摘要：【目的】對(duì)河北省張家口市崇禮區(qū)8類典型植物葉片的理化性質(zhì)和燃燒性進(jìn)行分析，為當(dāng)?shù)厣只痣U(xiǎn)評(píng)估和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供參考?！痉椒ā炕趶埣铱谑谐缍Y區(qū)典型地表植被類型的分布狀況以及自然條件，以白樺 （Betula platyphylla）、油松（Pinus tabuliformis）、落葉松（Larix gmelinii）、榛（Corylus heterophylla）、灌雜、草本類、山杏（Prunus sibirica）、樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）8類植物葉片作為研究對(duì)象，選取植被覆蓋率較高的純林地段采集植物葉片并測(cè)定其理化性質(zhì)，采用主成分分析法評(píng)價(jià)8類植物葉片的燃燒性，并利用聚類分析法對(duì)8類植物葉片的燃燒等級(jí)進(jìn)行劃分。【結(jié)果】8類植物葉片的燃燒性大小由強(qiáng)到弱順序依次為樟子松、白樺、草本類、山杏、榛、油松、落葉松、灌雜。通過(guò)主成分分析與聚類分析將8類植物葉片劃分為3個(gè)等級(jí)，分別為：可燃、較易燃、易燃。落葉松、油松、灌雜屬于可燃等級(jí)，白樺、榛、草本類、山杏屬于較易燃等級(jí)，樟子松屬于易燃等級(jí)?！窘Y(jié)論】落葉松、油松、灌雜燃燒性最弱，火災(zāi)危險(xiǎn)性最低；樟子松燃燒性最強(qiáng)，火災(zāi)危險(xiǎn)性最高，需特別關(guān)注和防范。研究結(jié)果為張家口市崇禮區(qū)森林火災(zāi)發(fā)生預(yù)報(bào)、生物防火以及營(yíng)林用火等方面提供重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：植物葉片；理化性質(zhì)；燃燒性；森林火險(xiǎn)；聚類分析；主成分分析；張家口市崇禮區(qū)

中圖分類號(hào)：S762""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1000-2006（2024）06-0239-06

Analysis of the physicochemical properties and flammability of the plant leaves of typical plants in Chongli District of Zhangjiakou City， Hebei Province

MU Yunjie1， GAO Demin1*， LONG Tengteng2， GUO Zaijun3， NIU Haifeng3

（1. College of Information Science and Technology，School of Artificial Intelligence， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China; 2. College of Fire Fighting， Southwest Forestry University， Kunming 650224， China; 3. Zhangjiakou City Academy of Forestry Sciences， Zhangjiakou 075000， China）

Abstract： 【Objective】This study analyzed the physicochemical and combustion characteristics of the leaves of eight typical plants in Chongli District of"" Zhangjiakou City， Hebei Province， the study"" aimed to provide insights for assessing the risk of local forest fires and their sustainable management. 【Method】 Based on the distribution patterns of the typical land surface types and natural conditions in Chongli District of" Zhangjiakou City， eight plant species， including Betula platyphylla， Pinus tabuliformis， Larix gmelinii， Corylus heterophylla， shrubs， herbs， Prunus sibirica， and P. sylvestris var. mongolica were selected as the research objects. Leaves were collected from pure forest segments with high vegetation coverage， and their physicochemical properties were determined. The combustion characteristics of the leaves of these eight plant species were determined by principal component analysis. The leaves were additionally categorized based on their combustion levels by cluster analysis.【Result】The combustion intensity of the leaves ranged from strongest to weakest in the following order： P. sylvestris var. mongolica， B. platyphylla， herbs， P. sibirica， C. heterophylla， P. tabuliformis， L. gmelinii， and shrubs. The leaves were classified into three categories by principal component analysis and cluster analysis， namely， the highly combustible， moderately combustible， and most easily combustible" groups. The highly combustible category included L. gmelinii， P. tabuliformis， and scrub plants. The moderately combustible category comprised B. platyphylla， C. heterophylla， herbs， and P. sibirica， while the most easily combustible category included P. sylvestris var. mongolica. 【Conclusion】L. gmelinii， P. tabuliformis， and shrub plants exhibited the lowest combustion propensity， thus posing as minimal wildfire hazards. Conversely， the combustion propensity of" P. sylvestris var. mongolica was highest， indicating an elevated risk of wildfires. Therefore， targeted attention and preventive measures are imperative for controlling wildfires in Chongli District. The findings provide crucial evidence for predicting forest fires in Chongli District of Zhangjiakou City， and advocates the implementation of measures such as biological fire prevention and controlled burning during forestry operation.

Keywords：plant leaves; physicochemical properties; combustion characteristics; forest fire risk; cluster analysis; principal component analysis; Chongli District， Zhangjiakou City

森林火災(zāi)作為森林三大自然災(zāi)害之一，具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、難以處置的特點(diǎn)，不僅燒死、燒傷林木，導(dǎo)致森林面積減少，而且嚴(yán)重破壞森林結(jié)構(gòu)和森林環(huán)境，導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)失衡[1-3]。近年來(lái)，全球范圍內(nèi)每年發(fā)生約23萬(wàn)起森林火災(zāi)，燒毀森林面積約占世界森林覆蓋面積0.23%以上，超過(guò)650萬(wàn)hm2[4]。森林火災(zāi)的發(fā)生成因復(fù)雜，主要涉及可燃物特性、火源、人為因素、野外環(huán)境條件等。其中，森林植被的可燃性構(gòu)成了森林火災(zāi)發(fā)生和蔓延的物質(zhì)基礎(chǔ)[5]，不同類型的森林植物葉片因其獨(dú)特的理化性質(zhì)而具有不同的燃燒性。Frejaville等[6]研究發(fā)現(xiàn)，隨著裸子植物到被子植物的轉(zhuǎn)變，亞高山樹(shù)種對(duì)火災(zāi)的敏感性增強(qiáng)。此外，DeMagalhs等[7]對(duì)美國(guó)加州8個(gè)優(yōu)勢(shì)樹(shù)種凋落葉進(jìn)行燃燒性分析，通過(guò)主成分分析得出可燃性與總釋放熱量和燃燒強(qiáng)度的關(guān)系。國(guó)內(nèi)學(xué)者主要利用喬木、灌木、枯落物或者植物葉片的理化性質(zhì)[8-14]分析森林植物葉片的燃燒性[15-17]、火行為特征[18-19]等，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)灰分對(duì)燃燒性起反作用，含水率越高可燃物的易燃性越弱，熱值越高可燃物的易燃性越高。

考慮到河北張家口崇禮區(qū)是重要旅游勝地和自然保護(hù)區(qū)域，擁有重要的森林生態(tài)系統(tǒng)，各種植被類型和生態(tài)系統(tǒng)類型相互交織，森林植物葉片的燃燒性對(duì)火險(xiǎn)的影響具有顯著作用。大型社會(huì)活動(dòng)項(xiàng)目會(huì)在崇禮區(qū)舉辦，對(duì)于森林火災(zāi)預(yù)防和生態(tài)保護(hù)具有特殊需求。本研究通過(guò)測(cè)定張家口市崇禮區(qū)8種植物葉片的理化性質(zhì)，運(yùn)用主成分分析和系統(tǒng)聚類分析綜合判斷常見(jiàn)植物葉片的燃燒性并對(duì)其進(jìn)行等級(jí)劃分，以此為當(dāng)?shù)厣只痣U(xiǎn)評(píng)估和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及樣品采集

研究區(qū)域?yàn)楹颖笔埣铱谑谐缍Y區(qū)（114°17′～115°34′E，40°47′～41°17′N），面積2 334 km2。境內(nèi)80%為山地，森林覆蓋率52.38%，海拔813～2 174 m。該區(qū)屬東亞大陸性季風(fēng)氣候中溫帶亞干旱區(qū)，年平均氣溫9 ℃，夏季平均氣溫19" ℃，冬季平均氣溫-12" ℃，年平均降水量488 mm。主要森林植被包括喬木類、灌木類、草本類等，其中主要喬木植物為白樺（Betula platyphylla）、油松（Pinus tabuliformis）、落葉松（Larix gmelinii）、

山杏（Prunus sibirica）、樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica），灌木植物多為榛（Corylus heterophylla）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、沙棘（Hippophae rhamnoides）等，草本主要為苜蓿（Medicago sativa）、白蓮蒿（Artemisia stechmanniana）、白茅（Imperata cylindrica）等?；趶埣铱诔缍Y區(qū)典型地表植被的分布情況和自然條件，選擇白樺、油松、落葉松、榛、灌雜、草本類、山杏、樟子松8類植物葉片作為研究對(duì)象，該8類植物占崇禮區(qū)植被覆蓋率的84%。在植被覆蓋率較高、人為干預(yù)較少的純林林型地段共設(shè)置300個(gè)樣地，樣地分布如圖1所示。采集這些植物葉片樣本于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行燃燒性測(cè)定，其中200個(gè)用于采集喬木類植物葉片的標(biāo)準(zhǔn)樣地（20 m×20 m），分別是40個(gè)樣地用于采集白樺葉片、40個(gè)樣地用于采集落葉松葉片、40個(gè)樣地用于采集油松葉片、40個(gè)樣地用于采集山杏葉片、40個(gè)樣地用于采集樟子松葉片;50個(gè)用于采集灌木灌雜類植物葉片的樣地（5 m×5 m），其中32個(gè)樣地用于采集榛柴，18個(gè)樣地用于采集灌雜；50個(gè)全部用于采集草本類植物葉片的樣地（1 m×1 m）。

1.2 葉片理化性質(zhì)測(cè)定

1.2.1 含水率測(cè)定

樣品葉片鮮質(zhì)量記為W1，置于烘箱內(nèi)105" ℃連續(xù)烘干24 h稱量樣品葉片的干質(zhì)量記為W2。樣品葉片相對(duì)含水率（M）計(jì)算公式如下：

M=W1-W2W1×100%。

（1）

1.2.2 灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定

坩堝質(zhì)量記為H1，首先將干燥后的樣品葉片放入攪拌器中粉碎，取粉碎樣品葉片1 g置于坩堝中，稱量坩堝和樣品葉片的質(zhì)量記為H2；然后將裝有樣品葉片的坩堝置于馬弗爐中，650" ℃燃燒4 h取出置于干燥器內(nèi)，待冷卻后稱量樣品葉片和坩堝的質(zhì)量記為H3。樣品葉片灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（A）計(jì)算公式如下：

A=H2-H1H3-H1×100%。

（2）

1.2.3 粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定

干燥后的樣品葉片放入攪拌器中粉碎，取粉碎樣品葉片1 g左右倒入濾紙中包好，稱其質(zhì)量記為Q；在80" ℃恒溫水浴鍋內(nèi)，使用裝有60～90 ℃石油醚的索式提取器抽提8 h，稱其質(zhì)量記為Q1；將樣品葉片取出置于通風(fēng)櫥內(nèi)，揮發(fā)掉石油醚再放入80 ℃烘箱內(nèi)烘干至質(zhì)量恒定，取出后稱其質(zhì)量記為Q2。樣品葉片粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)（L）計(jì)算公式如下：

L=Q2-Q1Q×100%。

（3）

1.2.4 熱值測(cè)定

取粉碎好的樣品葉片1～2 g再次烘干，用壓餅器壓成餅，使用XRY-1C微機(jī)氧彈式熱量計(jì)（上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司）直接測(cè)定熱值。

1.2.5 燃點(diǎn)

取粉碎好的樣品葉片2～3 g置于ZY6069型燃點(diǎn)溫度測(cè)定儀（北京旭鑫儀器設(shè)備有限公司），多次試驗(yàn)后出現(xiàn)5 s以上持續(xù)火焰取其最低溫度即為植物葉片燃點(diǎn)。

1.3 燃燒性綜合分析

主成分分析是一種經(jīng)典降維算法，通過(guò)正交變換將與其分量有關(guān)的原隨機(jī)向量轉(zhuǎn)化為與其分量不相關(guān)的新隨機(jī)向量[20]，即將原有隨機(jī)向量的協(xié)方差矩陣化為對(duì)角矩陣。

Yi=a1x1+a2x2+a3x3+...+anxn。

（4）

式中：Yi為各植物葉片主成分得分情況；an為各主成分貢獻(xiàn)率情況；xn為每個(gè)因子得分情況。

基于植物葉片的理化性質(zhì)和生態(tài)學(xué)特征，將葉片含水率、灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)、熱值、燃點(diǎn)5種理化性質(zhì)作為燃燒性因子指標(biāo)，采用主成分分析法對(duì)燃燒性進(jìn)行排序并通過(guò)聚類分析將燃燒性綜合指標(biāo)劃分為可燃（Ⅰ）、較易燃（Ⅱ）、易燃（Ⅲ）3個(gè)等級(jí)，對(duì)植物葉片的燃燒性進(jìn)行分類和評(píng)估。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物葉片燃燒性指標(biāo)構(gòu)建與相關(guān)性分析

各種植物葉片的含水率、灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)、熱值、燃點(diǎn)取均值見(jiàn)表1。

由表1可知，草本類的含水率最高達(dá)62%，為最不易燃燒的植物葉片；相比之下，油松的含水率僅為21%，為最易燃燒的植物葉片。落葉松的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高（在24%以上），其次是山杏，樟子松的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低?；曳仲|(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，植物葉片越不易燃燒，可見(jiàn)落葉松為最不易燃燒的植物葉片，樟子松為最易燃燒的植物葉片。粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析表明，樟子松最高，達(dá)到12%以上，其次為草本類、山杏（均高于10%），灌雜的粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低。粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，植物葉片的燃燒性越強(qiáng)，可見(jiàn)樟子松的燃燒性最高，灌雜的燃燒性最低。8類常見(jiàn)植物葉片的熱值中，灌雜的熱值最高，落葉松的熱值最低。熱值較高的植物葉片燃燒時(shí)釋放的能量較大，火強(qiáng)度大[21-22]，可見(jiàn)灌雜的燃燒性最高，落葉松的燃燒性最低。8類常見(jiàn)植物葉片的燃點(diǎn)中，樟子松的燃點(diǎn)最高，其次是油松，灌雜的燃點(diǎn)最低。燃點(diǎn)越高，植物葉片越不易燃燒。

對(duì)各植物葉片的含水率、灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)、熱值、燃點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析（表2），發(fā)現(xiàn)5種理化性質(zhì)之間，熱值與灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間存在負(fù)相關(guān)性，這意味著熱值高的植物其灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，其次是熱值與粗脂肪之間存在正相關(guān)但顯著性不強(qiáng)，這意味著粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的樣本可能熱值也比較高，其他變量之間的相關(guān)性較弱并不顯著。

2.2 植物葉片燃燒性指標(biāo)主成分分析

通過(guò)對(duì)8種植物葉片的熱值、灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、含水率、粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)、燃點(diǎn)5個(gè)理化性質(zhì)進(jìn)行主成分分析（表3），由表3可知，含水率、粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)和灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的主成分信息量較高，累積方差貢獻(xiàn)率為95.396%，達(dá)到累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于85%的原則，因此選擇含水率、粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)、灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)3種理化性質(zhì)即可基本表達(dá)所需信息。進(jìn)一步采用Varimax正交旋轉(zhuǎn)法將因子載荷陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使因子載荷陣的平方向1和0分化有助于簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)保留對(duì)植物葉片燃燒性評(píng)估至關(guān)重要的信息，結(jié)果見(jiàn)表3。

將灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)、燃點(diǎn)、熱值、含水率分別設(shè)為x1、x2、x3、x4、x5可得因子模型，用以評(píng)價(jià)各因子燃燒性得分情況y1、y2、y3及綜合得分y。計(jì)算公式如下：

y1=-0.186 x1+0.603 x2-0.482 x3+0.254 x4+0.553 x5；（5）

y2=-0.166 x1+0.247 x2+0.516 x3+0.674 x4+0.436 x5；（6）

y3=0.933 x1+0.336 x2-0.02 x3-0.129 x4-0.011 x5；（7）

y=0.405 85 y1+0.346 89 y2+0.201 21 y3。（8）

2.3 植物葉片燃燒性指標(biāo)綜合分析

將歸一化后的數(shù)據(jù)分別代入式（5）、（6）、（7）可得主要因子得分情況，再將y1、y2、y3代入式（8）可得各植物葉片的最終綜合得分，結(jié)果見(jiàn)表4，植物葉片燃燒性排序?yàn)檎磷铀蒰t;白樺gt;草本類gt;山杏gt;榛柴gt;油松gt;落葉松gt;灌雜，同時(shí)將8類植物通過(guò)聚類分析劃分為3個(gè)等級(jí)分別為易燃（Ⅰ）、較易燃（Ⅱ）、可燃（Ⅲ）。其中，樟子松屬于易燃（Ⅰ），白樺、榛柴、草、山杏屬于較易燃（Ⅱ），落葉松、油松、灌雜屬于可燃（Ⅲ）。

3 討 論

通過(guò)研究張家口市崇禮區(qū)及其周邊地區(qū)8類主要植物葉片的理化性質(zhì)和燃燒性，采用主成分分析和聚類分析，確定了各植物葉片的燃燒性排序，將其分為3個(gè)不同的燃燒等級(jí)。研究結(jié)果顯示，樟子松的燃燒性較高，這可能與其較低的含水率和較高的粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，與張今奇等[23]對(duì)大興安嶺地區(qū)樹(shù)種燃燒性的研究結(jié)果一致。相比之下，灌雜的低燃燒性可能是由于其較高的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和較低的熱值，這與李連強(qiáng)等[18]對(duì)妙峰山地區(qū)樹(shù)種燃燒性的研究結(jié)果相符。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，含水率、粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)和灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)是決定植物葉片燃燒性的主要因素，這與魏建珩等[24]的研究結(jié)果相符。這些參數(shù)的主成分分析累積方差貢獻(xiàn)率高達(dá)95.396%，強(qiáng)調(diào)了它們?cè)谏只馂?zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的重要性。

盡管本研究強(qiáng)調(diào)了植物葉片理化性質(zhì)分析在森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用，但是研究樣本主要集中在崇禮區(qū)，不完全代表其他地理區(qū)域的情況。另外，除了本研究考慮的理化性質(zhì)，還有其他因素，如氣候條件和植被結(jié)構(gòu)，也可能影響植物葉片的燃燒性[25-29]，未來(lái)研究應(yīng)考慮這些變量，以獲得更全面的結(jié)果。

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（責(zé)任編輯 王國(guó)棟）