昆明重大森林火災(zāi)火燒跡地可燃物研究

閆想想 王秋華 李彩松 李曉娜 李世友 韓永濤

( 1. 西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院/云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明，650233；2. 西南林業(yè)大學(xué)地理與生態(tài)旅游學(xué)院，云南 昆明，650233)

森林火災(zāi)不斷發(fā)生，使大片森林毀滅，導(dǎo)致人類生存的環(huán)境受到較大威脅[1]。森林可燃物是森林燃燒的基礎(chǔ)，是構(gòu)成林火行為的主體，其結(jié)構(gòu)和組成影響林火發(fā)生與蔓延林火強(qiáng)度及火燒后的損失[2-7]。目前，研究火燒跡地可燃物的方法和領(lǐng)域多樣化?；贖J-IB衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及使用遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理對火燒跡地可燃物調(diào)查研究[8-9]，在人工更新的情況下對北京西山林場4種林分類型下的火燒跡地植被更新[10]，在火災(zāi)后6 a左右，有不同強(qiáng)度火燒干擾[11]、滇中安寧“3·29”重大森林火災(zāi)[12]、森林濕地火災(zāi)[13]和次生林火[14]的可燃物的研究，在沒有人為干擾的條件下，有滇中安寧地區(qū)火燒跡地光葉石櫟（Lithocarpus mairei）[15]、芒萁（Dicranopteris dichotoma）、馬尾松（Pinus massoniana）[16]以及大興安嶺呼中林區(qū)可燃物的研究[17]。在國外有關(guān)于美國俄勒岡州東北部[18]、華達(dá)山脈[19]、美國內(nèi)華達(dá)山脈中部和南部[20]、美國西部[21]、加利福尼亞[22]、美國斯托里[23]、新西蘭的南島[24]、美國暖干混合針葉[25]、希臘克里特島[26]和墨西哥恰帕斯的拉恩魯西加達(dá)[27]等火燒跡地下可燃物的研究。

前人的工作對于火燒跡地可燃物的研究大多是在人為干擾的條件下或者是火災(zāi)發(fā)生后年限時間短的情況下進(jìn)行的，對于火燒跡地可燃物在10多a后變化的研究很少。本研究為滇中昆明安寧2006年“3·29”重大森林火災(zāi)后的火燒跡地，盡管火災(zāi)過火面積較大，但火災(zāi)過后的10多a里火燒跡地人為干擾很少，可燃物保留較完整。選擇過火范圍內(nèi)的小妥吉村進(jìn)行調(diào)查，對發(fā)生重大森林火災(zāi)10多a后火災(zāi)跡地地盤松（Pinus yunnanensis var. pygmaea）幼、中林的林下可燃物，光葉石櫟、紫莖澤蘭（Eupatorium adenophorum）等可燃物進(jìn)行調(diào)查，并分析可燃物特征，評估火燒跡地內(nèi)可能再次發(fā)生火災(zāi)的危險性以及潛在火災(zāi)行為等，根據(jù)可燃物狀況，判定再次發(fā)展為重大森林火災(zāi)的可能性，為火燒跡地管理、可燃物治理等方面提供參考，更好地貫徹“預(yù)防為主，積極消滅”的森林防火方針。

1 研究地概況

團(tuán)結(jié)街道辦事處小妥吉村位于云南省昆明市西山區(qū)西北部，全村面積34.38 km2，地處東經(jīng) 102°20′58″～102°36′54″，北緯 24°58′25″～25°12′51″，海拔高度 1 890～2 366 m，山勢陡峭，相對高差約460 m，屬于半濕潤季風(fēng)氣候，境內(nèi)四季變化明顯，夏無酷暑，冬少嚴(yán)寒，干濕季分明[28]。年平均氣溫約為14 ℃，年均降水量800～1 200 mm，年降水量集中在5—10月（占全年降水量的88%左右），11月至翌年4月降水極少（約占全年降水量的12%）[29]。2006年3月29日發(fā)生了重大森林火災(zāi)，從昆明安寧市蔓延到昆明西山區(qū)，過火面積約1 333 hm2，火災(zāi)持續(xù)時間為10 d[30]?；饎菝土遥焖俾?，地下火、地表火、樹冠火立體推進(jìn)，2次燃燒、火爆、礦石自燃等異?，F(xiàn)象頻頻發(fā)生，在極短時間內(nèi)形成了高強(qiáng)度的森林火災(zāi)[31]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

2018年3月11日、4月1日到小妥吉村的2006年“3·29”重大森林火災(zāi)跡地進(jìn)行取樣調(diào)查（云南防火緊要期為3—4月份，此時的森林火險等級最高，調(diào)查最具代表性），調(diào)查樣地特征見表1。

表 1 火燒跡地樣地特征Table 1 The characteristics of forest plots in fire sites

地盤松幼林樣地設(shè)置2個規(guī)格為5 m×10 m的樣地，1個10 m×10 m的樣地，在樣地內(nèi)按對角線的方式各設(shè)置3個1 m×1 m的樣方；地盤松中林樣地設(shè)置規(guī)格為10 m×10 m，在樣地內(nèi)以四角及中心的方式設(shè)置5個1 m×1 m的樣方；光葉石櫟樣地設(shè)置規(guī)格為10 m×10 m，采用四角及中心的方式設(shè)置3個1 m×1 m的樣方；紫莖澤蘭樣地設(shè)置規(guī)格為5 m×10 m，在樣地內(nèi)以對角線的方式設(shè)置3個1 m×1 m的樣方。

2.2 可燃物調(diào)查

在設(shè)置的地盤松幼齡林、中齡林樣地中，計算叢數(shù)，用鋼卷尺測高度，用測樹鋼圍尺測量其地徑，然后將每個樣方里的地表可燃物收集，稱量，寫上標(biāo)簽（標(biāo)簽包括樣地、樣方、樹種、質(zhì)量），共收集14個樣方的樣品（9個幼林樣方，5個中林樣方）；在設(shè)置的光葉石櫟樣地中，收集樣方內(nèi)的地表可燃物，進(jìn)行分樣裝袋、稱量、標(biāo)記，共5個樣方的樣品；在設(shè)置的紫莖澤蘭樣地中，計算叢數(shù)，選5叢計算其株數(shù)，測量其高度，計算蓋度，收集枯死紫莖澤蘭整個植株，稱重，記上樣方標(biāo)簽，共有9個樣方的樣品。

2.3 指標(biāo)分析

2.3.1 絕對含水率

絕對含水率的公式為：

式中：AMC為絕對含水率（%），WH為可燃物的濕質(zhì)量（取樣時的樣品質(zhì)量，g）；WD為可燃物的干質(zhì)量（樣品烘干后的絕干質(zhì)量，g）。

2.3.2 載量

載量計算方法：

將地盤松14個樣方內(nèi)收集到的可燃物，半分解的粗木質(zhì)殘體5個樣方內(nèi)收集到的可燃物，紫莖澤蘭3個樣方內(nèi)收集到的可燃物依次用電子秤稱出，計算各個出樣方內(nèi)載量，取平均值。

2.3.3 灰分含量

灰分含量的計算方法：

采用干灰化法。地盤松幼林3個樣地9個樣方的樣品，地盤松中林樣地5個樣方的樣品，共14組灰化測定。半分解的粗木質(zhì)殘體15組、紫莖澤蘭9組進(jìn)行灰化測定。

2.3.4 熱值

用XRY-1C微機(jī)氧彈式熱量計，采用量熱法測定熱值。計算公式如下：

式中：Q為預(yù)測可燃物的發(fā)熱量（kJ/kg）；K為水當(dāng)量（kJ/℃）；t0為點(diǎn)燃前的溫度（℃）；t為點(diǎn)燃后的溫度（℃）；Δt為溫度校正值（℃）；m為樣品質(zhì)量（g）。

將樣品在電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干后，放入XRY-1C微機(jī)氧彈式熱量計內(nèi)安裝好，各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)步驟準(zhǔn)備好后，啟動電腦開始實(shí)驗(yàn)。注意內(nèi)桶低于外桶溫度0.5 ℃。期間觀察是否正常點(diǎn)火，是否完全燃燒，如實(shí)驗(yàn)異常，需重做實(shí)驗(yàn)。

2.4 燃燒實(shí)驗(yàn)

在燃燒室內(nèi)設(shè)置鐵質(zhì)燃燒床（長203 cm，寬127 cm，高34 cm），底部覆蓋一層2 cm厚的石膏板，以減少熱量損失。坡度設(shè)為10°，模擬近似無風(fēng)狀態(tài)下的燃燒。在燃燒床4個角設(shè)置鐵質(zhì)標(biāo)桿（長200 cm）測火焰高度，以每個刻度5 cm標(biāo)記出高度。凋落物上層和下層盡可能保持野外的狀態(tài)，均勻鋪在燃燒床內(nèi)（厚度為10 cm），枯枝質(zhì)量在1.5 kg左右，用鋼卷尺測厚度。用秒表計時，記點(diǎn)著時間和熄滅時間。當(dāng)火焰高度達(dá)到最大時，用手持紅外測溫SL-309（量程-40～999.9 ℃，精度±1 ℃）測火焰的溫度。在距離火焰最高處，用SFR-Ⅲ數(shù)字式輻射熱計（熱量范圍：0～10 kW/m2，誤差≤±2.5%）分別在距離最大火焰10、20、30、40、50、60、80、100、150、200 cm處的熱輻射，同時用鋼卷尺測量火焰長度。每個試樣同時做3組試驗(yàn)，進(jìn)行對比分析[32]。

2.5 數(shù)據(jù)處理

用WPS 2015表格處理數(shù)據(jù)，通過計算得出數(shù)據(jù)的平均值、最大值、最小值和標(biāo)準(zhǔn)差等，列表比較分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 樣地和可燃物特征

經(jīng)過設(shè)置樣地和分析火燒跡地主要林分特征（表1）可知，地盤松幼林、中林和紫莖澤蘭的樣方叢數(shù)分別為5～11、8～9叢和8～10叢，地盤松幼林、中林和紫莖澤蘭每叢的株數(shù)分別為3～19、4～10株和9～10株，相比之下，紫莖澤蘭最大，比較密集，這與其生長特性有關(guān)，生命力強(qiáng)、生長迅速、繁殖率高，屬陽性偏陰植物，喜溫喜濕耐旱耐貧瘠等，主要靠種子繁殖，能迅速形成單生優(yōu)勢[33]，多年生叢生型半灌木狀雜草，根系發(fā)達(dá)，莖稈粗壯且直立[34]。地盤松幼林、中林，光葉石櫟和紫莖澤蘭的植株高度分別為 76～ 83、 200～ 400、 250～ 300 cm 和 148～150 cm，其中地盤松中林的高度最高，由于地盤松屬暖性常綠針葉林，生長于海拔2 200～3 100 m地區(qū)，常在干燥瘠薄的陽坡形成高山矮林或灌叢[35]。地盤松幼林、中林，光葉石櫟和紫莖澤蘭的蓋度分別為30%～40%、55%～60%、80%～90%和70%～75%，其中光葉石櫟的蓋度最大，因?yàn)楣馊~石櫟是云南特有樹種，主要分布于滇中高原山地海拔1 200～2 500 m的向陽山坡，多散生于半濕潤常綠闊葉林中，是陽性、旱生的常綠灌木[13]。

3.2 可燃物的理化特征

3.2.1 含水率和載量

可燃物含水率是森林火險預(yù)報中最主要的指標(biāo)之一，是評價林火發(fā)生危險程度的最直接指標(biāo)[36]，可燃物含水率影響著可燃物達(dá)到燃點(diǎn)的速度和可燃物釋放的熱量多少，影響到林火的發(fā)生、蔓延和強(qiáng)度，是進(jìn)行森林火災(zāi)監(jiān)測的重要因素[37]。從圖1可看出：地盤松幼林、中林、光葉石櫟和紫莖澤蘭可燃物含水量分別為13.35%、10.91%、11.96%和10.77%，4種可燃物的含水率相差不大，但都低于15%，由于4種可燃物均為陽坡生長，取樣時間是3、4月份，正是昆明地區(qū)森林防火緊要期，風(fēng)大、氣溫高且相對濕度低，所以含水率較低。地盤松幼林、中林，光葉石櫟和紫莖澤蘭的灰分含量分別為2.64%、2.24%、6.52%、2.25%，灰分含量也較低。說明10多a之后的火燒跡地非常危險，很有可能發(fā)生二次森林火災(zāi)。

圖 1 火燒跡地可燃物含水率和灰分含量Fig. 1 The moisture content and ash content of combustibles in fire sites

可燃物載量決定森林火災(zāi)的大小，是估測潛在能量釋放大小的重要參數(shù)，是燃燒的物質(zhì)基礎(chǔ)，顯著影響著森林火災(zāi)的強(qiáng)度及蔓延，載量越大，火強(qiáng)度越大，產(chǎn)生的熱量也越大[11]。從圖2可知：地盤松幼林、中林，光葉石櫟和紫莖澤蘭可燃物載量分別為0.40、0.44、0.47 kg/m2和1.13 kg/m2，其中紫莖澤蘭的載量與其他3種相差甚大，是因?yàn)榈乇P松和光葉石櫟采集的樣本僅為地表的粗木質(zhì)殘體，而紫莖澤蘭采集的是所有地表以上可燃燒的部分，因?yàn)樽锨o澤蘭的燃燒是整個植株的燃燒，其他參數(shù)均是在相同條件下做的對比分析。相對地盤松來說，光葉石櫟的載量較大，是因?yàn)楣馊~石櫟的蓋度較大，枝葉茂盛，掉落的枝葉也較多，且林內(nèi)干燥，因此可燃物載量較大。4種可燃物的載量均超過0.40 kg/m2，一旦著火，再次發(fā)生大火的可能性較大。

圖 2 火燒跡地可燃物載量和燒損量Fig. 2 The load and amount of loss of combustibles in fire sites

3.2.2 熱值

可燃物熱值是單位可燃物干物質(zhì)完全燃燒之后釋放出來的能量值，是可燃物燃燒的重要特征，是可燃物有機(jī)化合物組成及其含量的綜合反映，能有效評價植物化學(xué)能積累效率的高低，影響著火溫度和火的蔓延過程，與火強(qiáng)度也有關(guān)，熱值越大，火強(qiáng)度越大[32]。從圖3可知：地盤松幼林、中林，光葉石櫟和紫莖澤蘭熱值分別為20 730、21 510、20 557 kJ/kg 和 19 138 kJ/kg，其中地盤松中林的熱值最大，紫莖澤蘭的熱值最小，這與林分特征、生長特性有關(guān)：地盤松屬耐旱植物，在火后的山脊上連片出現(xiàn)，林內(nèi)干燥，密度極大；主干不明顯，貼伏地面，基部生多干，呈叢生狀，葉易燃，常生長在干燥、瘠薄的陽坡，形成高山矮林或灌叢，林分易燃，但其本身適應(yīng)能力強(qiáng)，在干燥、瘠薄的立地條件下也能更新。

圖 3 火燒跡地可燃物的熱值Fig. 3 Heat values of combustibles in fire sites

3.3 可燃物的燃燒特征

3.3.1 火強(qiáng)度和熱輻射

火強(qiáng)度是森林可燃物燃燒時的熱量釋放速度，是林火行為的重要標(biāo)志之一，在組織滅火時要根據(jù)火強(qiáng)度的大小來配備相應(yīng)的撲火力量，一般將火強(qiáng)度分為：低強(qiáng)度750 kW/m以下，中強(qiáng)度 750～3 500 kW/m，高強(qiáng)度＞3 500 kW/m[38]。由表2可知，地盤松幼林、中林，光葉石櫟和紫莖澤蘭火強(qiáng)度分別為1 426、1 590、745 kW/m和524 kW/m，其中，地盤松幼林和地盤松中林的火強(qiáng)度為中強(qiáng)度火，而光葉石櫟為低強(qiáng)度火，接近中強(qiáng)度火，紫莖澤蘭的火強(qiáng)度為低強(qiáng)度火。地盤松中林的火強(qiáng)度最大，燃燒時產(chǎn)生熱量的速度最快，火災(zāi)危險性最大。其原因主要在于可燃物的熱力學(xué)性質(zhì)不同，特別是熱值的差異。地盤松林地表可燃物具有很大的燃燒能量，一旦著火，很有可能釋放出大量的熱量，發(fā)展成中、高強(qiáng)度火災(zāi)，撲救非常困難，與地盤松林地表可燃物的燃燒火行為研究結(jié)果相似[39]。

表 2 火燒跡地可燃物燃燒火行為參數(shù)Table 2 Fire behavior and parameters of combustibles in fire sites

在森林火災(zāi)初期，熱輻射是最主要的熱量傳遞方式，它預(yù)熱了火焰前方未被點(diǎn)燃的可燃物，使其很快達(dá)到著火溫度，從而發(fā)生燃燒，同時也是地表火傳播的重要途徑[39]。熱輻射最大的是紫莖澤蘭為6.27 kW/m2，最小的是地盤松幼林為2.98 kW/m2，說明發(fā)生火災(zāi)時，紫莖澤蘭最容易預(yù)熱前方未被點(diǎn)燃的可燃物，因?yàn)槠錇殛栃悦芗瘏采?，地上部分葉和桿枯死后也不會倒伏，仍然直立，是很好的過火通道，能夠加速火災(zāi)的蔓延。

3.3.2 火焰特征

1）引燃時間。地盤松幼林、中林，紫莖澤蘭的引燃時間均為1 s，而光葉石櫟的引燃時間最長為65 s，因?yàn)楣馊~石櫟采取的是粗木質(zhì)殘體，其灰分含量大，難以點(diǎn)著。

2）火焰維持時間及最大溫度。由圖4可知，地盤松幼林、中林，光葉石櫟和紫莖澤蘭的火焰維持時間分別為262、2 123、1 158 s和415 s。由圖5可知，地盤松幼林、中林，光葉石櫟和紫莖澤蘭的火焰最大溫度分別為536、608、715 ℃和719 ℃。其中，紫莖澤蘭的火焰最高溫度最大為719 ℃，但與光葉石櫟相差不大，但光葉石櫟的火焰維持時間卻是紫莖澤蘭的2倍多，說明地盤松燃燒時產(chǎn)生的能量值最大，火災(zāi)危險性也越大。說明火燒10多a之后，可燃物的能量得到了蓄積，一旦發(fā)生火災(zāi)，很可能再次釀成大火。

圖 4 火燒跡地可燃物的火焰維持時間和陰燃維持時間Fig. 4 Flammable flame maintenance time and smolder maintenance time of combustibles in fire sites

圖 5 火燒跡地可燃物火焰最高溫度和陰燃最高溫度Fig. 5 Maximum flame temperature and maximum smolder temperature of combustibles in fire sites

3）火焰高度。用來表示火勢兇猛的程度。當(dāng)火焰高度達(dá)到0.5 m時，撲火人員可靠近這種火焰，直接用工具將其撲滅，當(dāng)火焰高度達(dá)1.5 m時，撲火人員能用風(fēng)力滅火器和地面消防車噴灑水或化學(xué)滅火劑等方法將其撲滅，當(dāng)火焰高度大于2.5 m時，任何地面滅火機(jī)械都將無效[7]。由表2可知，地盤松幼林、中林，光葉石櫟和紫莖澤蘭的火焰高度分別為0.41、0.64、0.75 m和1.8 m，紫莖澤蘭的火焰高度最高，由于紫莖澤蘭是陽性草本，枯死后葉子和莖稈不會倒伏，呈現(xiàn)垂直燃燒，整個植株燃燒狀態(tài)?？偟膩碚f，林地內(nèi)4種可燃物的火焰高度均小于2 m，撲火人員可以控制，但在野外，4種可燃物一起燃燒時，火焰高度有可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過2 m，撲火人員將很難直接撲滅、很難控制。

3.3.3 陰燃特征

由圖4可知，地盤松幼林、中林、光葉石櫟和紫莖澤蘭的陰燃維持時間分別為432、557、836 s和1 380 s；由圖5可知，地盤松幼林、中林、光葉石櫟和紫莖澤蘭的陰燃最高溫度分別為384、428、524 ℃和695 ℃，陰燃時間和陰燃最高溫度均是紫莖澤蘭最大，因?yàn)槠涫菑?qiáng)陽性草本植物，能夠吸收更多的陽光，積累了更多的能量，同時，紫莖澤蘭枯死后不會倒伏，呈直立狀，有利于通風(fēng)，燃燒更完全。陰燃進(jìn)入穩(wěn)定燃燒狀態(tài)后無煙、氣，難以被發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)的作用下可能引發(fā)二次燃燒，是一種安全隱患[40]。

4 結(jié)論與討論

在云南的森林防火緊要期內(nèi)，對滇中安寧2006年“3·29”重大森林火災(zāi)的火燒跡地進(jìn)行了外業(yè)調(diào)查，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)測定、分析和計算，結(jié)果顯示：一旦發(fā)生火災(zāi)，火燒跡地上地盤松林的火勢會比光葉石櫟和紫莖澤蘭林大很多，蔓延速率也更快，而紫莖澤蘭發(fā)生2次火災(zāi)的可能性較大。地盤松幼林、中林，光葉石櫟，紫莖澤蘭的火強(qiáng)度分別為1 426、1 590、745、524 kW/m，紫莖澤蘭屬于低強(qiáng)度火，光葉石櫟接近中強(qiáng)度火，地盤松幼林和中林都屬于中強(qiáng)度火。原因在于載量、熱值和灰分含量等的區(qū)別。地盤松幼林、中林，光葉石櫟，紫莖澤蘭的可燃物載量分別為0.40、0.44、0.47 k、1.13 kg/m2，紫莖澤蘭的可燃物載量較大，載量越大，火強(qiáng)度越大；地盤松幼林、中林，光葉石櫟和紫莖澤蘭的熱值分別為20 730、21 510、20 557、19 138 kJ/kg；而光葉石櫟單位面積熱量為9 464.4 kJ/ m2，與王秋華等[32]在相似地方光葉石櫟灌木林死可燃物的單位面積熱量為98 512.51 kJ /m2，相差10倍左右，原因在于其采集的是整個光葉石櫟林內(nèi)所有的死可燃物，而本實(shí)驗(yàn)僅采集了光葉石櫟與地盤松交界處的地表可燃物，差異明顯。地盤松幼林、中林，光葉石櫟和紫莖澤蘭的灰分含量較低，但熱值很大，說明可燃物干燥易燃，在防火期有可能再次發(fā)生火災(zāi)，一旦火災(zāi)發(fā)生，火強(qiáng)度大，難以控制，使損失加重。

火燒跡地森林更新是生態(tài)恢復(fù)與重建的重要途徑之一，也是維持森林動態(tài)穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[41]，火燒跡地上的地盤松林易燃，林下枯枝落葉可燃物多，呈叢生狀，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，易從地表火蔓延到樹冠，繼而引發(fā)樹冠火，形成高強(qiáng)度火。需要采取相應(yīng)措施對火燒跡地可燃物進(jìn)行清理，如移除或者就地掩埋部分可燃物，或允許當(dāng)?shù)乩习傩赵诜欠阑鹌谑占执罂扇嘉?，降低可燃物載量，減輕防火壓力。結(jié)合可燃物燃燒性、地形地貌和氣象特征進(jìn)行火險區(qū)劃，特別是劃分重點(diǎn)火險監(jiān)控區(qū)域，在防火期內(nèi)制定日常巡護(hù)、重點(diǎn)看守路線，在防火緊要期，專業(yè)撲火隊(duì)靠前部署，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)布防、快速出擊。盡管人為干擾較少，但火燒跡地可燃物的自然狀態(tài)每年都有改變，需要建立固定樣地，進(jìn)行多年連續(xù)跟蹤調(diào)查，建議每隔5 a進(jìn)行1次系統(tǒng)、全面的調(diào)查，制定出可行的可燃物處理預(yù)案。

致謝：西南林業(yè)大學(xué)消防工程2018屆畢業(yè)生費(fèi)昌稱、徐文勇、房高義等一起參與了外業(yè)調(diào)查，云南生物多樣性研究院的李偉副研究員幫忙修改了英文摘要，在此一并表示感謝！

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