基于生物生态学和理化指标的园林树种抗火性评价

基于生物生态学和理化指标的园林树种抗火性评价

0园林植物的危害随着我国城市化进程的加快，城市绿化区不断扩大，城市园林火灾已成为一种新的不可忽视的城市疾病。保护城市园林植物,最大限度地减少城市园林火灾的发生,避免造成经济损失,成为林业部门的一项重要任务。树种的抗火性指其抵抗和忍耐林火的能力,所以根据树种抗火性进行城市园林植物的选择,对于抵抗和减少城市园林火灾以及保护园林植物减少经济损失等意义重大植物被林火烧死主要是由于火对树木的韧皮部及形成层等造成损害,树皮作为树木的重要保护层1材料和方法1.1不同指标类型从吉林省长春市街边绿化、森林公园和吉林莫莫格湿地生态系统定位观测研究站等地选取23个乔木树种作为研究对象,调查生物生态学特征,包括樟子松(PinussylvestrisL.var.mongholica)、长白落叶松(Larixolgensis)、红皮云杉(Piceakoraiensis)、火炬树(RhusTyphinaL)、核桃楸(JuglansmandshuricaMaxim.)、蒙古栎(Quercusmongolica)、新疆杨(PopulusalbaL.var.pyramidalis)、旱柳(Salixmatsudana)、稠李(PrunuspadusL.)、黄波罗(PhellodendronamurenseRupr.)、银中杨(Populusalba×P.berolinensis)、糖槭(AcernegundoL.)、梓树(Catalpaovata)、京桃(Prunuspersicaf.rubroplena)、小黑杨(Populussimonii×Populusnigra)、黑皮油松(Pinustabuliformisvar.mukdensisUyeki)、白桦(Betulaplatyphylla)、红松(Pinuskoraiensis)、翅卫矛(EuonymusphellomanaLoes.)、五角枫(AcermonoMaxim)、垂榆(Ulmuspumilavar.pendula)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、山杏(Prunusarmeniaca)。试验树皮于2015年5月采集,选择胸径为18cm、树形良好、树皮各方向上分布均匀且没有经历过森林火灾的树木为采样木,记录开裂程度、方向、密度和颜色特征,在胸径处取高14cm、宽12cm树皮1块,塑封带回冷藏保存。1.2测试方法1.2.1凋落物生长情况调查设立15m×15m调查样方,每个树种样方数量不低于3个,调查树木胸径大于10cm,观察落叶情况、凋落物分解速度快慢和萌蘖能力强弱;测量树皮厚度,根系深度,凋落物叶片大小、密实度和孔隙度;记录地貌、气候和土壤等立地条件。1.2.2文化景量测定使用游标卡尺在树皮截面的各个方向上测量树皮厚度共计10处,其平均值作为该树种树皮的厚度;采用105℃烘干恒质量法测定树皮绝干含水率;利用DW-02型点着温度测定仪测量燃点;干灰化法测定灰分;索氏提取法测定粗脂肪;使用C6000型全自动氧氮量热仪测定热值。1.2.3内表面测温实验实验前将冷藏保存的树皮恢复至室温,再将树皮各边裁剪1cm,记录长宽后即刻进行实验。实验装置从上到下依次为内表面测温部分,装载及称重部分,外表面热辐射部分。实验过程中每隔20s记录树皮内表面温度和质量,树皮烧漏时停止实验。1.2.4统计分析方法专家打分法是一种定性描述定量化方法,本文使用加权评价型,将评价对象中的各指标项目依照评价重要程度,给与不同的权重,运用Excel2010,进行结集给出评价结果,本文通过专家打分法得出各树种生物生态学综合得分。运用SPSS19.0,进行因子分析、曲线估计、聚类分析和判别分析。因子分析是将多个变量综合为少数几个因子的一种多元统计方法,主要思想是从为数众多的可观测变量中概括和推导出少数几个因子,来解释最大量的观测事实,本文通过因子分析法计算各树种的树皮的理化性质综合得分;曲线估计是一种对于线性模型、二次项模型、复合模型的处理方法,原则上只要两个变量之间存在能被它描述的数量关系,就可以用该过程分析,曲线相关关系可通过变量转换的方式转化为线性回归,本文将对指数曲线回归方程分析转化为对变量交换后的线性方程分析;聚类分析是指依据研究对象的个体特征,对其进行分类的方法,本文使用系统聚类中的Q型聚类,使具有相似特征的树种聚集在一起;判别分析是根据描述事物特征的变量值和它所属分类找出判别函数,以此为依据对所研究事物进行所属分类判别,本文利用判别分析对聚类结果中有异议的树种进行重新分类,观测其类别结果。2结果与分析2.1研究和试验结果2.1.1凋落物生长特性根据对各树种的调查及文献结果的整理,给出了树种的生物生态学评分标准。落叶性状:落叶3,常绿针叶含油脂1,枯不落叶1;树冠特征:稀疏宽广3,较宽广、枝叶适中2,狭窄、枝叶密集1;凋落物易燃性:易燃1,较易燃2,难燃3;凋落物大小与结构:叶短小、凋落物密实、孔隙度小3,叶较大、凋落物密实度、孔隙度中等2,叶片大、冬季枯叶残留树上或落叶疏松、孔隙度1;萌孽能力:强3,中2,弱或无1;凋落物分解速度:快3,中2,慢1;幼年生长速度:快3,中2,慢1;根系状况:深3,中2,潜1;耐旱性:喜湿润3,中2,耐干旱1;耐阴性:阴性3,中2,阳性1;喜肥性:喜肥沃3,中2,耐瘠薄1。根据上述评分标准,给出23个树种的生物生态学评分,见表1。计算各树种的综合得分2.1.2生长、生长指标分析通过测定各树种树皮理化指标,长白落叶松厚度最薄2.9mm,蒙古栎最厚15.8mm,平均值6.9mm;樟子松绝干含水率最低36%,新疆杨最高115.1%,平均值60.8%;粗脂肪含量火炬树最高39.2%,旱柳最低0.2%,平均值为9.4%;灰分含量樟子松最高15.3%,长白落叶松最低1.3%,平均值为6.0%;火炬树燃点最高268℃,银中杨最低235℃,平均值258℃;火炬树热值最高21521J,垂榆最低14705J,平均值18943J。热值与粗脂肪呈极显著正相关(r=0.701,p=0.000)、与灰分呈极显著负相关(r=-0.688,p=0.000)。树皮的理化指标见表2。通过对厚度、绝干含水率、粗脂肪、灰分、燃点和热值这6个指标进行因子分析2.1.3慢升阶段温度变化对23个树种树皮进行热辐射实验,绘制树皮内表面温度变化曲线和质量损失曲线,发现同类曲线变化规律相同,绘制规律曲线图,如图1所示。树皮内表面温度变化分3个阶段,第1阶段至拐点A处,即内表面温度升高较快阶段;第2阶段为A、B区间,即慢升温度阶段;第3阶段从拐点B开始树皮已无明显阻火能力。树皮20s温差曲线中起点温度为0,温度慢升阶段温度变化很小,因此,本文主要研究第1、2阶段树皮的内表面温度变化和质量损失情况。第1、2阶段升温用时分别为t其中:n=1表示第20s,n=2表示第40s,n=3表示第60s,以此类推。各树皮在第1、2阶段树皮内表面温度变化指标见表3。第1阶段升温时间与A拐点温度显著相关(r=0.463,p=0.026),A、B拐点温度极显著正相关(r=0.641,p=0.001),说明在第1阶段的升温过程中各树皮种类的升温速率差别较大,第2阶段慢升温过程中温度变化主要取决于t各树皮在第1、2阶段质量变化指标见表4。热辐射试验过程中总损失质量占初始质量比重平均33.8%,50%分位数值为32%;第1阶段损失占总损失质量比重平均26.5%,75%分位数值为30.9%。通过分析这两个阶段的质量损失情况表明,23个树种树皮在B拐点时刻总损失质量均低于50%,91%的树皮在第1阶段的质量损失要低于第2阶段。建立数学模型,由于树皮内表面温度在第1阶段升温较快且升温幅度较大,根据数据的变化情况对这一阶段建立指数模型,即Y第1阶段温度指数模型中,K第1、2阶段的质量线性模型中,K2.2树种抗火性聚类分析筛选23个乔木树种的生物生态学综合得分、树皮理化指标综合得分、K对这5个指标的排序情况进行系统聚类,树种抗火性的系统聚类情况如图2所示。将23个乔木树种分为易燃、较易燃和难燃3类。根据已有文献3树木抗火性综合评价在生物生态学调查、理化性质分析、热辐射作用下树皮内表面温度升高和质量损失的试验基础上,分别对23个树种抗火性由强到弱排序。(1)生物生态学综合得分依次为:水曲柳、黄波罗、核桃楸、梓树、长白落叶松、翅卫矛、稠李、白桦、京桃、旱柳、小黑杨、新疆杨、糖槭、火炬树、银中杨、五角枫、垂榆、山杏、蒙古栎、红皮云杉、红松、樟子松、黑皮油松。(2)理化性质综合得分依次为:火炬树、垂榆、黄波罗、新疆杨、翅卫矛、核桃楸、蒙古栎、旱柳、白桦、糖槭、小黑杨、山杏、樟子松、京桃、红皮云杉、水曲柳、梓树、稠李、红松、五角枫、黑皮油松、长白落叶松、银中杨。(3)树皮内表面温度变化指数模型中K(4)树皮内表面温度变化指数模型中a值依次为:蒙古栎、樟子松、黄波罗、核桃楸、火炬树、山杏、水曲柳、红皮云杉、翅卫矛、小黑杨、长白落叶松、黑皮油松、垂榆、梓树、五角枫、京桃、旱柳、白桦、红松、新疆杨、糖槭、银中杨、稠李。(5)树皮质量损失线性模型中K通过对上述5类排列顺序进行系统聚类,最终将23个园林树种抗火性分为3类,长白落叶松、火炬树、核桃楸、黄波罗抗火性最好,新疆杨、旱柳、稠李、银中杨、糖槭、梓树、京桃、小黑杨、白桦、翅卫矛、五角枫、垂榆、水曲柳抗火性次之,樟子松、红皮云杉、蒙古栎、黑皮油松、红松、山杏抗火性较差。在绿色生态的建设过程中,本文选取的23个乔木树种均作为园林树种建设在吉林省的大街小巷,但城市树木的选择与种植是一门复杂的科学,无论