樹種理化指標(biāo)對森林防火防火的影響

樹種理化指標(biāo)對森林防火防火的影響

森林中的燃料燃燒對火災(zāi)的發(fā)生和傳播起著決定性作用。要確定火災(zāi)，必須參考幾個物理和化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，尤其是含燃物的含水量、熱值、脂肪、火災(zāi)溫度等?？扇嘉锶紵匝芯靠蔀轭A(yù)測森林火險、優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)。國內(nèi)外學(xué)者利用可燃物理化性質(zhì)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(diǎn)燃時間、質(zhì)量損失速率為研究對象，運(yùn)用因子分析法綜合比較樹種間燃燒性，燃燒性由強(qiáng)到弱排序?yàn)轳R尾松、杉木、側(cè)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(diǎn)林分類型地表死可燃物含水率預(yù)測模型，研究結(jié)果有利于火險天氣和火行為預(yù)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(jìn)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(jié)果表明，地表層可燃物燃燒性由強(qiáng)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(jì)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(biāo)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(qiáng)?？扇嘉锢砘再|(zhì)對其燃燒性評價有著重要意義，因此對可燃物理化性質(zhì)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(xiàng)目實(shí)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(hù)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(yàn)各樹種理化性質(zhì)特征，運(yùn)用主成分分析法對樹種燃燒性進(jìn)行綜合排序，選擇抗火性樹種，研究結(jié)果對維持毛烏素沙地的生態(tài)系統(tǒng)平衡，預(yù)防森林火災(zāi)，降低林火風(fēng)險有重要作用。1材料和方法1.1研究領(lǐng)域的總結(jié)毛烏素沙地位于陜西省榆林與內(nèi)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(nèi)燃燒性實(shí)驗(yàn)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(cè)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(yù)處理野外采集實(shí)驗(yàn)樹種樣品裝信封袋標(biāo)記并稱其鮮重，各樣品帶回實(shí)驗(yàn)室放置烘箱（102±3）℃烘干至質(zhì)量恒定，取出樣品進(jìn)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(jìn)行樣品相對含水率、熱值、著火溫度、灰分、粗脂肪指標(biāo)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(nèi)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(jī)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(yàn)著火溫度測定儀ZY6069達(dá)到設(shè)置的樣品大致著火溫度后，取2～3g樣品放入試樣夾，反復(fù)試驗(yàn)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(fù)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(jié)果分析主成分分析（PrincipalComponentAnalysis,PCA）是將數(shù)據(jù)由多維度轉(zhuǎn)換為低維度變量的分析方法，新變量間相關(guān)性較小或彼此獨(dú)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(biāo)綜合計算形成，其計量單位不同，無法通過簡單數(shù)學(xué)計算進(jìn)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(biāo)貢獻(xiàn)度進(jìn)行綜合評分，根據(jù)綜合得分完成樹種燃燒性排序，能較準(zhǔn)確地反映樹種燃燒性的真實(shí)情況。利用主成分分析進(jìn)行綜合評價步驟如下：第一步：原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)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(jìn)一步解釋各主成分所包含的實(shí)際意義，采用方差最大選擇對初始的因子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，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(zhì)進(jìn)行整理歸類，并繪制理化性質(zhì)特征圖表，利用SPSS25進(jìn)行主成分分析，計算燃燒性綜合得分。2結(jié)果與分析2.1毛烏蘇沙地植物的物理和化學(xué)性質(zhì)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(jié)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(dá)到22517J/kg，灌木樹種野櫻桃、沙地柏?zé)嶂递^高，分別為21212、21061J/kg。熱值與油松相當(dāng)，燃燒性較強(qiáng)。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(dá)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(jié)果利用SPSS25軟件分別對喬、灌木樹種理化性質(zhì)進(jìn)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(qiáng)弱。喬、灌樹種對應(yīng)的主成分分析特征值及方差貢獻(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(zhuǎn)見表3、表4。正交旋轉(zhuǎn)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(biāo)信息復(fù)合構(gòu)成，主成分2灰分系數(shù)最高，可為喬木的灰分指標(biāo)。表4中灌木植被主成分1主要由粗脂肪、灰分構(gòu)成，主成分2主要反映灌木樹種熱值指標(biāo)信息。2種植被類型內(nèi)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(jié)果。喬、灌木樹種燃燒性綜合指標(biāo)排序見表7、表8。喬木樹種燃燒性由強(qiáng)至弱順序?yàn)椋涸粕?、樟子松、?cè)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(qiáng)至弱順序?yàn)椋荷车匕亍⑸沉?、檸條、野櫻桃、花棒、沙蒿、踏郎、紫穗槐、紅瑞木、水蠟、沙棘。3結(jié)論和討論3.1燃燒性排序分析森林可燃物理化性質(zhì)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(nèi)主要樹種燃燒性，研究結(jié)果為毛烏素沙地防火樹種選擇提供科學(xué)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?yàn)椋涸粕?、樟子松、?cè)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?yàn)椋荷车匕?、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(gòu)成，強(qiáng)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(cè)柏；強(qiáng)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(nèi)抗火樹種應(yīng)該選擇種植強(qiáng)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(yīng)根據(jù)土壤狀況補(bǔ)植強(qiáng)抗火樹種，對于植被較貧瘠區(qū)域，應(yīng)選擇補(bǔ)植生長較快、需水量較小的強(qiáng)抗火灌木樹種。3.2理化性質(zhì)與燃燒性評價刺槐、新疆楊具有強(qiáng)抗火性，側(cè)柏、樟子松具有弱抗火性，該研究結(jié)果與孫永明、王曉麗、李艷琴、王月研究結(jié)果一致。郭文霞等研究中認(rèn)為油松為弱抗火性，與本文研究