小兴安岭12种灌木的燃烧性研究

Combustibility of 12 Shrub Species in Xiaoxing′anling

摘要

为比较黑龙江省小兴安岭12种典型灌木树种燃烧性差异，对生物防火树种筛选和配置提供参考，以黑龙江省小兴安岭地区12种灌木植物为主要研究对象，分别测定其干、枝、叶燃烧性指标，采用层次分析法（AHP）构建灌木植物燃烧性层次结构模型，确定燃烧性各指标权重，计算灌木不同器官燃烧性数值，结合专家打分法确定灌木各器官权重占比，得出12种灌木燃烧性排序。研究结果表明，整株的燃烧性最强的为刺玫果，最弱的为忍冬；干最易引燃的为接骨木，最难引燃的为忍冬；枝最易引燃的为接骨木，最难引燃的为忍冬；叶最易引燃的为刺五加，最难引燃的为红柳。研究结果可为小兴安岭地区灌木树种燃烧性研究提供理论依据，为林火预测预报、林火行为预报、可燃物管理等研究和应用提供有效的支持。

Abstract

This paper aims to compare the differences of burning properties of 12 typical tree species in Xiaoxing’anling，and to provide reference for the selection and allocation of fireproof forest tree species. In the study， the 12 kinds of shrubs in the Xiaoxing’anling region of Heilongjiang Province are taken as the main research subjects， with their stems， branches， and leaves measured separately for the combustibility indicators. The hierarchical analysis method （AHP） is then applied to construct a hierarchical model of the combustibility of shrub plants， determining the weights of each index of combustibility， calculating the combustibility values of different parts of the shrub， and confirming the weight ratio of each part of the shrub in combination with expert scoring methods to arrive at the combustibility ranking of 12 kinds of shrub. It has been revealed by the research results that： in terms of the whole plant， Rosa davurica has the strongest combustibility， while Lonicera japonica has the weakest. Compared the combustibility of the stem， the most easily ignited is Sambucus williamsii and the hardest to ignite is Lonicera japonica. Compared the branch combustibility， the most easily ignited is Sambucus williamsii and the hardest to ignite is Lonicera japonica. Compared the combustibility of leaves， those of Acanthopanax senticosus are most easily ignited and those of Tamarix ramosissima are the hardest to be ignited. The results can provide a theoretical basis for the shrub′s combustibility and a support for predicting forest fire behavior， and combustible materials management.

Graphical abstract

关键词

小兴安岭 / 森林可燃物 / 灌木 / 燃烧性 / 理化性质 / 层次分析

Key words

Xiaoxing′anling / forest fuels / shrub / combustibility / physicochemical properties / analytic hierarchy process

0 引言

自20世纪80年代以来，全球每年发生的森林火灾约25.5万次，年平均受害森林或其他林地面积约636.7万hm^2［1］。可见，森林火灾是突发性强、破坏性大的自然灾害^［2］，是森林生态系统重要的干扰因子，高强度、大规模的森林火灾严重影响森林资源和生态系统的可持续发展，是全球关注的热点问题之一^［3-4］。

森林可燃物是林火发生的主要载体^［5］，可燃物的理化性质，如燃点、发热量、挥发性油类、灰分和含水量等，直接影响林火的发生发展^［6-7］。目前，国内外学者采用不同的分析评价方法对森林可燃物的燃烧性开展了大量的研究，单延龙等^［8］利用主成分分析法对大兴安岭地区16种抗火树种叶片燃烧性进行排序；王坚^［9］通过层次分析法对北京十三陵林场可燃物燃烧性划分了等级；Dickson等^［10］测定了塔斯马尼亚一些重要树种的燃烧性及热值，认为针叶比阔叶易燃；陈存及等^［11］对福建37个针叶树种鲜叶的含水率、粗脂肪、粗灰分和燃点等10个因子进行了测定，并运用发展性人工智能（artificial intelligence for development，AID）方法将37个树种划分为6个抗火性能等级；胡海清^［12］测定了大兴安岭主要森林可燃物的燃烧性，提出了该地区可燃物燃烧性等级划分的综合指标；郭文霞等^［13］根据树种的理化性质，结合生物学特性和生态学特性，研究了北京地区主要乔木树种的抗火性，并运用主成分分析法及专家打分法对其抗火性进行了排序；周勇等^［14-15］对吉林省常见的44种园林乔木、17种典型森林类型的地表凋落物的理化性质进行了分析，并对其燃烧性进行了评价。对森林可燃物燃烧性的研究主要集中在乔木和地表可燃物上，而对灌木燃烧性的关注较为欠缺。

灌木层是森林的重要片层，其生长状态和分布状况决定了森林垂直方向燃烧及极端火出现的可能性^［16］。因此，对灌木可燃物燃烧性的研究对于控制极端火的发生、保护生态环境具有重要意义。本研究以小兴安岭地区12种具有代表性的灌木为研究对象，采集每种灌木的干、枝、叶3个器官，测定其绝对含水率（风干含水率、绝干含水率）、燃点、热值、灰分含量和抽提物含量，运用层次分析法和专家打分法对灌木燃烧性大小进行排序，分析各个指标对燃烧性的影响机理，旨在为小兴安岭地区可燃物燃烧性研究和生物防火树种选择提供理论依据。

1 研究区域概况

研究区位于黑龙江省小兴安岭丽林实验林场，地理坐标为48°08'34″~48°15'55″N，129°06'27″~129°17'35″E。属大陆性气候兼有季风气候特点，地形为平缓地带，地势北高南低，平均海拔在400~ 500 m，主要河流有丽林河、小股营河、综合店河，均流入汤旺河，属汤旺河水系；森林植被和森林类型比较丰富，属于长白植物区系小兴安岭亚系，是以红松（Pinus koraiensis）占优势的红松针阔叶混交林生态系统为主，主要森林类型有云冷杉（Picea-Abies）红松林、枫桦（Betula costata）红松林、椴树（Tilia）红松林和柞树（Quercus）红松林，其次是谷地落叶松（Larix gmelinii）林、谷地“隐域性植被”冷杉林、白桦（Betula platyphylla）次生林生态系统，台地及低洼地带形成不均匀的河流湿地、草本沼泽、沼泽化草甸和森林沼泽湿地等。样地基本信息见表1。

2 材料与方法

2.1 样品采集

选取该地区具有代表性的3种典型林型，红松混交林、白桦混交林、落叶松混交林。于2023年5—6月，利用机械布点法在每个林型分别设置5块25 m×25 m样地，在每个样地的4个角和对角线连线的中心位置上设置2 m×2 m灌木样方5个，采取全部收割法采集所需灌木（包括未达起测直径D<5.0 cm的幼树）实验样本，分别采集干、枝（直径0.1~0.5 cm）和叶样品。

本实验选取研究区域具有代表性的12种灌木作为试验样本，分别为刺五加（Acanthopanax senticosus）、榛子（Corylus heterophylla）、忍冬（Lonicera japonica）、珍珠梅（Sorbaria sorbifolia）、山梅花（Philadelphus incanus）、瘤枝卫矛（Euonymus pauciflorus）、绣线菊（Spiraea salicifolia）、龙牙楤木（Aralia elata）、红柳（Tamarix ramosissima）、接骨木（Sambucus williamsii）、刺梅果（Rosa davurica）和茶藨子（Ribes manshuricum）。

2.2 测定方法

本试验将灌木按照不同器官分为干、枝、叶，分别进行燃烧性指标测定。

2.2.1 含水率测定

本试验测定含水率为绝对含水率，采用烘干恒重法，分别计算风干状态和绝干状态的含水率。由于自然状态下（风干）和绝干状态（绝干）植物的含水率不同，对燃烧性产生的影响程度也有所不同。

风干含水率将野外采集的样品在常温下放置数日，待自然风干后称取质量并进行计算。绝干含水率是将采集的样品放入温度105 ℃烘箱内，连续烘干 24 h以上至恒质量，当质量在2 h内变化小于0.01 g时，取出称取质量并进行计算。含水率计算公式如下。

风干含水率计算公式

M_{\mathrm{风干}}=\frac{W_{\mathrm{1}}-W_{\mathrm{风}}}{W_{\mathrm{风}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}。（1）

绝干含水率计算公式

M_{\mathrm{绝干}}=\frac{W_{\mathrm{1}}-W_{\mathrm{绝}}}{W_{\mathrm{绝}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}。（2）

式中：M_风干为风干含水率，%；M_绝干为绝干含水率，%；W₁ 为采集样品湿质量，g；W_风为自然风干样品干质量，g；W_绝为烘干后的样品绝干质量，g。

2.2.2 燃点测定

采用点燃法测定，将样品经烘箱烘干至恒定质量，粉碎后过40目筛网筛出试样，取试样与亚硝酸钠以4∶3比例混合放入试管中，将装有试样的试管放置于XTRD-5微机燃点测定仪中进行测定。每个样本重复3次，取平均值。

2.2.3 热值测定

采用热量计氧弹法测定，将样品经烘箱烘干至恒定质量，粉碎后经40目筛网筛出试样，取样品放入坩埚中，将坩埚放入氧气弹中并对氧弹注入氧气，放置在QZLRY-5E微机全自动量热仪中，每个样本重复3次，取平均值。

2.2.4 灰分测定

采用高温加热法，将样品经烘箱烘干至恒质量，粉碎后经40目筛网筛出试样，取样品放入处理好的坩埚中，放置于马弗炉内，在650 ℃高温下灼烧4 h，炉内慢慢冒烟，待烟冒完后再灼烧约10~15 min，至样品灰化到恒质量且呈松散不成形白色物质状态，将其移到真空干燥器内，待试样温度降至室温后进行称质量并计算。灰分含量的计算公式为

A=\frac{W_A-W_C}{W_B-W_C}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}。（3）

式中：A为灰分含量，%；W_A为灰化后样品和坩埚的质量，g；W_B为灰化前样品和坩埚质量，g；W_C为坩埚的质量，g。

2.2.5 抽提物测定

本试验测定的是粗脂肪抽提物含量。采用索氏提取法测定，试剂选取石油醚溶液，取样品置于滤纸筒内，烧瓶内加入石油醚溶液，置于JC-ST-06索氏抽提器中，水浴温度95 ℃，保持烧瓶内溶液持续沸腾，抽提8 h，至底瓶中仅剩少量石油醚溶液，将烧瓶置于烘箱，温度105 ℃下烘干至恒质量，称量计算。抽提物含量的计算公式为

X=\frac{(W_{\mathrm{1}}-W_{\mathrm{2}})}{W_{\mathrm{3}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}。（4）

式中：X为抽出物含量，%；W₁为烧瓶和已烘干残余物质量，g；W₂为烧瓶瓶质量，g；W₃为样品质量，g。

2.3 层次分析法

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是一种解决层次权重的决策分析方法，采用定性与定量相结合方式，按照总目标，将问题分解成多个不同的因素，根据各个因素之间的相互联系、相互影响及其隶属关系，把每个因素按不同层次进行聚集组合，形成多层次的分析结构模型，然后用求解判断矩阵，求出最大特征值及对应的特征向量，进行归一化处理后，形成某一层指标对于上一层某个相关指标的相对权重值，从而得出其最终次序的排定。

2.3.1 构建燃烧性层次结构模型

利用燃烧性综合评价体系，构建灌木燃烧层次结构模型，如图1所示，利用矩阵计算各指标对应的特征项量，得到其权重数值，进而得出灌木植物燃烧性排序。

1）最高层：即燃烧性。

2）中间层：即引燃性、剧烈性和持续性3个影响指标。在结构模型中，引燃性表示可燃物点燃的难易程度，影响因子包括风干含水率、绝干含水率、抽提物含量和燃点；剧烈性表示可燃物燃烧的速度和强度，影响因子包括风干含水率、绝干含水率、热值、抽提物含量和灰分含量；持续性表示可燃物燃烧时间的长短，影响因子包括风干含水率、绝干含水率、抽提物含量和灰分含量。

3）最底层：即风干含水率、绝干含水率、燃点，热值、抽提物、灰分6个影响因子，尽管每个影响因子重复出现，但同一指标对不同中间层的影响大小不同，也就决定了其所占的权重值不同。

2.3.2 权重值确定

根据Santy（1980）等提出的一致矩阵法^［17］，结合以往经验，以确定矩阵中各个影响指标和影响因子的重要程度，分别为：

1）中间层指标排序由大到小为引燃性、剧烈性、持续性。

2）最底层引燃性的指标排序由大到小为绝干含水率、风干含水率、抽提物含量、燃点。

3）剧烈性的指标排序由大到小为热值、抽提物含量、绝干含水率、风干含水率、灰分含量。

4）持续性的指标排序由大到小为灰分含量、绝干含水率、风干含水率、抽提物含量。

2.3.3 燃烧性排序

通过理化性质指标测定，将含水率（风干、绝干）、燃点、热值、灰分含量、抽提物含量各个指标数值标准化后，按照层次分析法权重值结果，计算不同灌木不同器官的燃烧性、引燃性、剧烈性和持续性结果并排序。

2.4 专家打分法

专家打分法是通过问卷调查方式征询相关专家意见，将对专家意见进行统计、处理、分析和归纳，客观地综合多数专家经验与主观判断，对可实现程度进行分析的方法。

通过专家打分法，得出树种各器官权重为：枝的权重值为0.5；叶的权重值为0.3；干的权重值为0.2。结合已标准化的数值，将其代入下列公式，计算灌木总燃烧性值。

y=f（x₁，x₂…x_n ）=a₁ f（x₁）+a₂ f（x₂）+…+a_n f（x_n ）={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{a}_i{f}_i(x_i)。（5）

式中：y为灌木树种总燃烧性；a_i 为权重系数；f_i（x_i）为器官的燃烧性因子；x_i 为制约燃烧性因子名称。

2.5 数据处理

试验数据经Excel 2016整理后进行作图，同时采用SPSS 25.0对数据进行层次分析（AHP）、专家打分法分析。

3 结果与分析

3.1 理化性质分析

3.1.1 含水率

可燃物的燃烧性与含水率呈负相关。不同树种的干、枝、叶的含水率均有不同，如图2和图3所示。干和枝的风干含水率最高的均是接骨木，龙牙楤木最低；叶的风干含水率最高是龙牙楤木（179.81%），最低是忍冬（72.06%）。同一树种不同器官的风干含水率也不相同，表现为叶含水率最高，其次是枝，约占叶的1/2，最低的是干的含水率，这与植物自身的生物学特性相关。综合各树种各器官风干含水率由高到低依次为：刺梅果、接骨木、绣线菊、刺五加、瘤枝卫矛、茶藨子、山梅花、龙牙楤木、珍珠梅、榛子、红柳、忍冬。

由图3可知，绝干含水率中，干和枝的含水率最高的仍是接骨木，最低的分别是龙牙楤木（72.10%）和忍冬（74.20%）；叶的含水率最高的是茶藨子（172.54%），最低的是忍冬（90.16%）。同一树种不同器官的绝干含水率最高的仍是叶，其次为枝、干；叶的含水率最高的是茶藨子（172.54%）和刺玫果（172.28%），这与其树叶形状、叶片大小等特性相关；叶和枝的绝干含水率值相接近的有刺五加和茶藨子。综合各树种各器官的绝干含水率由高到低依次为：刺梅果、接骨木、刺五加、绣线菊、茶藨子、龙牙楤木、榛子、珍珠梅、瘤枝卫矛、山梅花、红柳、忍冬。

3.1.2 燃点

可燃物不同，燃点也不相同。可燃物燃点越高，越难以被引燃，反之，燃点越低，越易燃烧。 12种灌木树种不同器官的燃点值均为242~263 ℃，如图4所示。其中干的燃点平均值为247.67 ℃，最高的是瘤枝卫矛（254 ℃），最低的是绣线菊和山梅花（244 ℃）；枝的燃点平均值为252 ℃，最高的是榛子（257 ℃），最低的是绣线菊（245 ℃）；叶的燃点平均值为253 ℃，最高的是刺玫果（263 ℃），最低的是龙牙楤木（242 ℃）。

同一树种不同器官的燃点也不相同，表现为干的燃点最低，叶的燃点最高，可见，燃点与含水率呈负相关，除龙牙楤木外（叶的燃点最低）；榛子、忍冬、刺五加的枝的燃点最高。综合各树种各器官的燃点由高到低依次为：榛子、刺梅果、忍冬、茶藨子、山梅花、刺五加、瘤枝卫矛、红柳、接骨木、龙牙楤木、珍珠梅、绣线菊。

3.1.3 热值

各树种因其组成成分不同，燃烧时所释放热量也不相同。可燃物热值越高，火强度就越大，对燃烧性影响也就越大；反之，热值越低，对燃烧性影响越小。各树种各器官的热值差异较为明显，如图5所示。干的热值平均值为18 679.7 J/g，最高的是榛子（19 829.3 J/g），最低的是刺五加（17 590.1J/g）；枝的热值平均值为18 221.7 J/g，最高的是绣线菊 （18 717.9 J/g），最低的是瘤枝卫矛（17 568.9J/g）；叶的热值平均值为16 248.4J/g，最高的是忍冬 （18 066.6 J/g），最低的是山梅花（15 147.2 J/g）。同一树种不同器官的热值也不相同，表现为多数树种的热值最高的是干，最低的是叶；其中刺五加、刺梅果的热值最高的是枝，而忍冬热值最高的是枝 （18 295.4 J/g）、最低的是干（17 825 J/g）。综合各树种各器官热值由高到低依次为忍冬、榛子、绣线菊、接骨木、红柳、龙牙楤木、珍珠梅、山梅花、刺梅果、茶藨子、瘤枝卫矛、刺五加。

3.1.4 灰分

可燃物灰分可有效地限制火的燃烧速度和蔓延速度。灰分含量越高，燃烧性能越差，火强度越弱，蔓延速度也缓慢；反之，灰分含量值越低，可燃物能够得到充分燃烧，火强度变强，火蔓延速度变快。各树种各器官灰分含量差异较小，如图6所示。干的灰分含量平均值为2.11%，最高的是瘤枝卫矛（3.00%），最低的是绣线菊和山梅花（1.30%）；枝的灰分含量平均值为3.88%，最高的是忍冬和瘤枝卫矛（5.70%），最低的是红柳（2.40%）；叶的灰分含量平均值为9.93%，最高的是山梅花（12.70%），最低的是榛子（7.30%）。同一树种不同器官的灰分也不相同，但差异较小，叶的灰分含量最高，干的灰分含量最低。综合各树种各器官的灰分含量由高到低依次为：茶藨子、刺五加、瘤枝卫矛、龙牙楤木、山梅花、接骨木、珍珠梅、忍冬、绣线菊、刺梅果、榛子、红柳。

3.1.5 抽提物

不同树种、同一树种的不同器官，其抽提物含量是不同的。抽提物含量越高，可燃物燃烧性越好，反之，抽提物含量越低，可燃物越不易燃烧。不同树种同一器官的抽提物含量差异性较大，如图7所示。干的抽提物含量平均值为14.12%，最高的是茶藨子（23.60%），最低的是红柳（4.76%）；枝的抽提物含量平均值为14.85%，最高的是红柳（19.00%），最低的是忍冬（8.36%）；叶的抽提物含量平均值为18.84%，最高的是龙牙楤木（23.32%），最低的是瘤枝卫矛（14.96%）。同一树种不同器官的抽提物含量差别较大，叶的抽提物含量较高的是榛子、忍冬、珍珠梅、山梅花、接骨木和龙牙楤木，干的抽提物含量最高的有刺五加、茶藨子和瘤枝卫矛，枝的抽提物含量最高的仅为绣线菊。综合各树种各器官的抽提物含量由高到低依次为：刺五加、瘤枝卫矛、榛子、龙牙楤木、茶藨子、珍珠梅、接骨木、山梅花、红柳、绣线菊、刺梅果、忍冬。

3.2 燃烧性排序

3.2.1 燃烧性影响因子权重

根据燃烧性层次结构构建各层次影响因子矩阵，通过判断矩阵重要性，得到各个影响因子权重值，并通过一致性检验，得到燃烧性各影响因子权重值，见表2。

3.2.2 不同灌木不同器官燃烧性排序

同一灌木树种不同器官的燃烧性指标值差异较大，见表3。燃烧性上，表现为刺玫果、绣线菊的枝的燃烧性高于其干和叶；接骨木、茶藨子、榛子、红柳、珍珠梅和忍冬的干燃烧性最高，刺五加、龙牙楤木、瘤枝卫矛、山梅花的叶燃烧性最高。从引燃性、剧烈性和持续性上，接骨木的干的引燃性高于其持续性最强，叶的持续性最弱，主要是受低燃点、高热值、高灰分含量影响；相反，忍冬的干的引燃性和持续性最低，叶的剧烈性最高，主要是受其高热值、高抽提物含量影响。

不同灌木同一器官的燃烧性也有所不同（表3）。燃烧性方面，表现在干和枝燃烧性最强的均为接骨木，燃烧性最低的为忍冬；叶的燃烧性最高的是刺五加，最低的是红柳。从引燃性、剧烈性和持续性方面可见，干的引燃性高于其剧烈性和持续性的有接骨木、榛子、红柳、珍珠梅；枝有接骨木、刺玫果、绣线菊和刺五加，叶有茶藨子、珍珠梅、刺五加和龙牙楤木，主要是受到低燃点的影响；干的剧烈性高于引燃性和持续性的有茶藨子、珍珠梅、山梅花和忍冬，枝有茶藨子、绣线菊和山梅花，叶有榛子、刺玫果和忍冬，主要受其高热值的影响。

3.2.3 灌木树种燃烧性综合排序

采用专家打分法对灌木不同器官的赋值，结合灌木不同器官燃烧值，得出12种灌木树种燃烧性指标值，并对其进行排序，得到结果为刺玫果燃烧性最高，属易燃灌木树种，忍冬燃烧性最低，属难燃树种，见表4。

4 讨论与结论

灌木植物的理化性质是能够有效描述其本身特性的重要依据^［17］。灌木的含水率对燃烧有阻碍的作用，本研究中，不同树种中含水率（风干、绝干）最高的树种是刺玫果，最低的是忍冬，其燃点和释放的热量相对于其他灌木树种也高，这与含水率越高，燃点和热值越高的结果一致。灌木树种在燃烧后，剩余灰分含量较高的是刺五加，由于植物灰分元素含量抑制燃烧，其释放热量、燃烧速度均会较低，可以再进一步探究阻燃元素成分和含量与燃烧性的关系。抽提物含量最高的是刺五加，主要是树干的油脂含量较高，这与其自身生物学特性相关。

不同树种的同一器官、同一树种不同器官，其燃烧性存在较大差异。同一树种不同器官的理化性质的差异性，决定了各器官燃烧性不同。表现在干的含水率低、热值高、油脂含量高；枝的含水率高、热值低、油脂含量低；叶的含水率高、燃点低、灰分低、油脂含量低。同一灌木树种的不同器官表现为各指标值最高的均为叶片，最低的为干，这与植物的叶片特性均有关系。理化性质表明其物种的燃烧性程度，除此之外，还与可燃物本身特性，如叶片形状、厚度及其生长环境（地形、地势和周边环境等）有一定相关性，这也反映出灌木树种的燃烧性是由其理化性质、生物学特征和生态学特征等多方面共同决定。因此，植物燃烧性可以采用多种影响因子进行综合评价，如植物的纤维素、半纤维素和木质素等理化性质的间接影响^［18］，植物的生物性特性，如叶片特性（叶片厚度、大小和形状等）及地形因子，土壤理化性质等环境变量对燃烧性产生影响^［19］，以便得出更加科学、准确的综合评价结果。

本研究通过对小兴安岭12种典型灌木树种理化性质的测定，基于层次分析法和专家打分法分析，综合评价了12种灌木燃烧性，并且将12种灌木树种按照不同器官的燃烧性进行排序。研究结果表明，刺玫果具有高含水率、高热量、高灰分含量的特性，在一定程度上对燃烧性产生阻滞作用，忍冬具有低含水率、低油脂含量的特性。因此，在以刺玫果为优势灌木树种的森林中，防火工作尤其需要注意预防极端火行为的发生，应适当修剪，减少火灾隐患，预防地表火转为树冠火。同时，本研究结果为林下灌木树种研究内容提供了理论基础，为生物防火林带地被植物的选择提供理论依据，为林火预测预报、可燃物管理和生物防火等研究和应用提供有效的支持。

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基金资助

国家重点研发计划(2022YFC3003104)

黑龙江省属科研院所基本科研业务费专项项目(LKSB2023-5)