28种防火林带树种树叶抗火性能研究

冼丽铧， 陈嘉杰， 陈红跃， 刘小玲， 卢志桥， 龚军凡

(1.华南农业大学林学与风景园林学院，广东 广州 510642； 2.中山市国有森林资源保护中心，广东 中山 528458)

中山市是国家森林城市之一，加入了珠三角国家森林城市群，其森林防火意义重大。该市防火林带共应用了31个树种，隶属17科24属，其中，豆科、山茶科和樟科树种较多，而林带内树种数量较多的是木荷Schimasuperba、台湾相思Acaciaconfusa、柠檬桉Eucalyptuscitriodora、鸭脚木Scheffleraoctophylla，防火林带林分树种组成较单一。树种是构成生物防火林带的主体，树种抗火性能的研究是评价林分抗火性能的重要内容，树种不同，森林的抗火性能有差异[1-3]。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，水分含量、挥发分、发热量为树叶着火温度的主要因子[4]，植物功能性状不仅便于评价植物的抗火性能，也有利于筛选防火植物[5]。有研究对不同地带性森林乔木叶片热值特征，开展多因素的综合性研究。叶片碳含量是叶片热值变异的主要影响因素[6]，木本植物叶片热值的研究可以为科学评估其火灾危险性以及相应产生火行为提供基础数据[3, 7-8]。森林木本植物活叶片抗火性能研究，有助于完善树种阻火性评价方法、筛选适宜的生物防火树种的研究[9-10]，但迄今对防火树种筛选以及综合评价方法的系统研究较少。在防火林带建设中，筛选和栽植抗火性能较强的树种是森林防火的关键[5]。本研究以中山市防火林带的树种为研究对象，采集并测定了28个常见木本植物叶片的热值，通过比较不同叶片的厚度、相对含水量、热值、灰分等理化性质指标，运用因子分析和聚类分析的方法，对树种叶片抗火性进行综合排序，探讨树种间抗火性能的差异，以期为中山市乃至粤港澳大湾区的高效防火树种选择及防火林带建设提供参考。

1 研究区概况

中山市(113°9′～113°46′E，22°11′～22°46′35″N)位于广东省中南部，热带北缘，热量丰富，全年最热为7月，日均温度为28.4 ℃，相对湿度年均83%，全年太阳辐射量最强为7月，光照最多为7—10月，属亚热带季风气候，光热充足，植被类型主要为热带季雨林型的常绿季雨林，森林覆盖率达23.08%，林地面积为2.87万hm2，林地森林覆盖率为96.70%，森林质量位于全省前列，生物防火林带411条，总长达591.8 km。

2 材料与方法

2.1 试验材料

2018年6—8月，根据中山市生物防火林带的树种应用现状以及珠三角防火林带树种应用情况，在中山树木园选择了中山市现有的以及适合栽植的优良树种28种，以乡土树种为主，外来树种为辅，树龄基本在15～20 a之间，供试树种名录见表1。

2.2 试验方法

2.2.1 树木叶片厚度及相对含水量测定 每种试验树种各选3棵，每棵树在其向阳面选择成熟叶片5片，用游标卡尺测量叶片的厚度。叶片厚度测定后，采集叶片，用塑料袋密封带回实验室，用于相对含水量的测定，叶片相对含水量采用烘干称重法测定，取样时间在上午植株露水或雨水蒸发后进行，称取叶片鲜重，放入烘箱105 ℃杀青1 h，在80 ℃下烘干至恒重，并称干重。计算叶片相对含水量，公式如下：

2.2.2 热值测定 按照3棵树、每棵树5片成熟叶的重复数采集叶片，进行热值、灰分、挥发分及固定碳测定与计算。采用105 ℃烘干恒重法，样品在80 ℃条件下烘16 h 至恒重，用粉碎机粉碎后，每个样各取6 g，装入塑料袋，密封备用。热值用德国IKA C2000自动量热仪，灰分和挥发分用XL-1型箱式高温炉测定，参考国家标准GB/T212—2008《煤的工业分析方法》[11]测定，固定碳采用以下公式计算：固定碳=100%-灰分-挥发分。

2.2.3 数据处理 采用Pearson 系数进行相关分析，采用Factor Analysis进行主成分分析，以上分析均采用SPSS 19. 0 统计软件，数据整理、计算与作表均采用 Microsoft Excel 2007 软件进行。

3 结果与分析

3.1 28种树种叶片厚度及相对含水量分析

由表2可知，叶片最厚的为红花油茶，达0.36 mm，其次是多花山竹子、夹竹桃、红苞木；叶片最薄的是黄葛榕，仅0.16 mm，其次是西南木荷、凤凰木、山乌桕。叶片相对含水量最高的是多花山竹子，达58%，其次是山乌桕、米老排、蝴蝶果；叶片相对含水量最低的是黄葛榕，仅25%，其次是土沉香、观光木、夹竹桃。叶片厚度和叶片含水量影响着叶片的燃烧性能，叶片厚度越大，其含水量越高，叶片的燃烧速度越慢，起到较好的抗火性。

表2 28种树种叶片的抗火性指标

3.2 28种树种叶片热值分析

不同植物种类，其叶片的厚度、相对含水量等理化性质不同，热值也不同，树木叶片的热值情况见表2。测试结果表明，28个树种的热值在17.40～21.94 (kJ·g-1)间变化，平均值为19.90 (kJ·g-1)，其中热值最高的是米老排，达21.94 kJ·g-1，其次是鸭脚木、深山含笑、台湾相思、大叶相思；热值最小的是枫香，为17.40 kJ·g-1，其次是乌桕、假苹婆、黄葛榕、山杜英。

3.3 28种树种叶片灰分、挥发分及固定碳分析

在叶片燃烧过程中，叶片灰分含量一定程度上能对有焰燃烧起阻滞作用，灰分含量越高，叶片的抗火性越强。从表2可以看出，灰分的变化区间是1.97%～9.96%，灰分含量最高的是假苹婆，为9.96%，其次是枫香、黄葛榕、夹竹桃、土沉香；灰分含量最低的是红苞木，为1.97%，其次是米老排、黧蒴、山乌桕、山杜英。

树木叶片挥发分含量的变化区间为69.61%～82.27%，挥发分含量最高的是鸭脚木，达82.27%，其次是多花山竹子、夹竹桃、黧蒴、米老排，挥发分含量最低的是柠檬桉，为69.61%，再次是枫香、黄葛榕、凤凰木、马占相思。植物叶片中固定碳在可燃组分中的相对含量反映样品木质素含量水平，木质素是可燃组分的重要组成之一，树木叶片固定碳的变化区间为12.08%～25.09%，固定碳含量最高的是柠檬桉，达25.09%，其次是凤凰木、红锥、山乌桕；固定碳含量最低的是夹竹桃，为12.08%，其次是鸭脚木、铁冬青、多花山竹子、假苹婆。

3.4 28种树种抗火性综合排序

为综合比较不同树种叶片的抗火性能，对6个变量进行相关分析，分析过程得到的相关矩阵如表3所示。从表3可以看出，热值与灰分、挥发分与固定碳之间呈极显著相关关系，热值与挥发分之间、灰分与挥发分之间呈显著相关关系。由于多数因子之间存在相关性，对各因子进行主成分分析，结果如表4所示。共提取了6个综合因子，与原始提供的因子一样多，其中提取了3个综合因子为主成分，3个综合因子的累计贡献率达到了79.725%，为了解释主成分的意义，采用了Kaiser标准化正交旋转法，旋转后因子负载重新进行分配，使公因子负载系数向更大或更小方向变化旋转，在5次迭代后收敛，结果如表5所示。

表3 28种树种叶片特征与防火因子间的相关分析

表4 28种树种主成分分析结果Table 4 The eigenvalues and contribution ratio for principal component analysis of 28 tree species

表5 28种树种主成分矩阵与旋转主成分矩阵Table 5 The matrixes for principal component and rotating principal component of 28 tree species

主成分F1在固定碳、挥发分上的载荷较大，体现了主要受固定碳、挥发分因子影响的叶片抗火性x1，把主成分1命名为y1；主成分F2在灰分和热值上的载荷较大，体现了主要受灰分和热值因子影响的抗火性能x2，把主成分2命名为y2；主成分F3在相对含水量和叶片厚度上的载荷较大，体现了主要受相对含水量和叶片厚度因子影响的抗火性能x3，把主成分3命名为y3。根据表4和表5结果，计算出3个主成分的得分y1、y2、y3以及综合得分y，y=0.324 9y1+0.291 6y2+0.180 7y3，最后对综合评分进行排序，结果如表6所示。从综合得分差异并结合叶片的理化特征分析，对28个树种进行抗火性排序和分类，结果表明：鸭脚木、夹竹桃、米老排、大叶相思、深山含笑、黧蒴、木荷、红花油茶、铁冬青、台湾相思、醉香含笑、凤凰木为抗火性较好的树种，表现出很强的抗火性；马占相思、红苞木、山杜英、樟树、黄葛榕得分比较接近，为抗火性中等的树种；观光木、山乌桕、土沉香、红锥、乌桕为抗火性较差的树种，西南木荷、枫香、柠檬桉、假苹婆、多花山竹子、蝴蝶果得分较接近，为抗火性最差的树种。

表6 28种树种植物综合得分Table 6 Score of living leaves of 28 tree species

3.5 28种树种抗火性聚类分析

以不同树种的叶片厚度、叶片相对含水量、热值、灰分、挥发分、固定碳为聚类指标，使用离差平方和法对28 种树种抗火性进行系统聚类，得出28种树种的抗火性分类，聚类树形图如图1所示。

图1 28种树种的系统聚类图Fig.1 Dendrogram using average linkage

图1中28种树种依据抗火性由强到弱被分为5类：Ⅰ类夹竹桃、鸭脚木、大叶相思、铁冬青；Ⅱ类黧蒴、米老排、醉香含笑、台湾相思、深山含笑、木荷、山杜英；Ⅲ类西南木荷、乌桕、凤凰木、红花油菜、土沉香、樟树；Ⅳ类枫香、柠檬桉、黄葛榕、马占相思、观光木、红苞木、红锥、山乌桕；Ⅴ类多花山竹子、蝴蝶果、假苹婆。

4 讨论与结论

树木叶片理化特征不同对树种抗火性的影响程度不同，可得出不同树种在抗火、耐火及阻火性能上的强弱[12]。有研究表明，决定特定植物可燃物火蔓延的临界含水量与其干基热值密切相关[13]，热值越高，往往需要吸收较少量的能量以蒸发叶片持有的水分，对火势的蔓延和传播贡献越大，导致树冠火较易蔓延，而热值越低，则反映出叶片需要吸收更多的热量才得以蒸发叶片持有的水分，使得树冠火蔓延得较慢，甚至难以蔓延而自动熄灭。挥发分或固定碳的含量波动与植物叶片主要组成及其热解特性有关，挥发分含量越高，相对来说材料的可燃性越佳，固定碳多说明木质素含量高，相对含有半纤维素和纤维素的量少，热稳定性强[14]。本研究对中山市28种常见防火林带树种的叶片厚度、叶片相对含水量、热值、灰分、挥发分、固定碳6个因子进行测定和分析，应用因子分析法对其进行抗火性排序和分类，树木叶片抗火性由强到弱依次为：鸭脚木、夹竹桃、米老排、大叶相思、深山含笑、黧蒴、木荷、红花油茶、铁冬青、台湾相思、醉香含笑、凤凰木、马占相思、红苞木、山杜英、樟树、黄葛榕、观光木、山乌桕、土沉香、红锥、乌桕、西南木荷、枫香、柠檬桉、假苹婆、多花山竹子、蝴蝶果。Ⅰ类抗火性强，夹竹桃、鸭脚木、大叶相思、铁冬青；Ⅱ类抗火性较强，黧蒴、米老排、醉香含笑、台湾相思、深山含笑、木荷、山杜英；Ⅲ类抗火性中等，西南木荷、乌桕、凤凰木、红花油茶、土沉香、樟树；Ⅳ类抗火性较弱，枫香、柠檬桉、黄葛榕、马占相思、观光木、红苞木、红锥、山乌桕；Ⅴ类抗火性弱，多花山竹子、蝴蝶果、假苹婆。

本研究采用因子分析和聚类分析方法探讨了28种树种的抗火性能排序，其中与前人研究发现铁冬青、木荷、樟树、米老排、醉香含笑为抗火性较强树种[15-17]一致，但如西南木荷、山乌桕等树种在采用两种方法对其抗火性进行判定存在一定差异性，可能由于叶片抗火性只是树种抗火性的一部分，而选取的抗火性评价因子有限。