森林可燃物含水率的大小决定其点燃难易程度和燃烧蔓延的快慢(Stephen et al.1996; 文定元, 1995; 胡海清, 1995; Shan et al., 2002), 进而影响火强度等林火的行为(舒立福等, 2004; 郑焕能等, 1994)。国内外对可燃物含水率的研究很多, 但是, 对可燃物的初始点燃含水率(指可燃物可以引燃但取消火源后不能蔓延时的含水率称为初始点燃含水率, 简称为点燃含水率)和初始蔓延含水率(可燃物引燃后即使移走火源亦能蔓延而不熄灭时的含水率称为初始蔓延含水率, 简称为蔓延含水率)(胡海清, 2005)进行专门的研究尚未见报道。不同可燃物的点燃含水率和蔓延含水率有很大的差异, 数值越大, 可燃物越不易被引燃和蔓延缓慢; 相反, 数值越小, 可燃物越易引燃, 且容易蔓延。在森林防火实践中, 可根据不同森林可燃物的点燃含水率和蔓延含水率的大小, 所采取相应的预防和扑救措施; 同时, 可将点燃含水率和蔓延含水率数值的大小作为防火树种选择的重要指标。因此, 研究可燃物的点燃含水率和蔓延含水率不仅能揭示不同种类可燃物在相同的环境条件下点燃和蔓延的难易程度, 同时对于森林防火实践中防火树种的选择, 以及防火灭火用火等均具有重要的理论指导意义和实际应用价值。

1 材料与方法 1.1 材料来源

试验材料来源于东北林业大学帽儿山实验林场。该林场位于黑龙江省尚志市境内, 属长白山系张广才岭西部, 127°29′—127°44′N; 45°14′—45°29′E。该区植被属长白植物区系, 是东北东部山区较典型的天然次生林区。原地带性顶极为红松(Pinus koraiensis)阔叶林, 经过采伐和其他人为破坏后形成各种类型的天然次生林和人工林, 如山杨(Populus davidiana)林、白桦(Betula platyphylla)林、杂木林、蒙古栎(Quercus mongolica)林、硬阔叶林和兴安落叶松(Larix gmelinii)、红松、樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)、红皮云杉(Picea koraiensis)等人工针叶林。森林覆被率为70.2 %。

本研究选取帽儿山实验林场分布的30种主要树种和灌木:树锦鸡儿(Caragana arborescens)、山丁子(Malus baccata)、刺榆(Hemiptelea davidii)、卫矛(Euonymus alatus)、枫杨(Pterocarya stenoptera)、暖木条荚迷(Viburum burejaeticum)、秋子梨(Pyrus ussuriensis)、山楂(Crataegus pinnatifida)、华北卫矛(Euonymus maackii)、油松(Pinus tabulaeformis)、黄花忍冬(Lonicera chrysantha )、红皮云杉、色木槭(Acer mono)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、杜鹃(Rhododendron simsii)、沙冷杉(Abies holophylla)、契叶茶藨(Ribes diacantha)、叶底珠(Securinega suffruticosa)、黄波罗(Phellodendron amurense)、山杨、糖槭(Acer saccharum)、乌苏里鼠李(Rhamnus davurica)、刺五加(Acanthopanax senticosus)、黑桦(Betula nigra)、东北溲疏(Deutzia amurensis)、山皂荚(Gleditsia japonica)、东北茶藨(Ribes mandshuricum)、接骨木(Sambucus uilliamsii)、东北山梅花(Philadelphus schrenkii)、梓树(Catalpa ovata)。对选取的树种在生长期间(6月份)和非生长期间(4月份)随机采集鲜叶和枯叶作为试验材料。每个树种每次采样3个, 每个样品约200 g, 分别装入布袋, 现地称定质量并分别在布袋上和记录本上记录样品的实际质量, 带回实验室备用。

1.2 测定方法

样品用电热鼓风干燥箱在105 ℃条件下进行干燥, 称量用精度0.1 g的电子天平。

1.3 测定步骤

1) 将装有可燃物的标准布袋放入105 ℃的烘干箱内连续烘8 h。断电后取出布袋再用电子天平称量, 2次称重差值不超过0.1 g。

2) 将可燃物放入水中浸泡5 min, 直至可燃物含水率达到饱和。

3) 将每组样品分为2份, 在实验室内进行点烧实验:将叶子散乱地放在燃烧床上, 密实度适中, 枯叶可燃物的厚度为5 cm, 将燃着的火柴置于可燃物上。

4) 开始时每隔30 min翻转可燃物1次, 使其均匀失水, 并用火柴点烧可燃物, 如可燃物不能燃烧, 则继续风干。到后期, 每隔5 min翻转可燃物1次, 并用火柴点烧可燃物。

5) 多次重复步骤4)直到刚好能燃烧为止。一份装入标准信封, 封好称质量; 另一份继续重复实验步骤4), 直到可燃物刚好能蔓延为止, 迅速装入烘干后的标准信封, 封好放在调零后的电子天平上称质量。

6) 公式计算:样品含水率(%)=(试样鲜质量-试样干质量)试样鲜质量×100 %。

2 数学分析方法 2.1 因子分析法

因子分析是研究相关矩阵的内部关系, 将多个变量综合为少数几个因子的一种多元统计方法。因子分析基本思想是从为数众多的可观测变量中概括和推导出少数几个因子, 用最少的因子来概括和解释最大量的观测事实, 从而建立起最简洁、最基本的概念, 揭示出事物之间最本质的联系。因子分析的数学模型为:

其中:m ≤p, f₁, f₂, …, f_m为公因子, 它们是各变量中共同出现的因子; ε₁, ε₂, …, ε_p为特殊因子, 是指对某个特定的变量起作用的因子, 在实际模型中往往忽略不计; a_ij叫因子载荷, 是第i个变量在第j个因子上的负荷, 若某一变量在某一因子上的载荷越大, 则与该因子相关程度越高。

2.2 聚类分析法

聚类分析是研究分类问题的一种多元统计方法。聚类分析基本思想是认为所研究的样品之间存在着不同程度的相似性, 于是根据一些能够度量样品之间相似程度的统计量, 以这些统计量为分类依据, 划分不同的类型。样本之间的亲疏程度主要通过样本之间的距离、样本间的相关系数来度量。本文对距离的测度方法为欧氏距离平方, 即各样本每个变量值之差的平方和, 计算公式为:

其中, k表示每个样本有k个变量; X_i表示第1个样本在第i个变量上的取值; Y_i表示第2个样本在第i个变量上的取值。

聚类的方法为类间平均链锁法(between-groups linkage), 这里的平均距离是对所有样本对的距离求平均值。

2.3 统计分析

运用统计软件Spss 11.5 for windows进行统计分析。

3 结果与分析 3.1 排序计算结果与分析 3.1.1 主成分的提取

对4个变量进行因子分析, 其计算结果与分析见表 1。表 2相关系数矩阵提供了提取因子的依据。按照累积方差贡献率≥ 85 %的原则, 在树叶燃烧性的因子分析中, 选取了前3个公共因子, 累计方差贡献率为89.854 %, 完全符合要求。

从表 2可以看出, 大部分相关系数大于0.3, 适用于因子分析方法。从表 3可以看出, 选取的3个公共因子在树叶抗火性分析中已包括大部分的信息, 能对大多数的数据给予充分的解释和概括。因为本文提取公共因子的方法是主成分法, 所以因子矩阵又可称为公共因子矩阵。没有经过正交旋转的因子矩阵见表 4。

3.1.2 因子得分模型的建立

根据表 3数据可以认为用以上的3个公共因子代替原始4个变量, 能够概括原始变量所含信息的89.854 %。在树叶抗火性的分析中, 可以认为这一因子提取结果比较理想, 但是由于每一因子中各原始变量的系数没有很明显的差别, 要对这3个公共因子命名就不容易。为了使各因子对各变量的载荷系数有比较明显的差别, 需要对因子载荷矩阵进行旋转, 使载荷值的平方向1和0分化。这里选用方差最大化正交旋转方法, 经过4次旋转迭代后, 得载荷矩阵如表 5所示。

从表 5可以看出, 经过旋转后载荷系数已明显地两极分化, 第1公因子f₁对鲜叶初始点燃含水率和鲜叶初始蔓延含水率有绝对值较大的载荷系数, 所以将f₁解释为“鲜叶抗火性”因子, f₁的方差贡献率为46.375 %; 第2公因子f₂对枯叶初始蔓延含水率有最大的载荷系数, 所以, 可以将f₂解释为“枯叶初始蔓延含水率”因子, 其方差贡献率为24.914 %, 说明f₂所反映的因素较显著; 第3公因子f₃对枯叶初始点燃含水率有最大载荷系数, 所以, 可以将f₃解释为“枯叶初始点燃含水率”因子, 其方差贡献率为18.564 %。

由表 6, 建立因子得分模型如下:

4.1.3 树叶燃烧性排序模型的建立与排序分析

将原始变量的标准化值代入得分模型, 就可得到各种树叶的公因子得分值。再把f₁, f₂, f₃代入f=(38.575f₁ +26.077f₂ +25.202f₃)/89.854(即以各因子的方差贡献率占3个因子总方差贡献率的比重作为权重, 进行加权汇总), 就可以得到各树种树叶的综合得分, 见表 7。

有了各个公共因子的合理解释, 在结合各个树种3个公共因子得分和综合得分, 就可对各种树叶燃烧性性进行评价。

在“鲜叶燃烧性”因子f₁上得分较高(较不易燃)的是山皂荚、黑桦、东北茶藨、接骨木、东北山梅花、刺五加、山杨、红皮云杉、糖槭、色木槭、梓树; 得分较低(较易燃)的是树锦鸡儿、刺榆、油松、卫矛、华北卫矛、枫杨、沙冷杉、山丁子、暖木条荚迷、黄花忍冬。

在“枯叶初始点燃含水率”因子f₃上得分较高(较不易燃)的是东北溲疏、黄波罗、乌苏里鼠李、刺槐、枫杨、杜鹃、油松、东北茶藨、东北山梅花; 得分较低(较易燃)的是色木槭、树锦鸡儿、刺榆、山楂、山丁子、秋子梨、山杨、卫矛、沙冷杉、接骨木。

在“枯叶初始蔓延含水率”因子f₂上得分较高(较不易燃)的是沙冷杉、接骨木、山皂荚、东北山梅花、叶底珠、东北茶藨、黑桦、山杨、刺榆; 而得分较低(较易燃)的是红皮云杉、枫杨、刺槐、色木槭、糖槭、山丁子、华北卫矛、树锦鸡儿、卫矛、杜鹃。

结合综合得分与各变量在各树种上的得分值, 对所分析的30种树叶燃烧性进行综合评价:

较不易燃(较抗火)的是:山杨、糖槭、乌苏里鼠李、刺五加、黑桦、东北溲疏、山皂荚、东北茶藨、接骨木、东北山梅花、梓树;

较易燃(抗火性较差)的是:树锦鸡儿、山丁子、刺榆、卫矛、枫杨、暖木条荚迷、秋子梨、山楂、华北卫矛、油松。

3.2 可燃物燃烧性分类

运用Spss 11.5 for windows统计软件中的分层聚类(hierarchical cluster analysis), 聚类的方法为类间平均链锁法, 以f₁、f₂、f₃ 3个公共因子为变量, 对距离的测度方法为欧氏距离的平方。分为5类, 如表 8所示。A类(易燃):包括华北卫矛、油松、刺槐、枫杨、杜鹃; B类(较易燃):包括红皮云杉、糖槭; C类(可燃):包括卫矛、山丁子、刺榆、山楂、秋子梨、黄花忍冬、树锦鸡儿; D类(较难燃):包括黑桦、山杨、黄波罗、沙冷杉、接骨木、东北山梅花、叶底珠、山皂荚、契叶茶藨、东北茶藨、刺五加、乌苏里鼠李、东北溲疏; E类(难燃):包括梓树、色木槭。结合因子分析结果总结为:A、B、C类抗火性差; D类较差; E类抗火性很好。

4 结论与讨论

从可燃物点燃含水率和蔓延含水率指标测定, 结合最后综合得分, 确定30个乔灌木树种中抗火性较好的树种是:山杨、糖槭、乌苏里鼠李、刺五加、黑桦、东北溲疏、山皂荚、东北茶藨、接骨木、东北山梅花、梓树; 抗火性较差的树种是:树锦鸡儿、山丁子、刺榆、卫矛、枫杨、暖木条荚迷、秋子梨、山楂、华北卫矛、油松。以上结论可供该区域在森林防火实践中选择防火树种时参考。

在林火基础研究领域, 国外非常重视森林可燃物含水率的研究, 特别是在林火预报研究领域, 可燃物含水率的研究显得特别重要(Stephen et al., 1996; 骆介禹, 1992; 张景群, 1999; 田晓瑞, 2003)。但是, 对可燃物的点燃含水率和蔓延含水率进行专门研究并不多见。可以说, 森林可燃物点燃含水率和蔓延含水率的概念是我国林火研究者提出来的, 也曾有人做过这方面的试验, 但至今未见文献报道。本文在树种选择上选取了帽儿山实验林场范围内分布的部分乔灌木树种, 且多以灌木为主, 有些主要树种, 如兴安落叶松、水曲柳(Fraxinus mandshurica)、胡桃楸(Juglans mandshurica)、红松、樟子松等树种未被选取, 主要是此类树种燃烧性在以前的研究已基本清楚, 红松、樟子松等非常易燃; 而兴安落叶松、水曲柳、胡桃楸等树种属于难燃类型, 可作为良好的防火树种(郑焕能, 1994; 胡海清, 1995)。本研究的主要目的是选取一些东北林区常见的灌木, 通过其点燃含水率和蔓延含水率的研究, 选择一些防火灌木。在东北林区森林防火实践中, 营造乔木防火林带周期较长, 见效较慢; 而营建灌木防火林带可大大缩短培育期, 使其在短时间内就能发挥防火的功效。本文是初步研究, 选择的树种少, 有些重要的树种灌木未能选取。今后准备对更多的树种和灌木, 乃至草本植物进行全面、系统地类似研究, 为东北林区的生物防火提供更可靠的理论依据。