黑龙江省4 种针叶树的燃烧性1)

彭徐剑 鞠 琳 胡海清

(南京森林警察学院，南京，210023) (清华大学) (东北林业大学)

树种燃烧性是树种生物学特性、生态学特性及理化性质的综合体现。树种燃烧性包括树种抗火性和耐火性。树种抗火性是指不易燃烧和阻止林火蔓延的能力。森林火灾是影响森林的重要生态因子，森林中的可燃物是森林火灾的物质基础。可燃物的性质在很大程度上取决于构成森林的树种。树种不同，其燃烧性质也有差异，一般易燃树种容易着火，火势蔓延快;难燃树种则不容易点燃，其火势蔓延速度也缓慢，燃烧强度也不大［1］。现代森林火灾大部分属轻度燃烧，其对林内树木的损害不会太大，树木的燃烧一般集中于树枝和树叶，并未燃烧至树干。因此，对树木燃烧性的研究一般集中于对其树枝和树叶的研究，以此来代表树种的燃烧性能。一些学者对植物的燃烧性和抗火性曾做过一些有益的研究［2－7］，如单延龙等［8］对55 种树叶的6 种性状进行统计分析，得出了反映树叶抗火性的顺序和类别;胡海清等［4］对小兴安岭8 个阔叶树种的燃烧性能进行了测定和分析;田晓瑞等［9］对北京地区森林燃烧性进行了研究。以上研究只利用一二项指标的测定结果(如含水率、含脂量)分析树种的燃烧性和抗火性，这是不够全面的。因此，本文选取黑龙江省4 种常见针叶树为研究对象，通过对其树皮和树叶的含水率、热值、点燃时间、燃烧过程质量损失及成碳率等指标的测定，综合确定各针叶树种的抗火性能，为阻火树种的选择以及防火林带的建立提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料来源和处理方法

针对黑龙江省秋季林火的特点(以地表火为主)，分别选取红松(Pinus koraiensis)、樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)、红皮云杉(Picea koraiensis)、兴安落叶松(Larix gmelinii)的树皮和地表枯落叶为研究对象。于2010年10月下旬在大兴安岭塔河林业局、凉水国家级自然保护区和帽儿山林区选择成熟林分采集样品。在取样时，取各树种树干(上、中、下)3 个部位的树皮混合作为样品，同时收集各树种的枯落叶。

取树皮和枯落叶各20 g，105 ℃烘至恒质量，分别测定树皮和枯落叶的含水率。将另一部分树皮和枯落叶放在通风处自然风干，把风干好的枯落叶和树皮用微型植物粉碎机进行粉碎，过筛(200 目)备用。

1.2 试验方法

取粉碎好的树皮和枯落叶各25 g，均匀平铺在100 mm×100 mm 样品盒内。采用英国FTT 公司生产的标准型锥形量热仪，热辐射功率为50 kW·m－2，对应温度为780 ℃(试验温度接近实际火灾温度)的外部点燃条件，测定样品的热值、点燃时间、比消光面积等指标，最后计算出火灾性能指数［10］，综合确定各树种的抗火性能［11］。

1.3 含水率计算方法

绝干含水率:将样品用信封封好，连同信封一起称质量，放入烘箱中，在105 ℃烘至绝干，冷却后立即称质量。绝干含水率=((鲜质量－绝干质量)/绝干质量)×100%。

风干含水率:将样品放于室内阴凉干燥的地方，经过30 d 左右的自然风干后称质量，风干含水率=((风干质量－绝干质量)/绝干质量)×100%。

2 结果与分析

2.1 含水率

可燃物含水率直接影响着火的难易程度，间接影响火强度、火势、林火蔓延速率、有效辐射。同时，可燃物的湿度还有冷却效应，促进烟的形成和减少热量产生的作用。从表1可以看出，在四种针叶树中，兴安落叶松树皮的绝干含水率和风干含水率最高，即风干后的兴安落叶松树皮比其它树种树皮难燃;红皮云杉树叶的绝干含水率和风干含水率最高。

表1 各树种树皮和树叶含水率

2.2 热值

热释放速率(HRR)指单位时间、单位面积试件燃烧释放热量的速度，单位是kW·m－2，HRR 的最大值称释热速率峰值(pk－HRR)。HRR 是评价材料火灾安全性能最重要的指标之一。HRR 或pk－HRR 越大，单位时间内燃烧反馈给材料单位表面积的热量就越多，结果造成材料热解速度加快和挥发性可燃物生成量增多，从而加速了火焰的传播。因此，HRR 或pk－HRR 越大，材料在火灾中危险性就越大。从表2可以看出，各树种树皮pk－HRR 最大的是红皮云杉树皮，最小的为樟子松树皮;各树种树叶pk－HRR 最大的为樟子松树叶，最小的为兴安落叶松树叶。

有效燃烧热指的是某一时刻测得的热释放量与质量损失量之比，单位是MJ·kg－1，M－EHC 为某一时段有效燃烧热。它反映了材料热解产生可燃的挥发性气体在气相火焰中的燃烧程度。从表2可以看出，各树种树皮M－EHC 最高的是红松，其它从大到小依次为红皮云杉、樟子松、兴安落叶松;各树种树叶M－EHC 最高的是红松，其它从大到小依次为樟子松、红皮云杉、兴安落叶松。

表2 各树种树皮和树叶的热释放参数、点燃时间、火灾性能指数

总热释放量(THR)是单位面积的材料在燃烧全过程中所释放热量的总和，单位为MJ·m－2。总热释放量是流动系统测得的值，而且是净热(不包括燃烧产物中水蒸汽凝结为液体的凝结热)。THR值越大，表明实际火灾中向外界环境放出的热量越多。表2表明，在辐射功率50 kW·m－2的条件下，树皮THR 最大的为红松，最小的为樟子松;树叶THR 最大的为樟子松，最小的为兴安落叶松。

2.3 点燃时间

点燃时间是在一定加热器热流辐射强度下(0 ～100 kW·m－2)，开动电弧火源，样品从暴露于热辐射源开始，到表面出现持续点燃现象为止的时间(s)，就是样品在设定的辐射功率下的点燃时间。点燃时间愈长，表明材料在此条件下越不易点燃，被测材料的点火性能就越好，火灾危险性越小。点燃时间是评价材料阻燃性的重要指标之一［12－13］。表2显示，红皮云杉树皮点燃时间最长(10 s)，樟子松树皮点燃时间最短(6 s)，红皮云杉树皮最难燃，而樟子松树皮最易燃;红皮云杉树叶点燃时间最长(12 s)，兴安落叶松树叶点燃时间最短(7 s)，红皮云杉树叶最难燃，而兴安落叶松树叶最易燃;从点燃时间来看，各树种树皮和树叶的抗火性能基本一致。

2.4 火灾性能指数

火灾性能指数(FPI)指点燃时间同热释放速率峰值的比值。FPI 越大，树种抗火能力越差。由表2知，在辐射功率50 kW·m－2的条件下，对于树皮来说，红皮云杉和兴安落叶松的FPI 值明显高于其它树种，抗火能力较弱，而樟子松抗火能力最强;对于树叶来说，樟子松树叶抗火能力最强，其次为红松和兴安落叶松，最差的为红皮云杉。

2.5 燃烧过程质量损失速率及成碳率

质量损失速率(MLR)表示材料在试验过程中质量的减小速度，单位g·s－1，其中Mean－MLR 为平均质量损失速率，Peak－MLR 表示最大质量损失速率。MLR 反映了材料在试验热辐射条件下热解反应的速率。从表3可以看出，树皮平均质量损失速率最大的为红皮云杉，说明其树皮燃烧反应剧烈，失重快，燃烧性好，抗火性能最差;树叶平均质量损失速率最大的为红松，说明其树叶抗火性能差。表3给出了各树种树皮和树叶的质量损失速率峰值，由表3可知，各树种树皮的质量损失速率峰值从大到小依次是红皮云杉、红松、兴安落叶松、樟子松;树叶的质量损失速率峰值从大到小依次是红松、樟子松、红皮云杉、兴安落叶松。

成炭率是指试样燃烧残余物质量占燃烧前试样质量的百分比。成炭率越高，材料的总质量损失越低，对降低热释放及烟释放越有利，即促进成碳是阻燃、抑烟的关键途径。从表3可以看出，树皮燃烧成碳率最高的树种为樟子松;树叶燃烧成碳率最高的是兴安落叶松。

表3 各树种树皮和树叶在燃烧过程中的质量变化参数

2.6 比消光面积

比消光面积(SEA)指在实验条件下消耗单位质量的材料所产生的烟量(以面积计)，单位为m2·kg－1，代表挥发单位质量样品所产生烟的能力。样品燃烧发出的烟由烟产生速率和比消光面积的增加反映出来，挥发性气体燃烧，比消光面积降低。图1给出了在辐射条件为50 kW·m－2的条件下，各树种树皮(A1)和树叶(B1)的比消光面积随时间的变化曲线。由图1可知，各树种树皮和树叶SEA 曲线波动较大，红松树皮SEA 曲线从燃烧开始迅速上升，并始终高于其它树种，其它树种树皮比消光面积从大到小的顺序是红皮云杉、樟子松、兴安落叶松，说明红松树皮燃烧过程发烟量较大;红松针叶SEA 最先达到了峰值(5 s)，其它树种树叶比消光面积从大到小的顺序是红皮云杉、樟子松、兴安落叶松，说明红松树叶燃烧过程发烟量较大。

图1 各树种树皮(A1)、树叶(B1)的比消光面积动态变化

2.7 烟气释放规律

总烟释放量(TSR)为样品整个燃烧过程中单位样品面积释烟总量，单位为MJ·m－2，是评价材料火灾安全性的又一重要指标。从图2可以看出，红松树皮TSR(68.93 MJ·m－2)明显高于其它树种(24.19 ～58.55 MJ·m－2)，各树种树皮的TSR 从大到小的顺序是红皮云杉、兴安落叶松、樟子松;各树种叶TSR差异明显，从大到小依次为红松、红皮云杉、樟子松、兴安落叶松。

CO、CO2生成总量指的是一段时间内材料燃烧过程中生成的CO、CO2总量，分别用Total－Pco 和Total－PCO2表示，单位为g。由于本试验所选试样的厚度、密度及质量接近，因此，各燃烧试样在相同时间内生成CO、CO2总量存在可比性。表4给出了各树种树皮和树叶在180 s 内CO、CO2生成总量。由表4可知，树皮释放CO 总量最大的是兴安落叶松，其它从大到小依次为红松、樟子松、红皮云杉;树叶释放CO 总量最大的是樟子松，其它从大到小依次为红皮云杉、红松、兴安落叶松。树皮释放CO2总量最大的是兴安落叶松，其它从大到小依次为红松、红皮云杉、樟子松;树叶释放CO2总量最大的是樟子松，其它从大到小依次为红皮云杉、红松、兴安落叶松。

图2 各树种树皮(A1)、树叶(B1)的总烟释放量的动态变化

CO、CO2产率(YCO、YCO2)表示消耗单位质量的材料试样所产生的CO、CO2气体的质量，单位是kg·kg－1。YCO越大，烟气的毒性就越大。表4给出了在相同辐射条件下，各树种树皮和树叶在整个燃烧时间内平均CO 产率(Mean－YCO)、平均CO2产率(Mean－YCO2)。由表4可知，各树种树皮和树叶在整个燃烧时间内Mean－YCO、Mean－YCO2不同，即损失单位质量的样品，生成CO、CO2的能力也不同，这是由于各树种内部的不同化学组成导致的。兴安落叶松树皮Mean－YCO最高，樟子松树叶Mean－YCO最高;兴安落叶松树皮和树叶Mean－YCO2均为最高。

表4 各树种树皮和树叶的CO、CO2 释放参数

3 结论与讨论

本试验利用锥形量热仪对黑龙江省4 种常见针叶树种的树皮和树叶进行了燃烧测定。综合对比分析了不同树种的热释放速率、总热释放量、有效燃烧热、比消光面积、总烟释放量、点燃时间、火灾性能指数、比消光面积及烟气释放规律。认为红松树叶和树皮抗火能力最差，而兴安落叶松树皮和树叶抗火能力较强。从轻度火烧的角度考虑，兴安落叶松可作为阻火优先筛选树种。

本试验所有试样的燃烧过程可大致分为三个阶段:初期无焰热解阶段、有焰燃烧阶段及后期红热燃烧阶段。样品的热释放速率、质量损失速率、烟释放速率、二氧化碳生成速率表现出同步的变化规律，均在有焰燃烧最剧烈的时候出现了峰值，而且大部分的质量损失、热量释放、浓烟释放、二氧化碳释放都是在有焰燃烧阶段完成的。受燃烧中氧消耗的影响，一氧化碳释放规律比较复杂，但总体来说，大量的一氧化碳释放主要发生在后期灼热燃烧阶段，即由木炭不完全氧化形成。

树种燃烧性是多因子共同作用的结果，树种理化性质、生物学特性、生态学特征都会影响树种的燃烧性，但是，目前研究中，将多因子结合起来进行研究的还比较少。在对各燃烧性指标进行综合分析时，运用统计分析方法对树种燃烧性排序、分级是一种经常用到的方法，但较缺乏客观性，在以后的研究中，期望能寻求更加客观、有效的数学方法，对树种燃烧性进行更为准确的确定。

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