杨梅等6种常见经济树种的燃烧特性研究

彭东琴，伊力塔,2，余树全,2*，李修鹏，俞 飞,2，钱逸凡，沈 露

（1. 浙江农林大学林业与生物技术学院，浙江 临安 311300；2. 亚热带森林培育国家重点实验室培育基地，浙江 临安 311300；3. 浙江省宁波市林业技术推广中心，浙江 宁波 315000）

杨梅等6种常见经济树种的燃烧特性研究

彭东琴1，伊力塔1,2，余树全1,2*，李修鹏3，俞 飞1,2，钱逸凡1，沈 露1

（1. 浙江农林大学林业与生物技术学院，浙江 临安 311300；2. 亚热带森林培育国家重点实验室培育基地，浙江 临安 311300；3. 浙江省宁波市林业技术推广中心，浙江 宁波 315000）

利用锥形量热仪器，对毛竹（Phyllostachys heterocycla cv. pubescens）、枇杷（Eriobotrya japonica）、油茶（Camellia oleifera）、栀子（Gardenia jasminoides）、杨梅（Myrica rubra）和茶（C. sinensis）6种浙江省常见经济树种鲜叶片的着火感应时间（TTI）、热释放速率（HRR）、热释放速率峰值（HRRpeak）、热释放总量（THR）、烟释放总量（TSR）、CO释放量（YCO）和CO2释放量（YCO2）7个燃烧性指标进行测定。结果表明：油茶和毛竹的着火感应时间短、热释放速率高、热释放量高，易燃，阻火性能差；而杨梅、茶、枇杷和栀子着火感应时间长，在各项燃烧指标中，峰值较低或最低，热释放速率缓慢，释热量少，是难燃的抗火性强的树种。

经济树种；鲜叶；燃烧性；防火性；浙江

森林火灾是造成森林大量毁坏的重要原因之一[1]，对整个森林生态系统结构和功能均有重要影响[2]，而防范和减少森林火灾是保护森林资源的重要措施。目前，利用生物防火树种营造的防火林带可有效阻止林火的发生和发展得到了多数学者的基本共识[3～4]，但通常普通生物防火林带只具有防火而并非具有直接的经济效益[5]，近年来，已有报道表明采用经济型树种建设生物防火林带，不但防火效果明显，并且生态、社会及经济效益显著[6～7]。森林燃烧虽由一些枯枝落叶引燃，但燃烧的主体是活植物体[8]，而且叶片比树枝、树干更敏感，更容易燃烧，可作为燃烧性的有效参考指标[9～10]，但通过鲜叶燃烧特性来综合评价其效益鲜有报道。因此，本文利用锥形量热仪器对浙江省6种主要经济树种的鲜叶进行燃烧实验，旨从中筛选出较好的经济型防火树种，为浙江省营建更加完备的防火林带选取树种提供参考依据。

1 研究地区概况

研究区位于浙江省西北部临安市，29° 56′ ～ 30° 23′ N，118° 51′ ～ 119° 52′ E，属亚热带季风气候，温暖湿润，四季分明，具有春多雨、夏湿热、秋气爽、冬干冷的气候特征，全年降水量1 628.6 mm，全年平均气温16.4℃，全年日照时数1 847.3 h，森林覆盖率74.9 %，主要生态经济造林树种有木荷（Schima superba）、湿地松（Pinus elliottii）、苦槠（Castanopsis sclerophylla）、青冈（Cyclobalanopsis glauca）、毛竹（Phyllostachys heterocycla cv. pubescens）、杨梅（Myrica rubra）、油茶（Camellia oleifera）、樟树（Cinnamomum camphora）、无患子（Semen Sapindi）和红叶石楠（Photinia serrulata）等。浙江冬季晴冷少雨、空气干燥，植物生长停止，进入冬眠；春季冷暖空气交替频繁，万物复苏，此时森林可燃物增多，遭遇明火，易发生森林火灾。冬季初春，也是浙江省炼山造林季节，又是冬至、元旦、春节、清明等传统节日时期，野外用火较多。在一年中，浙江森林火灾发生的次数从10月开始逐渐增多，到翌年2、3月进入高峰，4月以后明显降低，且森林火灾集中发生在1-4月，与浙江省气候、植物生物学特性、人们用火活动规律相关。

2 试验材料与方法

2.1 材料来源

于浙江省森林重点防火期内（3-4月）选择长势良好，成熟的毛竹、枇杷（Eriobotrya japonica）、油茶、栀子（Gardenia jasminoides）、杨梅和茶（Camellia sinensis）6种浙江省常见的经济树种树冠中部阳面的成熟叶片进行采集，采集后立即用塑料袋密封，带回实验室。

2.2 试验方法

将当天采集的新鲜树叶，利用1/1 000的托盘天平称取10 g样本（误差不超过5‰），用铝箔包住样品的侧面和底面，均匀放入边长为100 mm的正方形试验托盘中，厚度不超过50 mm。随后，利用锥形量热仪（ASTM E1354-90）对样品进行燃烧特性测定。根据刘波等[11]对锥形量热仪测试树种燃烧性的方法探讨，本试验采用垂直水平方向40 KW/m2辐射强度，相应温度664 ～ 670℃，通过外部点燃对样品进行测试，叶片采用全叶处理方式。测定结果见表1。

表1 6树种的燃烧性参数Table 1 Combustion parameters of six economic tree species

3 结果与分析

3.1 着火感应时间

着火感应时间（Time to ignition，TTI）是指材料受热到表面持续出现燃烧时所用的时间，它能直观的表征树叶的抗火性，是评价材料燃烧性的重要指标之一[12]。树种鲜叶比枯落叶和干燥的叶片需要更长的时间才能被点燃，在外部热量的流动下，TTI越长，树种越不易点燃，蔓延速度越慢[13～14]。从表1可以看出6个树种中杨梅的TTI最长为81 s，毛竹所需时间最短为34.67 s。而且，从图1可以看出，各树种间TTI差异显著（P < 0.05），其中杨梅和其它树种相比具有极显著差异，即杨梅最难燃；其次茶也差异显著（56.67 s）；栀子和枇杷两个树种之间差异不显著，分别为47.33 s和45.67 s；油茶和毛竹的TTI最短分别为35.33 s和34.67 s，并且两者间差异不显著，即和其它树种相比油茶和毛竹最易燃。

图1 不同树种的着火感应时间（平均值±标准误差）Figure 1 TTI of different tree species

3.2 热释放速率

热释放速率（Heat release rate，HRR）是指单位时间单位面积样品释放热量的速率，是描述火灾等灾害现象和进行灾害分析的最重要的燃烧特性参数[15]，HRR的最大值称热释放速率峰值（pkHRR）。HRR或者pkHRR越大，单位时间内燃烧反馈给材料单位面积的热量越多，使材料热解速度加快，生成更多挥发性可燃物，促进树种本身的其它成分和周围植物燃烧，从而加速火焰的传播[16～17]。从树种的HRR看（图2），油茶的平均HRR （26.38 kW/m2）明显高于其他树种，从图2还可以看出，油茶在最短时间内就开始燃烧并迅速上升，并始终高于其他树种；毛竹的HRR也一直处于较高状态；其它4个树种的平均HRR比较接近，都很低。从树种pkHRR看，油茶最高46.56 kW/m2，超过了实验设置的辐射强度40 kW/m2，茶最低12.33 kW/m2，栀子和杨梅也很低。从到达pkHRR的时间来看，毛竹（40 s）最先到达峰值31.54 kW/m2，而杨梅需要144 s最晚，茶和栀子分别需要140 s和128 s。因而，可以认为油茶和毛竹较易燃，茶、杨梅最难燃。

图2 6个树种的热释放速率曲线Figure 2 HRR curves of six tree species

3.3 热释放总量

热释放总量（Total heat release，THR）是单位面积的材料从开始燃烧到结束所释放的总热量。THR值越大，材料燃烧释放出来的热量越多，在林火发生的区域内对周围树种形成热辐射，成为其它可燃物的热源，提高火灾的危险性[12]。从表1可以看出，热释放总量由高到低为油茶 > 毛竹 > 栀子 > 枇杷 > 杨梅 > 茶。油茶的THR（2.31 MJ/m2）是6个树种中最高的，即油茶燃烧性强，形成火灾的危险性高；杨梅（0.58 MJ/m2）和茶（0.38 MJ/m2）的THR很低，说明杨梅和茶的阻火性强。将THR和HRR结合起来分析均表明，油茶易燃；杨梅和茶难燃。

3.4 有害气体

森林火灾可释放出大量有害气体，不仅对周围环境造成直接的危害，而且是造成人员死亡的主要原因之一[18]，另外火灾释放出的气体还带来温室效应的加剧、酸雨的形成等副作用[19]。因此，有害气体的分析可以作为筛选防火树种和建造防火林带的重要参数。与Chung[20]研究类似，本研究中得到的各树种释放的CO和CO2量均较低（表1），即树种燃烧时释放有害气体能力较弱，对人不会造成太大的伤害。从烟释放总量（Total smokerelease，TSR）曲线可看出栀子、茶和杨梅燃烧时释放的烟量相对较多，栀子释放的烟量最大为94.21 m3/s；枇杷、油茶和毛竹释放量较少，毛竹最小为40.47 m3/s。结合HRR曲线和TSR曲线（图2和图3）发现燃烧时释放烟越少的树种其热释放率高，即树种燃烧时产生较多的烟对树种的有焰燃烧有阻碍作用。

3.5 树种的燃烧特性分类

结合着火感应时间、热释放速率、热释放速率峰值和热释放总量、烟释放总量、CO和CO2释放量等燃烧性参数，采用K-均值聚类分析方法将6个树种分成了2类（表2）：第一类包括毛竹和油茶2个种，第二类包括4个种：杨梅、茶、栀子和枇杷。杨梅、茶、栀子和枇杷4个树种燃烧时具有着火感应时间长、热释放速率低、热释放总量少、烟释放量多、CO和CO2释放少的特征，可认为是难燃的抗火性强的树种，相反，毛竹和油茶是易燃的抗火性较差的树种。

图3 6个树种的烟释放总量随时间的动态变化曲线Figure 3 TSR curves of six tree species at 40 KW/m2external heat flux

表2 树种K-均值分类Table 2 Comparison between k-mean cluster means

4 结论与讨论

利用锥形量热仪器对毛竹、枇杷、油茶、栀子、杨梅和茶6个供试树种的鲜叶进行了燃烧特性测定，并综合对比分析了不同树种之间的着火特性、燃烧性及烟气排放的多项指标，结果表明油茶和毛竹的着火感应时间短、热释放速率快、热释放量高，易燃，阻火性能差；杨梅、茶、枇杷和栀子着火感应时间长，在各项燃烧指标中，峰值较低或最低，热释放速率缓慢，释热量少，是难燃的抗火性强的树种，可用于经济性防火林带的建设。

与以往研究相比，茶具有防火性强这一结论与陈存及等[21]的结论一致，而与李世友等[8]的研究有所差异，这可能与研究方法和所选择的指标不同而有所差异。不同的分析方法和指标体系都可导致研究结果有很大的差异[12]。虽然防火树种的筛选已有很多研究，但由于没有统一的标准而没有一致的结论。尽管锥形热量仪有其自身的优点，但也不能获得全面的指标，比如着火点、点燃含水率和蔓延含水率[22]等重要参数。

本文根据不同树种鲜叶的燃烧性差异来分析树种的燃烧性能，综合确定了树种的防火能力。叶是树种最容易燃烧的器官[9]，影响火势的蔓延，引发林火的发生。实验为更符合自然状态，本文在处理样品中，选择了全叶处理方式。而由于实验条件下叶接收到的辐射量远小于真实火灾下火焰的直接辐射，其结果是放大了树种间的燃烧性差异，所以这种排序只适合于低强度火烧的着火和蔓延情况，但对生产部门合理搭配造林树种、森林燃烧性评价和开展营林防火、生物防火仍具有指导意义。

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Combustion Characteristics of Six Economic Tree Species

PENG Dong-qin1，YI Li-ta1,2，YU Shu-quan1,2*，LI Xiu-peng3，YU Fei1,2，QIAN Yi-fan1，SHEN Lu1
（1. School of Forestry and Biotechnology, Zhejiang A & F University, Lin’an 311300, China; 2. Nurturing Station for State Key Laboratory of Subtropical Silviculture, Lin’an 311300, China; 3. Ningbo Forestry Extension Center of Zhejiang, Ningbo 315000, China）

To construct the economic fire belt in Zhejiang, six dominant economic tree species in Zhejiang province were selected for experiment, like Phyllostachys heterocycla cv. pubescens, Eriobotrya japonica, Camellia oleifera, Gardenia jasminoides, Myrica rubra and C. sinensis. Their fresh leaves were tested systematically by cone calorimeter to test time to ignition （TTI）, heat release rate （HRR）, peak of heat release rate （HRRpeak）and total heat released （THR）, as well as total smoke release （TSR）, CO and CO2production （YCO, YCO2）. Based on the thermal-calorimetric analysis and smoke spread test data, the examined tree species were clustered to 2 groups, one included 4 species （C. sinensis, G. jasminoides, M. rubra and E. japonica）,which had characters of relatively longer time to ignition, lower heat release rate and lower total heat release, while the other group included C. oleifera and Ph.heterocycla cv. pubescens, with characters of flammable.

economic species; fresh leaves; combustibility; fireproof ability; Zhejiang

S718.51

A

1001-3776（2012）03-0021-05

2012-02-21；

2012-04-20

浙江省科技厅重大项目（2006C12060）；浙江省宁波市重大科技攻关项目（2007C10032）；浙江农林大学科研发展基金项目（2008FR101）

彭东琴（1986-），女，四川眉山人，硕士生，从事环境生态研究；*通讯作者。