西寧周邊山地主要造林樹種防火性能評(píng)價(jià)

李海佳，鄭淑霞，單笑笑，馬玉林，宋 錚，任 飛

(1.青海省農(nóng)林科學(xué)院，青海 西寧 810016；2.青海高原林木遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016；3.青海大學(xué)省部共建三江源生態(tài)和高原農(nóng)牧業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016)

森林火災(zāi)不僅影響森林生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡，而且對(duì)森林空間格局和結(jié)構(gòu)[1-3]、森林生物多樣性維持[4]、土壤碳循環(huán)[5]等產(chǎn)生顯著的影響[6]。開展生物防火是林區(qū)林火管理的發(fā)展方向，已經(jīng)受到森林防火專家和有關(guān)部門的高度重視[7]。國(guó)家林業(yè)和草原局森林防火辦公室的相關(guān)資料表明，樹種的燃燒主要與燃點(diǎn)、熱值、含水率、灰分含量及抽提物含量關(guān)系較大[8-9]?？扇嘉锏姆N類不同，其燃燒性也存在著很大差異[10]，可以通過(guò)樹種的燃燒性研究，判斷其防火性能。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者針對(duì)樹種的燃燒特性進(jìn)行了許多研究，并取得了一定的研究進(jìn)展[11-15]，在評(píng)價(jià)防火性能時(shí)用到的方法有加權(quán)賦值法、AID 法、層次分析法、多元回歸分析法、主成分分析法、灰色綜合評(píng)判法和典型相關(guān)性分析等。目前，青海省在樹種防火特性和防火性能評(píng)價(jià)方面的研究還未見報(bào)道。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)青海西寧周邊高寒山地樹種進(jìn)行理化性質(zhì)和樹種燃燒性的試驗(yàn)研究，探討樹種燃燒性差異，為該地區(qū)防火樹種的選擇與降低森林火災(zāi)隱患提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

西寧周邊山地統(tǒng)屬祁連山系，地理位置為36°31'～37°28' N；100°52'～101°54' E，海拔2 170～2 850 m[16]，屬高原大陸性氣候，日照強(qiáng)烈，年日照時(shí)數(shù)在2 500 h 以上，冬季寒冷且漫長(zhǎng)，春季大風(fēng)和沙暴很多，年均溫度6℃。雨量較少，降雨主要集中在5 月下旬至9 月下旬，年降水量367.5 mm，總體的氣候特征為：氣壓低，日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射大，晝夜溫差大，冰凍期長(zhǎng)，無(wú)霜期短，降水少，蒸發(fā)量大，氣候惡劣，樹木生長(zhǎng)緩慢，枯落物難分解，是森林火災(zāi)的易發(fā)區(qū)[17]。樣品采集地分別位于西寧北山的蔡家溝、雙蘇堡、中莊等山地人工林林區(qū)，能夠代表西寧周邊山地林區(qū)的10 個(gè)常見主要造林樹種且采集到所需的試驗(yàn)樣本（見表1）。

表1 參試樹種基本信息Table 1 The basic information of tree species

1.2 樣品采集

于2019 年8 月進(jìn)行樣品采集，第一次降水3 天之后的晴天中午14 點(diǎn)左右，此時(shí)可燃物的含水率為全天最低[18]。采集母樹位于山地半陰坡，中幼林。利用枝剪和高枝剪，采集樹冠四周的功能葉片，并去除病葉和殘葉，闊葉樹種采集當(dāng)年生的新鮮葉片，針葉樹種則按照比例采集往年生葉和當(dāng)年生葉；樹枝取樣于母樹四周的側(cè)枝，按1 年生枝和多年生枝的占比，決定枝條采樣的比例，枝條按直徑0.3～2.5 cm，剪成5 m 左右枝段；樹皮在離地面1.5 m 以下的側(cè)枝選取，現(xiàn)場(chǎng)剝?nèi)∪缓髮悠愤M(jìn)行編號(hào)，初步整理后裝入塑封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室烘干備用。各樣品分別采集鮮質(zhì)量2 000 g。

1.3 研究方法

1.3.1 樣品理化性質(zhì)指標(biāo)測(cè)定

（1）含水率

采用105 ℃+2 ℃烘干恒質(zhì)量法，具體步驟參照GB/T 2677.2—2001 造紙?jiān)纤值臏y(cè)定方法[19]。重復(fù)3 次，取其算術(shù)平均值作為測(cè)定結(jié)果。計(jì)算出樹葉、樹皮、樹枝的含水率。

（2）熱值

將粉碎的樣品過(guò)60 目篩網(wǎng)，采用粉末壓片機(jī)壓成藥片狀并切成2～4 mm 小塊備用。利用千分之一精確度的天平，稱取待測(cè)樣品1 g (精確至0.000 1 g)，用材料燃燒熱值測(cè)試儀（蘇州泰思泰克檢測(cè)儀器科技有限公司）進(jìn)行測(cè)定。重復(fù)3 次，取算術(shù)平均值為樣品熱值。

（3）燃點(diǎn)

首先將粉碎的樣品過(guò)60 目篩，避免因研磨不完全造成燃燒的差異。其次，將樣品等量分為3 組，每組隨機(jī)利用電子天平稱量1 g，編號(hào)后作為測(cè)定的樣品。采用DW-2 點(diǎn)著溫度測(cè)定儀，采取逐步加溫的方法，在每個(gè)預(yù)定的溫度依次對(duì)3 個(gè)樣品進(jìn)行燃燒性能的測(cè)試，當(dāng)3 個(gè)樣品中至少有2 個(gè)出現(xiàn)5 s 及以上的火焰時(shí)，認(rèn)為樣品能夠在該溫度下燃燒，該溫度即為樣品的燃點(diǎn)；反之，則以10℃為梯度逐漸升高溫度，直至出現(xiàn)前面所述的燃燒條件為止。

1.3.2 燃燒性測(cè)定 首先將樣品烘至恒質(zhì)量，取5 g 樣品放在邊長(zhǎng)為100 mm，孔隙為2 mm×2 mm的網(wǎng)格鐵片的自制的燃燒床上，然后將其放置在最高功率為1 000 W 的實(shí)驗(yàn)電爐上，測(cè)定時(shí)先將鐵網(wǎng)片用電爐調(diào)至最高功率加熱至穩(wěn)定的溫度，直至鐵網(wǎng)片發(fā)紅起放入試樣樣品在鐵網(wǎng)片的中間位置，自放入樣品時(shí)開始用秒表計(jì)時(shí)，觀測(cè)火焰高度和燃燒時(shí)間，重復(fù)3～5 次，最終確定火燒強(qiáng)度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 燃燒指標(biāo)降維及特征因子和樹種理化特性相關(guān)性檢驗(yàn) 對(duì)10 個(gè)參試樹種的15 個(gè)抗燃性、燃燒性指標(biāo)，進(jìn)行因子分析、綜合降維處理，提出能反映樹種抗燃性、燃燒性的綜合性指標(biāo)，且該指標(biāo)的賦分具有較好的合理性。結(jié)合因子分析的賦分值，依據(jù)樹種的理化性質(zhì)，采用Pearson 指數(shù)和偏相關(guān)分析進(jìn)行處理，擬找出最能反應(yīng)植物防火性的理化性質(zhì)。

1.4.2 樹種防火性能 基于因子分析最大方差法的標(biāo)準(zhǔn)賦分法賦分后，利用公式（1）從各個(gè)樹種的抗燃性和燃燒性兩方面計(jì)算植物的綜合防火性能。

式中，W為綜合得分矩陣，λ為各因子得分的權(quán)重系數(shù)矩陣，U為各因子得分矩陣。

通常來(lái)說(shuō)燃燒試驗(yàn)最能直觀的反應(yīng)樹種的防火性能，因此，其排序結(jié)果代表著物種的表征防火性能。而實(shí)際試驗(yàn)中，由于人為測(cè)量燃燒試驗(yàn)中帶來(lái)的不可避免的誤差，以及森林火災(zāi)中錯(cuò)綜復(fù)雜的實(shí)際情況，樹種自身的理化性質(zhì)也對(duì)其防火性帶來(lái)很大影響。本試驗(yàn)采取基于燃燒試驗(yàn)和基于綜合值的兩種排名。為了量化樹種基于自身的理化性質(zhì)的綜合值排序位置與基于燃燒性試驗(yàn)的排序位置的差異，采用歐氏距離空間，用公式（2）計(jì)算出量化差值Δ。

式中，xi代表樹種基于自身的理化性質(zhì)的綜合值排序，xj代表樹種基于燃燒性試驗(yàn)的排序。

在隨機(jī)的情況下，量化差值越大，說(shuō)明兩種排序位置差異越大，當(dāng)兩種排序的結(jié)果差異極端不相似時(shí)，同一物種在兩種排序體系下的排序差異最大，這時(shí)的排序差異是所有物種極端不相似情況下的求和的絕對(duì)差值。

為更加清晰的判斷兩體系的相似程度，采用兩體系實(shí)際的絕對(duì)差值之和與總體的比值S來(lái)檢對(duì)樹種防火性能的指示性。當(dāng)基于自身理化性質(zhì)的綜合值排序和基于燃燒性試驗(yàn)排序一致時(shí)，兩個(gè)體系的相似度比值為0，而當(dāng)所有樹種位置都相同時(shí)，相似度比值為1。

式中，n為參與排序的樹種的個(gè)數(shù)，S則為相似度。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗燃性因子

樹種在抗燃性、耐火性及防火性能存在差異是由于樹種的理化性質(zhì)和燃燒性不同[20]，通過(guò)因子分析，將10 個(gè)樹種各個(gè)部位（樹枝、樹皮和樹葉）的燃點(diǎn)和含水率可以歸成兩個(gè)互相獨(dú)立的公因子，在滿足KMO 和巴特利特檢驗(yàn)的要求的前提下，累積方差貢獻(xiàn)率79.97%（見表2），經(jīng)過(guò)超過(guò)25 次的正交旋轉(zhuǎn)后，各因子的載荷值趨向于兩極分化（見表3），第一公因子對(duì)各個(gè)部位的燃點(diǎn)和樹葉的含水率具有較大的載荷系數(shù)，可解釋為抗火性因子；第二公因子對(duì)各個(gè)部位的含水率具有較大的載荷系數(shù)，可解釋為含水率因子；由分析結(jié)果建立因子分析的標(biāo)準(zhǔn)得分系數(shù)矩陣（見表3），以各因子方差貢獻(xiàn)率占公共因子方差貢獻(xiàn)率的比重進(jìn)行加權(quán)匯總，建立得分函數(shù)：

表2 抗燃性因子提取后的總方差分解Table 2 Variance decomposition following extracting incombustibility factors

再以旋轉(zhuǎn)后的各公共因子的貢獻(xiàn)率作為權(quán)重，把f1和f2代入fa，得

fa=(52.598f1+27.372f2)/79.97，得到抗燃性因子fa的綜合得分（表3）。

表3 樹種抗燃性公因子矩陣Table 3 Common factors matrix and factor' score for trees incombustibility

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.2.1 燃燒表征因子 由因子分析，將樹葉，樹枝和樹皮的燃燒時(shí)間和燃燒強(qiáng)度歸為2 個(gè)用來(lái)描述植物燃燒實(shí)驗(yàn)中的植物燃燒現(xiàn)象的公因子，兩公因子累積方差貢獻(xiàn)率為79.739%（表4），建立公因子賦分函數(shù)，建立樹種燃燒表征公因子矩陣（表5）。

表4 燃燒表征因子提取后的總方差分解Table 4 Variance decomposition following extracting flammability factors

表5 樹種燃燒表征公因子矩陣Table 5 Common factors matrix and extrinsic factor of tree species combustion

2.2.2 內(nèi)在燃燒性因子 經(jīng)因子分析，將樹葉，樹枝和樹皮的熱值歸為一個(gè)描述的公因子fb2，將得分系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化后（表6），得到系數(shù)0.33，0.35，0.32，再代入原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算（fb2=0.33x1+0.35x2+0.32x3），得到燃燒內(nèi)在因子fb2。

表6 樹種內(nèi)在燃燒因子矩陣Table 6 Common factors matrix and internal factor of tree species combustion

2.3 理化性質(zhì)與防火特性的相關(guān)性

為進(jìn)一步分析樹種的理化性質(zhì)對(duì)樹種的抗火性的指示作用，對(duì)10 個(gè)樹種的9 個(gè)理化性質(zhì)指標(biāo)以及根據(jù)實(shí)際測(cè)定的指標(biāo)所模擬的抗燃性因子fa，燃燒表征因子fb1和燃燒內(nèi)在因子fb2進(jìn)行Pearson 相關(guān)分析（表7），可以看出內(nèi)在燃燒因子fb2與樹葉含水率、樹枝燃點(diǎn)和樹皮燃點(diǎn)間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05），而燃燒表征因子fb1（燃燒強(qiáng)度，燃燒時(shí)間）不與任何理化性質(zhì)（含水率、熱值、燃點(diǎn)）以及其他因子有顯著的相關(guān)性，表明其是一個(gè)由許多因素共同決定的因子?？谷夹砸蜃觙a（含水率，燃點(diǎn)）與樹葉熱值和燃燒內(nèi)在因子fb2是顯著負(fù)相關(guān)的（P<0.05）。值得注意的是，抗燃性因子fa只與樹皮含水率和樹枝含水率呈弱相關(guān)的關(guān)系。

表7 10 個(gè)樹種的9 個(gè)理化性質(zhì)指標(biāo)與防火因子間的Pearson 相關(guān)系數(shù)Table 7 Pearson correlation coefficients between physicochemical propertiesand fire prevention factors for 10 tree species

實(shí)際試驗(yàn)中，為了有效的篩選樹種的防火指標(biāo)，同時(shí)盡可能減少理化性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定。在前述的相關(guān)分析中，燃燒表征因子fb2和樹葉含水率，樹皮燃點(diǎn)以及樹枝燃點(diǎn)呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，能最好的反映燃燒表征因子fb2；而抗燃性因子fa又和由樹種的樹葉、樹皮、樹枝的熱值所組成的燃燒表征因子fb2以及其中的樹葉熱值有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，為研究這些理化性質(zhì)指標(biāo)與因子在反映樹種燃燒特性上的冗余，采用控制變量的偏相關(guān)分析方法（表8）。

表8 Pearson 相關(guān)系數(shù)中冗余信息的偏相關(guān)系數(shù)Table 8 Partial correlation coefficients among redundant information of Pearson correlation coefficients

從表8 可以看出，當(dāng)控制變量為樹皮燃點(diǎn)和樹枝燃點(diǎn)時(shí)，樹葉含水率和燃燒表征因子fb2相關(guān)度為?0.608，顯著高于其他因子，表明樹葉含水率對(duì)燃燒表征因子fb2的反向指示性最好。在控制樹葉熱值作為控制變量后，抗燃性因子fa與燃燒表征因子fb2具有較高的偏相關(guān)性，為?0.311，表明理化因子相互間的制約很明顯，而燃燒表征因子fb2對(duì)單一理化性質(zhì)的偏相關(guān)性較小。

2.4 樹種防火性能

因子分析過(guò)程中，樹種的防火性能是樹種含水率、燃點(diǎn)、熱值、燃燒強(qiáng)度和燃燒時(shí)間等因素共同決定的，因此在評(píng)價(jià)體系中防火性能綜合值越高，則該樹種的防火性能越好。而在實(shí)際試驗(yàn)中，燃燒試驗(yàn)中的燃燒時(shí)間和燃燒強(qiáng)度最能直接反映出樹種的抗火性能，燃燒試驗(yàn)綜合值越高代表該樹種抗火性能越差。對(duì)于反映樹種抗火性的燃點(diǎn)及含水率2 個(gè)理化指標(biāo)，其值越大，樹種的抗火性能越強(qiáng)。同理，根據(jù)相關(guān)分析的結(jié)果（表7，表8），燃燒時(shí)間和燃燒強(qiáng)度可表征樹種的燃燒性能，而熱值可指示樹種的燃燒性。因此，對(duì)抗燃性因子fa及樹葉含水率進(jìn)行正向標(biāo)準(zhǔn)化，將fb1表征燃燒因子及fb2內(nèi)在燃燒因子進(jìn)行負(fù)向標(biāo)準(zhǔn)化。

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后，根據(jù)燃燒試驗(yàn)和理化指標(biāo)對(duì)樹種防火性能的重要程度，假設(shè)燃燒性和抗火性對(duì)樹種防火性能的貢獻(xiàn)相同（等于0.5）[12]，得出樹種的防火綜合值排名。燃燒時(shí)間和燃燒強(qiáng)度對(duì)樹種防火性的指示性能相同，將權(quán)重各設(shè)為0.5，根據(jù)公式（2）的計(jì)算結(jié)果，物種的分別基于燃燒試驗(yàn)和基于綜合值的樹種防火性能綜合值排序如表9所示。

表9 分別基于燃燒試驗(yàn)和基于綜合值的樹種防火性能綜合值排序Table 9 Species order for fire prevention ability based on each of burning experiment and physicochemical properties

本試驗(yàn)中基于燃燒試驗(yàn)和基于綜合值的兩種排名存在差異，為了量化樹種的兩種排序位置的差異，結(jié)合公式（3）和公式（4），得出兩體系實(shí)際的絕對(duì)差值之和與總體的比值S，即相似度達(dá)到了64%，說(shuō)明兩種排序間存在一定的差異。研究結(jié)果中，除了砂地柏和青海云杉，其余樹種的差值在0～2 之間，其原因可能是燃燒試驗(yàn)中樹種取樣不均勻造成的，從而導(dǎo)致了兩種排序在位置上的差異。

3 討論

樹種自身的理化特性及抗燃性能夠在一定程度上反映出樹種的防火特性。本研究對(duì)西寧周邊山地的10 種主要造林樹種進(jìn)行理化性質(zhì)測(cè)定和燃燒試驗(yàn)。認(rèn)為四翅濱黎是其中防火性能最好的樹種、山杏、黃刺玫次之，且所用評(píng)價(jià)方法體系與李修鵬[12]、駱文堅(jiān)[21]等在評(píng)價(jià)樹種防火性能一致。

本研究中燃燒內(nèi)在因子fb2和樹葉含水率存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明樹葉的含水率越低，其越不容易燃燒。這與李修鵬等[12]研究結(jié)果一致。而燃燒表征因子fb1不與任何理化性質(zhì)以及其他因子存在顯著的相關(guān)性，表明其是一個(gè)由眾多因素共同決定的因子。在偏相關(guān)分析后，樹枝燃點(diǎn)和樹皮燃點(diǎn)的相關(guān)值明顯下降，分別為?0.194 和?0.033，遠(yuǎn)小于樹葉含水率的相關(guān)系數(shù)，說(shuō)明樹種的燃點(diǎn)的高低會(huì)影響樹種的燃燒性能，但燃點(diǎn)不能衡量樹種的燃燒性，燃燒性是樹種所含物質(zhì)的綜合體現(xiàn)[22-23]。

對(duì)10 個(gè)樹種依權(quán)重進(jìn)行防火性能排序時(shí)，采用了分別基于燃燒試驗(yàn)和基于綜合值的樹種防火性能的兩種排序結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩種排序的結(jié)果的相似度達(dá)到了64%，說(shuō)明本研究中所測(cè)的理化性質(zhì)指標(biāo)和燃燒試驗(yàn)均能夠反映樹種實(shí)際的防火性能。比起傳統(tǒng)的火燒跡地調(diào)查、點(diǎn)火試驗(yàn)、目測(cè)判斷等的方法所得結(jié)果更加準(zhǔn)確[24-25]。但考慮到實(shí)際的情況，樹種的防火性能跟樹種所構(gòu)成的林分類型、林下地表可燃物生長(zhǎng)狀態(tài)[13]、林分郁閉程度以及樹種自身的生態(tài)學(xué)特性，如：樹冠結(jié)構(gòu)、樹皮厚度、葉片特征[26-27]、干材和構(gòu)型特征等[28]均有一定的關(guān)聯(lián)性。它們通過(guò)直接或間接地解釋環(huán)境因子的影響，從而反映出樹種的防火性能[29-31]。本研究中對(duì)于樹種自身特征在實(shí)際環(huán)境的抗干擾的指示方面的研究，通過(guò)較為常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室手段對(duì)樹種的自身的防火性能做出理論上的評(píng)價(jià)，以期為西寧周邊地區(qū)栽植防火樹種提供一種可靠的理論支撐且便于在實(shí)際中推廣。

4 結(jié)論

本研究采用實(shí)驗(yàn)室的分析手法，建立了所測(cè)10 個(gè)樹種的綜合抗火性評(píng)價(jià)模型，得出了10 種供試樹種的基于不同權(quán)重體系下的防火性能的排序（四翅濱藜 >山杏 >黃刺玫 >檸條 >紫丁香 >沙棗 >沙棘 >榆葉梅 >砂地柏 >青海云杉)，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)西寧及周邊區(qū)域的樹種栽植時(shí)防火性能參考具有實(shí)際應(yīng)用和推廣意義。