張 恒, 候曉佳, 張秋良

(內蒙古農業(yè)大學林學院，內蒙古 呼和浩特 010019)

根據1980—2015年統(tǒng)計結果，內蒙古自治區(qū)共發(fā)生森林火災1 432次，火災面積高達1.50×106hm2，平均每年發(fā)生39.8次，平均火災面積4.17×104hm2[1].內蒙古大興安嶺在我國的生態(tài)環(huán)境建設中有不可替代的作用.2017年5月2日，內蒙古大興安嶺重點國有林管理局畢拉河林業(yè)局北大河林場發(fā)生特大森林火災，過火面積11 500 hm2，林地占60%，受害森林面積8 281.58 hm2[2].森林火災燒死、燒傷大量林木，導致森林面積減少，還嚴重破壞森林生態(tài)環(huán)境和森林結構.森林地表可燃物是引發(fā)森林火災的物質基礎之一，研究不同森林類型地表可燃物的燃燒性，有利于對森林地表可燃物進行有效、科學管理[3-5],對防止森林火災至關重要[6].

森林中的枯枝落葉、腐殖質、泥炭、喬木和灌木等都屬于可燃物，影響可燃物燃燒性的因素包括可燃物本身的結構狀態(tài)、理化性質和數量分布等[7-8].國內外學者對森林可燃物燃燒性做了大量的研究.例如：早在1959年美國學者Byram[9]就對森林可燃物的燃燒性進行了研究；Wilgen[10]選用生物量、可燃物的垂直分布和大小、葉含水率、熱值和粗脂肪含量等指標研究了南非某些樹種的燃燒性；劉自強等[11]選取含水率、灰分、燃點3個指標，評價了大興安嶺地區(qū)森林可燃物的易燃性及燃燒性；舒立福等[12]測定了南方常綠闊葉樹和杉木、馬尾松的葉、枝、皮的組成成分，并分析了其燃燒性；張景群等[13]測定了陜西櫟屬6個主要落葉樹種枯葉的可燃性；肖金香等[14]對江西省28種常見樹種的燃燒性和抗火性進行了評價；郭文霞等[15]選取絕對含水率、熱值、灰分、抽提物含量和9種生物學及生態(tài)學指標，評價了北京地區(qū)17種主要樹種的抗火性.森林地表可燃物分為活可燃物和死可燃物.其中，死可燃物最易被引燃發(fā)生地表火，地表火逐漸蔓延發(fā)展成為森林火災[16].目前，有關森林地表死可燃物燃燒性的研究尚顯不足.本研究以內蒙古大興安嶺5種典型林分下地表死可燃物為對象，測定其5項理化性質(含水率、粗脂肪含量、灰分含量、燃點、熱值)，并應用主成分分析法對其綜合燃燒性進行排序，以期為研究森林火災的發(fā)生、蔓延、能量釋放過程以及篩選防火樹種提供理論依據.

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

內蒙古大興安嶺畢拉河林業(yè)局，位于大興安嶺東坡南部，地理坐標為東經122°44′00″—123°55′00″、北緯49°00′40″—49°54′40″.地處寒溫帶大陸性季風氣候區(qū)，一年四季溫差較大，年平均溫度在-1 ℃左右，年降水量達479.4 mm，無霜期130 d左右.地帶性植被為寒溫型針葉林和中溫型闊葉林，主要樹種有山楊(Populusdavidiana)、興安落葉松(Larixgmelinii)、白樺(Betulaplatyphylla)、黑樺(Betuladahurica)、蒙古櫟(Quercusmongolica)和少量的樟子松(Pinussylvestrisvar.mongholica).

1.2 樣品采集

在內蒙古大興安嶺畢拉河林業(yè)局，采集主要喬木樹種興安落葉松、白樺、蒙古櫟、山楊和黑樺林下的地表死可燃物樣品，分3層采樣：凋落物層(litter layer, L)、半腐殖質層(semi-humus layer, S)、腐殖質層(humus layer, H).利用機械布點方法設置固定標準樣地5個，樣地大小為20 m×20 m，樣地邊界距離林緣至少50 m以上.在樣地內按對角線選取3個1 m×1 m的樣方，分別收集小樣方內的凋落物、半腐殖質、腐殖質的樣品.將采集的各個樣品現場稱重后裝入密封袋中，帶回實驗室測定其理化性質.

1.3 理化指標測定

含水率采用烘干恒重法測定[7].粗脂肪含量采用濾袋技術ANKOM XT10萃取系統(tǒng)進行測定[17].灰分測定采用干灰分法[7].燃點的測定采用DW-02型著火溫度測定儀測定[18].用全自動式量熱計(Parr6300型)測定樣品的熱值[7].

1.4 綜合燃燒性計算

主成分分析(principal component analysis, PCA)是考察多個變量間相關性的多元統(tǒng)計方法，可將多個變量進行正交變換轉化為貢獻值大的新綜合變量.此法要求各主成分的累積貢獻率要達到90%，再根據主成分分析得到的各主成分的貢獻率和因子得分，計算主成分的綜合變量(Y)值[19].

Y=a1x1+a2x2+a3x3+…+anxn

(1)

式中：Y為地表死可燃物的綜合燃燒性；an為各主成分貢獻率，xn為各主成分因子得分.

1.5 數據處理與分析

采用Excel 2015對數據進行整理與統(tǒng)計.利用SPSS 24.0軟件對標準化以后的數據進行主成分分析.采用Graphpaprism 8.0軟件作圖，并分析各理化指標對可燃物燃燒性的影響.

2 結果與分析

2.1 可燃物理化性質

2.1.1 含水率 L、S和H層中的含水率分別為58.31%～97.06%、48.01%～108.72%和51.61%～159.13%.L層和S層中山楊的含水率高于其他林分，H層中蒙古櫟的含水率最高.黑樺和蒙古櫟林下的地表死可燃物的含水率隨層次的加深而增高(圖1A).

2.1.2 粗脂肪含量 L、S和H層的粗脂肪含量分別為4.82%～12.25%、2.53%～6.56%和1.82%～6.56%.L層中蒙古櫟的粗脂肪含量高于其他林分；S層中白樺的粗脂肪含量最高，蒙古櫟次之，山楊最低；H層中山楊的粗脂肪含量最高，黑樺次之，興安落葉松最低.興安落葉松和蒙古櫟林下的地表死可燃物的粗脂肪含量隨層次的加深而降低(圖1B).

2.1.3 灰分含量 5種林分的灰分含量存在明顯差異，L、S和H層中的灰分含量分別為5.55%～20.26%、8.45%～47.43%和22.13%～56.73%.L層中興安落葉松的灰分含量最高，S和H層中山楊的灰分含量最高(圖1C).

2.1.4 燃點 L、S和H層的燃點分別為258.75～269.68 ℃、254.56～259.63 ℃和244.62～262.14 ℃.各林分地表死可燃物燃點較為穩(wěn)定，集中在250 ℃左右(圖1D).

2.1.5 熱值 L、S和H層熱值分別為16.45～18.44 J·g-1、14.89 ～18.39 J·g-1和8.19～15.51 J·g-1.L層各林分間的熱值相差不大，S層中白樺和蒙古櫟的熱值高于其他3種林分，H層中蒙古櫟的熱值高于其他林分.山楊地表死可燃物的熱值隨層次的加深而降低(圖1E).

2.2 綜合燃燒性評價

利用標準化以后的5項理化指標進行主成分分析，結果見表1～3.由表1可知，由于累計貢獻率要大于90%的原則，L層中選擇前3個新變量作為燃燒性評價的綜合指標；S層和H層中前2個新變量的累積貢獻率已經超過90%，因此選擇前2個變量作為燃燒性綜合評價指標.

表1 樣本相關矩陣的特征根與主成分貢獻率1)

1)1～4為L層,5～8為S層,9～12為H層.

表2 各指標正交轉化后的主成分載荷矩陣

表3 各林分樣本因子得分1)

1)x1表示第1主成分因子得分,x2表示第2主成分因子得分,x3表示第3主成分因子得分.

由表2可知,L層第1主成分中熱值、燃點、粗脂肪含量這3個指標系數比其他2個指標大，說明這3個指標包含了第1主成分中大部分信息，第1主成分可以看作熱值、燃點和粗脂肪含量的復合指標；第2主成分中，含水率和粗脂肪含量的系數較大，說明在特征屬性中這2個指標有較大的因子載荷，第2主成分可以看作含水率和粗脂肪含量的復合指標；第3主成分中，灰分和熱值的系數較大，說明其在特征屬性中有較大的因子載荷，第3主成分可以看作灰分和熱值的復合指標.

S層第1主成分中，含水率、熱值、粗脂肪含量的系數較大，說明這3個指標包含了第1主成分中的大部分信息，第1主成分可以看作這3個指標的復合指標；第2主成分中，燃點系數最大，遠超過其他指標，第2主成分可單獨看作燃點指標.

H層第1主成分中，灰分和粗脂肪含量的系數較大，說明在特征屬性中這2個指標有較大的因子載荷，第1主成分可以看作灰分和粗脂肪含量的復合指標；第2主成分中，含水率系數最大，第2主成分可以單獨看作含水率指標.

將各主成分貢獻率(表1)和因子得分(表3)代入式(1)得到5種林分下L、S、H層的綜合燃燒性值及其排序(表4).由表4可知，5種林分下L層燃燒性由強到弱依次為蒙古櫟、興安落葉松、黑樺、白樺、山楊；S層燃燒性由強到弱依次為白樺、蒙古櫟、黑樺、山楊、興安落葉松；H層燃燒性由強到弱依次為山楊、黑樺、白樺、興安落葉松、蒙古櫟.5種林分下地表死可燃物綜合燃燒性由強到弱依次為蒙古櫟、白樺、黑樺、興安落葉松、山楊.

表4 各林分下地表死可燃物綜合燃燒性排序

3 討論

建立防火林帶是我國一項重要的防火措施[20-22]，防火樹種的選擇又是營造防火林帶的基礎.因此，選擇適合的防火樹種，可以增加森林系統(tǒng)的抗火能力[23].同一樹種林下各層地表死可燃物的燃燒性有明顯的差異，蒙古櫟林下凋落物層燃燒性最強，白樺林下半腐殖質層的燃燒性最強，山楊林下腐殖質層的燃燒性最強.因此，營造白樺和山楊混交林，能夠降低林分燃燒性，減小森林火災發(fā)生的可能性.寒溫帶林區(qū)地下火是在地下腐殖質層中燃燒形成的火災，具有燃燒區(qū)域散熱慢、持續(xù)時間長、難發(fā)現等特點，對生態(tài)系統(tǒng)的破壞性極大[24].本研究中，白樺和蒙古櫟林下半腐殖質層的燃燒性較強，山楊和黑樺林下腐殖質層的燃燒性較強，在高溫少雨的天氣易引發(fā)地下火.林區(qū)可以通過人工沖淋、飛機灑水等方式，保持地面濕潤，增加地表死可燃物含水率，從而降低地下火的發(fā)生機率.地下火主要由地表火燃燒到地下引起，在氣候偏旱的高火險環(huán)境下，野外火源先引起地表火，當高溫滲透到地表下面時，就形成森林地下火[25].本研究中，蒙古櫟和興安落葉松林下凋落物層的燃燒性較強，易發(fā)生地表火，故及時清理這2種林分地表枯枝、堆積落葉等，也是預防地下火的有效途徑.根據各林分地表死可燃物綜合燃燒性排序可知，山楊最弱，興安落葉松和黑樺次之.因此，可營造這些樹種的混交林，作為防火樹種并建立防火隔離帶.

森林火災發(fā)生的難易程度和火災蔓延速度與可燃物含水率有直接聯(lián)系[26-27].含水率與可燃物燃燒性之間呈現負相關，含水率越高，可燃物的燃燒性越弱.蒙古櫟的地表死可燃物的含水率隨地下層的加深而增大.從含水率角度考慮，蒙古櫟的地表死可燃物燃燒性較弱，與綜合評價得出的蒙古櫟燃燒性最強的結論不符，由此可見，樹種地表死可燃物燃燒性受多種因子共同作用.粗脂肪是一種成分復雜的易燃物，其含量是衡量樹種燃燒性的重要指標，粗脂肪含量越高的可燃物越易燃[7].凋落物層中蒙古櫟的粗脂肪含量高于其他林分，半腐殖質層中白樺的粗脂肪含量最高.由此看出，蒙古櫟和白樺表現出較強的易燃性.灰分也是影響可燃物燃燒性的重要因素，對可燃物有焰燃燒起阻滯作用，灰分越大，燃燒性越小[28].凋落物層中興安落葉松的灰分含量最高，半腐殖質和腐殖質層中山楊的灰分含量最高.從灰分的角度看，山楊和興安落葉松燃燒性較弱.可燃物開始著火的最低溫度即為該可燃物的燃點，燃點越低，可燃物的燃燒性越強[29].本研究中各林分地表死可燃物燃點值相差較小，數值較為集中.熱值即單位質量可燃物在絕干狀態(tài)下完全燃燒時所釋放的熱量[7].可燃物的燃燒熱值越大，釋放的能量越多，火強度就越大.從熱值方面看，蒙古櫟和白樺林下地表死可燃物燃燒性較強.

內蒙古大興安嶺畢拉河林業(yè)局植被按分布面積大小排序依次為興安落葉松、蒙古櫟、白樺、山楊、黑樺[30].蒙古櫟和白樺分布范圍較廣，并且樹種燃燒性較強，不宜作為防火樹種；可選擇與燃燒性較弱的樹種如山楊和興安落葉松混交改造，降低人工林的燃燒性.本研究中，采集樣品與試驗分析的過程都盡量與試驗設計流程相一致，但因同一樹種立地條件、樹齡等存在差異，在數據分析過程中會產生誤差.此外，本文僅以地表死可燃物的理化性質區(qū)分其燃燒性，未涉及地表死可燃物載量、緊密度等因素，今后應結合這些因素對不同林分地表死可燃物的燃燒性進行全面研究，以得出更加科學的結果.