早春草本植物燃烧性分析

张念慈 李丹丹 于文男

（黑龙江省森林保护研究所，黑龙江 哈尔滨 150000）

森林可燃物是森林火灾发生及林火蔓延的物质基础，其燃烧性直接影响火行为[1]。可燃物燃烧的一般规律是从地表草本层，逐渐过渡到灌木层，到乔木层，由此可见，草本层是可燃物燃烧的基础层。春季森林火灾一般发生在冰雪消融后树木和植物返青前这一阶段，草本层植被返青时间的早晚直接影响林火的蔓延速度、林火强度等火行为。早春时节是森林火灾多发、易发的重要时期，这段时期冰雪已基本融化，多大风、干燥、少雨天气，地表相对干旱，林下乔、灌木层和大部分草本层仍处于休眠期，森林火灾极易发生。研究早春草本植物的燃烧性，补充、完善和发展森林可燃物研究的整体性和系统性，为草本可燃物在森林防火上的应用提供理论参考，特别是生物防火林带的建设方面，为草本植物种类的筛选提供新的方向和选择[2-8]。

早春草本植物指在早春季节积雪融化时，迅速开花随即展叶并结实，在40～60 d完成地上部分的生长，在林冠层阔叶树展叶时迅速枯萎，地下部分则进入9个月以上休眠期的一类多年生草本植物。这类草本植物多数生长在温带阔叶落叶林下和针阔混交林下[9-16]。

1 研究区域概况与研究方法

1.1 研究区域概况

黑龙江省丰林国家级自然保护区位于小兴安岭伊春市五营区，地处东经128°58’～129°15’，北纬48°02’～48°12’，海拔280～683 m。属北温带大陆性季风气候，春季多大风天气，少雨且气候干旱。该地区森林覆被率达到96%左右，森林植被和类型较为丰富，属长白植物区系小兴安岭亚系，有113 属568 种32 变种12 变形，其中包括6 种国家重点级保护植物，以红松针阔叶混交林生态系统为主，其次是谷地落叶松林生态系统、谷地冷杉林生态系统、白桦次生林生态系统、台地及低洼地带形成的湿地、沼泽湿地、沼泽化草甸生态系统。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集

调查时间为早春季和春季的3 月15 日～7 月15 日，调查地点在丰林国家级自然保护区。选取该地区具有代表性的3 种典型林型，红松林混交林、白桦混交林、阔叶混交林。每个林型下分别设置30 m×10 m的样地3 个，在每个样地内机械的布置1 m×1 m草本样方3块，在样方内采集所需实验样本。

通过野外调查，研究区域内早春草本植物有20 余种，综合考虑早春草本植物分布情况、生长情况等因素，选取了12 种早春草本植物作为本实验样本，分别为：紫堇（CorydalisedulisMaxim）、黑水银莲花（AnemoneamurensisKom）、大叶银莲花（Anemone udensis）、荷青花（HylomeconJaponicum）、白屈菜（Chelidoniummajus）、五福花（Adoxamoschatellina）、延胡索（Croydalisyanhusuo）、侧金盏（Adonisamurensis RegeletRadde）、大人字果（Dichocarpumsutchuenense）、金腰子（ChrysospleniumserreanumHandMazz）、菟葵（Eranthisstellata）、驴蹄草（CalthapalustrisL.）。

1.2.2 测定方法

1）含水率测定。风干含水率的计算方式是将野外采集样品常温下放置数日后，待自然风干称重并进行计算。绝干含水率的计算方式是将样品放在温度105 ℃的烘箱中，连续烘干24 h以上至绝干重,取出称重进行计算。含水率计算公式：

式中：M绝干为绝干含水率，%；M风干为风干含水率，%；W1为采集样品鲜重；W2为样品自然风干后的干重；W绝为样品烘干后的绝干重。

2）燃点测定。样品经烘箱烘干至恒定质量，粉碎后经40 目筛网筛出试样，取0.1 g试样与0.075 g亚硝酸钠混合放入试管中，将装有试样的试管放置于XTRD-5 微机燃点测定仪中进行测定。

3）热值测定。样品经烘箱烘干至恒定质量，粉碎后经40 目筛网筛出试样，取0.5 g样品放入坩埚中，将氧弹中注氧，放置在XRY-1C量热仪中，采用热量计氧弹法进行热值测定。

4）灰分测定。样品经烘箱烘干至恒质量，粉碎后经40 目筛网筛出试样，取1 g样品放入处理好的坩埚中，放置于马弗炉内，在550 ℃高温下灼烧1～2 h，炉内慢慢冒烟，待烟冒完后再灼烧约10～15 min左右，至样品灰化到恒重且呈松散不成型白色物质状态，将其移到真空干燥器内，待试样温度降至室温后进行称重并计算。灰分含量的计算公式：

式中：A为灰分含量，%；WA为灰化后样品和坩埚的重量，g；WB为灰化前样品和坩埚重量，g；WC为坩埚的重量，g。

2 早春植物燃烧性分析

按照试验测定方法，通过试验测定出12 种早春草本植物的燃烧指标值（表1）。

表1 早春草本植物燃烧性指标值Tab.1 Index value of burning ability of early spring herbs

2.1 含水率比较分析

含水率是燃烧性研究的一个重要性指标，也是选择阻火物的一个基础性指标。含水率的多少能够直接影响到可燃物燃烧的难易程度，可燃物达到燃点的速度，以及可燃物燃烧所释放的热量。含水率指标值越大，可燃物易燃的能力就越弱，反之，含水率指标值越小，其易燃的能力反而越强。

各类早春草本植物的含水率值存在较大的差距。风干含水率平均值260.95%，变化范围247.64%～376.90%。绝干含水率平均值是473.24%，在346.46%～684.04%范围之间变化。其中，金腰子含水率最高，达684.04%；大叶银莲花含水率最低，为346.46%；含水率在300%～400%有3 种，分别为大叶银莲花、菟葵、大人字果；含水率在400%～600%有7 种，分别是荷青花、五福花、侧金盏、白屈菜、驴蹄草、黑水银莲花和延胡索；含水率在600%～700%有2 种，分别为紫堇和金腰子。

2.2 燃点比较分析

早春草本植物的燃点指在火源直接作用下，着火时的最低温度，也称作着火点。可燃物不同，燃点也就不一样；燃点值越低，越容易燃烧，可燃物的抗火性也就越差，反之，燃点值越高，越不容易燃烧，抗火性就会越强。

各种早春草本植物燃点差异较小，12 种草本植物燃点平均值为249 ℃，变化范围241～254 ℃。其中，菟葵燃点最高，达到254 ℃；其次是驴蹄草253 ℃，侧金盏和白屈菜均为251 ℃；其他类草本植物燃点均在240～250 ℃范围内变化，燃点最低的是大叶银莲花241 ℃。

2.3 热值比较分析

早春草本植物的热值指在绝干状态下，完全燃烧时所释放出的热量；它是影响燃烧性的一个关键性指标，是影响林火蔓延速度和燃烧程度的一个重要性指标。

各种早春草本植物因其组成成分不同，燃烧释放热量也就不同。热值越高，说明可燃物所释放热量越多，火强度越大，对燃烧性的影响也就越大；反之，热值越低，可燃物释放热量也就越少，火强度也就变弱，对燃烧性影响相对变小。

各种早春草本可燃物之间热值变化有较为显著差异，12 种草本可燃物热值平均值17 162.83 J/g，变化范围在15 066～19 064 J/g。黑水银莲花热值最高，达到190 64 J/g；其次是金腰子18 535 J/g和荷青花18 089 J/g；热值范围在16 000～17 000 J/g草本植物有5 种；热值处于15 000～16 000J/g的草本植物有3 种；热值最低是侧金盏，为15 066 J/g。

2.4 灰分比较分析

早春草本植物灰分指燃烧后剩余的物质，是具有阻燃作用的抑燃性物质，能限制火燃烧速度及火蔓延速度。灰分含量的多少，直接影响到林火行为的大小。灰分含量值越高，可燃物燃烧能力就越差，火强度相对变弱，蔓延速度也会变得缓慢；反之，灰分含量值越低，可燃物反而得到充分燃烧，火强度相对变大，从而加快火蔓延速度。

各种早春草本可燃物灰分含量平均值为19.75%，变化范围在10.86%～30.55%。其中，灰分含量最高的是侧金盏，30.55%；灰分含量20%～30%草本植物有5种，包括金腰子、荷青花等；在20%以下的草本植物有6种，分别是黑水银莲花、五福花等；灰分含量最低的是大叶银莲花，为10.86%。

3 早春植物燃烧性排序

3.1 权重确定方法

采用层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP），利用燃烧综合评价体系，构建早春草本植物燃烧层次结构模型（图1），对比分析各个影响因子的影响力大小，通过矩阵计算各指标因子的权重数值，综合分析评价12 种早春草本植物燃烧性。

图1 燃烧层次结构模型Fig.1 Combustion hierarchy model

3.2 构建燃烧性层次结构模型

最高层的燃烧性，是要达到的目标或需要解决的问题。中间层的引燃性、剧烈性、持续性3 个影响指标，可由1 个或多个层次共同组成。最底层包含5 个燃烧性影响因子，尽管每个指标重复出现，但同一指标对不同中间层的影响因子大小不同，也就决定了其所占的权重值不同。

在结构模型中，引燃性表示点燃的难易程度，影响因子包括绝干含水率、风干含水率和燃点3 个；剧烈性表示燃烧速度和燃烧强度，与4 个影响因子相关，即绝干含水率、风干含水率、热值和灰分；持续性表示燃烧持续的时间长短，受到3 个燃烧因子影响，分别是绝干含水率、风干含水率、灰分。

3.3 确定各因子权重值

根据Santy（1980）等人提出的一致矩阵法，在查阅了大量文献资料的基础上，结合以往经验，确定矩阵中各个指标的重要性，分别为：中间层的3 个指标排序为：引燃性＞剧烈性＞持续性；最底层中，引燃性的3 个影响指标排序为：绝干含水率＞风干含水率＞燃点；影响剧烈性的4 个指标排序为：热值＞绝干含水率＞风干含水率＞灰分；影响持续性的3 个指标排序为：灰分＞绝干含水率＞风干含水率。根据排序结果构建矩阵如下：

1）中间层对最高层的矩阵

得到结果：引燃性权重值是0.571，剧烈性权重值是0.286，持续性权重值是0.143。

2）最底层对中间层各指标的矩阵

（1）引燃性的权重构造

得到结果：风干含水率权重值为0.283、绝干含水率权重值为0.643、燃点权重值为0.074。

（2）剧烈性的权重构造

得到结果：风干含水率权重值为0.200，绝干含水率权重值为0.200，热值权重值为0.520，灰分权重值为0.080。

（3）持续性的权重构造的

得到结果：绝干含水率权重值为0.283，灰分权重值为0.643，风干含水率权重值为0.074。

根据唯一非零特征根为n的原理，对判断矩阵中计算得出的权重数值，分别进行总层次和单层次的一致性检验，全部通过，得出燃烧性各影响因子权重值（表2）。

表2 燃烧性因子权重值Tab.2 Flammability factor weight value

3.4 早春植物燃烧性排序

各早春草本植物所测定燃烧性指标数值，结合各因子燃烧性权重值进行计算，得出12 种早春草本植物的燃烧性、引燃性、剧烈性、持续性数值，并按照燃烧性值进行排序（表3），综合分析评价12 种早春草本植物燃烧性。

表3 草本植物燃烧性指标值Tab.3 Index value of combustibility of herbaceous plants

从引燃性方面来看，引燃性最高的是金腰子，最低的是大叶银莲花，主要是含水率因子对引燃性影响较大；从燃烧剧烈性方面来看，燃烧强度最强的是金腰子，强度最弱的是大叶银莲花；从燃烧持续性方面来看，持续时间最长的是侧金盏，时间最短的是大叶银莲花。

综合分析12 种早春草本植物燃烧性，最易引燃的是金腰子，最难引燃的是大叶银莲花；得出12 种早春草本植物抗火性排序为大叶银莲花＞菟葵＞大人字果＞荷青花＞五福花＞驴蹄草＞侧金盏＞白屈菜＞延胡索＞黑水银莲花＞紫堇＞金腰子。

4 结语

通过对黑龙江省小兴安岭12 种主要早春草本植物燃烧性分析，总结其含水率、燃点、热值、灰分的平均值及变化范围，利用层次分析法对12 种早春草本植物燃烧性进行排序，为生物防火林带地被植物的选择提供理论依据，提升防火林带阻火性能，完善森林可燃物研究的整体性和系统性。