全 文 ：收稿日期：2014-05-12
基金项目：国家自然科学基金项目（31300553）
作者简介：王秋华（1978-），男，博士，副教授，从事森林防火等方面的研究，E-mail：qhwang2010@163.com
滇中安宁地区火烧迹地光叶石栎灌木林的火行为模拟
王秋华 1a，赵凤君 2，肖慧娟 1b，李世友 1a，刘世远 1a，杨 潇 1a
（1.西南林业大学 a.土木工程学院/云南省森林灾害预警与控制重点实验室，b.林学院，昆明 650224；
2.中国林业科学研究院 森林生态环境与保护研究所/国家林业局森林保护学重点实验室，北京 100091）
摘 要：为评估火烧迹地灌木林再次发生火灾的可能性以及火灾发生后的危险性，在滇中安宁地区 2006 年“3·29”重大森林火灾
火烧迹地没有人为干扰的光叶石栎过火灌木林设置样地，通过外业调查、采集样品，并在自制燃烧床内测定火行为，包括活灌木
（带枝条和叶）、死灌木和粗木质残体（course woody debris， CWD）的引燃时间、熄灭时间、辐射热、火焰高度和火强度等。 结果表
明:活灌木的最大火焰高度为 70cm，死灌木为 60cm，CWD 为 40cm；活灌木的火强度最大，达到 5251.14kW·m-1，为高强度火，是死
灌木(2001.74 kW·m-1)的 2.62 倍，是 CWD(2651.28kW·m-1)的 1.98 倍，死灌木和 CWD 都为中强度火。 从实验室内小尺度模拟的火
行为可见，火烧迹地上的光叶石栎灌木林仍具有很大的燃烧能量，一旦着火，很有可能释放出大量的热量，仍有可能再次发展成重
大森林火灾，扑救也将会非常困难。
关键词：火焰高度；辐射热；火行为；火烧迹地；光叶石栎；安宁
中图分类号：S762.3 文献标识码： A 文章编号：1000-1700（2015）01-0105-05
Simulation on Fire Behaviors of Lithocarpus mairei Shrubs
in Large Forest Fire Sites in Anning, Yunnan
WANG Qiu-hua1a, ZHAO Feng-jun2, XIAO Hui-juan1b, LI Shi-you1a, LIU Shi-yuan1a, YANG Xiao1a
(1.a.Faculty of Civil Engineering/Yunnan Key Laboratory of Forest Disaster Warning and Control, b.Faculty of forestry, Southwest Forestry University,
Kunming 650224, China; 2.Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection/Key Laboratory of Forest Protection of State Forestry
Administration, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China）
Abstract： The evaluation was made for the possibility whether the shrubs in the fire sites would burn out again and the risk
once it really happened. After selecting little man-made shrub field samples of fire sites from large forest fire burned on 29,
March, 2006 in Anning, Yunan, where Lithocarpus mairei is the dominant species and its degree of dominance is a key element
in behavior of fire, field investigating and lab experiments of fire behaviors, including ignite time, extinguishing time, heat values
of radiation, flame height and fire intensity of live shrubs with branches and leaves, dead shrub fuel and CWD (course woody
debris), the index of fire behaviors were conducted. The maximal flame height of live shrub, dead shrub fuels, and CWD were
70cm, 60cm, and 40cm, respectively, while the maximal fire intensity was live fuel, which was 5251.14 kW·m-1, 2.62 times as
that of dead shrub (2001.74 kW·m-1), and 1.98 times of that of CWD (2651.28 kW·m-1). The live shrubs become the high
intensive fire, while the dead shrubs and CWD were medium fires. Inferred rom small scale simulation studies on lab
experiments, shrubs on fire sites still have large combustible energy, once on fire, they will release massive heat energy, possible
to forma large forest fire, and with extinguishing difficulties.
Key words： flame height; radiation heat; fire behaviors; fire sites; Lithocarpus mairei; Anning, Yunnan
林火行为表示着火、发展、传播、直至减弱和熄灭一系列连锁过程的总体[1]，研究林火在时间和空间上的变
化，包括火焰、蔓延速度及火强度等。 土地增长（引起森林植被或可燃物的变化）、天气状况以及地形对林火
影响很大 [2-3]，同时，可燃物的处理方式 [4]、气候变化等 [5]，对火行为也有影响。林火行为的复杂性使得大尺度、
大规模的林火试验较难开展 [6]。在扑救森林火灾时，及时预测火行为的状况和趋势，能够有效组织扑救、减少
火灾损失。
沈阳农业大学学报，2015，46(1)：105-109
Journal of Shenyang Agricultural University
王秋华, 赵凤君, 肖慧娟, 等. 滇中安宁地区火烧迹地光叶石栎灌木林的火行为模拟[J]. 沈阳农业大学学报，2015，46（1）：105-109.
http：//www.syauxb.com
DOI:10.3969/j.issn.1000-1700.2015.01.019
第 46卷沈 阳 农 业 大 学 学 报- -
已有大量的林火行为野外试验研究展开，如长白山林区蒙古栎林的低强度火烧试验 [7]，云南松林、思茅松
林内计划烧除时的火行为试验[8-9]，平地无风条件下蒙古栎阔叶床层的火行为试验[10-11]，江西大岗山地区 11 个
主要植被类型的林火行为试验[12]，大兴安岭南部罕诺河火场灌木林春季火行为特征研究[13]，以及法国 Corsica南
部地区地中海式森林的火蔓延试验[14]。 这些试验主要以乔木林为主，灌木林的研究较少。 而灌木是生态系统重
要类型之一，在生态保护、恢复和重建中起重要作用[15-17]。云南的灌木林分布广泛，类型多样[18]。由于灌木林具有
丛生或集生的结构，灌丛或丛林状的外貌，特有的成因、生态环境及特定的植物种类组成成分，一旦着火，火行
为特征与乔木林有巨大差异。
本研究以滇中安宁地区 2006年“3·29”重大森林火灾火烧迹地的光叶石栎灌木林为研究对象，通过实验室
内可控制条件的火烧试验，研究实验室内小尺度上同质可燃物床层的火行为，以此评估火烧迹地灌木林再次
发生火灾的可能性以及一旦发生火灾后可能的火行为。
1 材料与方法
1.1 研究地概况
研究地位于云南安宁，北纬 24°31′~25°06′N，东经 102°10′~102°37′之间。 总面积 1321km2，属北亚热带湿
润、低纬度高原山地季风气候，冬无严寒、夏无酷暑、四季如春，且干、湿季分明[19]。 年平均气温 14~17℃，≥10℃
的年活动积温为 4566.4℃， 年平均日照时数为 2054h， 年平均雾天数为 54d， 有霜天数 64d， 年平均降雨量
900.7mm，其中下半年为 786.6mm，约为全年的 87.3%，防火期长达 6~7 个月，紧要期为 3~4 月份。 主要植被类
型为半湿润常绿阔叶林、暖温性针叶林和暖温性灌木林 3 种。
2006 年“3·29”重大森林火灾的火烧迹地范围为北纬 25°0′N~25°5′N，东经 102°24′~102°27′。 该区地形复
杂、破碎，海拔为 1880～2500m，相对高差达到 620m，平均坡度为 25°，过火面积 1695.4hm2 。 火烧迹地原来植被
茂密，主要植被为灌木。栎类灌木林过火面积 746.4 hm2，约占 44.03%[20]。光叶石栎[Lithocarpus mairei (Schottky)
Rehder]是云南特有树种，主要分布于滇中高原山地海拔 1200~2500m 的向阳山坡，多散生于半湿润常绿阔叶林
中，是阳性、旱生的常绿灌木，其生长十分缓慢，新枝叶出现在秋季。 根系发达耐干旱、耐贫瘠，天然更新以根蘖
为主。 群落植株高矮、年龄非常一致，林相单一、整齐，群落具有明显的次生性和稳定性，耐火性强。
1.2 研究方法
1.2.1 样地设置 样地设置的时间为 2013 年 4 月 21 日和 27 日，连旱天数（连续不下雨的天数）分别为 8d 和
15d。在火烧迹地以光叶石栎为主的栎类灌木连续分布的林地设置 3 块样地（20m×10m）。测定每个样地的海拔、
坡度、坡向等地形要素以及树高、胸径等林分因子。 在每个样地内用钢卷尺测定所有死灌木的熏黑高度，同时
沿对角线设置 3 块 2m×2m 小样方，统计每个小样方内地表可燃物，单独计算粗木质残体（coarse woody debris,
CWD，即直径≥2.5 cm的死木质物[21]，这些死木质物大部分已经开始腐烂，用刀片可以任意刺穿木质体，剩下的
为腐朽状态）。 用收获法[22]，割取样方内所有活灌木并用电子秤称取鲜质量。 在样地内伐倒光叶石栎的标准木
（根据样地每木检尺结果,计算出灌木平均直径和高度），用锯子按 1m 一段锯开，然后分段采集样本，各称鲜重
后装进塑封袋备用。
1.2.2 绝对含水率及可燃物载量 把带回的试样放入电热鼓风干燥箱内，105℃连续烘干 24h 至绝干状态，用
电子天平称绝干质量。 计算出每个样方内不同种类可燃物绝干含水率以及可燃物载量。
绝干含水率(%)=[（鲜质量-绝干质量）/绝干质量]×100
可燃物载量(kg·m-2)＝样方内可燃物绝干质量/样方面积
1.2.3 燃烧试验 自制铁质燃烧床如图 1。 燃烧床
外长 203cm，内长 200cm，外宽 127cm，内宽 120cm，
外高 34cm，内高 32cm，底部覆盖一层 2cm 厚的石
膏板，防止散热，坡度设为 10°。 将燃烧床置于燃烧
室内不通风处，模拟无风状态下的燃烧。
在燃烧床 4个角设置标杆，以每个刻度 5cm 标
记出高度，最高为 200cm，用来测量火焰高度。 活灌
图 1 自制燃烧床
Figure 1 Combustion bed of own manufacture
106
王秋华等：滇中安宁地区火烧迹地光叶石栎灌木林的火行为模拟第 1期 - -
木（带枝条和叶子）、死灌木和 CWD 尽可能保持在野外的状态，每个试样质量控制在 1.2kg，均匀铺在燃烧床
内，用钢卷尺测量可燃物的厚度。 用秒表记录引燃时间和熄灭时间。 当火焰高度达到最大时，用手持红外测温
仪测定火焰温度，在距离火焰最大高度的不同位置(10，20，30，40，50，60，80，100，150，200cm)，用 SFR-Ⅲ数字
式辐射热计测量热辐射，同时用钢卷尺测量火焰高度。 每个试样同时做 3 组试验，进行对比。 用勃兰姆公式
(Byrams equation)计算火强度:
I=0.007HWR
式中: I为火强度(kW·m-1); H为热值（J·g-1）; W为消耗的可燃物量(t·hm-2); R为蔓延速度(m·min-1)。
3 结果与分析
3.1 火烧迹地灌木林的特征
安宁“3·29”重大森林火灾火烧迹地灌木林主要林分特征见表 1。死灌木平均高度为 5.7m，烧黑高度最大为
5.4m。 火后活灌木平均高度为 1.5m，仅为死灌木(5.7m)的 26.32%，说明尽管火灾过去 7 年多，但要恢复到火灾
前的林分水平还需要很长的时间。 死灌木的载量为 4.63kg·m-2， 为活灌木 (1.56kg·m-2) 的 2.97 倍， 为 CWD
(2.88kg·m-2)的 1.61倍。 可见，火烧迹地的可燃物主要还是以死灌木和 CWD为主，特别是死灌木的载量明显超
过了 2.88kg·m-2，达到了很高的水平。 选取的样地坡度在 20~35°之间，海拔高度在 2100~2280m 之间，坡向为
SW,NE,E，有一定的代表性。
表 1 火烧迹地光叶石栎灌木林的特征
Table 1 Characteristics of Lithocarpus mairei shrubs on fire sites
可燃物
Fuel
死灌木
Dead shrub
活灌木
Live shrub
粗木质残体
CWD
平均高度/m
Average height
5.7
1.5
-
烧黑高度/m
Black height
5.4
-
-
载量/kg·m-2
Load
4.63
1.56
2.88
热值/kJ·kg-1
Heat value
21277
21631
19129
海拔/m
Altitude
2140, 2220, 2280
样地数量/个
Slop
3
3
3
坡度/°
Gradient
20, 31, 35
坡向
Slope direction
SW,NE,E
3.2 光叶石栎灌木林的火行为
3.2.1 引燃时间和蔓延时间 为了更好的进行比较和研究，所有试样都需要预处理，在 105℃连续烘 24h 至绝
干状态后取出，晾至室温后再均匀铺在燃烧床上，以模拟野外有火源预热情形下的着火及火行为特征。 用点火
器点火，用秒表计时。 由表 2 可知，光叶石栎的 CWD 耗费时间最多，需要 60s 才能点燃，而死灌木所需点燃时
间最短，仅为 5s。 活灌木燃烧所能维持的时间最短，为 454s，而 CWD则长达 2169s，原因可能在于 CWD有些已
经开始腐烂，用刀片可以任意刺穿木质体，有些则已腐朽，用手一捏就变成粉碎状，燃烧速率较慢。
表 2 火烧迹地光叶石栎灌木林的火行为特征
Table 2 Fire behaviors of Lithocarpus mairei shrubs on fire sites
可燃物
Fuel
活灌木
Live shrub
死灌木
Dead shrub
粗木质残体
CWD
引燃时间/s
Ignition time
11
5
60
熄灭时间/s
Extinguish time
454
688
2169
火焰最大高度
Max height/cm
70
60
40
火焰最高温度/℃
Max temperature
678
630
732
消耗量/kg·m-2
Consumption
1.12
2.89
3.30
蔓延速率/m·s-1
Spread rate
0.02
0.02
0.01
火强度/kw·m-1
Fire intensity
2001.74
5251.14
2651.28
可燃物消耗率/%
Consumption rate
64.62
71.22
81.29
3.2.2 火焰特征 火焰高度（垂直于地面连续的火焰高度）是林火行为中较容易观测到的数值，可用来估测林
火强度，也是扑火指挥员选择灭火手段的主要依据。 一旦火焰高于 2.5m时，任何地面灭火设施都将无效，只能
107
第 46卷沈 阳 农 业 大 学 学 报- -
用开设防火隔离带等方法来扑救[1]。 由于火焰随时都在不断变化，是随意的、动乱的和暂时的现象，所以本研究
用最大火焰高度来表征。 由表 2可知，在实验室控制条件下，活灌木的最大火焰高度可以达到 70cm，死灌木为
60cm，而 CWD则只有 40cm。 这是因为活灌木比较松散，而 CWD非常致密（特别是火烧迹地的 CWD紧密排列
在一起），不利于火的蔓延。 CWD的火焰最高，为 732℃，活灌木为 678℃，死灌木为 630℃，三者的温度都很高，
因此，在扑救此类火灾时，一定要采取必要的预防措施，特别是穿戴好必要的防火服，以减少热受伤。
3.2.3 辐射热 热辐射是林火蔓延的一种主要的热量传递方式，它能够预热火焰前方未被点燃的可燃物，使其
很快达到着火点，从而发生燃烧，同时也是地表火传播的重要途径之一，这会使地面扑火队员难以靠近火源直
接灭火。
由图 2可知，随着距离的增加，辐射热在不断递
减。在 10cm处，活灌木的辐射热最大，为 1.45kW·m-2；
死灌木为 1.3kW·m-2； 而 CWD 为 1.05kW·m-2；在
20~80cm 处，CWD 释放的辐射热始终最大， 平均为
死灌木的 2 倍，活灌木其次，始终介于 CWD 和死灌
木之间，而死灌木始终最小。这和可燃物的性质和表
面状态及温度有关。 物体颜色深，表面粗糙，吸收的
热量多；表面光滑，颜色浅，反射的热量多，吸收的热
量少；而透明的物体只能吸收小部分热量。 CWD 颜
色较深，表面粗糙，其释放的热能较大；而死灌木颜
色较浅，其释放的热能也较小。
3.2.4 火强度 由表 2可知，在实验室可控条件下，
可燃物的消耗量大， 火强度就大。 可燃物的性质不
同，可燃物的消耗量也不一样，特别是 CWD，由于大部分属于无焰燃烧，从点燃到熄灭所需的时间最长，燃烧最
久，燃烧速度比较慢，为 0.01m·s-1，消耗量最大，为 3.30 kg·m-2，消耗率为 81.29%，而活灌木由于较松散，燃烧速
度较快，为 0.02m·s-1，消耗量最小，只有 1.12 kg·m-2，消耗率为 64.62%。活灌木的火强度最大，达到 5251.14kW·m-1，
为死灌木(2001.74kW·m-1)的 2.62倍，为 CWD (2651.28 kW·m-1)的 1.98倍。 按照火强度大小来划分[6]，活灌木为
高强度火，而死灌木和 CWD都为中强度火。原因主要在于可燃物的热力学性质不同，特别是热值差异(表 1)，死
灌木的热值为 21277kJ·kg-1，活灌木的为 21631kJ·kg-1，而 CWD的只有 19129kJ·kg-1。
4 讨论
本研究初步研究了火烧迹地光叶石栎灌木林的火行为，因为同时存在活灌木、烧死灌木以及腐烂和腐朽的
CWD3 种可燃物，着火后的火强度及火烈度完全不一样，对周围环境的影响也不同，研究结果能够对火烧迹地
的生态恢复，火管理等提供理论依据。 由于光叶石栎灌木林的树高非常一致、排列很紧密、密集，导致火行为非
常复杂，即使是同质量的可燃物在相同条件下模拟燃烧，火行为参数也不尽相同，特别是火焰，始终是一个动态
变化的过程，怎样用数学方法来进行描述，从而更精确研究，需要继续深入探索。 另外，本次研究仅进行了实验
室内的小尺度火行为模拟，只能代表理想状态下的火行为，应参考加拿大、美国及俄罗斯等国，加强野外大、中
尺度的火行为模拟点烧试验，通过空中无人机观察、地面跟踪以及运用先进的探测技术如热电偶等，以便观测
到更直观、更逼真的火行为，更好地建立模型。
参考文献：
[1] 骆介禹.森林燃烧能量学[M].哈尔滨：东北林业大学出版社,1992：45-85,180.
[2] RYAN K C.Dynamic interactions between forest structure and fire behavior in boreal ecosystems[J].Silva Fennica,2002,36(1):
13-39.
[3] BRADSTOCK R A,HAMMILL K A,COLLINS L,et al.Effects of weather,fuel and terrain on fire severity in topographically di-
verse landscapes of south-eastern Australia[J].Landscape Ecology,2010,25(4):607-619.
[4] REINHARDT E D,HOLSINGER L,KEANE R.Effects of biomass removal treatments on stand-level fire characteristics in major
图 2 距最大火焰高度的辐射热
Figure 2 Radiation heat from the max flame height
108
王秋华等：滇中安宁地区火烧迹地光叶石栎灌木林的火行为模拟第 1期 - -
[责任编辑 李 薇]
forest types of the Northern rocky mountains[J].Western Journal of Applied Forestry,2010,25(1):34-41.
[5] KILPEL魧INEN A,KELLOM魧KI S,STRANDAMAN H,et al.Climate change impacts on forest fire potential in boreal conditions
in Finland [J].Climatic Change,2010,103:383-398.
[6] 舒立福,王明玉,田晓瑞,等.关于森林燃烧火行为特征参数的计算与表述[J].林业科学,2004,40(3):179-183.
[7] 田晓瑞,赵凤君,李 红,等.低强度火烧对长白山林区蒙古栎林的影响[J].自然灾害学报,2007,16(1):66-70.
[8] 梁 峻,周礼洋,叶枝茂.云南松林内可燃物与计划烧除火行为的相关分析[J].福建林业科技,2009,36(1):49-53.
[9] 章文杰,王秋华,肖慧娟,等.思茅松林的可燃物与火行为研究[J].林业调查规划,2011,36(3)：65-68.
[10] 金 森 ,刘礴霏 ,邸雪颖 ,等 .平地无风条件下蒙古栎阔叶床层的火行为Ⅰ.蔓延速率影响因子与预测模型 [J].应用生态学报 ,
2012,23(1):51-59.
[11] 张吉利,刘礴霏,邸雪颖,等.平地无风条件下蒙古栎阔叶床层的火行为Ⅱ.火焰长度和驻留时间影响因子分析与预测模型[J].应
用生态学报,2012,23(11):3149-3156.
[12] 孙 武,牛树奎,赵 蓓,等.大岗山地区主要林型可燃物调查与林火行为[J].江西农业大学学报,2012,34(6)：1171-1179.
[13] 田晓瑞,王明玉,殷 丽,等.大兴安岭南部春季火行为特征及可燃物消耗[J].林业科学,2009,45(3)：90-95.
[14] MORANDINI F,SILVANI X,ROSSI L,et al.Fire spread experiment across Mediterranean shrub:Influence of wind on flame front
properties[J].Fire Safety Journal,2006(41):229-235.
[15] 陈遐林,马钦彦,康峰峰,等.山西太岳山典型灌木林生物量及生产力研究[J].林业科学研究,2002,15(3):304-309.
[16] 俞海生,李宝军,张宝文,等.灌木林主要生态作用的探讨[J].内蒙古林业科技,2003(4):15-18.
[17] 郑绍伟,唐 敏,邹俊辉,等.灌木群落及生物量研究综述[J].成都大学学报：自然科学版,2007,26(3):189-192.
[18] 云南森林编写委员会.云南森林(下)[M].昆明:云南科技出版社;北京:中国林业出版社，1986:335-352.
[19] 徐学杰.安宁市生态公益林效益补偿机制研究[J].四川林勘设计,2004(2):11-13.
[20] 段 颖,周汝良,刘智军.基于 CBERS 遥感数据的云南安宁“3.29”火灾面积评估[J].云南地理环境研究,2009,21(1):89-92.
[21] HARMON M E,FRANKLIN J F,SWANSON F J,et al.Ecology of Coarse Woody Debris in Temperate ecosystems [M].MAC-
FADYEN A,FORD E D.Ecology of Coarse Woody Debris in Temperate Ecosystems London:Academic Press,1986:133-302.
[22] 杨 光,黄 乔,卢 丹,等.森林可燃物负荷量测定方法研究[J].森林防火,2011(2):19-23.
109