林下草本植物燃烧性评价方法的探讨

李丹丹， 张景忠， 张念慈

(黑龙江省森林保护研究所，黑龙江 哈尔滨 150040)

森林是重要的自然资源，是人类赖以生存的物质基础之一。林火是森林生态系统中一个重要的因子[1]，它既能够促进森林系统的更新，也能给森林带来巨大的损害。林火的发生必须具备三个基本条件，即一定的温度、可燃物、氧气。其中可燃物是林火行为发生的主体，同时也是林火能够传播的重要因素之一。森林可燃物的性质与森林的构成有关，林下的草本植物是重要的森林可燃物，林下草本植物的种类不同，它的燃烧性质也会有很大差异。林火的发生最初是从草本植物或林下凋落物开始的，因此，对林下草本植物燃烧性的研究一直是林火行为和林火原理研究的重点内容。

1 评价方法

对可燃物的燃烧性研究，目前，主要从可燃物的点燃性、剧烈性、燃烧的持续性三方面进行评价，进而对可燃物的燃烧性进行综合评价。林下草本植物燃烧性评价方法最常见的有三种。

1)间接评价。是一种定性评价的方式，即通过对可燃物的物理性质和化学性质测定后，再通过加权或统计回归模型等多种方式讨论可燃物的理化性质对其燃烧性的影响，进而对草本可燃物的燃烧性进行一种定性评价。

2)直接评价。通过一定的方法得到草本可燃物的预热时间，燃烧速度，热值等参数，采用定量的方式对林下草本植物的燃烧性评价。获取这些参数目前常用的方式有采用室内或野外点燃试验、热重分析、锥形量热仪等方法。

3)综合评价的方法。综合考虑气象环境和理化性质对林下草本植物进行燃烧性的动态综合评价。

2 间接评价方法的研究

间接评价方法指通过测定可燃物的理化性质，间接判断可燃物存在的燃烧性，其中草本植物叶、皮的含水率、燃点、发热量、灰分含量、抽提物含量是草本植物理化性质中重要的因素，通过实验测量各部分的含量能够间接获得其燃烧性质。在国外，对于可燃物理化性质的研究始于二十世纪六十年代，发现了抽提物和灰分含量随着树龄的变化而变化；而含水率却随季节的转变而变化，含水率大小通常用来评价可燃物的燃烧性，可燃物的热值是衡量可燃物燃烧性的有效定量评价方法之一。从二十世纪八十年代开始，国外的学者研究分析了多种森林可燃物的含水率、燃点、灰分含量、热值和抽提物含量等相关参数与可燃物燃烧性之间的等级关系；建立这几者间的回归模型，预测可燃物的燃烧性。

2.1 含水率测定

草本植物的含水量影响可燃物达到其燃点的速度和时间，也影响可燃物释放热量的速度和释放热量的多少。可燃物的含水率与可燃物是否易燃关系密切。即可燃物含水量增加，预热时间也会相应有所延长，同时会消耗大量热能，通常水分溢出率越小，燃烧性越差，而阻火性能越强。含水率的测量主要包括风干含水率和绝干含水率的测量。

在常温下，风干含水率是将野外采回样品(M1)放在实验室内，待自然风干后称重(M2)，(1)为计算风干含水率(W风干)公式。

(1)

将野外采集样品(M1)置入 105℃恒温箱内，24小时之后取出称其重量(M绝干)，(2)为计算绝干含水率W绝干公式。

(2)

2.2 抽提物测定

抽提物是粗脂肪和挥发油类的总称，它包括脂肪、游离脂肪酸、色素、芳香油、蜡磷酸酯等脂溶性物质，也简称油脂，抽提物能够用水和有机溶剂提取。油脂含量越高越易燃，特别是含挥发油较多的植物更易燃，因此，抽提物含量的多少是可燃物易燃性的重要指标，计算方法如公式(3)。

(3)

2.3 灰分的测定

灰分是指可燃物中含有的矿物质，主要是由钠、钾、钙、镁、硅等元素组成的无机物，灰分也是可燃物燃烧后剩下的物质。灰分含量与可燃物的燃烧性成反比关系，其含量越高，燃烧性越差，反之，含量越低，燃烧性越强。可燃物的灰分可以通过将可燃物烘干、灰化获得，由公式(4)计算获得。

(4)

2.4 热值的测定

热值是指单位质量的可燃物在绝干状态下完全燃烧所释放出来的热量，热值也叫发热量，不同可燃物的发热量不同，通常情况下，可燃物的热值越高，释放的能量也就越多。采用热量仪微机全自动热量仪测量。

3 直接评价方法的研究

直接定量评价方法比间接定性评价方法更具有说服力。直接评价指通过一定的方式测得能说明燃烧性的相关数值。例如预热的时间，热值，燃烧速率等。

3.1 点烧试验评价草本植物燃烧性

对林下草本可燃物的燃烧性研究的方法很多,一些研究者通过林下草本可燃物的直接燃烧试验研究植物燃烧性,李世友和苏文静等用自行设计的燃烧试验装置对研究地区草本植物的活叶进行了燃烧试验[2,3]，利用自行设计的燃烧装置，测定了可燃物样品的引燃时间，分析了可燃物燃烧时温度变化和可燃物质量损失的关系，在此基础上提出了草本可燃物的燃烧性的相关参数，进而给出结论。

3.2 热重分析法

热重分析是指在计算机程序控制温度下测量可燃物的质量与温度变化关系的一种热分析技术，用来研究可燃物的热稳定性和组分。林下草本可燃物通过热重分析，可以了解草本植物的热解速度、温度、热解后残留量等相关性质，进而掌握其热解规律，从而对其燃烧性进行评价，国内关于可燃物热解及燃烧性的研究大多集中在可燃物为乔灌木上，而对林下草本可燃物的相关研究较少。金森、宋彦彦[4]等人用热重分析法对帽儿山的草本可燃物的热解过程进行了研究，得到了草本植物热解速率与温度的关系，并利用热重技术分析了黑龙江典型可燃物的热解行为和燃烧性。目前，我国并没有一个完整的可燃物着火特性大数据，需要对草本植物的燃烧性进一步研究。

3.3 利用锥形量热仪分析燃烧性

美国人(Barauskasetal[5])设计开发了第一部锥形量热仪,开启了利用锥形量热仪对可燃物的燃烧性进行研究的先河，随后各国学者展开了相关研究。其中具有代表的有Dimitrakopoulos[6]，用锥形热量仪测量了可燃物的点燃时间，并用判别分析和聚类分析综合评价了可燃物的燃烧性。国内也开展了相关研究，田晓瑞[7]等以茶树、火力楠、人工林杉木、杨木和马尾松、毛竹人工林竹材为研究对象，利用锥形量热仪进行了燃烧性研究，金森、何中华等利用高温气体溢出率对可燃物进行燃烧潜力的评价，都取得了较好的效果。

4 综合评价方法的研究

将间接评价与直接评价相结合，夏智武[8]根据以往草本可燃物燃烧性评价标准，建立地表草本植物燃烧性实时评价的规则，在气象环境动态变化的条件下，利用红外图像观测可燃物含水率的变化，研究出一种新的实现定量评价可燃物燃烧性的方法，并且通过统计分析工具建立燃烧性等级评价规则，实现了评价具有时效性的目的。

5 结论

间接评价方法仅仅是对草本可燃物自身物理和化学性质的研究，未能真实客观的反应可燃物在燃烧过程中的热能释放过程。而在直接评价中，采用直接燃烧试验方式时，需要对采自不同时间、地点的样品进行多次试验,这样会受到采样和实验次数的限制，热分析实验条件要求高，并且在数学统计方法上稍有不足，即仅能给出统计结果，而可燃物的燃烧机理无法考虑，基于锥形热量仪的燃烧性评价具有一定优势，可以给出定量评价，缺点是实时性差。综合评价的方法克服间接评价和直接评价中存在的劣势，但未能对燃烧性相关参数之间的关系进行具体分析，评价的工作量较大。

未来燃烧性评价发展趋势是多种评价方法相结合给出燃烧性参数，根据现有草本可燃物燃烧性评价标准，引入气象因子，并使评价具有时效性，为林火预测预报服务。