四川省常見樹種防火期凋落物燃燒性分析

鐘金 宇頤 桂林華 張文 秦超 覃方興 何曉成 阮若玉 賈娟 崔興雷

摘要：為了解防火期凋落物的可燃性，以四川省常見樹種防火期的凋落物為試驗(yàn)材料，分析了其燃燒性，為防火樹種的選取提供理論依據(jù)。搜集了59種四川省常見樹種在防火期的凋落物，對(duì)凋落物的載量、含水率、粗脂肪含量、燃點(diǎn)、熱值、灰分進(jìn)行測(cè)定，使用主成分分析評(píng)價(jià)不同物種凋落物的燃燒性。結(jié)果表明：凋落物燃燒性較高的物種有高山松、柏木等；燃燒性較低有黃葛樹、杧果等。為四川森林防火提供了數(shù)據(jù)支撐，凋落物燃燒性低的物種可作為潛在防火樹種。

關(guān)鍵詞：四川；燃燒性；凋落物；主成分分析；防火樹種

Analysis of Litter Flammability of Common Tree Species during the Fire Prevention Period in Sichuan Province

Zhong Jin^1，2， Zhu Yuyi^1，2， Gui Linhua³， Zhang Wen^1，2， Qin Chao^1，2， Qin Fangxing^1，2*， He Xiaocheng⁴， Ruan Ruoyu⁴， Jia Juan⁴， Cui Xinglei⁵

• Sichuan Forestry and Grassland Survey and Planning Institute，Chengdu 610081， China
• Longmen Mountain Biodiversity Protection Provincial Long term Scientific Research Base， Chengdu 610081， China
• Sichuan Forestry Survey and Design Institute Co.， Ltd， Chengdu 610081， China
• Sichuan Provincial Forest and Grassland Fire Prevention Monitoring Center， Chengdu 610081， China

5.?National Forestry and Grassland Administration Engineering Research Centre for Southwest Forest and Grassland Fire Ecological Prevention， College of Forestry， Sichuan Agricultural University， Chengdu， 611130， China.

Abstract： 【Objective】To analyze the flammability of litter during the fire prevention period of common tree species in Sichuan， and to provide a theoretical basis for selecting fire-resistant tree species. 【Methods】Litter samples were collected from 59 common tree species during the fire prevention period， and the litter load， moisture content， crude fat content， ignition point， heat value， and ash content were determined. Principal component analysis was used to evaluate the flammability of litter from different species. 【Results】The litters of species with high flammability includedPinus densata，Cupressus funebris， ; those with low flammability includedFicus virens，Mangifera indica. 【Conclusion】This study provides data support for forest fire prevention in Sichuan， and species with low litter flammability could be considered as potential fire-resistant tree species.

Keywords： Sichuan; flammability; litter; principal component analysis; fire-resistant tree species.

近年來(lái)，隨著全球氣候變化、土地利用的改變和人類活動(dòng)的增加，全球各地的森林火災(zāi)愈發(fā)頻繁^[1，2]。森林火災(zāi)對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定及人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)的安全造成了巨大的威脅^[3，4]。世界各地區(qū)的森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)不斷升高^[5，6]，而這種現(xiàn)象在北美，澳洲和南歐尤為明顯^[7]。特別是2021年澳大利亞特大森林火災(zāi)的發(fā)生，對(duì)人類社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)造成了巨大傷害，這引發(fā)了全球公眾和媒體的大量關(guān)注^[8]。如何更好的管理森林火災(zāi)，已成為各國(guó)當(dāng)下急需解決的難題^{[9，10]}。

可燃物是影響森林火災(zāi)的一個(gè)重要因素^[11–13]。森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)，主要的可燃物是植物^[14]。植物的燃燒性能直接影響了森林火災(zāi)的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)、火災(zāi)蔓延速度及火災(zāi)強(qiáng)度^[15]。因此，研究植物的燃燒性能，對(duì)森林防火工作有著重要的意義。目前，大部分的可燃物燃燒性研究主要是以植物枝條或葉片作為研究對(duì)象^[16，17]。然而，森林中地表的凋落物層是最容易被點(diǎn)燃的介質(zhì)^[18]。森林火災(zāi)往往是由于地表可燃物的燃燒引發(fā)地表火，在利火環(huán)境下蔓延至地上部分從而變成樹冠火，最后形成難以控制的特大火災(zāi)^[19–21]。凋落物的燃燒性對(duì)森林火災(zāi)的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)和火災(zāi)的蔓延速度的影響可能比枝葉更重要。因此對(duì)凋落物的燃燒性進(jìn)行深入探究，對(duì)森林火災(zāi)的防治和管理尤為重要。

通過(guò)測(cè)定凋落物的理化性質(zhì)（如燃點(diǎn)、熱值、灰分等），可以分析評(píng)價(jià)其燃燒性能。例如，秦乃花等^[22]通過(guò)對(duì)山東省內(nèi)11種主要林分的地表可燃物的載量、含水率、燃點(diǎn)、熱值等燃燒性指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)和主成分分析，發(fā)現(xiàn)油松林地表可燃物的燃燒特性最強(qiáng)，楊樹林地表可燃物的燃燒特性最弱。周勇等^[23]分析了吉林省17個(gè)主要森林類型的地表凋落物的灰分、燃點(diǎn)、熱值等指標(biāo)，將其劃分為易燃，可燃和難燃三種林分類型。張逸超等^[24]對(duì)內(nèi)蒙古7種典型樹種的枯落物的可燃物含水率、熱值、粗脂肪含量、灰分含量進(jìn)行主成分分析，發(fā)現(xiàn)油松林最容易發(fā)生火災(zāi)，山楊林則具有最強(qiáng)的抗火性。然而，植物凋落物的相關(guān)研究較少。同時(shí)，凋落物由于分解作用，在不同時(shí)期其燃燒性會(huì)發(fā)生變化。因此，關(guān)于凋落物燃燒性的研究仍需加強(qiáng)。

四川省是我國(guó)林火高發(fā)地區(qū)之一^[25，26]。本研究采集了四川省境內(nèi)常見的59個(gè)樹種在防火時(shí)期的地表凋落物，通過(guò)測(cè)定其載量、含水率，燃點(diǎn)，熱值，灰分，粗脂肪含量，并通過(guò)主成分分析對(duì)不同樹種的凋落物的燃燒性進(jìn)行了分析，以期為四川省的防火樹種的選取以及森林火災(zāi)預(yù)防和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域和方法

1.1 研究區(qū)概況

四川省位于中國(guó)西南腹地（97°22′～108°31′E，26°03′～34°19′N），跨越中國(guó)大陸一級(jí)和二級(jí)階梯，地形復(fù)雜，地貌多樣，擁有豐富的森林資源^[27，28]，是森林火災(zāi)的重災(zāi)區(qū)^[24-26]。2020年3月30日，四川涼山州發(fā)生了“3.30”重大森林火災(zāi)，過(guò)火面積超過(guò)3000 hm²，造成了重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失^[30]。四川省復(fù)雜的氣候和地形條件，加大了森林火災(zāi)發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，是我國(guó)重點(diǎn)防范森林火災(zāi)的省份之一。

1.2 試驗(yàn)材料

本研究在四川省范圍內(nèi)的五個(gè)地形區(qū)域內(nèi)（川西南山地、川西高原、高山峽谷、盆地北緣山地、盆地南緣山地、盆中丘陵平原）選取當(dāng)?shù)氐某Ｒ姌浞N進(jìn)行取樣。采樣于2023年4月-5月（防火時(shí)期）進(jìn)行，在每個(gè)目標(biāo)樹種群體內(nèi)，隨機(jī)劃出一個(gè)20 m×20 m的大樣方，在大樣方中隨機(jī)選擇3株長(zhǎng)勢(shì)良好、成熟的目標(biāo)樹，在目標(biāo)樹下分別設(shè)置1 m×1 m的小樣方，收集小樣方內(nèi)的目標(biāo)物種的地表凋落物（落枝、落葉、樹皮、凋落的果實(shí)），現(xiàn)場(chǎng)稱量鮮重后裝入做好標(biāo)記的自封袋，送回實(shí)驗(yàn)室用于凋落物燃燒性的測(cè)定。采樣時(shí)，選擇在近三天沒(méi)有明顯降雨的情況下采樣。最終收集了59個(gè)物種的凋落物樣品，物種名及采樣區(qū)域如表1。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）凋落物載量：可燃物是森林火災(zāi)發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，可燃物載量對(duì)火行為有著重要的影響^[22]?？扇嘉锏姆e累，會(huì)增加森林火災(zāi)發(fā)生的概率及火災(zāi)強(qiáng)度^[31]。將特定面積內(nèi)的凋落物全部采集后，把樣品放入105 ℃烘箱內(nèi)烘干24 h以上至質(zhì)量恒定，用電子天平稱干重，計(jì)算其載量。

（2）含水率：可燃物含水率的高低直接影響其被點(diǎn)燃的難易程度和燃燒強(qiáng)度^[32]。在采樣地采集到凋落物樣品后，立即對(duì)凋落物的鮮重進(jìn)行稱量并記錄，隨后將其帶回實(shí)驗(yàn)室放入烘箱中，在105 ℃的溫度下烘干至質(zhì)量穩(wěn)定，再稱量其干重。用樣品的鮮重減去干重，再除以鮮重，得到其含水率。

（3）粗脂肪含量：粗脂肪含量是評(píng)估可燃物燃燒性的一個(gè)重要指標(biāo)，一般情況下粗脂肪含量越高，可燃物燃燒性就越強(qiáng)^[33]。本研究采用了索氏提取法來(lái)測(cè)量粗脂肪含量。首先，將烘干后的樣品用研磨機(jī)研磨成粉末，然后取5±0.001 g的試樣放入SXT-06G索氏提取器（上海五相儀器儀表有限公司，中國(guó)上海）中。使用無(wú)水乙醚進(jìn)行回流抽提10 h，之后將抽提后的試樣烘干至質(zhì)量穩(wěn)定。粗脂肪含量可通過(guò)抽提物質(zhì)量除以抽提前試樣質(zhì)量來(lái)計(jì)算。

（4）燃點(diǎn)：可燃物接觸到外界熱源并開始著火所需要的最低溫度稱為燃點(diǎn)。經(jīng)過(guò)烘干處理后，將樣品研磨成40目篩的粉末。然后，在測(cè)定燃點(diǎn)之前，將試樣與亞硝酸鈉一同放入烘箱中，以確保在測(cè)定燃點(diǎn)時(shí)樣品完全干燥。接著，準(zhǔn)確稱取0.1±0.001 g的干燥后試樣，與0.075±0.001 g的亞硝酸鈉粉末充分混合，最終使用TRYD-6A微機(jī)燃點(diǎn)測(cè)試儀（江蘇天元檢測(cè)設(shè)備有限公司，中國(guó)揚(yáng)州）來(lái)測(cè)定燃點(diǎn)。

（5）熱值：熱值是指單位質(zhì)量可燃物完全燃燒所釋放的熱量，可燃物的熱值越高，燃燒越劇烈，燃燒時(shí)釋放的熱量越大。將烘干后的樣品研磨成15目篩的粉末。然后，準(zhǔn)確稱取0.5±0.001 g的試樣放入燃燒皿中。試樣的熱值通過(guò)ZDHW-9全自動(dòng)氧彈式量熱儀（江蘇天元檢測(cè)設(shè)備有限公司，中國(guó)揚(yáng)州）使用水當(dāng)量法來(lái)測(cè)定。

（6）灰分：灰分是指可燃物中存在的無(wú)機(jī)物，即燃燒剩余的物質(zhì)所占的含量。這些物質(zhì)會(huì)阻礙燃燒過(guò)程，所以可燃物灰分含量越高，燃燒性就越小。使用干灰分法來(lái)測(cè)定樣品的灰分含量。首先，取大約1 g的烘干和粉碎后的樣品，然后將其放入坩堝中。接下來(lái)，用電爐對(duì)樣品進(jìn)行碳化，直到樣品停止冒煙。碳化后的樣品與坩堝一同冷卻，然后被置于馬弗爐中，在650 ℃的條件下進(jìn)行4 h的灰化。經(jīng)過(guò)30分鐘的冷卻后進(jìn)行稱重，計(jì)算灰分含量，即灰化后殘余物質(zhì)量除以初始試樣的質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)測(cè)定后，通過(guò)Excel整理并計(jì)算平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差。利用單因素方差分析來(lái)分析不同物種間凋落物理化性質(zhì)的差異性。隨后，通過(guò)主成分分析法，獲取主成分因子，綜合考慮各主成分的貢獻(xiàn)率和因子得分后，計(jì)算各物種凋落物的綜合可燃性排名，以綜合評(píng)估不同物種凋落物的燃燒性^[34]。統(tǒng)計(jì)分析和繪圖均使用R 4.2.0和Origin 2023軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同物種凋落物的理化性質(zhì)

測(cè)試結(jié)果表明，在防火時(shí)期，不同物種的凋落物載量差異顯著。凋落物載量較高的有柳杉、冷杉、德昌杉等；凋落物載量較低的有貴州毛柃、鵝掌楸、水青岡和白樺等。不同樹種的含水率之間具有顯著差異。其中，中華獼猴桃具有最高的含水率，達(dá)到67.44%；含水率最低的是云南油杉，含水率僅有6.69%，與含水率最高的樹種相比相差了近10倍。含水率在50%以上的有中華獼猴桃、鵝掌楸、栲、高山松、水青岡這五個(gè)樹種，這些物種因其含水率較高而難以燃燒；含水率低于10%的有云南油杉、滇青岡和栓皮櫟，過(guò)低的含水率很可能會(huì)增加它們的燃燒程度。柏木是其中粗脂肪含量最高的物種，達(dá)到了5.98%，華山松和高山松的粗脂肪含量也超過(guò)5%，這些粗脂肪含量高的物種可能更容易燃燒；杧果的粗脂肪含量為1.25%，是這些物種中粗脂肪含量最低的樹種。檫木在所有測(cè)試物種中的燃點(diǎn)是最高的，達(dá)到278.43 ℃，而枇杷、云南黃杞、川梨等樹種的燃點(diǎn)較低。油松的熱值測(cè)定結(jié)果為21 KJ/g， 是測(cè)定物種中最高的；而黃葛樹的熱值則明顯低于其他物種，僅有15 KJ/g。歐洲甜櫻桃的灰分含量最高，超過(guò)20%；楓香樹具有最低的灰分含量，僅不到3%?？傮w來(lái)看，凋落物灰分含量較高的物種還包括歐洲甜櫻桃、愷木、川滇榿木、中華木荷等（表2）

2.2 不同物種凋落物的燃燒性綜合評(píng)價(jià)分析

為了綜合評(píng)價(jià)分析不同物種間凋落物的燃燒性，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了極差歸一法的標(biāo)準(zhǔn)化處理。在可燃物的理化性質(zhì)中，含水率、燃點(diǎn)、灰分與燃燒性呈負(fù)相關(guān)，因此采用逆向標(biāo)準(zhǔn)化方法（Y=（Y_max-Y_n）/（Y_max-Y_min））。而粗脂肪含量、熱值與燃燒性呈正相關(guān)，所以進(jìn)行正向標(biāo)準(zhǔn)化（Y=（Y_n-Y_min）/（Y_max-Y_min））^[35]。隨后，將經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理的所有理化性質(zhì)進(jìn)行主成分分析。主成分分析結(jié)果表明，前4個(gè)主成分軸的累積貢獻(xiàn)率超過(guò)了80%（表3），說(shuō)明在原始數(shù)據(jù)的6個(gè)指標(biāo)中，主要信息可以由這前4個(gè)主成分軸充分表示，涵蓋了絕大部分的信息。因此，本研究選擇了前4個(gè)主成分軸作為綜合評(píng)價(jià)燃燒性的復(fù)合指標(biāo)。各物種凋落物在前4個(gè)主成分軸上的得分如表4所示。

將表3中各主成分的貢獻(xiàn)率和表4中各主成分因子得分的乘積相加，便得到了一個(gè)計(jì)算各樹種主成分的合成變量值，這個(gè)合成變量值即為評(píng)價(jià)各樹種的凋落物燃燒性的綜合指標(biāo)^[36]。最終得到的59個(gè)樹種的總分及排名（表5）?？偡种翟酱髣t表示此物種凋落物的燃燒性越強(qiáng)，從結(jié)果來(lái)看，高山松、柏木、柳杉、白柯、油茶的凋落物具有較強(qiáng)的燃燒性；黃葛樹、杧果、歐洲甜櫻桃、川滇愷木、愷木則是凋落物燃燒性較低的物種，具有較弱的燃燒性。

3 討論和結(jié)論

凋落物作為森林中易被點(diǎn)燃的可燃物質(zhì)，是引發(fā)森林火災(zāi)的重要介質(zhì)。凋落物落到地表后，會(huì)隨著時(shí)間進(jìn)行分解^[37，38]。而凋落物的燃燒性會(huì)隨著分解的進(jìn)行而發(fā)生改變^[39]。本研究在四川省防火時(shí)期（4-5月），搜集四川省常見樹種的凋落物，并對(duì)其燃燒性進(jìn)行了測(cè)定評(píng)價(jià)，以期探究不同物種凋落物在火災(zāi)高發(fā)區(qū)的真實(shí)燃燒性，類似的研究幾乎沒(méi)有報(bào)道。通過(guò)本研究發(fā)現(xiàn)，不同物種間，凋落物的理化性狀差異巨大。高山松、柏木、華山松、油松等物種的凋落物燃燒性較強(qiáng)；黃葛樹、杧果、歐洲甜櫻桃、川滇愷木、愷木等物種的凋落物燃燒性較弱。本研究分析了不同物種在防火時(shí)期的凋落物燃燒性的差異，對(duì)于森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及防火物種的篩選提供了數(shù)據(jù)支持。

植物的燃燒性在不同器官間會(huì)有顯著的差別^[40]。例如Alam等^[40]發(fā)現(xiàn)植物枝條的燃燒性和葉片的燃燒性并不一致。因此，在評(píng)價(jià)植物的燃燒性能時(shí)，應(yīng)綜合考慮不同器官的燃燒性。植物凋落物的燃燒性與其枝葉的燃燒性是否有一致，目前還不清楚。本研究發(fā)現(xiàn)，一些物種枝葉燃燒性與凋落物燃燒性差別可能不大。例如，柏類的枝葉燃燒性較高，屬于易燃樹種^[41]。在本研究中也發(fā)現(xiàn)，柏木的凋落物的燃燒性也較強(qiáng)。王昆倫等^[42]發(fā)現(xiàn)枇杷具有較弱的燃燒性，屬于不易燃樹種，而其凋落物的燃燒性也較弱。張運(yùn)生等^[43]認(rèn)為云南松易燃性強(qiáng)，容易引發(fā)較大的火災(zāi)并造成損失。在本研究中，云南松的凋落物燃燒性也較強(qiáng)。一些抗火物種，例如中華木荷^[44]，其凋落物的燃燒性也相對(duì)較弱。因此，凋落物的燃燒性和枝葉的燃燒性，可能有較好的一致性。但我們的研究無(wú)法排除枝葉燃燒性和凋落物燃燒性不一致情況的存在。因此，在未來(lái)的防火物種篩選中，應(yīng)綜合考慮物種不同器官的燃燒性能，從而篩選出理想的防火物種。

凋落物載量是影響凋落物在燃燒過(guò)程中的一個(gè)重要因素，對(duì)林火發(fā)生過(guò)程有決定性作用^[45]。以往關(guān)于凋落物燃燒性的研究主要是分析其理化性質(zhì)，而很少將載量考慮進(jìn)去^[46–51]。而在森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)，火焰鋒面的蔓延程度，與可燃物的載量成正比^[52]，因此，載量是不能忽視的因素，而是評(píng)價(jià)凋落物燃燒性的一個(gè)重要指標(biāo)。本研究除了測(cè)定凋落物理化性質(zhì)外，還將各個(gè)樹種在防火時(shí)期的林下凋落物載量作為一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，載量影響了凋落物燃燒性的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。在未來(lái)的研究中，物種在防火時(shí)期凋落物的載量應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注。例如，在防火林中，定期清洗凋落物可能會(huì)大大提高防火林的防火效能。

本研究通過(guò)測(cè)定四川省59個(gè)樹種凋落物的理化性質(zhì)來(lái)分析其燃燒性，并對(duì)不同物種在防火期凋落物的燃燒性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。該研究為森林防火樹種的選取提供了數(shù)據(jù)支撐。植物的燃燒性是一個(gè)綜合性狀，且同一個(gè)物種的不同器官，燃燒性可能會(huì)有很大的差異。在未來(lái)的防火物種篩選中，應(yīng)綜合考慮物種不同器官的燃燒性能。對(duì)于一些枝葉抗火性能好，但凋落物燃燒性較強(qiáng)的物種，可以通過(guò)及時(shí)清理凋落物，來(lái)提高防火林的防火帶效能。

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