王小雪，彭徐劍，胡海清

（ 1. 東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040；2. 南京森林警察學(xué)院 森林消防系 江蘇 南京 210023；3. 哈爾濱醫(yī)科大學(xué) 組織部，黑龍江 哈爾濱150081）

黑龍江省主要草本可燃物燃燒性分析:Ⅱ燃燒性綜合評(píng)價(jià)

王小雪1,3，彭徐劍2，胡海清1

（ 1. 東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040；2. 南京森林警察學(xué)院 森林消防系 江蘇 南京 210023；3. 哈爾濱醫(yī)科大學(xué) 組織部，黑龍江 哈爾濱150081）

通過對(duì)黑龍江省48種主要草本可燃物理化性質(zhì)的測(cè)定，并分析了草本間在各指標(biāo)上的差異，采用層次分析法（AHP）對(duì)可燃物的燃燒性的各指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重的確定，并計(jì)算各草本的燃燒性值，最后對(duì)草本的燃燒性進(jìn)行排序。結(jié)果表明：各草本風(fēng)干含水率在10.53%～104.55%，其中假升麻Aruncus sylvester Kostel.最低，鈴蘭Convallaria majalis L.最高；絕干含水率在135.29%～2200%，其中苔草Carex tristachya最低，水金鳳Flos seu Radix Impatientis nolitangeris最高；灰分含量在4.52%～25.84%，其中耳葉蓼Polygonum manshuriense V. Petr. ex Kom.最低，灰菜Chenopodium album L.最高；熱值在6342J/g～12687 J/g，其中灰菜Chenopodium album L.最低，獨(dú)行菜Lepidium apetalum最高；苯-乙醇抽提物含量在2.42%～11.40%，其中耳葉蓼Polygonum manshuriense V. Petr. ex Kom.最低，水金鳳Flos seu Radix Impatientis nolitangeris最高；最難燃的草本是水金鳳Flos seu Radix Impatientis nolitangeris，最易燃的草本是苔草Carex tristachya。

草本可燃物；燃燒性；理化性質(zhì)；黑龍江省

森林火災(zāi)是其一個(gè)重要的因子，它指失去控制，在森林中自由蔓延和擴(kuò)展，達(dá)到一定的面積，對(duì)森林、生態(tài)環(huán)境和人類生命財(cái)產(chǎn)帶來一定危害和損失的森林燃燒。森林火災(zāi)對(duì)森林造成的損失和對(duì)環(huán)境影響的大小，火作用于生物個(gè)體、群落的劇烈程度，取決于火強(qiáng)度的高低、火面積的大小和火災(zāi)周期（火災(zāi)頻率）的長(zhǎng)短。燃燒是一個(gè)極為復(fù)雜的物理和化學(xué)現(xiàn)象，森林火災(zāi)的發(fā)生及蔓延更受到燃燒物及各種氣象因素等燃燒條件的影響[1-9]。森林燃燒的主要條件是森林可燃物、森林氣象條件、火源等?？扇嘉锸巧只馂?zāi)發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，是林火傳播的主要因素。森林可燃物的性質(zhì)在很大程度上取決于構(gòu)成森林的構(gòu)成，草本層是森林可燃物的重要組成部分，所以，它直接或間接影響森林可燃物的性質(zhì)和數(shù)量[10-11]，其種類不同，其燃燒性質(zhì)也有很大差異。影響草本燃燒性的因素有很多，如可燃物的理化性質(zhì)，生物學(xué)特性和生態(tài)學(xué)特性。但草本的燃燒性主要受其自身理化性質(zhì)的影響，理化性質(zhì)包括內(nèi)特性和外特性兩部分，可燃物內(nèi)特性是指描述可燃物植物部分的性質(zhì)，包括可燃物的化學(xué)性質(zhì)以及密度，燃點(diǎn)，熱值等物理性質(zhì)；可燃物外特性指可燃物組合的各種特性，包括可燃物的數(shù)量，大小，形狀，含水率，密實(shí)度及連續(xù)等?？扇嘉飪?nèi)特性主要用來解釋燃燒現(xiàn)象，而可燃物外特性主要影響火行為[12-22]。林火的發(fā)生最初是從地面凋落物開始，然后到草本層→灌木層→樹冠層的逐次蔓延過程，其中雜草層是可燃物的重要層次。因此，對(duì)這個(gè)可燃物層次燃燒性的研究，將有助于提高森林可燃物研究的整體性和系統(tǒng)性，是十分必要的。本論文通過對(duì)黑龍江省48種草本的燃燒性進(jìn)行研究，并對(duì)其燃燒性進(jìn)行排序，為黑龍江省難燃草本的篩選及生物防火林帶的建設(shè)提供參考依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)域概況

黑龍江省地處我國(guó)東北部邊疆。北部和東部分別以黑龍江和烏蘇江與俄羅斯為界、西靠?jī)?nèi)蒙古自治區(qū)、南鄰吉林省。西起東經(jīng)121°11′，東至 135°5′；南自北緯 43°25′，北到53°33′。東西跨近14個(gè)經(jīng)度，南北相距10個(gè)緯度。該區(qū)域高等植物183科，737屬，2 400種。其中種子植物為1763種，占全國(guó)種子植物的7.2%，屬于642個(gè)屬，110科。在種子植物中被子植物107科，636個(gè)屬，642種，裸子植物3科，6屬、17種。這眾多的植物種類中，有些是本區(qū)特有的，有些是來自外區(qū)在此安家落戶的，有些種類是屬于生態(tài)幅度寬廣的世界廣布種。從本省植物種類分布的優(yōu)勢(shì)度看．以菊科、禾本科、莎草料、薔薇科、毛夏科等為主。這些科屬的植物中莎草料的苔草Carex tristachya、薔薇科的大部分草本，以及毛茛Ranunculus japonicus Thunb.科的多數(shù)種類耐寒性極強(qiáng)，都在一定程度上顯示著其生活地域的特點(diǎn)是以寒溫帶為主。

2 研究方法

2.1 樣品采集

2008年6月從黑龍江省大興安嶺林區(qū)、小興安嶺林區(qū)以及帽兒山林場(chǎng)采集48種草本作為試驗(yàn)對(duì)象。本試驗(yàn)的草本植物種類有：藜蘆Veratrum nigrum L.、 鈴 蘭 Convallaria majalis L.、 毛 百 合Lilium dauricum、小玉竹Polygonatum humile Fisch.ex Maxim.、粗莖鱗毛蕨Dryopteris crassirhizoma Nakai、 香 薷 Herba moslae、 益 母 草Leonurus heterophyllus Sweet.、廣布野豌豆Vicia cracca Linn.、紅花車軸草Trifolium pratense L.、野大豆Glycine soja Sieb. et Zucc、蝙蝠葛Menispermum dahuricmn DC.、水金鳳Flos seu Radix Impatientis nolitangeris、大葉章Deyeuxia langsdorffii (Link)Kunth、罔草Beckmannia syzigachne (Steud.) Fern、蝎子草Girardinia suborbiculata、大薊Cirsium japonicum DC.、 黑 心 菊 Rudbeckia hirta、 還 陽(yáng)參Crepis rigescens Diels、黃蒿Artemisiascoparia Waldst. EtKit.、 山 萵 苣 Mulgedium sibiricum、水蒿Artemisia selengensis、野艾蒿Artemisia lavandulaefolia、 灰 菜 Chenopodium album L.、軸藜Axyris amaranthoides、耳葉蓼Polygonum manshuriense V. Petr. ex Kom.、戟葉蓼Polygonum thunbergii Sieb. et Zucc.、毛脈酸模Rumex gmelini Turcz.、莧葉蓼Portulaca oleracea L.、羊蹄酸模Rumex japonicus、月見草Oenothera erythrosepala Borb.、鼠掌老鸛草Geranium sibiricum L.、毛茛Ranunculus japonicus Thunb.、唐松草Thalictrum aquilegifolium L.、 問 荊 Equisetum arvense、狹葉蕁麻Urtica angustifolia、水楊梅Geum aleppicum、豬殃殃G. odoratum、地榆Radix Sanguisorbae、匍枝萎陵菜Potentilla yokusaiana Makino、 假 升 麻 Aruncus sylvester Kostel.、 蚊子草Filipendula palmata (Pall) Maxim.、山茄子Anisodus acutangulus、 當(dāng) 歸 Angelica sinensis、 苔草Carex tristachya、獨(dú)行菜Lepidium apetalum、白花碎米薺Cardamine leucantha (Tausch) O. E.Schulz、白屈菜Chelidonium majus L.、猴腿蹄蓋蕨Athyriummultidentatum。將剛采集的樣品稱其鮮重，而后將其帶回到室內(nèi)，置于陰涼干燥處，備用。

2.2 草本理化性質(zhì)測(cè)定方法

2.2.1 苯醇抽提物測(cè)定

該試驗(yàn)是用苯－乙醇混合液抽提試樣，精確稱取烘干試樣，重量G2，用預(yù)先經(jīng)苯－乙醇混合液抽提的濾紙包好，置于索氏抽提器中，抽提液每小時(shí)約循環(huán)不少于4次，如此抽提6 h。然后將抽出液蒸發(fā)，烘干，稱量不揮發(fā)的殘?jiān)縂1。抽提前測(cè)定試樣所含水分W及高形瓶重G，這樣即可利用下面公式算出苯醇抽提物含量X：

式（1）中：G為高形瓶重（g）；G1為高形瓶連同已烘干殘余物重（g）；G2為風(fēng)干試樣重（g）；W為試樣水分（%）。

2.2.2 灰分含量測(cè)定

灰分含量高，可燃物質(zhì)相對(duì)少，抗火性相對(duì)強(qiáng)。采用干灰分法測(cè)定，公式如下：

式（2）中：X為樣品中灰分的含量，%；ml為增堝的質(zhì)量（g）；m2為增堝和樣品的質(zhì)量（g）；m3為坩堝和灰分的質(zhì)量（g）。

2.2.3 燃燒熱值測(cè)定

燃燒熱值大，釋放熱量多，表明抗火能力差。采用XRY-1C型微機(jī)氧彈熱量計(jì)測(cè)量，公式為：

式（3）中：ΣEd為樣品所產(chǎn)生的總熱量，J；G為試樣重量，g；E為儀器熱容量，J/g。

2.2.4 風(fēng)干和絕干含水率測(cè)定

本試驗(yàn)采用兩種含水率的表示方法，絕干含水率（絕對(duì)含水率）和風(fēng)干含水率（相對(duì)含水率）。風(fēng)干含水率將野外采集樣品（W1）置于實(shí)驗(yàn)室常溫下數(shù)日，自然風(fēng)干后稱重（W2），可以利用以下公式計(jì)算風(fēng)干含水率（M風(fēng)干）。

絕干含水率將野外采集樣品（W1）置入105℃恒溫箱內(nèi)，24小時(shí)取出稱其重量（W絕干），利用以下公式計(jì)算絕干含水率（M絕干）。

2.3 權(quán)重確定方法

本論文采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱AHP）對(duì)可燃物的燃燒性的各指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重的確定。根據(jù)燃燒性綜合評(píng)價(jià)的基本指標(biāo)體系，建立層次分析法評(píng)價(jià)的遞階層次結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 燃燒值指標(biāo)遞階層次結(jié)構(gòu)Fig.1 The hierarchical structure of combustion values

應(yīng)用AHP分析決策問題時(shí)，首先要把問題條理化、層次化，構(gòu)造出一個(gè)有層次的結(jié)構(gòu)模型。在這個(gè)模型下，復(fù)雜問題被分解為元素的組成部分。這些元素又按其屬性及關(guān)系形成若干層次。上一層次的元素作為準(zhǔn)則對(duì)下一層次有關(guān)元素起支配作用。這些層次可以分為三類：

（1）最高層：這一層次中只有一個(gè)元素，一般它是分析問題的預(yù)定目標(biāo)或理想結(jié)果，因此也稱為目標(biāo)層。本文的最高層，即目標(biāo)層為燃燒值綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。

（2）中間層：這一層次中包含了為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)所涉及的中間環(huán)節(jié)，它可以由若干個(gè)層次組成，包括所需考慮的準(zhǔn)則、子準(zhǔn)則，因此也稱為準(zhǔn)則層。本文的中間層由3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，即引燃難易程度、燃燒強(qiáng)度和持燃時(shí)間。

（3）最底層：這一層次包括了為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)可供選擇的各種措施、決策方案等，因此也稱為措施層或方案層。本研究的最底層，共5個(gè)指標(biāo)，雖然指標(biāo)有重復(fù)，但在不同的中間層，即使是同一指標(biāo)也可能有不同的權(quán)重。

3 結(jié)果與分析

3.1 草本可燃物理化性質(zhì)分析

苯-醇抽提物是一種成分很復(fù)雜的易燃物，低溫下易揮發(fā)，呈有焰燃燒，且熱值較高，從表1可以看出，各草本抽提物含量因草本種類不同抽提物的含量差異很大。所測(cè)定的48種草本可燃物抽提物含量的變化范圍在2.42%～11.40%。

木素是木材中的芳香族聚合物，燃燒只發(fā)出灼熱的白光，不產(chǎn)生火焰，因此對(duì)林火蔓延影響不大。木素含量越高，越不易燃，且燃燒時(shí)不產(chǎn)生火焰。從表2可以看出木素含量在各樹種間差異較大，含量變化在20.69%～39.26%之間，其中樟子松、落葉松木素含量最高，水曲柳含量最低。

表1 樹種理化性質(zhì)指標(biāo)測(cè)定Table 1 Determination of tree species physicochemical properties

表2 燃燒性因子的權(quán)重Table 2 Eeights of combustibility factors

燃燒速度是測(cè)定樹種燃燒性質(zhì)的一項(xiàng)綜合性指標(biāo)，燃燒速度越快，其燃燒性質(zhì)越大。從表2中可以看出燃燒速度變化范圍在0.16 s～0.37 s之間，水曲柳葉子燃燒所用時(shí)間最短，而樟子松燃燒時(shí)間最長(zhǎng)。

可燃物含水率對(duì)其燃燒性的主要影響是可燃物的熱值、預(yù)熱時(shí)間和可燃性氣體的純度，當(dāng)含水量越高時(shí)其燃燒性越低，熱值下降，從而使燃燒速度得到抑制。從表2數(shù)據(jù)可以看出，風(fēng)干含水率差異不大在4.17%～9.68%之間；樹種間絕干含水率變化明顯，闊葉樹種高于針葉樹種。

3.2 草本可燃物燃燒性排序

3.2.1 各燃燒性因子權(quán)重?cái)?shù)值

由此，各指標(biāo)組成的方程如下：

引燃難易程度=0.219 3×風(fēng)干含水率+0.290 5×絕干含水率+0.083 0×抽提物含量；

燃燒強(qiáng)度=0.036 3×風(fēng)干含水率+0.041 9×絕干含水率+0.122 8×熱值+0.022 3×灰分含量+0.055 8×抽提物含量；

持燃時(shí)間=0.082 8×灰分含量+0.045 3×抽提物含量；

燃燒性=0.592 8×引燃難易程度+0.279 1×燃燒強(qiáng)度+0.128 1×持燃時(shí)間;

3.2.2 燃燒性排序

根據(jù)以上方程，就算各草種的燃燒性及其包含的引燃難易程度、燃燒強(qiáng)度和持燃時(shí)間（如表3）。分析可見，48個(gè)草種中，最易引燃的是苔草Carex tristachya，最難引燃的是水金鳳Flos seu Radix Impatientis nolitangeris；燃燒強(qiáng)度最低的是鼠掌老鸛草Geranium sibiricum L.，最高的是水金鳳Flos seu Radix Impatientis nolitangeris；持燃時(shí)間最短的是耳葉蓼Polygonum manshuriense V.Petr. ex Kom.，最長(zhǎng)的仍是水金鳳Flos seu Radix Impatientis nolitangeris。綜合起來看，燃燒性最低的是水金鳳Flos seu Radix Impatientis nolitangeris，最高的是苔草Carex tristachya。

4 結(jié)論與討論

本文以黑龍江省為研究區(qū)域，以48個(gè)主要草本為研究對(duì)象，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)分析、方差分析、相關(guān)分析、主成分分析及聚類分析等統(tǒng)計(jì)方法，通過對(duì)草本的理化性質(zhì)（灰分、風(fēng)干含水率、絕干含水率、熱值、抽提物、木素、燃燒速度），生物學(xué)與生態(tài)學(xué)特性的試驗(yàn)及調(diào)查數(shù)據(jù)分析，研究了48個(gè)草本的燃燒性及草本的綜合燃燒性，并對(duì)其燃燒性進(jìn)行排序分級(jí)，為黑龍江省難燃草本的篩選及森林火災(zāi)的預(yù)防提供參考依據(jù)，主要結(jié)論如下：

（1）通過對(duì)48個(gè)草本理化燃燒性及其指標(biāo)的測(cè)定，分析了草本之間在這些指標(biāo)上的差異。結(jié)果表明：草本間燃燒熱值差異較大。風(fēng)干含水率的平均值在37.34%，假升麻Aruncus sylvester Kostel.最低，鈴蘭Convallaria majalis L.最高；絕干含水率平均值為465.03%，苔草Carex tristachya最低，水金鳳Flos seu Radix Impatientis nolitangeris最高；灰分含量的平均值為10.13%，耳葉蓼Polygonum manshuriense V. Petr. ex Kom.最低，灰菜Chenopodium album L.最高；燃燒速度平均值在17.28 cm2/s，最大的是灰菜，最小的是水金鳳；灰化時(shí)間平均值在5.98 s，時(shí)間最長(zhǎng)的是水楊梅Geum aleppicum，最短的是白屈菜Chelidonium majus L.；熱值平均值為10 513.27 J/g，獨(dú)行菜Lepidium apetalum最高，灰菜最低；苯-乙醇抽提物含量的平均值為5.17%，水金鳳最高，耳葉蓼最低。

表3 48種草燃燒性指標(biāo)值Table 3 Combustibility index values of 48 kinds of herbs

（2）構(gòu)建燃燒性評(píng)價(jià)模型，利用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重，并把48種草進(jìn)行分類，其中最易引燃的是苔草Carex tristachya，最難引燃的是水金鳳；燃燒強(qiáng)度最低的是鼠掌老鸛草Geranium sibiricum L.，最高的是水金鳳；持燃時(shí)間最短的是耳葉蓼，最長(zhǎng)的仍是水金鳳。綜合起來看，燃燒性最低的是水金鳳，最高的是苔草。

草本燃燒性是多因子共同作用的結(jié)果，草本理化性質(zhì)、生物學(xué)特性、生態(tài)學(xué)特征都會(huì)對(duì)草本燃燒性有影響，但是，目前研究中，這幾者結(jié)合起來進(jìn)行研究得比較少，在對(duì)各因子進(jìn)行綜合分析時(shí)，數(shù)學(xué)方法的應(yīng)用應(yīng)尋求更多的嘗試，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)草本燃燒性排序、分級(jí)是一種經(jīng)常用到的方法，但較缺乏客觀性，在以后的研究中，能尋求更加客觀、有效的數(shù)學(xué)方法，對(duì)草本燃燒性進(jìn)行更為準(zhǔn)確的確定。在理化燃燒性指標(biāo)選擇上，由于實(shí)驗(yàn)條件限制，本文只選取了灰分、風(fēng)干含水率、絕干含水率、苯-乙醇抽提物、熱值五個(gè)指標(biāo)，在以后的研究中還可以考慮選擇揮發(fā)性可燃?xì)怏w、揮發(fā)油抽提物等燃燒性指標(biāo)，揮發(fā)性可燃?xì)怏w也是草本燃燒性質(zhì)研究中的一個(gè)重要指標(biāo)，它可以直接影響到樹冠火的蔓延，現(xiàn)在分析手段用得較多的是用氣相質(zhì)譜/色譜聯(lián)用儀測(cè)定并分析具體可燃成分，揮發(fā)油（抽提物）的提取手段可以考慮超臨界CO2萃取技術(shù)，并利用色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀鑒定抽提物成分；值得一提的是，揮發(fā)性可燃?xì)怏w及抽提揮發(fā)油可燃成分研究的定性與定量結(jié)合，目前在森林草本可燃性研究方面還沒有見報(bào)道，草本可燃成分定性與定量研究相結(jié)合，這將進(jìn)一步促進(jìn)草本燃燒性研究的精度及準(zhǔn)確度。

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Analysis of combustibility of major herb species in Heilongjiang Province: II comprehensive evaluation

WANG Xiao-xue1,3, PENG Xu-jian2, HU Hai-qing1

(1. Forestry College of Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilonjiang, China;2. Department of Forest Fire, Nanjing Forest Police College, Nanjing 210023, Jiangsu, China;3. CPC Organization Dept. of Harbin Medical University, Harbin 150081, Heilonjiang, China)

The combustibility of 48 major herbs properties in Heilongjiang Province was comprehensively evaluated by the analysis of physical property, the differences of testing indexes between different herb fuels were also explored. By using analytic hierarchy process (AHP)，the weighing values of combustibility indexes were determined, the combustibility values of different herbs fuels were calculated, finally the combustibility values of different herbs were ordered by magnitude. The results show that the dried herbs moisture rates were from 10.53% to 104.55%, of them, that of Aruncus sylvester Kostel was the lowest, the Convallaria majalis L.was the highest; the ash content was from 4.52% to 25.84%, that of Polygonum manshuriense V. Petr. ex Kom. was the lowest and that of Chenopodium album L. is the highest; the heat values were from 6 342 J/g to 12 687 J/g，that of C. album was the lowest, that of Lepidium apetalum was the highest; the contents of benzene-ethanol extraction were from 2.42% to 11.40%, of the herbs, the value of P. manshuriense was the lowest, and that of Flos seu Radix Impatientis nolitangeris was the highest. The herb most difficult to burn was Flos seu Radix Impatientis nolitangeris, and the herb easiest to burn was Carex tristachya.

herbaceous fuels; combustibility; physicochemical property; Heilongjiang Province

S762.1

A

1673-923X(2013)06-0001-06

2013-03-07

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（LGZD201322）

王小雪(1972-)，女，黑龍江哈爾濱人，教授，主要從事森林防火方面的研究

[本文編校：吳 彬]