树种理化指标对森林防火防火的影响

树种理化指标对森林防火防火的影响

森林中的燃料燃烧对火灾的发生和传播起着决定性作用。要确定火灾，必须参考几个物理和化学性质指标，尤其是含燃物的含水量、热值、脂肪、火灾温度等。可燃物燃烧性研究可为预测森林火险、优化林分结构提供科学依据。国内外学者利用可燃物理化性质对森林燃烧性做了大量研究。王雷等利用主成分分析法研究呼和浩特21种主要园林树种燃烧性，并以此筛选城市防火树种。李克等以南京5种树种热释放速率、热释放速率峰值、有效燃烧性、总热释放量、点燃时间、质量损失速率为研究对象，运用因子分析法综合比较树种间燃烧性，燃烧性由强到弱排序为马尾松、杉木、侧柏、麻栎、女贞。于宏洲等通过时滞和平衡含水率法，建立大兴安岭重点林分类型地表死可燃物含水率预测模型，研究结果有利于火险天气和火行为预测。梁瀛等对天山中部林区9种主要树种的热值、灰分、含水率及抽提物进行测定，利用多元统计方法和可燃性指数综合评价体系评价树种燃烧性。张恒等利用主成分分析法分析大兴安岭5种主要林型下地表层可燃物燃烧性，研究结果表明，地表层可燃物燃烧性由强到弱为蒙古栎、白桦、黑桦、兴安落叶松和山杨。国外可燃物燃烧性研究从18世纪60年代开始，Bram开始研究森林可燃物燃烧性，Wilgen通过生物量、树叶含水率、热值和粗脂肪等指标评价南非树种的燃烧性，Chnadle测定阔叶林、灌木林含水率，研究得出树叶的春季含水率最高，抗火性强。可燃物理化性质对其燃烧性评价有着重要意义，因此对可燃物理化性质综合后评价树种燃烧性具有可行性。随着国家林业生态工程项目实施，毛乌素沙地造林面积持续增长，植被覆盖率明显增加。毛乌素沙地防火树种筛选对保护沙地生态环境与防沙治沙成果具有重要意义。以毛乌素沙地具有代表性的乔、灌树种为研究对象，测验各树种理化性质特征，运用主成分分析法对树种燃烧性进行综合排序，选择抗火性树种，研究结果对维持毛乌素沙地的生态系统平衡，预防森林火灾，降低林火风险有重要作用。1材料和方法1.1研究领域的总结毛乌素沙地位于陕西省榆林与内蒙古鄂尔多斯市交界，面积4.22×101.2乔木之间的生长毛乌素沙地内燃烧性实验树种选择对象主要包括乔木、灌木两大类，乔木树种有云杉、樟子松、侧柏、油松、河北杨、杏树、合作杨、新疆杨、火炬树、刺槐；灌木树种有沙地柏、沙柳、柠条、野樱桃、花棒、沙蒿、踏郎、紫穗槐、红瑞木、水蜡、沙棘。1.3样品的预处理野外采集实验树种样品装信封袋标记并称其鲜重，各样品带回实验室放置烘箱（102±3）℃烘干至质量恒定，取出样品进行粉碎后过300目筛，保存为小份样品粉末放置于干燥箱，以便进行样品相对含水率、热值、着火温度、灰分、粗脂肪指标测定。1.3.1电子天平含水率将带回样品放入恒温干燥箱内采用105℃连续烘干24h至绝干恒重，利用电子天平称重后计算相对含水率，公式见式（1）。式中：M为相对含水率；W1.3.2可燃物的燃烧值为取1～2g样品粉末再次烘干，粉末压片后利用XRY-1C微机氧弹式热量计测量可燃物热值。1.3.3可燃物退火温度试验着火温度测定仪ZY6069达到设置的样品大致着火温度后，取2～3g样品放入试样夹，反复试验后出现5s以上的连续火焰后取其最低温度为可燃物着火温度。1.3.4燃料散粉的测定取1～2g样品粉末烘干后放入箱式电阻炉650℃燃烧6～8h，完全灰化后取出冷却称量，反复3次取平均值为可燃物灰分值。1.3.5燃料脂测定滤纸包好1～2g样品粉末放入提油瓶，烘干后使用SZF-06型粗脂肪测定仪测定样品粗脂肪。1.4燃烧性综合评价结果分析主成分分析（PrincipalComponentAnalysis,PCA）是将数据由多维度转换为低维度变量的分析方法，新变量间相关性较小或彼此独立，同时保留高纬度数据特征信息。毛乌素沙地树种燃烧性由含水率、热值、着火温度、灰分、粗脂肪共5个评价指标综合计算形成，其计量单位不同，无法通过简单数学计算进行比较。因此，利用主成分分析消除过多的重叠信息，得出各燃烧性指标贡献度进行综合评分，根据综合得分完成树种燃烧性排序，能较准确地反映树种燃烧性的真实情况。利用主成分分析进行综合评价步骤如下：第一步：原始数据标准化处理，消除变量对量纲的影响。第二步：根据主成分累积贡献率确定主成分个数，选择特征值>1作为主成分。第三步：为进一步解释各主成分所包含的实际意义，采用方差最大选择对初始的因子进行旋转，从而解释各主成分。根据因子得分，利用式（2）计算主成分得分。式中：F第四步：依据主成分得分，利用式（3）计算不同树种的燃烧性综合得分。式中：F1.5燃烧性综合得分的测定采用Origin2019b可燃物理化性质进行整理归类，并绘制理化性质特征图表，利用SPSS25进行主成分分析，计算燃烧性综合得分。2结果与分析2.1毛乌苏沙地植物的物理和化学性质分析2.1.1不同类型树种不同含水率毛乌素沙地21种乔、灌树种含水率测量结果如图2、图3所示，乔木树种含水率多为54%～65%，均值为62%，灌木树种含水率分布在30%～52%，均值为43%，总体上乔木树种含水率大于灌木树种，乔木树种中云杉含水率最高，为85%，灌木树种沙棘含水率最高，为58%,2类树种最高含水率相差30%。2.1.2不同树种热值对比乔木、灌木树种热值如图4、图5所示，乔、灌树种热值主要分布于19800～21100、19450～20900J/kg，均值分别为20600、20200J/kg，乔木树种热值略大于灌木树种，差距较小。对比乔、灌树种，油松热值最高，达到22517J/kg，灌木树种野樱桃、沙地柏热值较高，分别为21212、21061J/kg。热值与油松相当，燃烧性较强。2.1.3不同树种退火温度分析乔木、灌木树种着火温度如图6、图7所示，分别为261～274、265～275℃，着火温度均值相似，约为268℃，乔、灌树种着火温度相差较小，灌木树种着火温度总体大于乔木树种，其中，合作杨、火炬树、沙柳、踏郎、沙地柏等乔、灌树种着火温度较高，约为270℃。2.1.4不同树种灰分值比较乔、灌树种间灰分差异明显，分别为2.2%～4.1%、1.3%～2.3%，均值分别为3.2%、1.6%，灌木树种灰分较乔木低50%，乔木树种樟子松、云杉灰分含量较高，灌木树种沙地柏灰分含量最高，约为3%，灰分值见图8、图9。2.1.5型钢树种的嘴唇主动生长乔、灌树种粗脂肪含量分别为4.5%～12%、4.4%～6%，均值分别是8.5%、7%，粗脂肪含量差距较大，灌木树种总体低于乔木树种。分析灌木树种粗脂肪含量，沙地柏、沙柳2种植被的粗脂肪含量分别达到了17.8%、16.4%，高于乔木树种油松粗脂肪含量。2.2燃烧性综合评价结果利用SPSS25软件分别对乔、灌木树种理化性质进行主成分分析，依据综合得分排序，分别比较乔、灌树种燃烧性强弱。乔、灌树种对应的主成分分析特征值及方差贡献率见表1、表2。根据特征值>1原则选取主成分个数，共提取2个主成分，特征值分别为2.688、1.158,2个主成分累计方差贡献率为76.929%，表示乔木树种76.929%燃烧性信息，对表2中灌木树种主成分分析后得出2个主成分，特征值为2.126、1.374，方差贡献率为70.004%，能表示大部分灌木树种燃烧性信息。乔、灌木植被主成分载荷矩阵正交旋转见表3、表4。正交旋转矩阵表示各变量在各主成分中的影响程度，表3中乔木植被主成分1主要由热值、粗脂肪、含水率指标信息复合构成，主成分2灰分系数最高，可为乔木的灰分指标。表4中灌木植被主成分1主要由粗脂肪、灰分构成，主成分2主要反映灌木树种热值指标信息。2种植被类型内各树种因子得分见表5、表6，依据树种因子得分与主成分特征值代入式（3）计算得到各树种类型树种燃烧性综合得分及排序结果。乔、灌木树种燃烧性综合指标排序见表7、表8。乔木树种燃烧性由强至弱顺序为：云杉、樟子松、侧柏、油松、河北杨、杏树、合作杨、新疆杨、火炬树、刺槐。灌木树种由强至弱顺序为：沙地柏、沙柳、柠条、野樱桃、花棒、沙蒿、踏郎、紫穗槐、红瑞木、水蜡、沙棘。3结论和讨论3.1燃烧性排序分析森林可燃物理化性质对森林燃烧性有着重要影响，对林火发生、蔓延起决定性作用。选择毛乌素沙地较具代表性的乔、灌树种为主要研究对象，利用主成分分析法评价林地内主要树种燃烧性，研究结果为毛乌素沙地防火树种选择提供科学依据。通过燃烧性综合得分排序可知，乔木树种燃烧性由大到小排序为：云杉、樟子松、侧柏、油松、河北杨、杏树、合作杨、新疆杨、火炬树、刺槐，灌木树种燃烧性排序为：沙地柏、沙柳、柠条、野樱桃、花棒、沙蒿、踏郎、紫穗槐、红瑞木、水蜡、沙棘。根据乔、灌树种燃烧性排序，可选择该区域防火树种构成，强抗火性乔木树种有新疆杨、火炬树、刺槐；可抗火性树种有油松、河北杨、杏树、合作杨，弱抗火性有云杉、樟子松、侧柏；强抗火性灌木树种有紫穗槐、红瑞木、水蜡、沙棘；可抗火性有野樱桃、花棒、沙蒿、踏郎；弱抗火性有沙地柏、沙柳、柠条。毛乌素沙地内抗火树种应该选择种植强抗火性树种，避免可抗火性树种大面积连片生长，对于植被生长状况较为良好区域，应根据土壤状况补植强抗火树种，对于植被较贫瘠区域，应选择补植生长较快、需水量较小的强抗火灌木树种。3.2理化性质与燃烧性评价刺槐、新疆杨具有强抗火性，侧柏、樟子松具有弱抗火性，该研究结果与孙永明、王晓丽、李艳琴、王月研究结果一致。郭文霞等研究中认为油松为弱抗火性，与本文研究