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林火作为地球陆地生态系统中*活跃的干扰因子之一，兼具破坏性与生态建设性的双重属性，其与植被、土壤、大气等要素的复杂互动，深刻塑造着全球生态格局。林火生态与管理旨在解析火干扰的自然规律及其与人类社会的互动关系，既是生态学领域的核心议题，也是防灾减灾与生态保护的实践基础。 《林火生态与管理》秉持理论与实践交融、**与前沿并重的原则，系统梳理林火生态与管理的发展脉络，全面呈现国内外最新研究成果。第一章阐述林火基础理论，包括森林燃烧、可燃物特性、可燃物分类及火行为的表征等核心内容；第二至六章聚焦林火生态影响，全面介绍林火与植物、动物、土壤环境、水体环境及大气环境的交互作用；第七章探讨火情势、林火地理学和林火多样性的内涵；第八至十一章围绕林火管理展开，涵盖林火行政管理、林火监测预警与预测预报、林火扑救及林火研究与遥感技术等实践内容。
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目录前言第一章 林火基础理论 1第一节 森林燃烧 1一、燃烧的化学反应 1二、热量传播方式 2三、燃烧的阶段 3四、火势的蔓延 3第二节 可燃物特性 4一、表面积与体积比 4二、可燃物时滞等级 4三、可燃物填充比（紧密度） 5四、可燃物载量 5五、可燃物的连续性 5六、可燃物含水率 6七、热值 6八、抽提物（油脂）含量 6第三节 可燃物分类 7一、根据地被物的种类划分 7二、根据可燃物燃烧的难易程度划分 8三、根据可燃物在林内的位置划分 8第四节 火烧天气 9一、空气温度 9二、大气湿度 9三、大气稳定性 10四、风速及风向 10五、云和降水 10六、雷暴的形成 10第五节 地形条件 11一、地形因子对林火的影响 11二、地形风对林火的影响 12第六节 火行为的表征 14一、点源火和线源火 15二、火焰锋 15三、地表火蔓延 16四、树冠火蔓延 18五、飞火 19第七节 火烧的影响 20一、火烧严重程度 20二、树木烧焦高度 20三、植物死亡率 20四、生物量消耗 21五、小气候 21思考题 21参考文献 21第二章 林火与植物24第一节 林火对植物的影响 24一、林火对植物结构的影响 24二、林火对植物生理的影响 27第二节 林火对植被格局的影响 30一、林火对植物种群的影响 30二、林火对植物群落的影响 31第三节 植物对火的响应 32一、植物的火后恢复策略 32二、植物适应性特性 33三、植物火特性进化 34思考题 34参考文献 34第三章 林火与动物37第一节 林火对动物的影响 37一、林火对动物的直接影响 37二、林火对动物的间接影响 38第二节 林火对不同动物种群的影响 40一、鸟类 40二、哺乳动物 41三、昆虫 42四、爬行动物 42五、鱼类 43第三节 动物对林火的反应与影响 44一、动物对林火的反应 44二、动物对林火的影响 45思考题 47参考文献 47第四章 林火与土壤环境 51第一节 林火对土壤物理性质的影响 51一、林火对土壤温度的影响 51二、林火对土壤结构的影响 52三、林火对土壤水分的影响 54第二节 林火对土壤化学性质的影响 55一、林火对土壤酸碱性的影响 55二、林火对土壤碳库的影响 55三、林火对土壤养分的影响 57第三节 林火对土壤微生物的影响 60思考题 62参考文献 62第五章 林火与水体环境 70第一节 水循环分量及对林火的响应 70一、降水 70二、植被与枯落物截留 72三、蒸散发 73四、土壤入渗 73五、地表径流 74六、地下蓄水 74第二节 林火对河川径流的影响 75一、对河流流态的影响 75二、对峰值流量的影响 75第三节 林火对水体理化特性的影响 76一、对水体物理特性的影响 76二、对水体化学特性的影响 77第四节 林火对水体生物的影响 78一、对鱼的影响 78二、对无脊椎动物的影响 78第五节 林火对湿地和河岸生态系统的影响 79一、对湿地生态系统的影响 79二、对河岸生态系统的影响 80思考题 80参考文献 80第六章 林火与大气环境 85第一节 林火气体产物的化学组成 85一、林火产生的气体成分 85二、林火产生的烟雾颗粒物组成 87第二节 森林可燃物燃烧释放烟气颗粒物的理化特性 89一、森林可燃物的烟气排放因子及其化学组分 89二、森林可燃物含水率对林火烟气排放特性的影响 90第三节 林火排放物对环境和人体健康的影响 91一、对环境的影响 91二、对人体健康的影响 92第四节 林火对区域和全球碳平衡的影响 93一、林火释放碳量的估计 93二、林火对森林生态系统碳库的影响 94三、火在生态系统碳平衡中的作用 95第五节 大气环境对林火发生的影响 96思考题 97参考文献 97第七章 火情势、林火地理学和林火多样性 104第一节 火情势 104一、火情势的概念 104二、火情势的影响因素 105第二节 全球气候、植被分布对火情势的影响 107一、气候与植被分布 107二、全球气候变化与火情势 108三、火干扰与植被类型分布 110第三节 林火地理学 111第四节 林火多样性 113一、林火多样性的内涵 113二、生物多样性的量化 115第五节 火情势对生物多样性的影响 117一、群落尺度的影响机制 117二、景观尺度的影响机制 118思考题 120参考文献 120第八章 林火行政管理 122第一节 中国林火管理模式 122一、工作方针 122二、林火管理目标 123三、管理体系构建 124四、法律法规体系 128五、火源管理 129六、新形势下森林草原防灭火工作要求 131七、林火预警监测管理体系 131八、扑救力量组织管理结构 132第二节 美国林火管理概况 133一、管理体系 133二、行政管理权责 133三、法律体系 134四、火源管理 135五、林火宣传教育 136六、扑救力量 137七、林火扑救资金投入情况 137八、可燃物管理 138九、科研支撑 139第三节 加拿大林火管理概况 139一、林火发生概况 140二、管理机构和职责 140三、森林防火协调中心 140四、林火管理信息系统 141五、林火管理策略 142六、扑救力量 142七、科研支撑 143第四节 澳大利亚林火管理概况 143一、林火发生概况 143二、组织机构 144三、消防力量 144四、林火预防和监测预警 145五、扑救体系 145六、社会保障 146第五节 欧盟林火管理概况 147一、工作方针和管理目标 147二、管理体系 148三、法律法规体系 148四、预防监测 149五、扑救力量 150六、资金投入 150七、可燃物管理 151八、科研支撑 152思考题 152参考文献 153第九章 林火监测预警与林火预测预报 155第一节 林火监测预警 155一、林火监测预警手段 155二、国外林火预警系统 157三、国内林火预警系统 158第二节 林火预测预报 159一、林火预测预报的学科基础 159二、林火预测预报类型 160三、林火预测预报研究方法 161四、林火预测预报因子 162第三节 火行为预测模型 164一、火行为预测模型类型 164二、目前常用的火行为预测模型 165第四节 国外林火预测预报系统 167一、澳大利亚森林火险等级系统 167二、美国国家火险等级系统 168三、加拿大森林火险等级系统 169第五节 我国林火预测预报系统 171一、综合指标法 171二、风速补正综合指标法 172三、双指标法 172四、多因子相关概率火险天气预报 173五、“801”森林火险天气预报系统 173六、多因子综合指标森林火险预报 173七、林火发生预报 174八、三指标单点森林火险预报 175第六节 林火预测模型的不确定性和局限性 175思考题 176参考文献 176第十章 林火扑救 178第一节 消防安全 178一、消防员的身体健康与保持 178二、十项野外消防安全准则 180三、18 种消防警示情境 181四、致命火灾的共同特征 181五、消防安全准则 181第二节 火行为 182一、火环境 183二、飞火 183三、火行为术语 183四、火强度 184五、蔓延速度 184六、蔓延方向 184七、火行为特征 184八、火行为指标 185九、火行为模式 185第三节 扑救方法 185一、以水扑救 186二、润湿剂、泡沫和凝胶 186三、隔离带的使用 186四、火场组成 187五、防火线 187六、以火灭火 189七、水和泡沫扑救 190八、初始扑救战略和战术 190思考题 194参考文献 195第十一章 林火研究与遥感技术 196第一节 遥感技术简介 196一、遥感技术的类型 196二、遥感的电磁辐射原理 197三、典型地物反射波谱特征 198四、遥感数据的特征 199第二节 遥感平台介绍 200一、国外卫星观测平台及参数 200二、国内卫星观测平台及参数 201三、机载遥感平台 202第三节 火灾风险监测与评估 203一、可燃物遥感监测 203二、气象条件监测 206三、承灾体遥感识别 206第四节 实时-近实时火灾监测 206一、火灾热异常遥感检测原理 206二、火灾热异常遥感监测方法 207三、火灾辐射能量遥感反演 208第五节 火后生态环境效应专题评估 210一、过火面积遥感制图 210二、林火烈度评估 211三、火后植被恢复遥感监测 213思考题 214参考文献 215
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第一章林火基础理论 林火是森林中燃烧现象的总称，既包括给森林造成损失的森林火灾，也包括能给森林带来利益的计划火烧。林火是影响森林的重要生态因子，它在森林中的出现和扩展，有其内在和外在的客观规律性。林火基础理论是林火生态学研究、营林用火、森林火灾预防、森林火灾扑救和森林防火评估重要的理论基础。 第一节森林燃烧 森林燃烧，又称林火，是一种自然界的燃烧现象，它既有一般燃烧的基本特点，又有自己*特的规律。解析森林的燃烧现象，对于理解森林燃烧的特性、掌握其基本规律、更好地管理林火有着重要的理论和现实意义。 一、燃烧的化学反应 光合作用是以二氧化碳（CO2）和水（H2O）为原料，利用太阳能，通过化学反应产生有机物和氧气（02）的过程，其中有机物主要由纤维素和其他碳水化合物组成。该过程可用化学反应式表示为 （1-1） 然而，火的燃烧可以突然逆转这一过程，可燃物由于外部热源而燃烧并释放热能，可用下式描述： （1-2） 从这个角度来看，燃烧和光合作用在化学方面是相似的。然而，与光合作用相比，燃烧是一个快速、混乱的化学氧化过程，可燃物必须被引燃或达到起火温度才能启动燃烧过程。 燃烧和产生火焰需要具备三种基本元素：可燃物、热量和氧气，这三种元素之间同时相互作用形成了著名的“火三角形”概念（图1-1A）。通常情况下，燃烧是一种化学链式反应，前面化学反应过程中产生的热量会变成催化剂，进一步增加后面化学反应的速率。“火三角形”是燃烧链式反应的基本环节，而“火四面体”（图1-1B）则包含了燃烧中不受抑制的化学链式反应成分，能够更准确地反映火焰的发展过程，即产生的热量大于维持燃烧所需的热量，从而造成点燃后的持续燃烧过程，但前提是存在“火三角形”元素且可燃物保持点燃状态。 四面体是有4个三角形表面的立体图形。之所以用四面体而不是正方形来表示燃烧过程，是因为四面体的每条边都与其他边相互接触，与火三角形类似。这些表征模型简单描述了点火和燃烧的必要组分，即氧气、可燃物和热量。一旦开始，燃烧通过产热的化学反应便得以持续。如果这3种组分中的任何一种不存在、耗尽或比例失衡，那么燃烧就会停止或不能发生。 二、热量传播方式 在不同物体或同一物体的不同部分之间发生热量传播，是因为它们之间存在着温度差。温度差是产生热量流动的推动力。热量传播有三种基本方式，即热传导、热辐射和热对流。 （一）热传导 热传导是可燃物内部的传热方式，即内部彼此接触的微粒间能量的交换。其机制是不同温度的同一物体的各部分之间分子热运动动能交换，即动能较大（温度较高）的分子把热运动动能传递给邻近热运动动能较小（温度较低）的分子。从宏观上看，热量从高温部分流向低温部分，使低温部分增温。在相同条件下（加热相同、范围相同），温度上升的速度取决于物体的导热系数，导热系数越大，则加热越快。但森林可燃物（如木材）是热的不良导体，导热系数小，传热缓慢。林地内的地上可燃物之间排列疏松、空隙很大，所以燃烧时，热传导不是主要的传热方式。但是大的枝条、站杆、地下可燃物（如腐殖质层、泥炭层）排列紧密时，燃烧时热传导是主要传热方式。 （二）热辐射 热辐射是热量依靠电磁波的形式向外辐射的传热方式。凡是物体都有放射辐射粒子（光子）的能力，辐射粒子所具有的能量称为辐射能，换言之，凡是物体都有放射辐射能的能力。物体转化本身的内能而产生的辐射称为热辐射。任何物质（气体、液体或固体）都能以电磁波的形式向外辐射热量，同时也可以吸收从其他物体辐射出来的热量。处于一定相对位置的两个物体，由于具有不同的表面温度，热辐射使热量在它们之间发生传递。物体辐射的热量与其表面温度的4次方成正比，而与距离的平方成反比，即离火源中心10m处的可燃物所获得的热量只是距离火源中心1m处的可燃物所获得热量的1/100。热源温度越高，热辐射强度越大。 （三）热对流 热对流是流体内伴随着流体的相对位移，热量从一处被带到另一处的热传递现象。热对流发生于气体与液体之间，或气体与固体之间，或液体与固体之间。在森林中，热对流传热主要发生在空气和固体可燃物之间。在森林燃烧过程中，燃烧反应放出的热量加热了局部空气，热空气比冷空气轻，在浮力的作用下热空气垂直向上运动，造成四周的冷空气不断地向内补充，形成热对流，这是一种自然对流。此时在燃烧的可燃物上方形成一个明显的对流烟云，在燃烧 很强烈时往往在上方形成柱状结构，即对流柱，它携带了燃烧反应产生的大部分热量（大约占75%）。这种对流热与森林可燃物接触时，把热传给可燃物，使其升温。因此，热的对流作用在针叶林内，特别是针叶幼林和复层针叶林内，把热传给林冠，引起树冠着火。有时在强风的作用下近地面发生水平方向的热对流，又称热平流，这是一种外力作用下的强制对流。热平流使火焰前方的可燃物迅速增温、干燥，进而燃烧，使火向前蔓延。 总之，在森林的燃烧过程中，三种热传递方式同时在起作用，只是对不同位置上的可燃物可能是一种或两种方式在起主要作用。例如，空中可燃物（树冠）的燃烧是热对流在起主要作用；地表可燃物的燃烧是热辐射在起主要作用；地下可燃物的燃烧是热传导在起主要作用。而可燃物从其表面到内部的传热，热传导是传热的唯一途径。 三、燃烧的阶段 过去通常认为燃烧是一个简单的两阶段过程，即阴燃（无可见火焰燃烧）和明燃（有可见火焰燃烧）。但实际上，野火的燃烧至少包括以下4个不同但可能重叠的阶段。 （一）预热阶段 尚未燃烧的可燃物受到火焰的加热升高到其点火温度，水蒸气被推到可燃物表面，并被排出到周围空气中。随着可燃物内部温度升高，纤维素和其他化合物开始分解，释放出可燃的有机气体和蒸汽。 （二）明燃阶段 从可燃物表面逸出的可燃气体在氧气的存在下被点燃，产生热能和光能。根据可燃物层的组成不同，明燃阶段既包括主动燃烧（密集火焰区），也包括二次燃烧（不连续火焰区）。 （三）阴燃阶段 可燃物上方可燃蒸汽的浓度太小，无法支撑持续的火焰。当气体和蒸汽逸入大气中时，冷凝形成可见的烟雾。 （四）灼烧阶段 大部分挥发性气体己被排出，几乎看不到烟，可燃物中残留的碳被氧化并继续产生大量热量，只有余烬可见，无法形成火焰。 当燃烧速率变慢时，人们不难辨认出这些不同的燃烧阶段。但当燃烧速率较快时，人们很难通过肉眼来辨认。Taylor等（2004）在加拿大西北地区的树冠火烧模拟实验中，通过在被烧毁的地块内拍摄视频，可以对快速蔓延的野火燃烧的4个阶段进行可视化辨认。 四、火势的蔓延 van Wagner（1983）强调了一些适用于所有野火的普遍原则（无论林火是通过活的还是死的可燃物蔓延）①必须有足够的可燃物，且大小和分布合适，使火能从头烧到尾；②这些可燃物必须足够干燥，以支撑燃烧反应的扩散；③一定要有引燃剂。 一般来说，火势蔓延的理想前提是有一层连续的表面可燃物（如针叶、硬木叶、草、地衣、苔藓、细碎灌木或其他较小的植被）。如果不存在这样的条件，林火从着火点蔓延的可能性便会很小。 虽然可燃物也必须足够干燥，但很难确定一个具体的水分含量阈值。这一阈值被称为“消光水分”实验室和实地研究都发现其大小取决于可燃物的数量和空间分布及风力强度。但一般来说，当地表凋落物和干草层的含水率高于30%时，火的蔓延会很慢或基本不蔓延。 点火过程可由自然或人为因素引起。雷击是*常见的自然点火方式，而由人类引发的野火主要由以下因素造成：①意外事故或人为疏忽（如被风吹起的篝火、丢弃的烟蒂、烟花庆祝活动残留的烟花、电弧电线等）②人为纵火；③一些林业或农业经营行为（如烧荒、炼山等）。此外，还有许多其他人为引起的不必要火源。 第二节可燃物特性 可燃物是维持燃烧过程的源头，其物理和化学性质直接影响燃烧和火行为。在一个特定的地理区域内，可燃物可以反映该地区植被类型的组成和范围，在更广泛的意义上，则是该地区气候、地貌和土地利用历史的反映。因此，气候影响可燃物的数量和状况。例如，野火在特别干旱的气候区域是罕见的，因为可燃物通常太稀少，无法维持火势的蔓延。梯状或桥状可燃物（如下层针叶树更新、高大灌木、针叶悬垂、乔木地衣和树干树皮）提供了地表和树冠可燃物之间的垂直连续性，从而使燃烧从单一树木向群体蔓延，并引发树冠火。 在恒定的天气和地形条件下，可燃物的特性决定了燃烧速率。例如，在风速为8km/h、坡度为20°的山坡上基于干草可燃物产生的火烧，其蔓延速度和强度将高于在相同条件下燃烧同等重量的木质碎片火烧。一个高大的灌木丛会比一个面积更大但厚度更小的可燃物复合体燃烧得更猛烈。细/多孔的可燃物比粗/致密的可燃物加热更快，更容易燃烧。此外，草、木材或灌木中所含的水分也会影响燃烧，可燃物越干燥，燃烧就越快。 一、表面积与体积比 可燃物的粗细程度是可燃物颗粒尺寸的函数。想象一下，如果你试着用一根火柴去点燃柴炉里的一根原木，那么原木很难被点燃，因为你不能把它的温度提高到点火温度。相反，如果把木头分成许多单*的引火碎片，虽然木材的总体积没有变化，但增大了引火的表面积，点燃就会变得更加容易。可燃物颗粒的尺寸越小，其表面积与体积的比例就越大（表面积与体积比的单位是m2/m3，或直接简化为m—1），这个比例是一个非常重要的可燃物特性，因为更大的表面积可以使整个可燃物更容易加热、更快地蒸发内部的水分，从而在短时间内进入燃烧。 二、可燃物时滞等级 含有水分的可燃物颗粒比例是影响燃烧行为的主要决定因素，可燃物颗粒与周围环境湿度的相互作用取决于它的大小或它在有机层中的深度。传统上，用于可燃物分类的尺寸类别可用可燃物水分时滞等级来表示。时滞是指在一定的温度和相对湿度下，可燃物含水率达到其平衡含水率的63%时所需的时间。表1-1列出了各种时滞等级及对应的木质可燃物尺寸和有机质层可燃物深度。 1h时滞可燃物由枯死的草本植物、小树枝及森林地面*上层凋落物组成，这些可燃物会对相对湿度每小时的变化作出反应。每天的水分变化反映在10h时滞可燃物中，100h时滞可燃物能捕捉数天到数周的水分变化趋势，而1000h时滞可燃物则反映了水分的季节性变化。 三、可燃物填充比（紧密度） 可燃物层的填充比反映了可燃物的紧密度，是影响燃烧行为的另一个重要特性。可以想象一下，如果把刚劈开的所有柴火压紧成一捆，然后试着点燃，这些柴火很难燃烧；但如果把这些柴火松散地搭在一起，就很容易点燃了。虽然木材的体积没有变化，但可燃物层中的空气量增加了。 填充比是可燃物层的致密程度，用可燃物层（包括可燃物和空气）的堆积密度除以可燃物颗粒密度来衡量。因此，一块实心木块的填充比为1。如果填充比过高，没有足够的氧气接触可燃物，则燃烧不能发生。相反，如果填充比过低，随着可燃物颗粒之间距离的增加和辐射的减少，火就很难在可燃物颗粒之间传递。能使可燃物能量最大释放的密实度称为最佳填充比，实际填充比越接近最佳填充比，火焰便越剧烈。 四、可燃物载量 可燃物载量指可用于燃烧的可燃物数量，其对火烧的蔓延和强度有着不同的影响。作为热源，可用的可燃物越多，释放的能量就越多。然而，随着可燃物载量的增加，扩散速度实际上可能会下降，因为额外的可燃物会成为一个更大的散热器，需要更多的热量来将其提高到点火温度。此时，燃烧反应很大程度上取决于可燃物的大小、填充比，以及它是死可燃物还是活可燃物。 五、可燃物的连续性 可燃物层在空间上的配置和分布的连续性对火行为有着极为重要的影响。可燃物在空间上是连续的，燃烧方向上的可燃物可以接收到火焰传播的热量，使燃烧可以持续进行；可燃物在空间上是不连续的，彼此距离较远，不能接收到燃烧传播的热量，燃烧就会局限在
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