彭徐劍 鞠 琳 胡海清

(南京森林警察學(xué)院，南京，210023) (清華大學(xué)) (東北林業(yè)大學(xué))

樹種燃燒性是樹種生物學(xué)特性、生態(tài)學(xué)特性及理化性質(zhì)的綜合體現(xiàn)。樹種燃燒性包括樹種抗火性和耐火性。樹種抗火性是指不易燃燒和阻止林火蔓延的能力。森林火災(zāi)是影響森林的重要生態(tài)因子，森林中的可燃物是森林火災(zāi)的物質(zhì)基礎(chǔ)?？扇嘉锏男再|(zhì)在很大程度上取決于構(gòu)成森林的樹種。樹種不同，其燃燒性質(zhì)也有差異，一般易燃樹種容易著火，火勢蔓延快;難燃樹種則不容易點(diǎn)燃，其火勢蔓延速度也緩慢，燃燒強(qiáng)度也不大［1］?，F(xiàn)代森林火災(zāi)大部分屬輕度燃燒，其對林內(nèi)樹木的損害不會太大，樹木的燃燒一般集中于樹枝和樹葉，并未燃燒至樹干。因此，對樹木燃燒性的研究一般集中于對其樹枝和樹葉的研究，以此來代表樹種的燃燒性能。一些學(xué)者對植物的燃燒性和抗火性曾做過一些有益的研究［2－7］，如單延龍等［8］對55 種樹葉的6 種性狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出了反映樹葉抗火性的順序和類別;胡海清等［4］對小興安嶺8 個(gè)闊葉樹種的燃燒性能進(jìn)行了測定和分析;田曉瑞等［9］對北京地區(qū)森林燃燒性進(jìn)行了研究。以上研究只利用一二項(xiàng)指標(biāo)的測定結(jié)果(如含水率、含脂量)分析樹種的燃燒性和抗火性，這是不夠全面的。因此，本文選取黑龍江省4 種常見針葉樹為研究對象，通過對其樹皮和樹葉的含水率、熱值、點(diǎn)燃時(shí)間、燃燒過程質(zhì)量損失及成碳率等指標(biāo)的測定，綜合確定各針葉樹種的抗火性能，為阻火樹種的選擇以及防火林帶的建立提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料來源和處理方法

針對黑龍江省秋季林火的特點(diǎn)(以地表火為主)，分別選取紅松(Pinus koraiensis)、樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)、紅皮云杉(Picea koraiensis)、興安落葉松(Larix gmelinii)的樹皮和地表枯落葉為研究對象。于2010年10月下旬在大興安嶺塔河林業(yè)局、涼水國家級自然保護(hù)區(qū)和帽兒山林區(qū)選擇成熟林分采集樣品。在取樣時(shí)，取各樹種樹干(上、中、下)3 個(gè)部位的樹皮混合作為樣品，同時(shí)收集各樹種的枯落葉。

取樹皮和枯落葉各20 g，105 ℃烘至恒質(zhì)量，分別測定樹皮和枯落葉的含水率。將另一部分樹皮和枯落葉放在通風(fēng)處自然風(fēng)干，把風(fēng)干好的枯落葉和樹皮用微型植物粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，過篩(200 目)備用。

1.2 試驗(yàn)方法

取粉碎好的樹皮和枯落葉各25 g，均勻平鋪在100 mm×100 mm 樣品盒內(nèi)。采用英國FTT 公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)型錐形量熱儀，熱輻射功率為50 kW·m－2，對應(yīng)溫度為780 ℃(試驗(yàn)溫度接近實(shí)際火災(zāi)溫度)的外部點(diǎn)燃條件，測定樣品的熱值、點(diǎn)燃時(shí)間、比消光面積等指標(biāo)，最后計(jì)算出火災(zāi)性能指數(shù)［10］，綜合確定各樹種的抗火性能［11］。

1.3 含水率計(jì)算方法

絕干含水率:將樣品用信封封好，連同信封一起稱質(zhì)量，放入烘箱中，在105 ℃烘至絕干，冷卻后立即稱質(zhì)量。絕干含水率=((鮮質(zhì)量－絕干質(zhì)量)/絕干質(zhì)量)×100%。

風(fēng)干含水率:將樣品放于室內(nèi)陰涼干燥的地方，經(jīng)過30 d 左右的自然風(fēng)干后稱質(zhì)量，風(fēng)干含水率=((風(fēng)干質(zhì)量－絕干質(zhì)量)/絕干質(zhì)量)×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 含水率

可燃物含水率直接影響著火的難易程度，間接影響火強(qiáng)度、火勢、林火蔓延速率、有效輻射。同時(shí)，可燃物的濕度還有冷卻效應(yīng)，促進(jìn)煙的形成和減少熱量產(chǎn)生的作用。從表1可以看出，在四種針葉樹中，興安落葉松樹皮的絕干含水率和風(fēng)干含水率最高，即風(fēng)干后的興安落葉松樹皮比其它樹種樹皮難燃;紅皮云杉樹葉的絕干含水率和風(fēng)干含水率最高。

表1 各樹種樹皮和樹葉含水率

2.2 熱值

熱釋放速率(HRR)指單位時(shí)間、單位面積試件燃燒釋放熱量的速度，單位是kW·m－2，HRR 的最大值稱釋熱速率峰值(pk－HRR)。HRR 是評價(jià)材料火災(zāi)安全性能最重要的指標(biāo)之一。HRR 或pk－HRR 越大，單位時(shí)間內(nèi)燃燒反饋給材料單位表面積的熱量就越多，結(jié)果造成材料熱解速度加快和揮發(fā)性可燃物生成量增多，從而加速了火焰的傳播。因此，HRR 或pk－HRR 越大，材料在火災(zāi)中危險(xiǎn)性就越大。從表2可以看出，各樹種樹皮pk－HRR 最大的是紅皮云杉樹皮，最小的為樟子松樹皮;各樹種樹葉pk－HRR 最大的為樟子松樹葉，最小的為興安落葉松樹葉。

有效燃燒熱指的是某一時(shí)刻測得的熱釋放量與質(zhì)量損失量之比，單位是MJ·kg－1，M－EHC 為某一時(shí)段有效燃燒熱。它反映了材料熱解產(chǎn)生可燃的揮發(fā)性氣體在氣相火焰中的燃燒程度。從表2可以看出，各樹種樹皮M－EHC 最高的是紅松，其它從大到小依次為紅皮云杉、樟子松、興安落葉松;各樹種樹葉M－EHC 最高的是紅松，其它從大到小依次為樟子松、紅皮云杉、興安落葉松。

表2 各樹種樹皮和樹葉的熱釋放參數(shù)、點(diǎn)燃時(shí)間、火災(zāi)性能指數(shù)

總熱釋放量(THR)是單位面積的材料在燃燒全過程中所釋放熱量的總和，單位為MJ·m－2?？偀後尫帕渴橇鲃酉到y(tǒng)測得的值，而且是凈熱(不包括燃燒產(chǎn)物中水蒸汽凝結(jié)為液體的凝結(jié)熱)。THR值越大，表明實(shí)際火災(zāi)中向外界環(huán)境放出的熱量越多。表2表明，在輻射功率50 kW·m－2的條件下，樹皮THR 最大的為紅松，最小的為樟子松;樹葉THR 最大的為樟子松，最小的為興安落葉松。

2.3 點(diǎn)燃時(shí)間

點(diǎn)燃時(shí)間是在一定加熱器熱流輻射強(qiáng)度下(0 ～100 kW·m－2)，開動電弧火源，樣品從暴露于熱輻射源開始，到表面出現(xiàn)持續(xù)點(diǎn)燃現(xiàn)象為止的時(shí)間(s)，就是樣品在設(shè)定的輻射功率下的點(diǎn)燃時(shí)間。點(diǎn)燃時(shí)間愈長，表明材料在此條件下越不易點(diǎn)燃，被測材料的點(diǎn)火性能就越好，火災(zāi)危險(xiǎn)性越小。點(diǎn)燃時(shí)間是評價(jià)材料阻燃性的重要指標(biāo)之一［12－13］。表2顯示，紅皮云杉樹皮點(diǎn)燃時(shí)間最長(10 s)，樟子松樹皮點(diǎn)燃時(shí)間最短(6 s)，紅皮云杉樹皮最難燃，而樟子松樹皮最易燃;紅皮云杉樹葉點(diǎn)燃時(shí)間最長(12 s)，興安落葉松樹葉點(diǎn)燃時(shí)間最短(7 s)，紅皮云杉樹葉最難燃，而興安落葉松樹葉最易燃;從點(diǎn)燃時(shí)間來看，各樹種樹皮和樹葉的抗火性能基本一致。

2.4 火災(zāi)性能指數(shù)

火災(zāi)性能指數(shù)(FPI)指點(diǎn)燃時(shí)間同熱釋放速率峰值的比值。FPI 越大，樹種抗火能力越差。由表2知，在輻射功率50 kW·m－2的條件下，對于樹皮來說，紅皮云杉和興安落葉松的FPI 值明顯高于其它樹種，抗火能力較弱，而樟子松抗火能力最強(qiáng);對于樹葉來說，樟子松樹葉抗火能力最強(qiáng)，其次為紅松和興安落葉松，最差的為紅皮云杉。

2.5 燃燒過程質(zhì)量損失速率及成碳率

質(zhì)量損失速率(MLR)表示材料在試驗(yàn)過程中質(zhì)量的減小速度，單位g·s－1，其中Mean－MLR 為平均質(zhì)量損失速率，Peak－MLR 表示最大質(zhì)量損失速率。MLR 反映了材料在試驗(yàn)熱輻射條件下熱解反應(yīng)的速率。從表3可以看出，樹皮平均質(zhì)量損失速率最大的為紅皮云杉，說明其樹皮燃燒反應(yīng)劇烈，失重快，燃燒性好，抗火性能最差;樹葉平均質(zhì)量損失速率最大的為紅松，說明其樹葉抗火性能差。表3給出了各樹種樹皮和樹葉的質(zhì)量損失速率峰值，由表3可知，各樹種樹皮的質(zhì)量損失速率峰值從大到小依次是紅皮云杉、紅松、興安落葉松、樟子松;樹葉的質(zhì)量損失速率峰值從大到小依次是紅松、樟子松、紅皮云杉、興安落葉松。

成炭率是指試樣燃燒殘余物質(zhì)量占燃燒前試樣質(zhì)量的百分比。成炭率越高，材料的總質(zhì)量損失越低，對降低熱釋放及煙釋放越有利，即促進(jìn)成碳是阻燃、抑煙的關(guān)鍵途徑。從表3可以看出，樹皮燃燒成碳率最高的樹種為樟子松;樹葉燃燒成碳率最高的是興安落葉松。

表3 各樹種樹皮和樹葉在燃燒過程中的質(zhì)量變化參數(shù)

2.6 比消光面積

比消光面積(SEA)指在實(shí)驗(yàn)條件下消耗單位質(zhì)量的材料所產(chǎn)生的煙量(以面積計(jì))，單位為m2·kg－1，代表揮發(fā)單位質(zhì)量樣品所產(chǎn)生煙的能力。樣品燃燒發(fā)出的煙由煙產(chǎn)生速率和比消光面積的增加反映出來，揮發(fā)性氣體燃燒，比消光面積降低。圖1給出了在輻射條件為50 kW·m－2的條件下，各樹種樹皮(A1)和樹葉(B1)的比消光面積隨時(shí)間的變化曲線。由圖1可知，各樹種樹皮和樹葉SEA 曲線波動較大，紅松樹皮SEA 曲線從燃燒開始迅速上升，并始終高于其它樹種，其它樹種樹皮比消光面積從大到小的順序是紅皮云杉、樟子松、興安落葉松，說明紅松樹皮燃燒過程發(fā)煙量較大;紅松針葉SEA 最先達(dá)到了峰值(5 s)，其它樹種樹葉比消光面積從大到小的順序是紅皮云杉、樟子松、興安落葉松，說明紅松樹葉燃燒過程發(fā)煙量較大。

圖1 各樹種樹皮(A1)、樹葉(B1)的比消光面積動態(tài)變化

2.7 煙氣釋放規(guī)律

總煙釋放量(TSR)為樣品整個(gè)燃燒過程中單位樣品面積釋煙總量，單位為MJ·m－2，是評價(jià)材料火災(zāi)安全性的又一重要指標(biāo)。從圖2可以看出，紅松樹皮TSR(68.93 MJ·m－2)明顯高于其它樹種(24.19 ～58.55 MJ·m－2)，各樹種樹皮的TSR 從大到小的順序是紅皮云杉、興安落葉松、樟子松;各樹種葉TSR差異明顯，從大到小依次為紅松、紅皮云杉、樟子松、興安落葉松。

CO、CO2生成總量指的是一段時(shí)間內(nèi)材料燃燒過程中生成的CO、CO2總量，分別用Total－Pco 和Total－PCO2表示，單位為g。由于本試驗(yàn)所選試樣的厚度、密度及質(zhì)量接近，因此，各燃燒試樣在相同時(shí)間內(nèi)生成CO、CO2總量存在可比性。表4給出了各樹種樹皮和樹葉在180 s 內(nèi)CO、CO2生成總量。由表4可知，樹皮釋放CO 總量最大的是興安落葉松，其它從大到小依次為紅松、樟子松、紅皮云杉;樹葉釋放CO 總量最大的是樟子松，其它從大到小依次為紅皮云杉、紅松、興安落葉松。樹皮釋放CO2總量最大的是興安落葉松，其它從大到小依次為紅松、紅皮云杉、樟子松;樹葉釋放CO2總量最大的是樟子松，其它從大到小依次為紅皮云杉、紅松、興安落葉松。

圖2 各樹種樹皮(A1)、樹葉(B1)的總煙釋放量的動態(tài)變化

CO、CO2產(chǎn)率(YCO、YCO2)表示消耗單位質(zhì)量的材料試樣所產(chǎn)生的CO、CO2氣體的質(zhì)量，單位是kg·kg－1。YCO越大，煙氣的毒性就越大。表4給出了在相同輻射條件下，各樹種樹皮和樹葉在整個(gè)燃燒時(shí)間內(nèi)平均CO 產(chǎn)率(Mean－YCO)、平均CO2產(chǎn)率(Mean－YCO2)。由表4可知，各樹種樹皮和樹葉在整個(gè)燃燒時(shí)間內(nèi)Mean－YCO、Mean－YCO2不同，即損失單位質(zhì)量的樣品，生成CO、CO2的能力也不同，這是由于各樹種內(nèi)部的不同化學(xué)組成導(dǎo)致的。興安落葉松樹皮Mean－YCO最高，樟子松樹葉Mean－YCO最高;興安落葉松樹皮和樹葉Mean－YCO2均為最高。

表4 各樹種樹皮和樹葉的CO、CO2 釋放參數(shù)

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)利用錐形量熱儀對黑龍江省4 種常見針葉樹種的樹皮和樹葉進(jìn)行了燃燒測定。綜合對比分析了不同樹種的熱釋放速率、總熱釋放量、有效燃燒熱、比消光面積、總煙釋放量、點(diǎn)燃時(shí)間、火災(zāi)性能指數(shù)、比消光面積及煙氣釋放規(guī)律。認(rèn)為紅松樹葉和樹皮抗火能力最差，而興安落葉松樹皮和樹葉抗火能力較強(qiáng)。從輕度火燒的角度考慮，興安落葉松可作為阻火優(yōu)先篩選樹種。

本試驗(yàn)所有試樣的燃燒過程可大致分為三個(gè)階段:初期無焰熱解階段、有焰燃燒階段及后期紅熱燃燒階段。樣品的熱釋放速率、質(zhì)量損失速率、煙釋放速率、二氧化碳生成速率表現(xiàn)出同步的變化規(guī)律，均在有焰燃燒最劇烈的時(shí)候出現(xiàn)了峰值，而且大部分的質(zhì)量損失、熱量釋放、濃煙釋放、二氧化碳釋放都是在有焰燃燒階段完成的。受燃燒中氧消耗的影響，一氧化碳釋放規(guī)律比較復(fù)雜，但總體來說，大量的一氧化碳釋放主要發(fā)生在后期灼熱燃燒階段，即由木炭不完全氧化形成。

樹種燃燒性是多因子共同作用的結(jié)果，樹種理化性質(zhì)、生物學(xué)特性、生態(tài)學(xué)特征都會影響樹種的燃燒性，但是，目前研究中，將多因子結(jié)合起來進(jìn)行研究的還比較少。在對各燃燒性指標(biāo)進(jìn)行綜合分析時(shí)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法對樹種燃燒性排序、分級是一種經(jīng)常用到的方法，但較缺乏客觀性，在以后的研究中，期望能尋求更加客觀、有效的數(shù)學(xué)方法，對樹種燃燒性進(jìn)行更為準(zhǔn)確的確定。

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