吉林省主要园林树种叶片抗火性分析与排序

周 勇，章 林，王晓娜，刘贵明，林 峰，孙景花，石 磊，章 森

（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）

园林绿化植物在净化空气、减少热岛效应、调节气候、美化城市方面起到重要作用[1，2]。园林树种是构成城市园林的主体，其抗火性能研究是林分抗火性评价的重要组成部分。树种不同，森林的抗火性具有差异[3，4]；同一种植物各器官的抗火性不同。通过对比分析叶片、小枝和树皮的理化性质发现，叶片是植物最容易着火的器官[5]。叶片作为乔木、灌木最容易燃烧的部分成为森林火灾传播的主要媒介，是国内外学者的主要研究对象之一。国内学者通常是采用直接观测树种生物、生态学特征，直接进行凋落物的火烧法、模拟火场实验法，间接测定可燃物理化性质等3方面进行植物的抗火性评价研究。由于采用的研究方法不同，往往造成同一树种的抗火性分析结果有差异[6，7]。王得祥等[8]通过研究树种生物生态学特性，对秦岭林区主要乔木树种抗火性进行综合评判。钟安建等[9]通过对南昌城区15个园林树种的理化性质指标进行灰色关联分析，表明抗火性能最强的是珊瑚树，最差的是桂花。马长乐等[10]对昆明地区常用的6种园林绿化灌木植物燃烧性进行了比较，指出通过合理的选择和配置，园林植物可起到防控和减少火灾损失的作用。

本研究选择长春市城市绿化、森林公园和吉林莫莫格湿地生态系统定位观测研究站的44个园林树种，对叶片进行抗火性分析，通过因子分析法（Factor analysis method，FAM）与逼近理想解排序法（Technique for order preference by similarity to an ideal solution,TOPSIS），对吉林省主要园林树种叶片抗火性进行综合评价，以探讨该各树种叶片抗火性是否显著差异，验证FAM分析与TOPSIS分析相结合的方法是否适合用于树种叶片抗火性的综合评价，以期为园林树种抗火性研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究对象的选取及材料采集

2015年6月，在吉林省长春市城市绿化、森林公园和吉林莫莫格湿地生态系统定位观测研究站采集44个园林树种功能叶片作为研究对象，包括樟子松（Pinus sylvestris L.var.mongholica）、长白落叶松（Larix olgensis）、红皮云杉（Picea koraiensis）、火炬树（Rhus Typhina L）、核桃楸（Juglans mandsh⁃uricaMaxim.）、蒙古栎（Quercus mongolica）、新疆杨（Populus alba L.var.pyramidalis）、旱柳（Salix mat⁃sudana）、稠李（Prunus padus L.）、黄波罗（Phello⁃dendron amurense Rupr.）、银中杨（Populus alba×P.berolinensis）、糖槭（Acernegundo L.）、梓树（Catalpa ovata）、京桃（Prunus persica f.rubroplena）、小黑杨（Populus simonii×Populus nigra）、黑皮油松（Pinus tabuliformis var.mukdensisUyeki）、白桦（Betula platyphylla）、红松（Pinus koraiensis）、翅卫矛（Euon⁃ymus phellomana Loes.）、五角枫（Acer mono Max⁃im）、垂榆（Ulmus pumila var.pendula）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）、山杏（Prunus armeniaca）、红瑞木（Cornus alba L）、紫丁香（Syringa oblata Lindl）、紫穗槐（Amorpha fruticosa）、金银忍冬（Lonicera maackii（Rupr.）Maxim.）、山里红（Cratae⁃gus pinnatifida Bge.Var.Major N.E.Br.）、榆叶梅（Prunus triloba Lindle.）、元宝槭（Acertruncatum⁃Bunge）、女贞（Ligustrum lucidumAit.）、珍珠梅（Sor⁃baria sorbifolia）、连翘（Forsythia suspensa（Thunb.）Vahl）、早锦带花（Weigela praecox）、树锦鸡儿（Caragana arborescens（Amm.）Lam.）、黄刺玫（Ro⁃sa xanthina Lindl.）、刺玫蔷薇（Rosa davurica Pall）、金山绣线菊（Spiraea×bumalda‘Gold Mound’）、铺地柏（Sabina procumbens（Endl.）Iwata et Kusaka）、茶条槭（Acerginnala）、金叶榆（Ulmus pumila cv.jinye）、珍珠绣线菊（Spiraea thunbergii）、小叶丁香（Syringa microphylla Diels）、鸡树条荚蒾（Vibur⁃num sargentii）。每个树种采集鲜叶片200 g，封口袋密封带回，用于理化指标试验测定；另取均匀覆盖1 m2地面叶片，用于火行为试验指标测定。

1.2 试验方法

1.2.1 理化指标测定

使用游标卡尺测量鲜叶片厚度10次，取平均值作为该鲜叶片厚度（mm）；采用105℃烘干恒质量法测定鲜叶片绝干含水率（M，%）；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型全自动氧弹量热仪测定热值（kJ/kg）。

1.2.2 火行为实验

实验前将覆盖1 m2地面的叶片采用105℃烘干恒质量法烘干至绝干，称量样品质量（W0，kg·m2）后平铺在1 m2火行为模拟实验台上，布置5 cm宽红松引燃物。在绝干叶片蔓延过程中，每隔20 cm记录火头火焰长度（L，m）、火焰宽度（D，m）和燃烧时间（T，s），火熄灭后记录剩余质量（WR，kg·m2）。计算蔓延速度（R，m·min-1）、消耗质量比（CE）、火线强度（I，kW·m-1）和驻留时间（τ，min）。其中：R=0.2/T，τ=60D/R，I=258L2.17，CE=（W0-WR）/WR，点烧时实验室内温度范围为23～28℃，空气相对湿度范围在59%～78%，静风。

1.3 叶片抗火性综合评价

运用SPSS 19.0软件，分别对叶片的理化性质、火行为指标进行因子分析。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，主体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，来概括和解释最大量的观测事实，揭示事物之间本质联系。因子分析以相关系数矩阵为出发点，分析表达式中各指标为经过标准化变换后的标准变量。

运用EXCEL 2007软件对叶片理化性质和火行为指标的因子分析综合得分进行TOPSIS分析，TOPSIS法是在现有的对象中进行相对优劣评价的方法[11,12]。分析前先将两类数据做由低优指标向高优指标转化的指标属性趋同化处理（式1），再采用向量归一化进行标准化处理（式2）；各指标单调性一致后，将各个指标的最高值集合起来，组成一个抗火性最强的最优目标Z+（式3），将各个指标的最低值集合起来，组成一个抗火性最弱的最劣目标Z－（式4）；采用欧氏距离法进行计算（式5，6）物种各个特征指标与Z+和Z－的距离，以此计算各评价对象与最优目标的接近程度Ci（式7）。TOP⁃SIS分析法的决策方式是，各个特征与Z+距离最近且与Z－的距离最远的树种抗火性最强。

式中：Xij表示理化性质、火行为指标因子分析综合得分矩阵中的第i行第j列元素。

2 结果与分析

2.1 理化性质和火行为指标的统计特征

表1给出了叶片理化性质和火行为指标的统计特征。红皮云杉、垂榆、糖槭、稠李、树锦鸡儿和黄刺玫在室内点烧实验中不燃，因此火行为指标统计分析时不含这6个树种。超过75%的叶片绝干含水率超过100%；樟子松针叶厚度最大为3.1 mm，厚度在25%分位数下多为针叶树种；梓树抽提物含量最高为30.4%，90%的抽提物含量低于16.2%；灰分含量最高为金叶榆53.6%，75%的叶片灰分含量低于15.7%；燃点最高为榆叶梅269℃，各树种燃点差别不大；热值最高为黑松22 038 kJ/kg，平均值18 736 kJ/kg，超过75%的叶片热值高于17 579 kJ/kg；蒙古栎蔓延速度最快为0.71 m·min-1，火线强度最高为56.8 kW·m-1；黑松消耗质量比最大96.0%；长白落叶松驻留时间最长为0.84 min。

2.2 基于因子分析方法的叶片抗火性评判

对44种叶片的6个理化性质指标和4个火行为指标分别进行因子分析，计算抗火性指标的Pear⁃son相关系数。结果表明，理化性质指标中绝干含水率与厚度、热值，厚度与抽提物、热值，灰分与热值均呈极显著正相关，热值与燃点呈显著正相关；火行为指标中蔓延速度与消耗质量比、火线强度，消耗质量比与火线强度均呈极显著正相关，见表2和表3。

按照累积方差贡献率≥85%的原则，两类指标的因子分析结果均保存了原始变量的大部分信息，能对大多数的数据给予充分的解释和概括。其中：理化性质指标因子分析结果提取4个主成分，分别为l1、l2、l3和l4，累积方差贡献率95.7%；火行为指标因子分析结果提取2个主成分，分别为f1和f2，累积方差贡献率87.3%。抗火性指标因子得分信息见表4，表5。建立抗火性指标因子得分模型。其中，理化性质指标因子得分模型：

l1=0.923×绝干含水率+0.559×厚度-0.177×抽提物+0.089×燃点-0.705×热值，

l2=-0.006×绝干含水率+0.698×厚度+0.922×抽提物+0.014×燃点+0.087×热值，

表1 理化性质和火行为指标的统计特征

表2 理化性质指标相关系数

表3 火行为指标相关系数

表4 理化性质指标因子得分信息

表5 火行为指标因子得分信息

l3=0.019×绝干含水率+0.010×厚度-0.113×抽提物+0.970×燃点+0.127×热值，

l4=-0.002×绝干含水率+0.170×厚度-0.066×抽提物+0.101×燃点+0.980×热值。

火行为指标因子得分模型：

f1=0.941×蔓延速度+0.878×消耗质量比+0.859×火险强度+0.004×驻留时间，

f2=-0.068×蔓延速度+0.323×消耗质量比-0.098×火险强度+0.989×驻留时间。

将这6个不燃树种的火行为指标统一设置为0.001，做占位处理。将各抗火性指标的实测值和占位值进行数据标准化，后分别代入理化性质指标因子得分模型和火行为指标因子得分模型，将得到的各公因子分值分别代入理化性质综合得分l=（28.437l1+22.512l2+20.430l3+17.985l4）/89.364和火行为综合得分f=（59.887f1+27.397）/87.283，得出理化性质、火行为指标综合得分，见表6。

2.3 基于加权逼近理想解排序法的叶片抗火性比较

将44种叶片的理化性质、火行为指标综合得分进行TOPSIS分析，得到各树种叶片的抗火性强弱评价值Ci和排序结果，见表7。44个树种叶片抗火性最强的是五角枫，最弱的红皮云杉。

3 结论与讨论

对44个树种叶片的理化指标和火行为指标的测定和分析表明，吉林省主要园林树种叶片的理化性质、林火行指标存在差异，表现出对叶片抗火性不同程度的影响。理化性质指标的因子分析结果中公因子l1对绝干含水率、热值，l3对灰分，l4对燃点的载荷系数大表明这3个公因子对叶片抗火性为高效影响，公因子l2对抽提物的载荷系数大表明对叶片抗火性为低效影响，这与已有关于理化性质与抗火性能的研究结果相符[13-15]；火行为指标的因子分析结果中公因子f1对

蔓延速度、消耗质量比和火线强度的载荷系数均大表明对叶片抗火性为低效影响，公因子f2对驻留时间的载荷系数大表明对叶片抗火性为高效影响，这与国外已有研究结果相符[16-18]。对于针叶和阔叶树种抗火性的研究表明，一般认为阔叶树抗火性要优于针叶树[2,5,19]。参考已有树种抗火性的研究结果，本文获得的叶片抗火性排序与已有树种的研究结果相近，说明笔者的研究结果是合理的。乔木树种五角枫、梓树和樟子松等，灌木树种早锦带花、鸡树条荚蒾和珍珠绣线菊等均表现出很强的抗火性，可以选择作为园林树种混交种植，提高城市绿化、森林公园的抗火性。

表6 理化性质、火行为指标综合得分

表7 叶片抗火性比较

运用因子分析的方法进行两类指标的评判得分，用逼近理想解排序法确定各树种评判得分与最优得分的接近程度，得出各个树种叶片抗火性的合理评判。由于叶片抗火性只是树种抗火性的一部分，在以后的研究工作中，可以考虑应用本文的研究方法，对树种其他部位器官的抗火性进行评价，最终根据树种各部分器官的评价结果，完成园林树种抗火性的全面评价。

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