五南官網-林火生態管理學

理工-環境與土木-災害與防災
林火生態管理學

作　　者：盧守謙
出版社別：五南
出版日期：2019/01/03(1版1刷)
ＩＳＢＮ：978-957-763-218-0
書　　號：5T38
頁　　數：772
開　　數：16K
定　　價：850元
優惠價格：765元

1. 國內首本林火教材
林火對森林生態的影響是多元複雜的，藉由林火行為有助於了解整個森林的影響。幾十年來歐美澳林火生態學家已付出相當努力，作出大量研究工作。而本書即網羅全球文獻，以林學博士背景來詮釋原文內容，編輯出國內第一本林火完整之教科書。
2. 分類引導，輕鬆入門
本書分13章，從森林如何起火延燒之火災學理，進而於生態環境形成影響，以及如何進行相關性林火管理，最後探討未來之管理策略，如此方式來進行有序列分析，使讀者具有全新林火國際觀之專業知識。
3. 森林消防完美結合
林火為森林生態火燒行為，涉及森林領域及火燒之消防領域，作者為消防人員攻讀森林博士學位，完美結合森林及消防雙重領域。無論於森林生態及林火行為解析上，能作全面性專業深入之闡釋。
4. 30年火場經驗，消防本職博士
累積30年火場經驗，進行數十場小規模森林火燒實驗研究，對林火行為有其專業見解，能深入淺出探討不同林火現象，並彙編全球林火文獻，納入相關圖表，力求一本優質之林火學書籍。

盧守謙  博士 
學經歷：
吳鳳科技大學消防研究所 助理教授
國立中興大學森林學系博士
中央警察大學入學榜首及第1名畢業
消防三等特考、消防設備師、消防四等特考榜首
公務人員簡任官等訓練及格
韓國中央 119 結訓
英國FSC 、美國DWF、美國TCC消防結訓認證
臺灣高等法院-火災鑑定案主持人
臺灣士林地方法院-火災鑑定案主持人
臺灣臺中地方法院-火災鑑定案主持人
臺灣彰化地方法院-火災鑑定案主持人
著作：
《火災學》（五南出版）
《防火防爆》（五南出版）
《圖解消防工程》（五南出版）
《圖解消防危險物品》（五南出版）
《圖解消防設備設置標準》（五南出版）
《消防與災害防救法規》（五南出版）
《設備師士：消防法規》（五南出版）
《三等消防警察特考試題詳解》（五南出版）
《水與化學系統消防安全設備》（五南出版）
《警報與避難系統消防安全設備》（五南出版）
《消防設備師歷屆試題精解2版》（鼎文出版）
《消防設備士歷屆試題精解2版》（鼎文出版）
《火災學完整歷屆考題精解2版》（鼎文出版）
《消防四等特考歷屆考題精解2版》（鼎文出版）
《消防法規完整歷屆考題精解2版》（鼎文出版）

推薦序


林火，是極為重要與不可或缺的一個生態系因子，嚴重的火燒固足以摧毀整個生態系，但一般的火燒卻有助於生態系的更新、養分的回歸及部分生物族群的控制。因此，從生態學或林業的專業觀點，我們通常用比較中性的「林火」或「野火」，而罕用「火災」來稱呼它。
近世紀來，人們關於林火的觀點和認知不斷在更新，在1968年英國國家地理雜誌出版了一篇標題為〈森林火災—撒旦的野餐〉之文章；內容敘述了森林大火燃燒席捲了一切，正如撒旦快樂享用他的野餐似的。過了30年以後，國家地理雜誌則出版一篇標題為〈火，為十分重要之元素，且視為一項上帝所賜禮物〉之文章。無論時空因素對火的評價如何？有件事是值得肯定地的，有或沒有人類存在，林火是自然界一個不可或缺的部分。
林火對森林的影響是多元的，尤其對於生態的影響更是複雜，而藉由了解林火行為特性，有助於了解對於整個森林生態系的影響。近幾十年來，歐美生態學家和土地管理者已非常關心，如何減輕對歷史性林火體制的影響。歐美科學家和土地管理者已付出了相當大的努力，來提高對歷史性林火體制的理解和對其所產生之變化。火燒在生態系統和林火體制動態中的作用，是驅動許多物種棲息地變化的機制。了解林火體制對於評估目前的情況和制定實現土地管理目標的戰略，是至關重要的。今日人類社會正在重新定義土地管理的目標和策略，管理林火體制已成為管理生態系統的一個主要因素，以滿足社會的願望和要求。 
在臺灣，林火不僅是我們必須面對限制損害的一種緊急情況，也是我們能夠掌握的工具，實際上也是一個自然生態過程，我們需要了解如何正確使用火，並成功恢復林火生態區域。因此，林火生態管理有其專業深度與廣度，為國內大學森林學系重要生態課程之一。
本書作者盧守謙博士，是我認識的人中最勤敏好學者之一，原畢業於警察大學消防系、研究所；進入職場後，累積了極豐富的現場火災搶救經驗，2002年有次到系上拜訪我，談起臺灣雖有部分林火的研究，且大部分均著眼於生態系或林政，卻絕少從消防專業入門者，殊屬遺憾。從廿世紀80年代後，全球已走入了多元化的社會，講求學科的整合；我國教育部也從90年代中期開始推動學系的整合，這是一個極重要的趨勢，因此我極力推薦他於公餘到森林學系攻讀博士學位，為這片空白抹上幾許彩色。而他在攻讀博士學位期間所表現的一切，也確實令人深受感動與讚嘆。盧博士為栽培我國的消防人才，提前自消防崗位上退下來，轉至吳鳳大學消防系任教，累積了足夠的教學經驗。且他本人精通英、日文，為教學需要，閱讀了大量的文獻，感於坊間上專業的消防書籍不多，乃戮力於著作。藉助於豐碩的學識及經驗，在消防書籍上著作頗多，亦深受好評。前年底有次到本人的研究室聊起，有意撰寫一本林火行為的教科書，個人極表贊成。近兩年來，藉其對於林火的專業見解，並解析了大量原文資料，使本書完整結合理論面與火燒行為實務面之內涵，相信本書能使讀者對林火有完整與全面的系統式了解，對於臺灣未來在這一領域必有莫大之助益，故樂以為序！


國立中興大學森林學系前系主任呂金誠 教授謹誌
2018年6月

第一章　森林起火
森林地表上有連續可用於燃燒的燃料，有利於火勢蔓延，此時所需要的只是火源；也就是有充裕的燃料量，欲發生燃燒下一個必要條件是，燃料必須被加熱到起火點。閃電和人為是林火主要的火源，此外，火山爆發時，火山噴出高熱氣／液體會點燃火源。然而，並非所有的起火都會導致林火蔓延，但林區起火必須滿足下列幾個所述條件（van Wagtendonk 2006）。
第一節　起火條件
燃燒視為一種化學過程（Combustion Chemistry），其可歸類為有焰或無焰，燃燒是一種分子的反應，空氣中的氧分子結合纖維素和木質素（Lignin）的分子，從而使固體的大部分改變到氣體中；這些氣體是不同物質的分子，其已不再是纖維素和木質素。這種物質的變化是化學的，而不是物理過程。當這些變化發生在一個快速比率，而產生熱和火焰，該過程被稱為燃燒或起火。當你看著燃燒的基本原理，就會發現化學過程中有3個基本不可或缺的因素（Gisborne 2004）。
只有三個元素來完全控制化學反應，由這些元素之組合稱為火三角；分別是熱量、氧氣與燃料（圖1-1）：
一、熱量
起火之熱量必須足夠使燃料提高至其著火點（Ignition Point）。於地球上能形成火災之熱量是以各種形式存在，物理上熱能如物體摩擦、機械能（撞擊、壓縮……）火花；化學上熱能如爐火、線香、蚊香、菸蒂等；電氣上熱能（電氣、閃電、靜電……）；太陽能、核能等。古代人類鑽木取火，其中熱量是採取鑽木摩擦方式產生熱量（可燃物是木頭、氧氣在空氣中）。森林燃料以氣態發生有焰燃燒，大塊木料於有焰燃燒後，會以固態之純碳粒或表面直接氧化形成無焰燃燒型態。因此，燃料先有足夠熱能，才能轉為蒸氣形成氣相混合物。而森林中供給燃料之熱能引起燃燒的方式有很多種，人為之蓄意或意外疏忽如煙蒂、營火、焚燒不慎等，或天然之閃電、火山爆發、隕石、滾落石頭或太陽熱能等。其中又如玻璃瓶和其碎片會使太陽光聚焦產生高熱點，導致乾燥的樹葉或草點燃。停放在草地上的汽車排氣管和摩托車的熱催化轉換器，這常為一般人所低估。從電力或鐵路線上飛來的火花，也可以點燃地表上的乾燥枯落物（WWF 2003）。
二、燃料
燃料受熱後主要裂解成原子型態，將結合氧原子迅速氧化後，足夠產生熱。燃料係指常態下能被氧化的物質，起燃時所需活化能（Activation Energy），須使可燃物分子被活化後，始能與氧氣反應。但氧化熱小的物質因不易維持活化能量，此屬難燃物如防焰物品，不過難燃物在大火高溫時仍能燃燒，甚至迅速。因此，到底什麼是燃料？在地球上大致如下：

A.	氫類
B.	碳類（煤、木炭）
C.	含有大量的碳和氫化合物（也就是碳氫化合物）
D.	碳水化合物（Carbohydrates）
E.	其他有機化合物
F.	硫化物（Sulfur）

如果將燃料之可（易）燃程度進行排序，則上述A > C > D > B > F，硫化物雖然可燃，燃燒時呈現藍色火焰、有惡臭，並產生SO2，遇水產生H2SO3（亞硫酸），由於產生酸性的氣體（當其與水結合，如酸雨），所以很少被視為一種生活中燃料。
在森林燃料定義為鮮活的和枯落的生物質，必須足夠乾燥才能起火。炎熱、乾燥和多風的天氣條件是影響燃料含水量的主要驅動因素。植被的可燃性，隨著鮮活植物生物量的含水量而變化。枯死物質含水量最低，而含水量低的鮮活葉會較易於火燒（Bond and Keane 2017）。植物部分的形狀、大小和排列，影響著含水量和可燃性。葉片狹窄或分枝細小植株較會迅速乾燥，而易於火燒。地表積累慢速枯落物的生態系統，是高度易燃的。含有大量油脂（Fats）、蠟（Waxes）和萜烯（Terpenes）的葉子，也易於火燒。揮發性物質會加劇火燒，因其從葉子釋放出來，易於火燒，從而使相鄰的物質受熱乾燥和起火蔓延（Bond and Keane 2017）；此部分延伸閱讀請見第7章第6節。
三、氧氣
氧氣（Oxygen）與燃料或從木質材料所釋出氣體之接觸，進行氧化起火現象。氧氣存在於地球表面任一空氣中。基本上，空氣中氧氣含量約為1/5（21%，相當於210,000 ppm），其他將近4/5為氮氣，及微少部分之二氧化碳等。就目前所知，在整個太陽系各行星中，唯獨地球有氧氣而已，其他如金星（Venus）空氣成分大部分為二氧化碳以及一小部分氮氣，離地球較近之火星（Mars）亦是如此，大部分為二氧化碳，根本就沒有氧氣（圖1-3）。所以，在金星及火星上一定沒有火，無論人類、爬蟲類、鳥類或魚類都需氧氣，而火也需要氧氣，動物在消耗氧氣，所以必須靠植物行光合作用，吸收空氣中二氧化碳而轉換出氧氣；如果地球上沒有植物製造氧，所有動物將因消耗氧而滅亡。
物質氧化是一種發熱反應，但並不都是火，如蘋果削好於盤中，過一些時間也會表面變黃，這也是氧化之一種；另外，動物消化現象或報紙在空氣中久了形成泛黃，也都是氧化的一種，其氧化速度很慢，也就沒有明顯光及熱出現；橡皮圈放久發黏現象，係為氧化發熱使其軟化發黏，因其氧化速度慢，當然也沒有明顯的熱及光現象。人類呼吸作用就是氧化葡萄醣，使得葡萄醣中的氫被氧取代，產生能量的過程而有發熱反應，以維持人體溫度（36.8℃）；而燃燒是我們生活中常見的氧化現象，如瓦斯燃燒就是甲（丙）烷與氧發生劇烈的氧化現象，形成火焰（能量）情況。
氧化反應是放熱，發生氧化反應必要條件是可燃物（燃料）和氧化劑同時存在。物質是否能進一步氧化，取決於該物質之化學性質。實際上，主要由碳和氫構成的物質才能被氧化。大多可燃性固態有機物、液體和氣體，都以碳和氫為主要成分。且氧氣是燃燒最後不可或缺的要素，如燃燒工程師之鍋爐設計和操作設施，大多是透過控制火的三要素之一。基本上，火需供氧形成自然浮升對流，產生向上使其生成物能遠離火焰本身，而氧氣能從底部供應。當其火焰成長延伸時，也基於供氧而產生向外或向大空間位置進行。但在野外開放環境條件下，幾乎總是有著充足的氧氣，以促使燃料進行燃燒。根據自由燃燒的條件，如發生林火，1磅（0.45 kg）乾燥的燃料欲完全燃燒，需要大約10磅（4.5 kg）或133 ft3（3.75 m3）的空氣量（Gisborne 2004）。因此，當我們投擲汙物在燃料上，以減少氧氣供應量，是能降低其燃燒反應。但是，潮溼或乾燥的土壤覆蓋在燃料表面上時，其主要的好處是能透過減少氧氣供給。假使水有足夠量施加在燃料的表面上，以形成薄膜，也能發揮同樣的滅火原理，尤其是泡沫（Gisborne 2004）所產生的窒息火勢作用。
四、分子鏈式連鎖反應（Molecular Chain Reaction）
由於大多數可燃物質燃燒是在蒸氣或氣體狀態下進行的。所以，燃燒有2種基本燃燒模式：火焰燃燒（Flaming）和無火焰之悶燒（Smoldering）。教育學家以前曾使用火三角（Fire Triangle）來代表悶燒的燃燒模式，直到被證明除了燃料、熱量和氧化劑（氧氣）共同存在外，於火焰燃燒還有另一因素涉及，即不受抑制之化學鏈反應，因而發展出火四面體（Fire Tetrahedron）。基本上，無火焰燃燒以火三角來表示，應是合理的；但對於有明火燃燒，在燃燒過程中存在未受抑制的分解物（游離基）作為介質以形成鏈式反應。
原則上，可燃物在燃燒前會裂解為簡單的分子，分子中共價鍵在外界因素（如光、熱）影響下，裂解成化學活性非常強的原子或原子團，此為游離基，如氫原子、氧原子及羥基等。由於游離基是一種高度活潑的化學型態，能與其他的游離基及分子產生反應，而使燃燒持續下去，形成燃燒鏈式反應現象。燃燒過程中氫鍵（H）、氫氧鍵（OH）是促進燃燒繼續之主要因素。即化學鏈反應是一種系列反應，由每個單獨個別反應添加到其餘的結果延續下去。雖然科學家們只能部分地理解，在燃燒化學連鎖反應會發生什麼，但並不知道蒸氣受熱的燃料所揮發出蒸氣物質與氧結合，參與燃燒反應之複雜理化機制。
在反應１中，靠熱或化學作用產生活性組分—氯原子，隨之在反應２、３中活性組分與反應物分子作用，而交替重複產生新的活性組分—氯原子和氫原子，使反應能持續不斷地循環進行下去，直到活性組分消失，此即鏈式反應。反應機制可分三階段：
1.	鏈觸動階段：反應開始需要外界輸入一定能量，如撞擊、光照或加熱等，使反應物分子斷裂活化反應，產生自由基的過程，如反應１。
2.	鏈傳遞階段：上述作用產生新的鏈和新的飽和分子的反應，如反應２、３；意即游離基反應的同時又產生更多的游離基，使燃燒持續甚至擴大。
3.	鏈終止階段：游離基相撞失去能量或者所有物質反應盡了，沒有新游離基產生而使反應鏈斷裂，反應結束成了穩定性物質，如反應４（參見圖1-5）。
燃燒進一步而言，是一種可燃物或助燃物先吸收能量，受熱分解或氧化、還原，解離為游離基，游離基具有比普通分子平均動能更多活化能，在一般條件下是不穩定的，易與其他物質分子進行反應而生成新游離基，或者自行結合成穩定分子。基本上，許多自發性反應之速率緩慢，因在分子起反應之前，分子化學鍵需被打斷，而打斷化學鍵需要額外輸入能量來啟動，才能自行持續的連鎖反應，這種啟動化學反應的能量為活化能。而燃燒涉及固相、液相或氣相燃料，發熱、自行持續之連鎖反應。燃燒過程通常（並非必然）與燃料被大氣中氧化有關，並伴同發光。
也就是說，固態和液態燃料在燃燒前需氣化；有些固體燃燒可直接是無焰燃燒或悶燒，如香菸、家具蓆墊或木屑等具多孔性，空氣能滲入至內部空間，而可以固態方式在悶燒中；此種無焰燃燒方式之主要熱源來自焦碳之氧化作用，悶燒更能生成有毒性物質。另一方面，氣相燃燒通常伴有可見的火焰，若燃燒過程被封閉在某一範圍內，因氣體分子不停地碰撞壁面而產生壓力，以致壓力會迅速上升，形成壓力波或衝擊波現象，稱為
爆炸。
第二次大戰時發現控制原子裂變（Atomic Fission），使其成為一個鏈式反應，從而製造原子彈（Gisborne 2004）。鏈式反應可比較於一連鎖信件；當你收到一個送出二、三或四個。這些信件的收件人每個之一，同樣送出二、三或四個。這件事就像野火（Ｗildfire）一樣蔓延。生產原子彈的第一個問題是沿著這條鏈式反應線。這個問題是取得某些化學物，以足夠的數量和布置進行組裝，稱為「臨界質量（Critical Mass）」，鈾原子永久分裂的過程中插入兩個其他的元素：鋇（Barium）和氪（Krypton）原子。早在1939年，在這個分裂的巨大能量被釋放，然後分裂的過程反過來釋放更多的能量，於其他鈾原子分裂成更多的原子，只要有一個合適的燃料是供應在一適當的安排和條件下，該過程則持續一直加速。因此，原子物理學家的工作是能產生這種連鎖反應，而尚未能控制（Gisborne 2004）。而消防工作是簡單的，僅僅是在控制火燒的分子鏈反應。正如你可以看到，如果加熱燃料中一個分子至起火點，起火的是一個類似上述的過程，其不斷從C6H10O5變化成CO2和H2O的過程中，可能會釋放足夠的能量，點燃其他幾個相鄰C6H10O5分子。如果燃料是處在一個關鍵條件（足夠乾燥），相比於臨界質量（足夠大），這個過程就變成了一連鎖反應，不僅能像野火一樣未受控制蔓延。鑑於核物理學家在燃料中仔細在原子反應堆（Atomic Pile）進行排列，又森林中燃料會定期地進入這樣的連鎖反應開始，當隨時隨地的火花在適當的條件下（乾燥）造成起火蔓延。如果上述是聽起來很牽強或太學術，但請注意一個事實，當森林中的燃料是處在一種相當臨界條件（Critical Condition），也就是說，在極為乾旱時，分子鏈反應將是猛烈的，一旦其鏈式反應開始進行，滅火人員也無法控制停止，正如無法停止的原子彈一樣（Gisborne 2004）。此外，在過去美國所發生的大規模林火，其燃燒的形式與所接近的速度，甚至相同於原子彈幅度。美國加州這幾次大型火，可能會看到一些林火快速燃燒氣體規模，如爆炸似的，其林火蔓延在1或2分鐘時間就能涵蓋幾個平方英里的面積（Gisborne 2004）。
記住，有這種連鎖反應之概念，假使在評估一場林火可能大小規模（Size Up）時，無論是以一個整體或一部分做評估時，在極為乾旱情況下，按照燃燒三個基本要素，就可能計算出這種可能快速燃燒之爆炸機率。如果能做到這一點，就能夠拯救自己和其他第一線滅火人員的生命，以及改善林火控制戰術。
然而，有一基本的準則，以爆炸性的速度觀看，在試圖預測分子鏈式反應情況，燃料含水量是一重要因子，因其是水分含量，不是質量（Mass），也非體積（Volume），沒有尺寸（Size），也沒有燃料的排列問題，其為首要判斷林火是否能真正出現爆炸似燃燒之要素。但應記住，這水分含量是能從燃料中快速測量出來（Gisborne 2004）。
因此，森林燃料起火，火的起火和擴散受熱裂解、熱傳和燃燒的物理化學過程控制（Albini 1992）。如上所述，只有當熱源、燃料和氧化劑三者同時存在於相同的物理空間中，在足夠高的溫度下才能發生反應，才能觸動燃料燃燒的啟動步驟。在木質燃料的特殊情況下，熱量傳遞到植被，使得燃料的溫度升高。超過一定的「起火」溫度（約300°C），植被以高速釋放易燃的氣體燃料：這是熱裂解過程（Pyrolysis Process）。氣體燃料與氧氣反應，這是火焰燃燒釋放熱量過程（Releasing Heat）（圖1-6）。基本上，在起火之後及從其熱傳到相鄰燃料的熱量足夠高，以能使其起火，進而形成林火蔓延情況（Fire Spread）（Dupuy and Alexandrian 2010）。

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