全 文 ：澳大利亚森林火灾的管理与火生态的研究
D. M . Chapman　(澳大利亚悉尼大学, 悉尼 2006)
高瑞平　(中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110015)
【摘要】　澳大利亚是火灾频发的地区 ,每年因森林火灾的危害都要造成相当的社会、经济
损失及生态环境的破坏, 故火生态的研究及火的管理在澳大利亚的生态学研究中一直占
有重要地位.本文主要讨论了澳洲森林大火起燃的物理过程和机制、可燃物的特征、林火
的特点、习性及对生态环境的影响和如何控制和减少火灾的危害性,达到对火进行利用、
控制和管理的目的.
关键词　森林火灾　火生态　火管理
Management of forest f ire in Australia and f ire ecology. D. M . Chapman (Univ er sity of
Sydney , Austr alia 2006) , Gao Ruiping ( I nstitute of App lied Ecology , Academia S inica,
Shenyang 110015) . -Chin. J . App l. E col. , 1994, 5( 4) : 409- 414.
F ire disaster o ccur s frequently in Austr alia. Each year , sev eral larg e w ildfires break out
in fo rests, and induce sever e economic loss and ser ious ecolog ical impacts. It is therefo re
ver y impor tant for ecolog ists in Aust ralia to resear ch fir e ecolog y and fir e management .
This paper fo cuses on the phenomenon o f for est fire, character istics of fuel, fir e be-
haviour and its effect on env ir onment, and way s to cont ro l and minimize the hazard of for-
est fir e.
Key words　Forest fir e, F ir e ecolog y, Fir e management .
　　1994年 2月 21日收到, 5月 10日改回.
1　引　　言
澳大利亚是世界上最大的岛国,森林
起火在澳洲大陆是一种十分常见的生态现
象,特别是在每年的夏季及春末秋初季节,
干热多风的气候常常造成一个长达 3- 5
个月的火灾危险期.据记载,这块大陆从古
至今都与火有着不解之缘, 过去土著人常
根据本身的需要随意放火, 获取猎物,以致
澳州许多植物种形成一种抗火、耐火的生
态特征. 后来,随着欧洲移民的到来,放火
烧荒,清理林地等活动,加之一些无意或天
然引发的森林大火, 使这块大陆的火景更
为频繁显著.如何利用火、控制火、管理火
成为澳洲生态学家面临的急待解决的一个
重要课题.
2　森林火的燃烧过程及特征
森林大火的燃烧与蔓延是一个复杂的
火行为过程,林中木质或草质可燃物受热,
点燃产生燃烧过程.火蔓延的热传导主要
是对流和辐射, 传导对于火的扩散与蔓延
并不起主导作用.可燃物中烃类、脂肪、油、
蜡等物质汽化挥发( 100- 200℃) , 纤维素
受热后分解,并挥发( > 200℃) , 这些挥发
性的物质点燃后形成火焰( 300- 400℃) .
一些植物, 特别是桉树属( Eucalyp tus)和
松属( P inus)植物常含有丰富的挥发性油
和蜡质物质,比其它植物更易燃烧.木质素
则非常稳定,遇热形成碳化合物,在焰燃发
生以后,大多数挥发性的物质已被烧掉,剩
应 用 生 态 学 报　1994 年 10月　第 5卷　第 4期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Oct. 1994, 5( 4)∶409—414
余的碳化合物进入炽燃阶段. 在林火燃烧
过程中,焰燃总是发生在灼烧之前.
3　可燃物的特征
3. 1　可燃物的体积与大小
林火燃烧过程及燃烧特征很大程度上
取决于可燃物面积与体积之间的比率关
系. 一般来讲, 体积小的可燃物(如草、树
叶、树皮及树枝)构成了可燃物中最易燃的
部分.大体积的可燃物(如树干、枝条及未
腐的倒木)则较为难燃.
3. 2　可燃物排列状态
除了可燃物的体积与大小之外,它们
的空间排列状态也极大地影响着其燃烧特
性.排列紧实的可燃物, 如泥炭, 其燃烧过
程非常缓慢.在澳大利亚东南部干燥的硬
叶林中, 易燃物的组成除了与其它森林类
型一样有干死的树叶、细小的树枝以外,还
有一些与其它森林类型不同的易燃物,即
从桉树树干上剥落下来的长条的树皮,这
种树皮重量轻,极易燃,在澳洲森林火灾中
起着非同一般的助火蔓延的关键作用.在
天然松树林中, 林下所积累的许多死亡枝
条、针叶和含有树脂的绿色针叶,常共同构
成了可燃烧的最佳状态.
3. 3　可燃物的数量
可燃物的数量通常用单位面积可燃物
的重量来度量. 目前还无法给出定量描述
这一概念的数学公式. 在密林中,总的地上
生物量可能大于 500t·ha-1 , 甚至在干燥
的硬叶林中, 其地上生物量也可能超过
250t·ha-1 ,但其中只有 10- 20%的物质
在森林大火中可立即变为可燃物.
森林可燃物的粗积累速度大约在 1-
10t·ha-1 .年-1间, 但净积累速度却取决于
新的可燃物的生产与枯枝落叶的分解.新
的可燃物的生产很大程度上受气候和天气
条件的制约,取决于土壤微生物及枯枝落
叶层中的微气候.火后,常有一个时期枯枝
落叶的积累超过了腐烂速度,然后渐渐地
分解和生产的比例达到平衡.在湿性硬叶
林中,火后这一时期可能需要 5- 10年,而
在干燥硬叶林中,达到这种平衡至少需要
25- 30年的时间.
3. 4　可燃物的水分含量
植物的不同部分水分含量不同, 而枯
枝落叶层的水分含量主要取决于天气情况
和地面湿度. 枯枝落叶层的水分含量是大
气相对湿度的函数.在美国和欧洲的针叶
林中,针叶中含水分的多少有如下简单公
式以示其消长关系.
W
M
< 1. 0
　　式中, W 为针叶中水分的平均含量,
M 为针叶的干重。
相对湿度随天气的不同而有很大变
化. 一般在最热的天气中最低相对湿度点
出现在下午 2- 3 点, 最高点出现在凌晨.
当大气相对湿度超过 75%,枯枝落叶层的
湿度保持在 15%或高于 15%时,则认为这
个湿度指标是林火燃烧受限的最高点.
3. 5　可燃物的能量含量
林中可燃物所释放的热能的多少可用
燃烧热指标来度量.一般林中可燃物的燃
烧热可达 20 000KJ·kg-1.然而, 由于可燃
物中水分含量影响其燃烧, 故也极大地影
响着森林可燃物热的完全释放,实际上林
中可燃物的燃烧热只能达到 16 000KJ·
kg
-1.
4　林火的特征
林火燃烧过程中释放的热量实际上是
火的特征函数. 火强度用来度量燃烧过程
中热释放的速率.运用火强度度量热的释
放要比用温度准确,因为枝条燃烧所达到
的温度可与大面积燃烧的林冠火所达到的
410 应　用　生　态　学　报 5 卷
温度相等,但是由林冠火的火焰前端传导
到周围环境的热量要明显地快于枝条的导
热量, 故林冠火可释放更多的热量使火势
很快蔓延.另外,植物的死伤程度也取决于
火的强度和吸收热的多少. 通常用于估测
热强度的公式如下:
I = H WR / 600
　　式中, I 为热释放强度( KW·m -1) , H
为可燃物的释放量( KJ·kg-1 ,W 为可燃物
的多少( t·ha-1 ) , R 为火焰移动的速率( m
·s-1 ) .
热释放强度指数( I )的变化范围受火
前锋移动速率变化所制约, 热的释放量
( H )在一定的林型中基本上是个常量.而
可燃物的多少(W )值则根据不同的森林类
型其可燃物积累与分解的速度不一样,故
变幅常在 10倍左右.火焰移动速率( R )变
化范围在 100倍左右.假设某一缓慢燃烧
的火焰( 10m. s-1) , 可燃物为 10t . ha-1, 将产
生 2 700KW·m-1的热量. 可控林火(即通
过枝条抽打或水龙头喷水方式可灭火)的
临界值为 4 000KW·m-1 ; 被控林火的( I )
值至少要降到 500KW·m -1以下. 森林大
火的强度值预计最高可达 100 000KW·
m
-1 [ 1] . 实际上( I )值若达 60 000KW·m -1,
就可与 40t·ha-1的可燃物以每小时超过
3km 的快速移动的火势相当.
森林着火时所形成的热辐射量很大,
其主要作用就是预热和烤干周围的可燃
物,使它们处于随时可燃的状态.热对流过
程在很大程度上受燃烧地区的风速、地形、
树冠所制约,所以处于森林上层的可燃物
预热后把火迅速传入树冠且预热和烤干纤
维性树皮及树枝的这一过程, 主要靠火的
热辐射和对流来完成.
风是影响火特征的一个很重要的因
素.风可使火焰迅速靠近未燃的易燃物,并
通过辐射加速预热过程,同时携带和扩散
一些已着燃的枝、叶和树皮,从而进一步加
强了火的传播速度.火势蔓延的速率可通
过单位时间内火焰移动的距离来度量, 它
几乎是有效风速平方的函数.因为与稀疏
的、较高的林冠相比,在密林下风速减小得
更快.
坡度也是一个很有意义的指标, 由于
陡坡上的可燃物直接暴露于火的前锋, 故
接受到更多的对流和辐射热, 当坡度达
25°时, 大火则形成了垂直的火焰, 火的移
动速度在坡度为 10°时明显加倍, 坡度为
20°时达到 4倍.
大气条件也明显地影响森林火的特
征.在稳定的大气条件下,林火使其周围的
大气增温, 而形成了一个从下往上高温对
流柱.若大气条件不稳定,这一对流柱的范
围较窄,如天空中有逆温层存在,特别是逆
温层较低时, 其下部的冷空气可使林火的
燃烧过程受抑.但若林火火势很大,能使其
穿透逆温层, 由于逆温层上部的干热空气
的存在会加强火势,产生“火风暴”.
可根据火的强度把林火分成几种情
况, 其火的强度主要取决于环境条件与火
相互作用力的大小,其间的关系如图 1所
示.
在澳洲,根据火的行为和特征,可将林
火分为 3类: ( 1)火强度受环境条件的控制
(图 1) .燃烧物主要为林下的枯枝落叶层,
其强度小于 500KW·m-1 , 不产生明显的
空气对流柱, 可用常规的灭火方式将这类
火扑灭. ( 2)火强度受火和环境条件的共同
制约.火与环境相互作用较为强烈,并形成
空气对流柱,火焰高度远远大于宽度.燃烧
区域形成一个较大的热源并将周围可燃物
迅速预热. 利用常规的灭火工具不可能将
火扑灭,需采用特殊的灭火方式,诸如高压
水流及飞机灭火等手段. ( 3)火成为控制火
强度的主导因素.这一阶段,周围热气流形
4114 期　　　　　　D. M . Chapman 等:澳大利亚森林火灾的管理与火生态的研究　　　　　　　　　
成了热对流柱,并产生火风暴,从桉树树干
上剥落下来并点燃了的树皮被对流气体携
带着高高抛起, 并被抛落在距火源很远的
地方. 这些带火的树皮落地后形成新的火
源,并跳跃式蔓延,给灭火人员在判断火的
走势和火源时带来很大困难.
图 1　影响林火强度的主要生态因子
Fig. 1 M ain ecological factors affect ing forest f ire inten-
sity.
图 2　林火强度与McArthur 指数关系图
Fig. 2 Relat ionship betw een f ire inten siyt and M cArthur
index.
　　澳大利亚林学家 McAr thur [ 4]对影响
森林火灾的重要生态因子做了系统研究,
并发明了一 个“园 形转盘尺”( 称作
McArthur 米尺) , 被林火管理人员广泛地
用于估测火险程度.这种尺对林火产生影
响的气候指标进行综合计算, 得出“火险指
数”, 即 McAr thur 指数, 利用这一指数和
对可燃物量的估计,可在野外迅速预测火
的强度及危险程度.其火强度与火危险指
数和可燃物量之间的关系见图 2. 利用
McArthur 指数估计火强度已被广泛用于
美国的森林火灾管理中[ 5] .
5　森林火灾的影响
森林火灾导致大面积森林的毁坏, 使
一些受保护动、植物数量剧减,甚至造成一
些数量少, 分布区域窄的动、植物种灭绝.
火的灾害性及严重程度很难通过单一指标
来进行描述.我们主要从生态系统、地理系
统、大气系统、火灾管理系统和人类社会系
统 5方面进行考虑.对于生态系统来讲,火
的灾害性的评估必须着眼于系统受损的程
度,诸如植物、动物和土壤微生物的影响及
死伤的数量, 珍稀濒危植物和动物受损情
况等.对地理系统来讲,应考虑物质的流失
情况,如土壤养分的损失,迳流增加的次数
及土壤侵蚀程度的大小等. 大气系统则应
考虑火后释放的物质对大气的影响, 如碳
粒的数量, 有毒有害气体量, 温室气体量
等. 在火灾管理系统中则重点考虑动用的
人力、物力和各种灭火设备的情况等.在社
会系统中,则要考虑火灾引起的损失情况,
诸如房屋被毁的数量, 人员死伤数及造成
的经济损失. 澳大利亚新南维尔士州从
1982- 1992年火灾次数及经济损失见表
1.从表 1可见,仅就新南维尔士州,每年因
森林火灾造成的损失平均达 6840万澳元.
412 应　用　生　态　学　报 5 卷
6　林火的管理
众所周知, 燃烧至少需要具备 3个条
件,即氧气、可燃物及点燃物,可称其为“火
表 1　新南维尔士州森林火灾次数及损失一览表 ( 1982
- 1992)
Table 1 Impact of bushfires in New South Wales ( 1982
- 1992)
年　分
Year
火灾次数
Number
of fir es
被烧面积
Area bur ned
( h a)
经济损失
(澳元,百万)
Damage
(＄m Dollars )
1982- 1983 7899 447400 104. 1
1983- 1984 2640 20954 15. 2
1984- 1985 6294 272000 86. 3
1985- 1986 5126 128548 36. 3
1986- 1987 10158 457679 90. 1
1987- 1988 6593 209642 58. 0
1988- 1989 5197 119942 38. 6
1989- 1990 9203 294413 65. 5
1990- 1991 9090 768400 113. 4
1991- 1992 11605 500400 76. 3
平均
Mean
7380 322000 68. 4
资料来源:新南维尔土州森林火灾管理委员会.
From Annual report s , N ew S outh Wales Dept . of
Bush fires Services.
三角”规则. 在森林大火中, 截断供氧源是
不可能的,故对森林火灾的控制只能通过
减少火源或在易发生火灾的地区减少可燃
物这两个途径来实现.人为火灾虽然可通
过宣传、教育、普及火灾知识及罚款等措施
来管理,但事实上人的行为是很难控制的.
为了达到后一个目的,人们采取放火烧掉
林下积累的枝条落叶,以减少大的森林火
灾的发生,在新南维尔士州的蓝山就是采
用这种方法来减少火灾的[ 3] .但这种火要
严格地控制在一定的强度和条件之下,实
施前一定要综合考虑可燃物周围的气候、
地形等各种因素, 使火的燃烧强度控制在
即满足烧掉多余积累的易燃物, 又不至于
造成任何经济损失的范围内. 虽然有些人
反对这种做法, 但事实上若任其森林处于
自然状态,时间越长,则意味着林中积累着
更多的枯枝落叶(易燃物) ,同时也意味着
有朝一日森林火灾的爆发, 特别是在干旱
季节, 尤为危险. Chapman [ 2]计算得出, 一
场森林大火所释放的能量其级别远远大于
一个百万吨级的原子弹所释放的能量. 为
了减少森林大火的危害性, 这种定期火烧
的方法不失为一种控制火灾的好方法. 据
研究,减少 50%的可燃物可减少 50%的火
扩散速率, 更重要的是减少了 75%的火强
度.
在过去几十年中, 定期放火清除林下
可燃物的办法曾被广泛地用在森林火灾的
管理中,有效地控制和减少了火灾的危害
性,对成年桉树也不会产生太大的影响,但
对其它个别植物种所产生的影响, 目前还
不是十分清楚, 特别是从生态学的角度来
考虑火的影响.有人研究并注意到,林中灌
木层受影响更甚,因为它的生长至少需要
有几年的无火期来达到性成熟和结实以繁
衍下一代, 但如果人工控制的林下燃烧期
太短,频率太高的话,这些灌木种甚至都没
有时间达到性成熟.这种方式所带来的另
一个问题是植被矿质元素的损失. 此外,动
物区系的恢复也是一个很大的问题, 有些
动物很可能由于频繁的火烧而无处栖息,
以致在某些地区永久地消失.当然也有人
认为,这样的方法并不会带来严重的生态
后果,澳大利亚的森林树种组成中,除了桉
树是耐火树种外,仍有一大批树种和灌木
种具有耐火特性.对动物群落来说,燃烧速
度慢,强度小, 面积控制在一定范围的火给
动物提供了逃避到其它区域的时间和机
会,比起突然发生的大的森林火灾来,显然
更有利于动物的生存. 关于频繁火烧所造
成的养分流失究竟比一次大火迅速的养分
释放造成的养分流失大或小的问题目前尚
在研究中. 所以如何利用火、控制火、管理
火使社会与自然系统之间均达到和谐的状
态,仍需生态学家做长期的工作.
4134 期　　　　　　D. M . Chapman 等:澳大利亚森林火灾的管理与火生态的研究　　　　　　　　　
对于火的监测已有很多行之有效的办
法.最基本的方法是采用建立监测塔的目
测法, 如果在两处同时观察到森林某处着
火,则可通过三角测量定位法将其定位.然
而对大面积的森林来说,主要是通过分片
管理的方式, 澳洲专职管理火的人员很少,
故火灾管理委员会在很大程度上是依赖居
民及公众对发生火灾的报告. 特别是飞行
员,他们是灾情发生很重要的报告人.近年
来随着技术的发展, 遥感技术已用于火监
测系统中,将热扫描系统安装在飞机上,其
系统可通过林中的浓烟迅速而准确地定位
森林起火部位, 并确定林火的前锋及火移
动方向, 然后绘出火势移动图, 用 Fax 将
图传到救火指挥中心,决策和指挥人员可
迅速调遣消防灭火人员和车辆, 使其可准
确地到达火场,快速灭火.
计算机的普及和发展使森林火灾的监
测和管理水平更科学化、现代化.特别是专
家系统和仿真模型已越来越多地运用于森
林火灾的管理过程中.在澳洲人们比较熟
悉的模型有 FIREMAP 和 ASH FRIDAY
及Wallace[ 6] . Wallace 的模型主要是以气
候因子作为参数和变量,根据气候条件的
变化来模拟火灾发生的可能性及特征.
FIREMAP 将预测模型与地理信息系统
( GIS)结合在一起, 根据环境及气候条件
的变化, 以一定的时间步长来模拟火的发
展过程,其输出形式即可以是数据,又可以
是数字化了的火势动态图, 这使管理人员
可通过图直观地了解掌握火的动态、特征,
使得火灾控制和管理的工作更迅速、准确,
ASH FRIDAY 是Chapman 根据多年对澳
洲火的特征、习性研究的基础上所建立的
一个林火发展动态预测、模拟模型.主要参
数有各类气候因子(从各地气象局的气候
数据库中提取) ,植被特征, 生物量的积累
速度,可燃物的多少等.火的发展过程和速
度则决定于上述参数以及灭火人员行动的
有效程度, 模拟时间是以每秒钟为单位进
行计算,计算机的屏幕上可随时观察到火
的动态,若需要的话,随时可联机打印得到
灾情发展动态图.
7　结　　论
澳洲是一个森林火灾频发的大陆, 长
期以来火成为塑造这块大陆动、植物区系
的重要生态因子,也给人类社会带来了极
大的影响. 通过多年生态学家的研究和努
力, 现已对火的习性、特征及森林火灾发
生、蔓延的过程有了较清晰的认识,并已逐
步发展和掌握了一套控制火、管理火的有
效办法,但对火管理的方式和方法仍需做
进一步的深入研究和探讨, 以期对火的管
理方式达到既有利于人类社会系统又不损
害环境生态系统的目的, 最终实现人类社
会和自然社会协调共处的平衡状态.
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