吉林省主要園林樹種葉片抗火性分析與排序

周 勇，章 林，王曉娜，劉貴明，林 峰，孫景花，石 磊，章 森

（1.吉林省林業(yè)科學(xué)研究院，吉林 長春 130033；2.吉林省林業(yè)調(diào)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）

園林綠化植物在凈化空氣、減少熱島效應(yīng)、調(diào)節(jié)氣候、美化城市方面起到重要作用[1，2]。園林樹種是構(gòu)成城市園林的主體，其抗火性能研究是林分抗火性評價的重要組成部分。樹種不同，森林的抗火性具有差異[3，4]；同一種植物各器官的抗火性不同。通過對比分析葉片、小枝和樹皮的理化性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，葉片是植物最容易著火的器官[5]。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，是國內(nèi)外學(xué)者的主要研究對象之一。國內(nèi)學(xué)者通常是采用直接觀測樹種生物、生態(tài)學(xué)特征，直接進(jìn)行凋落物的火燒法、模擬火場實驗法，間接測定可燃物理化性質(zhì)等3方面進(jìn)行植物的抗火性評價研究。由于采用的研究方法不同，往往造成同一樹種的抗火性分析結(jié)果有差異[6，7]。王得祥等[8]通過研究樹種生物生態(tài)學(xué)特性，對秦嶺林區(qū)主要喬木樹種抗火性進(jìn)行綜合評判。鐘安建等[9]通過對南昌城區(qū)15個園林樹種的理化性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，表明抗火性能最強(qiáng)的是珊瑚樹，最差的是桂花。馬長樂等[10]對昆明地區(qū)常用的6種園林綠化灌木植物燃燒性進(jìn)行了比較，指出通過合理的選擇和配置，園林植物可起到防控和減少火災(zāi)損失的作用。

本研究選擇長春市城市綠化、森林公園和吉林莫莫格濕地生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站的44個園林樹種，對葉片進(jìn)行抗火性分析，通過因子分析法（Factor analysis method，F(xiàn)AM）與逼近理想解排序法（Technique for order preference by similarity to an ideal solution,TOPSIS），對吉林省主要園林樹種葉片抗火性進(jìn)行綜合評價，以探討該各樹種葉片抗火性是否顯著差異，驗證FAM分析與TOPSIS分析相結(jié)合的方法是否適合用于樹種葉片抗火性的綜合評價，以期為園林樹種抗火性研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究對象的選取及材料采集

2015年6月，在吉林省長春市城市綠化、森林公園和吉林莫莫格濕地生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站采集44個園林樹種功能葉片作為研究對象，包括樟子松（Pinus sylvestris L.var.mongholica）、長白落葉松（Larix olgensis）、紅皮云杉（Picea koraiensis）、火炬樹（Rhus Typhina L）、核桃楸（Juglans mandsh?uricaMaxim.）、蒙古櫟（Quercus mongolica）、新疆楊（Populus alba L.var.pyramidalis）、旱柳（Salix mat?sudana）、稠李（Prunus padus L.）、黃波羅（Phello?dendron amurense Rupr.）、銀中楊（Populus alba×P.berolinensis）、糖槭（Acernegundo L.）、梓樹（Catalpa ovata）、京桃（Prunus persica f.rubroplena）、小黑楊（Populus simonii×Populus nigra）、黑皮油松（Pinus tabuliformis var.mukdensisUyeki）、白樺（Betula platyphylla）、紅松（Pinus koraiensis）、翅衛(wèi)矛（Euon?ymus phellomana Loes.）、五角楓（Acer mono Max?im）、垂榆（Ulmus pumila var.pendula）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）、山杏（Prunus armeniaca）、紅瑞木（Cornus alba L）、紫丁香（Syringa oblata Lindl）、紫穗槐（Amorpha fruticosa）、金銀忍冬（Lonicera maackii（Rupr.）Maxim.）、山里紅（Cratae?gus pinnatifida Bge.Var.Major N.E.Br.）、榆葉梅（Prunus triloba Lindle.）、元寶槭（Acertruncatum?Bunge）、女貞（Ligustrum lucidumAit.）、珍珠梅（Sor?baria sorbifolia）、連翹（Forsythia suspensa（Thunb.）Vahl）、早錦帶花（Weigela praecox）、樹錦雞兒（Caragana arborescens（Amm.）Lam.）、黃刺玫（Ro?sa xanthina Lindl.）、刺玫薔薇（Rosa davurica Pall）、金山繡線菊（Spiraea×bumalda‘Gold Mound’）、鋪地柏（Sabina procumbens（Endl.）Iwata et Kusaka）、茶條槭（Acerginnala）、金葉榆（Ulmus pumila cv.jinye）、珍珠繡線菊（Spiraea thunbergii）、小葉丁香（Syringa microphylla Diels）、雞樹條莢蒾（Vibur?num sargentii）。每個樹種采集鮮葉片200 g，封口袋密封帶回，用于理化指標(biāo)試驗測定；另取均勻覆蓋1 m2地面葉片，用于火行為試驗指標(biāo)測定。

1.2 試驗方法

1.2.1 理化指標(biāo)測定

使用游標(biāo)卡尺測量鮮葉片厚度10次，取平均值作為該鮮葉片厚度（mm）；采用105℃烘干恒質(zhì)量法測定鮮葉片絕干含水率（M，%）；利用DW－02型點著溫度測定儀測量燃點（℃）；干灰化法測定灰分（%）；索氏提取法測定粗脂肪（%）；使用C6000型全自動氧彈量熱儀測定熱值（kJ/kg）。

1.2.2 火行為實驗

實驗前將覆蓋1 m2地面的葉片采用105℃烘干恒質(zhì)量法烘干至絕干，稱量樣品質(zhì)量（W0，kg·m2）后平鋪在1 m2火行為模擬實驗臺上，布置5 cm寬紅松引燃物。在絕干葉片蔓延過程中，每隔20 cm記錄火頭火焰長度（L，m）、火焰寬度（D，m）和燃燒時間（T，s），火熄滅后記錄剩余質(zhì)量（WR，kg·m2）。計算蔓延速度（R，m·min-1）、消耗質(zhì)量比（CE）、火線強(qiáng)度（I，kW·m-1）和駐留時間（τ，min）。其中：R=0.2/T，τ=60D/R，I=258L2.17，CE=（W0-WR）/WR，點燒時實驗室內(nèi)溫度范圍為23～28℃，空氣相對濕度范圍在59%～78%，靜風(fēng)。

1.3 葉片抗火性綜合評價

運用SPSS 19.0軟件，分別對葉片的理化性質(zhì)、火行為指標(biāo)進(jìn)行因子分析。因子分析是將多個變量綜合為少數(shù)幾個因子的一種多元統(tǒng)計方法，主體思想是從為數(shù)眾多的可觀測變量中概括和推導(dǎo)出少數(shù)幾個因子，來概括和解釋最大量的觀測事實，揭示事物之間本質(zhì)聯(lián)系。因子分析以相關(guān)系數(shù)矩陣為出發(fā)點，分析表達(dá)式中各指標(biāo)為經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化變換后的標(biāo)準(zhǔn)變量。

運用EXCEL 2007軟件對葉片理化性質(zhì)和火行為指標(biāo)的因子分析綜合得分進(jìn)行TOPSIS分析，TOPSIS法是在現(xiàn)有的對象中進(jìn)行相對優(yōu)劣評價的方法[11,12]。分析前先將兩類數(shù)據(jù)做由低優(yōu)指標(biāo)向高優(yōu)指標(biāo)轉(zhuǎn)化的指標(biāo)屬性趨同化處理（式1），再采用向量歸一化進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理（式2）；各指標(biāo)單調(diào)性一致后，將各個指標(biāo)的最高值集合起來，組成一個抗火性最強(qiáng)的最優(yōu)目標(biāo)Z+（式3），將各個指標(biāo)的最低值集合起來，組成一個抗火性最弱的最劣目標(biāo)Z－（式4）；采用歐氏距離法進(jìn)行計算（式5，6）物種各個特征指標(biāo)與Z+和Z－的距離，以此計算各評價對象與最優(yōu)目標(biāo)的接近程度Ci（式7）。TOP?SIS分析法的決策方式是，各個特征與Z+距離最近且與Z－的距離最遠(yuǎn)的樹種抗火性最強(qiáng)。

式中：Xij表示理化性質(zhì)、火行為指標(biāo)因子分析綜合得分矩陣中的第i行第j列元素。

2 結(jié)果與分析

2.1 理化性質(zhì)和火行為指標(biāo)的統(tǒng)計特征

表1給出了葉片理化性質(zhì)和火行為指標(biāo)的統(tǒng)計特征。紅皮云杉、垂榆、糖槭、稠李、樹錦雞兒和黃刺玫在室內(nèi)點燒實驗中不燃，因此火行為指標(biāo)統(tǒng)計分析時不含這6個樹種。超過75%的葉片絕干含水率超過100%；樟子松針葉厚度最大為3.1 mm，厚度在25%分位數(shù)下多為針葉樹種；梓樹抽提物含量最高為30.4%，90%的抽提物含量低于16.2%；灰分含量最高為金葉榆53.6%，75%的葉片灰分含量低于15.7%；燃點最高為榆葉梅269℃，各樹種燃點差別不大；熱值最高為黑松22 038 kJ/kg，平均值18 736 kJ/kg，超過75%的葉片熱值高于17 579 kJ/kg；蒙古櫟蔓延速度最快為0.71 m·min-1，火線強(qiáng)度最高為56.8 kW·m-1；黑松消耗質(zhì)量比最大96.0%；長白落葉松駐留時間最長為0.84 min。

2.2 基于因子分析方法的葉片抗火性評判

對44種葉片的6個理化性質(zhì)指標(biāo)和4個火行為指標(biāo)分別進(jìn)行因子分析，計算抗火性指標(biāo)的Pear?son相關(guān)系數(shù)。結(jié)果表明，理化性質(zhì)指標(biāo)中絕干含水率與厚度、熱值，厚度與抽提物、熱值，灰分與熱值均呈極顯著正相關(guān)，熱值與燃點呈顯著正相關(guān)；火行為指標(biāo)中蔓延速度與消耗質(zhì)量比、火線強(qiáng)度，消耗質(zhì)量比與火線強(qiáng)度均呈極顯著正相關(guān)，見表2和表3。

按照累積方差貢獻(xiàn)率≥85%的原則，兩類指標(biāo)的因子分析結(jié)果均保存了原始變量的大部分信息，能對大多數(shù)的數(shù)據(jù)給予充分的解釋和概括。其中：理化性質(zhì)指標(biāo)因子分析結(jié)果提取4個主成分，分別為l1、l2、l3和l4，累積方差貢獻(xiàn)率95.7%；火行為指標(biāo)因子分析結(jié)果提取2個主成分，分別為f1和f2，累積方差貢獻(xiàn)率87.3%。抗火性指標(biāo)因子得分信息見表4，表5。建立抗火性指標(biāo)因子得分模型。其中，理化性質(zhì)指標(biāo)因子得分模型：

l1=0.923×絕干含水率+0.559×厚度-0.177×抽提物+0.089×燃點-0.705×熱值，

l2=-0.006×絕干含水率+0.698×厚度+0.922×抽提物+0.014×燃點+0.087×熱值，

表1 理化性質(zhì)和火行為指標(biāo)的統(tǒng)計特征

表2 理化性質(zhì)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)

表3 火行為指標(biāo)相關(guān)系數(shù)

表4 理化性質(zhì)指標(biāo)因子得分信息

表5 火行為指標(biāo)因子得分信息

l3=0.019×絕干含水率+0.010×厚度-0.113×抽提物+0.970×燃點+0.127×熱值，

l4=-0.002×絕干含水率+0.170×厚度-0.066×抽提物+0.101×燃點+0.980×熱值。

火行為指標(biāo)因子得分模型：

f1=0.941×蔓延速度+0.878×消耗質(zhì)量比+0.859×火險強(qiáng)度+0.004×駐留時間，

f2=-0.068×蔓延速度+0.323×消耗質(zhì)量比-0.098×火險強(qiáng)度+0.989×駐留時間。

將這6個不燃樹種的火行為指標(biāo)統(tǒng)一設(shè)置為0.001，做占位處理。將各抗火性指標(biāo)的實測值和占位值進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，后分別代入理化性質(zhì)指標(biāo)因子得分模型和火行為指標(biāo)因子得分模型，將得到的各公因子分值分別代入理化性質(zhì)綜合得分l=（28.437l1+22.512l2+20.430l3+17.985l4）/89.364和火行為綜合得分f=（59.887f1+27.397）/87.283，得出理化性質(zhì)、火行為指標(biāo)綜合得分，見表6。

2.3 基于加權(quán)逼近理想解排序法的葉片抗火性比較

將44種葉片的理化性質(zhì)、火行為指標(biāo)綜合得分進(jìn)行TOPSIS分析，得到各樹種葉片的抗火性強(qiáng)弱評價值Ci和排序結(jié)果，見表7。44個樹種葉片抗火性最強(qiáng)的是五角楓，最弱的紅皮云杉。

3 結(jié)論與討論

對44個樹種葉片的理化指標(biāo)和火行為指標(biāo)的測定和分析表明，吉林省主要園林樹種葉片的理化性質(zhì)、林火行指標(biāo)存在差異，表現(xiàn)出對葉片抗火性不同程度的影響。理化性質(zhì)指標(biāo)的因子分析結(jié)果中公因子l1對絕干含水率、熱值，l3對灰分，l4對燃點的載荷系數(shù)大表明這3個公因子對葉片抗火性為高效影響，公因子l2對抽提物的載荷系數(shù)大表明對葉片抗火性為低效影響，這與已有關(guān)于理化性質(zhì)與抗火性能的研究結(jié)果相符[13-15]；火行為指標(biāo)的因子分析結(jié)果中公因子f1對

蔓延速度、消耗質(zhì)量比和火線強(qiáng)度的載荷系數(shù)均大表明對葉片抗火性為低效影響，公因子f2對駐留時間的載荷系數(shù)大表明對葉片抗火性為高效影響，這與國外已有研究結(jié)果相符[16-18]。對于針葉和闊葉樹種抗火性的研究表明，一般認(rèn)為闊葉樹抗火性要優(yōu)于針葉樹[2,5,19]。參考已有樹種抗火性的研究結(jié)果，本文獲得的葉片抗火性排序與已有樹種的研究結(jié)果相近，說明筆者的研究結(jié)果是合理的。喬木樹種五角楓、梓樹和樟子松等，灌木樹種早錦帶花、雞樹條莢蒾和珍珠繡線菊等均表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗火性，可以選擇作為園林樹種混交種植，提高城市綠化、森林公園的抗火性。

表6 理化性質(zhì)、火行為指標(biāo)綜合得分

表7 葉片抗火性比較

運用因子分析的方法進(jìn)行兩類指標(biāo)的評判得分，用逼近理想解排序法確定各樹種評判得分與最優(yōu)得分的接近程度，得出各個樹種葉片抗火性的合理評判。由于葉片抗火性只是樹種抗火性的一部分，在以后的研究工作中，可以考慮應(yīng)用本文的研究方法，對樹種其他部位器官的抗火性進(jìn)行評價，最終根據(jù)樹種各部分器官的評價結(jié)果，完成園林樹種抗火性的全面評價。

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