冼麗鏵， 陳嘉杰， 陳紅躍， 劉小玲， 盧志橋， 龔軍凡

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510642； 2.中山市國(guó)有森林資源保護(hù)中心，廣東 中山 528458)

中山市是國(guó)家森林城市之一，加入了珠三角國(guó)家森林城市群，其森林防火意義重大。該市防火林帶共應(yīng)用了31個(gè)樹(shù)種，隸屬17科24屬，其中，豆科、山茶科和樟科樹(shù)種較多，而林帶內(nèi)樹(shù)種數(shù)量較多的是木荷Schimasuperba、臺(tái)灣相思Acaciaconfusa、檸檬桉Eucalyptuscitriodora、鴨腳木Scheffleraoctophylla，防火林帶林分樹(shù)種組成較單一。樹(shù)種是構(gòu)成生物防火林帶的主體，樹(shù)種抗火性能的研究是評(píng)價(jià)林分抗火性能的重要內(nèi)容，樹(shù)種不同，森林的抗火性能有差異[1-3]。葉片作為喬木、灌木最容易燃燒的部分，成為森林火災(zāi)傳播的主要媒介，水分含量、揮發(fā)分、發(fā)熱量為樹(shù)葉著火溫度的主要因子[4]，植物功能性狀不僅便于評(píng)價(jià)植物的抗火性能，也有利于篩選防火植物[5]。有研究對(duì)不同地帶性森林喬木葉片熱值特征，開(kāi)展多因素的綜合性研究。葉片碳含量是葉片熱值變異的主要影響因素[6]，木本植物葉片熱值的研究可以為科學(xué)評(píng)估其火災(zāi)危險(xiǎn)性以及相應(yīng)產(chǎn)生火行為提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[3, 7-8]。森林木本植物活葉片抗火性能研究，有助于完善樹(shù)種阻火性評(píng)價(jià)方法、篩選適宜的生物防火樹(shù)種的研究[9-10]，但迄今對(duì)防火樹(shù)種篩選以及綜合評(píng)價(jià)方法的系統(tǒng)研究較少。在防火林帶建設(shè)中，篩選和栽植抗火性能較強(qiáng)的樹(shù)種是森林防火的關(guān)鍵[5]。本研究以中山市防火林帶的樹(shù)種為研究對(duì)象，采集并測(cè)定了28個(gè)常見(jiàn)木本植物葉片的熱值，通過(guò)比較不同葉片的厚度、相對(duì)含水量、熱值、灰分等理化性質(zhì)指標(biāo)，運(yùn)用因子分析和聚類(lèi)分析的方法，對(duì)樹(shù)種葉片抗火性進(jìn)行綜合排序，探討樹(shù)種間抗火性能的差異，以期為中山市乃至粵港澳大灣區(qū)的高效防火樹(shù)種選擇及防火林帶建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

中山市(113°9′～113°46′E，22°11′～22°46′35″N)位于廣東省中南部，熱帶北緣，熱量豐富，全年最熱為7月，日均溫度為28.4 ℃，相對(duì)濕度年均83%，全年太陽(yáng)輻射量最強(qiáng)為7月，光照最多為7—10月，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，光熱充足，植被類(lèi)型主要為熱帶季雨林型的常綠季雨林，森林覆蓋率達(dá)23.08%，林地面積為2.87萬(wàn)hm2，林地森林覆蓋率為96.70%，森林質(zhì)量位于全省前列，生物防火林帶411條，總長(zhǎng)達(dá)591.8 km。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

2018年6—8月，根據(jù)中山市生物防火林帶的樹(shù)種應(yīng)用現(xiàn)狀以及珠三角防火林帶樹(shù)種應(yīng)用情況，在中山樹(shù)木園選擇了中山市現(xiàn)有的以及適合栽植的優(yōu)良樹(shù)種28種，以鄉(xiāng)土樹(shù)種為主，外來(lái)樹(shù)種為輔，樹(shù)齡基本在15～20 a之間，供試樹(shù)種名錄見(jiàn)表1。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 樹(shù)木葉片厚度及相對(duì)含水量測(cè)定 每種試驗(yàn)樹(shù)種各選3棵，每棵樹(shù)在其向陽(yáng)面選擇成熟葉片5片，用游標(biāo)卡尺測(cè)量葉片的厚度。葉片厚度測(cè)定后，采集葉片，用塑料袋密封帶回實(shí)驗(yàn)室，用于相對(duì)含水量的測(cè)定，葉片相對(duì)含水量采用烘干稱(chēng)重法測(cè)定，取樣時(shí)間在上午植株露水或雨水蒸發(fā)后進(jìn)行，稱(chēng)取葉片鮮重，放入烘箱105 ℃殺青1 h，在80 ℃下烘干至恒重，并稱(chēng)干重。計(jì)算葉片相對(duì)含水量，公式如下：

2.2.2 熱值測(cè)定 按照3棵樹(shù)、每棵樹(shù)5片成熟葉的重復(fù)數(shù)采集葉片，進(jìn)行熱值、灰分、揮發(fā)分及固定碳測(cè)定與計(jì)算。采用105 ℃烘干恒重法，樣品在80 ℃條件下烘16 h 至恒重，用粉碎機(jī)粉碎后，每個(gè)樣各取6 g，裝入塑料袋，密封備用。熱值用德國(guó)IKA C2000自動(dòng)量熱儀，灰分和揮發(fā)分用XL-1型箱式高溫爐測(cè)定，參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T212—2008《煤的工業(yè)分析方法》[11]測(cè)定，固定碳采用以下公式計(jì)算：固定碳=100%-灰分-揮發(fā)分。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理 采用Pearson 系數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，采用Factor Analysis進(jìn)行主成分分析，以上分析均采用SPSS 19. 0 統(tǒng)計(jì)軟件，數(shù)據(jù)整理、計(jì)算與作表均采用 Microsoft Excel 2007 軟件進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 28種樹(shù)種葉片厚度及相對(duì)含水量分析

由表2可知，葉片最厚的為紅花油茶，達(dá)0.36 mm，其次是多花山竹子、夾竹桃、紅苞木；葉片最薄的是黃葛榕，僅0.16 mm，其次是西南木荷、鳳凰木、山烏桕。葉片相對(duì)含水量最高的是多花山竹子，達(dá)58%，其次是山烏桕、米老排、蝴蝶果；葉片相對(duì)含水量最低的是黃葛榕，僅25%，其次是土沉香、觀光木、夾竹桃。葉片厚度和葉片含水量影響著葉片的燃燒性能，葉片厚度越大，其含水量越高，葉片的燃燒速度越慢，起到較好的抗火性。

表2 28種樹(shù)種葉片的抗火性指標(biāo)

3.2 28種樹(shù)種葉片熱值分析

不同植物種類(lèi)，其葉片的厚度、相對(duì)含水量等理化性質(zhì)不同，熱值也不同，樹(shù)木葉片的熱值情況見(jiàn)表2。測(cè)試結(jié)果表明，28個(gè)樹(shù)種的熱值在17.40～21.94 (kJ·g-1)間變化，平均值為19.90 (kJ·g-1)，其中熱值最高的是米老排，達(dá)21.94 kJ·g-1，其次是鴨腳木、深山含笑、臺(tái)灣相思、大葉相思；熱值最小的是楓香，為17.40 kJ·g-1，其次是烏桕、假蘋(píng)婆、黃葛榕、山杜英。

3.3 28種樹(shù)種葉片灰分、揮發(fā)分及固定碳分析

在葉片燃燒過(guò)程中，葉片灰分含量一定程度上能對(duì)有焰燃燒起阻滯作用，灰分含量越高，葉片的抗火性越強(qiáng)。從表2可以看出，灰分的變化區(qū)間是1.97%～9.96%，灰分含量最高的是假蘋(píng)婆，為9.96%，其次是楓香、黃葛榕、夾竹桃、土沉香；灰分含量最低的是紅苞木，為1.97%，其次是米老排、黧蒴、山烏桕、山杜英。

樹(shù)木葉片揮發(fā)分含量的變化區(qū)間為69.61%～82.27%，揮發(fā)分含量最高的是鴨腳木，達(dá)82.27%，其次是多花山竹子、夾竹桃、黧蒴、米老排，揮發(fā)分含量最低的是檸檬桉，為69.61%，再次是楓香、黃葛榕、鳳凰木、馬占相思。植物葉片中固定碳在可燃組分中的相對(duì)含量反映樣品木質(zhì)素含量水平，木質(zhì)素是可燃組分的重要組成之一，樹(shù)木葉片固定碳的變化區(qū)間為12.08%～25.09%，固定碳含量最高的是檸檬桉，達(dá)25.09%，其次是鳳凰木、紅錐、山烏桕；固定碳含量最低的是夾竹桃，為12.08%，其次是鴨腳木、鐵冬青、多花山竹子、假蘋(píng)婆。

3.4 28種樹(shù)種抗火性綜合排序

為綜合比較不同樹(shù)種葉片的抗火性能，對(duì)6個(gè)變量進(jìn)行相關(guān)分析，分析過(guò)程得到的相關(guān)矩陣如表3所示。從表3可以看出，熱值與灰分、揮發(fā)分與固定碳之間呈極顯著相關(guān)關(guān)系，熱值與揮發(fā)分之間、灰分與揮發(fā)分之間呈顯著相關(guān)關(guān)系。由于多數(shù)因子之間存在相關(guān)性，對(duì)各因子進(jìn)行主成分分析，結(jié)果如表4所示。共提取了6個(gè)綜合因子，與原始提供的因子一樣多，其中提取了3個(gè)綜合因子為主成分，3個(gè)綜合因子的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了79.725%，為了解釋主成分的意義，采用了Kaiser標(biāo)準(zhǔn)化正交旋轉(zhuǎn)法，旋轉(zhuǎn)后因子負(fù)載重新進(jìn)行分配，使公因子負(fù)載系數(shù)向更大或更小方向變化旋轉(zhuǎn)，在5次迭代后收斂，結(jié)果如表5所示。

表3 28種樹(shù)種葉片特征與防火因子間的相關(guān)分析

表4 28種樹(shù)種主成分分析結(jié)果Table 4 The eigenvalues and contribution ratio for principal component analysis of 28 tree species

表5 28種樹(shù)種主成分矩陣與旋轉(zhuǎn)主成分矩陣Table 5 The matrixes for principal component and rotating principal component of 28 tree species

主成分F1在固定碳、揮發(fā)分上的載荷較大，體現(xiàn)了主要受固定碳、揮發(fā)分因子影響的葉片抗火性x1，把主成分1命名為y1；主成分F2在灰分和熱值上的載荷較大，體現(xiàn)了主要受灰分和熱值因子影響的抗火性能x2，把主成分2命名為y2；主成分F3在相對(duì)含水量和葉片厚度上的載荷較大，體現(xiàn)了主要受相對(duì)含水量和葉片厚度因子影響的抗火性能x3，把主成分3命名為y3。根據(jù)表4和表5結(jié)果，計(jì)算出3個(gè)主成分的得分y1、y2、y3以及綜合得分y，y=0.324 9y1+0.291 6y2+0.180 7y3，最后對(duì)綜合評(píng)分進(jìn)行排序，結(jié)果如表6所示。從綜合得分差異并結(jié)合葉片的理化特征分析，對(duì)28個(gè)樹(shù)種進(jìn)行抗火性排序和分類(lèi)，結(jié)果表明：鴨腳木、夾竹桃、米老排、大葉相思、深山含笑、黧蒴、木荷、紅花油茶、鐵冬青、臺(tái)灣相思、醉香含笑、鳳凰木為抗火性較好的樹(shù)種，表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗火性；馬占相思、紅苞木、山杜英、樟樹(shù)、黃葛榕得分比較接近，為抗火性中等的樹(shù)種；觀光木、山烏桕、土沉香、紅錐、烏桕為抗火性較差的樹(shù)種，西南木荷、楓香、檸檬桉、假蘋(píng)婆、多花山竹子、蝴蝶果得分較接近，為抗火性最差的樹(shù)種。

表6 28種樹(shù)種植物綜合得分Table 6 Score of living leaves of 28 tree species

3.5 28種樹(shù)種抗火性聚類(lèi)分析

以不同樹(shù)種的葉片厚度、葉片相對(duì)含水量、熱值、灰分、揮發(fā)分、固定碳為聚類(lèi)指標(biāo)，使用離差平方和法對(duì)28 種樹(shù)種抗火性進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)，得出28種樹(shù)種的抗火性分類(lèi)，聚類(lèi)樹(shù)形圖如圖1所示。

圖1 28種樹(shù)種的系統(tǒng)聚類(lèi)圖Fig.1 Dendrogram using average linkage

圖1中28種樹(shù)種依據(jù)抗火性由強(qiáng)到弱被分為5類(lèi)：Ⅰ類(lèi)夾竹桃、鴨腳木、大葉相思、鐵冬青；Ⅱ類(lèi)黧蒴、米老排、醉香含笑、臺(tái)灣相思、深山含笑、木荷、山杜英；Ⅲ類(lèi)西南木荷、烏桕、鳳凰木、紅花油菜、土沉香、樟樹(shù)；Ⅳ類(lèi)楓香、檸檬桉、黃葛榕、馬占相思、觀光木、紅苞木、紅錐、山烏桕；Ⅴ類(lèi)多花山竹子、蝴蝶果、假蘋(píng)婆。

4 討論與結(jié)論

樹(shù)木葉片理化特征不同對(duì)樹(shù)種抗火性的影響程度不同，可得出不同樹(shù)種在抗火、耐火及阻火性能上的強(qiáng)弱[12]。有研究表明，決定特定植物可燃物火蔓延的臨界含水量與其干基熱值密切相關(guān)[13]，熱值越高，往往需要吸收較少量的能量以蒸發(fā)葉片持有的水分，對(duì)火勢(shì)的蔓延和傳播貢獻(xiàn)越大，導(dǎo)致樹(shù)冠火較易蔓延，而熱值越低，則反映出葉片需要吸收更多的熱量才得以蒸發(fā)葉片持有的水分，使得樹(shù)冠火蔓延得較慢，甚至難以蔓延而自動(dòng)熄滅。揮發(fā)分或固定碳的含量波動(dòng)與植物葉片主要組成及其熱解特性有關(guān)，揮發(fā)分含量越高，相對(duì)來(lái)說(shuō)材料的可燃性越佳，固定碳多說(shuō)明木質(zhì)素含量高，相對(duì)含有半纖維素和纖維素的量少，熱穩(wěn)定性強(qiáng)[14]。本研究對(duì)中山市28種常見(jiàn)防火林帶樹(shù)種的葉片厚度、葉片相對(duì)含水量、熱值、灰分、揮發(fā)分、固定碳6個(gè)因子進(jìn)行測(cè)定和分析，應(yīng)用因子分析法對(duì)其進(jìn)行抗火性排序和分類(lèi)，樹(shù)木葉片抗火性由強(qiáng)到弱依次為：鴨腳木、夾竹桃、米老排、大葉相思、深山含笑、黧蒴、木荷、紅花油茶、鐵冬青、臺(tái)灣相思、醉香含笑、鳳凰木、馬占相思、紅苞木、山杜英、樟樹(shù)、黃葛榕、觀光木、山烏桕、土沉香、紅錐、烏桕、西南木荷、楓香、檸檬桉、假蘋(píng)婆、多花山竹子、蝴蝶果。Ⅰ類(lèi)抗火性強(qiáng)，夾竹桃、鴨腳木、大葉相思、鐵冬青；Ⅱ類(lèi)抗火性較強(qiáng)，黧蒴、米老排、醉香含笑、臺(tái)灣相思、深山含笑、木荷、山杜英；Ⅲ類(lèi)抗火性中等，西南木荷、烏桕、鳳凰木、紅花油茶、土沉香、樟樹(shù)；Ⅳ類(lèi)抗火性較弱，楓香、檸檬桉、黃葛榕、馬占相思、觀光木、紅苞木、紅錐、山烏桕；Ⅴ類(lèi)抗火性弱，多花山竹子、蝴蝶果、假蘋(píng)婆。

本研究采用因子分析和聚類(lèi)分析方法探討了28種樹(shù)種的抗火性能排序，其中與前人研究發(fā)現(xiàn)鐵冬青、木荷、樟樹(shù)、米老排、醉香含笑為抗火性較強(qiáng)樹(shù)種[15-17]一致，但如西南木荷、山烏桕等樹(shù)種在采用兩種方法對(duì)其抗火性進(jìn)行判定存在一定差異性，可能由于葉片抗火性只是樹(shù)種抗火性的一部分，而選取的抗火性評(píng)價(jià)因子有限。