吉林省主要森林類型地表凋落物燃燒性分析

周 勇，章 林，王曉娜，孫景花，林 峰，孫立平，白春勇

（1.吉林省林業(yè)科學(xué)研究院，吉林 長春 130033；2.吉林省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，吉林 長春 130022；3.吉林省輝南縣林業(yè)局，吉林 通化 135100）

吉林省主要森林類型地表凋落物燃燒性分析

周 勇1，章 林1，王曉娜1，孫景花1，林 峰2，孫立平3，白春勇3

（1.吉林省林業(yè)科學(xué)研究院，吉林 長春 130033；2.吉林省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，吉林 長春 130022；3.吉林省輝南縣林業(yè)局，吉林 通化 135100）

選擇吉林省17個(gè)主要森林類型的地表凋落物測定分析和點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)，根據(jù)對抽提物、灰分、燃點(diǎn)、熱值、1 m2質(zhì)量、床層高度、風(fēng)干含水率、蔓延速度、火線強(qiáng)度、駐留時(shí)間和可燃物消耗比這11個(gè)指標(biāo)，利用層次分析法和分層聚類，對17個(gè)主要森林類型燃燒性進(jìn)行排序和分類，結(jié)果表明：易燃森林林型有2個(gè)，依次是白樺林、樟子松林；可燃森林類型有4個(gè)，依次是黑松林、針葉混交林、紅松林和其他針葉林；難燃森林類型有11個(gè)，依次是針闊混交林、落葉松林、云杉林、臭松林、柞樹林、闊葉混交林、其他闊葉林、胡桃楸林、椴樹林、黃波羅林和楊樹林。為不同森林類型地表凋落物火災(zāi)預(yù)防、控制方法提供重要依據(jù)。

森林類型；燃燒性，層次分析法；吉林

森林可燃物是森林燃燒的基礎(chǔ)，是林火行為的主體，森林可燃物負(fù)荷量及燃燒性是林火行為預(yù)測、林火生態(tài)影響評價(jià)和生物防火林帶建設(shè)的重要基礎(chǔ)，是林火科學(xué)的重要研究任務(wù)[1-3]。森林可燃物燃燒性是多個(gè)因素共同作用的結(jié)果，構(gòu)成森林的具體樹種決定了森林可燃物類型的燃燒性和理化性質(zhì)[4]，由不同樹種組成的森林植被類型則是森林火險(xiǎn)區(qū)劃的重要依據(jù)[5]。

Anderson認(rèn)為燃燒性應(yīng)包括點(diǎn)燃性、劇烈性和持續(xù)性3方面的含義[6]，Martin等進(jìn)一步研究認(rèn)為燃燒性還應(yīng)該包括可燃物的消耗性[7]；胡海清對大興安嶺50余種森林可燃物的含水率、燃點(diǎn)、灰分、熱值和抽提物含量進(jìn)行了室內(nèi)測定[8]；王月等對遼寧西北部地區(qū)主要林型地被可燃物種類、組成、載量以及燃燒性進(jìn)行了研究，確定了易燃、較易燃和不易燃林型[9]；李艷琴等運(yùn)用K-Means聚類分析法，對50個(gè)樹種的9個(gè)生物學(xué)、生態(tài)學(xué)特征值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析評價(jià)燃燒性較弱的樹種[10]；肖金香等通過測定樹種的含水率、燃點(diǎn)、熱值、粗灰分、粗脂肪、木質(zhì)素、粗纖維、燃燒時(shí)間、火燒強(qiáng)度和生物生態(tài)學(xué)特性等10個(gè)因子，應(yīng)用DPS聚類分析法，得出12個(gè)園林樹種的燃燒性排序[11]。

筆者通過對上述國內(nèi)外學(xué)者研究方法的總結(jié)分析，選擇凋落物燃燒床層、理化性質(zhì)和林火行為3部分指標(biāo)，使用層次分析法和分層聚類，找出不同森林類型下地表凋落物燃燒性的差異，并進(jìn)行排序和分類。

1 研究方法

1.1 凋落物種類與制備

野外調(diào)查與樣品采集在2014年秋季和2015年春、秋季3個(gè)階段進(jìn)行，涉及地區(qū)包括白山市、吉林市、遼源市、四平市、松原市、通化市、延邊州、長白山管委會和長春市，設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)地355塊，確立吉林省主要森林類型17個(gè)：紅松林、云杉林、樟子松林、落葉松林、臭松林、其他針葉林、胡桃楸林、黃波羅林、椴樹林、柞樹林、白樺林、楊樹林、其他闊葉林、針葉混交林、闊葉混交林、針闊混交林和黑松林。采集1 m2地表凋落物樣品帶回后置于室內(nèi)通風(fēng)處使其風(fēng)干，另采集100 g地表凋落物樣品帶回后置于烘箱內(nèi)，105℃烘干至恒重，粉碎后過100目篩取顆粒直徑＜0.15 mm樣品，裝入封口袋備用。

1.2 試驗(yàn)方法

利用電熱鼓風(fēng)干燥箱，通過測定樣品風(fēng)干質(zhì)量和絕干質(zhì)量測定樣品風(fēng)干含水率，凋落物樣品風(fēng)干含水率M：

1.3 數(shù)據(jù)處理

首先，對不同森林類型的地表凋落物測定了其理化性質(zhì)、燃燒床層、林火行為指標(biāo)進(jìn)行了基本的統(tǒng)計(jì)分析，給出了各測定指標(biāo)的平均值。

其次，利用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）對可燃物的燃燒性的各指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重的確定，得出凋落物燃燒性綜合評價(jià)指數(shù)。根據(jù)燃燒性綜合評價(jià)的基本指標(biāo)體系，建立層次分析法評價(jià)的遞階層次結(jié)構(gòu)。構(gòu)造一個(gè)3層次的結(jié)構(gòu)模型，最高層為燃燒性綜合評價(jià)指數(shù)；中間層為3個(gè)子系統(tǒng)，分別為燃燒床層、理化性質(zhì)和林火行為；最底層由實(shí)驗(yàn)測定的11個(gè)指標(biāo)構(gòu)成，在不同的子系統(tǒng)中指標(biāo)有重復(fù)，是因?yàn)樵诓煌闹虚g層，同一指標(biāo)的權(quán)重不盡相同。

最后，采用分層聚類（Hierarchical Cluster?ing），利用SPSS19.0軟件系統(tǒng)中層次聚類法采用的是凝聚方式聚類，對凋落物燃燒性綜合評價(jià)指數(shù)進(jìn)行聚類，由于樹種的燃燒性分為易燃、可燃、難燃三類，因此本文森林類型燃燒性確定分為3類。操作過程中“分群”欄選用“個(gè)案”進(jìn)行Q型聚類，“統(tǒng)計(jì)量”中選用“合并進(jìn)程表”以觀察聚類過程中每一步被合并的類、被合并類之間的距離及最終類的水平，“繪制”中選用“樹狀圖”以畫出聚類過程中每一步是哪兩類被合并以及這一步的并類距離，“方法”中選擇“組間聯(lián)接”以達(dá)到合并兩類后不同類的樣品兩兩之間平均距離達(dá)到最小，“區(qū)間”中選擇“平方歐氏距離”即兩個(gè)變量之差的平方和，“標(biāo)準(zhǔn)化”中選擇“Z得分”對考察數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同森林類型的地表凋落物測量指標(biāo)

根據(jù)表1可以看出，在點(diǎn)燒試驗(yàn)中，云杉、臭松、黃波羅林在實(shí)驗(yàn)室條件下不燃。抽提物的含量最高的是樟子松林12.87%，75%森林類型的抽提物含量均低于5.9%；灰分含量最高的是云杉林16.05%，平均值在7.7%；各森林類型燃點(diǎn)沒有較大差異，最大值為落葉松林274℃，最小值是柞樹林258℃，平均值為264℃；各林型間燃燒熱值差異較大，超過半數(shù)的森林類型熱值低于平均值2萬J；落葉松林載量最高，各林型地表凋落物層載量分布在2～5 t/hm2區(qū)間；床層高度根據(jù)野外實(shí)際情況主要分布在1.0～2.5 cm之間，75%森林類型地表凋落物高度低于2.09 cm；風(fēng)干含水率的平均值為11.01%，標(biāo)準(zhǔn)差為1.6%，差異不大；蔓延速度最快的是柞樹林0.247 m·min-1，均值0.173 m·min-1；火線強(qiáng)度最高值為紅松林4.922 kW·m-1，均值2.504 kW·m-1，標(biāo)準(zhǔn)差1.152 kW·m-1，表現(xiàn)出明顯的差異；駐留時(shí)間最長的是落葉松林0.261 min，75%分位值為0.152 min，均值為0.149 min，表明大部分林型駐留時(shí)間相對較低；可燃物燃燒消耗比差異較大在30.8%至78.1%區(qū)間，均值68.1%。

表1 各森林類型測定指標(biāo)

2.2 不同森林類型的凋落物燃燒性綜合評價(jià)指數(shù)

根據(jù)層次分析法，首先構(gòu)造判斷矩陣，通過對已有可燃物燃燒性相關(guān)研究的分析，對同一層次內(nèi)的指標(biāo)相對重要性做出了判斷，確定了燃燒性綜合評價(jià)指數(shù)的判定矩陣、燃燒床層判定矩陣、理化性質(zhì)判定矩陣和林火行為判定矩陣。對于燃燒性綜合評價(jià)指數(shù)，林火行為＞理化性質(zhì)＞燃燒床層（表2），其中：燃燒床層中指標(biāo)含水率最重要，

根據(jù)高度、載量野外調(diào)查的實(shí)際情況，在各個(gè)林型下并沒有較大的差別，因此判定兩者重要性相同（表3）；理化性質(zhì)中認(rèn)為熱值指標(biāo)在燃燒過程中表現(xiàn)最重要，熱量的釋放直接促進(jìn)相鄰可燃物的燃燒的初始階段，灰分和含水率指標(biāo)表現(xiàn)在減緩了可燃物的燃燒速度，重要性相對最低（表4）；林火行為中火線強(qiáng)度指標(biāo)直接反映了可燃物燃燒的劇烈情況，駐留時(shí)間的長短直接影響可燃物消耗比，認(rèn)為二者具有相同的重要性（表5）。

表2 燃燒性綜合評價(jià)指數(shù)判定矩陣

表3 燃燒床層判定矩陣

表4 理化性質(zhì)判定矩陣

表5 林火行為判定矩陣

通過Excel對給出的判定矩陣進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，并全部通過判斷矩陣一次性的檢驗(yàn)，最終得出各指標(biāo)權(quán)重（表6）。

表6 各指標(biāo)權(quán)重

表7 各林型燃燒性指標(biāo)值及排序

根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算各林型燃燒性綜合評價(jià)指數(shù)，根據(jù)各燃燒性因子權(quán)重?cái)?shù)值組成如下方程：燃燒性綜合評價(jià)指數(shù)=0.143×燃燒床層+0.286×理化性質(zhì)+0.571×林火行為；

燃燒床層=0.086×含水率+0.029×高度+0.029×載量；

理化性質(zhì)=0.104×熱值+0.052×燃點(diǎn)+0.026×灰分+0.078×抽提物+0.026×含水率；

林火行為=0.095×蔓延速率+0.143×駐留時(shí)間+0.190×火線強(qiáng)度+0.143×消耗比。

根據(jù)上述方程，計(jì)算各林型的燃燒性綜合評價(jià)指數(shù)及燃燒床層、理化性質(zhì)和林火行為的值，計(jì)算結(jié)果見表7。在這17個(gè)林型中，燃燒床層性能主要由燃燒床層的結(jié)構(gòu)和含水率體現(xiàn)，指標(biāo)值的高低說明不同林型間地被可燃物的結(jié)構(gòu)和風(fēng)干含水率的差異，指標(biāo)值最高的為落葉松林，最低的是樟子松林；理化性質(zhì)主要表達(dá)了可燃物引燃的難易程度，最易引燃的是白樺林，最難引燃的是楊樹林；林火行為主要包含可燃物從點(diǎn)燃開始到似穩(wěn)態(tài)、穩(wěn)態(tài)至熄滅過程，是對過程中蔓延速度、火線強(qiáng)度、駐留時(shí)間和熄滅后可燃物燃燒消耗比這4個(gè)指標(biāo)的綜合評價(jià)，評價(jià)值最高的是紅松林、最低的是落葉松林，其中云杉、臭松和黃波羅林在實(shí)驗(yàn)設(shè)定條件下不燃，因此不計(jì)入最低值；綜合以上部分看，燃燒性綜合評價(jià)指數(shù)最低的是楊樹林，最高的是白樺林。平均值599.9，標(biāo)準(zhǔn)差36.5，全林型看差異并不顯著。燃燒床層指標(biāo)最高值為落葉松林15.55，最低為樟子松林7.65，平均值為10.43，標(biāo)準(zhǔn)差2.06，不同森林類型模擬自然條件下的地表可燃物堆疊狀態(tài)差異明顯；理化性質(zhì)指標(biāo)最高值為白樺林2396.3，最低為楊樹林1964.8，平均值2091.8，標(biāo)準(zhǔn)差127.6；林火行為指標(biāo)最高值為紅松林1.074，最低為落葉松林0.244，平均值0.612，標(biāo)準(zhǔn)差0.227，燃燒過程表現(xiàn)出明顯差異。

2.3 不同森林類型的凋落物燃燒性類別

使用SPSS 19.0對各森林類型的綜合評價(jià)指數(shù)進(jìn)行分層聚類。聚類結(jié)果如圖1。根據(jù)燃燒性分易燃、可燃、難燃3類情況，將本文所有森林類型燃燒性劃分為3類，其中易燃的是白樺林和樟子松林，可燃的是針葉混交林、黑松林、紅松林和其他針葉林，難燃的是胡桃楸林、椴樹林、黃波羅林、楊樹林、落葉松林、針闊混交林、臭松林、柞樹林、云杉林、其他闊葉林和針闊混交林。

圖1 使用平均聯(lián)接（組間）的樹狀圖

3 結(jié)論

吉林省主要森林類型地表凋落物各燃燒性指標(biāo)測量值最高的分別是：樟子松林抽提物含量12.87%，云杉林灰分含量16.05%，落葉松林燃點(diǎn)274℃，白樺林燃燒熱值22 929 J，落葉松林載量5 t/hm2，楊樹林床層高度2.5 cm，黃波羅林風(fēng)干含水率14.9%，柞樹林蔓延速度0.247m·min-1，紅松林火線強(qiáng)度4.922 kW·m-1，落葉松林駐留時(shí)間0.261 min，白樺林可燃物燃燒消耗比78.1%。反映出這些地表凋落物燃燒性在燃燒床層、理化性質(zhì)和林火行為3方面均具有不同的燃燒性。

應(yīng)用層次分析法對這17種森林類型地表凋落物燃燒性的從高到低的排序?yàn)椋喊讟辶郑菊磷铀闪郑竞谒闪郑踞樔~混交林＞紅松林＞其他針葉林＞針闊混交林＞落葉松林＞云杉林＞臭松林＞柞樹林＞闊葉混交林其他闊葉林＞胡桃楸林＞椴樹林＞黃波羅林＞楊樹林。這些燃燒性排序是在相同的實(shí)驗(yàn)條件下提出的，忽略各森林類型下植物種類，立地條件，生物學(xué)、生態(tài)學(xué)特征不同而形成的不同的火環(huán)境，即實(shí)際的森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)火環(huán)境的復(fù)雜性，所以燃燒性的排序是合理的。

經(jīng)過分層聚類分析得出17種森林類型地表凋落物燃燒性類別：白樺林和樟子松林易燃，針葉混交林、黑松林、紅松林和其他針葉林可燃，胡桃楸林、椴樹林、黃波羅林、楊樹林、落葉松林、針闊混交林、臭松林、柞樹林、云杉林、其他闊葉林和針闊混交林難燃。這里的易燃、可燃和難燃只表示三類可燃物燃燒難易程度的相對性，并不能說明難燃類別里的森林類型燃燒難易情況就一定低于易燃類別里的森林類型，對于同一森林類型，燃燒床層的鋪設(shè)均模仿野外的實(shí)際情況，這造成了對于不同的特定條件同一森林類型地表凋落物表現(xiàn)出不燃或不同的燃燒難易程度，但這些都綜合在最終的處理數(shù)據(jù)結(jié)果中，得出的結(jié)果也只是反應(yīng)大部分的實(shí)際情況。一些對于林火行為模擬所做的研究[12-14]可以證明這一點(diǎn)。

對于森林可燃物研究對象不同的，包括森林類型、喬木、灌木、草本和枝、葉、凋落物的燃燒性研究工作已經(jīng)做了很多，本文中得出的排序與分類與之前相關(guān)的研究[15]結(jié)果存在差異，產(chǎn)生這種差異的原因在于對同一森林類型的研究中，不同可燃物的組成，燃燒性分析過程中實(shí)驗(yàn)指標(biāo)、方法不同，數(shù)據(jù)處理的算法不同，這些都造成了森林類型尺度下地表凋落物燃燒性研究的局限性與差異性，今后應(yīng)對造成這些差異的原因和差異之間的距離問題進(jìn)一步研究。

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（責(zé)任編輯：韓煥金）

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吉林省林業(yè)廳林業(yè)科技項(xiàng)目（2012-001）