基于生物生態學和理化指標的園林樹種抗火性評價

0園林植物的危害隨著我國城市化進程的加快，城市綠化區不斷擴大，城市園林火災已成為一種新的不可忽視的城市疾病。保護城市園林植物,最大限度地減少城市園林火災的發生,避免造成經濟損失,成為林業部門的一項重要任務。樹種的抗火性指其抵抗和忍耐林火的能力,所以根據樹種抗火性進行城市園林植物的選擇,對于抵抗和減少城市園林火災以及保護園林植物減少經濟損失等意義重大植物被林火燒死主要是由于火對樹木的韌皮部及形成層等造成損害,樹皮作為樹木的重要保護層1材料和方法1.1不同指標類型從吉林省長春市街邊綠化、森林公園和吉林莫莫格濕地生態系統定位觀測研究站等地選取23個喬木樹種作為研究對象,調查生物生態學特征,包括樟子松(PinussylvestrisL.var.mongholica)、長白落葉松(Larixolgensis)、紅皮云杉(Piceakoraiensis)、火炬樹(RhusTyphinaL)、核桃楸(JuglansmandshuricaMaxim.)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、新疆楊(PopulusalbaL.var.pyramidalis)、旱柳(Salixmatsudana)、稠李(PrunuspadusL.)、黃波羅(PhellodendronamurenseRupr.)、銀中楊(Populusalba×P.berolinensis)、糖槭(AcernegundoL.)、梓樹(Catalpaovata)、京桃(Prunuspersicaf.rubroplena)、小黑楊(Populussimonii×Populusnigra)、黑皮油松(Pinustabuliformisvar.mukdensisUyeki)、白樺(Betulaplatyphylla)、紅松(Pinuskoraiensis)、翅衛矛(EuonymusphellomanaLoes.)、五角楓(AcermonoMaxim)、垂榆(Ulmuspumilavar.pendula)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、山杏(Prunusarmeniaca)。試驗樹皮于2015年5月采集,選擇胸徑為18cm、樹形良好、樹皮各方向上分布均勻且沒有經歷過森林火災的樹木為采樣木,記錄開裂程度、方向、密度和顏色特征,在胸徑處取高14cm、寬12cm樹皮1塊,塑封帶回冷藏保存。1.2測試方法1.2.1凋落物生長情況調查設立15m×15m調查樣方,每個樹種樣方數量不低于3個,調查樹木胸徑大于10cm,觀察落葉情況、凋落物分解速度快慢和萌蘗能力強弱;測量樹皮厚度,根系深度,凋落物葉片大小、密實度和孔隙度;記錄地貌、氣候和土壤等立地條件。1.2.2文化景量測定使用游標卡尺在樹皮截面的各個方向上測量樹皮厚度共計10處,其平均值作為該樹種樹皮的厚度;采用105℃烘干恒質量法測定樹皮絕干含水率;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型全自動氧氮量熱儀測定熱值。1.2.3內表面測溫實驗實驗前將冷藏保存的樹皮恢復至室溫,再將樹皮各邊裁剪1cm,記錄長寬后即刻進行實驗。實驗裝置從上到下依次為內表面測溫部分,裝載及稱重部分,外表面熱輻射部分。實驗過程中每隔20s記錄樹皮內表面溫度和質量,樹皮燒漏時停止實驗。1.2.4統計分析方法專家打分法是一種定性描述定量化方法,本文使用加權評價型,將評價對象中的各指標項目依照評價重要程度,給與不同的權重,運用Excel2010,進行結集給出評價結果,本文通過專家打分法得出各樹種生物生態學綜合得分。運用SPSS19.0,進行因子分析、曲線估計、聚類分析和判別分析。因子分析是將多個變量綜合為少數幾個因子的一種多元統計方法,主要思想是從為數眾多的可觀測變量中概括和推導出少數幾個因子,來解釋最大量的觀測事實,本文通過因子分析法計算各樹種的樹皮的理化性質綜合得分;曲線估計是一種對于線性模型、二次項模型、復合模型的處理方法,原則上只要兩個變量之間存在能被它描述的數量關系,就可以用該過程分析,曲線相關關系可通過變量轉換的方式轉化為線性回歸,本文將對指數曲線回歸方程分析轉化為對變量交換后的線性方程分析;聚類分析是指依據研究對象的個體特征,對其進行分類的方法,本文使用系統聚類中的Q型聚類,使具有相似特征的樹種聚集在一起;判別分析是根據描述事物特征的變量值和它所屬分類找出判別函數,以此為依據對所研究事物進行所屬分類判別,本文利用判別分析對聚類結果中有異議的樹種進行重新分類,觀測其類別結果。2結果與分析2.1研究和試驗結果2.1.1凋落物生長特性根據對各樹種的調查及文獻結果的整理,給出了樹種的生物生態學評分標準。落葉性狀:落葉3,常綠針葉含油脂1,枯不落葉1;樹冠特征:稀疏寬廣3,較寬廣、枝葉適中2,狹窄、枝葉密集1;凋落物易燃性:易燃1,較易燃2,難燃3;凋落物大小與結構:葉短小、凋落物密實、孔隙度小3,葉較大、凋落物密實度、孔隙度中等2,葉片大、冬季枯葉殘留樹上或落葉疏松、孔隙度1;萌孽能力:強3,中2,弱或無1;凋落物分解速度:快3,中2,慢1;幼年生長速度:快3,中2,慢1;根系狀況:深3,中2,潛1;耐旱性:喜濕潤3,中2,耐干旱1;耐陰性:陰性3,中2,陽性1;喜肥性:喜肥沃3,中2,耐瘠薄1。根據上述評分標準,給出23個樹種的生物生態學評分,見表1。計算各樹種的綜合得分2.1.2生長、生長指標分析通過測定各樹種樹皮理化指標,長白落葉松厚度最薄2.9mm,蒙古櫟最厚15.8mm,平均值6.9mm;樟子松絕干含水率最低36%,新疆楊最高115.1%,平均值60.8%;粗脂肪含量火炬樹最高39.2%,旱柳最低0.2%,平均值為9.4%;灰分含量樟子松最高15.3%,長白落葉松最低1.3%,平均值為6.0%;火炬樹燃點最高268℃,銀中楊最低235℃,平均值258℃;火炬樹熱值最高21521J,垂榆最低14705J,平均值18943J。熱值與粗脂肪呈極顯著正相關(r=0.701,p=0.000)、與灰分呈極顯著負相關(r=-0.688,p=0.000)。樹皮的理化指標見表2。通過對厚度、絕干含水率、粗脂肪、灰分、燃點和熱值這6個指標進行因子分析2.1.3慢升階段溫度變化對23個樹種樹皮進行熱輻射實驗,繪制樹皮內表面溫度變化曲線和質量損失曲線,發現同類曲線變化規律相同,繪制規律曲線圖,如圖1所示。樹皮內表面溫度變化分3個階段,第1階段至拐點A處,即內表面溫度升高較快階段;第2階段為A、B區間,即慢升溫度階段;第3階段從拐點B開始樹皮已無明顯阻火能力。樹皮20s溫差曲線中起點溫度為0,溫度慢升階段溫度變化很小,因此,本文主要研究第1、2階段樹皮的內表面溫度變化和質量損失情況。第1、2階段升溫用時分別為t其中:n=1表示第20s,n=2表示第40s,n=3表示第60s,以此類推。各樹皮在第1、2階段樹皮內表面溫度變化指標見表3。第1階段升溫時間與A拐點溫度顯著相關(r=0.463,p=0.026),A、B拐點溫度極顯著正相關(r=0.641,p=0.001),說明在第1階段的升溫過程中各樹皮種類的升溫速率差別較大,第2階段慢升溫過程中溫度變化主要取決于t各樹皮在第1、2階段質量變化指標見表4。熱輻射試驗過程中總損失質量占初始質量比重平均33.8%,50%分位數值為32%;第1階段損失占總損失質量比重平均26.5%,75%分位數值為30.9%。通過分析這兩個階段的質量損失情況表明,23個樹種樹皮在B拐點時刻總損失質量均低于50%,91%的樹皮在第1階段的質量損失要低于第2階段。建立數學模型,由于樹皮內表面溫度在第1階段升溫較快且升溫幅度較大,根據數據的變化情況對這一階段建立指數模型,即Y第1階段溫度指數模型中,K第1、2階段的質量線性模型中,K2.2樹種抗火性聚類分析篩選23個喬木樹種的生物生態學綜合得分、樹皮理化指標綜合得分、K對這5個指標的排序情況進行系統聚類,樹種抗火性的系統聚類情況如圖2所示。將23個喬木樹種分為易燃、較易燃和難燃3類。根據已有文獻3樹木抗火性綜合評價在生物生態學調查、理化性質分析、熱輻射作用下樹皮內表面溫度升高和質量損失的試驗基礎上,分別對23個樹種抗火性由強到弱排序。(1)生物生態學綜合得分依次為:水曲柳、黃波羅、核桃楸、梓樹、長白落葉松、翅衛矛、稠李、白樺、京桃、旱柳、小黑楊、新疆楊、糖槭、火炬樹、銀中楊、五角楓、垂榆、山杏、蒙古櫟、紅皮云杉、紅松、樟子松、黑皮油松。(2)理化性質綜合得分依次為:火炬樹、垂榆、黃波羅、新疆楊、翅衛矛、核桃楸、蒙古櫟、旱柳、白樺、糖槭、小黑楊、山杏、樟子松、京桃、紅皮云杉、水曲柳、梓樹、稠李、紅松、五角楓、黑皮油松、長白落葉松、銀中楊。(3)樹皮內表面溫度變化指數模型中K(4)樹皮內表面溫度變化指數模型中a值依次為:蒙古櫟、樟子松、黃波羅、核桃楸、火炬樹、山杏、水曲柳、紅皮云杉、翅衛矛、小黑楊、長白落葉松、黑皮油松、垂榆、梓樹、五角楓、京桃、旱柳、白樺、紅松、新疆楊、糖槭、銀中楊、稠李。(5)樹皮質量損失線性模型中K通過對上述5類排列順序進行系統聚類,最終將23個園林樹種抗火性分為3類,長白落葉松、火炬樹、核桃楸、黃波羅抗火性最好,新疆楊、旱柳、稠李、銀中楊、糖槭、梓樹、京桃、小黑楊、白樺、翅衛矛、五角楓、垂榆、水曲柳抗火性次之,樟子松、紅皮云杉、蒙古櫟、黑皮油松、紅松、山杏抗火性較差。在綠色生態的建設過程中,本文選取的23個喬木樹種均作為園林樹種建設在吉林省的大街小巷,但城市樹木的選擇與種植是一門復雜的科學,無論