森林地下火主要指腐殖質或泥炭層的燃燒，相對于其他森林火災，地下火發生頻率較低，約占森林火災的1%左右，但其造成的危害十分巨大。森林腐殖質是指經過生物化學作用后森林凋落物質形成的可燃物，凋落物發酵腐化后逐漸形成腐殖質層。泥炭層則是植物在缺氧、濕潤的條件下，通過厭氧代謝形成的。

　　1  森林地下火概述

　　森林地下火在地表以下燃燒，緩慢蔓延，地表觀測不到火焰，并釋放出大量氣體。森林地下火初期難以察覺，發現時火情已蔓延擴大，難以控制。1997—1998年印度尼西亞地下火災，導致東南亞大范圍地區籠罩在陰霾中，數百萬人患呼吸道疾病，百萬公頃土體被毀，經濟損失達數十億美元。2009年西班牙國家公園發生的森林地下火，對土壤結構、地下水含量、生態系統造成了嚴重影響。2010年俄羅斯森林火災向地下蔓延，引發約50處地下火災，空氣污染彌漫數周。2015年印度尼西亞南蘇門答臘島森林地下火更是造成了160億美元的經濟損失，占國內生產總值的1.9%，國內和周邊各國空氣污染嚴重，印度尼西亞婆羅洲的PM2.5指數高達1500，對生物多樣性和生態系統破壞嚴重。2002年我國大興安嶺林區發生地下火，舒立福等通過對2002年我國大興安嶺林區地下火的研究發現，氣候條件影響了地下火的發生，且有地表火發生的原始森林，易引發地下火災。

    目前，森林地下火的監測和撲救技術研發尚處于初級階段，地下火災發生后，森林防火部門無法及時發現火情，難以在初期有效抑制火災；當發現火情時，火勢通常已大面積蔓延，造成大規模損失，火勢難以控制。因此，重視森林地下火的有效預防，從源頭降低地下火的燃燒幾率，并完善地下火的監測撲救技術，在火災初期及時抑制火勢蔓延，是目前林火防控工作者面臨的重要任務。

　　2  引發森林地下火的主要原因

　　森林地下火的燃燒過程與陰燃類似，多發生在干旱、高溫地區。森林地下火的引發原因較為復雜，目前國內外對其引發原因的研究主要集中于氣候和森林生態2個方面。

　　2.1  氣候影響

　　高溫少雨的干旱季節，是森林地下火的高發時段。Harrison等對印度尼西亞加里曼丹地區的泥炭地下火調查發現，大規模的森林地下火多發生在年均降雨量少的年份；據統計，1982—1983年、1987年、1991年、1994年、1997—1998年、2002年和2006年這些降雨量低的年份，當地森林地下火的發生率和規模均顯著增加。

　　隨著降雨量的增加，森林地下火發生風險會逐漸降低，但可燃物中的水分會在天氣晴朗時蒸發，泥炭地變得干燥易燃，因此仍有發生地下火的風險?？梢?，在干旱少雨的地區，地面和森林長時間處于干燥狀態，森林地下火發生的風險尤為顯著。

　　2.2  生態破壞

　　森林退化和水土流失也是加劇森林地下火火災發生風險的重要因素。例如，非法砍伐殘留的廢棄物（枯木、枝干、木屑等）隨意堆積，成為高?；鹪?；將森林土地轉變為農田，采用傳統的“火燒開荒”方法清理土地；違規修建運河或者溝渠，導致泥炭地含水量下降、土壤干燥易燃等。Tacconi等對1997年發生在印尼的森林火災調查發現，當地農民運用火進行土地清理的做法是導致森林火災和大規?？諝馕廴镜闹饕蛩?。

　　3  森林地下火的特征

　　森林地下火與其他森林火災不同，其燃燒發生于地下，在燃燒過程中地表無火焰，火勢同時沿縱向和橫向蔓延，但蔓延速度緩慢。以下將從地下火的分類與蔓延速度2個方面，闡述地下火的特征。

　　3.1  森林地下火類型及其特征

　　根據地下火的燃燒深度，將地下火分為表層地下火與深層地下火2類。表層地下火燃燒深度為0—20cm，主要燃燒物為植物根系、腐殖質、散落枝干等。深層地下火指由表層地下火向下蔓延引起的，燃燒深度為20—50cm。

　　表層地下火向深層地下會蔓延的有利條件主要有地下水位低、土壤含水率下降、土壤有機質含量高、土壤孔隙度大等。表層地下火向深層蔓延與燃燒時間、燃燒溫度緊密相關。有研究指出，當表層土壤被加熱（200～400℃）40min，深度5cm處的土壤將會燃燒，但更深層的土壤則不會燃燒。

    Rein等實驗結果顯示，當土壤含水率低于125%±10%時，易發生地下火；Guitart等研究認為，當土壤含水率為110%～125%時，地下火的起火和蔓延概率約為50%。

　　Huang等對地下火的燃燒過程進行了研究，認為在陰燃過程中，土壤顆粒首先發生熱解反應形成焦炭；然后進行氧化反應，形成灰分。地下火燃燒時間可長達數月，且陰燃過程中的碳排放量高于一般的地表燃燒，燃燒過程損害植物根系，造成植被大面積死亡，影響生態環境，改變生物多樣性。Davies等關于地下火燃燒過程中樹根部位土壤燃燒程度更為嚴重的研究結果也驗證了這一結論。

　　3.2  地下火蔓延特征

　　不同氣候、土壤類型下的地下火，蔓延速度不同。Chistjakov等對俄羅斯西北部森林地下火研究指出，地下火的傳播速度為0.5～10 cm/h；Wein等調查顯示，澳大利亞維多利亞州南部地下火傳播速度約為4.2cm/h，加拿大地下火的傳播速度為3～12 cm/h；Fernandes研究表明，地下火的傳播速度與風速成線性相關關系。

　　Terrier等通過研究發現，泥炭地表層含水率的分布與火源的蔓延密切相關，泥炭火災后的景觀通常以不規則的泥炭消耗為特征。Guitart等通過實驗室模擬研究發現，當土壤含水率低于150%時，地下火的水平傳播速度為1～9 cm/h，當泥炭土的體積密度小于75 kg/m3且含水率低于150%時，地下火會在12cm內的水平蔓延過程中逐漸減弱直至熄滅；Reardon等研究指出，當土壤含水率為150%～200%時，地下火會在10cm內的水平蔓延過程中逐漸減弱直至熄滅。然而，目前有關含水率與地下火蔓延的關系還處于初級研究階段，需要科研人員進行更深入的研究。

　　4  森林地下火對環境的危害

　　森林地下火在燃燒過程中會產生大量顆粒物和大氣污染物，嚴重危害生態環境和人體健康。

　　4.1  土壤理化性質變差

　　由于土壤有機質、植物根系、原生動物及微生物等被燒死，無機土壤層直接暴露在外，在雨水沖刷侵蝕下，土壤團粒結構解體，堵塞土壤孔隙，使土壤發生板結，土壤通透性下降。對美國伊利諾斯州棟林沙壤土林地研究顯示，火燒后土壤滲透率為火燒前的1/3左右。

　　當森林火災過后，土壤pH值增加，其增加幅度和持續時間一般與森林可燃物、森林火災大小、土壤pH背景值和降水量等因素有關。另外，土壤中N、P、K、Ca等元素含量也會在火災過后有不同幅度變化。

　　4.2  環境污染

　　森林地下火在燃燒過程中會產生大量的CO2等溫室氣體，加劇全球氣候變暖?；馂倪€會釋放大量的微粒，形成濃重的霧霾，造成嚴重的大氣污染。

　　森林地下火在陰燃過程中產生的NOX、NH3、CH4、CO等氣體的含量，為有焰燃燒的2倍，并產生大量懸浮顆粒物，還會造成水土流失、生態和環境破壞。據報道，1997年印尼地下火產生大量有毒、有害氣體及煙塵，導致新加坡、馬來西亞等地重度污染。

　　4.3  生態破壞

　　根據亞洲開發銀行（ADB）的研究，1997年全球森林地下火火災產生了1530萬t的碳排放（占總碳排放量的75%）和500萬t的粉塵顆粒，粉塵顆?？梢约铀俟饣瘜W反應、影響光的傳播路線并降低大氣能見度，直接和間接地影響全球氣候變化。另據Page等研究顯示，1997年印度尼西亞的森林火災造成的溫室氣體排放量相當于當年全球碳排放量的13%～40%，影響全球氣候變化。

　　森林地下火在燃燒過程中產生的大量顆粒物，覆蓋在植物葉片表面，導致植被生物代謝功能破壞及氣孔堵塞。Uzu等研究顯示，葉片上的顆粒物沉積過多會導致葉綠素 Ca/ Cb值上升、葉綠素總含量下降。

　　5  森林地下火防控措施

　　由于氣候和生態因素對森林地下火的產生有重要影響，因此對森林地下火的防控，應注重對初期火勢的火情預防措施、有效監測并精準定位、高效撲救和火后管理等幾個方面。

　　5.1  火情預防

　　5.1.1  人員培訓

　　森林火災撲救需要大量的消防人員，單純依靠消防部門的消防人員，不僅存在人力不足的問題，還面臨接收火情滯后，無法及時到達火場等困難。通過組織森林火場周圍居民，成立民間消防志愿隊，可以有效緩解以上的問題。澳大利亞、美國、日本等國家消防志愿者活動開展較早，已經形成了較為完整的體系。在森林火災高發地區，發動群眾，組織消防志愿隊，并為其提供專業的消防培訓和消防裝備?；馂陌l生時，志愿者一方面及時將火情信息通報給當地消防部門，另一方面組織人力對前期火災展開積極補救，減緩火災擴散。

　　5.1.2  水源標記

　　針對地下火高發地區，應對區域內的地表水源和地下水源進行詳細測繪，并在地圖和實地做顯著標記，確?；馂陌l生時，救援人員能迅速從水源取水進行消防活動。將林區劃分為不同消防區塊，每個消防區塊應具備至少有1個水量充足的消防水源。在地下水豐富的地區，可以通過打井、水泵等措施，利用地下水供給森林消防；在地表水水系發育豐富的地區，可以通過修建水渠、小型水壩、水塔、池塘等措施供給消防用水。各區塊的消防水源應盡量聯通，以確保在旱季、火災期間，消防水源水量充足。

　　5.1.3  林地維護

　　舒立福等通過對中國大興安嶺林區的地下火研究發現，當氣候炎熱干燥、蒸發量大時，土壤含水率下降到40%以下，此時的森林地下火發生并蔓延的幾率顯著提升?？梢?，保持土壤含水率是預防地下火發生的重要途徑之一。

　　在高溫少雨的氣候條件下，林區可以通過飛機灑水、地表噴灑、人工沖淋等方式，補充土壤水分，使土壤含水率維持在較高水平，保持地面濕潤，從而降低地下火的發生幾率。另外，由于森林地下火大多是由于地表火燃燒，溫度傳導至地下，從而引起地下火蔓延，因此組織專業清林人員，定時清理容易引起地表火的枯木枯枝、矮小灌木、堆積落葉、腐殖質等，也是預防地下火的有效途徑。

　　5.2  火情監測

　　對地下火情的及時監控是防控地下火工作的難點。地下火在燃燒過程中會釋放熱量和產生氣體，可以通過對土壤溫度和大氣中氣體成分含量的監測，實現對森林地下火的監測，及時準確地將火情信息傳遞給相關部門。監測方法主要為：全面調查森林的地質、水文、氣象等因素，收集歷年來的森林地下火記錄，統計地下火的高發時段和區域。利用氣象因素早期預警，初步判斷地下火的發生概率，組織人員進行重點盯防，構建“空中—地面—地下”多重監測系統。

　　5.2.1  空中監測

　　利用高敏感度衛星傳感監測：目前，我國國家林業局森林防火預警監測信息中心主要通過接收美國國家海洋和大氣管理局的NOAA系列氣象衛星(NOAA-12、NOAA-14、NOAA-15、NOAA-16)，以及中國的FY1C-FY1D氣象衛星(FY1CU、FY1D)的資料，然后對森林火災熱點進行圖像處理和定位，并在網絡上進行熱點信息的發布，從而實現森林火災信息的及時傳送。我國“大興安嶺5·6”大火，就是由氣象衛星發現，并將火場位置、火勢蔓延等信息傳回防火指揮部門。2010年，Kushida等利用衛星MODIS遙感圖像，建立了森林火災識別模型，其實驗仿真結果識別率為80%。楊光等利用衛星預報黑龍江大興安嶺火災準確性（2005—2015年）結果顯示，衛星熱點初判火災發生數據的準確度為79.7%。

　　利用紅外熱成像在線監測：現有普通視頻監測系統難以發現隱蔽火源，而紅外熱成像儀相比于普通視頻監測系統，具有不受光線限制的優點，可以迅速對濃煙、地下火、隱性火等難以發覺的火情進行監測。在地理信息系統中，可以對森林進行宏觀控制，并可以指揮滅火作業。同時，可以在地圖上繪制消防行動，用以跟蹤火災情況并為消防提供幫助。此外，地理信息系統還可以用于分析地形、火災蔓延分析、可視化分析以及火災的最佳路徑分析等。賈道詳等基于GIS紅外視頻監控，研究了將視頻與地圖相匹配的林火定位方法，并將其推廣應用于智能手機，以便隨時實現著火點的定位。

　　利用無人機巡航監測：無人機低空監測系統具有機動性好、成本低、維護操作簡單等特點。無人機擁有快速巡邏和實時監控地面的能力，在森林火災監測和救援指揮方面有其獨特的優勢?？梢岳脽o人機搭載GPS、熱紅外成像光譜儀和氣體檢測設備，實現對地下火的監測。無人飛行器（UAV）配備紅外探測任務負荷，在距地面800～2000m的高度實時觀測地面火場，并實時將采集到的圖像數據返回地面。為地面消防部門提供地理坐標、著火區域和邊界、火情蔓延情況等信息，有利于消防部隊快速部署消防人員，及時通知消防隊員撤離危險區域，并根據火災圖像信息為消防員提供疏散路徑。2004年美國“水手”無人機，搭載雷達系統和紅外攝像機，參與了林火監測與撲救工作；2006年美國國家航空航天局（NASA）使用無人機搭載熱像儀與雷達，進行林火監測，也取得了良好效果。

　　利用地下火高發區瞭望臺監測：根據前期研究，劃分地下火高發區域，設置火災瞭望臺，安排工作人員全天候進行地下火監測預警。瞭望臺可配置各種儀器設備，如紅外探測儀、望遠鏡、方位盤、測繪儀、電話機（或對講機）、電源、計算器、地形圖，以及其他必需的物品。

　　5.2.2  地面監測

　　利用便攜式紅外測溫設備監測：由于地下火的隱蔽性特點，單獨依靠衛星、無人機、紅外在線監測等方法很難及時發現初期地下火火情，對地下火火場邊界的描繪也不準確。便攜式紅外測溫設備一般用于探尋火燒跡地邊緣的隱火或地下火的火場邊界。該儀器配有顯示器，體積小，重量輕，攜帶方便，電池耐久性強。掃描通常由2人進行，1人掃描，1人清理余火。

　　利用氣體檢測設備監測：在一些茂密林地，由于樹木枝葉的遮擋，單獨依靠溫度探測并判斷地下火火情的方法面臨著火情探測不準確、火情傳遞滯后等問題。由于地下火的燃燒會釋放大量氣體，因此可以通過對氣體成分的檢測，確定是否有森林地下火發生。通過在線或手持式氣體檢測設備，檢測地下火指示氣體如氮氧化物、氨氣、CO和有機顆粒等的含量，當指示氣體含量達到火險臨界值時，則需要警惕地下火的發生，并做好地下火撲救準備。對于已經發生地下火的區域，可以利用氣體檢測設備初步判斷地下火蔓延情況和火場邊界，為后續地下火撲救與火后監管工作提供可靠火情信息。

　　5.2.3  地下監測

　　地下火通常在地下緩慢蔓延，在地面不易察覺，地下火燃燒深度可以達到30cm以上，因此有必要實時監控地下溫度，以此精確監控并預警地下火。在地下火高發地區，預埋溫度傳感器，實時傳送地下溫度，并在高溫時報警，從而實現地下火火情的及時傳遞。通過監測不同點位的地下火溫度的變化，可以判斷地下火蔓延趨勢。

　　5.3  火勢撲救

　　通過實踐發現，撲救森林地下火采用隔斷法比較有效。隔斷法是通過機械、人力等手段破壞地下可燃物的連續性，從而切斷地下火的蔓延，有效地控制地下火的發展。隔斷法主要采用鎬、鍬、斧子、耙、開溝機等，進行直接撲打與間接撲打。

　　5.3.1  直接撲打

　　將地下火場的地表用人工或掘土機挖開、切斷火線，向地下火澆水或用新土掩埋，將火直接撲滅。對火焰高度較低、火強度較小的火場，撲火人員先消滅明火，再清理火線邊緣的余火,將正在燃燒的可燃物摟進火線內側，最后沿火線向火場內側5米處挖出30～50cm寬的防火溝，阻隔林火的蔓延。對火焰高度較高、火強度較大火場，撲打時要選植被相對稀少的地帶，在未形成樹冠火尚在地表燃燒階段，或利用夜間風小、溫度低及下山火蔓延速度慢等有利條件,消滅明火并沿火線邊緣向里側清理余火,沿火線挖出防火溝,阻隔地表火及地下火的蔓延。

　　5.3.2  間接撲打

　　對已發現的地下火區,利用割灌機、油鋸、手鋸、鐵鍬等在距火線前方一定距離的位置開設防火隔離帶，并在隔離帶內挖出防火溝，將地下火封閉在一個小區范圍內燃燒，使火線不再擴大蔓延。通常間接撲打法不單獨使用，而是與直接撲打法配合使用。

　　5.4  火后管理

　　Tinner等通過時間序列和數學建模法，對瑞典南部植被組成研究發現，數千年前的森林火災減少了植物花粉的多樣性，導致植物演替偏離原本方向。Grogan等對美國加利福尼亞地區森林火災研究認為，森林火災會影響植被對N的吸收，從而使生態系統形成不同斑塊?？梢?，火災過后應及時對發生火災地區的生態環境進行人為干預，加速其生態恢復進程。

　　1）栽種耐火樹種。通過栽種可燃性差、耐火性強的樹種，形成生物防火林帶，從而降低森林火災的發生概率與蔓延速度。國外對耐火樹種的研究較早，早在1976年就開始栽種北美山楊（Populus tremuloides）作為防火林帶；Bambang等通過研究，篩選出紅木荷（Schima wallichii）、紫檀（Pterocarpus indicus）等15種耐火性強的樹種。我國學者也通過研究確定了多種耐火性強的樹種，如適合在我國南方栽種的木荷（S. superba）、女貞（Ligustrum lucidum）、青岡櫟（Quercus glauca）等，以及適合在北方栽種的水曲柳（Fraxinus mandshurica）、楊樹（Populus sp.）、落葉松（Larix spp.）等。

　　2）促進生態修復。如前所述，當發生森林火災后，會影響土壤的理化性質，其中土壤水分與有機質含量的減少，是影響火后生態修復的重要因素。在重度火燒且環境惡劣的土壤上，應進行人工修整，通過改良土壤理化性質，保證植被的生長恢復，一般可采取人工輔助引入幼苗并維護幼苗生長環境的方法促進生態修復。

　　6  結語與展望

　　目前，國內外對森林地下火的研究較少，且主要集中于地下火燃燒過程中的碳排放量，以及地下火燃燒后對生態環境的影響，對地下火的燃燒機理和預防撲救還處于初級階段。對未來森林地下火的研究建議從以下幾個方面加強研究。

　　1）燃燒機理。深入探究森林地下火的燃燒原因、蔓延機制、行為特征等，為森林地下火的預防與監測撲救打下堅實基礎。

　　2）火情監測。地下火情難以察覺，危害巨大，應著力建設及時高效的森林地下火監測體系，以便及時定位地下火情與蔓延趨勢，為后續的地下火撲救提供詳實信息。

　　3）撲救技術。針對地下火燃燒特點，開發新型撲救設備，改善原有撲救方法，實現地下火的高效撲救，并避免地下火轉化為地表火和樹冠火。（唐抒圓 李華 單延龍 肖云 尹賽男）