川西地區(qū)常見森林類型枯落物燃燒性狀差異分析

劉韓 李淑婷 吳富雨 蘭常軍 崔興雷 鄭江坤 侯貴榮

摘要［目的］研究川西地區(qū)常見森林類型枯落物的燃燒性狀，評(píng)估不同森林類型發(fā)生地表火的風(fēng)險(xiǎn)及強(qiáng)度。［方法］選取川西地區(qū)常見的6種森林類型，分別測(cè)定了其枯落物的含水率、灰分、燃點(diǎn)、干重?zé)嶂担℅CV）、去灰分熱值（AFCV）；利用主成分分析，綜合評(píng)價(jià)了不同森林類型枯落物的燃燒性差異。［結(jié)果］不同森林類型之間，枯落物的含水率、燃點(diǎn)、GCV、AFCV有差異。通過綜合分析，將川西地區(qū)6種常見森林類型枯落物的燃燒性進(jìn)行排序，從高到低為輻射松>高山松>高山櫟>華山松>云南松>云杉-冷杉混交林。［結(jié)論］對(duì)川西地區(qū)常見森林類型林下枯落物的燃燒性進(jìn)行測(cè)定分析，有助于預(yù)測(cè)不同森林類型發(fā)生地表火的風(fēng)險(xiǎn)和強(qiáng)度，同時(shí)可為火災(zāi)預(yù)防提供參考。

關(guān)鍵詞枯落物；燃燒性狀；主成分分析；川西林區(qū)

中圖分類號(hào)S 762.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611（2023）24-0097-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.24.021

Analysis of the Variation in Burning Characteristics of Litters from Different Forest Types in Western Sichuan

LIU Han1，LI Shuting2，WU Fuyu1 et al

（1.Forestry Science Research Institute of Ganzi Tibetan Autonomous Prefecture，Kangding，Sichuan 626001;2.College of Forestry，Sichuan Agricultural University，Chengdu，Sichuan 611130）

Abstract［Objective］To study the burning characteristics of litters from different common forest types in west Sichuan can help assess the risk and intensity of surface fires in different forest types.［Method］Six common forest types in the western Sichuan region were selected and their litter moisture content，ash content，ignition point，dry weight calorific value （GCV），and ash free calorific value （AFCV） were measured.By using principal component analysis，the variation in burning characteristics across different forests were comprehensively evaluated.［Result］The results showed that the differences in moisture content，ignition point，gross calorific value （GCV），and ashfree calorific value （AFCV） were significant among different forest types.Through comprehensive analysis，the flammability of litters from six common forest types in western Sichuan was ranked as follows：Pinus radiata > Pinus densata > Pinus armandii > Quercus semicarpifolia > Pinus yunnanensis>Picea asperata-Abies fabri. ［Conclusion］In this study，we measured and analyzed the burning characteristics of litters from six common forest types in western Sichuan.Our study can help predict the risk and intensity of surface fires in different forest types，and provide references for fire prevention.

Key wordsLitter;Flammability;Principal component analysis;West Sichuan region

近年來，受氣候變化和人類活動(dòng)的影響，森林火災(zāi)已經(jīng)成為難以解決的全球性問題［1-3］ 。森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強(qiáng)，能對(duì)森林產(chǎn)生嚴(yán)重影響的自然災(zāi)害，同時(shí)還會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和生態(tài)破壞［4-5］。森林火災(zāi)通常分為地表火、樹冠火和地下火，其中地表火在森林火災(zāi)中發(fā)生率最高，約占90％以上［6］。而地表火在有連續(xù)的“階梯燃料”的情況下，會(huì)變成嚴(yán)重的樹冠火［7-8］。

燃料是森林火災(zāi)發(fā)生的三要素之一，其直接影響森林火災(zāi)的強(qiáng)度、蔓延速度和發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)［9-13］。森林可燃物主要包括植物活體和枯枝落葉及其他有機(jī)物，其中枯枝落葉層，由于含水率低，更易被點(diǎn)燃［14-17］ 。不同森林類型中，可燃物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)有明顯差異，其燃燒的難易程度也有所不同［18］。通過測(cè)量含水率、燃點(diǎn)、熱值和灰分等燃燒特征，可以間接評(píng)價(jià)不同可燃物的燃燒性能［19］。很多學(xué)者通過測(cè)量這些理化性質(zhì)來評(píng)價(jià)森林可燃物的燃燒性能。如張恒等［20］根據(jù)樹種的理化性質(zhì)對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)主要喬木樹種抗火性進(jìn)行了研究，并運(yùn)用主成分分析法及對(duì)主要樹種的抗火性值進(jìn)行排序，以篩選強(qiáng)抗火性樹種；祝必琴等［21］對(duì)亞熱帶季風(fēng)區(qū)不同林型樹種的可燃物理化性質(zhì)及燃燒性進(jìn)行研究，得出含水率、灰分含量、抽提物含量等理化性質(zhì)對(duì)不同林型的燃燒性有重要影響；王明霞等［22］以吉林省蛟河11種主要樹種樹皮為研究對(duì)象，根據(jù)含水率、灰分、熱值等指標(biāo)，使用熵權(quán)法、方差分析、聚類分析等方法對(duì)各樹種樹皮抗火性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

四川省是森林火災(zāi)發(fā)生比較頻繁、受災(zāi)情況比較嚴(yán)重的省份，其中川西地區(qū)是森林火災(zāi)的高發(fā)區(qū)［23］。為了評(píng)價(jià)川西地區(qū)常見森林類型的火災(zāi)危險(xiǎn)性和火災(zāi)強(qiáng)度，筆者收集了該地區(qū)6種常見針葉林凋落物樣本（針葉林的地表可燃物更易被引燃，更易發(fā)生森林火災(zāi)），通過測(cè)量凋落物的含水率、燃點(diǎn)、熱值和灰分含量，評(píng)估了不同森林凋落物的燃燒特性，并綜合分析了不同森林類型間凋落物的燃燒性差異，有助于預(yù)測(cè)不同森林類型發(fā)生地表火的風(fēng)險(xiǎn)和強(qiáng)度，同時(shí)可為火災(zāi)預(yù)防提供參考。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

取樣點(diǎn)分布于四川省甘孜藏族自治州（97°22″～102°29″ E，27°58″～34°20″ N），平均海拔3 500余m［24］。該地區(qū)大部分區(qū)域年均氣溫在10 ℃以下，光照強(qiáng)，日照充足，旱季分明，冬寒冬干，少雨少風(fēng)，年降水量在347～922 mm，森林火災(zāi)發(fā)生較為頻繁。甘孜地區(qū)樹種豐富，但就其在森林中的群落建設(shè)作用而言，主要集中在松科、柏科、殼斗科、樺木科、楊柳科、胡桃科等［25］。

1.2試驗(yàn)材料該研究選取高山櫟（Quercus semicarpifolia）、高山松（Pinus densata）、冷杉-云杉混交林（Abies fabri-Picea asperata）、云南松（Pinus yunnanensis）、輻射松（Pinus radiata）、華山松（Pinus armandii）6種川西地區(qū)常見森林類型的枯落物作為研究對(duì)象。樣品于2021年5—6月采集（表1）。樣品采集時(shí)，利用機(jī)械布點(diǎn)法在不同林型下各設(shè)置3個(gè)固定標(biāo)準(zhǔn)樣地，每個(gè)樣地大小為20 m×20 m，樣地邊界遠(yuǎn)離林緣50 m以上。在大樣地內(nèi)沿對(duì)角線布設(shè)3個(gè)1 m×1 m小樣方。收集樣方內(nèi)所有地表枯落物，并進(jìn)行標(biāo)記、稱重，然后封裝帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.3試驗(yàn)方法

將外業(yè)采集的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，參照《森林可燃物的測(cè)定》（LY/T2013——2012）對(duì)熱值、燃點(diǎn)、含水率、灰分4項(xiàng)理化性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。

1.3.1含水率的測(cè)定。將樣品收集后立即稱重，帶回實(shí)驗(yàn)室后放入烘箱烘干48 h，再次稱重，再將樣品放入烘箱30 min，若所稱得的干重與第一次測(cè)量的結(jié)果誤差在0.000 2 g范圍內(nèi)，則認(rèn)為樣品恒重，記錄樣品干重。根據(jù)干濕重對(duì)樣品含水率進(jìn)行計(jì)算：

1.3.2燃點(diǎn)的測(cè)定。燃點(diǎn)即可燃物著火時(shí)的溫度。樣品于65 ℃烘干至恒重后取出，用粉碎機(jī)粉碎，過40目篩（0.45 mm）。測(cè)定前和亞硝酸鈉提前放置在烘箱內(nèi)，保證測(cè)量時(shí)絕對(duì)干燥。準(zhǔn)確稱取干燥后的可燃物樣品（0.100±0.001） g，加入亞硝酸鈉粉末（0.075 ± 0.001） g，并使樣品與亞硝酸鈉充分混合。利用點(diǎn)著溫度測(cè)定儀（TYRD-6A）進(jìn)行測(cè)定。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次。

1.3.3熱值的測(cè)定。熱值即單位質(zhì)量的森林可燃物燃燒所放出的熱量，分為干重?zé)嶂担℅CV）和去灰分熱值（AFCV）2種類型［18，26］。采用量熱儀的水當(dāng)量法測(cè)定。將烘干至恒重的樣品在粉碎機(jī)中粉碎，過15目篩（1.35 mm）。測(cè)量前提前放入烘箱內(nèi)烘干，以保證測(cè)定時(shí)絕對(duì)干燥，準(zhǔn)確稱量（0.500±0.001） g可燃物樣品至燃燒皿內(nèi)，然后利用微機(jī)全自動(dòng)量熱儀（ZDHW-9）進(jìn)行測(cè)定。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次。

1.3.4灰分的測(cè)定。采用干灰化法。分別稱取1 g粉碎后的樣品放入坩堝中，放在電爐上進(jìn)行碳化，直至樣品燃燒到不再冒煙：再將碳化后的樣品連同坩堝冷卻后放入650 ℃左右的馬弗爐進(jìn)行灰化約4 h，30 min后稱重。通過原重量減去灰分含量，即可得出有機(jī)物含量。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次。

1.4數(shù)據(jù)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過Excel 2019整理后，利用Origin 2021作圖，并采用SPSS 27進(jìn)行方差分析和主成分分析。主成分分析方法是一種將多個(gè)變量進(jìn)行正交變換轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)重要的具有代表性的新的變量的多元統(tǒng)計(jì)方法。通過信息貢獻(xiàn)率的多少對(duì)多個(gè)影響因子進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。該研究按照累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到90%的原則，再根據(jù)樣本的因子得分和主成分貢獻(xiàn)率代入式（1）得出綜合指標(biāo)Y值，通過對(duì)該值進(jìn)行排序，可在原有信息的基礎(chǔ)上最大限度上地揭示各森林類型枯落物的燃燒性強(qiáng)弱［20］。

Y=a1x1+ a2x2+a3x3+…+amxm（1）

式中：m為不同森林類型；am為各主成分貢獻(xiàn)率；xm為個(gè)主成分因子得分。

2結(jié)果與分析

2.1不同森林類型枯落物燃燒性狀由表2可知，不同森林類型林下枯落物含水率不同，變化范圍在24.65%～55.51%，其中輻射松枯落物含水率最高，為55.51%，云杉-冷杉混交林枯落物含水率最低，為24.65%；高山櫟枯落物含水率較高，為43.80%，高山松、云南松、華山松含水率較低，在36.40%～39.01%。6種林分類型枯落物含水率由高到低依次為輻射松、高山櫟、華山松、云南松、高山松、云杉-冷杉混交林。

熱值是指可燃物燃燒釋放的熱量，可反映火災(zāi)發(fā)生的強(qiáng)度，分別對(duì)不同林分類型的GCV和AFCV進(jìn)行了分析。6種林下枯落物的GCV在22.72～38.73 kJ/kg，AFCV變化范圍在25.35～48.86 kJ/kg，其中輻射松林下枯落物GCV和AFCV均最高，云杉-冷杉混交林林下枯落物GCV和AFCV均最低；不同森林類型林下枯落物GCV和AFCV差異不顯著（P>0.05）。6種林分類型枯落物AFCV由高到低依次為輻射松、高山松、高山櫟、華山松、云南松、云杉-冷杉混交林。

燃點(diǎn)越高即所需溫度越高，越不容易燃燒，抗火性就越強(qiáng)。6種林下枯落物的燃點(diǎn)在147.04～267.39 ℃，其中高山松林下枯落物燃點(diǎn)最高，為267.39 ℃，云杉-冷杉混交林下枯落物最低，僅147.04 ℃；輻射松、云南松、華山松和高山櫟枯落物燃點(diǎn)較高，均在208.0 ℃以上。6種林分類型枯落物燃點(diǎn)由高到低依次為高山松、輻射松、云南松、華山松、高山櫟、云杉-冷杉混交林。

灰分指可燃物燃燒后剩余的無機(jī)物，對(duì)火災(zāi)行為的蔓延起抑制作用，與可燃性呈負(fù)相關(guān)［26］。6種林下枯落物的灰分含量在3.73%～19.40%，其中輻射松的灰分含量最高，達(dá)19.40%，云南松的灰分含量最低，僅3.73%；高山櫟和高山松灰分含量較高，均在7.00%以上。6種林分類型枯落物灰分含量由高到低依次為輻射松、高山櫟、高山松、華山松、云杉-冷杉混交林、云南松。

51卷24期劉 韓等川西地區(qū)常見森林類型枯落物燃燒性狀差異分析

2.2枯落物理化性質(zhì)的相關(guān)性

GCV、AFCV燃點(diǎn)和灰分是4種與可燃物燃燒性狀密切相關(guān)的理化性質(zhì)。通過對(duì)這6個(gè)森林類型林下枯落物的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)GCV、AFCV與燃點(diǎn)呈顯著正相關(guān)，即當(dāng)燃點(diǎn)越高時(shí)，可燃物燃燒釋放的熱量越高；灰分與GCV和燃點(diǎn)無顯著相關(guān)性，與AFCV呈顯著正相關(guān)，即可燃物灰分含量越高，燃燒釋放的AFCV越高（表3）。

2.3不同森林類型枯落物燃燒性能

含水率、GCV、AFCV、燃點(diǎn)、灰分是與燃燒性緊密相關(guān)的理化指標(biāo)，但凋落物的含水率隨天氣的變化而變化，而燃點(diǎn)、GCV、AFCV、灰分等理化性質(zhì)是穩(wěn)定的，由植物種類決定［27］，因此在綜合分析時(shí)，未考慮含水率。灰分與燃燒性呈負(fù)相關(guān)，通過原重量減去灰分含量，即可得出有機(jī)物含量，在主成分分析中選擇有機(jī)物含量作為指標(biāo)。通過對(duì)6種森林類型林下枯落物理化性質(zhì)進(jìn)行主成分分析（圖1），前2個(gè)新變量的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到99.69%，超過了90% （表4），表明這2個(gè)變量包含了原始變量中的絕大部分信息，具有代表性，而剩余的一個(gè)變量貢獻(xiàn)率只有0.31%，影響較小。因此，前2個(gè)新變量可作為綜合評(píng)價(jià)燃燒性能的新復(fù)合指標(biāo)。GCV、AFCV和燃點(diǎn)在主成分1上具有較高的荷載值，主成分1可作為3個(gè)指標(biāo)的復(fù)合指標(biāo)；有機(jī)物含量在主成分2上具有較高的荷載值，主成分2可單獨(dú)作為有機(jī)物的指標(biāo)（表5）。

將表4中各主成分貢獻(xiàn)率和表6中的各樣本因子得分代入“1.4”中式（1），得出6個(gè)森林類型林下枯落物綜合可燃性，其強(qiáng)弱表現(xiàn)為輻射松>高山松>高山櫟>華山松>云南松>云杉-冷杉混交林。

3結(jié)論與討論

凋落物是野外燃料的重要組成部分，是地面火災(zāi)的主要燃料。許多研究分析了植物不同器官的燃燒特性，如葉片、樹枝等［20-21］，但很少有研究關(guān)注枯落物的燃燒性能?？萋湮锸巧窒到y(tǒng)中易被點(diǎn)燃的部分，同時(shí)也是影響地表火行為的主要燃料。該研究對(duì)川西地區(qū)主要森林類型枯落物的燃燒性能進(jìn)行了測(cè)定和綜合評(píng)價(jià)，對(duì)了解地表火的發(fā)生動(dòng)態(tài)更具有針對(duì)性。

針葉林中的可燃物燃燒性普遍偏高，發(fā)生森林火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)較高，易造成嚴(yán)重的損失和危害。該研究綜合評(píng)估了川西地區(qū)常見針葉林枯落物的可燃性差異，對(duì)6種森林類型林下枯落物的燃燒性強(qiáng)弱排序?yàn)檩椛渌?高山松>高山櫟>華山松>云南松>云杉-冷杉混交林。該研究中的森林類型，在川西地區(qū)較常見，分布面積較廣，結(jié)果有助于預(yù)測(cè)不同森林類型發(fā)生地表火的風(fēng)險(xiǎn)和強(qiáng)度，同時(shí)可為火災(zāi)預(yù)防提供參考。

針葉林下枯落物的燃燒性整體較高，被點(diǎn)燃后容易演變?yōu)闃涔诨?，極易發(fā)生高強(qiáng)度森林火災(zāi)，是預(yù)防的重難點(diǎn)。及時(shí)清除地面上的枯枝和落葉堆，注意枝下高的修剪，改變可燃物的空間分布結(jié)構(gòu)，減少垂直方向上的梯度可燃物，可有效降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)及火災(zāi)強(qiáng)度。另外，營(yíng)造針闊混交林，也是降低林下可燃物燃燒性能的一種有效方法。

該研究通過測(cè)定與燃燒性緊密相關(guān)的穩(wěn)定的理化指標(biāo)，對(duì)不同森林類型枯落物的燃燒性能進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。但森林可燃物燃燒性除決定于其理化性質(zhì)外，還受氣候、地形等多種因素的綜合影響。在今后的研究中可加入地形、環(huán)境因素等信息，擴(kuò)大樣本數(shù)量，以更好地評(píng)估可燃物的燃燒性能，預(yù)測(cè)森林火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

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