劉韓 李淑婷 吳富雨 蘭常軍 崔興雷 鄭江坤 侯貴榮

摘要［目的］研究川西地區(qū)常見森林類型枯落物的燃燒性狀，評估不同森林類型發(fā)生地表火的風(fēng)險及強(qiáng)度。［方法］選取川西地區(qū)常見的6種森林類型，分別測定了其枯落物的含水率、灰分、燃點(diǎn)、干重?zé)嶂担℅CV）、去灰分熱值（AFCV）；利用主成分分析，綜合評價了不同森林類型枯落物的燃燒性差異。［結(jié)果］不同森林類型之間，枯落物的含水率、燃點(diǎn)、GCV、AFCV有差異。通過綜合分析，將川西地區(qū)6種常見森林類型枯落物的燃燒性進(jìn)行排序，從高到低為輻射松>高山松>高山櫟>華山松>云南松>云杉-冷杉混交林。［結(jié)論］對川西地區(qū)常見森林類型林下枯落物的燃燒性進(jìn)行測定分析，有助于預(yù)測不同森林類型發(fā)生地表火的風(fēng)險和強(qiáng)度，同時可為火災(zāi)預(yù)防提供參考。

關(guān)鍵詞枯落物；燃燒性狀；主成分分析；川西林區(qū)

中圖分類號S 762.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號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，受氣候變化和人類活動的影響，森林火災(zāi)已經(jīng)成為難以解決的全球性問題［1-3］ 。森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強(qiáng)，能對森林產(chǎn)生嚴(yán)重影響的自然災(zāi)害，同時還會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和生態(tài)破壞［4-5］。森林火災(zāi)通常分為地表火、樹冠火和地下火，其中地表火在森林火災(zāi)中發(fā)生率最高，約占90％以上［6］。而地表火在有連續(xù)的“階梯燃料”的情況下，會變成嚴(yán)重的樹冠火［7-8］。

燃料是森林火災(zāi)發(fā)生的三要素之一，其直接影響森林火災(zāi)的強(qiáng)度、蔓延速度和發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險［9-13］。森林可燃物主要包括植物活體和枯枝落葉及其他有機(jī)物，其中枯枝落葉層，由于含水率低，更易被點(diǎn)燃［14-17］ 。不同森林類型中，可燃物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)有明顯差異，其燃燒的難易程度也有所不同［18］。通過測量含水率、燃點(diǎn)、熱值和灰分等燃燒特征，可以間接評價不同可燃物的燃燒性能［19］。很多學(xué)者通過測量這些理化性質(zhì)來評價森林可燃物的燃燒性能。如張恒等［20］根據(jù)樹種的理化性質(zhì)對內(nèi)蒙古地區(qū)主要喬木樹種抗火性進(jìn)行了研究，并運(yùn)用主成分分析法及對主要樹種的抗火性值進(jìn)行排序，以篩選強(qiáng)抗火性樹種；祝必琴等［21］對亞熱帶季風(fēng)區(qū)不同林型樹種的可燃物理化性質(zhì)及燃燒性進(jìn)行研究，得出含水率、灰分含量、抽提物含量等理化性質(zhì)對不同林型的燃燒性有重要影響；王明霞等［22］以吉林省蛟河11種主要樹種樹皮為研究對象，根據(jù)含水率、灰分、熱值等指標(biāo)，使用熵權(quán)法、方差分析、聚類分析等方法對各樹種樹皮抗火性進(jìn)行綜合評價。

四川省是森林火災(zāi)發(fā)生比較頻繁、受災(zāi)情況比較嚴(yán)重的省份，其中川西地區(qū)是森林火災(zāi)的高發(fā)區(qū)［23］。為了評價川西地區(qū)常見森林類型的火災(zāi)危險性和火災(zāi)強(qiáng)度，筆者收集了該地區(qū)6種常見針葉林凋落物樣本（針葉林的地表可燃物更易被引燃，更易發(fā)生森林火災(zāi)），通過測量凋落物的含水率、燃點(diǎn)、熱值和灰分含量，評估了不同森林凋落物的燃燒特性，并綜合分析了不同森林類型間凋落物的燃燒性差異，有助于預(yù)測不同森林類型發(fā)生地表火的風(fēng)險和強(qiáng)度，同時可為火災(zāi)預(yù)防提供參考。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

取樣點(diǎn)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］。該地區(qū)大部分區(qū)域年均氣溫在10 ℃以下，光照強(qiáng)，日照充足，旱季分明，冬寒冬干，少雨少風(fēng)，年降水量在347～922 mm，森林火災(zāi)發(fā)生較為頻繁。甘孜地區(qū)樹種豐富，但就其在森林中的群落建設(shè)作用而言，主要集中在松科、柏科、殼斗科、樺木科、楊柳科、胡桃科等［25］。

1.2試驗材料該研究選取高山櫟（Quercus semicarpifolia）、高山松（Pinus densata）、冷杉-云杉混交林（Abies fabri-Picea asperata）、云南松（Pinus yunnanensis）、輻射松（Pinus radiata）、華山松（Pinus armandii）6種川西地區(qū)常見森林類型的枯落物作為研究對象。樣品于2021年5—6月采集（表1）。樣品采集時，利用機(jī)械布點(diǎn)法在不同林型下各設(shè)置3個固定標(biāo)準(zhǔn)樣地，每個樣地大小為20 m×20 m，樣地邊界遠(yuǎn)離林緣50 m以上。在大樣地內(nèi)沿對角線布設(shè)3個1 m×1 m小樣方。收集樣方內(nèi)所有地表枯落物，并進(jìn)行標(biāo)記、稱重，然后封裝帶回實(shí)驗室。

1.3試驗方法

將外業(yè)采集的樣品帶回實(shí)驗室，參照《森林可燃物的測定》（LY/T2013——2012）對熱值、燃點(diǎn)、含水率、灰分4項理化性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測定。

1.3.1含水率的測定。將樣品收集后立即稱重，帶回實(shí)驗室后放入烘箱烘干48 h，再次稱重，再將樣品放入烘箱30 min，若所稱得的干重與第一次測量的結(jié)果誤差在0.000 2 g范圍內(nèi)，則認(rèn)為樣品恒重，記錄樣品干重。根據(jù)干濕重對樣品含水率進(jìn)行計算：

1.3.2燃點(diǎn)的測定。燃點(diǎn)即可燃物著火時的溫度。樣品于65 ℃烘干至恒重后取出，用粉碎機(jī)粉碎，過40目篩（0.45 mm）。測定前和亞硝酸鈉提前放置在烘箱內(nèi)，保證測量時絕對干燥。準(zhǔn)確稱取干燥后的可燃物樣品（0.100±0.001） g，加入亞硝酸鈉粉末（0.075 ± 0.001） g，并使樣品與亞硝酸鈉充分混合。利用點(diǎn)著溫度測定儀（TYRD-6A）進(jìn)行測定。每個樣品重復(fù)測定3次。

1.3.3熱值的測定。熱值即單位質(zhì)量的森林可燃物燃燒所放出的熱量，分為干重?zé)嶂担℅CV）和去灰分熱值（AFCV）2種類型［18，26］。采用量熱儀的水當(dāng)量法測定。將烘干至恒重的樣品在粉碎機(jī)中粉碎，過15目篩（1.35 mm）。測量前提前放入烘箱內(nèi)烘干，以保證測定時絕對干燥，準(zhǔn)確稱量（0.500±0.001） g可燃物樣品至燃燒皿內(nèi)，然后利用微機(jī)全自動量熱儀（ZDHW-9）進(jìn)行測定。每個樣品重復(fù)測定3次。

1.3.4灰分的測定。采用干灰化法。分別稱取1 g粉碎后的樣品放入坩堝中，放在電爐上進(jìn)行碳化，直至樣品燃燒到不再冒煙：再將碳化后的樣品連同坩堝冷卻后放入650 ℃左右的馬弗爐進(jìn)行灰化約4 h，30 min后稱重。通過原重量減去灰分含量，即可得出有機(jī)物含量。每個樣品重復(fù)測定3次。

1.4數(shù)據(jù)處理試驗數(shù)據(jù)通過Excel 2019整理后，利用Origin 2021作圖，并采用SPSS 27進(jìn)行方差分析和主成分分析。主成分分析方法是一種將多個變量進(jìn)行正交變換轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個重要的具有代表性的新的變量的多元統(tǒng)計方法。通過信息貢獻(xiàn)率的多少對多個影響因子進(jìn)行綜合評價。該研究按照累計貢獻(xiàn)率達(dá)到90%的原則，再根據(jù)樣本的因子得分和主成分貢獻(xiàn)率代入式（1）得出綜合指標(biāo)Y值，通過對該值進(jìn)行排序，可在原有信息的基礎(chǔ)上最大限度上地揭示各森林類型枯落物的燃燒性強(qiáng)弱［20］。

Y=a1x1+ a2x2+a3x3+…+amxm（1）

式中：m為不同森林類型；am為各主成分貢獻(xiàn)率；xm為個主成分因子得分。

2結(jié)果與分析

2.1不同森林類型枯落物燃燒性狀由表2可知，不同森林類型林下枯落物含水率不同，變化范圍在24.65%～55.51%，其中輻射松枯落物含水率最高，為55.51%，云杉-冷杉混交林枯落物含水率最低，為24.65%；高山櫟枯落物含水率較高，為43.80%，高山松、云南松、華山松含水率較低，在36.40%～39.01%。6種林分類型枯落物含水率由高到低依次為輻射松、高山櫟、華山松、云南松、高山松、云杉-冷杉混交林。

熱值是指可燃物燃燒釋放的熱量，可反映火災(zāi)發(fā)生的強(qiáng)度，分別對不同林分類型的GCV和AFCV進(jìn)行了分析。6種林下枯落物的GCV在22.72～38.73 kJ/kg，AFCV變化范圍在25.35～48.86 kJ/kg，其中輻射松林下枯落物GCV和AFCV均最高，云杉-冷杉混交林林下枯落物GCV和AFCV均最低；不同森林類型林下枯落物GCV和AFCV差異不顯著（P>0.05）。6種林分類型枯落物AFCV由高到低依次為輻射松、高山松、高山櫟、華山松、云南松、云杉-冷杉混交林。

燃點(diǎn)越高即所需溫度越高，越不容易燃燒，抗火性就越強(qiáng)。6種林下枯落物的燃點(diǎn)在147.04～267.39 ℃，其中高山松林下枯落物燃點(diǎn)最高，為267.39 ℃，云杉-冷杉混交林下枯落物最低，僅147.04 ℃；輻射松、云南松、華山松和高山櫟枯落物燃點(diǎn)較高，均在208.0 ℃以上。6種林分類型枯落物燃點(diǎn)由高到低依次為高山松、輻射松、云南松、華山松、高山櫟、云杉-冷杉混交林。

灰分指可燃物燃燒后剩余的無機(jī)物，對火災(zāi)行為的蔓延起抑制作用，與可燃性呈負(fù)相關(guān)［26］。6種林下枯落物的灰分含量在3.73%～19.40%，其中輻射松的灰分含量最高，達(dá)19.40%，云南松的灰分含量最低，僅3.73%；高山櫟和高山松灰分含量較高，均在7.00%以上。6種林分類型枯落物灰分含量由高到低依次為輻射松、高山櫟、高山松、華山松、云杉-冷杉混交林、云南松。

51卷24期劉 韓等川西地區(qū)常見森林類型枯落物燃燒性狀差異分析

2.2枯落物理化性質(zhì)的相關(guān)性

GCV、AFCV燃點(diǎn)和灰分是4種與可燃物燃燒性狀密切相關(guān)的理化性質(zhì)。通過對這6個森林類型林下枯落物的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)GCV、AFCV與燃點(diǎn)呈顯著正相關(guān)，即當(dāng)燃點(diǎn)越高時，可燃物燃燒釋放的熱量越高；灰分與GCV和燃點(diǎn)無顯著相關(guān)性，與AFCV呈顯著正相關(guān)，即可燃物灰分含量越高，燃燒釋放的AFCV越高（表3）。

2.3不同森林類型枯落物燃燒性能

含水率、GCV、AFCV、燃點(diǎn)、灰分是與燃燒性緊密相關(guān)的理化指標(biāo)，但凋落物的含水率隨天氣的變化而變化，而燃點(diǎn)、GCV、AFCV、灰分等理化性質(zhì)是穩(wěn)定的，由植物種類決定［27］，因此在綜合分析時，未考慮含水率?；曳峙c燃燒性呈負(fù)相關(guān)，通過原重量減去灰分含量，即可得出有機(jī)物含量，在主成分分析中選擇有機(jī)物含量作為指標(biāo)。通過對6種森林類型林下枯落物理化性質(zhì)進(jìn)行主成分分析（圖1），前2個新變量的累計貢獻(xiàn)率達(dá)到99.69%，超過了90% （表4），表明這2個變量包含了原始變量中的絕大部分信息，具有代表性，而剩余的一個變量貢獻(xiàn)率只有0.31%，影響較小。因此，前2個新變量可作為綜合評價燃燒性能的新復(fù)合指標(biāo)。GCV、AFCV和燃點(diǎn)在主成分1上具有較高的荷載值，主成分1可作為3個指標(biāo)的復(fù)合指標(biāo)；有機(jī)物含量在主成分2上具有較高的荷載值，主成分2可單獨(dú)作為有機(jī)物的指標(biāo)（表5）。

將表4中各主成分貢獻(xiàn)率和表6中的各樣本因子得分代入“1.4”中式（1），得出6個森林類型林下枯落物綜合可燃性，其強(qiáng)弱表現(xiàn)為輻射松>高山松>高山櫟>華山松>云南松>云杉-冷杉混交林。

3結(jié)論與討論

凋落物是野外燃料的重要組成部分，是地面火災(zāi)的主要燃料。許多研究分析了植物不同器官的燃燒特性，如葉片、樹枝等［20-21］，但很少有研究關(guān)注枯落物的燃燒性能?？萋湮锸巧窒到y(tǒng)中易被點(diǎn)燃的部分，同時也是影響地表火行為的主要燃料。該研究對川西地區(qū)主要森林類型枯落物的燃燒性能進(jìn)行了測定和綜合評價，對了解地表火的發(fā)生動態(tài)更具有針對性。

針葉林中的可燃物燃燒性普遍偏高，發(fā)生森林火災(zāi)的風(fēng)險較高，易造成嚴(yán)重的損失和危害。該研究綜合評估了川西地區(qū)常見針葉林枯落物的可燃性差異，對6種森林類型林下枯落物的燃燒性強(qiáng)弱排序為輻射松>高山松>高山櫟>華山松>云南松>云杉-冷杉混交林。該研究中的森林類型，在川西地區(qū)較常見，分布面積較廣，結(jié)果有助于預(yù)測不同森林類型發(fā)生地表火的風(fēng)險和強(qiáng)度，同時可為火災(zāi)預(yù)防提供參考。

針葉林下枯落物的燃燒性整體較高，被點(diǎn)燃后容易演變?yōu)闃涔诨穑瑯O易發(fā)生高強(qiáng)度森林火災(zāi)，是預(yù)防的重難點(diǎn)。及時清除地面上的枯枝和落葉堆，注意枝下高的修剪，改變可燃物的空間分布結(jié)構(gòu)，減少垂直方向上的梯度可燃物，可有效降低火災(zāi)風(fēng)險及火災(zāi)強(qiáng)度。另外，營造針闊混交林，也是降低林下可燃物燃燒性能的一種有效方法。

該研究通過測定與燃燒性緊密相關(guān)的穩(wěn)定的理化指標(biāo)，對不同森林類型枯落物的燃燒性能進(jìn)行了綜合評價。但森林可燃物燃燒性除決定于其理化性質(zhì)外，還受氣候、地形等多種因素的綜合影響。在今后的研究中可加入地形、環(huán)境因素等信息，擴(kuò)大樣本數(shù)量，以更好地評估可燃物的燃燒性能，預(yù)測森林火災(zāi)的風(fēng)險等級。

參考文獻(xiàn)

［1］?BOWMAN D M J S，BALCH J K，ARTAXO P，et al.Fire in the Earth system［J］.Science，2009，324（5926）：481-484.

［2］ HE T H，LAMONT B B，PAUSAS J G.Fire as a key driver of Earths biodiversity［J］.Biological reviews of the Cambridge philosophical society，2019，94（6）：1983-2010.

［3］ PAUSAS J G，KEELEY J E.Wildfires as an ecosystem service［J］.Frontiers in ecology and the environment，2019，17（5）：289-295.

［4］ BOWMAN D M J S，KOLDEN C A，ABATZOGLOU J T，et al.Vegetation fires in the Anthropocene［J］.Nature reviews earth & environment，2020，1（10）：500-515.

［5］ ELLIS T M，BOWMAN D M J S，JAIN P，et al.Global increase in wildfire risk due to climatedriven declines in fuel moisture［J］.Global change biology，2022，28（4）：1544-1559.

［6］ 趙鳳君，王明玉，舒立福.森林火災(zāi)中的樹冠火研究［J］.世界林業(yè)研究，2010，23（1）：39-43.

［7］ MENNING K M，STEPHENS S L.Fire climbing in the forest：A semiqualitative，semiquantitative approach to assessing ladder fuel hazards［J］.Western journal of applied forestry，2007，22（2）：88-93.

［8］ WANG S，NIU S K.Fuel classes in conifer forests of southwest Sichuan，China，and their implications for fire susceptibility［J］.Forests，2016，7（3）：1-13.

［9］ 舒立福，王明玉，田曉瑞，等.關(guān)于森林燃燒火行為特征參數(shù)的計算與表述［J］.林業(yè)科學(xué)，2004，40（3）：179-183.

［10］ STEVENS R.Fuel loading，fuel moisture are important components of prescribed fire［J］.Rangelands，2005，27（5）：20-21.

［11］ 王明玉，舒立福，趙鳳君，等.北京西山可燃物特點(diǎn)及潛在火行為［J］.林業(yè)科學(xué)，2010，46（1）：84-90.

［12］ 沈露，伊力塔，余樹全，等.浙江省4種常綠闊葉樹種枯落物的燃燒特性比較［J］.林業(yè)資源管理，2012（3）：107-112.

［13］ 徐偉恒，吳超，楊磊，等.滇東北地區(qū)華山松與云南松的地表凋落物載量及火強(qiáng)度對比研究［J］.西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2019，39（5）：151-156.

［14］ 張國防，林文革，花昆福，等.杉木人工林地表易燃物含水率變化規(guī)律［J］.福建林學(xué)院學(xué)報，2000，20（1）：76-78.

［15］ FAURIA M M，MICHALETZ S T，JOHNSON E A.Predicting climate change effects on wildfires requires linking processes across scales［J］.Wiley interdisciplinary：Climate change，2011，2（1）：99-112.

［16］ MATTHEWS S.Dead fuel moisture research：1991-2012［J］.International journal of wildland fire，2014，23（1）：78-92.

［17］ CORNELISSEN J H C，GROOTEMAAT S，VERHEIJEN L M，et al.Are litter decomposition and fire linked through plant species traits？［J］.New phytologist，2017，216（3）：653-669.

［18］ WANG C Y，DENG X W，XIANG W H，et al.Calorific value variations in each component and biomassbased energy accumulation of redheart Chinese fir plantations at different ages［J］.Biomass and bioenergy，2020，134：1-10.

［19］ 李丹丹，張景忠，張念慈.林下草本植物燃燒性評價方法的探討［J］.林業(yè)勘查設(shè)計，2022，51（2）：15-17，21.

［20］ 張恒，敖子琦，烏日漢，等.內(nèi)蒙古大興安嶺主要喬灌樹種理化性質(zhì)及抗火性研究［J］.西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2020，40（4）：61-67.

［21］ 祝必琴，黃淑娥，田俊，等.亞熱帶季風(fēng)區(qū)不同林型可燃物理化性質(zhì)及燃燒性研究［J］.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，33（6）：1149-1154.

［22］ 王明霞，單延龍，尹賽男，等.11種樹種的樹皮抗火性［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2020，31（1）：65-71.

［23］ 肖麗，何玥，沈皓，等.四川省森林火災(zāi)分析與防災(zāi)減災(zāi)決策系統(tǒng)的研究［J］.電腦知識與技術(shù)，2022，18（12）：1-3.

［24］ 李云松.甘孜州林業(yè)資源現(xiàn)狀調(diào)查［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2013（13）：181-182.

［25］ 賀家仁.青藏高原東南緣——甘孜州的森林植物資源［J］.資源節(jié)約和綜合利用，1997（3）：52-54.

［26］ ZENG W S，TANG S Z，XIAO Q H.Calorific values and ash contents of different parts of Masson pine trees in southern China［J］.Journal of forestry research，2014，25（4）：779-786.

［27］ 趙璇，游瑋，晁志，等.秦嶺東段不同密度油松飛播林地表可燃物載量及其影響因素研究［J］.西北林學(xué)院學(xué)報，2022，37（1）：159-165.