张家口崇礼区主要植物叶片理化性质及燃烧性分析

2024-12-12 00:00:00牟韵洁高德民龙腾腾郭在军牛海峰
关键词:理化性质聚类分析主成分分析

摘要:【目的】对河北省张家口市崇礼区8类典型植物叶片的理化性质和燃烧性进行分析,为当地森林火险评估和可持续经营提供参考。【方法】基于张家口市崇礼区典型地表植被类型的分布状况以及自然条件,以白桦 (Betula platyphylla)、油松(Pinus tabuliformis)、落叶松(Larix gmelinii)、榛(Corylus heterophylla)、灌杂、草本类、山杏(Prunus sibirica)、樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)8类植物叶片作为研究对象,选取植被覆盖率较高的纯林地段采集植物叶片并测定其理化性质,采用主成分分析法评价8类植物叶片的燃烧性,并利用聚类分析法对8类植物叶片的燃烧等级进行划分。【结果】8类植物叶片的燃烧性大小由强到弱顺序依次为樟子松、白桦、草本类、山杏、榛、油松、落叶松、灌杂。通过主成分分析与聚类分析将8类植物叶片划分为3个等级,分别为:可燃、较易燃、易燃。落叶松、油松、灌杂属于可燃等级,白桦、榛、草本类、山杏属于较易燃等级,樟子松属于易燃等级。【结论】落叶松、油松、灌杂燃烧性最弱,火灾危险性最低;樟子松燃烧性最强,火灾危险性最高,需特别关注和防范。研究结果为张家口市崇礼区森林火灾发生预报、生物防火以及营林用火等方面提供重要依据。

关键词:植物叶片;理化性质;燃烧性;森林火险;聚类分析;主成分分析;张家口市崇礼区

中图分类号:S762""""" 文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):

文章编号:1000-2006(2024)06-0239-06

Analysis of the physicochemical properties and flammability of the plant leaves of typical plants in Chongli District of Zhangjiakou City, Hebei Province

MU Yunjie1, GAO Demin1*, LONG Tengteng2, GUO Zaijun3, NIU Haifeng3

(1. College of Information Science and Technology,School of Artificial Intelligence, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 2. College of Fire Fighting, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China; 3. Zhangjiakou City Academy of Forestry Sciences, Zhangjiakou 075000, China)

Abstract: 【Objective】This study analyzed the physicochemical and combustion characteristics of the leaves of eight typical plants in Chongli District of"" Zhangjiakou City, Hebei Province, the study"" aimed to provide insights for assessing the risk of local forest fires and their sustainable management. 【Method】 Based on the distribution patterns of the typical land surface types and natural conditions in Chongli District of" Zhangjiakou City, eight plant species, including Betula platyphylla, Pinus tabuliformis, Larix gmelinii, Corylus heterophylla, shrubs, herbs, Prunus sibirica, and P. sylvestris var. mongolica were selected as the research objects. Leaves were collected from pure forest segments with high vegetation coverage, and their physicochemical properties were determined. The combustion characteristics of the leaves of these eight plant species were determined by principal component analysis. The leaves were additionally categorized based on their combustion levels by cluster analysis.【Result】The combustion intensity of the leaves ranged from strongest to weakest in the following order: P. sylvestris var. mongolica, B. platyphylla, herbs, P. sibirica, C. heterophylla, P. tabuliformis, L. gmelinii, and shrubs. The leaves were classified into three categories by principal component analysis and cluster analysis, namely, the highly combustible, moderately combustible, and most easily combustible" groups. The highly combustible category included L. gmelinii, P. tabuliformis, and scrub plants. The moderately combustible category comprised B. platyphylla, C. heterophylla, herbs, and P. sibirica, while the most easily combustible category included P. sylvestris var. mongolica. 【Conclusion】L. gmelinii, P. tabuliformis, and shrub plants exhibited the lowest combustion propensity, thus posing as minimal wildfire hazards. Conversely, the combustion propensity of" P. sylvestris var. mongolica was highest, indicating an elevated risk of wildfires. Therefore, targeted attention and preventive measures are imperative for controlling wildfires in Chongli District. The findings provide crucial evidence for predicting forest fires in Chongli District of Zhangjiakou City, and advocates the implementation of measures such as biological fire prevention and controlled burning during forestry operation.

Keywords:plant leaves; physicochemical properties; combustion characteristics; forest fire risk; cluster analysis; principal component analysis; Chongli District, Zhangjiakou City

森林火灾作为森林三大自然灾害之一,具有突发性强、破坏性大、难以处置的特点,不仅烧死、烧伤林木,导致森林面积减少,而且严重破坏森林结构和森林环境,导致森林生态系统失衡[1-3]。近年来,全球范围内每年发生约23万起森林火灾,烧毁森林面积约占世界森林覆盖面积0.23%以上,超过650万hm2[4]。森林火灾的发生成因复杂,主要涉及可燃物特性、火源、人为因素、野外环境条件等。其中,森林植被的可燃性构成了森林火灾发生和蔓延的物质基础[5],不同类型的森林植物叶片因其独特的理化性质而具有不同的燃烧性。Frejaville等[6]研究发现,随着裸子植物到被子植物的转变,亚高山树种对火灾的敏感性增强。此外,DeMagalhs等[7]对美国加州8个优势树种凋落叶进行燃烧性分析,通过主成分分析得出可燃性与总释放热量和燃烧强度的关系。国内学者主要利用乔木、灌木、枯落物或者植物叶片的理化性质[8-14]分析森林植物叶片的燃烧性[15-17]、火行为特征[18-19]等,通过研究发现灰分对燃烧性起反作用,含水率越高可燃物的易燃性越弱,热值越高可燃物的易燃性越高。

考虑到河北张家口崇礼区是重要旅游胜地和自然保护区域,拥有重要的森林生态系统,各种植被类型和生态系统类型相互交织,森林植物叶片的燃烧性对火险的影响具有显著作用。大型社会活动项目会在崇礼区举办,对于森林火灾预防和生态保护具有特殊需求。本研究通过测定张家口市崇礼区8种植物叶片的理化性质,运用主成分分析和系统聚类分析综合判断常见植物叶片的燃烧性并对其进行等级划分,以此为当地森林火险评估和可持续经营提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及样品采集

研究区域为河北省张家口市崇礼区(114°17′~115°34′E,40°47′~41°17′N),面积2 334 km2。境内80%为山地,森林覆盖率52.38%,海拔813~2 174 m。该区属东亚大陆性季风气候中温带亚干旱区,年平均气温9 ℃,夏季平均气温19" ℃,冬季平均气温-12" ℃,年平均降水量488 mm。主要森林植被包括乔木类、灌木类、草本类等,其中主要乔木植物为白桦(Betula platyphylla)、油松(Pinus tabuliformis)、落叶松(Larix gmelinii)、

山杏(Prunus sibirica)、樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica),灌木植物多为榛(Corylus heterophylla)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、沙棘(Hippophae rhamnoides)等,草本主要为苜蓿(Medicago sativa)、白莲蒿(Artemisia stechmanniana)、白茅(Imperata cylindrica)等。基于张家口崇礼区典型地表植被的分布情况和自然条件,选择白桦、油松、落叶松、榛、灌杂、草本类、山杏、樟子松8类植物叶片作为研究对象,该8类植物占崇礼区植被覆盖率的84%。在植被覆盖率较高、人为干预较少的纯林林型地段共设置300个样地,样地分布如图1所示。采集这些植物叶片样本于实验室进行燃烧性测定,其中200个用于采集乔木类植物叶片的标准样地(20 m×20 m),分别是40个样地用于采集白桦叶片、40个样地用于采集落叶松叶片、40个样地用于采集油松叶片、40个样地用于采集山杏叶片、40个样地用于采集樟子松叶片;50个用于采集灌木灌杂类植物叶片的样地(5 m×5 m),其中32个样地用于采集榛柴,18个样地用于采集灌杂;50个全部用于采集草本类植物叶片的样地(1 m×1 m)。

1.2 叶片理化性质测定

1.2.1 含水率测定

样品叶片鲜质量记为W1,置于烘箱内105" ℃连续烘干24 h称量样品叶片的干质量记为W2。样品叶片相对含水率(M)计算公式如下:

M=W1-W2W1×100%。

(1)

1.2.2 灰分质量分数测定

坩埚质量记为H1,首先将干燥后的样品叶片放入搅拌器中粉碎,取粉碎样品叶片1 g置于坩埚中,称量坩埚和样品叶片的质量记为H2;然后将装有样品叶片的坩埚置于马弗炉中,650" ℃燃烧4 h取出置于干燥器内,待冷却后称量样品叶片和坩埚的质量记为H3。样品叶片灰分质量分数(A)计算公式如下:

A=H2-H1H3-H1×100%。

(2)

1.2.3 粗脂肪质量分数测定

干燥后的样品叶片放入搅拌器中粉碎,取粉碎样品叶片1 g左右倒入滤纸中包好,称其质量记为Q;在80" ℃恒温水浴锅内,使用装有60~90 ℃石油醚的索式提取器抽提8 h,称其质量记为Q1;将样品叶片取出置于通风橱内,挥发掉石油醚再放入80 ℃烘箱内烘干至质量恒定,取出后称其质量记为Q2。样品叶片粗脂肪质量分数(L)计算公式如下:

L=Q2-Q1Q×100%。

(3)

1.2.4 热值测定

取粉碎好的样品叶片1~2 g再次烘干,用压饼器压成饼,使用XRY-1C微机氧弹式热量计(上海昌吉地质仪器有限公司)直接测定热值。

1.2.5 燃点

取粉碎好的样品叶片2~3 g置于ZY6069型燃点温度测定仪(北京旭鑫仪器设备有限公司),多次试验后出现5 s以上持续火焰取其最低温度即为植物叶片燃点。

1.3 燃烧性综合分析

主成分分析是一种经典降维算法,通过正交变换将与其分量有关的原随机向量转化为与其分量不相关的新随机向量[20],即将原有随机向量的协方差矩阵化为对角矩阵。

Yi=a1x1+a2x2+a3x3+...+anxn。

(4)

式中:Yi为各植物叶片主成分得分情况;an为各主成分贡献率情况;xn为每个因子得分情况。

基于植物叶片的理化性质和生态学特征,将叶片含水率、灰分质量分数、粗脂肪质量分数、热值、燃点5种理化性质作为燃烧性因子指标,采用主成分分析法对燃烧性进行排序并通过聚类分析将燃烧性综合指标划分为可燃(Ⅰ)、较易燃(Ⅱ)、易燃(Ⅲ)3个等级,对植物叶片的燃烧性进行分类和评估。

2 结果与分析

2.1 植物叶片燃烧性指标构建与相关性分析

各种植物叶片的含水率、灰分质量分数、粗脂肪质量分数、热值、燃点取均值见表1。

由表1可知,草本类的含水率最高达62%,为最不易燃烧的植物叶片;相比之下,油松的含水率仅为21%,为最易燃烧的植物叶片。落叶松的灰分质量分数最高(在24%以上),其次是山杏,樟子松的灰分质量分数最低。灰分质量分数越高,植物叶片越不易燃烧,可见落叶松为最不易燃烧的植物叶片,樟子松为最易燃烧的植物叶片。粗脂肪质量分数分析表明,樟子松最高,达到12%以上,其次为草本类、山杏(均高于10%),灌杂的粗脂肪质量分数最低。粗脂肪质量分数越高,植物叶片的燃烧性越强,可见樟子松的燃烧性最高,灌杂的燃烧性最低。8类常见植物叶片的热值中,灌杂的热值最高,落叶松的热值最低。热值较高的植物叶片燃烧时释放的能量较大,火强度大[21-22],可见灌杂的燃烧性最高,落叶松的燃烧性最低。8类常见植物叶片的燃点中,樟子松的燃点最高,其次是油松,灌杂的燃点最低。燃点越高,植物叶片越不易燃烧。

对各植物叶片的含水率、灰分质量分数、粗脂肪质量分数、热值、燃点数据进行相关性分析(表2),发现5种理化性质之间,热值与灰分质量分数之间存在负相关性,这意味着热值高的植物其灰分质量分数较低,其次是热值与粗脂肪之间存在正相关但显著性不强,这意味着粗脂肪质量分数高的样本可能热值也比较高,其他变量之间的相关性较弱并不显著。

2.2 植物叶片燃烧性指标主成分分析

通过对8种植物叶片的热值、灰分质量分数、含水率、粗脂肪质量分数、燃点5个理化性质进行主成分分析(表3),由表3可知,含水率、粗脂肪质量分数和灰分质量分数的主成分信息量较高,累积方差贡献率为95.396%,达到累计方差贡献率大于85%的原则,因此选择含水率、粗脂肪质量分数、灰分质量分数3种理化性质即可基本表达所需信息。进一步采用Varimax正交旋转法将因子载荷阵进行旋转,使因子载荷阵的平方向1和0分化有助于简化数据结构,同时保留对植物叶片燃烧性评估至关重要的信息,结果见表3。

将灰分质量分数、粗脂肪质量分数、燃点、热值、含水率分别设为x1、x2、x3、x4、x5可得因子模型,用以评价各因子燃烧性得分情况y1、y2、y3及综合得分y。计算公式如下:

y1=-0.186 x1+0.603 x2-0.482 x3+0.254 x4+0.553 x5;(5)

y2=-0.166 x1+0.247 x2+0.516 x3+0.674 x4+0.436 x5;(6)

y3=0.933 x1+0.336 x2-0.02 x3-0.129 x4-0.011 x5;(7)

y=0.405 85 y1+0.346 89 y2+0.201 21 y3。(8)

2.3 植物叶片燃烧性指标综合分析

将归一化后的数据分别代入式(5)、(6)、(7)可得主要因子得分情况,再将y1、y2、y3代入式(8)可得各植物叶片的最终综合得分,结果见表4,植物叶片燃烧性排序为樟子松gt;白桦gt;草本类gt;山杏gt;榛柴gt;油松gt;落叶松gt;灌杂,同时将8类植物通过聚类分析划分为3个等级分别为易燃(Ⅰ)、较易燃(Ⅱ)、可燃(Ⅲ)。其中,樟子松属于易燃(Ⅰ),白桦、榛柴、草、山杏属于较易燃(Ⅱ),落叶松、油松、灌杂属于可燃(Ⅲ)。

3 讨 论

通过研究张家口市崇礼区及其周边地区8类主要植物叶片的理化性质和燃烧性,采用主成分分析和聚类分析,确定了各植物叶片的燃烧性排序,将其分为3个不同的燃烧等级。研究结果显示,樟子松的燃烧性较高,这可能与其较低的含水率和较高的粗脂肪质量分数有关,与张今奇等[23]对大兴安岭地区树种燃烧性的研究结果一致。相比之下,灌杂的低燃烧性可能是由于其较高的灰分质量分数和较低的热值,这与李连强等[18]对妙峰山地区树种燃烧性的研究结果相符。此外,本研究还发现,含水率、粗脂肪质量分数和灰分质量分数是决定植物叶片燃烧性的主要因素,这与魏建珩等[24]的研究结果相符。这些参数的主成分分析累积方差贡献率高达95.396%,强调了它们在森林火灾风险评估中的重要性。

尽管本研究强调了植物叶片理化性质分析在森林火灾风险评估中的应用,但是研究样本主要集中在崇礼区,不完全代表其他地理区域的情况。另外,除了本研究考虑的理化性质,还有其他因素,如气候条件和植被结构,也可能影响植物叶片的燃烧性[25-29],未来研究应考虑这些变量,以获得更全面的结果。

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(责任编辑 王国栋)

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