吉林省主要森林类型地表凋落物燃烧性分析

周 勇，章 林，王晓娜，孙景花，林 峰，孙立平，白春勇

（1.吉林省林业科学研究院，吉林 长春 130033；2.吉林省林业调查规划院，吉林 长春 130022；3.吉林省辉南县林业局，吉林 通化 135100）

吉林省主要森林类型地表凋落物燃烧性分析

周 勇1，章 林1，王晓娜1，孙景花1，林 峰2，孙立平3，白春勇3

（1.吉林省林业科学研究院，吉林 长春 130033；2.吉林省林业调查规划院，吉林 长春 130022；3.吉林省辉南县林业局，吉林 通化 135100）

选择吉林省17个主要森林类型的地表凋落物测定分析和点烧实验，根据对抽提物、灰分、燃点、热值、1 m2质量、床层高度、风干含水率、蔓延速度、火线强度、驻留时间和可燃物消耗比这11个指标，利用层次分析法和分层聚类，对17个主要森林类型燃烧性进行排序和分类，结果表明：易燃森林林型有2个，依次是白桦林、樟子松林；可燃森林类型有4个，依次是黑松林、针叶混交林、红松林和其他针叶林；难燃森林类型有11个，依次是针阔混交林、落叶松林、云杉林、臭松林、柞树林、阔叶混交林、其他阔叶林、胡桃楸林、椴树林、黄波罗林和杨树林。为不同森林类型地表凋落物火灾预防、控制方法提供重要依据。

森林类型；燃烧性，层次分析法；吉林

森林可燃物是森林燃烧的基础，是林火行为的主体，森林可燃物负荷量及燃烧性是林火行为预测、林火生态影响评价和生物防火林带建设的重要基础，是林火科学的重要研究任务[1-3]。森林可燃物燃烧性是多个因素共同作用的结果，构成森林的具体树种决定了森林可燃物类型的燃烧性和理化性质[4]，由不同树种组成的森林植被类型则是森林火险区划的重要依据[5]。

Anderson认为燃烧性应包括点燃性、剧烈性和持续性3方面的含义[6]，Martin等进一步研究认为燃烧性还应该包括可燃物的消耗性[7]；胡海清对大兴安岭50余种森林可燃物的含水率、燃点、灰分、热值和抽提物含量进行了室内测定[8]；王月等对辽宁西北部地区主要林型地被可燃物种类、组成、载量以及燃烧性进行了研究，确定了易燃、较易燃和不易燃林型[9]；李艳琴等运用K-Means聚类分析法，对50个树种的9个生物学、生态学特征值进行统计分析评价燃烧性较弱的树种[10]；肖金香等通过测定树种的含水率、燃点、热值、粗灰分、粗脂肪、木质素、粗纤维、燃烧时间、火烧强度和生物生态学特性等10个因子，应用DPS聚类分析法，得出12个园林树种的燃烧性排序[11]。

笔者通过对上述国内外学者研究方法的总结分析，选择凋落物燃烧床层、理化性质和林火行为3部分指标，使用层次分析法和分层聚类，找出不同森林类型下地表凋落物燃烧性的差异，并进行排序和分类。

1 研究方法

1.1 凋落物种类与制备

野外调查与样品采集在2014年秋季和2015年春、秋季3个阶段进行，涉及地区包括白山市、吉林市、辽源市、四平市、松原市、通化市、延边州、长白山管委会和长春市，设立标准地355块，确立吉林省主要森林类型17个：红松林、云杉林、樟子松林、落叶松林、臭松林、其他针叶林、胡桃楸林、黄波罗林、椴树林、柞树林、白桦林、杨树林、其他阔叶林、针叶混交林、阔叶混交林、针阔混交林和黑松林。采集1 m2地表凋落物样品带回后置于室内通风处使其风干，另采集100 g地表凋落物样品带回后置于烘箱内，105℃烘干至恒重，粉碎后过100目筛取颗粒直径＜0.15 mm样品，装入封口袋备用。

1.2 试验方法

利用电热鼓风干燥箱，通过测定样品风干质量和绝干质量测定样品风干含水率，凋落物样品风干含水率M：

1.3 数据处理

首先，对不同森林类型的地表凋落物测定了其理化性质、燃烧床层、林火行为指标进行了基本的统计分析，给出了各测定指标的平均值。

其次，利用层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP）对可燃物的燃烧性的各指标进行权重的确定，得出凋落物燃烧性综合评价指数。根据燃烧性综合评价的基本指标体系，建立层次分析法评价的递阶层次结构。构造一个3层次的结构模型，最高层为燃烧性综合评价指数；中间层为3个子系统，分别为燃烧床层、理化性质和林火行为；最底层由实验测定的11个指标构成，在不同的子系统中指标有重复，是因为在不同的中间层，同一指标的权重不尽相同。

最后，采用分层聚类（Hierarchical Cluster⁃ing），利用SPSS19.0软件系统中层次聚类法采用的是凝聚方式聚类，对凋落物燃烧性综合评价指数进行聚类，由于树种的燃烧性分为易燃、可燃、难燃三类，因此本文森林类型燃烧性确定分为3类。操作过程中“分群”栏选用“个案”进行Q型聚类，“统计量”中选用“合并进程表”以观察聚类过程中每一步被合并的类、被合并类之间的距离及最终类的水平，“绘制”中选用“树状图”以画出聚类过程中每一步是哪两类被合并以及这一步的并类距离，“方法”中选择“组间联接”以达到合并两类后不同类的样品两两之间平均距离达到最小，“区间”中选择“平方欧氏距离”即两个变量之差的平方和，“标准化”中选择“Z得分”对考察数据进行标准化。

2 结果与分析

2.1 不同森林类型的地表凋落物测量指标

根据表1可以看出，在点烧试验中，云杉、臭松、黄波罗林在实验室条件下不燃。抽提物的含量最高的是樟子松林12.87%，75%森林类型的抽提物含量均低于5.9%；灰分含量最高的是云杉林16.05%，平均值在7.7%；各森林类型燃点没有较大差异，最大值为落叶松林274℃，最小值是柞树林258℃，平均值为264℃；各林型间燃烧热值差异较大，超过半数的森林类型热值低于平均值2万J；落叶松林载量最高，各林型地表凋落物层载量分布在2～5 t/hm2区间；床层高度根据野外实际情况主要分布在1.0～2.5 cm之间，75%森林类型地表凋落物高度低于2.09 cm；风干含水率的平均值为11.01%，标准差为1.6%，差异不大；蔓延速度最快的是柞树林0.247 m·min-1，均值0.173 m·min-1；火线强度最高值为红松林4.922 kW·m-1，均值2.504 kW·m-1，标准差1.152 kW·m-1，表现出明显的差异；驻留时间最长的是落叶松林0.261 min，75%分位值为0.152 min，均值为0.149 min，表明大部分林型驻留时间相对较低；可燃物燃烧消耗比差异较大在30.8%至78.1%区间，均值68.1%。

表1 各森林类型测定指标

2.2 不同森林类型的凋落物燃烧性综合评价指数

根据层次分析法，首先构造判断矩阵，通过对已有可燃物燃烧性相关研究的分析，对同一层次内的指标相对重要性做出了判断，确定了燃烧性综合评价指数的判定矩阵、燃烧床层判定矩阵、理化性质判定矩阵和林火行为判定矩阵。对于燃烧性综合评价指数，林火行为＞理化性质＞燃烧床层（表2），其中：燃烧床层中指标含水率最重要，

根据高度、载量野外调查的实际情况，在各个林型下并没有较大的差别，因此判定两者重要性相同（表3）；理化性质中认为热值指标在燃烧过程中表现最重要，热量的释放直接促进相邻可燃物的燃烧的初始阶段，灰分和含水率指标表现在减缓了可燃物的燃烧速度，重要性相对最低（表4）；林火行为中火线强度指标直接反映了可燃物燃烧的剧烈情况，驻留时间的长短直接影响可燃物消耗比，认为二者具有相同的重要性（表5）。

表2 燃烧性综合评价指数判定矩阵

表3 燃烧床层判定矩阵

表4 理化性质判定矩阵

表5 林火行为判定矩阵

通过Excel对给出的判定矩阵进行权重计算，并全部通过判断矩阵一次性的检验，最终得出各指标权重（表6）。

表6 各指标权重

表7 各林型燃烧性指标值及排序

根据各指标权重计算各林型燃烧性综合评价指数，根据各燃烧性因子权重数值组成如下方程：燃烧性综合评价指数=0.143×燃烧床层+0.286×理化性质+0.571×林火行为；

燃烧床层=0.086×含水率+0.029×高度+0.029×载量；

理化性质=0.104×热值+0.052×燃点+0.026×灰分+0.078×抽提物+0.026×含水率；

林火行为=0.095×蔓延速率+0.143×驻留时间+0.190×火线强度+0.143×消耗比。

根据上述方程，计算各林型的燃烧性综合评价指数及燃烧床层、理化性质和林火行为的值，计算结果见表7。在这17个林型中，燃烧床层性能主要由燃烧床层的结构和含水率体现，指标值的高低说明不同林型间地被可燃物的结构和风干含水率的差异，指标值最高的为落叶松林，最低的是樟子松林；理化性质主要表达了可燃物引燃的难易程度，最易引燃的是白桦林，最难引燃的是杨树林；林火行为主要包含可燃物从点燃开始到似稳态、稳态至熄灭过程，是对过程中蔓延速度、火线强度、驻留时间和熄灭后可燃物燃烧消耗比这4个指标的综合评价，评价值最高的是红松林、最低的是落叶松林，其中云杉、臭松和黄波罗林在实验设定条件下不燃，因此不计入最低值；综合以上部分看，燃烧性综合评价指数最低的是杨树林，最高的是白桦林。平均值599.9，标准差36.5，全林型看差异并不显著。燃烧床层指标最高值为落叶松林15.55，最低为樟子松林7.65，平均值为10.43，标准差2.06，不同森林类型模拟自然条件下的地表可燃物堆叠状态差异明显；理化性质指标最高值为白桦林2396.3，最低为杨树林1964.8，平均值2091.8，标准差127.6；林火行为指标最高值为红松林1.074，最低为落叶松林0.244，平均值0.612，标准差0.227，燃烧过程表现出明显差异。

2.3 不同森林类型的凋落物燃烧性类别

使用SPSS 19.0对各森林类型的综合评价指数进行分层聚类。聚类结果如图1。根据燃烧性分易燃、可燃、难燃3类情况，将本文所有森林类型燃烧性划分为3类，其中易燃的是白桦林和樟子松林，可燃的是针叶混交林、黑松林、红松林和其他针叶林，难燃的是胡桃楸林、椴树林、黄波罗林、杨树林、落叶松林、针阔混交林、臭松林、柞树林、云杉林、其他阔叶林和针阔混交林。

图1 使用平均联接（组间）的树状图

3 结论

吉林省主要森林类型地表凋落物各燃烧性指标测量值最高的分别是：樟子松林抽提物含量12.87%，云杉林灰分含量16.05%，落叶松林燃点274℃，白桦林燃烧热值22 929 J，落叶松林载量5 t/hm2，杨树林床层高度2.5 cm，黄波罗林风干含水率14.9%，柞树林蔓延速度0.247m·min-1，红松林火线强度4.922 kW·m-1，落叶松林驻留时间0.261 min，白桦林可燃物燃烧消耗比78.1%。反映出这些地表凋落物燃烧性在燃烧床层、理化性质和林火行为3方面均具有不同的燃烧性。

应用层次分析法对这17种森林类型地表凋落物燃烧性的从高到低的排序为：白桦林＞樟子松林＞黑松林＞针叶混交林＞红松林＞其他针叶林＞针阔混交林＞落叶松林＞云杉林＞臭松林＞柞树林＞阔叶混交林其他阔叶林＞胡桃楸林＞椴树林＞黄波罗林＞杨树林。这些燃烧性排序是在相同的实验条件下提出的，忽略各森林类型下植物种类，立地条件，生物学、生态学特征不同而形成的不同的火环境，即实际的森林火灾发生时火环境的复杂性，所以燃烧性的排序是合理的。

经过分层聚类分析得出17种森林类型地表凋落物燃烧性类别：白桦林和樟子松林易燃，针叶混交林、黑松林、红松林和其他针叶林可燃，胡桃楸林、椴树林、黄波罗林、杨树林、落叶松林、针阔混交林、臭松林、柞树林、云杉林、其他阔叶林和针阔混交林难燃。这里的易燃、可燃和难燃只表示三类可燃物燃烧难易程度的相对性，并不能说明难燃类别里的森林类型燃烧难易情况就一定低于易燃类别里的森林类型，对于同一森林类型，燃烧床层的铺设均模仿野外的实际情况，这造成了对于不同的特定条件同一森林类型地表凋落物表现出不燃或不同的燃烧难易程度，但这些都综合在最终的处理数据结果中，得出的结果也只是反应大部分的实际情况。一些对于林火行为模拟所做的研究[12-14]可以证明这一点。

对于森林可燃物研究对象不同的，包括森林类型、乔木、灌木、草本和枝、叶、凋落物的燃烧性研究工作已经做了很多，本文中得出的排序与分类与之前相关的研究[15]结果存在差异，产生这种差异的原因在于对同一森林类型的研究中，不同可燃物的组成，燃烧性分析过程中实验指标、方法不同，数据处理的算法不同，这些都造成了森林类型尺度下地表凋落物燃烧性研究的局限性与差异性，今后应对造成这些差异的原因和差异之间的距离问题进一步研究。

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（责任编辑：韩焕金）

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2016-12-05

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