3種南方防火樹(shù)種理化性質(zhì)的試驗(yàn)研究*

彭徐劍 何 晨 詹慶斌

（1.南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京 210023； 2.江西省林業(yè)科技推廣和宣傳教育中心，江西 南昌 330038）

樹(shù)種燃燒性指樹(shù)種著火蔓延和燃燒的程度，不同 樹(shù)種的燃燒性差異很大，主要分為易燃、不易燃和難燃3 種。樹(shù)種的燃燒性主要取決于其理化性質(zhì)，包括含水率、纖維素、木質(zhì)素、粗脂肪等物質(zhì)含量及熱值、燃點(diǎn)等[1]。森林可燃物抗火性研究在1959 年由Byram[2]提出，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)樹(shù)種理化性質(zhì)測(cè)定試驗(yàn)和比較分析，對(duì)不同地區(qū)的樹(shù)種燃燒性進(jìn)行排序[3-12]。Dickinson等[13]通過(guò)對(duì)塔斯馬尼亞地區(qū)部分典型樹(shù)種的研究，得出闊葉樹(shù)種比針葉樹(shù)種難燃的結(jié)論。Van等[14]選用生物量、樹(shù)種的大小和生物分布和理化性質(zhì)指標(biāo)對(duì)南非樹(shù)種的抗火性進(jìn)行研究。張恒等[15]運(yùn)用主成分分析法對(duì)內(nèi)蒙古大興安嶺主要喬灌樹(shù)種理化性質(zhì)進(jìn)行分析，得出興安落葉松屬于強(qiáng)抗火性樹(shù)種，白樺屬于可抗火性樹(shù)種，黑樺、山楊、蒙古櫟屬于弱抗火性樹(shù)種，二色胡枝子、平榛屬于可抗火性樹(shù)種，興安杜鵑屬于弱抗火性樹(shù)種。Engstrom等[16]對(duì)具有代表性的加州半枝蓮樣品進(jìn)行定性和定量燃燒，結(jié)果表明：點(diǎn)火次數(shù)受形狀效應(yīng)的影響較大，而點(diǎn)火溫度則受化學(xué)成分的影響較大。胡海清等[17]采用錐形量熱儀測(cè)定分析了小興安嶺8 種闊葉樹(shù)的燃燒性，結(jié)果顯示：白樺阻火能力最差，青楷槭阻火能力最強(qiáng)。裴建元等[18]對(duì)江西南昌10 種常見(jiàn)的常綠闊葉樹(shù)種理化性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，并利用聚類分析法進(jìn)行篩選，結(jié)果表明:冬青、油茶、山杜英是較好的防火樹(shù)種。李艷芹等[19]應(yīng)用主成分分析法和專家打分法，對(duì)帽兒山19 種喬木進(jìn)行綜合研究，認(rèn)為水曲柳、黃波羅、胡桃楸等可作為防火樹(shù)種。然而現(xiàn)有關(guān)于樹(shù)種燃燒性的諸多研究均著眼于單一季節(jié)的樹(shù)種燃燒性，而缺乏全季節(jié)樹(shù)種燃燒性方面的研究。因此，本文以火力楠、木荷、油茶3 種防火樹(shù)種為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定其含水率、燃點(diǎn)、熱值、灰分含量、粗脂肪含量、木質(zhì)素含量、粗纖維含量等理化性質(zhì)，比較分析3 種樹(shù)種不同季節(jié)的燃燒特征，為防火樹(shù)種的防火效能評(píng)價(jià)和南方地區(qū)防火樹(shù)種選擇提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

火力楠（Michelia macclurel）、木荷（Schima superba Gardn. et Champ）、油茶（Camellia oleifera Abel）3 種防火樹(shù)種。樣品采集：樹(shù)皮（樹(shù)高1.2 m處），樹(shù)枝（直徑1～2 cm），樹(shù)葉（理化性質(zhì)穩(wěn)定的新鮮老葉），各250 g；采集時(shí)間：2015 年春、秋、冬3 個(gè)季節(jié)（江西省森林防火重點(diǎn)期為10 月1 日至翌年4 月30 日）；采集地點(diǎn)為江西省南昌市灣里區(qū)。

1.2 設(shè)備

PARR 6400 全自動(dòng)氧彈量熱儀，美國(guó)PARR公司；F47900/F48000 通用臺(tái)式馬弗爐，美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司；FIWE6 纖維素測(cè)定儀，意大利VELP公司；DHG-9070A電恒溫?zé)岣稍锵洌瑵?jì)南歐萊博科學(xué)儀器有限公司；DW-02 點(diǎn)著溫度測(cè)定儀，南京上元分析儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試樣制備

將樹(shù)皮、樹(shù)枝（直徑1～2 cm）、樹(shù)葉（理化性質(zhì)穩(wěn)定的新鮮老葉）采集后用封口袋帶回實(shí)驗(yàn)室用電子天平稱重記錄（W1）。將樣品在室內(nèi)風(fēng)干，放置烘箱烘干至恒重（W2），用于含水率計(jì)算。然后每種樣品取5 g左右進(jìn)行粉碎，60 目過(guò)篩，制成試樣，裝瓶備試。

1.3.2 理化性質(zhì)檢測(cè)

選用含水率、燃點(diǎn)、熱值、灰分含量、粗脂肪含量、木質(zhì)素含量和粗纖維含量7 個(gè)理化因子作為3 種防火樹(shù)種燃燒性評(píng)價(jià)指標(biāo)。含水率、燃點(diǎn)、熱值、含量等均依據(jù)LY/T 2013—2012《森林可燃物的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定；灰分依據(jù)LY/T 1268—1999《森林植物與森林枯枝落葉層粗灰分的測(cè)定》測(cè)定；木質(zhì)素含量、粗纖維含量采用Van Soest法進(jìn)行測(cè)定；粗脂肪含量采用索氏抽取法進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 3 樹(shù)種不同部位在不同季節(jié)的含水率

含水率是決定樹(shù)木燃燒性的重要指標(biāo)。含水率越高，越不易燃，抗火、阻火能力也越強(qiáng)。圖1 顯示了3 種防火樹(shù)種樹(shù)枝、樹(shù)皮、樹(shù)葉在春季、秋季、冬季的含水率，總體表現(xiàn)為木荷＞油茶＞火力楠；冬季各樹(shù)種的樹(shù)枝、樹(shù)皮、樹(shù)葉含水率最低，此時(shí)油茶樹(shù)皮含水率僅為47.83%，因此冬季可列為防火緊要期。

圖1 3樹(shù)種不同部位春季、秋季、冬季的含水率比較 Fig.1 Comparison of moisture content of different parts in spring, autumn and winter

2.2 3 樹(shù)種不同部位在不同季節(jié)的燃點(diǎn)

燃點(diǎn)是反映樹(shù)木易燃程度的重要指標(biāo)，高燃點(diǎn)樹(shù)木不易燃，低燃點(diǎn)樹(shù)木易燃。圖2 顯示了 3 種防火樹(shù)種樹(shù)枝、樹(shù)皮、樹(shù)葉各季節(jié)的燃點(diǎn)變化，總體為木荷＞油茶＞火力楠；春季3 種防火樹(shù)種樹(shù)皮燃點(diǎn)均高于其他季節(jié)，而樹(shù)葉燃點(diǎn)低于其他季節(jié)。

圖2 3樹(shù)種不同部位春季、秋季、冬季的燃點(diǎn)比較 Fig.2 Comparison of ignition points of different parts in spring, autumn and winter

2.3 3 樹(shù)種不同部位在不同季節(jié)的熱值

樹(shù)木熱值越高，釋放能量越多，火強(qiáng)度越大，撲救難度更大，破壞程度更高；反之，則火強(qiáng)度越小，破壞程度越輕。從圖3 可以看出，春季3 種防火樹(shù)種樹(shù)枝、樹(shù)皮、樹(shù)葉熱值為油茶＞木荷＞火力楠；秋冬兩季總體為火力楠＞油茶＞木荷。

圖3 3樹(shù)種不同部位春季、秋季、冬季的熱值比較 Fig.3 Comparison of calorific value of different parts in spring, autumn and winter

2.4 3 樹(shù)種不同部位在不同季節(jié)的灰分含量

植物體內(nèi)灰分含量越高，燃燒性能越差，抗火性越強(qiáng)；反之抗火性越弱。圖4 顯示，各季節(jié)3 種防火樹(shù)種樹(shù)枝、樹(shù)皮、樹(shù)葉灰分含量總體為木荷＞油茶＞火力楠 ，在秋季灰分含量達(dá)到高峰期。

圖4 3樹(shù)種不同部位春季、秋季、冬季的灰分含量比較 Fig.4 Comparison of ash content of different parts in spring, autumn and winter

2.5 3 樹(shù)種不同部位在不同季節(jié)的粗脂肪含量

圖5 3樹(shù)種不同部位春季、秋季、冬季的粗脂肪含量比較 Fig.5 Comparison of crude fat content of different parts in spring, autumn and winter

粗脂肪含量是可燃物易燃性的重要指標(biāo)，粗脂肪含量越高的植物越易燃，含量越低越不易燃，抗火性也越強(qiáng)。圖5 顯示了各季節(jié)3 種防火樹(shù)種樹(shù)枝、樹(shù)皮、樹(shù)葉粗脂肪含量總體變化趨勢(shì)，火力楠＞油茶＞木荷，最高為秋季火力楠的樹(shù)葉（5.49%），最低為秋季木荷樹(shù)枝（0.26%）。

2.6 3 樹(shù)種不同部位在不同季節(jié)的木質(zhì)素含量

木質(zhì)素是樹(shù)木的重要成分，不易燃燒，但燃燒時(shí)卻能釋放出大量的熱量，含量越高著火感應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，可提高火場(chǎng)溫度，增大火災(zāi)撲救難度。從圖6 可以看出，各季節(jié)3 種防火樹(shù)種樹(shù)枝、樹(shù)皮、樹(shù)葉木質(zhì)素含量總體為木荷＞油茶＞火力楠，且秋季總體最高。木質(zhì)素含量最高為秋季木荷的樹(shù)枝（47.62%），最低為秋季火力楠的樹(shù)葉（26.28%）。

圖6 3樹(shù)種不同部位春季、秋季、冬季的木質(zhì)素含量比較 Fig.6 Comparison of lignin content of different parts in spring, autumn and winter

2.7 3 樹(shù)種不同部位在不同季節(jié)的粗纖維含量

粗纖維素是樹(shù)木的重要組分，其含量對(duì)植物燃燒性起到關(guān)鍵作用。圖7 顯示，各季節(jié)3 種防火樹(shù)種樹(shù)枝、樹(shù)皮、樹(shù)葉粗纖維含量總體為油茶＞火力楠＞木荷，最高為秋季油茶的樹(shù)枝（61.66%），最低為春季木荷樹(shù)葉（17.65%）。

圖7 3樹(shù)種不同部位春季、秋季、冬季的粗纖維含量比較 Fig.7 Comparison of crude fiber content of different parts in spring, autumn and winter

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)南方3 種典型防火樹(shù)種理化性質(zhì)測(cè)定分析，得出各季節(jié)3 種防火樹(shù)種樹(shù)枝、樹(shù)皮、樹(shù)葉的含水率、燃點(diǎn)、灰分含量、木質(zhì)素含量總體為木荷＞油茶＞火力楠；熱值為春季油茶＞木荷＞火力楠，秋冬兩季火力楠＞油茶＞木荷；粗脂肪含量為火力楠＞油茶＞木荷；粗纖維含量油茶＞火力楠＞木荷。

然而，樹(shù)種燃燒性是由其理化性質(zhì)、生物生態(tài)學(xué)特征等共同決定的[20-21]，本研究?jī)H考慮了部分理化性質(zhì)。因而在下一步樹(shù)種燃燒性試驗(yàn)及評(píng)價(jià)時(shí)，還需結(jié)合樹(shù)種的生物學(xué)特征（如樹(shù)冠整枝、樹(shù)皮、根系、萌芽等）和生態(tài)學(xué)特征（如耐旱性、喜肥性、耐陰性等），考慮不同初含水率、孔隙率對(duì)木材溫度變化速率的影響[22]，結(jié)合不同功率下錐形量熱儀對(duì)可燃物熱釋放速率和熱重分析儀對(duì)熱解性能的測(cè)定進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[23-25]，以構(gòu)建完善的樹(shù)種燃燒性評(píng)價(jià)體系，從而做到全面客觀地評(píng)價(jià)樹(shù)種燃燒性，為南方地區(qū)生物防火林帶建設(shè)工作提供數(shù)據(jù)支持。