海南霸王岭生物防火林带阻隔林防火效能综合评价

黎肇家，方发之，桂慧颖，吴钟亲，徐建辉

（海南省林业科学研究院/海南省红树林研究院，海南海口 571100）

森林火灾是对森林资源的一种毁灭性灾难[1-2]，其发生具有一定偶然性和不确定性[3]。近年来受到极端天气和高温气候影响，世界范围内森林火灾频繁发生，给环境生态安全和经济活动带来巨大影响[4-5]。为了减少森林火灾发生频率和减轻森林火灾带来的损失，预防林火发生和阻隔林火蔓延一直是很多国家和地区林业主管部门工作重点[1,6]。为了应对森林火灾发生的不确定性和偶然性，减轻森林资源受损程度，营建生物防火林带是一项有效措施[1,7-8]。生物防火林带作为一类特殊的阻隔带，对延缓火情、阻隔火种传播起到很好的控制作用[9]，为林火救险赢得时间[10]。因为生物防火林带具有重要实践应用价值[1]，一直深受研究者的关注。国内外研究者对生物防火林带研究重点在区域性耐火树种的筛选[8,11]、耐火树种燃烧特性和可燃物含量[6,12]、生物阻隔带地理空间规划设计[13-14]等方面。生物防火树种以耐火性树种为主，为兼顾生态效益和经济效益，研究防火树种生态学特性[15]和经济学特性[10]方面显得十分重要。

虽然生物防火林带建设和实践应用研究比较多[1]，但是生物防火林带建成后需经过很长时间才能真正发挥防火效能，因此有关于生物防火林带建设评价研究比较少。已有不少学者对油茶（Camellia oleiferaAbel.）和 木 荷（Schima superbaGardn.et Champ.）改培型生物防火林带阻隔体系防火效能评价体系进行构建[6]，并开展生物防火林带防火功能评估[9]。海南热带雨林国家公园现有生物防火林带数量有限，关于该区域生物防火林带的研究更少。因此，对海南热带雨林国家公园霸王岭现存生物防火林带进行防火效能综合评价，可以为海南生物防火林带建设后期抚育管护提供参考数据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与仪器设备

1.1.1 试验地点

海南热带雨林国家公园霸王岭位于海南岛西南部，横跨白沙县、昌江县和东方市3 个市县，地理坐标为108°55'58″～109°17'39″E，18°48'36″～19°12'38″N，面积872.16 km2。霸王岭气候类型为热带季风气候，终年高温多雨。植被以热带植物为主，天然林和人工资源森林丰富，林内生长着多种国家保护性动植物，坡垒（Hopea hainanensisMerr.&Chun）、海南苏铁（Cycas hainanensisC.J.Chen）为国家一级保护植物，海南梧桐（Firmiana hainanensisKosterm.）为国家二级保护植物。霸王岭年均降雨量1 657 mm，有明显雨季和旱季区分，雨季为7—10 月（大部分降雨量时间段），旱季为每年11 月至次年4 月。霸王岭年均最热温度为32.8 ℃，极端高温可达37.5 ℃，高温常出现在春末、夏季时间段。霸王岭降雨量随着海拔增高而增加，因此空气相对湿度也随之增大，年均空气相对湿度可达84.2%，导致土壤常年湿润。旱季是森林防火重要时间段，霸王岭森林防火工作在高温天气条件、旱湿两季分明、林分风速风向受季风影响较大等条件下面临着严峻考验。

1.1.2 主要仪器设备

NK5500LINK 小型风速仪气象仪（深圳市亿杰仪表有限公司），JC-TR-M3土壤水分温度速测仪（青岛聚创环保集团有限公司），9030（A）电热鼓风干燥箱（南京沃环科技实业有限公司），JT2003D 千分之一电子天平（上海力辰仪器科技有限公司）。

1.2 样地设置及样品采集

1.2.1 样地设置

2022 年3 月，根据海南热带雨林国家公园管理局霸王岭分局提供生物防火林带地理信息，根据典型性和代表性原则，选择具有代表性的生物防火林带为调查对象，取代表性地段设置3 个20 m×20 m 样方为林火因子调查测量、枯落物采集、鲜叶样品采集区域，选取生物防火林带附近坡向、坡度、林分郁闭度较接近的天然林为参照，对参照林分林火因子调查测量，枯落物、鲜叶着火条件样品采集。霸王岭生物防火林带火环境条件调查测量样方基本信息如表1。

表1 霸王岭生物防火林带火环境条件调查样方基本信息

1.2.2 样品采集

霸王岭生物防火林带及参照林分枯落物样品和鲜叶样品，采集时间为2022 年3 月火灾高发季节。采用5 点取样法采集每个大样方内4 个角和中心1 m × 1 m范围内枯落物。选择位于采集区域3 棵长势良好、受光充足、健康无病害、树高胸径为采集区域该树种平均值的造林树种为样木。鲜叶样品采集时，叶片从阳面树冠上中下3 层成熟叶。对每个样品做好标记，并用干冰保存运输带回实验室，超低温保存防止水分流失，以便后续研究。

1.3 数据测定

1.3.1 林内小气候条件测定

2022 年3 月，采用便携式NK5500LINK 小型风速仪气象仪对霸王岭防火林带和参照林分林火环境因子测定。测量时间从10:00—16:00，每1 h测量1次。测量样方4 个角和中心距地面1.5 m 处风速、空气温度、空气相对湿度。每个测量点重复读取数据5 组。因测量时间存在差异，将防火林带风速、空气温度、相对湿度与参照林分作差法处理。

1.3.2 土壤含水量及厚度测定

2022 年3 月，采用便携式JC-TR-M3 土壤水分温度速测仪现场对生物防火林带和参照林分20 cm 处土壤含水量测定。测定时间从10: 00—16: 00，每1 h 测定1 次。实测样方4 个角和中心点土壤含水量，每个测量点重复测定5次。选择合适斜面，抛开表层土壤，测量土层厚度。

1.3.3 枯落物重量及含水量测定

现场对样方4 个角和中心1 m×1 m 范围内枯落物质量测量。室内称取200 g 枯落物置于80 ℃条件下烘干24 h。重新测定干重，计算枯落物含水量。

1.3.4 鲜叶含水量及失水速率测定

将同一样本相同规格无残缺鲜叶混合，称取15 g分3 份为3 次重复，每份5 g（5～6 片为宜）。1）鲜叶含水量测定：用水浸泡12 h 使叶片吸水饱和称其鲜重，80 ℃条件烘干24 h，称其干重计算含水量。2）失水速率测定：取经清水浸泡12 h 后的叶片称其鲜重，在50 ℃烘箱中分别烘干15、30、60、120、240 min；在不同时刻取出称重并记录损失，绘制鲜叶失水速率曲线。

1.4 构建评价模型

1.4.1 评价指标选取

根据指标的全面性原则、导向性原则、层次性原则、可操作性原则、可区分性原则选取生物防火林带评价指标。1）选择评价指标：准则层指标树种生长状况（B1）、林内小气候（B2）、枯落物及鲜叶（B3）和立地条件（B4）。2）指标层评价因子：树高（C1）、胸径（C2）、冠幅（C3）、树龄（C4）、枝下高（C5）、空气温度（C6）、相对湿度（C7）、风速（C8）、枯落物鲜重（C9）、枯落物含水量（C10）、鲜叶失水速率（C11）、鲜叶含水量（C12）、土壤含水量（C13）、土壤厚度（C14）、郁闭度（C15）和树种密度（C16）。

1.4.2 评价指标体系结构建立

采用AHP 层次分析法对霸王岭生物防火林带防火效能进行综合评价。以霸王岭生物防火林带阻隔林防火效能为总目标层（A），以造林树种生长状况、防火林带内火环境、枯落物及鲜叶和立地条件为建立准则层（B），以树高、胸径、空气温度、相对湿度等共16个指标为指标层（C），建立层次评价模型（见表2）。为确定各评价因子的相对重要性，需向有关从事森林防火领域研究的专家发出问卷，并统计问卷调查结果。

表2 霸王岭生物防火林带层次分析评价模型

1.4.3 判断矩阵构建

根据总目标要求，综合参考林学、森林防火专业人士对霸王岭生物防火林带防火能力的意见基础上作出判断。判断矩阵模型以1～9标度法构造，由此得出A-B（准则层相对于目标层比较判断）、B-C（指标层因素相对于准则层比较判断），共5个判断矩阵。相关公式如下：

式中，CI为一致性指标，λmax为判断矩阵相应行列式的非零最大特征根，CR 为随机一致性比率，RI为判断矩阵的平均随机一致性指标。1～9标度法RI值分别为0、0、0.52、0.89、1.12、1.26、1.36、1.41 和1.46。若CR＜0.1，则判断该矩阵具有满意的一致性，否则需调整矩阵达到满意的一致性。

1.4.4 防火阻隔体系评分标准及评分方法确定

根据专家咨询法要求，对相关防火专家进行了问卷调查。结合防火林带建设维护实践经验，得出树种生长状况、林内小气候、立地条件、枯落物及鲜叶失水条件下相关因子结构性矩阵。邀请参评人员对霸王岭防火林带防火效能指标层进行赋值。赋值打分标准参考刘广菊等人对改培型生物防火林带阻隔体系防火效能评价体系[6]。根据赋值打分结果计算出霸王岭生物防火带16个指标的得分Ci，再根据层次分析法和加权平均进行计算每个植物的综合评价值Tj，以Tj进行分级评价。综合评价值Tj计算。

式中：Tj为综合评价值，评分范围0～3；Ci为指标层第i 个指标，评分范围0～3 整数；i 为指标层序号，编号范围1～16；Wj为向量权重。

1.4.5 防火阻隔体系等级划分

根据层次分析法向量权重评价结果，霸王岭生物防火林带防火效能优越性等级划分为4 个等级，分别用罗马数字Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级表示。等级划分详见表3。

表3 霸王岭生物防火林带防火效能优越性等级划分

2 结果与分析

2.1 防火林带树种生长状况

调查到霸王岭生物防火林带优势树种为大叶相思（Acacia auriculiformisA.Cunn.ex Benth）、南 亚 松（Pinus latteriMason）和木荷等乔木树种（表4）。其中大叶相思为生物防火林带造林树种。乔木树种平均树高14.0 m，平均胸径15.5 cm，平均冠幅6 m × 6.0 m，平均树龄22 年，平均枝下高4.8 m，树种密度1 875～2 375株·hm-2。

表4 霸王岭生物防火林带树种生长状况

2.2 防火林带林内小气候

霸王岭生物防火林带在10:00—16:00 时间段内，地表1.5 m 处空气温度与参照林分差值较小，空气温度差呈现先上升再下降趋势（表5）。防火林带地表1.5 m 处空气温度比参照林分空气温度最高为0.4 ℃，最低为低于参照林分0.2 ℃。空气温度差值较小表明生物防火林带植被条件与参照林分相似，导致林分植被吸收和辐射能量相差不大。霸王岭生物防火林带在10:00—16:00 风速与参照林分风速差相对较小，最大风速差出现在15:00和16:00，风速差均为0.04 m·s-1，其中15: 00 为生物防火林带风速高于参照林分风速，16:00 为生物防火林带风速低于参照林分风速。霸王岭生物防火林带在10:00—16:00与参照林分风速差值上下波动，表明生物防火林带遮风效益与参照林分基本一致，风经过生物防火林带内并没有得到明显减速作用。霸王岭生物防火林带相对湿度并不是一直高于参照林分，而是上下起伏不稳定状态。相对湿度受光照和林分郁闭度影响较大，相对湿度差值忽高忽低表明生物防火林带空气湿润程度与参照林分的差距不明显，同时也反映了生物防火林带防火效能不佳。

表5 霸王岭防火林带林内小气候与参照林分差

2.3 防火林带土壤含水量及土壤厚度

将霸王岭生物防火林带和参照林分地表20 cm 深度土壤含水量经土壤含水量作差处理，发现10:00—16:00 时间段土壤含水量差值变化量较小（表6）。生物防火林带土壤含水量部分时间段低于参照林分，部分时间段高于参照林分。其土壤含水量差最大出现在14:00，相差0.19%，差值较小。分析表明霸王岭生物防火林带土壤湿润程度与周围林分并没有差异，其防火能力已经消退，防火效能不明显。刨土发现霸王岭生物防火林带和参照林分土壤厚度均大于100 cm。

表6 霸王岭生物防火林带与参照林分地表土壤含水量差

表7 霸王岭生物防火林带枯落物鲜重及含水量

2.4 可燃物含量及含水量

2.4.1 枯落物

霸王岭生物防火林带完全郁闭，树冠茂密，已经形成完整的植物群落，而完整的植物群落影响到枯落物的分解速度。试验测量到霸王岭生物防火林带平均枯落物鲜重466.58 g·m-2，枯落物平均含水量为21.61%。属于正常林分枯落物含量及含水量水平。但生物防火林带主要作用是起到防火作用，枯落物是易燃物，在高温天气和干旱季节，枯落物含量越高，含水量越低，对防火越不利。因此霸王岭生物防火林带枯落物含量及含水量不利于防火效益发挥。

2.4.2 鲜叶

霸王岭生物防火林带造林树种为大叶相思，平均含水率为62.79%（表8）。在50 ℃下，霸王岭生物防火林带大叶相思叶片失水速率表现为前120 min 较快，往后趋于平缓（图1）。表明50 ℃下，大叶相思叶片在前120 min内大部分水分损失掉，只有少部分水分保留。

图1 霸王岭生物防火林带防火树种鲜叶失水速率

表8 霸王岭生物防火林带鲜叶含水量

表9 霸王岭生物防火林带阻隔林防火效能指标权重及评价结果

2.5 综合评价

综合评价模型采用1～9标度法对霸王岭生物防火林带阻隔林防火效能判断矩阵模型进行构建及一致性检验。结果可以看出，评价模型准则层（B）对指标层（C）树种生长状况、林内小气候、枯落物及鲜叶、立地条件指标判断矩阵随机一致性比率CR 分别为0.098 9、0.034 5、0.082 2、0.034 5，CR 值均小于0.1，一致性检验均通过。总目标层（A）对准则层（B）评价模型判断矩阵随机一致性比率CR 为0.034 5，小于0.1，一致性检验通过。总层次类别判断矩阵构建并一致性检验发现目标层（A）对指标层（C）评价随机一致性比率CR 为0.039 1，小于0.1，总层次一致性检验通过。因此霸王岭生物防火林带阻隔林防火效能评价模型判断矩阵及评价因子权重具有满意一致性。

层次分析法分析得出各个指标对霸王岭生物防火林带阻隔林防火效能影响权重。可以看出，霸王岭生物防火林带对防火影响力较强的因子有空气温度、枯落物鲜重、相对湿度。显然林内小气候和可燃物是影响防火林带阻隔林火效益主要因素。根据层次分析法评价结果，霸王岭生物防火林带阻隔林防火效能评价综合评价值为1.708 1，防火阻隔体系划分等级为Ⅲ级。因此，霸王岭生物防火林带对林火阻隔效能一般，林分温度、相对湿度、土壤含水率基本与周围林分一致，但树种生长良好。

3 小结与讨论

3.1 小结

2022 年3 月对霸王岭生物防火林带树种生长状况调查和林内小气候条件测量发现，生物防火林带树种生长状况良好。在10:00—16:00时间段内生物防火林带林内相对湿度、空气温度、风速与周围参照林分相差较小，土壤地表20 cm 含水量变化较小。现场测量霸王岭生物防火林带地表枯落物鲜重，发现在1.0 m×1.0 m 范围内，地表枯落物鲜重达466.58 g，地表枯落物含量比较高。经室内对生物防火林带枯落物含水量和造林树种叶片含水量、失水速率测定，试验测定结果表明，霸王岭生物防火林带地表枯落物含水量较高，造林树种叶片含水量高，失水速率缓慢。层次分析法综合评价霸王岭生物防火林带阻隔林火防火效能等级为Ⅲ级，阻隔林防火效能不明显。

3.2 讨论

层次分析法对霸王岭生物防火林带综合评价显示，空气温度、枯落物鲜重、相对湿度对防火效能影响最大。这一观点与刘广菊、陈锐等的研究结果有所不同[6,16]，刘广菊等人认为防火林带宽度对防火效益影响较大[6]，陈锐在广州梳脑林场林火阻隔系统中认为生物防火林带结构完整性权重最大[16]，但与赵洁认为空气湿度生物防火林带影响最大价结果一致[17]。因而，研究表明影响防火林带防火效益重要性因子存在差异。Cui 等人给出的解释是，生物防火林带的郁闭导致林内枯落物质量减少，降低枯落物燃烧能力，这是因为林带郁闭作用形成独立小气候环境，促使林内温湿度、光照、风速区别于外界，阻拦热传导起到了机械阻挡作用[18]。此次研究只对霸王岭生物防火林带阻隔林防火效能评价，不对生物防火林带防火效益决定性因子作评价。根据以往研究结论，导致森林火灾发生的决定性因子是可燃物和空气温度[19-20]。有研究表明营建生物防火林带后，林内形成小气候降低了可燃物着火条件[19,21]。因不同地区生物防火林带防火效益评价结果的差异，也间接说明生物防火林带防火关键性因素与不同区域地理环境、生物防火林带经济措施、林木树种生长状况有关。因生物防火林带主要作用是防火，营建生物防火林带后，后期抚育管理是关键。一般人工抚育管理强度高、林带立地条件好，有利于防火效能发挥[17]。调查发现，霸王岭生物防火林带建成后，抚育管理措施频率低，导致其他树种和杂灌生长数量远远超过造林树种，使生物防火林带群落优势树种不突出，群落逐渐往次生林方向演替。大叶相思为良好生物防火树种，因经营措施不佳，造林树种防火效能未能得到良好体现。因此，生物防火林带建设后经营管理技术的完善还需要不断加强。