海南霸王嶺生物防火林帶阻隔林防火效能綜合評價

黎肇家，方發(fā)之，桂慧穎，吳鐘親，徐建輝

（海南省林業(yè)科學(xué)研究院/海南省紅樹林研究院，海南?？?571100）

森林火災(zāi)是對森林資源的一種毀滅性災(zāi)難[1-2]，其發(fā)生具有一定偶然性和不確定性[3]。近年來受到極端天氣和高溫氣候影響，世界范圍內(nèi)森林火災(zāi)頻繁發(fā)生，給環(huán)境生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)活動帶來巨大影響[4-5]。為了減少森林火災(zāi)發(fā)生頻率和減輕森林火災(zāi)帶來的損失，預(yù)防林火發(fā)生和阻隔林火蔓延一直是很多國家和地區(qū)林業(yè)主管部門工作重點(diǎn)[1,6]。為了應(yīng)對森林火災(zāi)發(fā)生的不確定性和偶然性，減輕森林資源受損程度，營建生物防火林帶是一項有效措施[1,7-8]。生物防火林帶作為一類特殊的阻隔帶，對延緩火情、阻隔火種傳播起到很好的控制作用[9]，為林火救險贏得時間[10]。因為生物防火林帶具有重要實踐應(yīng)用價值[1]，一直深受研究者的關(guān)注。國內(nèi)外研究者對生物防火林帶研究重點(diǎn)在區(qū)域性耐火樹種的篩選[8,11]、耐火樹種燃燒特性和可燃物含量[6,12]、生物阻隔帶地理空間規(guī)劃設(shè)計[13-14]等方面。生物防火樹種以耐火性樹種為主，為兼顧生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益，研究防火樹種生態(tài)學(xué)特性[15]和經(jīng)濟(jì)學(xué)特性[10]方面顯得十分重要。

雖然生物防火林帶建設(shè)和實踐應(yīng)用研究比較多[1]，但是生物防火林帶建成后需經(jīng)過很長時間才能真正發(fā)揮防火效能，因此有關(guān)于生物防火林帶建設(shè)評價研究比較少。已有不少學(xué)者對油茶（Camellia oleiferaAbel.）和 木 荷（Schima superbaGardn.et Champ.）改培型生物防火林帶阻隔體系防火效能評價體系進(jìn)行構(gòu)建[6]，并開展生物防火林帶防火功能評估[9]。海南熱帶雨林國家公園現(xiàn)有生物防火林帶數(shù)量有限，關(guān)于該區(qū)域生物防火林帶的研究更少。因此，對海南熱帶雨林國家公園霸王嶺現(xiàn)存生物防火林帶進(jìn)行防火效能綜合評價，可以為海南生物防火林帶建設(shè)后期撫育管護(hù)提供參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點(diǎn)與儀器設(shè)備

1.1.1 試驗地點(diǎn)

海南熱帶雨林國家公園霸王嶺位于海南島西南部，橫跨白沙縣、昌江縣和東方市3 個市縣，地理坐標(biāo)為108°55'58″～109°17'39″E，18°48'36″～19°12'38″N，面積872.16 km2。霸王嶺氣候類型為熱帶季風(fēng)氣候，終年高溫多雨。植被以熱帶植物為主，天然林和人工資源森林豐富，林內(nèi)生長著多種國家保護(hù)性動植物，坡壘（Hopea hainanensisMerr.&Chun）、海南蘇鐵（Cycas hainanensisC.J.Chen）為國家一級保護(hù)植物，海南梧桐（Firmiana hainanensisKosterm.）為國家二級保護(hù)植物。霸王嶺年均降雨量1 657 mm，有明顯雨季和旱季區(qū)分，雨季為7—10 月（大部分降雨量時間段），旱季為每年11 月至次年4 月。霸王嶺年均最熱溫度為32.8 ℃，極端高溫可達(dá)37.5 ℃，高溫常出現(xiàn)在春末、夏季時間段。霸王嶺降雨量隨著海拔增高而增加，因此空氣相對濕度也隨之增大，年均空氣相對濕度可達(dá)84.2%，導(dǎo)致土壤常年濕潤。旱季是森林防火重要時間段，霸王嶺森林防火工作在高溫天氣條件、旱濕兩季分明、林分風(fēng)速風(fēng)向受季風(fēng)影響較大等條件下面臨著嚴(yán)峻考驗。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

NK5500LINK 小型風(fēng)速儀氣象儀（深圳市億杰儀表有限公司），JC-TR-M3土壤水分溫度速測儀（青島聚創(chuàng)環(huán)保集團(tuán)有限公司），9030（A）電熱鼓風(fēng)干燥箱（南京沃環(huán)科技實業(yè)有限公司），JT2003D 千分之一電子天平（上海力辰儀器科技有限公司）。

1.2 樣地設(shè)置及樣品采集

1.2.1 樣地設(shè)置

2022 年3 月，根據(jù)海南熱帶雨林國家公園管理局霸王嶺分局提供生物防火林帶地理信息，根據(jù)典型性和代表性原則，選擇具有代表性的生物防火林帶為調(diào)查對象，取代表性地段設(shè)置3 個20 m×20 m 樣方為林火因子調(diào)查測量、枯落物采集、鮮葉樣品采集區(qū)域，選取生物防火林帶附近坡向、坡度、林分郁閉度較接近的天然林為參照，對參照林分林火因子調(diào)查測量，枯落物、鮮葉著火條件樣品采集。霸王嶺生物防火林帶火環(huán)境條件調(diào)查測量樣方基本信息如表1。

表1 霸王嶺生物防火林帶火環(huán)境條件調(diào)查樣方基本信息

1.2.2 樣品采集

霸王嶺生物防火林帶及參照林分枯落物樣品和鮮葉樣品，采集時間為2022 年3 月火災(zāi)高發(fā)季節(jié)。采用5 點(diǎn)取樣法采集每個大樣方內(nèi)4 個角和中心1 m × 1 m范圍內(nèi)枯落物。選擇位于采集區(qū)域3 棵長勢良好、受光充足、健康無病害、樹高胸徑為采集區(qū)域該樹種平均值的造林樹種為樣木。鮮葉樣品采集時，葉片從陽面樹冠上中下3 層成熟葉。對每個樣品做好標(biāo)記，并用干冰保存運(yùn)輸帶回實驗室，超低溫保存防止水分流失，以便后續(xù)研究。

1.3 數(shù)據(jù)測定

1.3.1 林內(nèi)小氣候條件測定

2022 年3 月，采用便攜式NK5500LINK 小型風(fēng)速儀氣象儀對霸王嶺防火林帶和參照林分林火環(huán)境因子測定。測量時間從10:00—16:00，每1 h測量1次。測量樣方4 個角和中心距地面1.5 m 處風(fēng)速、空氣溫度、空氣相對濕度。每個測量點(diǎn)重復(fù)讀取數(shù)據(jù)5 組。因測量時間存在差異，將防火林帶風(fēng)速、空氣溫度、相對濕度與參照林分作差法處理。

1.3.2 土壤含水量及厚度測定

2022 年3 月，采用便攜式JC-TR-M3 土壤水分溫度速測儀現(xiàn)場對生物防火林帶和參照林分20 cm 處土壤含水量測定。測定時間從10: 00—16: 00，每1 h 測定1 次。實測樣方4 個角和中心點(diǎn)土壤含水量，每個測量點(diǎn)重復(fù)測定5次。選擇合適斜面，拋開表層土壤，測量土層厚度。

1.3.3 枯落物重量及含水量測定

現(xiàn)場對樣方4 個角和中心1 m×1 m 范圍內(nèi)枯落物質(zhì)量測量。室內(nèi)稱取200 g 枯落物置于80 ℃條件下烘干24 h。重新測定干重，計算枯落物含水量。

1.3.4 鮮葉含水量及失水速率測定

將同一樣本相同規(guī)格無殘缺鮮葉混合，稱取15 g分3 份為3 次重復(fù)，每份5 g（5～6 片為宜）。1）鮮葉含水量測定：用水浸泡12 h 使葉片吸水飽和稱其鮮重，80 ℃條件烘干24 h，稱其干重計算含水量。2）失水速率測定：取經(jīng)清水浸泡12 h 后的葉片稱其鮮重，在50 ℃烘箱中分別烘干15、30、60、120、240 min；在不同時刻取出稱重并記錄損失，繪制鮮葉失水速率曲線。

1.4 構(gòu)建評價模型

1.4.1 評價指標(biāo)選取

根據(jù)指標(biāo)的全面性原則、導(dǎo)向性原則、層次性原則、可操作性原則、可區(qū)分性原則選取生物防火林帶評價指標(biāo)。1）選擇評價指標(biāo)：準(zhǔn)則層指標(biāo)樹種生長狀況（B1）、林內(nèi)小氣候（B2）、枯落物及鮮葉（B3）和立地條件（B4）。2）指標(biāo)層評價因子：樹高（C1）、胸徑（C2）、冠幅（C3）、樹齡（C4）、枝下高（C5）、空氣溫度（C6）、相對濕度（C7）、風(fēng)速（C8）、枯落物鮮重（C9）、枯落物含水量（C10）、鮮葉失水速率（C11）、鮮葉含水量（C12）、土壤含水量（C13）、土壤厚度（C14）、郁閉度（C15）和樹種密度（C16）。

1.4.2 評價指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)建立

采用AHP 層次分析法對霸王嶺生物防火林帶防火效能進(jìn)行綜合評價。以霸王嶺生物防火林帶阻隔林防火效能為總目標(biāo)層（A），以造林樹種生長狀況、防火林帶內(nèi)火環(huán)境、枯落物及鮮葉和立地條件為建立準(zhǔn)則層（B），以樹高、胸徑、空氣溫度、相對濕度等共16個指標(biāo)為指標(biāo)層（C），建立層次評價模型（見表2）。為確定各評價因子的相對重要性，需向有關(guān)從事森林防火領(lǐng)域研究的專家發(fā)出問卷，并統(tǒng)計問卷調(diào)查結(jié)果。

表2 霸王嶺生物防火林帶層次分析評價模型

1.4.3 判斷矩陣構(gòu)建

根據(jù)總目標(biāo)要求，綜合參考林學(xué)、森林防火專業(yè)人士對霸王嶺生物防火林帶防火能力的意見基礎(chǔ)上作出判斷。判斷矩陣模型以1～9標(biāo)度法構(gòu)造，由此得出A-B（準(zhǔn)則層相對于目標(biāo)層比較判斷）、B-C（指標(biāo)層因素相對于準(zhǔn)則層比較判斷），共5個判斷矩陣。相關(guān)公式如下：

式中，CI為一致性指標(biāo)，λmax為判斷矩陣相應(yīng)行列式的非零最大特征根，CR 為隨機(jī)一致性比率，RI為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。1～9標(biāo)度法RI值分別為0、0、0.52、0.89、1.12、1.26、1.36、1.41 和1.46。若CR＜0.1，則判斷該矩陣具有滿意的一致性，否則需調(diào)整矩陣達(dá)到滿意的一致性。

1.4.4 防火阻隔體系評分標(biāo)準(zhǔn)及評分方法確定

根據(jù)專家咨詢法要求，對相關(guān)防火專家進(jìn)行了問卷調(diào)查。結(jié)合防火林帶建設(shè)維護(hù)實踐經(jīng)驗，得出樹種生長狀況、林內(nèi)小氣候、立地條件、枯落物及鮮葉失水條件下相關(guān)因子結(jié)構(gòu)性矩陣。邀請參評人員對霸王嶺防火林帶防火效能指標(biāo)層進(jìn)行賦值。賦值打分標(biāo)準(zhǔn)參考劉廣菊等人對改培型生物防火林帶阻隔體系防火效能評價體系[6]。根據(jù)賦值打分結(jié)果計算出霸王嶺生物防火帶16個指標(biāo)的得分Ci，再根據(jù)層次分析法和加權(quán)平均進(jìn)行計算每個植物的綜合評價值Tj，以Tj進(jìn)行分級評價。綜合評價值Tj計算。

式中：Tj為綜合評價值，評分范圍0～3；Ci為指標(biāo)層第i 個指標(biāo)，評分范圍0～3 整數(shù)；i 為指標(biāo)層序號，編號范圍1～16；Wj為向量權(quán)重。

1.4.5 防火阻隔體系等級劃分

根據(jù)層次分析法向量權(quán)重評價結(jié)果，霸王嶺生物防火林帶防火效能優(yōu)越性等級劃分為4 個等級，分別用羅馬數(shù)字Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級表示。等級劃分詳見表3。

表3 霸王嶺生物防火林帶防火效能優(yōu)越性等級劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 防火林帶樹種生長狀況

調(diào)查到霸王嶺生物防火林帶優(yōu)勢樹種為大葉相思（Acacia auriculiformisA.Cunn.ex Benth）、南 亞 松（Pinus latteriMason）和木荷等喬木樹種（表4）。其中大葉相思為生物防火林帶造林樹種。喬木樹種平均樹高14.0 m，平均胸徑15.5 cm，平均冠幅6 m × 6.0 m，平均樹齡22 年，平均枝下高4.8 m，樹種密度1 875～2 375株·hm-2。

表4 霸王嶺生物防火林帶樹種生長狀況

2.2 防火林帶林內(nèi)小氣候

霸王嶺生物防火林帶在10:00—16:00 時間段內(nèi)，地表1.5 m 處空氣溫度與參照林分差值較小，空氣溫度差呈現(xiàn)先上升再下降趨勢（表5）。防火林帶地表1.5 m 處空氣溫度比參照林分空氣溫度最高為0.4 ℃，最低為低于參照林分0.2 ℃?？諝鉁囟炔钪递^小表明生物防火林帶植被條件與參照林分相似，導(dǎo)致林分植被吸收和輻射能量相差不大。霸王嶺生物防火林帶在10:00—16:00 風(fēng)速與參照林分風(fēng)速差相對較小，最大風(fēng)速差出現(xiàn)在15:00和16:00，風(fēng)速差均為0.04 m·s-1，其中15: 00 為生物防火林帶風(fēng)速高于參照林分風(fēng)速，16:00 為生物防火林帶風(fēng)速低于參照林分風(fēng)速。霸王嶺生物防火林帶在10:00—16:00與參照林分風(fēng)速差值上下波動，表明生物防火林帶遮風(fēng)效益與參照林分基本一致，風(fēng)經(jīng)過生物防火林帶內(nèi)并沒有得到明顯減速作用。霸王嶺生物防火林帶相對濕度并不是一直高于參照林分，而是上下起伏不穩(wěn)定狀態(tài)。相對濕度受光照和林分郁閉度影響較大，相對濕度差值忽高忽低表明生物防火林帶空氣濕潤程度與參照林分的差距不明顯，同時也反映了生物防火林帶防火效能不佳。

表5 霸王嶺防火林帶林內(nèi)小氣候與參照林分差

2.3 防火林帶土壤含水量及土壤厚度

將霸王嶺生物防火林帶和參照林分地表20 cm 深度土壤含水量經(jīng)土壤含水量作差處理，發(fā)現(xiàn)10:00—16:00 時間段土壤含水量差值變化量較?。ū?）。生物防火林帶土壤含水量部分時間段低于參照林分，部分時間段高于參照林分。其土壤含水量差最大出現(xiàn)在14:00，相差0.19%，差值較小。分析表明霸王嶺生物防火林帶土壤濕潤程度與周圍林分并沒有差異，其防火能力已經(jīng)消退，防火效能不明顯。刨土發(fā)現(xiàn)霸王嶺生物防火林帶和參照林分土壤厚度均大于100 cm。

表6 霸王嶺生物防火林帶與參照林分地表土壤含水量差

表7 霸王嶺生物防火林帶枯落物鮮重及含水量

2.4 可燃物含量及含水量

2.4.1 枯落物

霸王嶺生物防火林帶完全郁閉，樹冠茂密，已經(jīng)形成完整的植物群落，而完整的植物群落影響到枯落物的分解速度。試驗測量到霸王嶺生物防火林帶平均枯落物鮮重466.58 g·m-2，枯落物平均含水量為21.61%。屬于正常林分枯落物含量及含水量水平。但生物防火林帶主要作用是起到防火作用，枯落物是易燃物，在高溫天氣和干旱季節(jié)，枯落物含量越高，含水量越低，對防火越不利。因此霸王嶺生物防火林帶枯落物含量及含水量不利于防火效益發(fā)揮。

2.4.2 鮮葉

霸王嶺生物防火林帶造林樹種為大葉相思，平均含水率為62.79%（表8）。在50 ℃下，霸王嶺生物防火林帶大葉相思葉片失水速率表現(xiàn)為前120 min 較快，往后趨于平緩（圖1）。表明50 ℃下，大葉相思葉片在前120 min內(nèi)大部分水分損失掉，只有少部分水分保留。

圖1 霸王嶺生物防火林帶防火樹種鮮葉失水速率

表8 霸王嶺生物防火林帶鮮葉含水量

表9 霸王嶺生物防火林帶阻隔林防火效能指標(biāo)權(quán)重及評價結(jié)果

2.5 綜合評價

綜合評價模型采用1～9標(biāo)度法對霸王嶺生物防火林帶阻隔林防火效能判斷矩陣模型進(jìn)行構(gòu)建及一致性檢驗。結(jié)果可以看出，評價模型準(zhǔn)則層（B）對指標(biāo)層（C）樹種生長狀況、林內(nèi)小氣候、枯落物及鮮葉、立地條件指標(biāo)判斷矩陣隨機(jī)一致性比率CR 分別為0.098 9、0.034 5、0.082 2、0.034 5，CR 值均小于0.1，一致性檢驗均通過?？偰繕?biāo)層（A）對準(zhǔn)則層（B）評價模型判斷矩陣隨機(jī)一致性比率CR 為0.034 5，小于0.1，一致性檢驗通過。總層次類別判斷矩陣構(gòu)建并一致性檢驗發(fā)現(xiàn)目標(biāo)層（A）對指標(biāo)層（C）評價隨機(jī)一致性比率CR 為0.039 1，小于0.1，總層次一致性檢驗通過。因此霸王嶺生物防火林帶阻隔林防火效能評價模型判斷矩陣及評價因子權(quán)重具有滿意一致性。

層次分析法分析得出各個指標(biāo)對霸王嶺生物防火林帶阻隔林防火效能影響權(quán)重。可以看出，霸王嶺生物防火林帶對防火影響力較強(qiáng)的因子有空氣溫度、枯落物鮮重、相對濕度。顯然林內(nèi)小氣候和可燃物是影響防火林帶阻隔林火效益主要因素。根據(jù)層次分析法評價結(jié)果，霸王嶺生物防火林帶阻隔林防火效能評價綜合評價值為1.708 1，防火阻隔體系劃分等級為Ⅲ級。因此，霸王嶺生物防火林帶對林火阻隔效能一般，林分溫度、相對濕度、土壤含水率基本與周圍林分一致，但樹種生長良好。

3 小結(jié)與討論

3.1 小結(jié)

2022 年3 月對霸王嶺生物防火林帶樹種生長狀況調(diào)查和林內(nèi)小氣候條件測量發(fā)現(xiàn)，生物防火林帶樹種生長狀況良好。在10:00—16:00時間段內(nèi)生物防火林帶林內(nèi)相對濕度、空氣溫度、風(fēng)速與周圍參照林分相差較小，土壤地表20 cm 含水量變化較小?，F(xiàn)場測量霸王嶺生物防火林帶地表枯落物鮮重，發(fā)現(xiàn)在1.0 m×1.0 m 范圍內(nèi)，地表枯落物鮮重達(dá)466.58 g，地表枯落物含量比較高。經(jīng)室內(nèi)對生物防火林帶枯落物含水量和造林樹種葉片含水量、失水速率測定，試驗測定結(jié)果表明，霸王嶺生物防火林帶地表枯落物含水量較高，造林樹種葉片含水量高，失水速率緩慢。層次分析法綜合評價霸王嶺生物防火林帶阻隔林火防火效能等級為Ⅲ級，阻隔林防火效能不明顯。

3.2 討論

層次分析法對霸王嶺生物防火林帶綜合評價顯示，空氣溫度、枯落物鮮重、相對濕度對防火效能影響最大。這一觀點(diǎn)與劉廣菊、陳銳等的研究結(jié)果有所不同[6,16]，劉廣菊等人認(rèn)為防火林帶寬度對防火效益影響較大[6]，陳銳在廣州梳腦林場林火阻隔系統(tǒng)中認(rèn)為生物防火林帶結(jié)構(gòu)完整性權(quán)重最大[16]，但與趙潔認(rèn)為空氣濕度生物防火林帶影響最大價結(jié)果一致[17]。因而，研究表明影響防火林帶防火效益重要性因子存在差異。Cui 等人給出的解釋是，生物防火林帶的郁閉導(dǎo)致林內(nèi)枯落物質(zhì)量減少，降低枯落物燃燒能力，這是因為林帶郁閉作用形成獨(dú)立小氣候環(huán)境，促使林內(nèi)溫濕度、光照、風(fēng)速區(qū)別于外界，阻攔熱傳導(dǎo)起到了機(jī)械阻擋作用[18]。此次研究只對霸王嶺生物防火林帶阻隔林防火效能評價，不對生物防火林帶防火效益決定性因子作評價。根據(jù)以往研究結(jié)論，導(dǎo)致森林火災(zāi)發(fā)生的決定性因子是可燃物和空氣溫度[19-20]。有研究表明營建生物防火林帶后，林內(nèi)形成小氣候降低了可燃物著火條件[19,21]。因不同地區(qū)生物防火林帶防火效益評價結(jié)果的差異，也間接說明生物防火林帶防火關(guān)鍵性因素與不同區(qū)域地理環(huán)境、生物防火林帶經(jīng)濟(jì)措施、林木樹種生長狀況有關(guān)。因生物防火林帶主要作用是防火，營建生物防火林帶后，后期撫育管理是關(guān)鍵。一般人工撫育管理強(qiáng)度高、林帶立地條件好，有利于防火效能發(fā)揮[17]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，霸王嶺生物防火林帶建成后，撫育管理措施頻率低，導(dǎo)致其他樹種和雜灌生長數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過造林樹種，使生物防火林帶群落優(yōu)勢樹種不突出，群落逐漸往次生林方向演替。大葉相思為良好生物防火樹種，因經(jīng)營措施不佳，造林樹種防火效能未能得到良好體現(xiàn)。因此，生物防火林帶建設(shè)后經(jīng)營管理技術(shù)的完善還需要不斷加強(qiáng)。