周 勇，章 林，王曉娜，孫景花，林 峰，孫立平，白春勇

（1.吉林省林業(yè)科學研究院，吉林 長春 130033；2.吉林省林業(yè)調查規(guī)劃院，吉林 長春 130022；3.吉林省輝南縣林業(yè)局，吉林 通化 135100）

吉林省主要森林類型地表凋落物燃燒性分析

周 勇1，章 林1，王曉娜1，孫景花1，林 峰2，孫立平3，白春勇3

（1.吉林省林業(yè)科學研究院，吉林 長春 130033；2.吉林省林業(yè)調查規(guī)劃院，吉林 長春 130022；3.吉林省輝南縣林業(yè)局，吉林 通化 135100）

選擇吉林省17個主要森林類型的地表凋落物測定分析和點燒實驗，根據(jù)對抽提物、灰分、燃點、熱值、1 m2質量、床層高度、風干含水率、蔓延速度、火線強度、駐留時間和可燃物消耗比這11個指標，利用層次分析法和分層聚類，對17個主要森林類型燃燒性進行排序和分類，結果表明：易燃森林林型有2個，依次是白樺林、樟子松林；可燃森林類型有4個，依次是黑松林、針葉混交林、紅松林和其他針葉林；難燃森林類型有11個，依次是針闊混交林、落葉松林、云杉林、臭松林、柞樹林、闊葉混交林、其他闊葉林、胡桃楸林、椴樹林、黃波羅林和楊樹林。為不同森林類型地表凋落物火災預防、控制方法提供重要依據(jù)。

森林類型；燃燒性，層次分析法；吉林

森林可燃物是森林燃燒的基礎，是林火行為的主體，森林可燃物負荷量及燃燒性是林火行為預測、林火生態(tài)影響評價和生物防火林帶建設的重要基礎，是林火科學的重要研究任務[1-3]。森林可燃物燃燒性是多個因素共同作用的結果，構成森林的具體樹種決定了森林可燃物類型的燃燒性和理化性質[4]，由不同樹種組成的森林植被類型則是森林火險區(qū)劃的重要依據(jù)[5]。

Anderson認為燃燒性應包括點燃性、劇烈性和持續(xù)性3方面的含義[6]，Martin等進一步研究認為燃燒性還應該包括可燃物的消耗性[7]；胡海清對大興安嶺50余種森林可燃物的含水率、燃點、灰分、熱值和抽提物含量進行了室內測定[8]；王月等對遼寧西北部地區(qū)主要林型地被可燃物種類、組成、載量以及燃燒性進行了研究，確定了易燃、較易燃和不易燃林型[9]；李艷琴等運用K-Means聚類分析法，對50個樹種的9個生物學、生態(tài)學特征值進行統(tǒng)計分析評價燃燒性較弱的樹種[10]；肖金香等通過測定樹種的含水率、燃點、熱值、粗灰分、粗脂肪、木質素、粗纖維、燃燒時間、火燒強度和生物生態(tài)學特性等10個因子，應用DPS聚類分析法，得出12個園林樹種的燃燒性排序[11]。

筆者通過對上述國內外學者研究方法的總結分析，選擇凋落物燃燒床層、理化性質和林火行為3部分指標，使用層次分析法和分層聚類，找出不同森林類型下地表凋落物燃燒性的差異，并進行排序和分類。

1 研究方法

1.1 凋落物種類與制備

野外調查與樣品采集在2014年秋季和2015年春、秋季3個階段進行，涉及地區(qū)包括白山市、吉林市、遼源市、四平市、松原市、通化市、延邊州、長白山管委會和長春市，設立標準地355塊，確立吉林省主要森林類型17個：紅松林、云杉林、樟子松林、落葉松林、臭松林、其他針葉林、胡桃楸林、黃波羅林、椴樹林、柞樹林、白樺林、楊樹林、其他闊葉林、針葉混交林、闊葉混交林、針闊混交林和黑松林。采集1 m2地表凋落物樣品帶回后置于室內通風處使其風干，另采集100 g地表凋落物樣品帶回后置于烘箱內，105℃烘干至恒重，粉碎后過100目篩取顆粒直徑＜0.15 mm樣品，裝入封口袋備用。

1.2 試驗方法

利用電熱鼓風干燥箱，通過測定樣品風干質量和絕干質量測定樣品風干含水率，凋落物樣品風干含水率M：

1.3 數(shù)據(jù)處理

首先，對不同森林類型的地表凋落物測定了其理化性質、燃燒床層、林火行為指標進行了基本的統(tǒng)計分析，給出了各測定指標的平均值。

其次，利用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）對可燃物的燃燒性的各指標進行權重的確定，得出凋落物燃燒性綜合評價指數(shù)。根據(jù)燃燒性綜合評價的基本指標體系，建立層次分析法評價的遞階層次結構。構造一個3層次的結構模型，最高層為燃燒性綜合評價指數(shù)；中間層為3個子系統(tǒng)，分別為燃燒床層、理化性質和林火行為；最底層由實驗測定的11個指標構成，在不同的子系統(tǒng)中指標有重復，是因為在不同的中間層，同一指標的權重不盡相同。

最后，采用分層聚類（Hierarchical Cluster?ing），利用SPSS19.0軟件系統(tǒng)中層次聚類法采用的是凝聚方式聚類，對凋落物燃燒性綜合評價指數(shù)進行聚類，由于樹種的燃燒性分為易燃、可燃、難燃三類，因此本文森林類型燃燒性確定分為3類。操作過程中“分群”欄選用“個案”進行Q型聚類，“統(tǒng)計量”中選用“合并進程表”以觀察聚類過程中每一步被合并的類、被合并類之間的距離及最終類的水平，“繪制”中選用“樹狀圖”以畫出聚類過程中每一步是哪兩類被合并以及這一步的并類距離，“方法”中選擇“組間聯(lián)接”以達到合并兩類后不同類的樣品兩兩之間平均距離達到最小，“區(qū)間”中選擇“平方歐氏距離”即兩個變量之差的平方和，“標準化”中選擇“Z得分”對考察數(shù)據(jù)進行標準化。

2 結果與分析

2.1 不同森林類型的地表凋落物測量指標

根據(jù)表1可以看出，在點燒試驗中，云杉、臭松、黃波羅林在實驗室條件下不燃。抽提物的含量最高的是樟子松林12.87%，75%森林類型的抽提物含量均低于5.9%；灰分含量最高的是云杉林16.05%，平均值在7.7%；各森林類型燃點沒有較大差異，最大值為落葉松林274℃，最小值是柞樹林258℃，平均值為264℃；各林型間燃燒熱值差異較大，超過半數(shù)的森林類型熱值低于平均值2萬J；落葉松林載量最高，各林型地表凋落物層載量分布在2～5 t/hm2區(qū)間；床層高度根據(jù)野外實際情況主要分布在1.0～2.5 cm之間，75%森林類型地表凋落物高度低于2.09 cm；風干含水率的平均值為11.01%，標準差為1.6%，差異不大；蔓延速度最快的是柞樹林0.247 m·min-1，均值0.173 m·min-1；火線強度最高值為紅松林4.922 kW·m-1，均值2.504 kW·m-1，標準差1.152 kW·m-1，表現(xiàn)出明顯的差異；駐留時間最長的是落葉松林0.261 min，75%分位值為0.152 min，均值為0.149 min，表明大部分林型駐留時間相對較低；可燃物燃燒消耗比差異較大在30.8%至78.1%區(qū)間，均值68.1%。

表1 各森林類型測定指標

2.2 不同森林類型的凋落物燃燒性綜合評價指數(shù)

根據(jù)層次分析法，首先構造判斷矩陣，通過對已有可燃物燃燒性相關研究的分析，對同一層次內的指標相對重要性做出了判斷，確定了燃燒性綜合評價指數(shù)的判定矩陣、燃燒床層判定矩陣、理化性質判定矩陣和林火行為判定矩陣。對于燃燒性綜合評價指數(shù)，林火行為＞理化性質＞燃燒床層（表2），其中：燃燒床層中指標含水率最重要，

根據(jù)高度、載量野外調查的實際情況，在各個林型下并沒有較大的差別，因此判定兩者重要性相同（表3）；理化性質中認為熱值指標在燃燒過程中表現(xiàn)最重要，熱量的釋放直接促進相鄰可燃物的燃燒的初始階段，灰分和含水率指標表現(xiàn)在減緩了可燃物的燃燒速度，重要性相對最低（表4）；林火行為中火線強度指標直接反映了可燃物燃燒的劇烈情況，駐留時間的長短直接影響可燃物消耗比，認為二者具有相同的重要性（表5）。

表2 燃燒性綜合評價指數(shù)判定矩陣

表3 燃燒床層判定矩陣

表4 理化性質判定矩陣

表5 林火行為判定矩陣

通過Excel對給出的判定矩陣進行權重計算，并全部通過判斷矩陣一次性的檢驗，最終得出各指標權重（表6）。

表6 各指標權重

表7 各林型燃燒性指標值及排序

根據(jù)各指標權重計算各林型燃燒性綜合評價指數(shù)，根據(jù)各燃燒性因子權重數(shù)值組成如下方程：燃燒性綜合評價指數(shù)=0.143×燃燒床層+0.286×理化性質+0.571×林火行為；

燃燒床層=0.086×含水率+0.029×高度+0.029×載量；

理化性質=0.104×熱值+0.052×燃點+0.026×灰分+0.078×抽提物+0.026×含水率；

林火行為=0.095×蔓延速率+0.143×駐留時間+0.190×火線強度+0.143×消耗比。

根據(jù)上述方程，計算各林型的燃燒性綜合評價指數(shù)及燃燒床層、理化性質和林火行為的值，計算結果見表7。在這17個林型中，燃燒床層性能主要由燃燒床層的結構和含水率體現(xiàn)，指標值的高低說明不同林型間地被可燃物的結構和風干含水率的差異，指標值最高的為落葉松林，最低的是樟子松林；理化性質主要表達了可燃物引燃的難易程度，最易引燃的是白樺林，最難引燃的是楊樹林；林火行為主要包含可燃物從點燃開始到似穩(wěn)態(tài)、穩(wěn)態(tài)至熄滅過程，是對過程中蔓延速度、火線強度、駐留時間和熄滅后可燃物燃燒消耗比這4個指標的綜合評價，評價值最高的是紅松林、最低的是落葉松林，其中云杉、臭松和黃波羅林在實驗設定條件下不燃，因此不計入最低值；綜合以上部分看，燃燒性綜合評價指數(shù)最低的是楊樹林，最高的是白樺林。平均值599.9，標準差36.5，全林型看差異并不顯著。燃燒床層指標最高值為落葉松林15.55，最低為樟子松林7.65，平均值為10.43，標準差2.06，不同森林類型模擬自然條件下的地表可燃物堆疊狀態(tài)差異明顯；理化性質指標最高值為白樺林2396.3，最低為楊樹林1964.8，平均值2091.8，標準差127.6；林火行為指標最高值為紅松林1.074，最低為落葉松林0.244，平均值0.612，標準差0.227，燃燒過程表現(xiàn)出明顯差異。

2.3 不同森林類型的凋落物燃燒性類別

使用SPSS 19.0對各森林類型的綜合評價指數(shù)進行分層聚類。聚類結果如圖1。根據(jù)燃燒性分易燃、可燃、難燃3類情況，將本文所有森林類型燃燒性劃分為3類，其中易燃的是白樺林和樟子松林，可燃的是針葉混交林、黑松林、紅松林和其他針葉林，難燃的是胡桃楸林、椴樹林、黃波羅林、楊樹林、落葉松林、針闊混交林、臭松林、柞樹林、云杉林、其他闊葉林和針闊混交林。

圖1 使用平均聯(lián)接（組間）的樹狀圖

3 結論

吉林省主要森林類型地表凋落物各燃燒性指標測量值最高的分別是：樟子松林抽提物含量12.87%，云杉林灰分含量16.05%，落葉松林燃點274℃，白樺林燃燒熱值22 929 J，落葉松林載量5 t/hm2，楊樹林床層高度2.5 cm，黃波羅林風干含水率14.9%，柞樹林蔓延速度0.247m·min-1，紅松林火線強度4.922 kW·m-1，落葉松林駐留時間0.261 min，白樺林可燃物燃燒消耗比78.1%。反映出這些地表凋落物燃燒性在燃燒床層、理化性質和林火行為3方面均具有不同的燃燒性。

應用層次分析法對這17種森林類型地表凋落物燃燒性的從高到低的排序為：白樺林＞樟子松林＞黑松林＞針葉混交林＞紅松林＞其他針葉林＞針闊混交林＞落葉松林＞云杉林＞臭松林＞柞樹林＞闊葉混交林其他闊葉林＞胡桃楸林＞椴樹林＞黃波羅林＞楊樹林。這些燃燒性排序是在相同的實驗條件下提出的，忽略各森林類型下植物種類，立地條件，生物學、生態(tài)學特征不同而形成的不同的火環(huán)境，即實際的森林火災發(fā)生時火環(huán)境的復雜性，所以燃燒性的排序是合理的。

經(jīng)過分層聚類分析得出17種森林類型地表凋落物燃燒性類別：白樺林和樟子松林易燃，針葉混交林、黑松林、紅松林和其他針葉林可燃，胡桃楸林、椴樹林、黃波羅林、楊樹林、落葉松林、針闊混交林、臭松林、柞樹林、云杉林、其他闊葉林和針闊混交林難燃。這里的易燃、可燃和難燃只表示三類可燃物燃燒難易程度的相對性，并不能說明難燃類別里的森林類型燃燒難易情況就一定低于易燃類別里的森林類型，對于同一森林類型，燃燒床層的鋪設均模仿野外的實際情況，這造成了對于不同的特定條件同一森林類型地表凋落物表現(xiàn)出不燃或不同的燃燒難易程度，但這些都綜合在最終的處理數(shù)據(jù)結果中，得出的結果也只是反應大部分的實際情況。一些對于林火行為模擬所做的研究[12-14]可以證明這一點。

對于森林可燃物研究對象不同的，包括森林類型、喬木、灌木、草本和枝、葉、凋落物的燃燒性研究工作已經(jīng)做了很多，本文中得出的排序與分類與之前相關的研究[15]結果存在差異，產(chǎn)生這種差異的原因在于對同一森林類型的研究中，不同可燃物的組成，燃燒性分析過程中實驗指標、方法不同，數(shù)據(jù)處理的算法不同，這些都造成了森林類型尺度下地表凋落物燃燒性研究的局限性與差異性，今后應對造成這些差異的原因和差異之間的距離問題進一步研究。

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（責任編輯：韓煥金）

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