黑龙江省草原草本燃烧性分析

2023-06-12魏云敏孙家宝李丹丹

林业科技 2023年2期

魏云敏孙家宝李丹丹

摘要：在黑龍江省草原地区林甸、虎林和嫩江三个地区分别设置样地，研究三个地区混合草本种类可燃物燃烧性和10种草本燃烧性，采用外业调查、采样和室内测试相结合的方法，对黑龙江省草本可燃物的燃点、热值、灰分、绝干含水率等因子进行分析，采用层次分析法赋予权重对草原草本燃烧性进行排序。结果表明，黑龙江草原混合草本可燃物绝干含水率由小到大依次为林甸<嫩江<虎林；载量由小到大依次为林甸<嫩江<虎林；灰分由小到大依次为嫩江<虎林<林甸；燃点由小到大依次为虎林<林甸<嫩江；热值由小到大依次为虎林<嫩江<林甸，从综合燃烧性量化指标排序，燃烧性林甸< 嫩江 < 虎林，虎林燃烧性量化指标最大，草原发生火灾的可能性相对较低。10种草本可燃物，绝干含水率、灰分百分含量最低的是苔草，最高的是山莴苣；热值最小的是山莴苣，最高是芦苇；草本可燃物燃点最低是山莴苣（243 ℃），最高的是地榆（252 ℃）。从综合燃烧性量化指标排序，苔草燃烧性量化值最小，燃烧性最强，山莴苣燃烧性量化值最大，燃烧性最弱。

关键词：草原；燃烧性；层次分析法

中图分类号： S 718; S 812. 6 文献标识码： A 文章编号：１００1 － 9499（２０23）02 － 0057 － 06

Analysis on Flammability of Herbs Fuel in Grassland

of Heilongjiang Province

WEI Yunmin SUN Jiabao** LI Dandan

（Heilongjiang Institute of Forest Protection， Heilongjiang Harbin 150081）

Abstract The flammability of mixed herb species and 10 herbs fuel in grasslands of LD， HL， NJ in Heilongjiang province were studied . Based on field investigation and indoor combustion， the physical and chemical properties such as ashcontent， ignition point and calorific value of fuel in grasslands of LD， HL， NJ in Heilongjiang province and based on SPSS18.0 and Exel WPS software were analyzed， used the analytic hierarchy process analysis to analyze the physical and chemicalproperties to obtain the fuel flammability. Moisture rates of fuel in the grassland of Heilongjiang province from weak to strong were： LD， NJ，HL; Loads from weak to stronge were LD， NJ，HL; Ash contents from weak to strong were NJ， HL，LD; Ignition points from weak to strong were： HL，LD， NJ; Calorific values from weak to strong were： HL，LD， NJ; According to the comprehensive index of flammability performance combined with the fuel physical and chemical properties， the flammability of grasslands in Heilongjiang province from weak to strong were： LD， NJ，HL; The mininue values of moisture rate and ash content were Carex tristachya， maxmum values were Mulgedium sibiricum; The mininue value of calorific values was Mulgedium sibiricum， maxmum value was Phragmites australis; The mininue value ofIgnition points was Mulgedium sibiricum， maxmum value was Radix sanguisorbae. According to the comprehensive index of flammability performance combined with the fuel physical and chemical properties， Carex tristachya flammability of herbs was strong， Mulgedium sibiricum flammability of herbs was weak.

Key words grassland; flammability; analytic hierarchy process

黑龙江省草原面积207万hm2，占全省国土总面积的4.4%[ 1 ]，在维护生物多样性、保持水土、涵养水源等方面具有重要意义[ 2 - 3 ]。自1987年起，黑龙江省共发生重特大草原火灾28起，受害草原面积约21万hm2[ 4 ]，最近一次重特大草原火灾发生于2005年3月，虽然2006年以来全省未发生过重特大草原火灾，且一般性火灾发生次数与草原过火面积呈逐年递减态势[ 5 ]，但是草原可燃物载量、理化性质等因素导致草原发生火灾的风险较高，草原可燃物燃烧性受可燃物理化性质、载量等因子的影响而不同[ 3 ]。

草原可燃物是草原火燃烧的基础，而草原可燃物理化性质对草原燃烧性产生重要影响[ 6 ]，吸引了国内外很多学者对其进行研究。Fang Keyan[ 7 ]、Wilgen[ 8 ]、 DellsSala[ 9 ]测定一些树的燃点、含水率、抽提物等理化因子对燃烧性影响进行了研究；裴建元等[ 10 ]对10种常绿阔叶树种的树皮、树叶和树枝的含水率、抽提物、灰分、燃点等理化性质对燃烧性的影响进行了分析和评价，为防火树种的筛选增加了理论基础；王小雪[ 11 ]对黑龙江省林下48种草本可燃物的含水率、抽提物、热值、灰分对燃烧性的影响进行了研究，通过层次分析法构建评估模型，增强了人们对林下草本可燃物燃烧性的认识。但是大部分研究者都集中对森林树种理化性质来研究森林可燃物的燃烧性[ 12 - 15 ]，对草原可燃物燃烧性研究相对较少。

本研究以黑龙江省混合草本可燃物和单一草本可燃物为研究对象，在林甸、虎林和嫩江采集可燃物样品，对可燃物样品的灰分、热值、燃点、绝对含水率等因子进行分析，比较其燃烧性大小，旨在为草原火的预防和扑救提供理论基础。

1 材料与方法

1. 1 研究区域概况

松嫩平原草原区草原面积108.2万hm2，占全省草原总面积的52%。海拔150～300 m，土壤为黑钙土、草甸土、沼泽土、盐碱土、沙土等等，气候属半湿润型，平均气温0.7～4.2 ℃，降水量300 mm左右，降水多集中在6～8月，无霜期110～140天；三江平原草原区，草原面积30.2万hm2，占全省草原总面积的15%，海拔50～80 m，土壤为沼泽土、草甸土、白浆土等等，气候属半湿润型、湿润型，平均气温1.4～ 3.6 ℃，降水量500～700 mm，降水多集中在6～8月，无霜期120～145天；山区半山区草原区，草原面积68.7万hm2，占全省草原总面积的33%，海拔700 m以下，土壤为暗棕黑土、黑钙土、黑土等等，气候属半湿润型，平均气温-6～0.4 ℃，降水量450～650 mm，降水多集中在6～8月，无霜期80～120天；

1. 2 样品采集

对黑龙江省草原按草原类型、自然因素和行政界限等因素进行分类，分为松嫩平原草原区、三江平原草原区、山区半山区草原区三大平原区；按照《草原分类》NY/T2997-2016标准，全省草原主要分为低地草甸类、温性草原类和山地草甸类三大类，涉及草本种类有羊草（Leymus chinensis）、苔草（Carex tristachya）、芦苇（Phragmites australis）、小叶章（Deyeuxia angustifolia）、大叶章（Deyeuxia langsdorffii）、地榆（Radix Sanguisorbae）、水蒿（Artemisia selengensis）、虎尾草（Chloris virgata）、蒙古蒿（Artenmisia mongolica）、山莴苣（Mulgedium sibiricum），在每种草原类型上选择具有代表性的草本样地，随机布设10 m×10 m的样地，每种草原类型设置3块重复样地，每块10 m×10 m样地的四角及中心处取3个1 m×1 m小样方，小样方内草本齐地收割，称取鲜重，称取部分样品装入信封，在信封上做好记录，带回实验室进行处理，主要测定可燃物载量、灰分、燃点、热值等理化指标。

1. 3 试验方法

1. 3. 1 草本可燃物载量测定

将装有草本样品的信封放入105 ℃烘箱中，连续烘干24 h，然后取出称其重量，利用下列公式求出绝干含水率，再利用绝干含水率求出样方内草本可燃物载量[ 4 ]。

M=×100%（1）

式中，M 为绝干含水率；W1为样品鲜重（g）；W绝为烘箱中取出称其重量。

W载＝M×W样（2）

式中，W载为小样方内草本载量；M为绝干含水率；W样为小样方内草本的鲜重。

1. 3. 2 草本灰分测定

將烘干后的草本样品用粉碎机研磨成粉末，过1 mm筛，称取1 g样品放入烘干过的坩埚（已称重）内，称重，将坩埚和样品放到设定温度为600 ℃马弗炉中1 h，样品在马弗炉中充分燃烧至灰烬，取出后放到干燥器待凉后进行称重，记下坩埚和灰分的重量，每个样品重复3次试验，灰分含量计算公式为：

X=（3）

式中，m1为坩埚和灰分的质量；m2为坩埚的质量；m3为坩埚和样品的质量[ 16 ]。

1. 3. 3 热值测定

将烘干后的草本样品用粉碎机研磨成粉末，过1 mm筛，称取0.5 g样品放入到氧弹燃烧皿中，连接点火丝，氧弹充氧后放入QZLRY-5E微机全自动量热仪内筒中，操作热量仪软件系统，样品燃烧后热量值在热量仪软件操作平台显示，每个样品重复3次[ 17 ]。

1. 3. 4 燃点测定

将烘干后的草本样品用粉碎机研磨成粉末，过1 mm筛，称取0.1 g样品和0.075 g经干燥研磨过的亚硝酸钠混合均匀，装入试管中，放到XTRD-5型燃点测试仪中，操作燃点仪软件系统，随着温度升高样品燃烧后炉温线与样品对炉温之差线相交点，即为样品燃点，燃点在燃点仪软件系统平台显示，每个样品重复3次[ 18 ]。

1. 4 数据分析方法

采用Excel WPS和SPSS8.0软件对试验数据进行分析。

1. 5 草本燃烧性排序

利用层次分析法（AnalyticHierarchyProcess，简称 AHP）对选取的黑龙江省草原燃烧因子指标，建立燃烧因子递阶层次结构，通过构建判断矩阵，经过层次组合排序及一致性检验，赋予权重，然后根据权重计算草本的燃烧性，按燃烧性的大小进行排序[ 11 ][ 18 ]。

Y=a1x1+a2x2+a3x3……amxm

2 结果分析

2. 1 黑龙江省草原草本燃烧性分析

分别对从三大平原区（林甸、虎林和嫩江）采集的草本混合样品和10种单一草本，从燃点、灰分、热值、载量和含水率分析了草原可燃物燃烧性。

草原可燃物载量是草原植物生物量烘干后的重量，能够反映草原的长势情况[ 19 ]，同时也是该地区日照、水分、地理条件等因素的综合影响的体现[ 20 ]。从草原可燃物燃烧性来讲，草原可燃物载量越大，草原燃烧越剧烈，草原燃烧性越大[ 5 ， 21 ]。如图1d的三处采样点可以看出，嫩江可燃物载量最高，虎林居中，林甸可燃物载量最低，林甸三个样方中可燃物载量波动较大。调查中发现，松嫩平原草原区分布着大量的低地草甸类草原，草原可燃物载量较低，从而降低了林甸可燃物载量。

草原可燃物燃点是草原上的可燃物被点燃时最低温度[ 4 ]，草本可燃物种类不同，燃点不同，燃点越小，表明草本可燃物被点燃时所用的加热时间相对较少，越易被点燃，燃烧性越大[ 19 ]；燃点越大，表明草本可燃物被点燃时所用的加热时间相对较长，越难被点燃，燃烧性越小，如图1b所示，三个地区9块样地混合草本燃点波动不显著（P>0.05），均在240～260 ℃范围内变化。从表2可以看出，嫩江草本可燃物燃点相对较高，燃烧性小；虎林草本可燃物燃点相对较低，燃烧性较大。10种草本植物中（表3），均值在243～252 ℃范围内波动，草本可燃物燃点最低的是山莴苣（243 ℃），最高的是地榆（252 ℃）。

草本可燃物热值是指草本在绝干状态下完全燃烧后单位质量释放出的热量，其热值越大，表明单位质量释放的热量越多，火燃烧越剧烈，因而草本燃烧性越大[ 22 ]。从表2可以看出，三个地区热值均值差异不大（P>0.05），９块样地中草本可燃物热值变化率在５％以下。10种草本植物热值最小的是山莴苣，最高是芦苇，热值变化率在15%左右。

草本可燃物灰分是指可燃物燃烧后剩下含有Na、K、Ca、Mg、Si等矿物质，灰分含量越高，表明可燃物燃烧后剩余物质越多，可燃物越难燃，燃烧性越小[ 21 ]，相反，灰分含量越低，表明可燃物燃烧后剩余物质越多，可燃物越易燃，燃烧性越大。从图１c可以看出，灰分在可燃物载量中占比较小，均在10％以下，表明草本混合可燃物都较易燃，燃烧性较大，从灰分百分含量均值可以看出，嫩江草本可燃物灰分含量最低，可燃性较大，林甸可燃物灰分含量最高，可燃性相对较小，虎林居中。10种草本植物中（表3），灰分百分含量最低的是苔草，最高的是山莴苣。

草本含水率是草本植物抗火性的重要因子，草本含水率越高，草本越不易燃，燃烧的可能性越小，本研究中只涉及绝干含水率，从表2中可以看出，绝干含水率由小到大依次为林甸<嫩江<虎林，10种草本植物中（表3），绝干含水率最低的是苔草，最高的是山莴苣。

2. 2 草原草本可燃物燃烧性排序

2. 2. 1 不同地区混合草本燃烧性因子权重的确定

针对不同地区草原混合草本可燃物，測定了燃点、热值、绝干含水率、灰分及载量5个燃烧因子，采用层次分析法，建立燃烧因子递阶层次结构（图2），确定权重以后建立如下方程：

点燃性 =0.454×绝干含水率+ 0.109×燃点

剧烈性 =0.135×热值+0.056×载量+ 0.065×绝干含水率+ 0.039×灰分含量

持续性 =0.03×灰分含量+ 0.048×绝干含水率+0.064×载量

燃烧性=0.563×点燃性+ 0.295×剧烈性+

0.142×持燃性

2. 2. 2 不同草本燃烧性因子权重的确定

测定了燃点、热值、绝干含水率、灰分4个燃烧因子（表3），采用层次分析法，确定权重以后建立如下方程：

点燃性 =0.454×绝干含水率 + 0.109×燃点

剧烈性 =0.205×热值 + 0.037×绝干含水率 + 0.053×灰分含量

持续性=0.096× 灰分含量+0.046×绝干含水率；

燃烧性=0.563×点燃性+ 0.295×剧烈性+0.142×持燃性

2. 2. 3 草原草本可燃物燃烧性排序

针对不同地区草原混合草本可燃物，根据公式2.2.1，计算得到了三个地区混合草本可燃物的点燃性、剧烈性及持续性量化值，最后得到了燃烧性量化值（表5）。从点燃性量化指标来看，林甸点燃性最小，易发生草原火，虎林点燃性最大，相对难发生火灾，嫩江介于两者之间；从剧烈性量化指标来看，三个地区差异不大，林甸剧烈性量化指标最小；从持续性量化指标来看，林甸最小，虎林最大。燃烧性综合了点燃性、剧烈性和持续性指标，反应三个地区可燃物抗火的能力，按照燃烧性量化指标排序，燃烧性林甸< 嫩江 < 虎林，虎林燃烧性量化指标最大，草原发生火灾的可能性相对较低。

计算10种草本可燃物的点燃性、剧烈性及持续性量化值，最后得到了燃烧性量化值（表6），从点燃性量化值上比较，苔草值最小，易被引燃，山莴苣值最大，难引燃；从剧烈性和持续性量化值上比较，苔草值最小，水蒿值最大，表明苔草引燃后，燃烧不剧烈，且燃烧持续时间相对较短，水蒿与苔草相反，被点燃后燃烧剧烈，且持续的时间相对较长。综合点燃性、剧烈性和持续性指标的燃烧性量化值，苔草燃烧性量化值最小，燃烧性最高，山莴苣燃烧性量化值最大，燃烧性最低，燃烧性较低的还有地榆、水蒿、芦苇和蒙古蒿。

3 结论与讨论

3. 1 黑龙江草原混合草本可燃物绝干含水率由小到大依次为林甸<嫩江<虎林；载量由小到大依次为林甸<嫩江<虎林；灰分由小到大依次为嫩江<虎林<林甸；燃点由小到大依次为虎林<林甸<嫩江；热值由小到大依次为虎林<嫩江<林甸，10种草本可燃物，绝干含水率、灰分百分含量最低的是苔草，最高的是山莴苣，热值最小的是山莴苣，最高是芦苇草本可燃物燃点最低是山莴苣（243 ℃），最高的是地榆（252 ℃）。

3. 2 利用层次分析法赋予权重，构建燃烧性评估模型，三个地区从综合燃烧性量化指标排序，燃烧性林甸< 嫩江 < 虎林，虎林燃烧性量化指标最大，草原发生火灾的可能性相对较低。10种草原草本，从点燃性量化值上比较，苔草值最小，易被引燃，山莴苣值最大，难引燃；从剧烈性和持续性量化值上比较，苔草值最小，水蒿值最大，表明苔草引燃后，燃烧不剧烈，且燃烧持续时间相对较短，水蒿与苔草相反，被点燃后燃烧剧烈，且持续的时间相对较长。从综合燃烧性量化指标排序，苔草燃烧性量化值最小，燃烧性最强，山莴苣燃烧性量化值最大，燃烧性最弱。

3. 3 草本燃烧性涉及多个影响因子，在本研究中只涉及了绝对含水率、载量、热值、燃点和灰分5个影响因子，由于设计和条件的限制，在理化性質方面，抽提物和挥发性可燃气体等未考虑到本研究中，而抽提物、挥发性可燃性气体能助燃火的燃烧，对草本的燃烧性、火行为具有重要影响[ 22 - 23 ]，在以后的研究逐步加入抽提物、挥发性可燃性气体等助燃因子，使草本燃烧性评估模型更完善。在研究可燃物燃烧性过程中，选择影响因子对燃烧性的评估具有较大的影响，在对比燃烧性大小的同时，需要注意影响因子的分类和选择；在研究燃烧性过程中，使用数学方法和模型较多，包括聚类法[ 15 ]、主成分分析法[ 16 ]、层次分析法，而哪种方法能更好的贴合实际的评判及分类燃烧性相关因子，需要在以后的研究中加以考虑。

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