蒙古櫟近熟林不同部位抗火性分析

杜 君，王明霞，尹賽男，王雅鈞，季 鑫，曲 航，單延龍

（1.呼中國家級自然保護(hù)區(qū)，黑龍江 呼中 165036；2.北華大學(xué)，吉林 吉林 132013）

近些年隨著全球氣候的變化以及人類活動的日益頻繁，森林火災(zāi)發(fā)生的潛在風(fēng)險在持續(xù)上升[1]。目前，預(yù)防森林火災(zāi)的主要措施有人工排查和建立防火林帶等，其中在建立防火林帶方面，了解和掌握植物的抗火性能是預(yù)防和撲救森林火災(zāi)的關(guān)鍵[2-4]?？扇嘉锏娜紵?，除取決于火源和氧氣的必要條件外，還決定于本身的尺寸大小、結(jié)構(gòu)狀態(tài)、理化性質(zhì)和分布數(shù)量等[5]。樹種抗火性指的是其抵抗和忍耐林火的能力，而樹種是構(gòu)成森林的主體，其抗火性能的研究是林分抗火性評價重要組成部分[6]。由于植物抗火性在森林防火工作中起著至關(guān)重要的作用，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對不同地區(qū)的園林植物、草本植物等的抗火性能進(jìn)行了研究并得出了植物的抗火性能強(qiáng)弱、影響抗火性的因素、建立燃燒模型等相關(guān)研究成果[7-12]。但是，以往研究中針對蒙古櫟抗火性的研究卻鮮有報道。

蒙古櫟（Quercus mongolica）屬于殼斗科（Fagaceae）、櫟屬（Quercus），落葉喬木，是我國國家二級保護(hù)樹種[13]。蒙古櫟作為主要的次生林建群種，在我國東北林區(qū)占有很大比重，約占有林地的15%-20%[14]，同時蒙古櫟林還是吉林省易發(fā)生重特大森林火災(zāi)的林型之一[15]。因此，對蒙古櫟林抗火性能的研究十分迫切。由于森林內(nèi)可燃物的空間分布和屬性的不同，森林內(nèi)可以發(fā)生地表火、樹冠火、地下火[16]。其中，以森林地表火發(fā)生最頻繁，且絕大多數(shù)的地表火都是由地表的枯枝落葉引起的[17]。樹皮在森林火災(zāi)發(fā)生時可以對樹木起到一個保護(hù)的作用。本研究以吉林省蛟河林業(yè)實(shí)驗(yàn)區(qū)管理局內(nèi)蒙古櫟近熟林為實(shí)驗(yàn)對象，分別對蒙古櫟林的枯落小枝、凋落樹葉以及樹皮的抗火性進(jìn)行研究并排序。這將對蒙古櫟林森林火災(zāi)的預(yù)防和撲救具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

吉林省蛟河林業(yè)實(shí)驗(yàn)區(qū)管理局位于吉林省蛟河市東北部的前進(jìn)鄉(xiāng)平地溝村以東約1 km處，地理位置為 127°35'-127°51'E，43°51'-44°05'N。該局屬長白山系張廣才嶺支脈，東部與吉林省延邊朝鮮族自治州黃泥河林業(yè)局相連，西部與上營森林經(jīng)營局長安林場和蛟河市林業(yè)局太陽林場相毗鄰，南部與白石山林業(yè)局相接，北部與黑龍江省五?？h相接壤，轄區(qū)總經(jīng)營面積31 823 hm2[18]。全年平均氣溫為3.5℃，全年降水量在700-800 mm之間，相對濕度75%，積雪厚度為20～60 cm，土壤結(jié)凍深度為1.5～2.0 m[19]。主要林型包括紅松闊葉林（Korean pine broad-leaved forest）、蒙古櫟林（Quercus mongolica forest）、人工紅松林（Pinus koraiensis plantation）、人工落葉松林（Larix olgensis plantation）等。

2 材料與方法

2.1 野外調(diào)查

樣品采集時間為2018年秋季防火期。首先于蒙古櫟近熟林內(nèi)隨機(jī)選取3塊30 m×20 m樣地，之后借助手持GPS、生長錐等儀器對樣地經(jīng)緯度、坡度、坡向、樹齡等信息進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果見表1。

表1 樣地基本信息

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

根據(jù)不同徑階，選擇生長狀態(tài)較好、樹干為圓形的林木，測量并記錄其胸徑、樹高等基本信息（表2）。分別采集蒙古櫟林的樹皮、小枝、樹葉進(jìn)行抗火性分析。在樹干的南面用鋸子和刀片劃開1塊寬10 cm、高10 cm的樹皮，用一字螺絲刀從各個方向均勻用力以撬開并取下樹皮。采集蒙古櫟自然掉落的小枝和樹葉，小枝分為＜0.64 cm、0.32 cm和0.16 cm三個梯度。將采集的樣品測量其鮮重之后用信封和塑封袋封裝好。

表2 采集樹皮的蒙古櫟樹自然狀況

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

含水率是指可燃物中水分的含量，含水率越高可燃物的抗火性就越強(qiáng)?？扇嘉锖释ㄟ^快速水分測定儀測定。熱值是單位質(zhì)量的可燃物完全燃燒所釋放的熱量，可燃物的熱值越大，抗火性越弱，林火越容易蔓延?？扇嘉锏臒嶂凳褂肔TR8000微機(jī)全自動量熱儀測定?；曳质菢淠局械牡V物質(zhì)部分，可燃物中灰分含量越高，抗火性能就越強(qiáng)。灰分采用干灰化法，通過茂福爐和電子天平（靈敏度0.0001 g）完成測定。氧指數(shù)是指通入23℃±2℃的氧氣和氮?dú)饣旌蠚怏w時，剛好維持樣品連續(xù)燃燒時間或燃燒長度的最小氧氣濃度，以體積分?jǐn)?shù)表示。使用JF-5型智能氧指數(shù)測定儀測定氧指數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)蒙古櫟近熟林不同部位的含水率、灰分、熱值、氧指數(shù)這4種理化指標(biāo)，使用熵權(quán)法對其抗火性進(jìn)行排序。熵權(quán)法是根據(jù)被評價對象的指標(biāo)值構(gòu)成的判斷矩陣來確定指標(biāo)權(quán)重的一種方法，具有較強(qiáng)的客觀性，可以排除主觀因素影響的成分[20]。在本研究中應(yīng)用的基本思想是，根據(jù)影響抗火性的4個實(shí)測指標(biāo)構(gòu)建指標(biāo)矩陣，使用熵權(quán)法計算各評價指標(biāo)的權(quán)重，最后基于熵權(quán)法確定的4個指標(biāo)的權(quán)重利用綜合評價法對蒙古櫟的樹皮、小枝、樹葉的抗火性能進(jìn)行綜合評分，評分越高抗火性越強(qiáng)。熵權(quán)法的相關(guān)計算通過Excel完成，之后使用SPSS對不同胸徑的樹皮抗火性以及不同直徑的小枝抗火性進(jìn)行相關(guān)分析和回歸分析。

熵權(quán)法主要由以下四個步驟實(shí)施。

1）數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理?？扇嘉锏目够鹦杂啥鄠€指標(biāo)決定，在這個多指標(biāo)的體系中，由于各評價指標(biāo)的性質(zhì)不同，具有不同的量綱和數(shù)量級。它們之間水平相差很大，如果直接用原始指標(biāo)值進(jìn)行分析，就會突出數(shù)值較高的指標(biāo)在綜合分析中的作用，相對削弱數(shù)值水平較低指標(biāo)的作用。為消除原始數(shù)據(jù)不同量綱的影響，對4個指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。本文采用的是極值法對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

當(dāng)抗火性與理化指標(biāo)呈正向關(guān)系時采用如下標(biāo)準(zhǔn)化公式：

當(dāng)抗火性與理化指標(biāo)呈逆向關(guān)系時則采用如下標(biāo)準(zhǔn)化公式：

2）計算四個指標(biāo)的信息熵。

計算公式如下：

式中：Yij為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)；Ej為第j項指標(biāo)的熵值；Pij為第j項指標(biāo)下第i個評價對象的比重；k為信息熵系數(shù)；n為樹種的個數(shù)；m為指標(biāo)數(shù)。

3）計算4個指標(biāo)所占權(quán)重。

計算公式為：

4）綜合評價方法。

式中：Zi—第i個評價對象的最終得分；Wj—各個指標(biāo)的權(quán)重；Yij—為標(biāo)準(zhǔn)化值。

3 結(jié)果與分析

3.1 蒙古櫟不同部位抗火性排序

根據(jù)公式將蒙古櫟不同部位的含水率、氧指數(shù)、灰分、熱值這4個指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的處理，得到矩陣如下：

根據(jù)信息熵和權(quán)重的計算公式，計算出四個指標(biāo)的權(quán)重如下：

最終根據(jù)綜合評價法計算出蒙古櫟不同部位抗火性的綜合評分。由表3可知，蒙古櫟不同部位樹皮抗火性最好的是胸徑為38.2 cm蒙古櫟的樹皮（0.909），抗火性最差的是樹枝直徑為0.16 cm的蒙古櫟小枝（0.085）；樹葉的抗火性（0.286）要強(qiáng)于不同直徑的小枝（0.251、0.122、0.085）。

根據(jù)蒙古櫟不同部位抗火性綜合得分的均值，得出蒙古櫟不同部位的抗火性從大到小依次為：樹皮（平均得分0.480）、樹葉（平均得分0.286）、小枝（平均得分0.153）。

表3 蒙古櫟不同部位抗火性綜合得分

3.2 蒙古櫟樹皮抗火性分析

根據(jù)蒙古櫟不同部位抗火性排序可知，蒙古櫟樹皮抗火性最好的是胸徑為38.20 cm樹皮，抗火性綜合評分為0.909。根據(jù)之前所得四個理化指標(biāo)的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，抗火性最好的蒙古櫟樹皮（38.2），它的含水率、氧指數(shù)、灰分的值都是很高的，而熱值很低；接下來為胸徑42.10 cm（0.853）、36.6 cm（0.656）、27.4 cm（0.630）、18 cm（0.511）、20.6 cm（0.443）、15.6 cm（0.429）、22.9 cm（0.404）、26.8 cm（0.395）、31.4 cm（0.296）、34.5 cm（0.296）、17.9 cm（0.226）；蒙古櫟胸徑為28.20 cm的抗火性最差，綜合評分僅為0.194（圖1）。

進(jìn)一步對樹皮的抗火性綜合評分與蒙古櫟胸徑之間進(jìn)行相關(guān)分析和回歸分析（相關(guān)分析見表4，回歸分析見圖1）。由表4可知，蒙古櫟的樹皮抗火性與胸徑間的相關(guān)系數(shù)為0.56，呈正向相關(guān)關(guān)系，即蒙古櫟胸徑越大，其抗火性能也就越強(qiáng)。通過回歸分析可知蒙古櫟胸徑與抗火性存在正向線性關(guān)系，線性方程為y=0.015x+0.071。

表4 蒙古櫟樹皮抗火性與胸徑的相關(guān)分析

圖1 不同胸徑蒙古櫟的樹皮抗火性

3.3 蒙古櫟小枝抗火性分析

地表可燃物是地表火發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，是影響地表火蔓延的主要因素，95%以上的林火都是由1 h時滯的細(xì)小可燃物引起的[17]。而直徑＜0.64 cm的小枝是1 h時滯細(xì)小可燃物的重要組成部分，本文為了更加精確地劃分小枝的抗火性能，將＜0.64 cm的小枝又細(xì)化分為直徑＜0.32 cm和直徑＜0.16 cm。由圖2可以看出，小枝的抗火性排序?yàn)樾≈Γ?.64 cm）＞小枝（0.32 cm）＞小枝（0.16 cm）。對小枝的直徑與抗火性綜合評分進(jìn)行相關(guān)分析和回歸分析（相關(guān)分析見表5，回歸分析見圖2）。通過分析可知，蒙古櫟的小枝直徑與抗火性的相關(guān)系數(shù)為0.99，說明抗火性與小枝直徑之間存在極其顯著正向線性相關(guān)關(guān)系，即小枝的直徑越大，抗火性越好。線性方程為y=0.35x+0.02。

表5 蒙古櫟小枝抗火性與不同直徑的相關(guān)分析

圖2 不同直徑蒙古櫟小枝抗火性

4 討論與結(jié)論

蒙古櫟林是我國東北林區(qū)的常見森林類型，當(dāng)原始林受到自然干擾和人為破壞后，蒙古櫟林是形成次生林的主要樹種之一[21,22]。蒙古櫟林材質(zhì)堅硬，根系發(fā)達(dá)且環(huán)境適應(yīng)能力極強(qiáng)，在防風(fēng)防火、涵養(yǎng)水源和水土保持等方面起著至關(guān)重要的作用[23]。蒙古櫟林在吉林省分布極廣，從西部丘陵地區(qū)至東部山區(qū)，一直到中朝邊境都有分布，且在長白山林區(qū)海拔1000 m處也有分布[24]。蒙古櫟對林火的適應(yīng)能力也很強(qiáng)，由于其發(fā)芽較晚，一般可錯過易發(fā)生火災(zāi)的防火戒嚴(yán)期發(fā)芽，避免嫩芽遭到火燒。即使受反復(fù)火燒后，也能夠更新，可以出現(xiàn)多代萌生，具有頑強(qiáng)的生命力[25，26]。

通過研究發(fā)現(xiàn)，蒙古櫟不同部位中樹皮的抗火性最強(qiáng)、其次是樹葉和小枝。鄒璐在對井岡山自然保護(hù)區(qū)32個樹種抗火性的研究中也指出，同一樹種，樹皮的抗火性要強(qiáng)于樹葉和小枝[27]。這可能與可燃物的表面積體積比有關(guān)?？扇嘉锉砻娣e體積比是影響燃燒和蔓延的重要指標(biāo)，一般來說可燃物個體越小且形狀平整則越容易點(diǎn)燃和燃燒[28]。通過對小枝直徑與抗火性的相關(guān)分析也發(fā)現(xiàn)，蒙古櫟的小枝直徑與抗火性呈現(xiàn)極其顯著正向線性相關(guān)關(guān)系，即小枝直徑越小，抗火性越差。綜上所述，蒙古櫟林地表可燃物的抗火性較差，尤其是枯落的小枝。如果發(fā)生森林火災(zāi)，它將是主要的可燃物。因此，在森林火災(zāi)的預(yù)防過程中，針對蒙古櫟林的地表可燃物一定要定期清理，直徑過細(xì)的小枝要格外注意，以防森林火災(zāi)的發(fā)生。

蒙古櫟樹皮的抗火性大小依次為38.20 cm＞42.10 cm＞36.60 cm＞27.40 cm＞18.00 cm＞20.6 0cm＞15.60 cm＞22.90 cm＞26.80 cm＞31.40 cm＞34.50 cm＞17.90 cm＞28.20 cm。通過相關(guān)分析和回歸分析結(jié)果可以看出，蒙古櫟樹皮的抗火性與胸徑呈正向線性相關(guān)關(guān)系，即隨著樹木胸徑的增大樹皮抗火性也就越強(qiáng)。樹皮的生物學(xué)特征如樹皮厚、結(jié)構(gòu)等對其本身的抗火能力是有一定的影響的[29,30]。蒙古櫟的樹皮隨著胸徑的增長，樹皮本身也會變得越厚，材質(zhì)也會越來越堅實(shí)緊密[31]，對林火的抵抗能力也會有所增強(qiáng)。因此，在森林防火工作中要對胸徑小的蒙古櫟進(jìn)行主要防范。一旦發(fā)生火災(zāi)要及時撲救，否則林火很有可能經(jīng)樹皮蔓延至林冠，形成危害大、撲救難的樹冠火。