山西省生物防火樹種選擇研究

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)測中心，山西 太原 030012；3.山西省桑干河楊樹豐產(chǎn)林實驗局油坊林場，山西 右玉 037200)

·試驗研究·

山西省生物防火樹種選擇研究

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)測中心，山西 太原 030012；3.山西省桑干河楊樹豐產(chǎn)林實驗局油坊林場，山西 右玉 037200)

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

山西??；生物防火；防火樹種；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，選擇防火樹種，營造防火林帶，進行林分改造，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，從而達到阻火、隔火、斷火的作用，減少森林火災(zāi)損失。篩選防火樹種是營造防火林帶的基礎(chǔ)，防火樹種要求具有較強的抗火能力、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)和火勢蔓延的主要物質(zhì)。同時，這些揮發(fā)物的燃燒釋放出大量的能量，也會促進其它成分燃燒。葉是最易燃燒的器官。因此，可將葉的燃燒熱值、含水率、燃點(點著溫度)3個理化性質(zhì)指標(biāo)作為各樹種的抗火能力特性指標(biāo)。而不同樹種物候期對林木防火的影響主要體現(xiàn)在該樹種發(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個樹種，測定其理化性質(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種，以期為山西省防火林帶的構(gòu)建、營造林防火樹種的選擇提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料及處理

在山西省太岳山國有林管理局選擇30個具有代表性、育苗栽培技術(shù)成熟的樹種，作為山西省生物防火樹種選擇的研究對象，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(Morusalba)、山楂(Crataeguspinnatifida)、杜梨(PyrusbetulifoliaBunge)、山杏(Prunusarmeniacavar.ansuMaxim)、合歡(AlbiziajulibrissinDurazz.)、皂莢(GleditsiasinensisLam.)、國槐(SophorajaponicaL.)、刺槐(RobiniapseudocaciaL.)、香花槐(Robiniapseudoacaciacv. Idaho)、黃櫨(Cotinuscoggygriavar.pubescensEngl)、五角楓(AcermonoMaxim)、棗(ZiziphusjujubeMill.)、柿樹(DiospyroskakiL.f.)、白蠟(Fraxinuschinensis)、臭椿[Ailanthusaltissima(Mill.)Swingle]、沙棘(HippophaerhamnoidesL.)和紫穗槐(AmorphafruticosaL.)。這30個樹種除樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)系當(dāng)?shù)毓珗@引種外，其它都是當(dāng)?shù)刂匾泥l(xiāng)土樹種。

分別于2014年5月和2015年5月，對每個被列入山西省生物防火樹種選擇研究對象的樹種，選定2株～3株生長良好的樹木為樣株，在其陽面樹冠的上、中、下3層取葉，每層采集樹葉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 燃燒熱值測定

燃燒熱值采用GR 3500型氧彈卡計測定，其計算公式如下：

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——樣品絕對干重，g.

1.2.2 葉片含水率的測定

采樣后立即稱樣品鮮重，烘干至恒重后稱其干重，含水率計算公式如下：

含水率(%)=(鮮重-干重)/干重×100%.

1.2.3 點著溫度測定

采用國產(chǎn)NS13-DW-02型點著溫度測試儀測定。

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，對被列入山西省生物防火林帶樹種選擇研究范圍內(nèi)的30個樹種的生長速度、長勢、萌發(fā)情況、物候期、樹皮厚度、不同年齡樹冠狀況、不同樹種的林地凋落物性質(zhì)及數(shù)量、各樹種的分布范圍等進行調(diào)查。同時查閱《山西省樹木志》、《山西省古稀樹木志》、《山西植物志》等文獻資料，對野外調(diào)查數(shù)據(jù)進行補充。采用Fuzzy方法，對各特征進行定性評判，見表1.

表1 基于生物學(xué)和生態(tài)學(xué)的樹木防火能力賦分值

1.2.5 樹種防火性能評判體系的構(gòu)建

采用層次分析法將影響樹種防火性能的各因素進行綜合評判，評判體系和各因子間重要性標(biāo)度見表2和第3頁表3.

表2 樹種防火性能綜合評判體系

2 結(jié)果與分析

2.1 樹葉的主要理化性質(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，熱值大的樹種能瞬間釋放巨大能量，在熱量輻射下毗鄰樹木水分散失快，迅速著火。樹葉含水率和燃點是影響火災(zāi)發(fā)生與蔓延的重要因子。防火林帶樹種的樹葉不燃燒，就能阻擋樹冠火的蔓延。因此，在考慮防火樹種燃燒性能時，主要依據(jù)樹葉的含水率、熱值與燃點。供試樹種樹葉的燃燒性能測定結(jié)果見表4.

表4 供試樹葉的主要燃燒性能

2.2 樹種的生態(tài)學(xué)和生物學(xué)特性分析

供試樹種的生態(tài)學(xué)和生物學(xué)特性得分見表5.

表5 供試樹種的生態(tài)學(xué)和生物學(xué)特性得分

2.3 因子重要性的判定分析

樹種防火性能影響評價體系分為A，B，C 3層。訪問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)對樹種防火性能影響的認識和相關(guān)知識經(jīng)驗，對第4頁表6～表8的判斷矩陣進行賦值，同時引用了相同領(lǐng)域3名專家在北京、廣西和云南地區(qū)防火樹種選擇研究中對防火樹種的指標(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頁表9.

2.4 樹種防火能力的綜合分析

把不同量綱的目標(biāo)項目換算成同一效用單位,根據(jù)各指標(biāo)對防火性能的作用,選擇公式(1)或(2)對原始數(shù)據(jù)進行歸一化處理。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。在防火樹種的評判指標(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)以下公式計算各樹種的綜合評價值：

式中：ωi——各樹種的綜合評價值；

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

Uij——各指標(biāo)歸一化處理后的值。

依據(jù)ωi值的大小確定各樹種的抗火次序,結(jié)果見第5頁表10.

表8 判斷矩陣B2Cn(n=4，5…9)賦值

表9 各指標(biāo)相對于目標(biāo)層的權(quán)重

2.5 樹種防火能力等級分析

根據(jù)30個供試樹種防火能力的綜合得分，將其劃分為4個防火能力等級，見表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)中得到了驗證，符合實際。在2007年4月11日撲救安澤縣府城林場森林大火時，大火燃至劉卜莊劉卜嶺刺槐林帶時，火勢減小，撲救人員依托該刺槐林帶截斷了火頭，為撲救該場大火贏得了機會?；馂?zāi)現(xiàn)場調(diào)查時，作者發(fā)現(xiàn)散生分布的臭椿、新疆楊、國槐、香花槐、旱柳和山杏95%沒有被燒死。油松林無論地表火還是林冠火，過火后100%都被燒死。太原市林場消防隊員2010年4月6日在太原市西山森林撲救火災(zāi)時，火頭燃至楊樹林帶，火勢驟然減小。該楊樹林都為高大山楊，樹干通直，下木很少，結(jié)構(gòu)疏散，消防人員迅速穿過林帶，在楊樹林旁布好風(fēng)力滅火機，點起迎面火，在3臺風(fēng)力滅火機作用下迎面火逆勢與燃來火頭相遇，余火燃盡剩余的小塊松樹林后熄滅。作者在火災(zāi)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)零星分布的山杏、山楊、遼東櫟、山楂樹雖然樹皮有大面積燒疤，但依然生長良好。

表10 供試樹種防火能力綜合得分

表11 供試樹種防火能力等級

2) 雖然絕大部分研究在山西省太岳山進行，但研究成果可以在山西省全境應(yīng)用。刺槐、柿樹、新疆楊、臭椿、國槐、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、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)的主要造林樹種。在具體應(yīng)用時，可以根據(jù)樹種的自然分布和防火能力等級進行選擇。

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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

國家林業(yè)局“948”項目(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)，高級工程師。

S762.3

A

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