蒙古栎近熟林不同部位抗火性分析

杜 君，王明霞，尹赛男，王雅钧，季 鑫，曲 航，单延龙

（1.呼中国家级自然保护区，黑龙江 呼中 165036；2.北华大学，吉林 吉林 132013）

近些年随着全球气候的变化以及人类活动的日益频繁，森林火灾发生的潜在风险在持续上升[1]。目前，预防森林火灾的主要措施有人工排查和建立防火林带等，其中在建立防火林带方面，了解和掌握植物的抗火性能是预防和扑救森林火灾的关键[2-4]。可燃物的燃烧，除取决于火源和氧气的必要条件外，还决定于本身的尺寸大小、结构状态、理化性质和分布数量等[5]。树种抗火性指的是其抵抗和忍耐林火的能力，而树种是构成森林的主体，其抗火性能的研究是林分抗火性评价重要组成部分[6]。由于植物抗火性在森林防火工作中起着至关重要的作用，国内外相关学者对不同地区的园林植物、草本植物等的抗火性能进行了研究并得出了植物的抗火性能强弱、影响抗火性的因素、建立燃烧模型等相关研究成果[7-12]。但是，以往研究中针对蒙古栎抗火性的研究却鲜有报道。

蒙古栎（Quercus mongolica）属于壳斗科（Fagaceae）、栎属（Quercus），落叶乔木，是我国国家二级保护树种[13]。蒙古栎作为主要的次生林建群种，在我国东北林区占有很大比重，约占有林地的15%-20%[14]，同时蒙古栎林还是吉林省易发生重特大森林火灾的林型之一[15]。因此，对蒙古栎林抗火性能的研究十分迫切。由于森林内可燃物的空间分布和属性的不同，森林内可以发生地表火、树冠火、地下火[16]。其中，以森林地表火发生最频繁，且绝大多数的地表火都是由地表的枯枝落叶引起的[17]。树皮在森林火灾发生时可以对树木起到一个保护的作用。本研究以吉林省蛟河林业实验区管理局内蒙古栎近熟林为实验对象，分别对蒙古栎林的枯落小枝、凋落树叶以及树皮的抗火性进行研究并排序。这将对蒙古栎林森林火灾的预防和扑救具有重要的现实意义。

1 研究区概况

吉林省蛟河林业实验区管理局位于吉林省蛟河市东北部的前进乡平地沟村以东约1 km处，地理位置为 127°35'-127°51'E，43°51'-44°05'N。该局属长白山系张广才岭支脉，东部与吉林省延边朝鲜族自治州黄泥河林业局相连，西部与上营森林经营局长安林场和蛟河市林业局太阳林场相毗邻，南部与白石山林业局相接，北部与黑龙江省五常县相接壤，辖区总经营面积31 823 hm2[18]。全年平均气温为3.5℃，全年降水量在700-800 mm之间，相对湿度75%，积雪厚度为20～60 cm，土壤结冻深度为1.5～2.0 m[19]。主要林型包括红松阔叶林（Korean pine broad-leaved forest）、蒙古栎林（Quercus mongolica forest）、人工红松林（Pinus koraiensis plantation）、人工落叶松林（Larix olgensis plantation）等。

2 材料与方法

2.1 野外调查

样品采集时间为2018年秋季防火期。首先于蒙古栎近熟林内随机选取3块30 m×20 m样地，之后借助手持GPS、生长锥等仪器对样地经纬度、坡度、坡向、树龄等信息进行调查，结果见表1。

表1 样地基本信息

2.2 实验材料

根据不同径阶，选择生长状态较好、树干为圆形的林木，测量并记录其胸径、树高等基本信息（表2）。分别采集蒙古栎林的树皮、小枝、树叶进行抗火性分析。在树干的南面用锯子和刀片划开1块宽10 cm、高10 cm的树皮，用一字螺丝刀从各个方向均匀用力以撬开并取下树皮。采集蒙古栎自然掉落的小枝和树叶，小枝分为＜0.64 cm、0.32 cm和0.16 cm三个梯度。将采集的样品测量其鲜重之后用信封和塑封袋封装好。

表2 采集树皮的蒙古栎树自然状况

2.3 实验方法

含水率是指可燃物中水分的含量，含水率越高可燃物的抗火性就越强。可燃物含水率通过快速水分测定仪测定。热值是单位质量的可燃物完全燃烧所释放的热量，可燃物的热值越大，抗火性越弱，林火越容易蔓延。可燃物的热值使用LTR8000微机全自动量热仪测定。灰分是树木中的矿物质部分，可燃物中灰分含量越高，抗火性能就越强。灰分采用干灰化法，通过茂福炉和电子天平（灵敏度0.0001 g）完成测定。氧指数是指通入23℃±2℃的氧气和氮气混合气体时，刚好维持样品连续燃烧时间或燃烧长度的最小氧气浓度，以体积分数表示。使用JF-5型智能氧指数测定仪测定氧指数。

2.4 数据处理与分析

根据蒙古栎近熟林不同部位的含水率、灰分、热值、氧指数这4种理化指标，使用熵权法对其抗火性进行排序。熵权法是根据被评价对象的指标值构成的判断矩阵来确定指标权重的一种方法，具有较强的客观性，可以排除主观因素影响的成分[20]。在本研究中应用的基本思想是，根据影响抗火性的4个实测指标构建指标矩阵，使用熵权法计算各评价指标的权重，最后基于熵权法确定的4个指标的权重利用综合评价法对蒙古栎的树皮、小枝、树叶的抗火性能进行综合评分，评分越高抗火性越强。熵权法的相关计算通过Excel完成，之后使用SPSS对不同胸径的树皮抗火性以及不同直径的小枝抗火性进行相关分析和回归分析。

熵权法主要由以下四个步骤实施。

1）数据的标准化处理。可燃物的抗火性由多个指标决定，在这个多指标的体系中，由于各评价指标的性质不同，具有不同的量纲和数量级。它们之间水平相差很大，如果直接用原始指标值进行分析，就会突出数值较高的指标在综合分析中的作用，相对削弱数值水平较低指标的作用。为消除原始数据不同量纲的影响，对4个指标的数据进行标准化处理。本文采用的是极值法对统计数据进行标准化处理。

当抗火性与理化指标呈正向关系时采用如下标准化公式：

当抗火性与理化指标呈逆向关系时则采用如下标准化公式：

2）计算四个指标的信息熵。

计算公式如下：

式中：Yij为标准化处理后的数据；Ej为第j项指标的熵值；Pij为第j项指标下第i个评价对象的比重；k为信息熵系数；n为树种的个数；m为指标数。

3）计算4个指标所占权重。

计算公式为：

4）综合评价方法。

式中：Zi—第i个评价对象的最终得分；Wj—各个指标的权重；Yij—为标准化值。

3 结果与分析

3.1 蒙古栎不同部位抗火性排序

根据公式将蒙古栎不同部位的含水率、氧指数、灰分、热值这4个指标进行标准化的处理，得到矩阵如下：

根据信息熵和权重的计算公式，计算出四个指标的权重如下：

最终根据综合评价法计算出蒙古栎不同部位抗火性的综合评分。由表3可知，蒙古栎不同部位树皮抗火性最好的是胸径为38.2 cm蒙古栎的树皮（0.909），抗火性最差的是树枝直径为0.16 cm的蒙古栎小枝（0.085）；树叶的抗火性（0.286）要强于不同直径的小枝（0.251、0.122、0.085）。

根据蒙古栎不同部位抗火性综合得分的均值，得出蒙古栎不同部位的抗火性从大到小依次为：树皮（平均得分0.480）、树叶（平均得分0.286）、小枝（平均得分0.153）。

表3 蒙古栎不同部位抗火性综合得分

3.2 蒙古栎树皮抗火性分析

根据蒙古栎不同部位抗火性排序可知，蒙古栎树皮抗火性最好的是胸径为38.20 cm树皮，抗火性综合评分为0.909。根据之前所得四个理化指标的数据，可以发现，抗火性最好的蒙古栎树皮（38.2），它的含水率、氧指数、灰分的值都是很高的，而热值很低；接下来为胸径42.10 cm（0.853）、36.6 cm（0.656）、27.4 cm（0.630）、18 cm（0.511）、20.6 cm（0.443）、15.6 cm（0.429）、22.9 cm（0.404）、26.8 cm（0.395）、31.4 cm（0.296）、34.5 cm（0.296）、17.9 cm（0.226）；蒙古栎胸径为28.20 cm的抗火性最差，综合评分仅为0.194（图1）。

进一步对树皮的抗火性综合评分与蒙古栎胸径之间进行相关分析和回归分析（相关分析见表4，回归分析见图1）。由表4可知，蒙古栎的树皮抗火性与胸径间的相关系数为0.56，呈正向相关关系，即蒙古栎胸径越大，其抗火性能也就越强。通过回归分析可知蒙古栎胸径与抗火性存在正向线性关系，线性方程为y=0.015x+0.071。

表4 蒙古栎树皮抗火性与胸径的相关分析

图1 不同胸径蒙古栎的树皮抗火性

3.3 蒙古栎小枝抗火性分析

地表可燃物是地表火发生的物质基础，是影响地表火蔓延的主要因素，95%以上的林火都是由1 h时滞的细小可燃物引起的[17]。而直径＜0.64 cm的小枝是1 h时滞细小可燃物的重要组成部分，本文为了更加精确地划分小枝的抗火性能，将＜0.64 cm的小枝又细化分为直径＜0.32 cm和直径＜0.16 cm。由图2可以看出，小枝的抗火性排序为小枝（0.64 cm）＞小枝（0.32 cm）＞小枝（0.16 cm）。对小枝的直径与抗火性综合评分进行相关分析和回归分析（相关分析见表5，回归分析见图2）。通过分析可知，蒙古栎的小枝直径与抗火性的相关系数为0.99，说明抗火性与小枝直径之间存在极其显著正向线性相关关系，即小枝的直径越大，抗火性越好。线性方程为y=0.35x+0.02。

表5 蒙古栎小枝抗火性与不同直径的相关分析

图2 不同直径蒙古栎小枝抗火性

4 讨论与结论

蒙古栎林是我国东北林区的常见森林类型，当原始林受到自然干扰和人为破坏后，蒙古栎林是形成次生林的主要树种之一[21,22]。蒙古栎林材质坚硬，根系发达且环境适应能力极强，在防风防火、涵养水源和水土保持等方面起着至关重要的作用[23]。蒙古栎林在吉林省分布极广，从西部丘陵地区至东部山区，一直到中朝边境都有分布，且在长白山林区海拔1000 m处也有分布[24]。蒙古栎对林火的适应能力也很强，由于其发芽较晚，一般可错过易发生火灾的防火戒严期发芽，避免嫩芽遭到火烧。即使受反复火烧后，也能够更新，可以出现多代萌生，具有顽强的生命力[25，26]。

通过研究发现，蒙古栎不同部位中树皮的抗火性最强、其次是树叶和小枝。邹璐在对井冈山自然保护区32个树种抗火性的研究中也指出，同一树种，树皮的抗火性要强于树叶和小枝[27]。这可能与可燃物的表面积体积比有关。可燃物表面积体积比是影响燃烧和蔓延的重要指标，一般来说可燃物个体越小且形状平整则越容易点燃和燃烧[28]。通过对小枝直径与抗火性的相关分析也发现，蒙古栎的小枝直径与抗火性呈现极其显著正向线性相关关系，即小枝直径越小，抗火性越差。综上所述，蒙古栎林地表可燃物的抗火性较差，尤其是枯落的小枝。如果发生森林火灾，它将是主要的可燃物。因此，在森林火灾的预防过程中，针对蒙古栎林的地表可燃物一定要定期清理，直径过细的小枝要格外注意，以防森林火灾的发生。

蒙古栎树皮的抗火性大小依次为38.20 cm＞42.10 cm＞36.60 cm＞27.40 cm＞18.00 cm＞20.6 0cm＞15.60 cm＞22.90 cm＞26.80 cm＞31.40 cm＞34.50 cm＞17.90 cm＞28.20 cm。通过相关分析和回归分析结果可以看出，蒙古栎树皮的抗火性与胸径呈正向线性相关关系，即随着树木胸径的增大树皮抗火性也就越强。树皮的生物学特征如树皮厚、结构等对其本身的抗火能力是有一定的影响的[29,30]。蒙古栎的树皮随着胸径的增长，树皮本身也会变得越厚，材质也会越来越坚实紧密[31]，对林火的抵抗能力也会有所增强。因此，在森林防火工作中要对胸径小的蒙古栎进行主要防范。一旦发生火灾要及时扑救，否则林火很有可能经树皮蔓延至林冠，形成危害大、扑救难的树冠火。