紫金山登山道主要樹種抗火性研究

侯繼萍，蘆建國*，余義亮，卓啟苗

(1.南京林業(yè)大學風景園林學院，南京，210037；2.景德鎮(zhèn)學院，景德鎮(zhèn)，333000)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，人為性火源占世界森林火災總數(shù)量的90%～97%，我國則在95%左右[1]。隨著生態(tài)旅游的快速發(fā)展，大量游客涌入森林生態(tài)旅游區(qū)使森林防火問題越來越突出[2]。紫金山是南京城市核心區(qū)開放式森林公園，也是南京市城區(qū)內(nèi)面積最大的森林斑塊，森林覆蓋率高達70.2%，約占南京城市森林面積的15.6%[3]。據(jù)2014年紫金山管理所統(tǒng)計，近兩年紫金山日流量達8000人次，節(jié)假日更高達2萬人[4]。風景旅游區(qū)常常具有深厚的文化歷史和豐富的植物資源，一旦發(fā)生火災將使森林資源遭受巨大損失，且短時間內(nèi)難以修復，而且可能會使歷史人文資源不復存在。生物防火林帶利用不同樹種間抗火性的差異和林分的獨特結(jié)構(gòu)，能將火源阻隔在林緣之外，起到阻火、隔火和斷火的作用，被廣泛應用在森林防火中[5-7]。防火樹種的選擇及應用是影響生物防火林帶阻火效果的關(guān)鍵因素。目前，國內(nèi)外對防火樹種的選擇主要從樹種燃點、燃燒熱等理化性質(zhì)，形態(tài)、結(jié)構(gòu)、樹皮厚度、自然整枝性能等生物學特性，及耐陰性、適應性等生態(tài)學特性，多個方面分析樹種的抗火性能。在防火樹種的選擇方法方面，主要有火場植被調(diào)查法、模擬火場實驗法、直接進行火燒試驗方法、經(jīng)驗分析方法、實驗方法、綜合評判方法等。AHP層次分析法、主成分分析法、灰色關(guān)聯(lián)度分析方法等綜合評判方法，能夠較好地反應出樹種的燃燒性能、生物及生態(tài)學特性、造林學特性、經(jīng)濟價值等多方面的特性，被廣泛應用于防火樹種的選擇研究。

在風景旅游區(qū)生物防火林帶營建中，一般的規(guī)則式防火林帶樹種單一，結(jié)構(gòu)簡單，很難達到與景區(qū)多類景觀融合的要求，這也是阻礙生物防火林帶在風景旅游區(qū)森林防火中推廣應用的一個重要因素。從風景區(qū)森林主要樹種中篩選出抗火性較強的樹種，一方面可以增加防火樹種選擇種類，避免引種防火植物可能產(chǎn)生的生長不良的問題，提升防火林帶與景區(qū)景觀的融合程度；另一方面也可以了解森林主要樹種的抗火性狀況，有利森林防火及森林資源管理，是風景區(qū)生物防火林帶營造的重要一步。本研究運用層次分析法和系統(tǒng)聚類分析法對紫金山登山道32種主要樹種進行抗火能力綜合評價和分類，以期為該地區(qū)生物防火林帶的建設(shè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 選材與采樣

根據(jù)前人調(diào)查研究及實際調(diào)查結(jié)果，選擇紫金山登山道32種主要樹種為研究對象，包括楓香(LiquidambarformosanaHance)、女貞(LigustrumlucidumAit)、樸樹(CeltissinensisPers.)、栓皮櫟(QuercusvariabilisBl.)、紫彈樸(CeltisbiondiiPamp.)、馬尾松(PinusmassonianaLamb.)、黃連木(PistaciachinensisBunge)、石楠(PhotiniaserrulataLindl.)、麻櫟(QuercusacutissimaCarruth.)、糙葉樹(Aphanantheaspera(Thunb.) Planch.)、黃檀(DalbergiahupeanaHance)、老鴉柿(DiospyrosrhombifoliaHemsl.)、青岡(Cyclobalanopsisglauca(Thunb.) Oerst.)、青桐(Firmianaplatanifolia(L. f.) Marsili)、冬青(IlexchinensisSims)、構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera(L.) Vent.)、香樟(Cinnamomumcamphora(L.) Presl.)、石櫟(Lithocarpusglaber(Thunb.) Nakai)、山胡椒(Linderaglauca(Sieb. et Zucc.) Bl)、白檀(Symplocospaniculata(Thunb.)Miq.)、枸骨(IlexcornutaLindl. et Paxt.)、油茶(CamelliaoleiferaAbel.)、雞爪槭(AcerpalmatumThunb.)、衛(wèi)矛(Euonymusalatus(Thunb.) Sieb)、瓜木(Alangiumplatanifolium(Sieb. et Zucc.) Harms)、短葉中華石楠(PhotiniabeauverdianaSchneid. var.BrevifoliaCard.)、苦樹(Picrasmaquassioides(D. Don) Benn.)、狹葉山胡椒(LinderaangustifoliaCheng)、柘樹(Cudraniatricuspidata(Carr.) Bur. ex Lavallee)、紫薇(LagerstroemiaindicaL.)、垂珠花(StyraxdasyanthusPerk.)、茶樹(Camelliasinensis(L.) O. Ktze.)。在對樹種抗火性影響因子綜合分析的基礎(chǔ)上，借鑒前人相關(guān)研究方法[8-11]，選擇對樹種抗火性影響較大的燃燒特性、生物學抗火特性、生態(tài)學抗火特性三個方面的11項指標，對紫金山登山道主要樹種的抗火性進行綜合評價和分析。

在登山道兩側(cè)5 m范圍內(nèi)林區(qū)，每個樹種分別選取3株生長良好的樹木作為樣株，采集樹冠陽面中部成熟的葉片；在1.3 m樹高處，用刀割下7 cm×7 cm的樹皮，采下后用塑料袋密封。采集時間集中在5月，晴天10時～15時同一時間，并結(jié)合調(diào)查樹冠結(jié)構(gòu)、樹皮特征等生物學和生態(tài)學特征。

1.2 研究方法

1.2.1 理化指標測定方法

葉片含水率(%)采用105 ℃烘干恒重法，樣品含水率(%)=(試樣鮮質(zhì)量-試樣干質(zhì)量)/試樣鮮質(zhì)量×100%；燃點(℃)利用DW-2型點著測定儀測定；熱值(kJ/kg)用GR-3500型絕熱氧彈式量熱計測定，熱值以干質(zhì)量熱值(gross caloric value,GCV)來表示[12]。葉片厚度和樹皮厚度使用游標卡尺測量，葉片測量中5層葉片為一組，樹皮單層為一組，各測量8組，取平均值[13]。

1.2.2 生物生態(tài)特征指標評定方法

樹種的生物學和生態(tài)學下屬的單項指標，采用專家咨詢和現(xiàn)場調(diào)查相結(jié)合的方式，以成熟樹種為對象，根據(jù)不同樹種的生物學和生態(tài)學特性，采用打分法(3分或4分)對調(diào)查結(jié)果量化[14]，各單項指標評分標準見表1。

表1 樹種生物學、生態(tài)學特征評分標準Table 1 Classification criteria for biological and ecological characteristics of tree species

1.3 分析方法

層次分析法是一種定性與定量分析方法相結(jié)合的綜合評價方法[15]。采用層次分析法確定影響樹種抗火性的各評價指標的權(quán)重，各評價指標的測定或判定值的標準化值乘以各指標的權(quán)重之和，即為樹種抗火性的總評價值。用系統(tǒng)聚類方法對樹種的抗火能力總得分進行聚類。

1.3.1 層次分析結(jié)構(gòu)模型

應用層次分析法對評價指標建立層次分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，本研究評價指標分為3個層次：第一層為目標層(O)，即樹種抗火性綜合評價總目標；第二層為準則層，包括燃燒性(U1)、生物學抗火特性(U2)和生態(tài)學抗火特性(U3)；第三層為11項評價指標層，見圖1。

圖1 層次分析模型Fig.1 Analytic model

1.3.2 構(gòu)造判斷矩陣及一致性檢驗

應用專家調(diào)查法和1～9比率標度法構(gòu)造判斷矩陣[16]，判斷矩陣建立后，運用方根法計算各指標的權(quán)重(Wi)，對判斷矩陣進行一致性檢驗。層次單排序一致性檢驗方法為計算矩陣一致性指標CI，CI=(λmax-n)/(n-1)，式中λmax為判斷矩陣的最大特征根，n為判斷矩陣的階數(shù)。求出隨機一致性比率CR，CR=CI/RI,式中CI為矩陣一致性指標，RI為矩陣隨機一致性指標，各階數(shù)矩陣的RI值[17]見表2。如果CR<0.1,則判斷矩陣通過一致性檢驗，否則需要對判斷矩陣進行重新調(diào)整。

表2 各階數(shù)矩陣的隨機一致性指標Table 2 Random consistency indicators of each order matrix

層次總排序一致性檢驗公式：

CR=CI/RI

式中：CI為層次總排序一般一致性指標，RI為層次總排序平均隨機一致性指標，Uj為準則層Ui指標對應M權(quán)值，CIj為層次單排序時Ui所對應的判斷矩陣一般一致性指標，RIj為層次單排序時Ui所對應的判斷矩陣平均隨機一致性指標。

當CR<0.10時，層次總排序結(jié)果具有滿意的一致性，否則需要對矩陣重新進行調(diào)整。

2 結(jié)果與分析

2.1 判斷矩陣及計算結(jié)果

根據(jù)專家評分結(jié)果構(gòu)造判斷矩陣，運用方根法計算準則層(U)相對于目標層(O)和指標層與相對應的準則層的權(quán)重值(Wi)，以及指標層各因子相對于目標層的權(quán)重值。

2.1.1 判斷矩陣O-U及其計算結(jié)果

根據(jù)研究及計算結(jié)果，生物學特性U2和燃燒特性U1對樹種抗火性的影響較大，環(huán)境適應性U3對樹種抗火性的影響相對較小。準則層中各因素的重要程度排序為:生物學特性U2>燃燒特性U1>環(huán)境適應性U3，且U1、U2的權(quán)重值明顯大于U3。準則層(U)與目標層(O)的判斷矩陣及權(quán)重值計算結(jié)果如表3所示。

表3 判斷矩陣O-U及計算結(jié)果Table 3 Judgment matrix O-U and calculation results

2.1.2 判斷矩陣U1-M及其計算結(jié)果

根據(jù)準則層U1與所對應的指標層M的計算與分析結(jié)果，含水率對樹種燃燒性的影響最大，其次是熱值和燃點，指標層中各因素的重要程度排序為：含水率M1>熱值M3>燃點M2。U1-M判斷矩陣及權(quán)重值計算結(jié)果如表4所示。

表4 判斷矩陣U1-M及計算結(jié)果Table 4 Judgment matrix U1-M and calculation results

2.1.3 判斷矩陣U2-M及其計算結(jié)果

根據(jù)準則層U2與所對應的指標層M的計算與分析結(jié)果，指標層中樹葉特性M4、樹皮特征M8和樹冠結(jié)構(gòu)M5，這3個生物學指標特征對樹種的抗火性影響較大，其他指標對樹種抗火性的影響相對較小。指標層中各因素的重要程度排序為樹葉特性M4>樹皮特征M8>樹冠結(jié)構(gòu)M5>樹葉厚度M6>樹葉質(zhì)地M7>樹木形狀M9。U2-M判斷矩陣及權(quán)重值計算結(jié)果如表5所示。

表5 判斷矩陣U2-M及計算結(jié)果Table 5 Judgment matrix U2-M and calculation results

2.1.4 判斷矩陣U3-M及其計算結(jié)果

根據(jù)準則層U3與所對應的指標層M的計算與分析結(jié)果，指標層中各因素的重要程度排序為適應性M11>樹木萌芽能力M10。U3-M判斷矩陣及權(quán)重值計算結(jié)果如表6所示。

表6 判斷矩陣U3-M及計算結(jié)果Table 6 Judgment matrix U3-M and calculation results

2.1.5 層次總排序及其計算結(jié)果

根據(jù)準則層與指標層單層權(quán)重值計算結(jié)果，計算求得指標層各因子相對于目標層的權(quán)重值。結(jié)果表明，樹葉特性M4、含水率M1、樹皮特征M8、熱值M3、樹冠結(jié)構(gòu)M5等對樹種抗火性的影響較大，樹木性狀M9對樹種抗火性的影響最小。指標層各因子相對于目標層的權(quán)重值計算結(jié)果如表7所示。

表7 各個指標相對于目標層的權(quán)重Table 7 Weights of each indicator relative to the target layer

注:層次總排序一致性CR=[(0.02680×0.3331)+(0.09624×0.5695)+0]÷[(0.58×0.3331)+(1.24×0.5695)+0]=0.07087。CR<0.1，總排序通過一致性檢驗，各評價指標所確定的權(quán)重復合要求。

2.2 各樹種11項指標實際測定或評定值的標準化值

采用極差化方法[18]對原始測定或評定值進行標準化處理，使各指標處于同一水平，各樹種指標實際測定或評定值標準化值見表8。

2.3 各樹種防火性能綜合評價及聚類分析

將表8中各樹種M層11項指標的標準化值分別與表7中該項指標相對于目標層總權(quán)值Wi相乘得該項評分，下屬的M層評價值求和即為準則層U評價值，準則層評價值求和即為目標層O的總評價值，即為綜合總評分。根據(jù)樹種總評價值分析，樹種抗火性排序：石楠>冬青>油茶>栓皮櫟>青岡>枸骨>麻櫟>紫彈樸>茶樹>香樟>女貞>石櫟>樸樹>楓香>黃檀>黃連木>老鴉柿>柘樹>垂珠花>糙葉樹>短葉中華石楠>紫薇>苦樹>山胡椒>狹葉山胡椒>構(gòu)樹>瓜木>雞爪槭>白檀>衛(wèi)矛>馬尾松。各樹種抗火性評價結(jié)果如表9所示。

表8 各樹種指標實際測定或評定值標準化值Table 8 The actual measurement or standardization value of each tree species index

續(xù)表8

表9 各樹種抗火性總評價值及排序Table 9 Total evaluation and ranking of fire resistance of various tree species

續(xù)表9

運用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件，將表9中的各樹種的總評價值，進行標準化轉(zhuǎn)化，采用歐式距離、類平均法進行系統(tǒng)聚類，得圖2。結(jié)合林業(yè)實際，可以將這些樹種大致分成4大類。

注：編號對應的樹種名稱見表8圖2 各樹種綜合評價系統(tǒng)聚類分析圖Fig. 2 Cluster analysis of the comprehensive evaluation system of each tree species

綜合抗火能力較強樹種12種：石楠、油茶、冬青、栓皮櫟、青岡、枸骨、麻櫟、紫彈樸、香樟、茶樹、石櫟、女貞。

綜合抗火能力一般樹種7種：樸樹、楓香、黃檀、黃連木、老鴉柿、柘樹、垂珠花。

綜合抗火能力較弱樹種12種：糙葉樹、短葉中華石楠、苦樹、山胡椒、紫薇、狹葉山胡椒、瓜木、構(gòu)樹、雞爪槭、白檀、青桐、衛(wèi)矛。

抗火性最弱樹種1種：馬尾松。

由樹種抗火性綜合評價值聚類分析結(jié)果可以看出，抗火能力較強的樹種多為常綠闊葉樹種，落葉樹種及針葉樹一般抗火性較差。

3 討論

本試驗結(jié)果符合常綠闊葉樹種難燃和抗火性強的一般規(guī)律，冬青、青岡、女貞、石楠、油茶、枸骨、茶樹等抗火性強，與Catry等[19]、陳存及等[20]、肖金香等[21]、溫開德和歐陽園蘭[22]研究結(jié)果一致，但在樹種抗火性排序中略有差異，如溫開德通過對11種常綠闊葉樹種的樹皮抗火性進行研究認為女貞抗火性大于冬青，且兩種樹種的抗火性均大于香樟。樹種的抗火性受樹葉、樹皮、樹冠特征等多種因素的影響，與林分結(jié)構(gòu)、立地條件、氣候特征等密切相關(guān)，本文只從樹葉燃燒特性、樹種生物學和生態(tài)學特征出發(fā)，選擇11個指標來評價樹種的抗火性，將樹種抗火性理論研究與火燒現(xiàn)場調(diào)查及森林火燒實驗模擬結(jié)合，可以更全面的反映樹種的抗火性。

4 結(jié)論

本文運用層次分析法，選擇樹種燃燒性、生物學和生態(tài)學特性三個方面的11項指標，建立層次分析模型，對樹種的防火性能進行了綜合評價和系統(tǒng)聚類分析，將32個樹種分成4大類，其中抗火能力較強樹種12種，抗火能力一般樹種7種，抗火能力較弱樹種12種，抗火能力最弱樹種1種。冬青、青岡、女貞等常綠大喬木，石楠、油茶、枸骨、茶樹等常綠灌木抗火性較強，可以作為防火樹種。糙葉樹、短葉中華石楠、苦樹、山胡椒、紫薇、狹葉山胡椒、瓜木、構(gòu)樹、雞爪槭、白檀、青桐、衛(wèi)矛、馬尾松等抗火性差，在森林防火中需要重點防護。