一种评价园林树种抗火性的综合方法

周勇，章林*，梁纪杰，王晓娜，张吉龙，孙景花

(1.吉林省林业科学研究院，长春 130033；2.吉林省长白森林经营局，吉林 白山 134400；3.北方航空护林总站，哈尔滨 150040)

一种评价园林树种抗火性的综合方法

周勇1，章林1*，梁纪杰2，王晓娜1，张吉龙3，孙景花1

(1.吉林省林业科学研究院，长春 130033；2.吉林省长白森林经营局，吉林 白山 134400；3.北方航空护林总站，哈尔滨 150040)

通过综合生物生态学特征调查、理化指标测定和热辐射试验测定评价园林树种抗火性。选取长春市城市绿化、森林公园和吉林莫莫格湿地生态系统定位观测研究站的23个乔木树种进行野外调查和室内试验，应用专家打分、因子分析、曲线估计、聚类分析和判别分析的方法，综合评价生物生态学综合得分、树皮理化指标综合得分、树皮升温指数模型中K1值和a值、树皮质量损失模型中K2值这5个指标。将23个树种的抗火性分为3类，长白落叶松、火炬树、核桃楸、黄波罗抗火性最好，新疆杨、旱柳、稠李、银中杨、糖槭、梓树、京桃、小黑杨、白桦、翅卫矛、五角枫、垂榆、水曲柳抗火性次之，樟子松、红皮云杉、蒙古栎、黑皮油松、红松、山杏抗火性较差。这种新的综合方法可作为评价园林树种抗火性强弱的重要依据。

园林树种；树皮；数学模型；抗火性

0 引言

随着我国城市化进程的快速发展，城市绿化面积不断扩大，城市园林火灾成为一种新的不可忽视的城市灾害。保护城市园林植物，最大限度地减少城市园林火灾的发生，避免造成经济损失，成为林业部门的一项重要任务。树种的抗火性指其抵抗和忍耐林火的能力，所以根据树种抗火性进行城市园林植物的选择，对于抵抗和减少城市园林火灾以及保护园林植物减少经济损失等意义重大[1]。

植物被林火烧死主要是由于火对树木的韧皮部及形成层等造成损害，树皮作为树木的重要保护层[2]，随着树皮被烧的深度增加，树木被烧死的可能性也增大。所以，将树皮损伤程度作为判断标准，评价树种抗火性[3]，合理选择抗火性高的园林植物，对减少城市园林火灾，提高园林植物利用率意义重大。关于树种抗火性，国内外的学者进行了很多研究，不同学者选择的方法不同，通过分析树种的生活习性、分布情况等生物生态学特征确定树种抗火性[4-5]；通过分析树皮含水率、厚度、灰分含量等理化性质研究树种抗火性[6-14]；通过热分析技术确定树种的燃烧热值等进行抗火性研究[15-18]，以及热辐射实验研究[19-21]等。之前关于树种抗火性的研究在理化指标选择、数据分析以及结果讨论等方面得到很多结果，因此，利用前人的研究方法和结论，结合树种生物生态学调查、理化指标及树皮热辐射试验测定等，给出一种评价园林树种抗火性的综合方法。

1 材料与方法

1.1 研究对象的选取与材料采集

从吉林省长春市街边绿化、森林公园和吉林莫莫格湿地生态系统定位观测研究站等地选取23个乔木树种作为研究对象，调查生物生态学特征，包括樟子松(PinussylvestrisL.var.mongholica)、长白落叶松(Larixolgensis)、红皮云杉(Piceakoraiensis)、火炬树(RhusTyphinaL)、核桃楸(JuglansmandshuricaMaxim.)、蒙古栎(Quercusmongolica)、新疆杨(PopulusalbaL.var.pyramidalis)、旱柳(Salixmatsudana)、稠李(PrunuspadusL.)、黄波罗(PhellodendronamurenseRupr.)、银中杨(Populusalba×P.berolinensis)、糖槭(AcernegundoL.)、梓树(Catalpaovata)、京桃(Prunuspersicaf.rubroplena)、小黑杨(Populussimonii×Populusnigra)、黑皮油松(Pinustabuliformisvar.mukdensisUyeki)、白桦(Betulaplatyphylla)、红松(Pinuskoraiensis)、翅卫矛(EuonymusphellomanaLoes.)、五角枫(AcermonoMaxim)、垂榆(Ulmuspumilavar.pendula)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、山杏(Prunusarmeniaca)。试验树皮于2015年5月采集，选择胸径为18 cm、树形良好、树皮各方向上分布均匀且没有经历过森林火灾的树木为采样木，记录开裂程度、方向、密度和颜色特征，在胸径处取高14 cm、宽12 cm树皮1块，塑封带回冷藏保存。

1.2 试验方法

1.2.1 生物生态学特征调查

设立15 m×15 m调查样方，每个树种样方数量不低于3个，调查树木胸径大于10 cm，观察落叶情况、凋落物分解速度快慢和萌蘖能力强弱；测量树皮厚度，根系深度，凋落物叶片大小、密实度和孔隙度；记录地貌、气候和土壤等立地条件。

1.2.2 理化指标测定

使用游标卡尺在树皮截面的各个方向上测量树皮厚度共计10处，其平均值作为该树种树皮的厚度；采用105 ℃烘干恒质量法测定树皮绝干含水率；利用DW-02 型点着温度测定仪测量燃点；干灰化法测定灰分；索氏提取法测定粗脂肪；使用C6000型全自动氧氮量热仪测定热值。

1.2.3 热辐射实验

实验前将冷藏保存的树皮恢复至室温，再将树皮各边裁剪1 cm，记录长宽后即刻进行实验。实验装置从上到下依次为内表面测温部分，装载及称重部分，外表面热辐射部分。实验过程中每隔20 s记录树皮内表面温度和质量，树皮烧漏时停止实验。

1.2.4 数学统计方法

专家打分法是一种定性描述定量化方法，本文使用加权评价型，将评价对象中的各指标项目依照评价重要程度，给与不同的权重，运用Excel 2010，进行结集给出评价结果，本文通过专家打分法得出各树种生物生态学综合得分。

运用SPSS 19.0，进行因子分析、曲线估计、聚类分析和判别分析。因子分析是将多个变量综合为少数几个因子的一种多元统计方法，主要思想是从为数众多的可观测变量中概括和推导出少数几个因子，来解释最大量的观测事实，本文通过因子分析法计算各树种的树皮的理化性质综合得分；曲线估计是一种对于线性模型、二次项模型、复合模型的处理方法，原则上只要两个变量之间存在能被它描述的数量关系，就可以用该过程分析，曲线相关关系可通过变量转换的方式转化为线性回归，本文将对指数曲线回归方程分析转化为对变量交换后的线性方程分析；聚类分析是指依据研究对象的个体特征，对其进行分类的方法，本文使用系统聚类中的Q型聚类，使具有相似特征的树种聚集在一起；判别分析是根据描述事物特征的变量值和它所属分类找出判别函数，以此为依据对所研究事物进行所属分类判别，本文利用判别分析对聚类结果中有异议的树种进行重新分类，观测其类别结果。

2 结果与分析

2.1 调查与试验结果

2.1.1 生物生态学特征

根据对各树种的调查及文献结果的整理，给出了树种的生物生态学评分标准。落叶性状：落叶3，常绿针叶含油脂1，枯不落叶1；树冠特征：稀疏宽广3，较宽广、枝叶适中2，狭窄、枝叶密集1；凋落物易燃性：易燃1，较易燃2，难燃3；凋落物大小与结构：叶短小、凋落物密实、孔隙度小3，叶较大、凋落物密实度、孔隙度中等2，叶片大、冬季枯叶残留树上或落叶疏松、孔隙度1；萌孽能力：强3，中2，弱或无1；凋落物分解速度：快3，中2，慢1；幼年生长速度：快3，中2，慢1；根系状况：深3，中2，潜1；耐旱性：喜湿润3，中2，耐干旱1；耐阴性：阴性3，中2，阳性1；喜肥性：喜肥沃3，中2，耐瘠薄1。根据上述评分标准，给出23个树种的生物生态学评分，见表1。

表1 树种的生物生态学评分

表1中：A为落叶性状；B为树冠特性；C为凋落物易燃性；D为凋落物大小与结构；E为萌孽能力；F为凋落物分解速度；G为幼年生长速度；H为根系状况；I为耐旱性；J为耐阴性；K为喜肥性。

计算各树种的综合得分[22]后表明，黑皮油松最易燃，水曲柳最难燃。

2.1.2 理化指标

通过测定各树种树皮理化指标，长白落叶松厚度最薄2.9 mm，蒙古栎最厚15.8 mm，平均值6.9 mm；樟子松绝干含水率最低36%，新疆杨最高115.1%，平均值60.8%；粗脂肪含量火炬树最高39.2%，旱柳最低0.2%，平均值为9.4%；灰分含量樟子松最高15.3%，长白落叶松最低1.3%，平均值为6.0%；火炬树燃点最高268 ℃，银中杨最低235 ℃，平均值258 ℃；火炬树热值最高2 1521 J，垂榆最低14 705 J，平均值18 943 J。热值与粗脂肪呈极显著正相关(r=0.701，p=0.000)、与灰分呈极显著负相关(r=-0.688，p=0.000)。树皮的理化指标见表2。

表2 树皮的理化指标统计表

通过对厚度、绝干含水率、粗脂肪、灰分、燃点和热值这6个指标进行因子分析[23]，计算各树种的综合得分后表明，银中杨最易燃，火炬树最难燃。见表2。

2.1.3 热辐射实验下树皮内表面温度变化与质量损失

对23个树种树皮进行热辐射实验，绘制树皮内表面温度变化曲线和质量损失曲线，发现同类曲线变化规律相同，绘制规律曲线图，如图1所示。

(a)

(b)◆—曲线拐点A；▲—曲线拐点B。图1 热辐射实验下树皮内表面温度变化与质量损失规律Fig.1 Surface temperature variation and quality loss of bark under thermal radiation experiment

树皮内表面温度变化分3个阶段，第1阶段至拐点A处，即内表面温度升高较快阶段；第2阶段为A、B区间，即慢升温度阶段；第3阶段从拐点B开始树皮已无明显阻火能力。树皮20 s温差曲线中起点温度为0，温度慢升阶段温度变化很小，因此，本文主要研究第1、2阶段树皮的内表面温度变化和质量损失情况。第1、2阶段升温用时分别为t1、t2，A、B点温度分别为TA、TB，20 s慢升平均温度为TS。

其中：n=1表示第20 s，n=2表示第40 s，n=3表示第60 s，以此类推。

各树皮在第1、2阶段树皮内表面温度变化指标见表3。

表3 第1、2阶段树皮内表面温度变化指标值

第1阶段升温时间与A拐点温度显著相关(r=0.463，p=0.026)，A、B拐点温度极显著正相关(r=0.641，p=0.001)，说明在第1阶段的升温过程中各树皮种类的升温速率差别较大，第2 阶段慢升温过程中温度变化主要取决于t2。

各树皮在第1、2阶段质量变化指标见表4。

热辐射试验过程中总损失质量占初始质量比重平均33.8%，50%分位数值为32%；第1阶段损失占总损失质量比重平均26.5%，75%分位数值为30.9%。通过分析这两个阶段的质量损失情况表明，23个树种树皮在B拐点时刻总损失质量均低于50%，91%的树皮在第1阶段的质量损失要低于第2阶段。

表4 第1、2阶段树皮质量变化指标值

建立数学模型，由于树皮内表面温度在第1阶段升温较快且升温幅度较大，根据数据的变化情况对这一阶段建立指数模型，即Y1=K1eaX，其中：K1、a为常数，e为欧拉数，时间变量X为每20 s一个单位，Y1为内表面温度；第2阶段温度变化缓慢且变化幅度相对较小，这一阶段温度的变化趋向于斜率、截距均为0的直线；第1、2阶段的树皮质量呈递减趋势且减少速率没有显著差异(r=0.106，p=0.630)，因此对这2个阶段整体建立线性模型，即Y2=K2X+b，其中：斜率K2、截距b均为常数，时间变量X为每20s一个单位，Y2为树皮质量。两类模型具体参数值见表5和表6。

第1阶段温度指数模型中，K1和a值呈极显著负相关(r=-0.624，p=0.001)；K1值越大，内表面温度随时间的增加升高幅度越大；a值越大，内表面温度升高相同幅度时用时越少。火炬树模型K1值最大41.42，红松最小12.25；稠李模型a值最大0.40，蒙古栎最小0.04；R2值范围为0.852～0.999。

表5 指数模型具体参数值

表6 线性模型具体参数值

第1、2阶段的质量线性模型中，K2值越小，相同时间内质量减少的幅度越大。黄波罗模型K2值最大-0.33，蒙古栎最小-1.31；b值为各树皮的初始值量；R2值范围为0.939～1.000。

2.2 树种抗火性聚类分析

筛选23个乔木树种的生物生态学综合得分、树皮理化指标综合得分、K1值、a值和K2值这5个指标，根据其抗火性强弱，对生物生态学综合得分、树皮理化指标综合得分和K2指标值进行降序排列，对K1值、a值指标进行升序排列，得出各树种5个指标的排序情况，见表7。

表7 各树种5个指标的排序情况

对这5个指标的排序情况进行系统聚类，树种抗火性的系统聚类情况如图2所示。将23个乔木树种分为易燃、较易燃和难燃3类。根据已有文献[24-25]，较易燃类中红松、黑皮油松和水曲柳树种类别情况可能存在问题，因此，通过5个指标数值和已确定的20个树种类别，对待定类别的3个树种进行判别分析，得出红松、黑皮油松属易燃树种，水曲柳仍属较易燃类。

图2 树种抗火性类别情况Fig.2 Anti-fire of trees species category

3 结论与讨论

在生物生态学调查、理化性质分析、热辐射作用下树皮内表面温度升高和质量损失的试验基础上，分别对23个树种抗火性由强到弱排序。

(1)生物生态学综合得分依次为：水曲柳、黄波罗、核桃楸、梓树、长白落叶松、翅卫矛、稠李、白桦、京桃、旱柳、小黑杨、新疆杨、糖槭、火炬树、银中杨、五角枫、垂榆、山杏、蒙古栎、红皮云杉、红松、樟子松、黑皮油松。

(2)理化性质综合得分依次为：火炬树、垂榆、黄波罗、新疆杨、翅卫矛、核桃楸、蒙古栎、旱柳、白桦、糖槭、小黑杨、山杏、樟子松、京桃、红皮云杉、水曲柳、梓树、稠李、红松、五角枫、黑皮油松、长白落叶松、银中杨。

(3)树皮内表面温度变化指数模型中K1值依次为：红松、白桦、翅卫矛、稠李、糖槭、旱柳、垂榆、五角枫、银中杨、水曲柳、黑皮油松、梓树、山杏、黄波罗、新疆杨、小黑杨、京桃、长白落叶松、樟子松、红皮云杉、核桃楸、蒙古栎、火炬树。

(4)树皮内表面温度变化指数模型中a值依次为：蒙古栎、樟子松、黄波罗、核桃楸、火炬树、山杏、水曲柳、红皮云杉、翅卫矛、小黑杨、长白落叶松、黑皮油松、垂榆、梓树、五角枫、京桃、旱柳、白桦、红松、新疆杨、糖槭、银中杨、稠李。

(5)树皮质量损失线性模型中K2值依次为：黄波罗、长白落叶松、糖槭、五角枫、核桃楸、红松、白桦、火炬树、樟子松、梓树、京桃、稠李、黑皮油松、新疆杨、小黑杨、银中杨、旱柳、垂榆、翅卫矛、红皮云杉、山杏、水曲柳、蒙古栎。

通过对上述5类排列顺序进行系统聚类，最终将23个园林树种抗火性分为3类，长白落叶松、火炬树、核桃楸、黄波罗抗火性最好，新疆杨、旱柳、稠李、银中杨、糖槭、梓树、京桃、小黑杨、白桦、翅卫矛、五角枫、垂榆、水曲柳抗火性次之，樟子松、红皮云杉、蒙古栎、黑皮油松、红松、山杏抗火性较差。

在绿色生态的建设过程中，本文选取的23个乔木树种均作为园林树种建设在吉林省的大街小巷，但城市树木的选择与种植是一门复杂的科学，无论是本土生长的树种还是经过驯化的外来树种，抗火性只是如抗污染、抗土壤盐碱化、能否开花结实等众多影响因素中的一个，但由于城市园林火灾的特殊性，促使树种抗火性强弱成为园林树种选择时的一项重要依据。灌木、木质藤本也是园林树木的重要组成，而对于灌木、木质藤本抗火性能的了解还相对缺乏，需要做进一步的研究。

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A Comprehensive Method for Evaluating Anti-fire of Garden Tree Species

Zhou Yong1，Zhang Lin1*，Liang Jijie2，Wang Xiaona1，Zhang Jilong3，Sun Jinghua1

(1.Jilin Provincial Academy of Forestry Science，Changchun 130033；2.Forest Management Bureau of Changbai County in Jilin Province，Baishan 134400；3.Aviation Forest Protection in the North，Harbin 150040)

Combing with the results of comprehensive bio-ecological characteristics investigation，physical and chemical property determination and thermal radiation test，the anti-fire of garden tree species was evaluated.Based on the field investigations and laboratory tests，23 species of garden tree collected from the Changchun City Greening，Forest Park and Jilin Momoge Wetland Ecosystem Research Station were investigated 5 factors including bio-ecology comprehensive score，bark physical and chemical indicators comprehensive score，K1and a value in bark temperature index model，K2value in bark quality loss model，which were analyzed by the method of expert scoring，factor analysis，curve estimation，cluster analysis and discriminant analysis.The anti-fire ability of 23 species was divided into three types.Results indicated thatLarixolgensis，RhusTyphinaL.，JuglansmandshuricaMaxim，PhellodendronamurenseRupr.showed the strongest ability；PopulusalbaL.var.pyramidalis，Salixmatsudana，PrunuspadusL.，Populusalba×P.berolinensis，AcernegundoL.，Catalpaovate，Prunuspersicaf.rubroplena，Populussimonii×Populusnigra，Betulaplatyphylla，EuonymusphellomanaLoes.，AcermonoMaxim.，Ulmuspumilavar.pendula，Fraxinusmandshuricashowed the second strong ability；andPinussylvestrisvar.mongolica，Piceakorainesis，Quercusmongolica，Pinustabulaeformisvar.mukdensisUyeki，Pinuskoraiensis，Prunusarmeniacahad the weak anti-fire ability.This new comprehensive method could be used as an important basis for evaluating the anti-fire of garden tree species.

Landscape tree；bark；mathematical model；anti-fire

2017-03-22

吉林省自然科学基金项目(20140101219JC)

周勇，硕士，研究实习员。研究方向：树种抗火性。E-mail：zyong814@163.com

*通信作者：章林，研究员。研究方向：森林防火。E-mail：zhanglin1973@163.com

周勇，章林，梁纪杰，王晓娜，等.一种评价园林树种抗火性的综合方法[J].森林工程，2017，33(4)：27-33.

S 762

A

1001-005X(2017)04-0027-07