孫永明，張文恒，姚麗敏，王東升，孫向?qū)?/p>

(1.山西省林業(yè)科學(xué)研究院，山西 太原 030012； 2.山西省森林防火預(yù)警監(jiān)測(cè)中心，山西 太原 030012；3.山西省桑干河楊樹(shù)豐產(chǎn)林實(shí)驗(yàn)局油坊林場(chǎng)，山西 右玉 037200)

·試驗(yàn)研究·

山西省生物防火樹(shù)種選擇研究

孫永明1，張文恒2，姚麗敏1，王東升3，孫向?qū)?

(1.山西省林業(yè)科學(xué)研究院，山西 太原 030012； 2.山西省森林防火預(yù)警監(jiān)測(cè)中心，山西 太原 030012；3.山西省桑干河楊樹(shù)豐產(chǎn)林實(shí)驗(yàn)局油坊林場(chǎng)，山西 右玉 037200)

筆者測(cè)定了山西省30個(gè)主要造林樹(shù)種樹(shù)葉的燃燒熱值、含水率和燃點(diǎn)3個(gè)理化性質(zhì)指標(biāo)，并對(duì)其物候期、樹(shù)冠特性、樹(shù)皮狀況、萌芽力、林分衛(wèi)生狀況和耐瘠薄性6個(gè)生物學(xué)、生態(tài)學(xué)特性指標(biāo)進(jìn)行野外觀察和定性評(píng)判賦值，采用層次分析法對(duì)山西省主要造林樹(shù)種的防火能力進(jìn)行綜合評(píng)判排序。選擇出了26個(gè)防火樹(shù)種，其中，優(yōu)秀防火樹(shù)種6個(gè)，優(yōu)良防火樹(shù)種9個(gè)，一般防火樹(shù)種11個(gè)，不適于作防火林帶的易燃樹(shù)種4個(gè)。

山西省；生物防火；防火樹(shù)種；防火林帶

生物防火就是利用植物抗火性、燃燒性的差異性和植物的生物學(xué)、生態(tài)學(xué)及森林的林學(xué)特性，選擇防火樹(shù)種，營(yíng)造防火林帶，進(jìn)行林分改造，以降低森林自身的燃燒性，提高森林阻火能力，改變火環(huán)境，從而達(dá)到阻火、隔火、斷火的作用，減少森林火災(zāi)損失。篩選防火樹(shù)種是營(yíng)造防火林帶的基礎(chǔ)，防火樹(shù)種要求具有較強(qiáng)的抗火能力、適宜的生物學(xué)特性和生態(tài)學(xué)特性。

舒立福、田曉瑞等研究表明，葉的苯乙醇抽取物含量最高，苯乙醇抽取物可在較低溫度下分解，是引發(fā)火災(zāi)和火勢(shì)蔓延的主要物質(zhì)。同時(shí)，這些揮發(fā)物的燃燒釋放出大量的能量，也會(huì)促進(jìn)其它成分燃燒。葉是最易燃燒的器官。因此，可將葉的燃燒熱值、含水率、燃點(diǎn)(點(diǎn)著溫度)3個(gè)理化性質(zhì)指標(biāo)作為各樹(shù)種的抗火能力特性指標(biāo)。而不同樹(shù)種物候期對(duì)林木防火的影響主要體現(xiàn)在該樹(shù)種發(fā)葉的早晚。

筆者在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，選擇了在山西省造林工作中被大范圍使用且育苗栽培技術(shù)成熟的30個(gè)樹(shù)種，測(cè)定其理化性質(zhì)，調(diào)查其生物學(xué)特征、生態(tài)學(xué)特征，利用層次分析法篩選出適合山西省地理氣候條件的防火樹(shù)種，以期為山西省防火林帶的構(gòu)建、營(yíng)造林防火樹(shù)種的選擇提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料及處理

在山西省太岳山國(guó)有林管理局選擇30個(gè)具有代表性、育苗栽培技術(shù)成熟的樹(shù)種，作為山西省生物防火樹(shù)種選擇的研究對(duì)象，其分別為油松(Pinustabulaeformis)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、華山松(Pinusarmandii)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、銀杏(Ginkgobiloba)、側(cè)柏[Platycladusorientalis(L.)Franco]、白杄(PiccameyeriRehd.et Wils.)新疆楊(Populusalbavar.pyramidalis)、旱柳(SalixmatsudanaKoidz.)、核桃(JuglansregiaL.)、白樺(Betulaplatyphylla)、遼東櫟(QuercusliaotungensisKoidz)、白榆(Ulmuspumila)、桑樹(shù)(Morusalba)、山楂(Crataeguspinnatifida)、杜梨(PyrusbetulifoliaBunge)、山杏(Prunusarmeniacavar.ansuMaxim)、合歡(AlbiziajulibrissinDurazz.)、皂莢(GleditsiasinensisLam.)、國(guó)槐(SophorajaponicaL.)、刺槐(RobiniapseudocaciaL.)、香花槐(Robiniapseudoacaciacv. Idaho)、黃櫨(Cotinuscoggygriavar.pubescensEngl)、五角楓(AcermonoMaxim)、棗(ZiziphusjujubeMill.)、柿樹(shù)(DiospyroskakiL.f.)、白蠟(Fraxinuschinensis)、臭椿[Ailanthusaltissima(Mill.)Swingle]、沙棘(HippophaerhamnoidesL.)和紫穗槐(AmorphafruticosaL.)。這30個(gè)樹(shù)種除樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)系當(dāng)?shù)毓珗@引種外，其它都是當(dāng)?shù)刂匾泥l(xiāng)土樹(shù)種。

分別于2014年5月和2015年5月，對(duì)每個(gè)被列入山西省生物防火樹(shù)種選擇研究對(duì)象的樹(shù)種，選定2株～3株生長(zhǎng)良好的樹(shù)木為樣株，在其陽(yáng)面樹(shù)冠的上、中、下3層取葉，每層采集樹(shù)葉0.8 kg，混合后裝入密封塑料袋中帶回室內(nèi)。部分樣品用于葉片含水率的測(cè)定，部分樣品在80 ℃下烘16 h至恒重，粉碎后備用。

1.2 研究方法

1.2.1 燃燒熱值測(cè)定

燃燒熱值采用GR 3500型氧彈卡計(jì)測(cè)定，其計(jì)算公式如下：

Q=(W卡×ΔT)/M.

式中：Q——燃燒值，J；

W卡——蒸餾水的克當(dāng)量，J/g；

ΔT——溫差；

M——樣品絕對(duì)干重，g.

1.2.2 葉片含水率的測(cè)定

采樣后立即稱樣品鮮重，烘干至恒重后稱其干重，含水率計(jì)算公式如下：

含水率(%)=(鮮重-干重)/干重×100%.

1.2.3 點(diǎn)著溫度測(cè)定

采用國(guó)產(chǎn)NS13-DW-02型點(diǎn)著溫度測(cè)試儀測(cè)定。

1.2.4 生物學(xué)特性和生態(tài)學(xué)特性調(diào)查

分別于2014年5月和2015年5月，對(duì)被列入山西省生物防火林帶樹(shù)種選擇研究范圍內(nèi)的30個(gè)樹(shù)種的生長(zhǎng)速度、長(zhǎng)勢(shì)、萌發(fā)情況、物候期、樹(shù)皮厚度、不同年齡樹(shù)冠狀況、不同樹(shù)種的林地凋落物性質(zhì)及數(shù)量、各樹(shù)種的分布范圍等進(jìn)行調(diào)查。同時(shí)查閱《山西省樹(shù)木志》、《山西省古稀樹(shù)木志》、《山西植物志》等文獻(xiàn)資料，對(duì)野外調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。采用Fuzzy方法，對(duì)各特征進(jìn)行定性評(píng)判，見(jiàn)表1.

表1 基于生物學(xué)和生態(tài)學(xué)的樹(shù)木防火能力賦分值

1.2.5 樹(shù)種防火性能評(píng)判體系的構(gòu)建

采用層次分析法將影響樹(shù)種防火性能的各因素進(jìn)行綜合評(píng)判，評(píng)判體系和各因子間重要性標(biāo)度見(jiàn)表2和第3頁(yè)表3.

表2 樹(shù)種防火性能綜合評(píng)判體系

2 結(jié)果與分析

2.1 樹(shù)葉的主要理化性質(zhì)分析

自然條件下，可燃物燃燒的熱值是影響火災(zāi)蔓延的主要因子，熱值大的樹(shù)種能瞬間釋放巨大能量，在熱量輻射下毗鄰樹(shù)木水分散失快，迅速著火。樹(shù)葉含水率和燃點(diǎn)是影響火災(zāi)發(fā)生與蔓延的重要因子。防火林帶樹(shù)種的樹(shù)葉不燃燒，就能阻擋樹(shù)冠火的蔓延。因此，在考慮防火樹(shù)種燃燒性能時(shí)，主要依據(jù)樹(shù)葉的含水率、熱值與燃點(diǎn)。供試樹(shù)種樹(shù)葉的燃燒性能測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 供試樹(shù)葉的主要燃燒性能

2.2 樹(shù)種的生態(tài)學(xué)和生物學(xué)特性分析

供試樹(shù)種的生態(tài)學(xué)和生物學(xué)特性得分見(jiàn)表5.

表5 供試樹(shù)種的生態(tài)學(xué)和生物學(xué)特性得分

2.3 因子重要性的判定分析

樹(shù)種防火性能影響評(píng)價(jià)體系分為A，B，C 3層。訪問(wèn)山西省森林防火研究者、造林學(xué)研究者、造林規(guī)劃人員和基層防火工作人員等7名專家，他們根據(jù)對(duì)樹(shù)種防火性能影響的認(rèn)識(shí)和相關(guān)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)第4頁(yè)表6～表8的判斷矩陣進(jìn)行賦值，同時(shí)引用了相同領(lǐng)域3名專家在北京、廣西和云南地區(qū)防火樹(shù)種選擇研究中對(duì)防火樹(shù)種的指標(biāo)賦值。再根據(jù)表6，7，8求得各層次權(quán)重賦值，得到第5頁(yè)表9.

2.4 樹(shù)種防火能力的綜合分析

把不同量綱的目標(biāo)項(xiàng)目換算成同一效用單位,根據(jù)各指標(biāo)對(duì)防火性能的作用,選擇公式(1)或(2)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。公式如下：

U=1-0.9(Vmax-V)/(Vmax-Vmin)，

(1)

U=1-0.9(V-Vmin)/(Vmax-Vmin).

(2)

式中：U——各指標(biāo)歸一化處理后的值；

V——各指標(biāo)的實(shí)際值；

Vmax——各指標(biāo)的最大值；

Vmin——各指標(biāo)的最小值。

(1)式為遞增關(guān)系，(2)式為遞減關(guān)系。在防火樹(shù)種的評(píng)判指標(biāo)中，熱值采用遞減關(guān)系式標(biāo)準(zhǔn)化,其它指標(biāo)如含水率、樹(shù)皮厚度等采用遞增關(guān)系式標(biāo)準(zhǔn)化。

表6 判斷矩陣ABn賦值

表7 判斷矩陣B1Cn(n=1，2，3)賦值

根據(jù)以下公式計(jì)算各樹(shù)種的綜合評(píng)價(jià)值：

式中：ωi——各樹(shù)種的綜合評(píng)價(jià)值；

λj——各指標(biāo)的權(quán)重，根據(jù)其對(duì)抗火性能的貢獻(xiàn)率確定；

Uij——各指標(biāo)歸一化處理后的值。

依據(jù)ωi值的大小確定各樹(shù)種的抗火次序,結(jié)果見(jiàn)第5頁(yè)表10.

表8 判斷矩陣B2Cn(n=4，5…9)賦值

表9 各指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重

2.5 樹(shù)種防火能力等級(jí)分析

根據(jù)30個(gè)供試樹(shù)種防火能力的綜合得分，將其劃分為4個(gè)防火能力等級(jí)，見(jiàn)表11.

3 結(jié)論與討論

1) 筆者的研究成果在山西省幾次森林火災(zāi)中得到了驗(yàn)證，符合實(shí)際。在2007年4月11日撲救安澤縣府城林場(chǎng)森林大火時(shí)，大火燃至劉卜莊劉卜嶺刺槐林帶時(shí)，火勢(shì)減小，撲救人員依托該刺槐林帶截?cái)嗔嘶痤^，為撲救該場(chǎng)大火贏得了機(jī)會(huì)?；馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)，作者發(fā)現(xiàn)散生分布的臭椿、新疆楊、國(guó)槐、香花槐、旱柳和山杏95%沒(méi)有被燒死。油松林無(wú)論地表火還是林冠火，過(guò)火后100%都被燒死。太原市林場(chǎng)消防隊(duì)員2010年4月6日在太原市西山森林撲救火災(zāi)時(shí)，火頭燃至楊樹(shù)林帶，火勢(shì)驟然減小。該楊樹(shù)林都為高大山楊，樹(shù)干通直，下木很少，結(jié)構(gòu)疏散，消防人員迅速穿過(guò)林帶，在楊樹(shù)林旁布好風(fēng)力滅火機(jī)，點(diǎn)起迎面火，在3臺(tái)風(fēng)力滅火機(jī)作用下迎面火逆勢(shì)與燃來(lái)火頭相遇，余火燃盡剩余的小塊松樹(shù)林后熄滅。作者在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)零星分布的山杏、山楊、遼東櫟、山楂樹(shù)雖然樹(shù)皮有大面積燒疤，但依然生長(zhǎng)良好。

表10 供試樹(shù)種防火能力綜合得分

表11 供試樹(shù)種防火能力等級(jí)

2) 雖然絕大部分研究在山西省太岳山進(jìn)行，但研究成果可以在山西省全境應(yīng)用。刺槐、柿樹(shù)、新疆楊、臭椿、國(guó)槐、香花槐、皂莢、旱柳、白蠟、白榆、沙棘、核桃、山杏、紫穗槐、銀杏、合歡、桑樹(shù)、棗、杜梨、五角楓、黃櫨、白樺、山楂、遼東櫟、華北落葉松、白杄、油松、華山松、側(cè)柏在山西省中南部分布廣泛。山西省同朔地區(qū)樹(shù)種分布少，但樟子松、刺槐、新疆楊、白榆、沙棘、山杏、紫穗槐、華北落葉松是該地區(qū)的主要造林樹(shù)種。在具體應(yīng)用時(shí)，可以根據(jù)樹(shù)種的自然分布和防火能力等級(jí)進(jìn)行選擇。

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Study on Selection of Biological Fire Resistant Tree Species in Shanxi

Sun Yongming1, Zhang Wenheng2, Yao Limin1, Wang Dongsheng3, Sun Xiangning1

(1.ShanxiAcademyofForestSciences,Taiyuan030012,China；2.ShanxiForestFirePreventionandWarningMonitoringCente,Taiyuan030012,China；3.YoufangForestryFarm,ShanxiProvincePoplarHigh-yieldForestBureau,Youyu037200,China)

Combustion calorific value, moisture content and ignition point 3 physical and chemical indexes of 30 main afforestation tree species leaves in Shanxi province were determinated. And their phenophase, canopy characteristics, bark, germination, forest health status and barren tolerance 6 biological and ecological characteristics indexs were qualitative evaluated and assigned by field observation. Then the fire prevention ability of main afforestation tree species in Shanxi province was comprehensive evaluated and sorted by using the analytic hierarchy process (AHP). 26 fire resistant species were elected in which there were 6 excellent fire resistant species, 9 fine fire resistant species and 11 general fire tree species. There were also 4 flammable species which were not suitable for fire-resistant forest belts.

Shanxi province; Biological fire resisitance; Fire resistant tree species; Fire-resistant forest belts

2016-12-29

國(guó)家林業(yè)局“948”項(xiàng)目(2014-4-01)

孫永明(1972— )，男，山西介休人，1995年畢業(yè)于西北農(nóng)林科技大學(xué)，高級(jí)工程師。

S762.3

A

1007-726X(2017)02- 0001- 06