摘要 [目的]評價四川省常見的樹種枝葉的燃燒性。[方法]選擇70個四川省常見的生態(tài)/用材/經濟樹種為研究對象,分別測定其枝條及葉片的燃點、熱值、灰分、粗脂肪含量和含水率,通過主成分分析,綜合評估各樹種枝葉的燃燒性。[結果]不同物種間,枝葉的燃燒性差異顯著。燃燒性較強的物種有油松、濕地松等,燃燒性較低的物種有杧果、蘋果等。[結論]該研究為四川省的森林防火提供了數(shù)據(jù)支撐,低燃燒性物種可作為潛在防火樹種。
關鍵詞 燃燒性;四川;防火樹種;森林防火
中圖分類號 S762 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611(2024)19-0103-07
doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2024.19.022
開放科學(資源服務)標識碼(OSID):
Evaluation of Branch and Leaf Flammability of 70 Common Tree Species in Sichuan Province
ZHONG Jin1,2, ZHU Yu-yi1,2, QIN Chao1,2 et al
(1.Sichuan Forestry and Grassland Survey and Planning Institute,Chengdu, Sichuan 610081; 2.Longmen Mountain Biodiversity Protection Provincial Long-term Scientific Research Base, Chengdu, Sichuan 610081)
Abstract [Objective]To evaluate the flammability of branches and leaves of common tree species in Sichuan Province. [Method]Seventy common ecological/timber/economic tree species were selected. Ignition point, heat value, ash content, crude fat content, and moisture content of branches and leaves were measured. Principal component analysis was used to evaluate the flammability of tree species comprehensively. [Result]Flammability varied significantly across different species. High flammable species include Pinus tabuliformis, Pinus bungeana, etc., low flammable species include Mangifera indica and Malus spectabilis, etc. [Conclusion]This study provides data support for forest fire prevention in Sichuan Province, and tree species with low flammability can be used as potential fire-resistant species.
Key words Flammability;Sichuan Province;Fire-resistant tree species;Forest fire prevention
作者簡介 鐘金(1986—),男,四川營山人,高級工程師,碩士,從事林業(yè)調查規(guī)劃設計研究。
*通信作者:秦超,工程師,從事林業(yè)調查規(guī)劃設計研究;李緒佳,高級工程師,從事林業(yè)調查規(guī)劃設計研究。
收稿日期 2023-12-18
野火是地球上一直存在的自然現(xiàn)象,在地球物種的起源與演化、生態(tài)系統(tǒng)的維持與演變以及全球氣候變化等過程中扮演著不可忽視的角色[1-2]。同時,野火也會引發(fā)嚴重的火災,對生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定和人類社會的安全造成嚴重威脅[3-4]。森林火災的發(fā)生受多種因素影響,包括生態(tài)系統(tǒng)植被結構、人類活動以及氣候因素等[5-7]。在當今全球氣候變化的背景下,許多地區(qū)氣溫上升,加之人類活動的影響,森林草原火災預計將愈加頻發(fā)[8]。近年來,美國、智利、加拿大、澳大利亞、巴西等國都經歷了大規(guī)模的災難性森林火災[9-10]。這些特大森林火災對生物多樣性、人類健康、社會經濟產生了巨大的破壞。世界各地森林火災的頻發(fā)引起廣泛關注,如何開展更科學有效的森林火災預防工作是目前人類社會面臨的重要難題[11-12]。
森林草原火災的發(fā)生通常需要多個驅動因素共同作用,包括火源、可燃物及適宜的天氣條件(如風、高溫和低濕度)[13]。在主要的森林火災驅動因素中,可燃物與森林火災的聯(lián)系最為直接,也是容易研究和控制的[11]。植物是自然界中主要的可燃物。植物的燃燒性描述了該植物被點燃的難易度及維持燃燒的能力[14],對于其所在生態(tài)系統(tǒng)內火災的潛在風險、發(fā)生頻率以及火災強度都有直接或間接的影響,被認為是一個很好的森林火災風險評估指標[15-16]。不同植物物種之間在燃燒性上存在著顯著差異[17–19]。高燃燒性的物種可能會加劇森林火災的強度和傳播速度,與之相反,低燃燒性的植物物種則有可能減緩火勢的蔓延[20–22]。
植物的含水率、燃點、熱值、灰分、粗脂肪含量等理化性質能夠反映植物的燃燒性[23–25]。測定這些理化性質評估可燃物的燃燒性能,是森林火災管理中最基礎也最重要的工作之一。目前國內外已有大量學者通過這些理化性質對不同地區(qū)不同植物的燃燒性進行了評估研究。王雷等[26]測定了呼和浩特21種園林樹種的含水率、粗脂肪、粗灰分、燃點、熱值等理化性質指標,通過主成分分析法,發(fā)現(xiàn)紫葉小檗(Berberis xinganensis)、黃刺玫(Rosa xanthina)、灰栒子(Cotoneaster acutifolius)、枸杞(Lycium chinense)等物種燃燒性較弱,抗火性最強;Molina等[27]通過對西班牙南部18種常見物種的燃燒性測試結果表明,側柏(Platycladus orientalis)和歐洲女貞(Ligustrum vulgare)在減輕火災蔓延方面表現(xiàn)出較好的潛力。
通常來說,森林火災可分為地下火、地表火和樹冠火[28],這3類火災在強度、行為以及對生態(tài)系統(tǒng)上的影響各不相同。地下火由地下燃料引起,主要是埋藏在土壤中的有機物包括泥炭、煤、樹根等[29]。地下火的火災劇烈程度一般較低,但在一定的條件下,可以發(fā)展成中強度的地表火[30]。地表火以凋落物為主要燃料,有時也會點燃冠層下的其他植被,主要在地表燃燒,幾乎不會越過灌木層。在有利條件下,地表火可能通過連接地表燃料與冠層燃料的階梯燃料發(fā)展成樹冠火。樹冠火是復雜且高強度的火災,一般在極端火災天氣下才會發(fā)生[31]。如雷擊就可能點燃冠層引起樹冠火,但大多數(shù)破壞性的樹冠火一般是由地表火發(fā)展而來,林下灌木及幼樹能夠作為燃料將火勢從地表傳播到冠層[32],同時高溫干燥的天氣和強風還會增強冠層中火勢的傳播速度和強度,最終導致毀滅性的特大森林火災[33]。由于樹冠火的危害嚴重,因此對樹冠火進行阻隔可以有效降低火災破壞力。在樹冠火發(fā)生時,主要燃料是樹木的枝條和葉片,因此對樹木的枝條和葉片進行燃燒性測定,有助于了解植物在樹冠火發(fā)生時的燃燒情況。
四川省位于我國一二級地勢階梯上,地形地貌多樣。全省范圍分布著高原、高山峽谷、盆地、低山丘陵等多種地形,地理的多樣性帶來了豐富的森林資源和復雜多樣的生態(tài)系統(tǒng)。豐富的生物多樣性和充沛的水資源等自然資源,使得四川是我國重要的生態(tài)屏障區(qū)[34]。但四川省也是森林火災頻發(fā)區(qū),根據(jù)相關研究統(tǒng)計報告[35],2011—2020年四川省累計發(fā)生2 816起火災,年均發(fā)生281起,年均受災森林面積813 hm2,其中2012年火災次數(shù)達到486起,占全國火災總次數(shù)的12.3%;2018年森林火災受災面積1 540 hm2,占全國受災面積的9.4%。四川省森林火災的防控形勢嚴峻,中央接連對四川省的森林草原防滅火工作作出了重要指示。加強森林防火生物阻隔帶建設,是森林防火中的重要工作。因此,筆者于四川省范圍內選取采集了70種常見的生態(tài)/用材/經濟樹種,通過測定其枝條和葉片的燃點、熱值、灰分、含水率及粗脂肪含量,評價其燃燒性能,旨在為四川省森林防火工作提供數(shù)據(jù)基礎,也為四川省抗火樹種的篩選提供科學參考,進而為森林防火生物阻隔帶建設提供樹種選擇。
1 研究區(qū)域與方法
1.1 研究區(qū)概況
四川省位于我國西南地區(qū),長江上游,地理坐標為97°21′~108°31′E,26°03′~34°19′N。四川省地形復雜多樣,包含四川盆地、川西高原、橫斷山脈、秦嶺—大巴山山地等幾大地貌單元,地跨我國地勢第一及第二階梯,西高東低,由西北向東南傾斜,相對高差達7 300余m。四川省以亞熱帶氣候為主,垂直地帶性特征較為顯著,年降水量空間分布不均,整體呈現(xiàn)“東多西少”分布形態(tài)。東部的四川盆地及周圍山地屬亞熱帶季風氣候,年均溫14~19 ℃,年降雨量900~1 200 mm;川西南山地區(qū)屬于亞熱帶半濕潤氣候,年均溫因地形而異,一般谷地為15~20 ℃,山地為5~15 ℃,年降雨量700~1 200 mm;川西高原氣候區(qū)隨海拔依次出現(xiàn)亞熱帶、暖溫帶、中溫帶、寒溫帶、亞寒帶、寒帶和永凍帶等多種氣候類型,年均溫4~12 ℃,年降雨量600~700 mm。
1.2 試驗材料
該研究在全四川范圍內,根據(jù)地理和氣候等特征劃分以下5個研究區(qū)域進行取樣,即川西南山地、川西高原和高山峽谷、盆地北緣山地、盆地南緣山地、盆中丘陵平原。2023年5月,于各研究區(qū)各樹種分布點內選擇坡向一致,立地條件相近,生長良好且無病蟲害的林分進行樣方布設,每個樹種布設3個20 m × 20 m樣方。各樣方內隨機選擇3株無病蟲害,生長狀況良好的樹木作為采樣株,以隨機采樣法采集各樹種的葉片、枝條樣品??傆嬘谒拇ㄊ∪〔杉?0種常見樹種,物種正名及拉丁名根據(jù)《中國植物志》進行校對,具體物種及采樣地點見表1。
1.3 試驗方法
1.3.1 含水率。
樣品采集后立即在采樣地現(xiàn)場稱量枝條、葉片鮮重,帶回實驗室后置于烘箱中,在105 ℃下烘干至恒重,計算含水率:
含水率=(樣品鮮重-樣品干重)/樣品鮮重
1.3.2 粗脂肪含量。
采用索氏提取法提取粗脂肪,即將烘干后的樣品用研磨機粉碎,稱?。?±0.001)g試樣置于SXT-06G索氏提取器(上海五相儀器儀表有限公司,中國上海)中,使用無水乙醚回流抽提10 h,將抽提結束后的試樣烘干至恒重,計算粗脂肪含量:
粗脂肪含量=抽提物質量/抽提前試樣質量
1.3.3 燃點。
將烘干后的樣品用研磨機粉碎過40目篩,測定燃點前將試樣與亞硝酸鈉一同放入烘箱中,以保證燃點測定時的樣品絕對干燥。準確稱?。?.100±0.001) g干燥后的試樣,與(0.075±0.001) g亞硝酸鈉粉末充分混合,使用TRYD-6A微機燃點測試儀(江蘇天元檢測設備有限公司,中國揚州)測定試樣燃點。
1.3.4 熱值。
將烘干后的樣品用研磨機粉碎過15目篩,準確稱?。?.500±0.001) g試樣放入燃燒皿中,使用ZDHW-9全自動氧彈式量熱儀(江蘇天元檢測設備有限公司,中國揚州)通過水當量法測定試樣熱值。
1.3.5 灰分。
該研究采用干灰分法測定試樣灰分,首先稱取1 g左右烘干粉碎后的試樣放入坩堝中,然后使用電爐碳化直至樣品停止冒煙。碳化后的樣品與坩堝一同冷卻后,置于馬弗爐中在650 ℃下灰化4 h,冷卻30 min后稱重。計算公式為
灰分=灰化后殘余物質量/試樣質量
1.4 數(shù)據(jù)分析
各物種間燃燒性指標的差異通過單因素方差分析(One-way ANOVA)評估,并使用LSD法進行事后多重比較;使用Pearson相關系數(shù)分析各燃燒性指標的相關性;使用主成分分析法計算各物種的綜合可燃性排名,該算法以主成分分析各主成分的貢獻率和因子得分的乘積之和來綜合評估可燃物的燃燒性[26]。所有統(tǒng)計分析和繪圖均使用R 4.2.0和Origin 2023進行。
2 結果與分析
2.1 不同樹種枝條和葉片的理化性質
2.1.1 含水率。
可燃物的含水率影響著植物燃燒性的各方面,高含水率會提高可燃物的被點燃難度,即降低植物的點燃概率或延長植物的被點燃時間,同時含水率也與植物燃燒的烈度和強度呈負相關,對植物燃燒的持續(xù)時間也有負面影響。不同樹種的枝條和葉片含水率差異較大,同一物種的枝條和葉片含水率也存在差異(表2)。具體而言,中華獼猴桃的枝條含水率是測試物種中最高,其枝條含水率為81.1%;枝條含水率最低的物種為栓皮櫟,僅23.3%,與最高的中華獼猴桃相差3.5倍;葉片中沙棘含水率最高,達82.7%,柏木的葉片含水率最低,僅39.1%。枝條和葉片含水率均在70%以上的物種有中華獼猴桃、蘋果、中華木荷和胡桃,這些物種在自然生長條件下可能因其較高的枝條和葉片含水率而難以燃燒。
2.1.2 粗脂肪。
粗脂肪含量是植物樣品中脂肪的總量,包含脂肪、油和脂肪酸等脂質物質。粗脂肪是植物細胞中的一種能量儲備,在植物體內具有重要的生理功能,也是植物在火災中燃燒的主要燃料之一,植物的燃燒性通常與粗脂肪含量呈正相關。由表2可知,不同物種的枝條、葉片脂肪含量差異大,枝條粗脂肪含量最高的物種為木油桐,高達17.2%,最低的栲僅為1.3%,相差13.2倍;而葉片粗脂肪含量則以紫玉蘭最高,為16.7%,最低的杧果僅為1.2%(表2)。值得注意的是,測試物種中,僅栓皮櫟的枝條和葉片粗脂肪含量均低于2%,表明該物種可能因其較低的脂肪含量而不易燃燒。
2.1.3 燃點。
燃點是可燃物被明火點燃且至少持續(xù)燃燒5 s的最低溫度,主要衡量可燃物被點燃的難易程度,燃點越高,說明可燃物點燃所需要的火源溫度要求越高或點火時間更長,因此一般認為燃點與植物的燃燒性呈負相關。在所有測試物種中,檫木枝條的燃點最高,達268.8 ℃,貴州毛柃最低,僅230.1 ℃;葉片燃點最高的物種也是檫木,為274.1 ℃,最低為紫玉蘭,為245.1 ℃(表2)。與檫木類似,云南松、云南油杉、云南鐵杉等物種枝條和葉片也同時擁有較高的燃點,表明這些物種可能不易被點燃。
2.1.4 熱值。
熱值指的是單位質量可燃物完全燃燒過程中釋放的總熱量,衡量可燃物燃燒的烈度,熱值越小則表明燃燒的強度越低。由表2可知,油松的枝條熱值最高,為21.3 kJ/g,木油桐的枝條熱值最低,僅16.9 kJ/g;對于葉片來說,熱值最高的物種是檫木,為22.2 kJ/g,木油桐的葉片熱值同樣是最低的,為17.0 kJ/g。相比其他理化性質指標,熱值在枝條和葉片間的變化較小,如油松、冷杉、落葉松等物種的熱值在枝條和葉片中均較高,而木油桐、楓香樹、中華獼猴桃等物種的枝條和葉片熱值均較低。
2.1.5 灰分。
灰分是指可燃物經過高溫灼燒后殘留下來的難以燃燒的無機物,包括氧化硅、非氧化硅和礦物質等,反映可燃物在燃燒中被消耗的比例,一般認為灰分與植物燃燒性呈反比。楓香樹的枝條灰分最高,為7.9%,杜鵑的枝條灰分最低,僅0.8%;而葉片灰分最高的為歐洲甜櫻桃,達12.3%,最低的則是濕地松,為1.6%。在所有測試物種中,濕地松、云南鐵杉、云南松的灰分在枝條和葉片中均較低,而杧果、胡桃、黃葛樹的枝條和葉片的灰分則均較高。
2.2 燃燒性綜合評價指標
使用極差歸一法對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理,其中含水率、燃點、灰分與燃燒性呈負相關,因此進行逆向標準化[Y=(Y-Y)/(Y-Y)],粗脂肪含量、熱值與燃燒性呈正相關,進行正向標準化[Y=(Y-Y)/(Y-Y)]。將使用標準化之后的枝條以及葉片的所有理化性質指標總計10項指標一同進行主成分分析,其特征值、貢獻率、累計貢獻率見表3,主成分載荷矩陣見表4,主成分分析結果見圖1。
由表3可知,前6個主成分軸的累計貢獻率達到89%,超過85%,這表明原始數(shù)據(jù)中10個指標的信息主要由前6個主成分軸表示,能夠代表原始數(shù)據(jù)中的絕大部分信息,而剩余的4個主成分軸累計貢獻率僅有11%,對方差的影響較小,可以忽略。因此,該研究使用主成分分析的前6個主成分軸作為燃燒性綜合評價的復合指標。
從圖1和表4可以看到,枝條和葉片的含水率、熱值、灰分集中在PC1,在PC1上的系數(shù)也較高,因此PC1可視作上述6個指標的復合指標;枝條和葉片的粗脂肪含量主要在PC2上,其系數(shù)也是PC2上最大,PC2可視作枝條和葉片的粗脂肪含量的復合指標;枝條和葉片的燃點在PC3上系數(shù)最大,即PC3主要反映枝條和葉片的燃點變化。
用表4中主成分載荷矩陣中各變量在各主成分軸上的系數(shù)除以表3中對應的主成分軸的特征值開平方根便得到每個主成分軸上各變量的對應系數(shù),再用標準化后的變量值乘以對應系數(shù)再累加,得到各物種在各主成分上的得分,最后按照各主成分對應的貢獻率進行加權計算,得出總分(表5),總分越高則說明物種燃燒性越強[36],越容易被點燃。由表5可知,在所有測試物種中,燃燒性最強的15個物種依次為油松、濕地松、白柯、落葉松、枹櫟、油樟、腹毛柳、高山松、云南鐵杉、樟、柏木、云南松、華山松、馬尾松、毛櫻桃,燃燒性最弱即抗火性最強的15個物種依次為杧果、蘋果、胡桃、女貞、黃葛樹、峨眉含笑、雅榕、榿木、山茶、歐洲甜櫻桃、云南楊梅、紅椿、枇杷、川滇榿木、慈竹。
3 討論與結論
不同植物物種之間、同一植物的不同器官之間,含水率、粗脂肪含量、燃點、熱值以及灰分存在顯著差異。該研究發(fā)現(xiàn),就大部分物種而言,葉片的含水率、粗脂肪含量、燃點、熱值及灰分這5項指標大于枝條。如,70個物種中有66個物種的葉片灰分含量比枝條灰分含量大。理化性狀在一些物種的枝葉間差異巨大,如頭狀四照花、桃、杜鵑的葉片含水率比枝條含水率高近3倍。這與前人的研究結果一致。該研究目的是評估不同植物在樹冠火發(fā)生時的燃燒性能,從而篩選出潛在的防火樹種。樹冠火發(fā)生時,植物的枝葉是主要的可燃物,因此,該研究選擇測定植物的枝葉來評估其在樹冠火發(fā)生時的燃燒性能。從所有測試物種的燃燒性綜合排序來看,油松的燃燒性最強,國內諸多學者在山東、遼寧、內蒙古等地的植物燃燒性研究中也均發(fā)現(xiàn)油松燃燒性較強[36],這與該研究的結論一致。從理化性質上來看,油松的枝條和葉片含水率中等,但粗脂肪含量較高,灰分較低,同時燃點和熱值較高,說明該物種雖然不是特別易燃,但燃燒的強度和消耗程度都很高,一旦被點燃就有可能導致高強度的森林火災,與油松的理化性質類似的還有落葉松、云南松和高山松。而油松、落葉松、云南松以及高山松均是四川省廣泛分布的常見樹種,因此有必要加強對以上樹種林分的火災管控,建立適當寬度的防火帶,及時清除地面枯枝和落葉,注意修剪高處枝條,改變林木空間分布結構,降低林分的火災風險。此外,在該研究燃燒性較強的物種中,馬尾松、濕地松則是由于含水率較低、粗脂肪含量較高而更易燃,對于該類物種,則應加強山火監(jiān)測,防范人為火災,關注天氣情況。
燃燒性較低的植物有杧果、蘋果、胡桃、女貞、黃葛樹、峨眉含笑、雅榕、榿木、山茶、歐洲甜櫻桃等,其中女貞已有大量研究報道其燃燒性較低,可視作良好的耐火樹種,而其余物種的燃燒性評估鮮見報道,從理化性質上來看,杧果、黃葛樹、蘋果、胡桃、山茶及歐洲甜櫻桃都具有較高的枝條葉片含水率,以及較低的熱值和較高的燃點和灰分,這使得這些物種不僅相對難以點燃,在燃燒中也難以被消耗,其燃燒釋放的熱量也較低,可以作為潛在的防火樹種。尤其杧果、蘋果、胡桃、山茶以及歐洲甜櫻桃作為經濟樹種,可以進一步推廣種植,既能帶來良好的經濟效益,也能起到生態(tài)防火的作用。
同時值得注意的是,在該研究燃燒性最強的14個物種中,針葉樹種占9個,而所有物種中燃燒性最低的針葉樹種云南油杉也排在24位,這表明該研究中針葉樹種的燃燒性普遍要高于闊葉樹種。而實際上,無論是人工林還是天然林,大多數(shù)森林火災也確實都發(fā)生在針葉林中。同時,不少研究也發(fā)現(xiàn),針葉樹種的燃燒性相比闊葉樹種普遍更高,例如Dickinson等[37]對塔斯馬尼亞島的常見樹種的燃燒性測定發(fā)現(xiàn)針葉樹種的含水量、灰分更低,粗脂肪更高,從而更易燃;而Cornwell等[38]對39個裸子植物的燃燒性研究也報道稱大多數(shù)裸子植物都是高度易燃。由于針葉樹種的樹葉普遍含水率較低,粗脂肪含量較高,同時針葉林中枯倒木較多以及針葉林的林分結構通常較為單一,這使得針葉林具有較大的火災風險。
該研究通過測定植物的理化性質來評估植物的燃燒性,這種方法的優(yōu)勢是在實驗室環(huán)境下測定的理化性質結果,同時各物種的這些理化性質較為恒定,一般不會因采樣地點、時間上的不同而產生巨大差異,得到客觀可靠、可復現(xiàn)、可比較的數(shù)據(jù)。但這些物理化學性質可能并不能很好地反映植物在燃燒時的真實情況。這是由于植物的燃燒性有多個性狀影響,包括物理性狀和化學性狀,測定有限的性質難以全面地反映植物的燃燒性。同時,不同性狀對燃燒性的影響程度也不相同,如含水率對植物燃燒性的影響可能要比其他理化性質都要強,但含水率的這種更強的影響卻很難定量地轉化為權重體現(xiàn)到分析中。因此,該研究對不同物種燃燒性的評估是基于有限性狀、相同權重的結果,部分物種的燃燒性可能與現(xiàn)實情況存在一定差異。如果想進一步了解物種燃燒性,仍需進一步研究。例如,燃燒試驗是一種可以真實反映植物燃燒性能的方法,但相比于試驗室測定的理化性質,枝條燃燒性試驗更為隨機,試驗誤差更大,因此在將來的研究中,可以考慮將理化性質和枝條燃燒性協(xié)同使用,從而更加全面地評估植物的燃燒性。
綜上所述,該研究通過測定70種四川省常見樹種的理化性質,綜合評價了其枝葉的燃燒性,發(fā)現(xiàn)了燃燒性較強的物種為油松、濕地松、白柯、落葉松、枹櫟、油樟、腹毛柳、高山松、云南鐵杉、樟等,燃燒性較低的物種為杧果、蘋果、胡桃、女貞、黃葛樹、峨眉含笑、雅榕、榿木、山茶、歐洲甜櫻桃等。該研究結果對四川省及周邊省市的防火工作和抗火樹種的篩選提供了參考,具有一定的實際應用和推廣意義。
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