四川省常见树种防火期凋落物燃烧性分析
2024-05-22钟金宇颐桂林华张文秦超覃方兴何晓成阮若玉贾娟崔兴雷
钟金 宇颐 桂林华 张文 秦超 覃方兴 何晓成 阮若玉 贾娟 崔兴雷
摘要：为了解防火期凋落物的可燃性，以四川省常见树种防火期的凋落物为试验材料，分析了其燃烧性，为防火树种的选取提供理论依据。搜集了59种四川省常见树种在防火期的凋落物，对凋落物的载量、含水率、粗脂肪含量、燃点、热值、灰分进行测定，使用主成分分析评价不同物种凋落物的燃烧性。结果表明：凋落物燃烧性较高的物种有高山松、柏木等；燃烧性较低有黄葛树、杧果等。为四川森林防火提供了数据支撑，凋落物燃烧性低的物种可作为潜在防火树种。
关键词：四川；燃烧性；凋落物；主成分分析；防火树种
Analysis of Litter Flammability of Common Tree Species during the Fire Prevention Period in Sichuan Province
Zhong Jin1，2， Zhu Yuyi1，2， Gui Linhua3， Zhang Wen1，2， Qin Chao1，2， Qin Fangxing1，2*， 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，随着全球气候变化、土地利用的改变和人类活动的增加，全球各地的森林火灾愈发频繁[1，2]。森林火灾对全球生态系统的稳定及人类经济社会的安全造成了巨大的威胁[3，4]。世界各地区的森林火灾风险不断升高[5，6]，而这种现象在北美，澳洲和南欧尤为明显[7]。特别是2021年澳大利亚特大森林火灾的发生，对人类社会和生态系统造成了巨大伤害，这引发了全球公众和媒体的大量关注[8]。如何更好的管理森林火灾，已成为各国当下急需解决的难题[9，10]。
可燃物是影响森林火灾的一个重要因素[11–13]。森林火灾发生时，主要的可燃物是植物[14]。植物的燃烧性能直接影响了森林火灾的发生风险、火灾蔓延速度及火灾强度[15]。因此，研究植物的燃烧性能，对森林防火工作有着重要的意义。目前，大部分的可燃物燃烧性研究主要是以植物枝条或叶片作为研究对象[16，17]。然而，森林中地表的凋落物层是最容易被点燃的介质[18]。森林火灾往往是由于地表可燃物的燃烧引发地表火，在利火环境下蔓延至地上部分从而变成树冠火，最后形成难以控制的特大火灾[19–21]。凋落物的燃烧性对森林火灾的发生风险和火灾的蔓延速度的影响可能比枝叶更重要。因此对凋落物的燃烧性进行深入探究，对森林火灾的防治和管理尤为重要。
通过测定凋落物的理化性质（如燃点、热值、灰分等），可以分析评价其燃烧性能。例如，秦乃花等[22]通过对山东省内11种主要林分的地表可燃物的载量、含水率、燃点、热值等燃烧性指标进行相关性检验和主成分分析，发现油松林地表可燃物的燃烧特性最强，杨树林地表可燃物的燃烧特性最弱。周勇等[23]分析了吉林省17个主要森林类型的地表凋落物的灰分、燃点、热值等指标，将其划分为易燃，可燃和难燃三种林分类型。张逸超等[24]对内蒙古7种典型树种的枯落物的可燃物含水率、热值、粗脂肪含量、灰分含量进行主成分分析，发现油松林最容易发生火灾，山杨林则具有最强的抗火性。然而，植物凋落物的相关研究较少。同时，凋落物由于分解作用，在不同时期其燃烧性会发生变化。因此，关于凋落物燃烧性的研究仍需加强。
四川省是我国林火高发地区之一[25，26]。本研究采集了四川省境内常见的59个树种在防火时期的地表凋落物，通过测定其载量、含水率，燃点，热值，灰分，粗脂肪含量，并通过主成分分析对不同树种的凋落物的燃烧性进行了分析，以期为四川省的防火树种的选取以及森林火灾预防和风险评估提供科学依据。
1 研究区域和方法
1.1 研究区概况
四川省位于中国西南腹地（97°22′～108°31′E，26°03′～34°19′N），跨越中国大陆一级和二级阶梯，地形复杂，地貌多样，拥有丰富的森林资源[27，28]，是森林火灾的重灾区[24-26]。2020年3月30日，四川凉山州发生了“3.30”重大森林火灾，过火面积超过3000 hm2，造成了重大人员伤亡和财产损失[30]。四川省复杂的气候和地形条件，加大了森林火灾发生的风险，是我国重点防范森林火灾的省份之一。
1.2 试验材料
本研究在四川省范围内的五个地形区域内（川西南山地、川西高原、高山峡谷、盆地北缘山地、盆地南缘山地、盆中丘陵平原）选取当地的常见树种进行取样。采样于2023年4月-5月（防火时期）进行，在每个目标树种群体内，随机划出一个20 m×20 m的大样方，在大样方中随机选择3株长势良好、成熟的目标树，在目标树下分别设置1 m×1 m的小样方，收集小样方内的目标物种的地表凋落物（落枝、落叶、树皮、凋落的果实），现场称量鲜重后装入做好标记的自封袋，送回实验室用于凋落物燃烧性的测定。采样时，选择在近三天没有明显降雨的情况下采样。最终收集了59个物种的凋落物样品，物种名及采样区域如表1。
1.3 试验方法
（1）凋落物载量：可燃物是森林火灾发生的物质基础，可燃物载量对火行为有着重要的影响[22]。可燃物的积累，会增加森林火灾发生的概率及火灾强度[31]。将特定面积内的凋落物全部采集后，把样品放入105 ℃烘箱内烘干24 h以上至质量恒定，用电子天平称干重，计算其载量。
（2）含水率：可燃物含水率的高低直接影响其被点燃的难易程度和燃烧强度[32]。在采样地采集到凋落物样品后，立即对凋落物的鲜重进行称量并记录，随后将其带回实验室放入烘箱中，在105 ℃的温度下烘干至质量稳定，再称量其干重。用样品的鲜重减去干重，再除以鲜重，得到其含水率。
（3）粗脂肪含量：粗脂肪含量是评估可燃物燃烧性的一个重要指标，一般情况下粗脂肪含量越高，可燃物燃烧性就越强[33]。本研究采用了索氏提取法来测量粗脂肪含量。首先，将烘干后的样品用研磨机研磨成粉末，然后取5±0.001 g的试样放入SXT-06G索氏提取器（上海五相仪器仪表有限公司，中国上海）中。使用无水乙醚进行回流抽提10 h，之后将抽提后的试样烘干至质量稳定。粗脂肪含量可通过抽提物质量除以抽提前试样质量来计算。
（4）燃点：可燃物接触到外界热源并开始着火所需要的最低温度称为燃点。经过烘干处理后，将样品研磨成40目筛的粉末。然后，在测定燃点之前，将试样与亚硝酸钠一同放入烘箱中，以确保在测定燃点时样品完全干燥。接着，准确称取0.1±0.001 g的干燥后试样，与0.075±0.001 g的亚硝酸钠粉末充分混合，最终使用TRYD-6A微机燃点测试仪（江苏天元检测设备有限公司，中国扬州）来测定燃点。
（5）热值：热值是指单位质量可燃物完全燃烧所释放的热量，可燃物的热值越高，燃烧越剧烈，燃烧时释放的热量越大。将烘干后的样品研磨成15目筛的粉末。然后，准确称取0.5±0.001 g的试样放入燃燒皿中。试样的热值通过ZDHW-9全自动氧弹式量热仪（江苏天元检测设备有限公司，中国扬州）使用水当量法来测定。
（6）灰分：灰分是指可燃物中存在的无机物，即燃烧剩余的物质所占的含量。这些物质会阻碍燃烧过程，所以可燃物灰分含量越高，燃烧性就越小。使用干灰分法来测定样品的灰分含量。首先，取大约1 g的烘干和粉碎后的样品，然后将其放入坩埚中。接下来，用电炉对样品进行碳化，直到样品停止冒烟。碳化后的样品与坩埚一同冷却，然后被置于马弗炉中，在650 ℃的条件下进行4 h的灰化。经过30分钟的冷却后进行称重，计算灰分含量，即灰化后残余物质量除以初始试样的质量。
1.4 数据分析
数据测定后，通过Excel整理并计算平均数、标准差。利用单因素方差分析来分析不同物种间凋落物理化性质的差异性。随后，通过主成分分析法，获取主成分因子，综合考虑各主成分的贡献率和因子得分后，计算各物种凋落物的综合可燃性排名，以综合评估不同物种凋落物的燃烧性[34]。统计分析和绘图均使用R 4.2.0和Origin 2023软件完成。
2 结果与分析
2.1 不同物种凋落物的理化性质
测试结果表明，在防火时期，不同物种的凋落物载量差异显著。凋落物载量较高的有柳杉、冷杉、德昌杉等；凋落物载量较低的有贵州毛柃、鹅掌楸、水青冈和白桦等。不同树种的含水率之间具有显著差异。其中，中华猕猴桃具有最高的含水率，达到67.44%；含水率最低的是云南油杉，含水率仅有6.69%，与含水率最高的树种相比相差了近10倍。含水率在50%以上的有中华猕猴桃、鹅掌楸、栲、高山松、水青冈这五个树种，这些物种因其含水率较高而难以燃烧；含水率低于10%的有云南油杉、滇青冈和栓皮栎，过低的含水率很可能会增加它们的燃烧程度。柏木是其中粗脂肪含量最高的物种，达到了5.98%，华山松和高山松的粗脂肪含量也超过5%，这些粗脂肪含量高的物种可能更容易燃烧；杧果的粗脂肪含量为1.25%，是这些物种中粗脂肪含量最低的树种。檫木在所有测试物种中的燃点是最高的，达到278.43 ℃，而枇杷、云南黄杞、川梨等树种的燃点较低。油松的热值测定结果为21 KJ/g， 是测定物种中最高的；而黄葛树的热值则明显低于其他物种，仅有15 KJ/g。欧洲甜樱桃的灰分含量最高，超过20%；枫香树具有最低的灰分含量，仅不到3%。总体来看，凋落物灰分含量较高的物种还包括欧洲甜樱桃、恺木、川滇桤木、中华木荷等（表2）
2.2 不同物种凋落物的燃烧性综合评价分析
为了综合评价分析不同物种间凋落物的燃烧性，对原始数据进行了极差归一法的标准化处理。在可燃物的理化性质中，含水率、燃点、灰分与燃烧性呈负相关，因此采用逆向标准化方法（Y=（Ymax-Yn）/（Ymax-Ymin））。而粗脂肪含量、热值与燃烧性呈正相关，所以进行正向标准化（Y=（Yn-Ymin）/（Ymax-Ymin））[35]。随后，将经过标准化处理的所有理化性质进行主成分分析。主成分分析结果表明，前4个主成分轴的累积贡献率超过了80%（表3），说明在原始数据的6个指标中，主要信息可以由这前4个主成分轴充分表示，涵盖了绝大部分的信息。因此，本研究选择了前4个主成分轴作为综合评价燃烧性的复合指标。各物种凋落物在前4个主成分轴上的得分如表4所示。
将表3中各主成分的贡献率和表4中各主成分因子得分的乘积相加，便得到了一个计算各树种主成分的合成变量值，这个合成变量值即为评价各树种的凋落物燃烧性的综合指标[36]。最终得到的59个树种的总分及排名（表5）。总分值越大则表示此物种凋落物的燃烧性越强，从结果来看，高山松、柏木、柳杉、白柯、油茶的凋落物具有较强的燃烧性；黄葛树、杧果、欧洲甜樱桃、川滇恺木、恺木则是凋落物燃烧性较低的物种，具有较弱的燃烧性。
3 讨论和结论
凋落物作为森林中易被点燃的可燃物质，是引发森林火灾的重要介质。凋落物落到地表后，会随着时间进行分解[37，38]。而凋落物的燃烧性会随着分解的进行而发生改变[39]。本研究在四川省防火时期（4-5月），搜集四川省常见树种的凋落物，并对其燃烧性进行了测定评价，以期探究不同物种凋落物在火灾高发区的真实燃烧性，类似的研究几乎没有报道。通过本研究发现，不同物种间，凋落物的理化性状差异巨大。高山松、柏木、华山松、油松等物种的凋落物燃烧性较强；黄葛树、杧果、欧洲甜樱桃、川滇恺木、恺木等物种的凋落物燃烧性较弱。本研究分析了不同物种在防火时期的凋落物燃烧性的差异，对于森林火灾风险评估及防火物种的筛选提供了数据支持。
植物的燃烧性在不同器官间会有显著的差别[40]。例如Alam等[40]发现植物枝条的燃烧性和叶片的燃烧性并不一致。因此，在评价植物的燃烧性能时，应综合考虑不同器官的燃烧性。植物凋落物的燃烧性与其枝叶的燃烧性是否有一致，目前还不清楚。本研究发现，一些物种枝叶燃烧性与凋落物燃烧性差别可能不大。例如，柏类的枝叶燃烧性较高，属于易燃树种[41]。在本研究中也发现，柏木的凋落物的燃烧性也较强。王昆伦等[42]发现枇杷具有较弱的燃烧性，属于不易燃树种，而其凋落物的燃烧性也较弱。张运生等[43]认为云南松易燃性强，容易引发较大的火灾并造成损失。在本研究中，云南松的凋落物燃烧性也较强。一些抗火物种，例如中华木荷[44]，其凋落物的燃烧性也相对较弱。因此，凋落物的燃烧性和枝叶的燃烧性，可能有较好的一致性。但我们的研究无法排除枝叶燃烧性和凋落物燃燒性不一致情况的存在。因此，在未来的防火物种筛选中，应综合考虑物种不同器官的燃烧性能，从而筛选出理想的防火物种。
凋落物载量是影响凋落物在燃烧过程中的一个重要因素，对林火发生过程有决定性作用[45]。以往关于凋落物燃烧性的研究主要是分析其理化性质，而很少将载量考虑进去[46–51]。而在森林火灾发生时，火焰锋面的蔓延程度，与可燃物的载量成正比[52]，因此，载量是不能忽视的因素，而是评价凋落物燃烧性的一个重要指标。本研究除了测定凋落物理化性质外，还将各个树种在防火时期的林下凋落物载量作为一个评价指标。结果发现，载量影响了凋落物燃烧性的综合评价结果。在未来的研究中，物种在防火时期凋落物的载量应该重点关注。例如，在防火林中，定期清洗凋落物可能会大大提高防火林的防火效能。
本研究通过测定四川省59个树种凋落物的理化性质来分析其燃烧性，并对不同物种在防火期凋落物的燃烧性进行了综合评价。该研究为森林防火树种的选取提供了数据支撑。植物的燃烧性是一个综合性状，且同一个物种的不同器官，燃烧性可能会有很大的差异。在未来的防火物种筛选中，应综合考虑物种不同器官的燃烧性能。对于一些枝叶抗火性能好，但凋落物燃烧性较强的物种，可以通过及时清理凋落物，来提高防火林的防火带效能。
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