第1卷 第3期2018年9月
Vol.1, No.3Sep. ,2018
温 带 林 业 研 究
Journal of Temperate Forestry Rearch
地下火及阴燃研究进展
张吉利1，邸雪颖2*
（1.中国林业科学研究院寒温带林业研究中心，哈尔滨 150086；2.东北林业大学林学院，150040）
摘 要：地下火是一种燃烧强度低、持续时间长且隐蔽性强的火灾类型，它常发生于森林和湿地的腐殖质层和泥炭层。在干旱季节，地下火在全球范围内均有分布，并且受气候变化和极端天气条件影响。地下火会严重损伤树木的根系从而造成森林的大面积死亡，但却是湿地生态系统得以形成和维持的重要因素，缓慢的阴燃还会释放存储在泥炭层中大量的碳以及PM2.5和PM10等有害物质。地表火和闪电等都能引发地下火，而泥炭的阴燃主要受含水率、灰分含量和结构的影响。目前，主要依靠泥炭可燃物的属性、可燃物湿度码等对地下火的发生概率进行预测，但地下火一旦发生还没有有效的扑救方法。本文就
涉及上述内容的文献进行了综述研究，以期对地下火的管理及火后生态恢复等理论和实践提供有价值的参考。
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关键词：森林；湿地；地下火；阴燃
中图分类号：S762.1 文献标识码：A 文章编号：2096-4900（2018）03-0019-04
The Study of Ground Fire and Smoldering：A Review
ZHANG Ji-li 1，DI Xue-ying 2*
（1.Rearch Center of Cold Temperate Forestry，Chine Academy of Forestry，Harbin 150086，China；
2.College of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）
Abstract：Ground fi
re is low -intensity ，prolonged and hard to detect that often occurs in humus layer and peat layer of forest and wetland . Ground fires distributed around the world during dry aso
ns and are affected by climate change and extreme weather conditions . Tree roots will be riously damaged in ground fi
re that will lead to the high mortality of trees in post -fire forest . However ，it is an important factor for the creation and maintenance of the wetland ecosystem . Slow smoldering process in ground fire can relea large amounts of carbon stored in the peat layer as well as harmful smoke including PM 2.5 and PM 10. Ground fire can be triggered by surface fire and lightning ，and the following smoldering of peat is mainly affected by moisture content ，mineral content and its structure . At prent ，the probability of ground fire is predicted mainly by the properties of peat and FWI fuel moisture code （DMC and DC ）. In this paper ，the literature related to the above content is reviewed to provide valuable reference for the ground fi re management and post -fi re ecological restoration in theory and practice .
Key Words：forest ；wetland ；ground fi
re ；smoldering 收稿日期：2018-08-09
基金项目：“十三五”重点专项子课题（2017YFD 0600106-2），国家自然科学基金青年基金项目（31
600524 ）。作者简介：张吉利（1986—），男，工程师，主要研究方向：林火生态。E -mail ：xtafktj @ 。
*通讯作者：邸雪颖（1957—），男，教授，博士生导师，主要研究方向：林火生态。E -mail ：dixueying @ 。
DOI ：10. 3969 /j . issn . 2096-4900. 2018. 03.004
比赛的英语>百花仙子
地下火是发生于腐殖质下层及泥炭层的一种
火灾类型，根据这两种可燃物类型又可将地下火细分为浅层地下火和深层地下火，其中泥炭被定义为由植物残体分解形成的、无机矿物质比例小于20%～35%的土壤[1]。由于地下火是一个隐蔽、漫长的阴燃过程，不同于地表火和树冠火一样易
于直接观测，在科学研究中受到的关注程度也相对较低。本文从地下火的分布、对生态系统的影响、形成过程和预防扑救等方面对现有文献进行了梳理和综述，以期对今后地下火的理论研究和实践提供必要的参考。
温带林业研究第1卷20
1 地下火的分布
相对于腐殖质，泥炭是限制地下火空间分布的主要因素，全球约80%的泥炭分布在北温带，15%～20%分布在热带和亚热带，仅少量分布于南温带[2]。在北温带，加拿大和阿拉斯加都有大量的泥炭层分布，是地下火的高发区域[3-4]。在温带和亚热带，英国的苏格兰地区以及美国东南部的北卡罗来纳州和佛罗里达州是地下火的高发区域[5-7]。而在热带，印度尼西亚和巴西是地下火高发的国家[8-9]。我国的森林地下火主要发生在东北大、小兴安岭林区和新疆阿尔泰林区，并且随全球气候变暖有增长的趋势[10-11]。其中大兴安岭分布着大面积的塔头湿地和塔头—落叶松林，在中部和北部地区还有多年冻土层分布，对维持该区域的水热周转起着至关重要的作用，而这些生态区域也是地下火的高发区域[12-13]。在时间分布上，地下火通常发生在干季（dry ason）。此外，在对巴西亚马逊森林的研究还表明地下火会受到厄尔尼诺现象的影响[9]。
2 地下火对生态系统的影响
2.1 地下火对森林生态系统的影响
地下火阴燃产生的高温会促进有机物质的分解，极大的影响土壤理化性质和土壤动物、微生物群落[14-16]。阴燃是树木根系受热致死的主要原因，根系附着的土壤和有机质被消耗后更有利于风倒木的形成[2]。Gunderson 在美国东南部的研究表明，极端干旱时期发生的地下火能向下蔓延1～2 m 甚至更深，已超过湿地边缘柏树林根系的最大深度[17]。此外，泥炭层在地下火中的大量消耗也会改变湿
地边缘森林的地表水文条件，树木在雨季受到的水淹胁迫会延长，种子的萌芽率和幼苗的存活率也会因长期的水淹下降[18]。这些因素共同促成了森林向湿地的逆行演替。在北方针叶林带，地下火的蔓延还会使冻土层融化，改变地下生态系统的基质环境，从而影响地上森林群落[19]。
2.2 地下火对湿地生态系统的影响
湿地中许多灌木和草本都能够适应火烧，通常对应于森林生态系统火后演替早期的植被，一些植物还需要在火烧灰分的床层上萌发[20]。虽然湿地在水分充沛时并不容易发生地下火，可一旦遇到连续干旱天气或重特大森林火灾也可能引发地下火[5,21]。在低温、高酸性、低氮、水淹缺氧的环境中，木质残体的分解速率会降低从而使有机质富集形成高孔隙度的泥炭层，这种结构和理化性质非常有利于阴燃的发生[12,20]。湿地中的植被生长迅速但有机物质分解缓慢，氮素的迁移和转化是湿地生长的关键限制条件，地下火和水淹的交替能够显著影响氮素的积累和分解速率，因而周期性的地下火是湿地生态系统形成和得以为继的重要干扰因素[22]。
2.3 地下火对大气的影响
地下火是碳释放的主要途径，土壤有机质中长期积累的碳、氮等元素以气体形式放出，过火区域会在缓慢的阴燃过程中从“碳汇”转为“碳源”[8,23-24]。尤其对于湿地生态系统，它仅占陆地表面积的2%～3%，却储藏着约25%的土壤碳[1]。据Langmann和Heil估算，由湿地泥炭层地下火释放的碳要比相应
面积地上植被燃烧释放的碳高出75%以上[25]。在全球尺度上，气候变化和人类的干扰造成了泥炭湿地的水位下降，从而增加了地下火阴燃的深度和广度，这一过程中大量碳的释放出又通过正反馈作用于气候变化[1]。此外，缓慢阴燃会释放大量包含PM2.5、PM10和其它有害物质的烟气，从而造成持续的大气环境污染，威胁人类健康[12,26-27]。
3 地下火的形成过程
3.1 地下火的引燃
地表火、阴燃的倒木、球果和闪电都可能引发地下火[28-30]。高强度林火发生后，阴燃在泥炭或腐殖质富集的过火地区普遍存在，可向下蔓延至地下水上层。长期干旱后由地表火（或树冠火）引发的地下火是最常见的一种情形[31]。而闪电产生的连续电流通过树干在地下形成雷击火源，地下可燃物的属性决定了雷击火引燃后是否能够继续蔓延、扩散形成森林火灾[32]。
3.2 地下可燃物的燃烧
地下火的驻留时间比地表火和树冠火要长的多，木质材料的阴燃温度通常为500～700℃，地下火发生时土层可被加热至300℃以上并持续几个小时，而蔓延速率仅为1～50 mm·h-1[2,33]。相对于强度更高的有焰燃烧，缓慢的阴燃过程仍然能够在半开放的地下燃烧环境中积累足够的热量，从而使不易燃烧的可燃物热解挥发[34-35]。通过热重分析可知，阴燃同样可以分为水分的蒸散、有
张吉利等：地下火及阴燃研究进展
第1期21
机物质的热解和无机物的分解3个阶段[10,26]。地下火阴燃过程的能量流动大致可分为两个部分：一是可燃物的氧化分解放热过程，另一个是不燃物质吸热及氧化区域向外放热过程，当前一部分热量大于后一部分时阴燃得以继续。阴燃发生的区域越大，流失到空气及未燃区域的对流热比例越小[36]。可燃物间的空隙决定了空气填充量的多少和水分蒸发的速度，而可燃物中水分蒸发时的潜热是热量消耗的主体部分[36]，有机土壤中不能燃烧的灰分吸收热量也会抑制阴燃的热传递速度。
3.3 影响阴燃的主要因素
研究表明，可燃物含水率、灰分含量和结构是影响地下可燃物燃烧的三个主要因素，含水率主要受气象因子控制，灰分含量主要受可燃物类型及深度影响，采伐、风化、地表径流都会改变土壤的灰分含量，可燃物结构主要受植被类型和火干扰历史影响。Garlough等在室内实验中对比分析了含水率、灰分含量及密实度对腐殖质燃烧性影响的重要性，指出密实度产生的影响相对而言并不重要[37]。需要注意的是，阴燃一旦形成规模，即便泥炭有较高的含水率也很难限制其蔓延[38]。在北美原始森林和印尼泥碳湿地中，地下火阴燃可持续几天甚至几周，在泥碳湿地的可燃物含水率在120%以上时阴燃仍可发生[8,39-40]。
4 地下火的预测和扑救
4.1 地下火的预测
由于地下火隐蔽性强，相关发生频次、过火面积和持续时间等关键数据难以获得，这在一定程度上造成了地下火预测模型的缺失，通常用间接因子对其进行预测。地下水位、Keetch-Byram 干旱指数（KBDI）都被用于预测地下火的重要因素[38]。由于地下火发生初期阴燃所释放到地上的热量很少，通过瞭望塔、遥感等方式对其探测非常困难[7]。通过室内模拟实验，利用泥炭的有机质含量、含水率和密实度等因子为研究变量建立阴燃发生概率的Logistic回归模型是目前地下火最重要的预测形式[22,31,36,41-42]。Rein在苏格兰的研究表明，北方针叶林下泥炭的灭绝含水率为125±10%，当上层泥炭的含水率低于115%时为地下火发生的高火险，介于115%和135%之间为中度火险；高于135%时为低火险[2]。Otway等用加拿大火险等级系统中的腐殖质码（DMC）和干旱码（DC）为指标建立了地下火阴燃的经验模型，当二者取值分别为27和300时能够持续阴燃的概率为50%，即为临界状态[43-44]。随着热辐射传感器的小型化，已有能够安装在爬虫和田鼠等地下动物身上的传感器，以侦测地下火的发生[45]。
4.2 地下火的扑救
当地下火与地表火同时发生时，地下火头一旦蔓延至与地表相通的缝隙时，很可能转化为新的火头，
这会对于扑救人员造成巨大的威胁[38]。地下火能够在含氧量极低的条件下蔓延，形成后很难被人为扑灭，一方面地下火的蔓延边界难以确定，无法提前拦截扑救；另一方面地下火除了水平蔓延还会向地下蔓延，在阻火抑制剂的选用上需要考虑其渗透性，漫灌的虽然有效但会消耗大量的水资源，在实践中并不实用[18]。为了预防地下火的蔓延，可在安全边界挖掘宽5 m、深0.5～2 m的隔离沟，将泥炭挖出直至出现矿质土层[2]。地下火通常远离公路，当其发生在湿地中时，松软的地面不足以支撑重型机械，这会增加扑救的难度[38]。造林、农耕和公路建设等人为活动都会导致泥炭湿地中的水流失，从而加剧地下火的阴燃，因而在地下火的高发区域应尽量避免。
5 研究展望
地下火对于北温带针叶森林和泥炭湿地的干扰尤为明显[2,33]，而我国大兴安岭即是林火的高发区也是针叶林和湿地的重要分布区。对地下火的研究远少于地表火和树冠火，而对地下火形成过程和燃烧机理进行研究的难度更大。目前对于地下火阴燃的研究主要以实验室内的小尺度的模拟研究为主，而实验材料多使用工业泥炭[28]，虽然同质性较好，但在密实度和相同含水率下的可燃性都与野外泥碳有较大差异[4]。一些文献研究表明，地下火的蔓延速度会比同时发生于上层的地表火的蔓延速度更快，这一现象还有待深入的分析[28-29]。微地形会影响地下水位和泥炭的分布，可能是影响地下火的两个重要因素，但目前并没有相关深入的研究。
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