川西地区常见森林类型枯落物燃烧性状差异分析

刘韩 李淑婷 吴富雨 兰常军 崔兴雷 郑江坤 侯贵荣

摘要［目的］研究川西地区常见森林类型枯落物的燃烧性状，评估不同森林类型发生地表火的风险及强度。［方法］选取川西地区常见的6种森林类型，分别测定了其枯落物的含水率、灰分、燃点、干重热值（GCV）、去灰分热值（AFCV）；利用主成分分析，综合评价了不同森林类型枯落物的燃烧性差异。［结果］不同森林类型之间，枯落物的含水率、燃点、GCV、AFCV有差异。通过综合分析，将川西地区6种常见森林类型枯落物的燃烧性进行排序，从高到低为辐射松>高山松>高山栎>华山松>云南松>云杉-冷杉混交林。［结论］对川西地区常见森林类型林下枯落物的燃烧性进行测定分析，有助于预测不同森林类型发生地表火的风险和强度，同时可为火灾预防提供参考。

关键词枯落物；燃烧性状；主成分分析；川西林区

中图分类号S 762.1文献标识码A

文章编号0517-6611（2023）24-0097-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.24.021

Analysis of the Variation in Burning Characteristics of Litters from Different Forest Types in Western Sichuan

LIU Han1，LI Shuting2，WU Fuyu1 et al

（1.Forestry Science Research Institute of Ganzi Tibetan Autonomous Prefecture，Kangding，Sichuan 626001;2.College of Forestry，Sichuan Agricultural University，Chengdu，Sichuan 611130）

Abstract［Objective］To study the burning characteristics of litters from different common forest types in west Sichuan can help assess the risk and intensity of surface fires in different forest types.［Method］Six common forest types in the western Sichuan region were selected and their litter moisture content，ash content，ignition point，dry weight calorific value （GCV），and ash free calorific value （AFCV） were measured.By using principal component analysis，the variation in burning characteristics across different forests were comprehensively evaluated.［Result］The results showed that the differences in moisture content，ignition point，gross calorific value （GCV），and ashfree calorific value （AFCV） were significant among different forest types.Through comprehensive analysis，the flammability of litters from six common forest types in western Sichuan was ranked as follows：Pinus radiata > Pinus densata > Pinus armandii > Quercus semicarpifolia > Pinus yunnanensis>Picea asperata-Abies fabri. ［Conclusion］In this study，we measured and analyzed the burning characteristics of litters from six common forest types in western Sichuan.Our study can help predict the risk and intensity of surface fires in different forest types，and provide references for fire prevention.

Key wordsLitter;Flammability;Principal component analysis;West Sichuan region

近年來，受气候变化和人类活动的影响，森林火灾已经成为难以解决的全球性问题［1-3］ 。森林火灾是一种突发性强，能对森林产生严重影响的自然灾害，同时还会造成严重的经济损失和生态破坏［4-5］。森林火灾通常分为地表火、树冠火和地下火，其中地表火在森林火灾中发生率最高，约占90％以上［6］。而地表火在有连续的“阶梯燃料”的情况下，会变成严重的树冠火［7-8］。

燃料是森林火灾发生的三要素之一，其直接影响森林火灾的强度、蔓延速度和发生火灾的风险［9-13］。森林可燃物主要包括植物活体和枯枝落叶及其他有机物，其中枯枝落叶层，由于含水率低，更易被点燃［14-17］ 。不同森林类型中，可燃物质的物理化学性质有明显差异，其燃烧的难易程度也有所不同［18］。通过测量含水率、燃点、热值和灰分等燃烧特征，可以间接评价不同可燃物的燃烧性能［19］。很多学者通过测量这些理化性质来评价森林可燃物的燃烧性能。如张恒等［20］根据树种的理化性质对内蒙古地区主要乔木树种抗火性进行了研究，并运用主成分分析法及对主要树种的抗火性值进行排序，以筛选强抗火性树种；祝必琴等［21］对亚热带季风区不同林型树种的可燃物理化性质及燃烧性进行研究，得出含水率、灰分含量、抽提物含量等理化性质对不同林型的燃烧性有重要影响；王明霞等［22］以吉林省蛟河11种主要树种树皮为研究对象，根据含水率、灰分、热值等指标，使用熵权法、方差分析、聚类分析等方法对各树种树皮抗火性进行综合评价。

四川省是森林火灾发生比较频繁、受灾情况比较严重的省份，其中川西地区是森林火灾的高发区［23］。为了评价川西地区常见森林类型的火灾危险性和火灾强度，笔者收集了该地区6种常见针叶林凋落物样本（针叶林的地表可燃物更易被引燃，更易发生森林火灾），通过测量凋落物的含水率、燃点、热值和灰分含量，评估了不同森林凋落物的燃烧特性，并综合分析了不同森林类型间凋落物的燃烧性差异，有助于预测不同森林类型发生地表火的风险和强度，同时可为火灾预防提供参考。

1材料与方法

1.1研究区概况

取样点分布于四川省甘孜藏族自治州（97°22″～102°29″ E，27°58″～34°20″ N），平均海拔3 500余m［24］。该地区大部分区域年均气温在10 ℃以下，光照强，日照充足，旱季分明，冬寒冬干，少雨少风，年降水量在347～922 mm，森林火灾发生较为频繁。甘孜地区树种丰富，但就其在森林中的群落建设作用而言，主要集中在松科、柏科、壳斗科、桦木科、杨柳科、胡桃科等［25］。

1.2试验材料该研究选取高山栎（Quercus semicarpifolia）、高山松（Pinus densata）、冷杉-云杉混交林（Abies fabri-Picea asperata）、云南松（Pinus yunnanensis）、辐射松（Pinus radiata）、华山松（Pinus armandii）6种川西地区常见森林类型的枯落物作为研究对象。样品于2021年5—6月采集（表1）。样品采集时，利用机械布点法在不同林型下各设置3个固定标准样地，每个样地大小为20 m×20 m，样地边界远离林缘50 m以上。在大样地内沿对角线布设3个1 m×1 m小样方。收集样方内所有地表枯落物，并进行标记、称重，然后封装带回实验室。

1.3试验方法

将外业采集的样品带回实验室，参照《森林可燃物的测定》（LY/T2013——2012）对热值、燃点、含水率、灰分4项理化性质指标进行测定。

1.3.1含水率的测定。将样品收集后立即称重，带回实验室后放入烘箱烘干48 h，再次称重，再将样品放入烘箱30 min，若所称得的干重与第一次测量的结果误差在0.000 2 g范围内，则认为样品恒重，记录样品干重。根据干湿重对样品含水率进行计算：

1.3.2燃点的测定。燃点即可燃物着火时的温度。样品于65 ℃烘干至恒重后取出，用粉碎机粉碎，过40目筛（0.45 mm）。测定前和亚硝酸钠提前放置在烘箱内，保证测量时绝对干燥。准确称取干燥后的可燃物样品（0.100±0.001） g，加入亚硝酸钠粉末（0.075 ± 0.001） g，并使样品与亚硝酸钠充分混合。利用点着温度测定仪（TYRD-6A）进行测定。每个样品重复测定3次。

1.3.3热值的测定。热值即单位质量的森林可燃物燃烧所放出的热量，分为干重热值（GCV）和去灰分热值（AFCV）2种类型［18，26］。采用量热仪的水当量法测定。将烘干至恒重的样品在粉碎机中粉碎，过15目筛（1.35 mm）。测量前提前放入烘箱内烘干，以保证测定时绝对干燥，准确称量（0.500±0.001） g可燃物样品至燃烧皿内，然后利用微機全自动量热仪（ZDHW-9）进行测定。每个样品重复测定3次。

1.3.4灰分的测定。采用干灰化法。分别称取1 g粉碎后的样品放入坩埚中，放在电炉上进行碳化，直至样品燃烧到不再冒烟：再将碳化后的样品连同坩埚冷却后放入650 ℃左右的马弗炉进行灰化约4 h，30 min后称重。通过原重量减去灰分含量，即可得出有机物含量。每个样品重复测定3次。

1.4数据处理试验数据通过Excel 2019整理后，利用Origin 2021作图，并采用SPSS 27进行方差分析和主成分分析。主成分分析方法是一种将多个变量进行正交变换转化为少数几个重要的具有代表性的新的变量的多元统计方法。通过信息贡献率的多少对多个影响因子进行综合评价。该研究按照累计贡献率达到90%的原则，再根据样本的因子得分和主成分贡献率代入式（1）得出综合指标Y值，通过对该值进行排序，可在原有信息的基础上最大限度上地揭示各森林类型枯落物的燃烧性强弱［20］。

Y=a1x1+ a2x2+a3x3+…+amxm（1）

式中：m为不同森林类型；am为各主成分贡献率；xm为个主成分因子得分。

2结果与分析

2.1不同森林类型枯落物燃烧性状由表2可知，不同森林类型林下枯落物含水率不同，变化范围在24.65%～55.51%，其中辐射松枯落物含水率最高，为55.51%，云杉-冷杉混交林枯落物含水率最低，为24.65%；高山栎枯落物含水率较高，为43.80%，高山松、云南松、华山松含水率较低，在36.40%～39.01%。6种林分类型枯落物含水率由高到低依次为辐射松、高山栎、华山松、云南松、高山松、云杉-冷杉混交林。

热值是指可燃物燃烧释放的热量，可反映火灾发生的强度，分别对不同林分类型的GCV和AFCV进行了分析。6种林下枯落物的GCV在22.72～38.73 kJ/kg，AFCV变化范围在25.35～48.86 kJ/kg，其中辐射松林下枯落物GCV和AFCV均最高，云杉-冷杉混交林林下枯落物GCV和AFCV均最低；不同森林类型林下枯落物GCV和AFCV差异不显著（P>0.05）。6种林分类型枯落物AFCV由高到低依次为辐射松、高山松、高山栎、华山松、云南松、云杉-冷杉混交林。

燃点越高即所需温度越高，越不容易燃烧，抗火性就越强。6种林下枯落物的燃点在147.04～267.39 ℃，其中高山松林下枯落物燃点最高，为267.39 ℃，云杉-冷杉混交林下枯落物最低，仅147.04 ℃；辐射松、云南松、华山松和高山栎枯落物燃点较高，均在208.0 ℃以上。6种林分类型枯落物燃点由高到低依次为高山松、辐射松、云南松、华山松、高山栎、云杉-冷杉混交林。

灰分指可燃物燃烧后剩余的无机物，对火灾行为的蔓延起抑制作用，与可燃性呈负相关［26］。6种林下枯落物的灰分含量在3.73%～19.40%，其中辐射松的灰分含量最高，达19.40%，云南松的灰分含量最低，仅3.73%；高山栎和高山松灰分含量较高，均在7.00%以上。6种林分类型枯落物灰分含量由高到低依次为辐射松、高山栎、高山松、华山松、云杉-冷杉混交林、云南松。

51卷24期刘 韩等川西地区常见森林类型枯落物燃烧性状差异分析

2.2枯落物理化性质的相关性

GCV、AFCV燃点和灰分是4种与可燃物燃烧性状密切相关的理化性质。通过对这6个森林类型林下枯落物的数据进行分析，发现GCV、AFCV与燃点呈显著正相关，即当燃点越高时，可燃物燃烧释放的热量越高；灰分与GCV和燃点无显著相关性，与AFCV呈显著正相关，即可燃物灰分含量越高，燃烧释放的AFCV越高（表3）。

2.3不同森林类型枯落物燃烧性能

含水率、GCV、AFCV、燃点、灰分是与燃烧性紧密相关的理化指标，但凋落物的含水率随天气的變化而变化，而燃点、GCV、AFCV、灰分等理化性质是稳定的，由植物种类决定［27］，因此在综合分析时，未考虑含水率。灰分与燃烧性呈负相关，通过原重量减去灰分含量，即可得出有机物含量，在主成分分析中选择有机物含量作为指标。通过对6种森林类型林下枯落物理化性质进行主成分分析（图1），前2个新变量的累计贡献率达到99.69%，超过了90% （表4），表明这2个变量包含了原始变量中的绝大部分信息，具有代表性，而剩余的一个变量贡献率只有0.31%，影响较小。因此，前2个新变量可作为综合评价燃烧性能的新复合指标。GCV、AFCV和燃点在主成分1上具有较高的荷载值，主成分1可作为3个指标的复合指标；有机物含量在主成分2上具有较高的荷载值，主成分2可单独作为有机物的指标（表5）。

将表4中各主成分贡献率和表6中的各样本因子得分代入“1.4”中式（1），得出6个森林类型林下枯落物综合可燃性，其强弱表现为辐射松>高山松>高山栎>华山松>云南松>云杉-冷杉混交林。

3结论与讨论

凋落物是野外燃料的重要组成部分，是地面火灾的主要燃料。许多研究分析了植物不同器官的燃烧特性，如叶片、树枝等［20-21］，但很少有研究关注枯落物的燃烧性能。枯落物是森林系统中易被点燃的部分，同时也是影响地表火行为的主要燃料。该研究对川西地区主要森林类型枯落物的燃烧性能进行了测定和综合评价，对了解地表火的发生动态更具有针对性。

针叶林中的可燃物燃烧性普遍偏高，发生森林火灾的风险较高，易造成严重的损失和危害。该研究综合评估了川西地区常见针叶林枯落物的可燃性差异，对6种森林类型林下枯落物的燃烧性强弱排序为辐射松>高山松>高山栎>华山松>云南松>云杉-冷杉混交林。该研究中的森林类型，在川西地区较常见，分布面积较广，结果有助于预测不同森林类型发生地表火的风险和强度，同时可为火灾预防提供参考。

针叶林下枯落物的燃烧性整体较高，被点燃后容易演变为树冠火，极易发生高强度森林火灾，是预防的重难点。及时清除地面上的枯枝和落叶堆，注意枝下高的修剪，改变可燃物的空间分布结构，减少垂直方向上的梯度可燃物，可有效降低火灾风险及火灾强度。另外，营造针阔混交林，也是降低林下可燃物燃烧性能的一种有效方法。

该研究通过测定与燃烧性紧密相关的稳定的理化指标，对不同森林类型枯落物的燃烧性能进行了综合评价。但森林可燃物燃烧性除决定于其理化性质外，还受气候、地形等多种因素的综合影响。在今后的研究中可加入地形、环境因素等信息，扩大样本数量，以更好地评估可燃物的燃烧性能，预测森林火灾的风险等级。

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