黄山市森林防火树种的选择与研究

余立华

（黄山市林业局，安徽黄山 245000）

黄山市森林防火树种的选择与研究

余立华

（黄山市林业局，安徽黄山 245000）

对黄山市38个不同树种的防火特性进行了全面系统分析，运用层次分析法和系统聚类方法对不同树种的燃烧性、生物学抗火特性以及经济现状与环境适应性等进行综合评判排序和聚类分析，筛选出适合黄山市森林防火树种24种，其中一级防火树种9种：木荷、杨梅、青冈栎、甜槠、深山含笑、石栎、油茶、苦槠、珊瑚树；二级防火树种15种：桂花、女贞、茶树、枇杷、光皮桦、冬青、厚皮香、石楠、香樟、侧柏、麻栎、柑桔、柏木、栓皮栎、交让木。并对不同立地、区位的森林生物防火带建设的树种选择进行了探讨和分析。

黄山市；防火树种；层次分析法；系统聚类分析法

森林火灾是当今世界发生面广、危害性大、时效性强、处置救助极难的自然灾害，随着全球气候变暖等原因，近年来全世界森林火灾次数和损失都呈上升趋势[1]。利用生物防火林带可以有效地防止森林火灾的发生，选择防火能力强的树种建设生物防火林带，在林缘、林内形成阻隔带，可将大面积集中连片的森林割块划片，一旦发生火情，能将火源阻隔在林缘之外，即使在林内着火，也可将山火有效控制在隔离带内，起到阻火、隔火和断火作用[2]。生物防火林带树种防火能力综合评价是一个典型的多目标决策。根据已有的研究和工作实际，调查和测定树种防火能力相关数据指标，运用层次分析法和系统聚类分析法对所选取的树种的防火能力进行综合评判排序和聚类分析，以期为该地区生物防火林带建设提供参考。

1 试验材料

黄山市辖黄山风景区和三区四县，是安徽省重点林区，有林地面积68.2万hm2，活立木蓄积量3 373万m3，森林覆盖率77.4%，拥有国家级和省级森林公园4处、国家级湿地公园1处、国家级和省级自然保护区9处。每年防火形势十分严峻，尤其是春节、清明、五一、国庆、冬至等重要时间节点，祭祖扫墓、农事生产以及郊游等野外用火多，监管与防控难度大。为增强森林的防火抗灾能力，全市规划至2020年，营造生物防火林带120 km。

根据已有的研究成果[3-7]，结合黄山市林业实际，选择森林中代表树种：木荷（Schima superba）、青冈栎（Cyclobalanopsisglauca）、苦槠（Castanopsis sclerophylla）、深山含笑（Michelia maudiae）、杉木（Cunninghamialanceolata）、马尾松（Pinus massoniana）、甜槠（Castanopsiseyrei）、香樟（Cinnamomum camphora）、桤木（Alnus cremastogyne）、杨梅（Myrica rubra）、冬青（Ilex purpurea）、交让木（Daphniphyllummacropodum）、女贞（Ligustrum lucidum）、柑桔（Citrus reticulata）、珊瑚树（Viburnum odoratissimum）、油茶（Camellia oleifera）、茶树（Camellia sinensis）、石楠（Photinia serrulata）、石栎（Lithocarpus glaber）、麻栎（Quercus acutissima）、侧柏（Platycladusorientalis）、栓皮栎（Quercus variabilis）、厚皮香（Ternstroemia gymnanthera）、檫木（Sassafras tsumu）、湿地松（Pinus elliottii）、枫香（Liquidambarformosana）、枇杷（Eriobotrya japonica）、枣树（Ziziphus jujuba）、板栗（Castanea mollissima）、银杏（Ginkgo biloba）、黄山栾树（Koelreuteriabipinnatavar.integrifolia）、桂花（Osmanthus fragrans）、香椿（Toona sinensis）、柏木（Cupressus funebris）、苦楝（Melia azedarach）、光皮桦（Betula luminifera）、臭椿（Ailanthus altissima）、桑树（Morus alba）共计38种，提前在南面山坡或开阔地园林绿化带分别选定每个树种的3株生长良好的树木作为样株，并于2014年4月10日至2014年5月10日的晴天里，在树木阳面的中部采集树叶样品，采下后用塑料袋密封带回进行室内分析。同时对树种生物学防火特性、经济性状与环境适应性相关特性进行调查记录。

2 研究方法

2.1 指标测定和评定方法

影响树种防火性能的因素很多，在借鉴前人成果的基础上[8-10]，本研究选择、调查或测定树种燃烧特性、生物学防火特性、经济性状与环境适应性三个方面11个指标。树种的燃烧特性下属的含水率、燃点、热值的3个单项指标采取室内分析测定[7]；树种的生物学防火特性和经济性状与环境适应性下属的单项指标，采取专家咨询和现场调查相结合的方式，打分采用5分制予以确定，得分越高表示防火性能越好[4]。具体测定方法、判析标准如下：

（1）叶片含水率（M1）：采用烘干法（80℃鼓风烘干24 h至恒重）测含水率，含水率=（样品鲜重-样品干重）÷样品鲜重×100%。

（2）燃点（M2）：利用DW-2型点着测定仪测定。

（3）热值（M3）：采用内含物含量推算法，即用2.4-二硝基酚比色法测定碳水化合物、用凯氏法测定蛋白质、用乙醚浸提残渣法测定脂肪，最后根据公式热值=4.6×蛋白质（%）+4.6×碳水化合物（%）+ 9.37×脂肪（%）求算。

（4）树木落叶性（M4）：常绿阔叶5.0分、落叶阔叶2.5分、常绿针叶2.0分、落叶针叶1.5分。

（5）树皮特征（M5）：树皮厚度大于1.0cm为厚皮，小于1.0cm为薄皮。厚皮光滑3.6分、厚皮粗糙2.6分、薄皮光滑2.1分、薄皮粗糙0.9分。

（6）树冠结构（M6）：整枝良好，冠层浓密，3.2分；整枝较好，冠层较密，2.4分；整枝不良，冠层稀疏，1.2分。

（7）树叶质地（M7）：肉质-树叶厚且有浆汁，3.2分；革质-树叶坚硬如革质易折碎，2.5分；纸质-树叶薄软但不透明，1.2分；膜质-树叶薄软且透明，0.5分。

（8）树木性状（M8）：以成熟林木为准，树高大于8 m为乔木，3.0分；树高3～8 m为小乔木，2.0分；树高小于3 m为灌木，1.0分。

（9）树木萌芽能力（M9）：萌芽能力强，幼树生长速度快，3.2分；萌芽能力较强，幼树生长速度较快，1.8分；萌芽能力弱或无萌芽能力，幼树生长速度慢，0.6分。

（10）树木经济现状（M10）：林产品的利用价值高，市场需求量大，3.0分；林产品的利用价值较高，市场需求量较大，2.4分；林产品的利用价值低，市场需求量低，1.2分。

（11）树木环境适应性（M11）：耐旱和瘠薄，具有较强庇护能力，适应性强，2.9分；较耐旱和瘠薄，具有一定庇护能力，适应性中等，2.0分；不耐旱和瘠薄，不具有庇护能力，适应范围狭窄，1.5分。

2.2 分析方法

利用层次分析法确定评价因素的权重，各因素的权重乘以各树种测定或判定的实际值，即得树种该项得分，树种各项指标得分之和即为总评分。用系统聚类方法对树种的防火能力总得分进行聚类分析。

2.2.1 建立层次结构模型

应用层次分析法对黄山市森林树种防火性能的综合效益进行评价时，首先应建立层次分析系统结构模型[11]。本研究模型分为3个层次，第一层次为选择防火能力最高的树种（O），即目标层；第二层次为准则层（U），分别是燃烧性（U1）、生物学抗火特性（U2）、经济现状与环境适应性（U3）；第三层次是11个具体评价指标层（Mi），见图1。

图1 层次分析模型

2.2.2 构造判断矩阵

应用专家调查法，将同一层次中两两因素间相对重要性给出一定尺度的判断，由此判断值构成判断矩阵。判断矩阵表示针对上一层某因素在本层中与之有关的因素之间相对重要性的比较。Satty将判断因素间重要程度的衡量尺度分为9个等级[12]，如表1所示。

表1 判断矩阵的尺度及其含义

2.2.3 层次单排序及其一致性检验

判断矩阵建立后，运用方根法计算各因素的权重（W值）。建立的判断矩阵还要进行一致性检验，因为各因素之间的重要性标度在人为赋值的情况下，可能产生判断不一致的问题。计算出AWi的值，求出判断矩阵的最大特征根，计算出CI。λmax=（AW）/Wi，其中A为建立的判断矩阵，W为向量中所有元素组成的矩阵，Wi为向量的第i个值，为计算出的最大值。

CI=（λmax-n）/（n-1），式中CI为一致性指标，n为判断矩阵的阶数。根据各矩阵的平均随即一致性指标RI值，计算出矩阵随即一致性比率CI/RI的值CR，如果CR＜0.1，则判断矩阵通过一致性检验，否则需要对判断矩阵进行重新调整。各阶数矩阵的RI值见表2。

表2 各阶数矩阵的RI值

2.2.4 层次总排序及其一致性检验

所谓层次总排序就是利用层次单排序结果，计算各层次的组合权值。方法是利用下一层各指标的权值与其上一层的重要性权值相乘，按梯级从最高层次到最低层次递层进行，直到计算到最低层因素的权值为止。层次总排序一致性检验公式：

式中：CR为层次总排序随机一致性比例，CI为层次总排序一般一致性指标，RI为层次总排序平均随机一致性指标，Uj为准则层Ui指标对应m权值，CIj为层次单排序时Ui所对应的判断矩阵一般一致性指标，RIj为层次单排序时Ui所对应的判断矩阵平均随机一致性指标。

同样，当CR＜0.10时，认为层次总排序结果具有满意的一致性，否则需要重新调整判断矩阵的因素取值，直到满意为止[13-14]。

3结果与分析

3.1 判断矩阵O-U及其计算结果

表3 判断矩阵O-U及计算结果

通过专家调查法，得判断矩阵O-U。计算结果表明：O-U矩阵满足一致性要求（CR=0.008 8＜0.10），准则层中各因素的重要程度排序及权值为：生物学抗火特性U2（0.539 6）＞燃烧特性U1（0.297 0）＞经济性状与环境适应性U3（0.163 4）。

3.2 判断矩阵U1-M及其计算结果

表4 判断矩阵U1-M及计算结果

计算结果表明：U1-M矩阵满足一致性要求（CR= 0.051 6＜0.10），指标层中各因素的重要程度排序及权值为：燃点M2（0.493 4）＞含水率M1（0.310 8）＞热值M3（0.195 8）。

3.3 判断矩阵U2-M及其计算结果

表5 判断矩阵U2-M及计算结果

计算结果表明：U2-M矩阵满足一致性要求（CR=0.019 2＜0.10），指标层中各因素的重要程度排序及权值为：树木落叶性M4（0.401 1）＞树冠结构M6（0.268 1）＞树木性状M8（0.163 1）＞树叶质地M7（0.105 1）＞树皮特征M5（0.062 6）。

3.4 判断矩阵U3-M及其计算结果

表6 判断矩阵U3-M及计算结果

计算结果表明：U3-M矩阵满足一致性要求（CR=0.017 6＜0.10），指标层中各因素的重要程度排序及权值为：树木环境适应性M11（0.625 0）＞树木萌芽能力M9（0.238 5）＞树木经济现状M10（0.163 5）。

3.5 层次总排序及其计算结果

表7 各个指标相对于目标层的权重

本研究表明，影响树种防火能力前五名的因素分别是树木落叶性M4、燃点M2、树冠结构M6、树木环境适应性M11、含水率M1；影响最小的是树木经济现状M10。

3.6 各树种11个指标实际测定或评定值及其标准化值

通过实验测定、现场调查专家评定得各树种11各指标实际值见表8。

表8 各树种指标实际测定或评定值

采用最小极差正规法对表8原始测定或评定值进行无量纲化处理，使各指标处于同一水平，其处理方法如下，防火能力的正向指标标准化值=（Xi（k）-minX（k））/（maxX（k）-minX（k））：防火能力的逆向指标热值（M3）标准化值=（maxX（k）-Xi（k））/（maxX（k）-minX（k））。其中，Xi（k）为第i行第k列指标的实际值, maxX（k）为第k列最大值，minX（k）为第k列最小值，i为树种类型，k为评价指标[15]。标准化后值见表9。

表9 各树种指标测定或评定值的标准化值

3.7 各树种防火性能综合评价及聚类分析

将表9中各树种M层11个指标的标准化值分别与表7中该项指标相对于目标层总权值Wi相乘得该项评分，下属的M层评价值求和即为准则层U评价值，准则层评价值求和即为目标层O的总评价值，即为综合总评分，见表10。

表10 各树种准则层U层和目标层O层的评价值及排序

运用DPS数据分析软件，将表10中的各树种的总评价值，进行标准化转化，采用欧式距离、类平均法进行系统聚类，得图2。如图，结合林业实际，可将这些树种大致分成4大类[11]。

一级防火树种9种：木荷、杨梅、青冈栎、甜槠、深山含笑、石栎、油茶、苦槠、珊瑚树。

二级防火树种15种：桂花、女贞、茶树、枇杷、光皮桦、冬青、厚皮香、石楠、香樟、侧柏、麻栎、柑桔、柏木、栓皮栎、交让木。

一般防火树种11种：臭椿、板栗、枣树、黄山栾树、枫香、桤木、檫木、桑树、银杏、苦楝、香椿。

不宜营建生物防火林带树种3种：杉木、湿地松、马尾松。

4 结论与讨论

图2 各树种综合评价系统聚类分析图

（1）本文运用层次分析法，选择树种燃烧性、生物学抗火特性、经济性状与环境适应性三个方面的11项指标，建立层次分析模型，对树种的防火性能进行了综合评价和系统聚类分析，将38个树种分成4大类，其中一级防火树种9种，二级防火树种15种，一般树种11种。

生物防火林带一般有新建、改造培育提高两种建设方式[16]。新建应当突出使用一级防火树种，适当补充配置二级防火树种；改造培育应当突出伐除不宜营建生物防火林带树种，间伐一般防火树种，重点培育一级防火树种和二级防火树种。

（2）在参照应用本研究成果营建生物防火林带时，应在遵循“适地适树”原则的前提下，尽可能营造培育乔木、亚乔木、灌木和既耐火又有经济价值的草本组成的复层结构林带，以提高生物防火林带的防火能力。本研究表明，山顶自然防火保留帽和山脊复层稳定结构防火林带建设[6]，可选用青冈栎、甜槠、深山含笑、石栎、女贞、光皮桦、厚皮香、麻栎、柏木、栓皮栎；林缘和坟墓集中区结构稳定生态型防火带，可选用木荷、青冈栎、甜槠、深山含笑、石栎、苦槠、珊瑚树、光皮桦、厚皮香、香樟、侧柏、麻栎、柏木、栓皮栎、交让木；山脚田路边经济型防火带，可选用杨梅、油茶、桂花、女贞、茶树、枇杷、光皮桦、冬青、香樟、柑桔、栓皮栎；村庄景区景观型防火带，可选用杨梅、深山含笑、珊瑚树、桂花、女贞、枇杷、冬青、厚皮香、石楠、香樟、侧柏、柑桔、柏木。

（3）层次分析方法是一种定性和定量分析相结合的多目标决策分析方法，建立了多因素综合评价体系，改变了定性问题不可量化的缺陷[15]。本文研究所取得的成果与前人的研究基本一致，表明了层次分析方法，对于研究防火树种等多目标选择具有较好推广应用意义。

（4）树种防火性能的综合评价，涉及树种的理化特性、生物学抗火特性、经济性状与环境适应性等方面的内容，由于试验条件的限制，在学习参考前人已有研究基础上，本试验仅选用11个指标，综合评价38个树种防火能力，评价指标还可以进一步丰富完善。同时，由于样品的采摘时间不同、样地生境和小气候的差异，对树种燃烧性理化指标测定有一定的影响。后续研究者分析测定树种理化特性时，建议应尽可能将所研究的树种苗木栽培在同一苗圃地进行试验，以尽可能减少不同生境给测定结果带来的影响。

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（责任编辑：杨婷婷）

Study on the Selection of Fireproof Trees in Huangshan City

YULihua
（The Forestry Bureau of Huangshan City，Huangshan 245000，Anhui）

A comprehensive and systematic study on the fireproof characters of 38 kinds of trees in Huangshan City.It gave a synthetical judgement to the combustibility and the ecological and biological characters on fire resisting and the economic characters as well as enviormental adaptability of the trees by analysis hierchy process（AHP）and hierarchical cluster.The study selected 24 fireproof trees，the first grade ones were Schima superba，Myrica rubra，Cyclobalanopsis glauca，Castanopsis eyrei，Michelia maudiae，Lithocarpus glaber，Camellia oleifera，Castanopsis sclerophylla，Viburnum odoratissimum：the secondgrade ones were Osmanthus fragrans，Ligustrum lucidum，Camellia sinensis，Eriobotrya japonica，Betula luminifera，Ilex purpurea，Ternstroemia gymnanthera，Photiniaserrulata，Cinnamomumcamphora，Platycladusorientalis，Quercusacutissima，Citrusreticulate，Cupressus funebris，Quercus variabilis，Daphniphyllum macropodum.Meanwhile，the selection of fireproof trees of Biological Fire-resistant Forest Belt in different site or location was discussed and analyzed.

Huangshan City；Fireproof trees；Analysis hierchy process（AHP）；Hierarchical cluster

S722.5

A

2095-0152（2014）03-0021-08

2014-05-21

2014-06-06

余立华（1971-），男，工程师，主要从事造林种苗生产、国有林场管理等方面工作。E-mail：362300328@qq.com