粵北地區(qū)典型人工林林下森林可燃物的特征研究

付志高,王志龍,肖以華,許 涵,史 欣

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所,廣州 510520；2.梅州市林業(yè)局,廣東 梅州 514000)

森林可燃物是森林火災(zāi)發(fā)生的必要條件之一,也是森林火災(zāi)的物質(zhì)基礎(chǔ)和重要載體,其包括空間結(jié)構(gòu)上的地下、地表和空中的可燃物。已有研究表明,此3類(lèi)可燃物引發(fā)的火災(zāi)中,以地表可燃物居多[1-2]。地表森林可燃物是引發(fā)地表火從而導(dǎo)致森林火災(zāi)發(fā)生的主要原因。可燃物的燃燒中,除需要具備可燃物和火源等燃燒條件外,其還受制于林分中可燃物含水率、平衡含水率、熱值和燃點(diǎn)等理化性質(zhì)的影響[3]。

表征森林可燃物特性的指標(biāo)主要包括:絕干含水率、平衡含水率、熱值和燃點(diǎn)等,干鮮比是指干重和鮮重的百分比,代表著絕干含水率的高低[4-5]；平衡含水率代表著可燃物于恒溫、恒濕條件下,一段時(shí)間后其含水率達(dá)到的一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡值[6]；熱值是燃燒一定燃料所釋放的最大能量的量度,其值越高,則意味著釋放的能量越多,林火強(qiáng)度則越大；燃點(diǎn)為物質(zhì)在空氣中加熱時(shí),開(kāi)始并繼續(xù)燃燒的最小溫度。關(guān)于森林可燃物的研究主要集中于基于可燃物特性等的火險(xiǎn)預(yù)測(cè)研究[7-8],可燃物可燃性的多維度分析(可燃性、熱釋放和火災(zāi)蔓延率),燃燒產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng),從空間上探究火災(zāi)蔓延態(tài)勢(shì),以及基于遙感技術(shù)開(kāi)展這方面的研究等[9-10]。國(guó)外20世紀(jì)60年代便有關(guān)于應(yīng)用數(shù)學(xué)模型來(lái)闡述森林可燃物與林分因子關(guān)系的研究報(bào)道[11-12],后又研究基于可燃物特性參數(shù),對(duì)特定行政區(qū)內(nèi)的森林可燃物進(jìn)行可燃物模型建立[13]。如,美國(guó)構(gòu)建了20個(gè)不同類(lèi)型的可燃物模型并應(yīng)用于林火預(yù)報(bào)[14],加拿大建立了14個(gè)不同類(lèi)型的可燃物模型來(lái)模擬當(dāng)?shù)亓只鸢l(fā)生行為[15]。近年來(lái),國(guó)外的研究側(cè)重于可燃物的空間分布特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系、預(yù)測(cè)模型的性能、可燃物的燃燒評(píng)價(jià)和環(huán)境效應(yīng)等,如,Bilgili等[16]模擬了地表可燃物的水分含量與氣候條件等的關(guān)系；Lee等[17]比較了基于3種可燃物10h含水率預(yù)測(cè)模型的性能；Baranovskiy等[18]闡述了森林可燃物熱解和樹(shù)冠火的數(shù)學(xué)模擬對(duì)火險(xiǎn)評(píng)估的重要意義。國(guó)內(nèi)目前主要側(cè)重于可燃物特征、燃燒行為和環(huán)境效應(yīng)、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、遙感等技術(shù)應(yīng)用等方面。我國(guó)云南、遼寧、內(nèi)蒙古、北京、江西、福建、新疆等省(自治區(qū)、直轄市)都開(kāi)展了關(guān)于天然林、人工林等林分可燃物的持水性、平衡含水率時(shí)滯、燃燒特性等方面的研究[19-23],但位于華南地區(qū)的廣東省,有關(guān)森林林下可燃物的研究報(bào)道相對(duì)較少,這一方面的工作亟待開(kāi)展。

因社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人為干擾,廣東省所分布的大面積森林類(lèi)型屬于人工林林分,林地面積占全省的59.9%[24]。人工林純林結(jié)構(gòu)單一,抵御各種自然災(zāi)害的能力弱,火災(zāi)是人工林最主要的破壞因子之一,輕度火災(zāi)影響林木的生長(zhǎng)和營(yíng)林效益,重度火災(zāi)可導(dǎo)致多年的投資和經(jīng)營(yíng)付之一炬,在當(dāng)前氣候變暖、森林火災(zāi)頻發(fā)的背景下,人工林的林火管理面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn),森林可燃物管理顯得尤為重要[25]。本研究選擇粵北地區(qū)的5種典型人工林:桉樹(shù)(Eucalyptusrobusta)林、馬尾松(Pinusmassoniana)林、杉木(Cunninghamialanceolata)林、毛竹(Phyllostachyspubescens)林和木荷(Schimasuperba)林為研究對(duì)象,測(cè)定了典型森林的可燃物理化性質(zhì)(干鮮比、平衡含水率、熱值和燃點(diǎn)的特征),初步探究了該區(qū)域森林類(lèi)型的可燃物特征,為進(jìn)一步開(kāi)展森林林下可燃物研究、區(qū)域防火區(qū)劃和林火管理等提供理論基礎(chǔ)。同時(shí),該研究可豐富森林林下可燃物的研究資料,為增強(qiáng)區(qū)域森林火災(zāi)防控、降低森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等工作的開(kāi)展提供科學(xué)參考。

1 采樣地和林分概況

選取紫金縣、廣東石門(mén)臺(tái)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、樂(lè)昌市和始興縣4個(gè)典型粵北林區(qū)的林分作為研究(每種林分設(shè)置12個(gè)采樣樣地,每個(gè)研究區(qū)每種林分類(lèi)型設(shè)置3個(gè)樣地)。紫金縣地理坐標(biāo)為23°10′～23°45′N(xiāo),114°40′～115°30′E,年平均氣溫20.5℃,年平均降水1 733.9mm,屬南亞熱帶季風(fēng)氣候,氣候溫和、光照充足、雨量充沛,該地季風(fēng)明顯,夏長(zhǎng)冬短。廣東石門(mén)臺(tái)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū),地理坐標(biāo)為24°23′～24°28′N(xiāo),113°16′～113°20′E,年平均氣溫和降水量分別為20.9℃和1 882.8mm,處于南亞熱帶與中亞熱帶的過(guò)渡地帶,光照充足、溫暖濕潤(rùn)、雨量充沛、雨熱同季。樂(lè)昌市地理坐標(biāo)為23°53′～25°31′N(xiāo),112°53′～114°45′E,年平均氣溫和降水量分別達(dá)21.0℃和1 700.0mm,中亞熱帶季風(fēng)氣候,春秋過(guò)渡快、四季分明、雨熱同季、雨量充沛。始興縣地理坐標(biāo)為24°31′～25°60′N(xiāo),113°54′～114°22′E,平均氣溫和降水量分別為19.6℃和1 468.0mm,亞熱帶季風(fēng)氣候,全年熱量充足、雨量充沛,縣境風(fēng)冷暖交替清晰[26]。

上述4個(gè)縣區(qū)中,選取區(qū)域的典型人工林分,包括:桉樹(shù)林、馬尾松林、杉木林、毛竹林和木荷林,林分的信息如表1所示。

表1 不同人工林林分內(nèi)樣地區(qū)域基本信息

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置和取樣方法

依據(jù)粵北地區(qū)的森林資源本底調(diào)查資料和實(shí)地踏查結(jié)果,2021年11月在4個(gè)研究區(qū)選取代表性強(qiáng)的林分類(lèi)型和樣地,每種林分設(shè)置12個(gè)采樣樣地,每個(gè)研究區(qū)每種林分類(lèi)型設(shè)置3個(gè)樣地。樣地設(shè)置采用載波相位差分技術(shù)(Real-time kinematic,RTK)測(cè)量出樣地的西南角,之后按順時(shí)針?lè)较驕y(cè)設(shè)樣地的邊界,形成一個(gè)邊長(zhǎng)為25.82m,面積為0.066 7hm2(1畝)的正方形,樣地邊界的閉合差小于1/200,之后在距離每個(gè)角頂點(diǎn)兩邊3m處設(shè)置4個(gè)2m×2m的灌木層的調(diào)查樣方,并于每個(gè)樣方內(nèi)設(shè)置1m×1m草本、枯落物和腐殖質(zhì)調(diào)查樣方。灌木(Ⅰ)樣品的采集:對(duì)4個(gè)灌木樣方中所有灌木進(jìn)行全收獲,之后將樣品混合,按照葉、枝、干比例取500 g鮮樣。草本(Ⅱ)樣品取樣:對(duì)草本樣方內(nèi)的草本植物全收獲取樣(包括H<30cm的灌木),充分混合后取300 g鮮樣?？萋湮飳臃譃榭萋湮铫?直徑d<0.6cm,小枝條、葉和雜草)、枯落物Ⅴ(直徑0.6cm≤d<2.5cm)和枯落物Ⅵ(直徑2.5cm≤d<7.62cm),每種類(lèi)型各取200 g。腐殖質(zhì)(Ⅲ)的樣品取樣:獲取4個(gè)草本樣方中的腐殖質(zhì),之后將樣品混合后取500 g鮮樣。將上述樣品帶回實(shí)驗(yàn)室分別測(cè)定干鮮比、平衡含水率、熱值和燃點(diǎn)。

2.2 樣品測(cè)定與計(jì)算方法

1)干鮮比的測(cè)定:先稱(chēng)樣品鮮重,然后將樣品放置在80 ℃條件下烘箱連續(xù)烘干,直至質(zhì)量不再變化,記錄樣品的干質(zhì)量,森林林下可燃物的干鮮比計(jì)算公式如下:

DQR(%)=md/mf×100

工科新教師的“教師”特質(zhì)先天不足：教學(xué)知識(shí)零基礎(chǔ)、教學(xué)實(shí)踐零參與、教學(xué)技能無(wú)訓(xùn)練、教學(xué)能力少鍛煉?；诖?，工科新教師培訓(xùn)的實(shí)踐價(jià)值凸顯。但在工科新教師培訓(xùn)中，存在六種典型偏離，嚴(yán)重削弱培訓(xùn)效果，制約工科新教師教學(xué)能力提升，影響工程人才培養(yǎng)質(zhì)量。

(1)

式中:DQR(Dry-to-fresh Quality Ratio)為干鮮比(%)；md是樣品的最終干重；mf是樣品的鮮重量。

2)平衡含水率的測(cè)定:對(duì)烘干后腐殖質(zhì)和3種類(lèi)型枯落物的每個(gè)樣品分別稱(chēng)3個(gè)10 g樣品,裝入尼龍袋,用去離子水浸泡24 h至樣品飽和。放置通風(fēng)處2 h去除樣品表面水分,然后測(cè)定其浸泡后的飽和質(zhì)量,再將樣品放入恒溫濕箱中(設(shè)置溫度為25℃,相對(duì)濕度為30%),每隔2 h稱(chēng)量一次質(zhì)量并記錄,直到前后兩次稱(chēng)量結(jié)果計(jì)算出的含水率的差值小于1%,計(jì)算樣品的平衡含水率[27]。

(2)

式中:EMC(Equilibrium Moisture Content)為平衡含水率(%),m2則是達(dá)到平衡時(shí)的重量,m1是樣品的重量。

3)稱(chēng)取3個(gè)10 g烘干后樣品,粉碎成小顆粒的樣品(一般小于1.3 mm),用于測(cè)定燃點(diǎn)和熱值。燃點(diǎn):按照可燃物種類(lèi),采用微機(jī)燃點(diǎn)測(cè)定儀(TRRD-2A)測(cè)定,稱(chēng)量樣品0.1 g,加入0.075 g的亞硝酸鈉,研磨混合放入石英小試管內(nèi),再應(yīng)用儀器測(cè)定。熱值:采用高智能高精度量熱儀(OR2021A型)測(cè)定,簡(jiǎn)單操作流程為,把剪好的專(zhuān)用紙張放入千分位天平稱(chēng)稱(chēng)重并將數(shù)值輸入儀器界面中,稱(chēng)量1g樣品,并把數(shù)值也輸入到儀器的界面中,用紙包裹樣品,卡入點(diǎn)火絲后置入裝有10mL水的氧彈,充入氧氣放入儀器測(cè)定。

4)林分抗火性:應(yīng)用熵權(quán)法對(duì)其抗火性進(jìn)行排序,依據(jù)森林林下可燃物理化指標(biāo)反映出客觀(guān)信息來(lái)確定其權(quán)重的大小,當(dāng)林分4種理化指標(biāo)中某項(xiàng)指標(biāo)的抗火性信息攜帶量越大,其熵值則越小,表示該指標(biāo)對(duì)林分抗火性影響較大,則該指標(biāo)在抗火性排序中所占權(quán)重越大[28]。

熵權(quán)法的計(jì)算過(guò)程具體如下:

首先,數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理,對(duì)4個(gè)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。平衡含水率和燃點(diǎn)與抗火性呈正向關(guān)系,干鮮比和熱值與抗火性呈反向關(guān)系,采用極值法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。標(biāo)準(zhǔn)化公式如式(3)—(4)所示。

(3)

(4)

式中:Yij為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)；xij為第j項(xiàng)指標(biāo)下第i個(gè)樹(shù)種指標(biāo)值；xj max為第j項(xiàng)指標(biāo)下的最大值；xj min為第j項(xiàng)指標(biāo)下的最小值。

其次,指標(biāo)的信息熵的計(jì)算如式(5)—(7)所示。

(5)

k=1/lnn

(6)

(7)

式中:Yij為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)；Ej為第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值；Pij為第j項(xiàng)指標(biāo)下第i個(gè)林分指標(biāo)值的比重；k為信息熵系數(shù)；n為林分的種類(lèi)數(shù)。

再次,計(jì)算指標(biāo)所占權(quán)重,計(jì)算公式如式(8)所示。

(8)

式中:Wj為第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重；m為指標(biāo)個(gè)數(shù)。

最后,基于指標(biāo)的權(quán)重,使用綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算各林分抗火性的綜合得分。計(jì)算公式如式(9)所示。

(9)

式中:Zi為第i種林分的最終得分；Wj為各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；Yij為標(biāo)準(zhǔn)化值。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)的處理,采用Excel 2010和SPSS 25.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析,方差分析中采用Duncan′s法進(jìn)行多重比較[29]。使用類(lèi)群間平均鏈鎖法對(duì)5種森林類(lèi)型的可燃性指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi),初步評(píng)價(jià)林分的抗火性。相關(guān)性分析采用Person相關(guān)系數(shù)法,運(yùn)用Origin 2021進(jìn)行繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同森林類(lèi)型的可燃物種類(lèi)的干鮮比特征

如圖1所示,桉樹(shù)林、杉木林、馬尾松林、毛竹林和木荷林5種森林林分中,可燃物Ⅰ(灌木)的干鮮比值為45.85%～50.02%,Ⅱ(草本)的則是36.67%～50.26%,Ⅲ(腐殖質(zhì))的則達(dá)72.86%～82.34%,Ⅳ(枯落物d<0.6cm)的72.16%～82.95%,Ⅴ(枯落物0.6cm≤d<2.5cm)則是82.26%～87.24%,Ⅵ(枯落物2.5cm≤d<7.62cm)為66.64%～85.23%。5種典型人工林間可燃物干鮮比具有相似性,均無(wú)顯著的差異(P>0.05)。灌木和草本層干鮮比最大均是杉木林,最小則不同,林分類(lèi)型間有差別,木荷林分灌木的干鮮比最小,而草本層則是竹林中最小的。腐殖質(zhì)和枯落物干鮮比最小均是木荷,最大的林分則不同,馬尾松林腐殖質(zhì)干鮮比達(dá)最大值,枯落物的則是桉樹(shù)林最大(圖1(a)和(b))。方差分析結(jié)果表明,粵北地區(qū)森林林下可燃物干鮮比在林分間無(wú)顯著差異,但屬于易燃林分的馬尾松林和桉樹(shù)林可燃物干鮮比高于木荷林等難燃林分。

圖1 5種典型森林的干鮮比差異

分析表明,所有森林的林下可燃物干鮮比值變幅為41.88%～85.99%,可燃物類(lèi)型中,Ⅴ(枯落物0.6cm≤d<2.5cm)的干鮮比值極顯著地高于類(lèi)型Ⅰ(灌木)和Ⅱ(草本)的值(P<0.01),Ⅲ(腐殖質(zhì))、Ⅳ(枯落物d<0.6cm)和Ⅵ(枯落物2.5cm≤d<7.62cm)則為過(guò)度組別(圖2)。5種人工林林下森林可燃物的總體平均值中,Ⅴ(枯落物0.6cm≤d<2.5cm)的干鮮比最大,即干物質(zhì)含量最大,其可燃性相對(duì)灌木和草本的高。死可燃物的干鮮比高于活可燃物,即前者的含水率低于后者的,究其原因,一方面,是活可燃物含水率主要受蒸騰失水和根部吸水相對(duì)速率的影響；另一方面,在植物的生長(zhǎng)過(guò)程中,生理機(jī)能的調(diào)節(jié)作用促使活可燃物對(duì)外界環(huán)境的變化做出反應(yīng),以維持水分等的穩(wěn)態(tài)。而死可燃物不具備活機(jī)體的調(diào)節(jié)作用,其內(nèi)部細(xì)胞間隙、纖維和細(xì)胞等有機(jī)結(jié)構(gòu)完好保存,水分的流動(dòng)主要是受外界環(huán)境因子影響而產(chǎn)生的吸水和失水。

注:Ⅰ為灌木層,Ⅱ?yàn)椴荼緦?Ⅲ為腐殖質(zhì)層,Ⅳ為枯落物1(d<0.6cm),Ⅴ為枯落物2(0.6cm≤d<2.5cm),Ⅵ為枯落物3(2.5cm≤d<7.62cm)。大寫(xiě)字母表示0.01水平下差異顯著,小寫(xiě)字母為0.05水平差異顯著。

3.2 典型人工林林下可燃物類(lèi)型間平衡含水率的差異

由圖3可知,5種典型森林的腐殖質(zhì)層(Ⅲ)、枯落物Ⅳ(d<0.6cm)、枯落物Ⅴ(0.6cm≤d<2.5cm)和枯落物Ⅵ(2.5cm≤d<7.62cm)的平衡含水率分別為4.77%～5.01%,6.86%～7.27%,8.26%～9.64%和9.94%～10.58%,且5種森林類(lèi)型之間的這3個(gè)指標(biāo)的差異具有共性,均未呈現(xiàn)顯著性。腐殖質(zhì)層和枯落物Ⅳ的平衡含水率最大的均是杉木林,最小則不同,腐殖質(zhì)層的是木荷林,枯落物Ⅳ的則是桉樹(shù)林,枯落物Ⅴ平衡含水率最大的是毛竹林,最小與Ⅳ相同,枯落物Ⅵ桉樹(shù)林和毛竹林分別達(dá)最大和最小值(圖3(a))。5種人工林可燃物Ⅲ-Ⅵ平衡含水率的總體平均值變幅為4.86%～10.26%,可燃物類(lèi)型間,可燃物Ⅵ的平衡含水率總體平均值極顯著地高于Ⅲ(P<0.01),且平衡含水率與可燃物的直徑成正比,即伴隨著可燃物直徑的增加,平衡含水率隨之升高(圖3(b))。

注:Ⅲ為腐殖質(zhì)層,Ⅳ為枯落物1(d<0.6cm),Ⅴ為枯落物2(0.6cm≤d<2.5cm),Ⅵ為枯落物3(2.5cm≤d<7.62cm)；大寫(xiě)字母表示0.01水平下差異顯著,小寫(xiě)字母為0.05水平差異顯著。

3.3 可燃物的燃點(diǎn)和熱值

由圖4可知,5種人工林分中Ⅲ(腐殖質(zhì))和Ⅳ-Ⅴ(枯落物樣品Ⅳ直徑d<0.06cm和Ⅴ0.6cm≤d<2.5cm混合樣)的燃點(diǎn)分別為264.67～271.00℃和248.00～255.17℃,腐殖質(zhì)層燃點(diǎn)最大和最小的林分分別是桉樹(shù)林和馬尾松林,枯落物Ⅳ-Ⅴ混合樣中木荷林的值最大,杉木林分最小(圖4(a))。上述2指標(biāo)的熱值則分別達(dá)8.47～11.50kJ/g和16.11～17.92kJ/g,腐殖質(zhì)層中,毛竹林和馬尾松林熱值分別達(dá)最大和最小值,枯落物的值則與腐殖質(zhì)相反(圖4(b))。整體來(lái)看,人工林中地表腐殖質(zhì)燃點(diǎn)的值極顯著地高于枯落物(P<0.01),熱值則相反,枯落物極顯著地高于腐殖質(zhì)(P<0.01),燃點(diǎn)和熱值負(fù)相關(guān),即燃點(diǎn)越高熱值越低(圖4(c))。燃點(diǎn)和熱值統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,林分中腐殖質(zhì)、枯落物的燃點(diǎn)和熱值不僅受到林分主要樹(shù)種特性如木質(zhì)緊實(shí)度、纖維和含脂量等的制約,還受林分的結(jié)構(gòu)、物種的多樣性、地形因素和可燃物載量等影響。

3.4 可燃物特性間的關(guān)系

Person相關(guān)分析結(jié)果表明(圖5),正相關(guān)關(guān)系中,可燃物Ⅰ和Ⅱ,Ⅱ和Ⅳ干鮮比均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),Ⅰ干鮮比分別和Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ干鮮比則是顯著正相關(guān)(P<0.05)；可燃物Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ和Ⅵ的干鮮比兩兩之間極顯著正相關(guān)(P<0.01)；Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ和Ⅳ的干鮮比與Ⅳ-Ⅴ(Ⅳ和Ⅴ混合樣)熱值均正相關(guān),但相關(guān)性大小不同,Ⅳ與其之間極顯著正相關(guān)(P<0.01),其余3相指標(biāo)顯著正相關(guān)(P<0.05)；此外,Ⅲ熱值分別與Ⅱ干鮮比和Ⅳ平衡含水率顯著正相關(guān)(P<0.05)。負(fù)相關(guān)關(guān)系中,僅Ⅲ的燃點(diǎn)和其熱值呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05，圖5)。5種人工林林分中,可燃物Ⅰ-Ⅵ的干鮮比之間具有正向共性,即可燃物類(lèi)型兩兩之間干鮮比正相關(guān)。對(duì)于同種森林林下可燃物而言,燃點(diǎn)越高則熱值越低。平衡含水率對(duì)于燃點(diǎn)的影響大于干鮮比的。

注:圖中的值是Person相關(guān)系數(shù),紅色表示正相關(guān),藍(lán)色表示負(fù)相關(guān)；Ⅰ表示灌木層,Ⅱ草本層,Ⅲ腐殖質(zhì)層,Ⅳ枯落物d<0.6cm,Ⅴ枯落物0.6cm≤d<2.5cm,Ⅵ枯落物2.5cm≤d<7.62cm,Ⅳ-Ⅴ則是枯落物1和2的混合樣。

3.5 林分抗火性評(píng)價(jià)

林分最終抗火性得分中,木荷林最大(3.073),其次是毛竹林(2.647),桉樹(shù)林、馬尾松林和杉木林的最終得分分別是2.304,2.456和2.306(表2)。

表2 不同森林的抗火性綜合得分

應(yīng)用組間平均鏈鎖方法(Between-groups linkage)對(duì)5種森林抗火性指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)(圖6),得出粵北地區(qū)5種人工林的抗火性分類(lèi)。森林基于抗火性指標(biāo)的強(qiáng)度被劃分成3類(lèi),第1類(lèi)為木荷林,第2類(lèi)是毛竹林,第3類(lèi)包括馬尾松林、杉木林和桉樹(shù)林。5種林分中,木荷林為抗火性強(qiáng)林分,毛竹林居中,馬尾松林、杉木林和桉樹(shù)林則為易燃林分。

圖6 森林抗火性指標(biāo)的聚類(lèi)分析

應(yīng)用5種森林的可燃性指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,結(jié)果表明,軸1可解釋33.4%的變異,軸2累積解釋14%的變異(圖7)。在森林的可燃性評(píng)價(jià)中,除需依據(jù)森林的可燃物的可燃性指標(biāo)之外,還需綜合考慮林分(郁閉度、林分密度)、立地(地貌、海拔、坡度、坡位和坡向)和氣象條件因素(溫度、濕度、降雨量和風(fēng)速)等。

圖7 主成分分析結(jié)果

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

可燃物在森林中所處的位置不同,撲救措施也不同。目前,關(guān)于森林的抗火性研究主要偏向于依據(jù)樹(shù)種的器官抗火性狀選出抗火性強(qiáng)樹(shù)種[30-31],本研究則以林分為切入點(diǎn),綜合評(píng)價(jià)林分的抗火性,于研究地的防火管理具有重要意義。但研究未細(xì)分測(cè)定林分優(yōu)勢(shì)樹(shù)種和灌木的枝、葉和樹(shù)皮的抗火性指標(biāo),而是測(cè)定了其混合樣抗火性,后續(xù)研究中可補(bǔ)充測(cè)定林分垂直層落的優(yōu)勢(shì)種器官的抗火性指標(biāo),使得林分抗火性評(píng)價(jià)結(jié)果更合理。

本研究中,不同直徑(d<0.6cm,0.6cm≤d<2.5cm和2.5cm≤d<7.6cm)的森林可燃物間平衡含水率存在差異,這與韓岳宏等[32]對(duì)沈陽(yáng)國(guó)家森林公園的5種林型開(kāi)展的地表細(xì)小可燃物組成對(duì)平衡含水率和時(shí)滯的影響研究結(jié)果相似,直徑d<0.6cm的可燃物主要是由葉構(gòu)成,而剩余的兩個(gè)徑級(jí)的主要由枝構(gòu)成,樹(shù)枝相較于樹(shù)葉而言,其表面積小,吸水能力強(qiáng),失水速度慢,故前者的平衡含水率更大。因此,在森林抗火性研究中,死可燃物中直徑組分的占比應(yīng)考慮加入到評(píng)價(jià)依據(jù)之中。王婕[33]對(duì)安寧地區(qū)云南松(Pinusyunnanensis)、滇青岡(Cyclobalanopsisglaucoides)、藍(lán)桉(Eucalyptusglobulus)和尼泊爾榿木(Alnusnepalensis)4種林分的火險(xiǎn)等級(jí)研究結(jié)果表明,枯落物(d<0.64cm,0.64cm≤d≤2.54cm,2.54cm

抗火性是指植物抵抗和忍耐林火燃燒的能力,林分的抗火性主要受燃燒性影響,而燃燒性主要取決于林分可燃物理化性質(zhì)(如含水率、灰分含量、抽提物含量等),但林分中樹(shù)種的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)特性也會(huì)直接影響林分的燃燒性[35]。本文結(jié)合森林抗火性指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)對(duì)林分的抗火強(qiáng)度進(jìn)行初步探究和評(píng)價(jià),得出粵北地區(qū)5種典型人工林的抗火性強(qiáng)度分類(lèi),第1類(lèi)為木荷林,屬抗火性強(qiáng)林分,第2類(lèi)是毛竹林,屬抗火性中等林分,第3類(lèi)包括馬尾松林、杉木林和桉樹(shù)林,屬易燃林分。文中基于林分的4種實(shí)測(cè)理化指標(biāo),應(yīng)用聚類(lèi)分析對(duì)林分的抗火性進(jìn)行評(píng)價(jià),有待后續(xù)增加燃燒因子、生態(tài)學(xué)和生物學(xué)因子,使林分的抗火性評(píng)價(jià)結(jié)果更合理。

4.2 結(jié)論

桉樹(shù)林、馬尾松林、杉木林、毛竹林和木荷林5種人工林中,可燃物Ⅰ-Ⅵ干鮮比的值分別為45.85%～50.02%,36.67%～50.26%,72.86%～82.34%,72.16%～82.95%,82.26%～87.24%和66.64%～85.23%。林分間干鮮比未呈現(xiàn)顯著的差異,但可燃物類(lèi)型間5種林分的總平均值位于41.88%～85.99%,且Ⅴ(枯落物0.6cm≤d<2.5cm)干鮮比極顯著地高于Ⅰ(灌木)和Ⅱ(草本)的值(P<0.01)?？扇嘉铫?Ⅵ的平衡含水率分別為4.77%～5.01%,6.86%～7.27%,8.26%～9.64%和9.94%～10.58%,且平衡含水率與可燃物的直徑成正比,即伴隨著可燃物直徑的增加,平衡含水率隨之升高。5種林分腐殖質(zhì)、Ⅳ-Ⅴ混合樣的燃點(diǎn)分別為264.67～271.00℃和248.00～255.17℃,熱值則分別達(dá)8.47～11.50kJ/g和16.11～17.92kJ/g,與干鮮比的分析結(jié)果相似,林分間的熱值和燃點(diǎn)均無(wú)顯著差異,但同一可燃物的5種林分總體平均值中,腐殖質(zhì)的燃點(diǎn)極顯著地高于枯落物(P<0.01),熱值則相反,燃點(diǎn)越高熱值越低。Person相關(guān)分析結(jié)果表明,可燃物Ⅰ-Ⅵ的干鮮比具有正向共性,即兩兩之間干鮮比正相關(guān),平衡含水率對(duì)于燃點(diǎn)的影響大于干鮮比。林分基于其抗火性指標(biāo),應(yīng)用組間平均鏈鎖方法對(duì)林分抗火性進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi),5種典型人工林的抗火性強(qiáng)度被劃分成3類(lèi),木荷林為相對(duì)抗火性強(qiáng)林分,毛竹林居中,馬尾松林、杉木林和桉樹(shù)林則為易燃林分。