東北三種典型針葉樹種可燃物烘干參數的確定及影響因素分析

程藝龍，孫　龍

(東北林業大學 林學院，哈爾濱 150040)

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東北三種典型針葉樹種可燃物烘干參數的確定及影響因素分析

程藝龍，孫龍*

(東北林業大學 林學院，哈爾濱 150040)

摘要：本文擬通過室內控制試驗確定對于不同樣品采取什么樣的烘干溫度及時間，才能保證又快又好的完成樣品的室內烘干處理。本文通過具體實驗得出東北三種典型針葉樹種(紅松、樟子松、落葉松)在不同的濕度條件(100%、80%、60%、40%、20%)、時滯條件(1、10、100時滯)以及不同部位(樹皮、樹葉、地被物)在105℃下的烘干時間。使用正交實驗法研究可知，紅松所需要的烘干時間明顯高于其他兩種植物，排序為：紅松>樟子松>落葉松，就時滯條件而言，烘干時間排序為100時滯>10時滯>1時滯，就植物部位而言，需要的烘干時間為：樹皮>地被物>樹葉。正交實驗的結果可知，紅松在100時滯條件下的樹皮部分所需要的烘干時間最長，影響因素的大小依次為：時滯條件>植物部位>植物品種。

關鍵詞：針葉樹種；烘干時間；時滯；影響因素

0引言

紅松、落葉松、樟子松是東北三種典型針葉樹種，它們分布廣泛，易發生森林火災，很多關于森林防火、林火生態相關研究野外采樣都包括這三個林型的可燃物。目前關于東北這三種典型針葉樹種的可燃性以及烘干參數的研究主要包括樹枝、樹葉、樹皮、地被物以及凋落物等。例如李艷紅等在桉-榿不同混合比例凋落物分解過程中土壤動物群落動態中針對凋落物的烘干條件進行了分析[1]；郭忠玲等針對長白山各植被帶主要樹種凋落物分解速率及模型模擬的試驗研究[2]。在一些研究中，根據設定溫度的不同，烘干時間參差不齊，如：設定在80℃烘干12 h[3]；設定在80℃烘干24 h[4]；設定在105℃烘干24 h[5-7]；設定在105℃烘干18～25 h[8]；設定在105℃烘干24～48 h[9]；設定在65℃烘干48 h[10]；設定在70℃烘干72 h[11]，其中用的最多的烘干溫度為105℃。

由于在野外實驗，受實驗設備及時間限制，往往不能連續烘干24 h。如果事先能夠粗略判斷可燃物的含水率范圍，則可以針對不同范圍的可燃物進行不同時長的烘干，這樣可能會損失一些精度，但節省了烘干時間，更適合野外工作。目前這些工作還沒有開展，本文研究了落葉松、樟子松和紅松在不同初始含水率(100%、80%、60%、40%、20%)、不同部位(樹枝、樹葉、樹皮、地被物)在105℃下烘干所需要的時間，并進行總結，為今后野外工作提供基礎數據。

1材料與方法

1.1實驗材料

為了探討不同物種(紅松、樟子松、落葉松)、不同時滯(1、10、100時滯)、不同部位(樹枝、樹皮、樹葉、凋落物)、不同初始含水率(20%、40%、60%、80%、100%)的植物烘干時間。本文主要選擇的實驗材料為來自于哈爾濱城市林業示范基地的紅松、樟子松、落葉松。實驗器材為101-3A型電熱鼓風干燥箱、電子天平(精度0.01g)、標準布袋、信封和火柴等。本文主要使用正交實驗法進行東北三種典型針葉樹種烘干參數的確定以及影響因素分析，正交實驗法就是利用排列整齊的表-正交表來對試驗進行整體設計、綜合比較，實現通過少數的實驗次數找到較好的參數條件，以達到最高實驗效果。分析出在何種程度的植物部位、含水量、時滯條件以及植物品種時，需要的烘干時間最短或者是最長，從而找出不同條件下不同植物部位烘干參數，包括溫度和時間，為將來開展相關研究提供參考。

1.2實驗方法及步驟設計

結合上述的研究背景，本文主要設計了實驗，對不同品種不同條件不同部位的烘干時間進行對比和分析，總共涉及了以下幾個實驗，具體的步驟描述如下所示，其中可燃物的含水率的計算：首先將可燃物烘到絕干(最后兩次稱量差值不超過0.01g)，得到干重，再將可燃物全部浸濕得到濕重，可燃物含水率=(濕重-干重)/干重×100%。

1.2.1不同時滯條件的烘干實驗

以1時滯落葉松枝條為例：

取長度5 cm，直徑為0.5 cm，含水率為100%、80%、60%、40%、20%的興安落葉松枝條各10支，稱取初始質量。放到105℃烘干箱上層(放入烘箱時，樣品間應留有適當空隙，以利空氣對流，防止下層溫度升高而燒毀樣品)，同時將長度為10 cm，直徑為0.5 cm，含水率為100%、80%、60%、40%、20%的興安落葉松枝條各10支放到105℃烘干箱下層中，每隔0.5 h稱取一次質量，并測定含水率(若兩次的含水率相差很大則縮短時間半小時或更短)，直至恒重[12]。

1時滯(直徑為0.5 cm)的樟子松、紅松，10時滯(直徑為1 cm)的落葉松、樟子松、紅松，100時滯(直徑為1 cm)的落葉松、樟子松、紅松的烘干方法同上。

1.2.2不同部位的烘干實驗

以興安落葉松實驗為例：取含水率為100%的興安落葉松樹皮(2 cm×2 cm)10個、針葉(長度2 cm)10個、地被物20 g，稱取初始質量，放到105℃烘干箱上層(放入烘箱時，樣品間應留有適當空隙，以利空氣對流，防止下層溫度升高而燒毀樣品)，每隔0.5 h稱取一次質量，并測定含水率(若兩次的含水率相差很大則縮短時間半小時或更短)，直至恒重，以同樣的方法進行含水率為80%、60%、40%、20%的上述興安落葉松樹皮、針葉、地被物的烘干實驗，上述實驗進行10組重復。

采用上述的同樣方法分別對紅松以及樟子松的各部位進行烘干實驗。

2實驗結果分析

2.1實驗結果統計

(1)1、10、100時滯烘干時間結果如圖1～圖6所示。

圖1　1時滯5 cm烘干時間Fig.1 5 cm drying time for 1-h time lag

圖2　1時滯10 cm烘干時間Fig.2 10 cm drying time for 1-h time lag

圖3　10時滯5 cm烘干時間Fig.3 5 cm drying time for 10-h time lag

圖4　10時滯10 cm烘干時間Fig.4 10 cm drying time for 10-h time lag

圖5　100時滯5 cm烘干時間Fig.1 5 cm drying time for 100-h time lag

圖6　100時滯10 cm烘干時間Fig.6 10 cm drying time for 100-h time lag

(2)針葉烘干時間結果如圖7所示。

圖7　針葉烘干時間Fig.7 Drying time of coniferous leaves

(3)樹皮烘干時間結果如圖8所示。

圖8　樹皮烘干時間Fig.8 Drying time of barks

(4)地被物烘干時間結果如圖9所示。

圖9　地被物烘干時間Fig.9 Drying time of ground covers

由圖1～圖9可知：1時滯5 cm、1時滯10 cm、10時滯5 cm、10時滯10 cm、100時滯5 cm、100時滯10 cm的落葉松、紅松、樟子松隨著含水率的降低烘干時間逐漸減少，在同一含水率區間，1時滯5 cm、10時滯5 cm、10時滯10 cm、100時滯5 cm的烘干時間為落葉松<樟子松<紅松，1時滯10 cm的烘干時間表現為落葉松<紅松<樟子松(40%含水率除外)，100時滯10 cm的烘干時間表現為落葉松<樟子松<紅松(20%含水率除外)。1時滯5 cm、10時滯5 cm、10時滯10 cm、100時滯5 cm、100時滯10 cm的落葉松、紅松、樟子松三者之間烘干時間的差距隨著含水率的降低變化不明顯，而三者在1時滯10 cm的烘干時間的差距隨著含水率的降低變化較為明顯。落葉松、紅松、樟子松在不同含水率時的烘干時間隨著時滯的增加而增加。

紅松的針葉、樹皮、地被物在不同含水率時的烘干時間明顯高于落葉松和樟子松。樹皮在100%≥含水率≥60%時，落葉松和樟子松的烘干時間表現為落葉松≥樟子松，差距呈現逐漸減少的趨勢，在60%>含水率≥20%時，落葉松和樟子松的烘干時間表現為落葉松<樟子松。針葉、地被物在100%≥含水率≥40%時，落葉松和樟子松的烘干時間表現為落葉松≥樟子松，差距呈現逐漸減少的趨勢，在40%>含水率≥20%時，落葉松和樟子松的烘干時間表現為落葉松<樟子松。落葉松、紅松、樟子松的針葉、樹皮、地被物的烘干時間隨著含水率減少而減少。

2.1.1三種針葉樹種對烘干時間的影響

結合上述的研究，本文同樣針對紅松和樟子松進行實驗分析。具體得到這三種樹種在相同的條件(選擇1時滯，樹葉)下的，所需要的時間見表1。

表1　不同植物品種對烘干時間的影響　hTab.1 Effect of different plant varieties on drying time　h

結合表1可知，針對興安落葉松、紅松以及樟子松三個樹種而言，在同一含水率的情況下，所需要的烘干時間是不一致的，例如在100%含水率的情況下，落葉松需要的烘干時間為3.5 h，紅松需要的烘干時間為5.75 h，樟子松需要的烘干時間為4.5 h，由此可知，這三種植物當中紅松所需要的烘干時間明顯比其他兩種植物需要的時間長，由此，紅松最不易起火，其次是樟子松，而落葉松是最易起火的。

2.1.2時滯條件對烘干時間的影響

結合上述實驗，以興安落葉松松枝為例，選擇興安落葉松松枝5 cm，分析在不同的時滯條件下，不同含水量的落葉松松枝烘干時間，具體的結果見表2。

表2　不同時滯條件的烘干時間　hTab.2 Drying time under different time lag and moisture conditions　h

根據上表的數據隨著時滯的增加，不同的含水率的烘干至全干的情況下所需要的時間越來越久。例如就100%含水率而言，在1時滯需要烘干至全干需要的時間為3.5 h，在10時滯需要烘干至全干需要的時間為8.5 h，在100時滯需要烘干至全干需要的時間為26h。由此可知，時滯條件是影響植物烘干的重要原因。在同一時滯，針對不同的含水率，含水率越高需要的時間也越長，例如在1時滯的條件下，100%、80%、60%、40%、20%含水率烘干至全干需要的時間分別為3.5、3.25、2.75、2.25、1.75 h，由此可知，在其他條件相同的情況下，植物在越潮濕的情況下需要的烘干時間越長，因此也就越不容易在短時間內引起火災，反之，植物越干燥就越容易引起火災。

2.1.3植物部位對烘干時間的影響

結合上述實驗，以興安落葉松為例，選擇興安落葉松松葉、地被物以及樹皮三個組成部分，分析不同含水率的這三種落葉松組成部位的烘干時間，具體的結果見表3。

表3　不同植物部位對烘干時間的影響　hTab.3 Effect of different plant parts on drying time　h

結合表3可知，針對興安落葉松松葉、地被物以及樹皮三個組成部分而言，在同一含水率的情況下，所需要的烘干時間是不一致的(除開在40%和20%條件下松葉和地被物所需要的時間是一致之外)，在100%含水量的情況下，松葉需要的烘干時間為3.75 h，地被物需要的烘干時間為4 h，樹皮需要的烘干時間為8.5 h，由此可知，這三種部位當中樹皮所需要的烘干時間明顯比松葉和地被物需要的時間長，由此，樹皮最不易起火，其次是地被物，而樹葉是最易起火的。

根據表3，可以繪制出在不同的濕度條件下各個部位需要的時間圖，如圖10所示。

圖10　不同濕度條件下各部位需要的烘干時間Fig.10 Drying time of different parts under different humidity conditions

結合表3可知，在低濕度的條件下(20%)松葉部分的烘干時間為2.25 h，地被物部分的烘干時間為2.25 h，樹皮部分的烘干時間為5.75 h；在中濕度的條件下(60%)松葉部分的烘干時間為2.75 h，地被物部分的烘干時間為3h，樹皮部分的烘干時間為7.5 h；在高濕度的條件下(100%)松葉部分的烘干時間為3.75 h，地被物部分的烘干時間為4 h，樹皮部分的烘干時間為8.5 h。由此可知，對于相同濕度條件下，樹葉和地被物的烘干時間差不多，而樹皮的烘干時間遠遠要大于樹葉和地被物。

2.2正交實驗分析

結合上述的單因素分析可知，其實上述的實驗當中主要涉及到4個因素：植物部位、含水率、時滯條件以及樹種，但是結合具體實驗得知，不論對于哪一種條件而言，含水率為100%的烘干時間最高[13]。

根據正交實驗結果，選取植物品種(1落葉松；2樟子松；3紅松)、植物部位(樹葉；樹皮；地被物)、時滯條件(1時滯；10時滯；10時滯)為研究對象，進行3水平3因素正交試驗，因素水平見表4，進行單因素試驗。

表4　正交試驗因素水平Tab.4 Orthogonal experimental factor levels

按照表4 進行正交試驗，結果見表5和表6。

表5　回流提取正交試驗設計Tab.5 Reflux extraction orthogonal design

表6　正交實驗方差分析表Tab.6 Variance analysis table of orthogonal test

結果顯示，森林植物的烘干時間最長的條件為A3B3C2，紅松在100時滯條件下的樹皮部分所需要的烘干時間最長，影響因素的大小依次為：時滯條件>植物部位>植物品種，烘干時間為28.75 h。由此可知，在不同的植物狀態以及條件下，植物需要的烘干時間是不一樣的，因此對不同類型的森林而言，其起火的概率也是不一樣的[14-20]。

3結論

(1)野外采樣烘干中，由于烘干設備及時間限制，不能夠長時間烘干，在有誤差的情況下，在24 h內可燃物烘干情況如下。

在低濕度的條件下(20%)：落葉松、樟子松、紅松的烘干部位(松葉部分、地被物部分、樹皮部分)烘干時間分別為(2.25、2.25、5.75 h)、(2、2、5 h)、(3.25、5.5、8.25 h)；在中濕度的條件下(60%)：落葉松、樟子松、紅松的烘干部位(松葉部分、地被物部分、樹皮部分)烘干時間分別為(2.75、3、7.5 h)、(3.25、3.25、7.5 h)、(5、6.75、9.75 h)；在高濕度的條件下(100%)：落葉松、樟子松、紅松的烘干部位(松葉部分、地被物部分、樹皮部分)烘干時間分別為(3.75、4、8.5 h)、(4.75、4.75、10 h)、(6.25、7.75、11.5 h)。

由此可知，對于相同濕度條件下，樹葉和地被物的烘干時間相差不多，樹皮的烘干時間長于樹葉和地被物。

(2)結合正交實驗得出，影響烘干時間的主要因素包括植物部位、植物時滯條件以及植物品種這三個因素。經過本文的對比研究可知，就單因素分析的結果而言，對比落葉松、紅松以及樟子松，紅松所需要的烘干時間明顯比其他兩種植物需要的時間長，由此，紅松最不易起火，其次是樟子松，而落葉松是最易起火的。隨著時滯的增加，植物烘干至全干所需要的時間越來越久。就植物部位而言，樹皮所需要的烘干時間明顯比松葉和地被物的時間長，由此，樹皮最不易起火，其次是地被物，而樹葉是最易起火的。就正交實驗的結果可知，紅松在100時滯條件下的樹皮部分所需要的烘干時間最長，影響因素的大小依次為：時滯條件>植物部位>植物品種，烘干時間為28.75 h。

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收稿日期：2016-02-12

基金項目：林業公益性行業科研專項(201404402)

第一作者簡介：程藝龍，碩士研究生。研究方向：可燃物含水率模型。 *通信作者：孫龍，博士，教授。研究方向：林火生態與管理。E-mail：381362219@qq.com

中圖分類號：S 762.2

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2016)04-0022-06

Determination of Drying Parameters of Combustible Materialsof Three Typical Coniferous Species in Northeast Chinaand Analysis of the Influenc Factors

Cheng Yilong，Sun Long*

(School of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

Abstract：The indoor control test was conducted to determine the drying temperature and drying time for various samples in order to ensure fast and good drying treatment for sample chambers.In this paper，different treatments including humidity conditions(100%，80%，60%，40%，20%)，delay conditions(1-h time-lag,10-h time-lag,100-h time-lag)and plant parts(bark，leaves，ground covers)under 105℃ were applied in three typical conifer species(Pinus koraiensis，Pinus sylvestris，larch)in the northeast region.The orthogonal experiment showed that Pinus koraiensis required more drying time compared with the other two plants and the order was：Pinus koraiensis > Pinus sylvestris > larch.In terms of time lag，the order of drying time was：100-h time-lag>10-h time-lag>1-h time-lag.With regard to the plant parts，the order of drying time required was：bark > ground covers > leaves.The orthogonal experimental results showed that，the barks of Pinus koraiensis under 100-h time-lag required the longest drying time，and the order of influencing factors was：time lag > plant parts > plant varieties.

Keywords：coniferous tree species；drying time；time lag；influenc factors

引文格式：程藝龍，孫龍.東北三種典型針葉樹種可燃物烘干參數的確定及影響因素分析[J].森林工程，2016，32(4)：22-27.