃烧温度会逐步增强，破坏力也更大。地下火破坏植被根系、改变土壤原始环境、破坏林地原有地形地势，缓慢阴燃时产生大量CO、CO2、CH4等有害气体，是雾霾与全球碳排放的重要元凶灾害。近些年对地下火逐步深入地研究，了解这一自然现象带来的重要危害，目前正朝着对其理解、防控甚至利用的研究方向坚实迈进。

1.3 研究方向

国内对森林地下火的研究主要分为理论研究与应用研究，理论研究主要包括对森林地下火的发生机理、影响因子、火焰蔓延规律、燃烧特性、生态系统影响等方面的研究，应用研究包括森林地下火的预防控制、扑救方法和装备设备等研究领域。

目前，我国在森林地下火方面的研究与研发尚处于初级阶段，当前优先度较高的研究主要集中在森林地下火的预测、从源头降低地下火燃烧概率、提高完善地下火监测扑救技术等领域。随着以上研究的完善与未来科技的进步，在生态重要性逐步提高的大背景下，对森林地下火的后期管理与利用将成为林火防控工作者面临的新挑战。

2 森林地下火理论研究

地下火基础理论研究的试验分为野外点烧与室内点烧。野外点烧受政策法规、安全限制等因素影响研究较少。试验室模拟点烧试验多使用图1所示系统[4-5]。通过对研究样地的实际踏查，模拟样地可燃种类、载量、含水率和粒径等真实属性，将试验样本置于阴燃反应炉中。提升远红外加热板温度，点燃可燃物样本，热电偶与数据采集模块通过补偿导线与电脑连接，统计分析收集燃烧数据后得出燃烧试验的规律与结论。

图1 地下火模拟点烧系统

2.1 燃烧特征

森林地下火相较于地表火的研究较少，但思路方法一致。通过对森林地下火从被点燃开始到发生发展直至熄灭的整个过程中所表现出的各种现象的研究，可为其他方向的深入研究提供理论基础。

地下火发生发展之前，森林地下可燃物会先产生热解反应，该过程产生的可燃性气体有利于阴燃。李禹洁[6]对热解反应机理进行了深入研究，对地下火阴燃之前热解的反应速率及难易程度进行了数理统计。地下火发生时，过火区域可燃物一般分为草本层、半分解层和腐殖层，半分解物和腐殖质的点燃温度分别为 405 ℃和525 ℃，腐殖质层燃点更高，燃烧性更强，其阴燃的剧烈程度远高于其他可燃物层[7]。一般情况下，地下火垂直燃烧的最高温度随着深度的增加而升高，蔓延速率亦随着深度的增加而变快，这是由于地下火向下蔓延一段时间后，上层逐渐坍塌导致下层氧含量上升，随即加剧下层阴燃，而上层的高温阴燃灰烬起到了阻止热量散失的作用，故导致下层的燃烧温度升高。由于地下火的燃烧过程是靠自身释放的热量来维持的[8]，所以燃烧温度更高的深层可燃物蔓延速率也更快[5]。在相同深度条件下不同类型可燃物腐殖质层燃烧最高温度之间的差异显著，故很多研究给出的最高温度相差可达100 ℃以上。蔓延速率通常在1～8 cm/h，但个别研究最高可达25.45 cm/h。地下火从发生到熄灭的整个过程中，出现火焰和火星的概率很低，完全燃烧后的可燃物层表面呈炭黑色，深层呈砖红色[9]。

2.2 粒径

粒径是影响可燃物堆积密实度的关键因素，可燃物内部不同的孔隙结构对阴燃反应速率、燃烧持续时间和峰值温度等指标均有显著影响。试验室内先将可燃物烘至趋于绝干，使用粉碎机粉碎绝干可燃物，使用不同直径筛子进行筛选，最终选用不同粒径可燃物进行阴燃实验。

当腐殖质粒径<20目或<40目时，森林地下火燃烧温度较高、蔓延速度较快、持续时间较短且燃烧充分；当腐殖质粒径<60目或<80目时，森林地下火的燃烧温度和蔓延速率降低，燃烧时间变长且燃烧不充分；当腐殖质粒径<100目时阴燃很难持续[10]。者香等[11]对粒径与地下火蔓延速率之间的关系进行了细化研究，粒径1～2 mm的泥炭阴燃蔓延速率随着粒径的增大而增大；当粒径>3 mm时，泥炭阴燃蔓延速率反而随着泥炭粒径的增大而减小，2～3 mm是粒径的一个界限值。地下火在深度3 cm处的燃烧最高温度只与地表火强度有关，深度6 cm处的燃烧最高温度与地表火强度、腐殖质粒径均相关，当深度大于6 cm后燃烧的最高温度则只受腐殖质粒径影响[12]。粒径与不同地类的交互作用对燃烧温度也有影响，不同地类均在粒径<80目且深度12 cm的条件下达到最高燃烧温度，但塔头甸子的阴燃温度高于其他地类[13]，研究最后给出了5种地类在12 cm深度内的燃烧温度预测模型。

2.3 其他影响因素

1)除可燃物自身属性外，含水率、地形地势和气象条件等因子也会对地下火产生重要影响。通常地表可燃物含水率达25%时即很难被点燃，含水率35%时将无法点燃，而地下火在可燃物含水率30%时仍能维持自身燃烧，泥炭层甚至可以在50%～60%的条件下发生阴燃。一般认为峰值燃烧温度会随着含水率升高而下降，蔓延速率随着含水率升高而减慢，当含水率达到30%时燃烧不符合以上规律[14]。单延龙等[5]研究了呼中国家级自然保护区主要可燃物类型，研究发现含水率对不同可燃物类型地下火行为的影响差异显著，不同可燃物会在不同含水率条件下达到最快蔓延速率。另外，在可燃物类型不变的前提下，只有兴安落叶松与偃松混合林在不同含水率条件下的燃烧峰值差异显著，其他类型可燃物的峰值温度差异皆不显著，且一旦地下火进入稳定燃烧状态，含水率对燃烧温度的影响不明显。者香[15]在试验中发现，泥炭含水率数值低于23.02%时，含水率变化对阴燃蔓延速率影响较大，泥炭含水率数值高于45.47%时，含水率变化对阴燃蔓延速率影响不大。含水率对地下火的复燃及由阴燃转为明火的过程也有明显影响[6，16]。

2)塔头甸子、有坡山地、无坡山地、水湿地与农用地是5种典型地类，地类、地形地势对地下火行为的影响同样显著。多数地类腐殖质水平燃烧，深层的蔓延速率快于近表层的蔓延速率，但塔头甸子的腐殖质近表层的蔓延速率大于深层蔓延速率。任意一种腐殖质粒径下塔头甸子的阴燃燃烧温度都是最高的，其次是水湿地，有坡山地、无坡山地与农用地的腐殖质阴燃燃烧温度较低[4]，该研究还分析了塔头甸子温度高的原因，同时给出了燃烧时间与腐殖质地表温度之间的函数关系。

3)韩喜越使用3种数学方法(方差分析、熵权法、聚类分析)分析得出了常见地类浅层地下火的发生概率，研究认为发生浅层地下火概率最大的地类为水湿地，有坡山地和农用地发生概率偏低，塔头甸子和无坡山地发生概率最低[17]。坡度的大小对地下火发生概率影响不大，但阴坡发生概率高于阳坡[18]。

4)载量与无机物含量亦是可燃物属性的两项重要指标，风则是影响火行为的重要气象因子。可燃物载量的增加使地下火燃烧释放更多热量，从而在更短时间内达到峰值温度[7]；无机物含量对泥炭阴燃峰值温度影响较大，阴燃峰值温度在430～710 ℃，当无机物含量达到57%时，泥炭阴燃将无法维持[15]；由于地下火是在腐殖质层中阴燃，故风对地下火的影响要弱于对地表火、树冠火的影响[19]。风速与地下火阴燃速度基本呈线性关系，风速越大阴燃速度越大，当风速阈值达到4 m/s时，阴燃会转为明火燃烧[6]。

3 森林地下火应用研究

3.1 预防扑救

当前，国内外对森林地下火的研究主要集中于地下火的燃烧机理及不同因子对地下火行为产生的影响，地下火预防扑救领域的研究十分欠缺。相较于地表火，地下火在火情预防与空中监测领域差异不大，区别主要体现在地表监测与扑救方面。同地表火一样，预防地下火需在火灾高发区建立水源地、对林地进行可燃物清理和保湿维护；利用红外热成像技术，通过卫星与无人机在空中监测地下火发生情况[2]。由于地下火隐蔽性较强，故地面监测与扑救工作相较于地表火存在更多困难和危险。人工地面监测地下火主要使用插钎探测技术，通过观察插钎点是否有烟气冒出判断地下火是否发生。经验表明，雨雪天气有利于地下火的监测，通过对地表水气蒸发或积雪融化判断地下火的发生及火场边界。利用手持式红外地下火探测仪监测地表温度，利用手持式烟气检测仪检测地下火指示气体，亦是提高地下火地面探测准确度的重要手段[20]。扑救与地表火有交织的浅层地下火时，可清理表面灰烬后直接用水喷洒底层可燃物。较复杂地下火需使用工具(油锯、开沟机、锄头和铁锨等)清理地下植被根系，挖掘0.5～2 m深的倒梯形防火沟，将地下火封闭在可控区域内，起到间接灭火的效果[21]。

3.2 装备研究

针对地下火扑救装备的研发基本处于空白状态，高效实用的地下火灭火设备和灭火材料主要包括手工工具与手持类电子设备，但见诸报的不多[22-24]。目前正在推广的较为前沿的研究是直升机机载红外探测地下火系统，研究侧重于丰富实用功能和提升使用体验[25]。系统包括稳定拍摄平台、激光测距定位火点坐标、广域扫描拍摄与画面拼接、中继实时传输火场视频等技术。

4 小结

1)总结现有地下火机理研究成果，不难发现地下火燃烧特性复杂，火行为特点多样。故很多研究由于试验设计、外部环境的不同，研究差异较大，甚至出现相互矛盾的研究结论。燃烧温度、燃烧深度与蔓延速率的变化规律，粒径、含水率对燃烧过程的影响，均有不符合主流研究结论的特殊案例。综合现有研究结论来看，研究地下火影响的各类研究应细化可燃物类型、阈值范围、地形地势地类和天气因素等前提，并对产生小众结论的试验条件开展进一步探索。

2)现有应用研究多为探测与挖掘类设备，鉴于地下火火场边界难界定、地面易坍塌且深层高温的特点，应对扑火队员腿部防护装备开展适度研究。较为领先的机载红外探测地下火技术需要解决或升级的技术难点主要集中在图像拼接、视频数据快速传输、红外镜头面对遮挡时精确性的提升等研究领域。

3)针对地下火发生后的灾后管理也应与地表火区别研究，研究地下森林火灾对土壤理化性质的特殊影响，通过改良土壤恢复其水分与有机质，保证原生植被的生长恢复。还可尝试将不可分解的有机物质分解成有机肥料，甚至利用森林地下火的反应特性、燃烧过程和气体生成等特点为开发生态环境的能源利用提供新途径，未来有望成为生态保护和地下能源开发的重要手段，为人类带来新的技术创新和能源应用模式。