林业科学  2015, Vol. 51 Issue (3): 102-108   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150313
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文章信息

梁琴, 陶建平, 邓锋, 王微, 方文, 何平
Liang Qin, Tao Jianping, Deng Feng, Wang Wei, Fang Wen, He Ping
喀斯特山区9种常见树木叶片在防火期的阻火性分析
Fire Resistance of Leaves During Fire Prevention Period of Nine Common Tree Species in Karst Mountain Regions
林业科学, 2015, 51(3): 102-108
Scientia Silvae Sinicae, 2015, 51(3): 102-108.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150313

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收稿日期：2013-12-06
修回日期：2014-05-22

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何平

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梁琴, 陶建平, 邓锋, 王微, 方文, 何平. 2015. 喀斯特山区9种常见树木叶片在防火期的阻火性分析[J]. 林业科学, 51(3): 102-108.
Liang Qin, Tao Jianping, Deng Feng, Wang Wei, Fang Wen, He Ping. 2015. Fire Resistance of Leaves During Fire Prevention Period of Nine Common Tree Species in Karst Mountain Regions. Scientia Silvae Sinicae, 51(3): 102-108.  DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150313
喀斯特山区9种常见树木叶片在防火期的阻火性分析
梁琴1, 2, 陶建平1, 邓锋3, 王微1, 4, 方文1, 5, 何平1     
1. 西南大学生命科学学院 三峡库区生态环境教育部重点实验室 重庆市三峡库区植物生态与资源重点实验室 重庆 400715；
2. 贵州工程应用技术学院生态工程学院 毕节 551700；
3. 贵州工程应用技术学院化学工程学院 毕节 551700；
4. 重庆文理学院林学与生命科学学院 重庆 402168；
5. 重庆市林业科学研究院 重庆 400036
收稿日期：2013-12-06；修回日期：2014-05-22
基金项目：中央高校基本科研业务费专项(XDJK2011C088)。
通讯作者：何平
摘要：【目的】贵州是世界上喀斯特地貌发育最为典型的地区之一，生态环境脆弱，林火干扰严重。研究该区域树种阻火性，可为完善树种阻火性评价方法、筛选适宜的生物防火树种提供依据，并为喀斯特山区植被恢复提供参考。【方法】以贵州省毕节市喀斯特山区的云南杨梅、珍珠荚蒾、小叶女贞、粉叶栒子、椭圆叶越桔、茅栗、杜鹃、火棘、杉木等9种常见树木为研究对象，于2012年11月底(该区防火期为10月至次年5月)采集植株阳面的健康叶片(按树冠上、中、下3个部位进行采集)，测定叶片的苯-醇抽提物含量、灰分含量、着火时间和燃烧热值4个理化性质指标，利用主成分分析结合加权逼近理想解排序分析法研究叶片在防火期的阻火性。【结果】珍珠荚蒾和茅栗的抽提物含量分别为云南杨梅的2.12和1.97倍；云南杨梅和珍珠荚蒾的灰分含量最高，而茅栗、椭圆叶越桔和小叶女贞最低；小叶女贞、茅栗和粉叶栒子的着火时间最长，而火棘、杉木和杜鹃最短；燃烧热值最高的是茅栗、椭圆叶越桔和小叶女贞，其次是杉木、粉叶栒子和火棘，最低的是云南杨梅。着火时间对阻火性影响最大，抽提物含量次之，再次是灰分含量，而燃烧热值的权重最小。9种树木叶片的阻火性大小依次为：云南杨梅＞椭圆叶越桔＞小叶女贞＞粉叶栒子＞茅栗＞珍珠荚蒾＞杜鹃＞火棘＞杉木。【结论】云南杨梅、椭圆叶越桔和小叶女贞的阻火性比较强，适合作为毕节喀斯特区的防火植物。主成分分析定权结合加权TOPSIS法适合对植物的阻火性进行合理评判。
关键词： 岩溶山区    生物防火    林火    燃烧性    抗火性    
Fire Resistance of Leaves During Fire Prevention Period of Nine Common Tree Species in Karst Mountain Regions
Liang Qin1, 2, Tao Jianping1, Deng Feng3, Wang Wei1, 4, Fang Wen1, 5, He Ping1     
1. Chongqing Key Laboratory of Plant Ecology and Resources Research for Three Gorges Reservoir Region Key Laboratory (Ministry of Education) of Eco-environments of Three Gorges Reservoir Region School of Life Sciences, Southwest University Chongqing 400715;
2. School of Ecological Engineering, Guizhou University of Engineering Science Bijie 551700;
3. School of Chemistry and Chemical Engineering, Guizhou University of Engineering Science Bijie 551700;
4. Department of Forest and Life Sciences, Chongqing University of Arts and Science Chongqing 402168;
5. Chongqing Academy of Forestry Chongqing 400036
Abstract: [Objective] Guizhou province of China is one of the most typical karst regions in the world, at the same time, its fire disturbance is highly representative in the national forest fires. With the fragile karst environment plus severe forest fire disturbance, the fire prevention is particularly important and urgent in the Karst mountain regions of Guizhou province. Among the many fire prevention measures, the biological firebreak with its versatile, and long-term advantage, has attracted much attention of scholars and managers. The primary task of biological firebreak is to select the appropriate pyrophyte (the plants with good fire resistance). However, there is few study focus on the pyrophyte selection for karst mountain regions. On the other hand, with regard to pyrophyte selection, there is no uniform evaluation method up to now. It's necessary to select appropriate fire-resistant tree species which are also suitable for growing in karst mountain regions,[Method]we investigated 9 common tree species from karst mountain regions of northwest Guizhou. Based on the measurements of four leaf traits (benzene-alcohol extract content, ash content, ignition time and heat value) during fire prevention period, we used the Principal Component Analysis (PCA), combined with the Weighted-Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution (W-TOPSIS), to analyze the fire resistance. [Result]The Viburnum foetidum var. ceanothoides' s and Castanea seguinii' s benzene-alcohol extractive content were 2.12 and 1.97 times higher than Murica nana' s; The ash content of M. nana'sand V. foetidum var. ceanothoides' were the highest, and Castanea seguinii's, Vaccinium pseudorobustum's and Ligustrum quihoui's were the lowest; The ignition time of L. quihoui, Castanea seguinii and Cotoneaster glaucophyllus var. glaucophyllus were the longest, and Puracantha fortuneana, Cunninghamia lanceolata and Rhododendron simsii were the shortest; The highest heat value were Castanea seguinii's, V. pseudorobustum's and Ligustrum quihoui's, followed by Cunninghamia lanceolata's, Cotoneaster glaucophyllus var. glaucophyllus's and Pyracantha fortuneana's, and Myrica nana's was the lowest; the indicator of greatest impact on fire resistance was ignition time, followed by extractive content, and then ash content, and, heat value was the smallest. The fire resistance order of the nine tree species was as follows: Myrica nana > Vaccinium pseudorobustum > Ligustrum quihoui > Cotoneaster glaucophyllus var. glaucophyllus > Castanea seguinii > Viburnum foetidum var. ceanothoides > Rhododendron simsii > Pyracantha fortuneana > Cunninghamia lanceolata. [Conclusion]The result suggests that the integration of PCA and W-TOPSIS is suitable to assess the fire resistance of plants. The Myrica nana, Vaccinium pseudorobustum and Ligustrum quihoui are suitable to be planted in the study region as high fire-resistant tree species.
Key words: Karst mountain area    biological fire prevention    forest fire    combustibility    fire resistance    

喀斯特地区的生态环境十分脆弱，受干扰后逆向演替快，顺向演替慢，自然恢复时间长，难度大，其环境保护(如石漠化防治)与可持续发展具有全球性战略地位(喻理飞等，2000；熊康宁等，2002)。林火是森林的显著干扰因子，可在短时间内大面积毁坏或改变森林的组成和结构，提升大气CO2浓度，改变全球气候(Cochrane，2003；Bowman et al.，2009；李修鹏等，2013)。生态环境脆弱的喀斯特山区一旦发生林火很容易导致森林退化，甚至逆向演替形成新的石漠化地块。贵州地处中国喀斯特集中分布区的中心，是国内历年来森林火灾次数最多、受害面积最大的省区之一，并且随着全球变暖，其所处的西南地区林火发生起数还有上升趋势(杜永胜等，2006；Solomon，2007；田晓瑞等，2012；陶玉柱等，2013)。能否降低林火的发生率及受害森林面积，对于保护该区森林，防止或减缓该区石漠化进程十分关键(喻理飞等，2002；张喜等，2011)。

生物防火是利用植物的阻火性来防止或减少林火损失的措施。在众多防火措施中，生物防火以其多能、长效的优势，受到越来越多学者的关注(单延龙等，2005；梁瀛等，2011；唐伟，2012)。阻火性是指阻绝林火或通过延缓起火时间、减少可燃性成分以及降低热量等方式以达到阻滞火势蔓延成灾的能力。树种不同，森林的阻火性也有差异(谢玉敏等，1999；舒立福等，2000)；同一种植物各器官的阻火性也不一致。通过对比分析叶片、小枝和树皮的理化性质发现，叶片是植物最容易着火的器官(田晓瑞等，2001；祝必琴等，2011)。在研究植物的阻火性时，许多研究者也都关注叶片的燃烧性质(单延龙等，2003；Alessio et al.，2008)，但是关于叶片阻火性的综合比较，目前还没有统一的评判方法。常见的方法是通过测定叶片的灰分和抽提物含量等，然后采用A.I.D.分析、灰色关联度分析或因子分析建立数学模型来对植物阻火性进行比较，进而筛选难燃植物(陈存及等，1994；单延龙等，2003；肖金香等，2011)。上述方法计算过程往往比较复杂，或者指标权重的确定具有主观性，导致方法不便于推广。此外，由于采用的研究方法不同，往往造成同一树种的阻火性分析结果有差异(孙岩等，2001；单延龙等，2003)。

本研究选择毕节市喀斯特山区的常见树木，对其叶片在防火期的阻火性进行分析，并尝试一种基于主成分分析(principal component analysis，PCA)和加权逼近理想解排序(weighted technique for order preference by similarity to ideal solution W-TOPSIS)法相结合的方法对阻火性进行评判，以探讨该区域常见树种间阻火性是否有显著差异，在该区寻找阻火性较强的乡土植物，验证PCA分析与W-TOPSIS分析相结合的方法是否适合用于树种阻火性差异的综合评判，以期为植物阻火性分析方法研究以及喀斯特山区的植被恢复提供参考。

1 研究区概况

贵州省毕节市(26°21′—27°46′ N，103°36′—106°43′ E)为全国石漠化的重点防治区域之一。全市总面积2.69万km2，喀斯特面积占79.31%，石漠化面积占24.36%；平均海拔1 511 m，大部分地区属于北亚热带湿润季风气候区，年均温10.5～15.1 ℃，年均降水量850～1 450 mm。该区有较为明显的旱季和雨季，全年降水主要集中于夏季，且常出现凝冻天气，增加了折倒木和枯枝落叶等易燃物的积累，林地透光增温，增加了森林火灾的隐患。每年10月至次年5月为该区的森林防火期。据统计，2005—2009年仅毕节市七星关区每年发生火灾就达102～237起。

2 材料与方法 2.1 试验材料

于2012年11月底在毕节市典型的喀斯特山区选择云南杨梅(Myrica nana)、珍珠荚蒾(Viburnum foetidum var. ceanothoides)、小叶女贞(Ligustrum quihoui)、粉叶栒子(Cotoneaster glaucophyllus var. glaucophyllus)、椭圆叶越桔(Vaccinium pseudorobustum)、茅栗(Castanea seguinii)、杜鹃(Rhododendron simsii)、火棘(Pyracantha fortuneana)、杉木(Cunninghamia lanceolata)9种常见树木，采集向阳、完全展开的健康叶片，分树冠上、中、下3个部位进行采集，每个树种至少3个重复，每个重复约500 g鲜叶。叶片采后立即用塑封袋封好带回实验室，一部分立即用于测定着火时间和含水率，另一部分于80 ℃恒温干燥箱中烘干后磨碎，过60目筛，装入塑封袋中备试。

2.2 试验方法

苯-醇抽提物的测定：称取约2 g的过筛植物样品，用滤纸筒包好，放入苯与乙醇(体积比2 :1)混合液中进行索氏抽提，然后将提取物蒸馏、烘干后称量。苯-醇抽提物含量(%)=残余物质量(g)/样品质量(g)×100%(李艳芹等，2010)。

灰分含量采用CTM500灰分挥发分测定仪进行测定：称取约1 g的过筛植物样品，放入灰分测定仪测定，约3 h后取出，称量残余物。灰分含量(%)=残余物质量(g)/样品质量(g)×100%。

着火时间用电炉进行测定：将同一树种各部位的鲜叶均匀混合，再随机选取6片叶片分别置于2 000 W的电炉上助燃，重复3次。从叶片放上电炉到产生第1个火星的时间即记录为着火时间，单位以秒表示(舒立福等，2000)。

燃烧热值采用CT2100型多用热量测定仪测定：称取约1 g的过筛植物样品，用预先称好的纸包裹，再用棉线拴好，放入热量测定仪测定，单位以kJ ·g-1表示。

2.3 物种阻火性综合评价

植物的阻火性受其化学成分和物理性质的综合影响(单延龙等，2003；梁瀛等，2011)，而它们对植物阻火性的影响程度不同。本文根据主成分分析结果对各特征指标进行权重赋值，再采用多目标决策中的加权逼近理想解排序法对叶片的阻火性进行了综合评判。

2.3.1 各指标权重的确定

对数据进行主成分分析，得出主成分对各特征指标的载荷值Pi，再计算出各特征指标的公因子方差Hi，Hi=P1i2+P2i2+…+Pxi2(x为提取的主成分个数)，并将单个特征指标的公因子方差占所有公因子方差总和的百分数作为各特征指标的权重Wi，Wi=Hi/$\sum\limits_{i = 1}^n {} $(H1+H2+…+Hi)(n为指标个数)，且$\sum\limits_{i = 1}^n {{W_i}} $=1(蒋晓芸等，2002)。

2.3.2 阻火性比较

TOPSIS法是在现有的对象中进行相对优劣评价的方法(蔡会德等，2006；李浩等，2007)，其基本思想是在各指标的单调性一致的情况下，将各个指标的最高值集合起来，组成一个最优目标A+(最阻火)；将各个指标的最低值集合起来，组成一个最劣目标A-(最易燃)；再根据物种各个特征指标与A+和A-的距离来评价物种的阻火性，距离采用欧氏距离法进行计算。该方法的决策方式：各个特征与A+距离最近且与A-的距离最远的物种阻火性最强。具体的步骤如下：

1)构造标准化决策矩阵。设有m个评价物种(D1，D2，…，Dm)，每个物种有n个评价指标(X1，X2，…，Xn)，构建特征矩阵D=(Xij)m×n，采用向量归一化进行标准化预处理，得出标准化决策矩阵R=(rij)m×n。

2)计算加权标准化矩阵。利用主成分分析得到的公因子方差计算各指标的权重Wi，构建加权标准化矩阵V，则V=(Vij)m×n=(rij)m×n×Wi。

3)定义最优目标A+与最劣目标A-。

$ \begin{array}{*{20}{c}} {{A^ + } = \{ \left( {\max {V_{ij}} \in {J^ + }} \right),\left( {\min {V_{ij}} \in {J^ - }} \right),}\\ {|1 \le i \le m|\} = \left( {{V_1}^ + ,{V_2}^ + , \cdots ,{V_n}^ + } \right),}\\ {{A^0} = \{ \left( {\min {V_{ij}} \in {J^ + }} \right),\left( {\max {V_{ij}} \in {J^ - }} \right),}\\ {|1 \le i \le m|\} = \left( {{V_1}^ - ,{V_2}^ - , \cdots ,{V_n}^ - } \right)} \end{array}。 $

式中：J+是收益性指标集，表示第i个指标上的最优值；J-是损耗性指标集，表示在第i个指标上的最劣值。

4)计算每个物种到最优目标A+和最劣目标A-的距离。

采用欧氏距离法分别计算目标物种到A+和A-的距离，分别用Di+和Di-来表示。

5)计算与最优目标的贴近度(Ci-)，并将Ci-作为阻火性的综合评判值对植物的阻火性进行大小排序。

$ {C_i}^ - = {D_i}^ - /\left( {{D_i}^ + + {D_i}^ - } \right),i = 1,2, \cdots ,m。 $

当Ci-越接近于1，则说明Di+=0，目标越接近于最优目标，植物阻火性越强；当Ci-越接近于0，则说明Di-越接近于0，目标越接近于最劣目标，植物越易燃，阻火性越差。

2.4 数据处理

为检验9种植物叶片理化性质的差异，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)对样本数据进行分析，采用Duncan多重比较(Duncan’s multiple range test)检验不同物种间的差异显著性(P < 0.05)。采用Factor Analysis 对树叶理化性质进行主成分分析(PCA)。以上分析均采用SPSS19.0统计软件。为综合评判叶片的阻火性，采用MATLAB7.0软件对叶片理化性质进行W-TOPSIS分析，在分析前先对样本数据进行标准化和同趋势处理。数据整理、计算与作图均采用Microsoft Excel 2007软件进行。

3 结果与分析 3.1 叶片理化性质指标比较

9种植物叶片的苯-醇抽提物含量差异很大，变化在10.67%～22.67%之间，其中珍珠荚蒾和茅栗的抽提物含量分别是云南杨梅的2.12和1.97倍(图 1A)。云南杨梅和珍珠荚蒾的灰分含量最高，而茅栗、椭圆叶越桔和小叶女贞最低(图 1B)。 小叶女贞、茅栗和粉叶栒子的着火时间最长，而火棘、杉木和杜鹃最短(图 2A)。燃烧热值最高的是茅栗、椭圆叶越桔和小叶女贞，其次是杉木、粉叶栒子和火棘，最低的是云南杨梅(图 2B)。

图 1 叶片的抽提物含量及灰分含量(平均数±标准误) Fig.1 Extractive content and ash content of leaves (mean±SE) CS: 茅栗Castanea seguinii; VP: 椭圆叶越桔Vaccinium pseudorobustum; PF: 火棘Pyracantha fortuneana; CL: 杉木Cunninghamia lanceolata; CG: 粉叶栒子Cotoneaster glaucophyllus var. glaucophyllus; RS: 杜鹃Rhododendron simsii; MN: 云南杨梅Myrica nana; LQ: 小叶女贞Ligusturm quihoui；VF: 珍珠荚蒾Viburnum foetidum var. ceanothoides. 图中不同字母表示树种间差异显著(P < 0.05)。Different letters in the figure indicate significant difference among species (P < 0.05)。下同The same below.
图 2 叶片的着火时间及燃烧热值(平均数±标准误) Fig.2 Ignition time and caloric values of leaves (mean±SE)
3.2 叶片阻火性综合评判 3.2.1 特征指标权重的确定

对9种植物叶片的4个理化性质指标进行主成分分析。结果表明，按照累计方差贡献率 ≥ 85%的原则提取前3个主成分，它们的累计方差贡献率为98.63%，已保存了原始变量的大部分信息，能对大多数的数据给予充分解释和概括(表 1)。因此，各特征对前3个主成分的公因子方差计算权重即可。权重计算结果表明，4个理化性质指标的权重有差异，着火时间权重最大，抽提物含量次之，而燃烧热值权重最小。

表 1 主成分因子载荷量、累计方差贡献率及权重 Tab.1 Load coefficient of main component, percent of accumulative contribution, community and weight
3.2.2 叶片阻火性比较

利用表 1中得到的各特征指标的权重进行加权TOPSIS分析，得到各树种阻火性的综合评判值Ci-(表 2)。9个树种叶片的阻火性大小依次为：云南杨梅＞椭圆叶越桔＞小叶女贞＞粉叶栒子＞茅栗＞珍珠荚蒾＞杜鹃＞火棘＞杉木。

表 2 叶片阻火性比较 Tab.2 Comparison of leaves’ fire resistance
4 结论与讨论

对叶片着火时间、苯-醇抽提物含量、灰分含量、燃烧热值等单个指标的测定和分析表明，毕节地区现存常见植物叶片的理化性质是有差异的；同时，各个理化特征对叶片阻火性的影响程度不同。着火时间是衡量可燃物着火特性的最直接参数，着火时间越长，意味着叶片越不易着火，阻火性越强。因此，在所有阻火性评价指标中，着火时间占权重最大；国外一些研究者甚至直接用着火时间作为植物易燃性的判定参数(Massari et al.，1998；Alessio et al.，2008；Ormeno et al.，2009)。苯-醇抽提物是指可用苯和乙醇抽提出来的物质的总称，可在较低温度下分解，是引发火灾和火势蔓延的主要物质(舒立福等，1999)，在当前气候变化和林火研究中越来越被关注(Ormeno et al.，2009；Jenkins et al.，2014)。本研究中苯-醇抽提物含量对阻火性的影响较大，这与前人研究结果相吻合(Owens et al.，1998；舒立福等，2000)。灰分主要由无法燃烧的无机化合物组成，在叶片燃烧过程中，灰分在一定程度上能限制焦油产生并增加木炭的生成量，对有焰燃烧起阻滞作用(邓光瑞等，2006；邹璐，2012)。所以，灰分含量越高，叶片中无法燃烧的成分越多，叶片的燃烧性越低，阻火性越强。燃烧热值是指可燃物燃烧过程中所释放热量的大小，燃烧热值越大，对火势的蔓延和传播贡献越大，预示着叶片阻火性越低。在所有指标中，着火时间和苯-醇抽提物含量对叶片的阻火性影响最大，表明叶片的阻火性主要受引燃因子的影响。

一般认为针叶树的阻火性要弱于阔叶树(梁瀛等，2011；祝必琴等，2011)，田晓瑞等(2001)的研究也表明杨梅(Myrica rubra)是阻火性较强的植物，因此，本研究选择了毕节市人工恢复的主要树种之一——杉木和该区常见常绿植物——云南杨梅，分别作为易燃及难燃植物对分析结果进行检验。笔者预期易燃种类的阻火性综合评判值与杉木比较接近，而难燃的种类与杨梅接近。研究结果基本符合预期：云南杨梅和杉木分别处于阻火性最强和最弱的两端，难燃的种类与云南杨梅比较接近，易燃的种类与杉木比较接近。这说明笔者的研究结果是合理的，在毕节喀斯特山区能找到阻火性较强的乡土植物。当前该区的一些主要造林树种(如杉木)以及优势物种(如火棘)属于易燃树种，不宜营造大面积纯林，可挑选阻火性较强的云南杨梅、椭圆叶越桔等混交种植，提高人工林的阻火性。

本研究结果说明，运用主成分分析确定特征指标的权重，结合加权W-TOPSIS法，能够对不同树种叶片的阻火性进行合理的评判。因为公因子方差反映了各原始指标对提取出的几个主成分所起的作用，也就是反映了各个特征指标的重要程度(蒋晓芸等，2002)，因此，公因子方差大的指标自然应该有更高的权重，这实际上是一种客观定权法。而且，权重的计算结果也与舒立福等(2000)的研究一致。TOPSIS法是一种经典的多目标决策分析方法，能够最大程度地利用原始信息，并对其进行叠加和放大处理，从而真实地反映实际情况，具客观性，且操作简便，易于使用，通过SPSS或者MATLAB软件结合计算机编程就可以实现整个W-TOPSIS分析的自动化(卢坤等，2009)。然而，该法在植物阻火性评价中的应用还很少。

植物在不同时期、不同器官的阻火性可能不同，本研究仅分析最易燃的叶片在防火期的阻火性，今后研究中可对小枝、树皮和根系等器官进行多时段的综合分析，以便对植物阻火性作出更全面的评价。

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