任泽岩 李在浩 崔家郡 张嘉嘉 刘金凤

摘要：利用錐形量热仪对南京市3种常见树种马尾松、杉木和青冈的燃烧特性进行了测定，通过对树皮和枯落叶的热释放速率、总热释放量、热失重曲线、点燃时间、火发生指数等燃烧参数进行对比分析，评价了3个树种的抗火性。结果表明：青冈的阻火能力较强，适宜用作防火林带树种。

关键词：森林保护；锥形量热仪；阻火性

中图分类号：S76

文献标识码：A 文章编号：16749944（2016）08011702

1 引言

森林火灾不仅能对生态环境造成极大危害，而且直接威胁国家和人民的生命财产安全。在全球气候变化的背景下，随着近年来人类活动的日益频繁，森林火灾发生的潜在风险持续上升[1]。由于不同树种的木材燃烧特性存在差异，具备不同林分结构的森林群落的抗火性也表现各异，而林内可燃物对森林火灾类型和火灾的严重程度有直接影响[2]。锥形量热仪在测试材料燃烧性能方面与传统方法相比，其实验结果与实际火灾的情况具有较高关联性，因此可用于火灾的模拟计算[3]。过去，利用锥形量热仪对树种燃烧性的研究已有报道[4-5]，为防火林带的营造工作提供了基础。因此，对南京市3种常见树种的树皮及枯落物的燃烧特性进行分析，以期对该地区筛选绿化抗火树种以及有效地预防和控制森林火灾提供理论参考。

2 材料与方法

2.1 研究地概况

研究地点位于长江下游的南京市紫金山东麓，属宁镇山脉的一部分，地势上总体为东高西低，高程在10～60 m，地貌类型多样，山峦交错分布，是低山丘陵较集中的区域。气候类型属北亚热带季风气候，雨量充沛，年平均降水量1089 mm；四季分明，年平均温度15.7 ℃，年极端气温最高39.6 ℃，最低-13.2 ℃，全年无霜期达225 d。主要土壤类型为紫色土或黄棕壤中的红沙土。

2.2 研究方法

选取当地成熟的林分为研究对象，树种为青冈（Quercus glauca）、杉木（Chinese fir）和马尾松（Pinus massoniana），采集各树种树皮及枯落物，待样品自然风干后用高速粉碎机进行粉碎，过筛（200目）备用。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。利用锥形量热仪（参照ASTME1354-90，ISO 5660-1）测定样品在燃烧过程中的热量释放的变化及点燃时间等指标并计算样品的火发生指数（FPI），最终综合得出不同树种的燃烧特性[6，7]。

3 结果与分析

3.1 燃烧热释放速率分析比较

热释放速率（HRR）指的是在单位时间单位面积材料燃烧时释放热量的速率，HRR的最大值称释热速度峰值（pkHRR）。HRR是描述木材燃烧的特性的最重要参数之一，也是记录火灾和分析火灾伤害的最重要依据。HRR越大或者pkHRR越高，材料单位时间内燃烧传导给材料单位表面积的热量就越多，使材料热解速度加快和挥发性可燃物生成量增多，从而加速火焰传播[3]。因此，HRR越大或者pkHRR越高表明材料对于火灾的影响就越大，危险就越高。

如表1所示，可以看出这3个树种树皮和枯落叶的HRR以及pkHRR，其中马尾松的HRR和pkHRR都是3个树种里面较高的，而青冈和杉木在这两方面都比马尾松低。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。马尾松树皮的THR值明显高于青冈和杉木，而杉木枯落叶的THR值较青冈和马尾松更高。THR值越大，材料燃烧所释放出来的热量就越多，一般情况下火灾危险就越大。将HRR和THR结合起来可更为合理地评价材料的阻燃性能[3]。

3.2 热失重过程

木材受热分解主要分为以下几个阶段：①在100～150 ℃之间时，可燃物热分解的速度缓慢，主要是木材水分蒸发的过程，木材的化学组成无显著改变；②当温度上升到150～250 ℃时，可燃物受热分解的速度明显加快，可燃物的化学成分中较不稳定的组分如半纤维素受热分解生成CO、CO2和少量乙酸等物质；③当加热温度继续上升至250 ℃以上时，可燃物剧烈分解产生大量可燃性气体，包含如甲烷、乙烷和烯烃类的碳氢化合物，可燃物开始剧烈燃烧。

由图1所示，可燃物（包括树皮与小枝）的热失重曲线可以分成3个阶段：第一阶段开始失重较快，主要是可燃物中的水分和其他挥发物的散失；第二阶段失重速率开始变慢，可燃物中的有机物开始分解；第三阶段是燃烧后期的灰化阶段，失重速率缓慢趋于停止。马尾松和杉木在第一阶段的热失重速率高于青冈，而灰分含量三者差异不大。

3.3 点燃时间

点燃时间（TTI）是指样品从加热开始到出现稳定火焰的时间，是评价材料阻燃性的重要指标之一[3，6，8]。如表2所示，从TTI反映出的各树种树皮和枯落叶之间的阻燃性能各异。青冈的树皮和枯落叶点燃时间分别为10 s 和13 s，最难燃；杉木和马尾松的树皮和枯落叶的点燃时间较接近，为6～7 s，相对青冈易燃。

3.4 火发生指数

火发生指数（FPI）常被用来评价测试材料的火险程度，它是点燃时间与热释放速率峰值的比值。FPI值越大，抗火能力越强。如表2所示，青冈的FPI值明显高于其他树种，抗火能力最强，而杉木和马尾松的抗火能力最差。

4 结论与讨论

采用锥形量热仪对南京市3种常见树种的树皮和枯落叶进行了燃烧测定，通过分析各树种间的热释放速率、总热释放量、热失重曲线、点燃时间和火发生指数的异同，发现马尾松和杉木阻火能力最差，而青冈最强，因而青冈可以作为阻火优先筛选树种。

由于锥形量热仪的最高辐射量只有100 kW/m2，远远小于高强度森林火灾的辐射，因此该实验结果更适合于对低强度火烧蔓延的情况。地表落叶的燃烧性对林火发生具有显著影响[9]，因此本文为模拟枯落物的初步自然分解过程把样品进行粉碎，但是该种处理不能替代自然状态下的凋落物分解过程，因此分析结果与树种实际抗火能力可能并不完全吻合，而且筛选抗火树种还需要考虑更为复杂的实际情况，因此今后最好能结合野外点烧实验的数据进行进一步的验证才能应用到森林防火的实践工作中。

参考文献：

[1]田晓瑞，舒立福，王明玉，等. 林火与气候变化研究进展[J]. 世界林业研究，2006（5）：34～36.

[2]胡乙山，张立，唐贺统. 森林可燃物及其燃烧特性研究[J]. 防护林科技，2005（3）：26～27+29.

[3]李坚，王清文，方桂珍，等.木材波谱学[M].北京：科学出版社，2003：285～290.

[4]田晓瑞，贺庆棠，舒立福. 利用锥形量热仪分析树种阻火性能[J]. 北京林业大学学报，2001（1）：48～51.

[5]胡海清，鞠琳. 小兴安岭8个阔叶树种的燃烧性能[J]. 林业科学，2008（5）：90～95.

[6]张军，纪奎江，夏延致，等.聚合物燃烧与阻燃技术[M].北京：化学工业出版社，2004：417～422.

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[8]王清文.木材阻燃工艺学原理[M].哈尔滨：东北林业大学出版社，2000：1～3.

[9]郑焕能，居恩德.林火管理[M].哈尔滨：东北林业大学出版社，1998.