海南霸王嶺生物防火林帶阻隔林防火效能綜合評價

摘 要 為評價生物防火林帶阻隔林防火效能，應用層次分析法構建霸王嶺生物防火林帶阻隔林防火效能綜合評價體系，該體系以樹種生長狀況、林內小氣候、枯落物及鮮葉、立地條件為評價準則，根據綜合評價值進行防火阻隔體系等級劃分。結果顯示霸王嶺生物防火林帶樹種生長良好，林內小氣候與周圍參照林分差異小，枯落物含量較高，鮮葉含水量高，失水速率緩慢，土層厚，土壤含水量低，林分郁閉度高，樹種密度大，綜合評價值為1.708 1，劃分為Ⅲ級防火效能，表明霸王嶺生物防火林帶阻隔林防火效能不明顯。

關鍵詞 防火林帶；層次分析法；綜合評價；防火效能；海南霸王嶺

中圖分類號：S762 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.19.045

森林火災是對森林資源的一種毀滅性災難[1-2]，其發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，世界范圍內森林火災頻繁發生，給環境生態安全和經濟活動帶來巨大影響[4-5]。為了減少森林火災發生頻率和減輕森林火災帶來的損失，預防林火發生和阻隔林火蔓延一直是很多國家和地區林業主管部門工作重點[1，6]。為了應對森林火災發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用價值[1]，一直深受研究者的關注。國內外研究者對生物防火林帶研究重點在區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劃設計[13-14]等方面。生物防火樹種以耐火性樹種為主，為兼顧生態效益和經濟效益，研究防火樹種生態學特性[15]和經濟學特性[10]方面顯得十分重要。

雖然生物防火林帶建設和實踐應用研究比較多[1]，但是生物防火林帶建成后需經過很長時間才能真正發揮防火效能，因此有關于生物防火林帶建設評價研究比較少。已有不少學者對油茶（Camellia oleifera Abel.）和木荷（Schima superba Gardn. et Champ.）改培型生物防火林帶阻隔體系防火效能評價體系進行構建[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有生物防火林帶數量有限，關于該區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存生物防火林帶進行防火效能綜合評價，可以為海南生物防火林帶建設后期撫育管護提供參考數據。

1" 材料與方法

1.1" 試驗地點與儀器設備

1.1.1" 試驗地點

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，林內生長著多種國家保護性動植物，坡壘（Hopea hainanensis Merr. amp; Chun）、海南蘇鐵（Cycas hainanensis C. J. Chen）為國家一級保護植物，海南梧桐（Firmiana hainanensis Kosterm.）為國家二級保護植物。霸王嶺年均降雨量1 657 mm，有明顯雨季和旱季區分，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37.5 ℃，高溫常出現在春末、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84.2%，導致土壤常年濕潤。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、林分風速風向受季風影響較大等條件下面臨著嚴峻考驗。

1.1.2" 主要儀器設備

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

1.2" 樣地設置及樣品采集

1.2.1" 樣地設置

2022年3月，根據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查對象，取代表性地段設置3個20 m × 20 m樣方為林火因子調查測量、枯落物采集、鮮葉樣品采集區域，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境條件調查測量樣方基本信息如表1。

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月火災高發季節。采用5點取樣法采集每個大樣方內4個角和中心1 m × 1 m范圍內枯落物。選擇位于采集區域3棵長勢良好、受光充足、健康無病害、樹高胸徑為采集區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。對每個樣品做好標記，并用干冰保存運輸帶回實驗室，超低溫保存防止水分流失，以便后續研究。

1.3" 數據測定

1.3.1" 林內小氣候條件測定

2022年3月，采用便攜式NK5500LINK小型風速儀氣象儀對霸王嶺防火林帶和參照林分林火環境因子測定。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處風速、空氣溫度、空氣相對濕度。每個測量點重復讀取數據5組。因測量時間存在差異，將防火林帶風速、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個角和中心點土壤含水量，每個測量點重復測定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

現場對樣方4個角和中心1 m × 1 m范圍內枯落物質量測量。室內稱取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

將同一樣本相同規格無殘缺鮮葉混合，稱取15 g分3份為3次重復，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" 構建評價模型

1.4.1" 評價指標選取

根據指標的全面性原則、導向性原則、層次性原則、可操作性原則、可區分性原則選取生物防火林帶評價指標。1）選擇評價指標：準則層指標樹種生長狀況（B1）、林內小氣候（B2）、枯落物及鮮葉（B3）和立地條件（B4）。2）指標層評價因子：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" 評價指標體系結構建立

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層（A），以造林樹種生長狀況、防火林帶內火環境、枯落物及鮮葉和立地條件為建立準則層（B），以樹高、胸徑、空氣溫度、相對濕度等共16個指標為指標層（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，需向有關從事森林防火領域研究的專家發出問卷，并統計問卷調查結果。

1.4.3" 判斷矩陣構建

根據總目標要求，綜合參考林學、森林防火專業人士對霸王嶺生物防火林帶防火能力的意見基礎上作出判斷。判斷矩陣模型以1～9標度法構造，由此得出A-B（準則層相對于目標層比較判斷）、B-C（指標層因素相對于準則層比較判斷），共5個判斷矩陣。相關公式如下：

CI＝（λmax-n） / （n-1）" "（1）

CR＝CI / RI" " （2）

式中，CI為一致性指標，λmax為判斷矩陣相應行列式的非零最大特征根，CR為隨機一致性比率，RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標。1～9標度法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，否則需調整矩陣達到滿意的一致性。

1.4.4" 防火阻隔體系評分標準及評分方法確定

根據專家咨詢法要求，對相關防火專家進行了問卷調查。結合防火林帶建設維護實踐經驗，得出樹種生長狀況、林內小氣候、立地條件、枯落物及鮮葉失水條件下相關因子結構性矩陣。邀請參評人員對霸王嶺防火林帶防火效能指標層進行賦值。賦值打分標準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]。根據賦值打分結果計算出霸王嶺生物防火帶16個指標的得分Ci，再根據層次分析法和加權平均進行計算每個植物的綜合評價值Tj，以Tj進行分級評價。綜合評價值Tj計算。

Tj＝∑（Ci×Wj）" " （3）

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

1.4.5" 防火阻隔體系等級劃分

根據層次分析法向量權重評價結果，霸王嶺生物防火林帶防火效能優越性等級劃分為4個等級，分別用羅馬數字Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級表示。等級劃分詳見表3。

2" 結果與分析

2.1" 防火林帶樹種生長狀況

調查到霸王嶺生物防火林帶優勢樹種為大葉相思（Acacia auriculiformis A. Cunn. ex Benth）、南亞松（Pinus latteri Mason）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。

2.2" 防火林帶林內小氣候

霸王嶺生物防火林帶在10： 00—16： 00時間段內，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 ℃。空氣溫度差值較小表明生物防火林帶植被條件與參照林分相似，導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風速與參照林分風速差相對較小，最大風速差出現在15： 00和16： 00，風速差均為0.04 m·s-1，其中15： 00為生物防火林帶風速高于參照林分風速，16： 00為生物防火林帶風速低于參照林分風速。霸王嶺生物防火林帶在10： 00—16： 00與參照林分風速差值上下波動，表明生物防火林帶遮風效益與參照林分基本一致，風經過生物防火林帶內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，而是上下起伏不穩定狀態。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。

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深度土壤含水量經土壤含水量作差處理，發現10： 00—16： 00時間段土壤含水量差值變化量較小（表6）。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，其防火能力已經消退，防火效能不明顯。刨土發現霸王嶺生物防火林帶和參照林分土壤厚度均大于100 cm。

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，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內大部分水分損失掉，只有少部分水分保留。

2.5" 綜合評價

綜合評價模型采用1～9標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行構建及一致性檢驗。結果可以看出，評價模型準則層（B）對指標層（C）樹種生長狀況、林內小氣候、枯落物及鮮葉、立地條件指標判斷矩陣隨機一致性比率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。總目標層（A）對準則層（B）評價模型判斷矩陣隨機一致性比率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建并一致性檢驗發現目標層（A）對指標層（C）評價隨機一致性比率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重具有滿意一致性。

層次分析法分析得出各個指標對霸王嶺生物防火林帶阻隔林防火效能影響權重。可以看出，霸王嶺生物防火林帶對防火影響力較強的因子有空氣溫度、枯落物鮮重、相對濕度。顯然林內小氣候和可燃物是影響防火林帶阻隔林火效益主要因素。根據層次分析法評價結果，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" 小結與討論

3.1" 小結

2022年3月對霸王嶺生物防火林帶樹種生長狀況調查和林內小氣候條件測量發現，生物防火林帶樹種生長狀況良好。在10： 00—16： 00時間段內生物防火林帶林內相對濕度、空氣溫度、風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。現場測量霸王嶺生物防火林帶地表枯落物鮮重，發現在1.0 m × 1.0 m范圍內，地表枯落物鮮重達466.58 g，地表枯落物含量比較高。經室內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。這一觀點與劉廣菊、陳銳等的研究結果有所不同[6，16]，劉廣菊等人認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中認為生物防火林帶結構完整性權重最大[16]，但與趙潔認為空氣濕度生物防火林帶影響最大價結果一致[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致林內枯落物質量減少，降低枯落物燃燒能力，這是因為林帶郁閉作用形成獨立小氣候環境，促使林內溫濕度、光照、風速區別于外界，阻攔熱傳導起到了機械阻擋作用[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。根據以往研究結論，導致森林火災發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，林內形成小氣候降低了可燃物著火條件[19，21]。因不同地區生物防火林帶防火效益評價結果的差異，也間接說明生物防火林帶防火關鍵性因素與不同區域地理環境、生物防火林帶經濟措施、林木樹種生長狀況有關。因生物防火林帶主要作用是防火，營建生物防火林帶后，后期撫育管理是關鍵。一般人工撫育管理強度高、林帶立地條件好，有利于防火效能發揮[17]。調查發現，霸王嶺生物防火林帶建成后，撫育管理措施頻率低，導致其他樹種和雜灌生長數量遠遠超過造林樹種，使生物防火林帶群落優勢樹種不突出，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，因經營措施不佳，造林樹種防火效能未能得到良好體現。因此，生物防火林帶建設后經營管理技術的完善還需要不斷加強。

參考文獻：

[1] 陶濤.生物防火林帶的綜合效益研究[J].黃山學院學報，2022，24（5）：41-44.

[2] 顧汪明，盧澤洋，黃春良，等.云南省建水縣防火樹種篩選研究[J].北京林業大學學報，2020，42（2）：49-60.

[3] 張寶學，周學海.淺談防火樹種選擇的依據與意義[J].綠色科技，2013（1）：71-72.

[4] 韓煥金.生物防火林帶研究進展概述[J].森林防火，2018（4）：49-52.

[5] 司莉青，舒立福，王明玉，等.生物防火林帶阻火效率差異機理研究進展[J].陸地生態系統與保護學報，2022，2（4）：53-59.

[6] 劉廣菊，孫清芳，李云紅，等.改培型生物防火林帶阻隔體系防火效果評價體系構建[J].東北林業大學學報，2012，40（4）：106-109.

[7] 陳德尚.生物防火林帶樹種選擇及其營造技術探析[J].南方農業，2017，11（17）：44-45.

[8] 吳雪燕，牛瑞剛，李曉慶.安陽太行山區生物防火林帶防火抗火樹種優選[J].林業科技通訊，2021（3）：46-48.

[9] 黃先華.油茶和木荷生物防火功能及效益評估[J].農業與技術，2015，35（17）：99-100.

[10] 陳成華.綠竹生物帶防火效能試驗及應用研究[J].林業科技開發，2003（1）：28-31.

[11] GANI ASRI， NARUSE I. Effect of cellulose and lignin content on pyrolysis and combustion characteristics for several types of biomass[J]. Renewable Energy， 2007， 32（4）： 649-661.

[12] STODDARD M T， PETER Z F， HUFFMAN D W， et al. Ecosystem management applications of resource objective wildfires in forests of the Grand Canyon National Park， USA[J]. International Journal of Wildland Fire， 2020， 29（2）： 190-200.

[13] 溫敏.太行山國有林管理局營盤林場防火帶設計研究[D].太原：山西農業大學，2018.

[14] 張河遠.廣州市生物防火林帶體系研究[D].長沙：中南林業科技大學，2007.

[15] 陳軍，陳繼訓.豫南山區營造油茶生物防火林帶效益分析[J].河南林業科技，2005（2）：37.

[16] 陳銳.廣州市梳腦林場林火阻隔系統評價研究[D].廣州：華南農業大學，2020.

[17] 趙潔.浙江地區生物防火林帶評價及營建技術研究[D].杭州：浙江林學院，2009.

[18] CUI X L， ALAM M A， PERRY G L， et al. Green firebreaks as a management tool for wildfires： lessons from China[J]. Journal of Environmental Management， 2019， 233： 329-336.

[19] 艾廷彪，金榮軍.論營林措施在預防森林火災中的作用[J].綠色科技，2014（10）：225-226.

[20] 唐勇，張曉碧，劉浩陽，等.林火蔓延模型的改進及可視化驗證[J].小型微型計算機系統，2020，41（4）：893-896.

[21] 賈博，張立存，鄒璐，等.生物防火林帶溫濕度研究[J].江西農業大學學報，2014，36（4）：802-810.