南京市3種常見樹種的燃燒特性

任澤巖　李在浩　崔家郡　張嘉嘉　劉金鳳

摘要：利用錐形量熱儀對南京市3種常見樹種馬尾松、杉木和青岡的燃燒特性進行了測定，通過對樹皮和枯落葉的熱釋放速率、總熱釋放量、熱失重曲線、點燃時間、火發生指數等燃燒參數選行對比分析，評價了3個樹種的抗火性。結果表明：青岡的阻火能力較強，適宜用作防火林帶樹種。

關鍵詞：森林保護；錐形量熱儀；阻火性

中圖分類號：S76 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）08-0117-02

1.引言

森林火災不僅能對生態環境造成極大危害，而且直接威脅國家和人民的生命財產安全。在全球氣候變化的背景下，隨著近年來人類活動的日益頻繁，森林火災發生的潛在風險持續上升。由于不同樹種的木材燃燒特性存在差異，具備不同林分結構的森林群落的抗火性也表現各異，而林內可燃物對森林火災類型和火災的嚴重程度有直接影響。錐形量熱儀在測試材料燃燒性能方面與傳統方法相比，其實驗結果與實際火災的情況具有較高關聯性，因此可用于火災的模擬計算。過去，利用錐形量熱儀對樹種燃燒性的研究已有報道，為防火林帶的營造工作提供了基礎。因此，對南京市3種常見樹種的樹皮及枯落物的燃燒特性進行分析，以期對該地區篩選綠化抗火樹種以及有效地預防和控制森林火災提供理論參考。

2.材料與方法

2.1研究地概況

研究地點位于長江下游的南京市紫金山東麓，屬寧鎮…脈的一部分，地勢上總體為東高西低，高程在10～60m，地貌類型多樣，山巒交錯分布，是低山丘陵較集中的區域。氣候類型屬北亞熱帶季風氣候，雨量充沛，年平均降水量1089 mm；四季分明，年平均溫度15.7℃，年極端氣溫最高39.6℃，最低-13.2℃，全年無霜期達225 d。主要土壤類型為紫色土或黃棕壤中的紅沙土。

2.2研究方法

選取當地成熟的林分為研究對象，樹種為青岡、杉木和馬尾松，采集各樹種樹皮及枯落物，待樣品自然風干后朋高速粉碎機進行粉碎，過篩（200目）備用。取粉碎女r的樹皮和枯落葉各25 g，均勻平鋪在100 min×l00mm樣品盒內。利用錐形量熱儀（參照ASTMEl354-90，ISO5660-1）測定樣品在燃燒過程中的熱量釋放的變化及點燃時間等指標并計算樣品的火發生指數（FPI），最終綜合得出不同樹種的燃燒特性。

3.結果與分析

3.1燃燒熱釋放速率分析比較

熱釋放速率（HRR）指的是在單位時間單位面積材料燃燒時釋放熱量的速率，HRR的最大值稱釋熱速度峰值（pkHRR）。HRR是描述木材燃燒的特性的最重要參數之一，也是記錄火災和分析火災傷害的最重要依據。HRR越大或者pkHRR越高，材料單位時間內燃燒傳導給材料單位表面積的熱量就越多，使材料熱解速度加快和揮發性可燃物生成量增多，從而加速火焰傳播。因此，HRR越大或者pkHRR越高表明材料對于火災的影響就越大，危險就越高。

如表1所示，可以看出這3個樹種樹皮和枯落葉的HRR以及pkHRR，其中馬尾松的HRR和pkHRR都是3個樹種里面較高的，而青岡和杉木在這兩方面都比馬尾松低。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。馬尾松樹皮的THR值明顯高于青岡和杉木，而杉木枯落葉的THR值較青岡和馬尾松更高。THR值越大，材料燃燒所釋放出來的熱量就越多，一般情況下火災危險就越大。將HRR和THR結合起來可更為合理地評價材料的阻燃性能。

3.2熱失重過程

木材受熱分解主要分為以下幾個階段：①在100～150℃之間時，可燃物熱分解的速度緩慢.主要是小材水分蒸發的過程，木材的化學組成無顯著改變；②當溫度上升到150～250℃時，可燃物受熱分解的速度明顯加快，可燃物的化學成分中較不穩定的組分如半纖維素受熱分解生成CO、CO2和少量乙酸等物質；③當加熱溫度繼續上升至250℃以上時，可燃物劇烈分解產生大量可燃性氣體，包含如甲烷、乙烷和烯烴類的碳氫化合物，可燃物開始劇烈燃燒。

由圖1所示，可燃物（包括樹皮與小枝）的熱失重曲線可以分成3個階段：第一階段開始失重較快，主要是可燃物中的水分和其他揮發物的散失；第二階段失重速率開始變慢，可燃物中的有機物開始分解；第三階段是燃燒后期的灰化階段，失重速率緩慢趨于停止。馬尾松和杉木在第一階段的熱失重速率高于青岡，而灰分含量三者差異不大。

3.3點燃時間

點燃時間（TTI）是指樣品從加熱開始到出現穩定火焰的時間，是評價材料阻燃性的重要指標之一。如表2所示，從TTI反映出的各樹種樹皮和枯落葉之間的阻燃性能各異。青岡的樹皮和枯落葉點燃時間分別為10 s和13 s，最難燃；杉木和馬尾松的樹皮和枯落葉的點燃時間較接近，為6～7 s，相對青岡易燃。

3.4火發生指數

火發生指數（FPI）常被用來評價測試材料的火險程度，它是點燃時間與熱釋放速率峰值的比值。FPI值越大，抗火能力越強。如表2所示，青岡的FPI值明顯高于其他樹種，抗火能力最強，而杉木和馬尾松的抗火能力最差。

4.結論與討論

采用錐形量熱儀對南京市3種常見樹種的樹皮和枯落葉進行了燃燒測定。通過分析各樹種間的熱釋放速率、總熱釋放量、熱失重曲線、點燃時間和火發生指數的異同，發現馬尾松和杉木阻火能力最差，而青岡最強，因而青岡可以作為阻火優先篩選樹種。

由于錐形量熱儀的最高輻射量只有100 kW/m2，遠遠小于高強度森林火災的輻射，因此該實驗結果更適合于對低強度火燒蔓延的情況。地表落葉的燃燒性對林火發生具有顯著影響，因此本文為模擬枯落物的初步自然分解過程把樣品進行粉碎，但是該種處理不能替代自然狀態下的凋落物分解過程，因此分析結果與樹種實際抗火能力可能并不完全吻合，而且篩選抗火樹種還需要考慮更為復雜的實際情況，因此今后最好能結合野外點燒實驗的數據進行進一步的驗證才能應用到森林防火的實踐工作中。