樹種理化指標對森林防火防火的影響

樹種理化指標對森林防火防火的影響

森林中的燃料燃燒對火災的發(fā)生和傳播起著決定性作用。要確定火災，必須參考幾個物理和化學性質指標，尤其是含燃物的含水量、熱值、脂肪、火災溫度等。可燃物燃燒性研究可為預測森林火險、優(yōu)化林分結構提供科學依據(jù)。國內外學者利用可燃物理化性質對森林燃燒性做了大量研究。王雷等利用主成分分析法研究呼和浩特21種主要園林樹種燃燒性，并以此篩選城市防火樹種。李克等以南京5種樹種熱釋放速率、熱釋放速率峰值、有效燃燒性、總熱釋放量、點燃時間、質量損失速率為研究對象，運用因子分析法綜合比較樹種間燃燒性，燃燒性由強到弱排序為馬尾松、杉木、側柏、麻櫟、女貞。于宏洲等通過時滯和平衡含水率法，建立大興安嶺重點林分類型地表死可燃物含水率預測模型，研究結果有利于火險天氣和火行為預測。梁瀛等對天山中部林區(qū)9種主要樹種的熱值、灰分、含水率及抽提物進行測定，利用多元統(tǒng)計方法和可燃性指數(shù)綜合評價體系評價樹種燃燒性。張恒等利用主成分分析法分析大興安嶺5種主要林型下地表層可燃物燃燒性，研究結果表明，地表層可燃物燃燒性由強到弱為蒙古櫟、白樺、黑樺、興安落葉松和山楊。國外可燃物燃燒性研究從18世紀60年代開始，Bram開始研究森林可燃物燃燒性，Wilgen通過生物量、樹葉含水率、熱值和粗脂肪等指標評價南非樹種的燃燒性，Chnadle測定闊葉林、灌木林含水率，研究得出樹葉的春季含水率最高，抗火性強。可燃物理化性質對其燃燒性評價有著重要意義，因此對可燃物理化性質綜合后評價樹種燃燒性具有可行性。隨著國家林業(yè)生態(tài)工程項目實施，毛烏素沙地造林面積持續(xù)增長，植被覆蓋率明顯增加。毛烏素沙地防火樹種篩選對保護沙地生態(tài)環(huán)境與防沙治沙成果具有重要意義。以毛烏素沙地具有代表性的喬、灌樹種為研究對象，測驗各樹種理化性質特征，運用主成分分析法對樹種燃燒性進行綜合排序，選擇抗火性樹種，研究結果對維持毛烏素沙地的生態(tài)系統(tǒng)平衡，預防森林火災，降低林火風險有重要作用。1材料和方法1.1研究領域的總結毛烏素沙地位于陜西省榆林與內蒙古鄂爾多斯市交界，面積4.22×101.2喬木之間的生長毛烏素沙地內燃燒性實驗樹種選擇對象主要包括喬木、灌木兩大類，喬木樹種有云杉、樟子松、側柏、油松、河北楊、杏樹、合作楊、新疆楊、火炬樹、刺槐；灌木樹種有沙地柏、沙柳、檸條、野櫻桃、花棒、沙蒿、踏郎、紫穗槐、紅瑞木、水蠟、沙棘。1.3樣品的預處理野外采集實驗樹種樣品裝信封袋標記并稱其鮮重，各樣品帶回實驗室放置烘箱（102±3）℃烘干至質量恒定，取出樣品進行粉碎后過300目篩，保存為小份樣品粉末放置于干燥箱，以便進行樣品相對含水率、熱值、著火溫度、灰分、粗脂肪指標測定。1.3.1電子天平含水率將帶回樣品放入恒溫干燥箱內采用105℃連續(xù)烘干24h至絕干恒重，利用電子天平稱重后計算相對含水率，公式見式（1）。式中：M為相對含水率；W1.3.2可燃物的燃燒值為取1～2g樣品粉末再次烘干，粉末壓片后利用XRY-1C微機氧彈式熱量計測量可燃物熱值。1.3.3可燃物退火溫度試驗著火溫度測定儀ZY6069達到設置的樣品大致著火溫度后，取2～3g樣品放入試樣夾，反復試驗后出現(xiàn)5s以上的連續(xù)火焰后取其最低溫度為可燃物著火溫度。1.3.4燃料散粉的測定取1～2g樣品粉末烘干后放入箱式電阻爐650℃燃燒6～8h，完全灰化后取出冷卻稱量，反復3次取平均值為可燃物灰分值。1.3.5燃料脂測定濾紙包好1～2g樣品粉末放入提油瓶，烘干后使用SZF-06型粗脂肪測定儀測定樣品粗脂肪。1.4燃燒性綜合評價結果分析主成分分析（PrincipalComponentAnalysis,PCA）是將數(shù)據(jù)由多維度轉換為低維度變量的分析方法，新變量間相關性較小或彼此獨立，同時保留高緯度數(shù)據(jù)特征信息。毛烏素沙地樹種燃燒性由含水率、熱值、著火溫度、灰分、粗脂肪共5個評價指標綜合計算形成，其計量單位不同，無法通過簡單數(shù)學計算進行比較。因此，利用主成分分析消除過多的重疊信息，得出各燃燒性指標貢獻度進行綜合評分，根據(jù)綜合得分完成樹種燃燒性排序，能較準確地反映樹種燃燒性的真實情況。利用主成分分析進行綜合評價步驟如下：第一步：原始數(shù)據(jù)標準化處理，消除變量對量綱的影響。第二步：根據(jù)主成分累積貢獻率確定主成分個數(shù)，選擇特征值>1作為主成分。第三步：為進一步解釋各主成分所包含的實際意義，采用方差最大選擇對初始的因子進行旋轉，從而解釋各主成分。根據(jù)因子得分，利用式（2）計算主成分得分。式中：F第四步：依據(jù)主成分得分，利用式（3）計算不同樹種的燃燒性綜合得分。式中：F1.5燃燒性綜合得分的測定采用Origin2019b可燃物理化性質進行整理歸類，并繪制理化性質特征圖表，利用SPSS25進行主成分分析，計算燃燒性綜合得分。2結果與分析2.1毛烏蘇沙地植物的物理和化學性質分析2.1.1不同類型樹種不同含水率毛烏素沙地21種喬、灌樹種含水率測量結果如圖2、圖3所示，喬木樹種含水率多為54%～65%，均值為62%，灌木樹種含水率分布在30%～52%，均值為43%，總體上喬木樹種含水率大于灌木樹種，喬木樹種中云杉含水率最高，為85%，灌木樹種沙棘含水率最高，為58%,2類樹種最高含水率相差30%。2.1.2不同樹種熱值對比喬木、灌木樹種熱值如圖4、圖5所示，喬、灌樹種熱值主要分布于19800～21100、19450～20900J/kg，均值分別為20600、20200J/kg，喬木樹種熱值略大于灌木樹種，差距較小。對比喬、灌樹種，油松熱值最高，達到22517J/kg，灌木樹種野櫻桃、沙地柏熱值較高，分別為21212、21061J/kg。熱值與油松相當，燃燒性較強。2.1.3不同樹種退火溫度分析喬木、灌木樹種著火溫度如圖6、圖7所示，分別為261～274、265～275℃，著火溫度均值相似，約為268℃，喬、灌樹種著火溫度相差較小，灌木樹種著火溫度總體大于喬木樹種，其中，合作楊、火炬樹、沙柳、踏郎、沙地柏等喬、灌樹種著火溫度較高，約為270℃。2.1.4不同樹種灰分值比較喬、灌樹種間灰分差異明顯，分別為2.2%～4.1%、1.3%～2.3%，均值分別為3.2%、1.6%，灌木樹種灰分較喬木低50%，喬木樹種樟子松、云杉灰分含量較高，灌木樹種沙地柏灰分含量最高，約為3%，灰分值見圖8、圖9。2.1.5型鋼樹種的嘴唇主動生長喬、灌樹種粗脂肪含量分別為4.5%～12%、4.4%～6%，均值分別是8.5%、7%，粗脂肪含量差距較大，灌木樹種總體低于喬木樹種。分析灌木樹種粗脂肪含量，沙地柏、沙柳2種植被的粗脂肪含量分別達到了17.8%、16.4%，高于喬木樹種油松粗脂肪含量。2.2燃燒性綜合評價結果利用SPSS25軟件分別對喬、灌木樹種理化性質進行主成分分析，依據(jù)綜合得分排序，分別比較喬、灌樹種燃燒性強弱。喬、灌樹種對應的主成分分析特征值及方差貢獻率見表1、表2。根據(jù)特征值>1原則選取主成分個數(shù)，共提取2個主成分，特征值分別為2.688、1.158,2個主成分累計方差貢獻率為76.929%，表示喬木樹種76.929%燃燒性信息，對表2中灌木樹種主成分分析后得出2個主成分，特征值為2.126、1.374，方差貢獻率為70.004%，能表示大部分灌木樹種燃燒性信息。喬、灌木植被主成分載荷矩陣正交旋轉見表3、表4。正交旋轉矩陣表示各變量在各主成分中的影響程度，表3中喬木植被主成分1主要由熱值、粗脂肪、含水率指標信息復合構成，主成分2灰分系數(shù)最高，可為喬木的灰分指標。表4中灌木植被主成分1主要由粗脂肪、灰分構成，主成分2主要反映灌木樹種熱值指標信息。2種植被類型內各樹種因子得分見表5、表6，依據(jù)樹種因子得分與主成分特征值代入式（3）計算得到各樹種類型樹種燃燒性綜合得分及排序結果。喬、灌木樹種燃燒性綜合指標排序見表7、表8。喬木樹種燃燒性由強至弱順序為：云杉、樟子松、側柏、油松、河北楊、杏樹、合作楊、新疆楊、火炬樹、刺槐。灌木樹種由強至弱順序為：沙地柏、沙柳、檸條、野櫻桃、花棒、沙蒿、踏郎、紫穗槐、紅瑞木、水蠟、沙棘。3結論和討論3.1燃燒性排序分析森林可燃物理化性質對森林燃燒性有著重要影響，對林火發(fā)生、蔓延起決定性作用。選擇毛烏素沙地較具代表性的喬、灌樹種為主要研究對象，利用主成分分析法評價林地內主要樹種燃燒性，研究結果為毛烏素沙地防火樹種選擇提供科學依據(jù)。通過燃燒性綜合得分排序可知，喬木樹種燃燒性由大到小排序為：云杉、樟子松、側柏、油松、河北楊、杏樹、合作楊、新疆楊、火炬樹、刺槐，灌木樹種燃燒性排序為：沙地柏、沙柳、檸條、野櫻桃、花棒、沙蒿、踏郎、紫穗槐、紅瑞木、水蠟、沙棘。根據(jù)喬、灌樹種燃燒性排序，可選擇該區(qū)域防火樹種構成，強抗火性喬木樹種有新疆楊、火炬樹、刺槐；可抗火性樹種有油松、河北楊、杏樹、合作楊，弱抗火性有云杉、樟子松、側柏；強抗火性灌木樹種有紫穗槐、紅瑞木、水蠟、沙棘；可抗火性有野櫻桃、花棒、沙蒿、踏郎；弱抗火性有沙地柏、沙柳、檸條。毛烏素沙地內抗火樹種應該選擇種植強抗火性樹種，避免可抗火性樹種大面積連片生長，對于植被生長狀況較為良好區(qū)域，應根據(jù)土壤狀況補植強抗火樹種，對于植被較貧瘠區(qū)域，應選擇補植生長較快、需水量較小的強抗火灌木樹種。3.2理化性質與燃燒性評價刺槐、新疆楊具有強抗火性，側柏、樟子松具有弱抗火性，該研究結果與孫永明、王曉麗、李艷琴、王月研究結果一致。郭文霞等研究中認為油松為弱抗火性，與本文研究