南京市3種常見樹種的燃燒特性

任澤巖 李在浩 崔家郡 張嘉嘉 劉金鳳

摘要：利用錐形量熱儀對(duì)南京市3種常見樹種馬尾松、杉木和青岡的燃燒特性進(jìn)行了測(cè)定，通過(guò)對(duì)樹皮和枯落葉的熱釋放速率、總熱釋放量、熱失重曲線、點(diǎn)燃時(shí)間、火發(fā)生指數(shù)等燃燒參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)價(jià)了3個(gè)樹種的抗火性。結(jié)果表明：青岡的阻火能力較強(qiáng)，適宜用作防火林帶樹種。

關(guān)鍵詞：森林保護(hù)；錐形量熱儀；阻火性

中圖分類號(hào)：S76

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：16749944（2016）08011702

1 引言

森林火災(zāi)不僅能對(duì)生態(tài)環(huán)境造成極大危害，而且直接威脅國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。在全球氣候變化的背景下，隨著近年來(lái)人類活動(dòng)的日益頻繁，森林火災(zāi)發(fā)生的潛在風(fēng)險(xiǎn)持續(xù)上升[1]。由于不同樹種的木材燃燒特性存在差異，具備不同林分結(jié)構(gòu)的森林群落的抗火性也表現(xiàn)各異，而林內(nèi)可燃物對(duì)森林火災(zāi)類型和火災(zāi)的嚴(yán)重程度有直接影響[2]。錐形量熱儀在測(cè)試材料燃燒性能方面與傳統(tǒng)方法相比，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際火災(zāi)的情況具有較高關(guān)聯(lián)性，因此可用于火災(zāi)的模擬計(jì)算[3]。過(guò)去，利用錐形量熱儀對(duì)樹種燃燒性的研究已有報(bào)道[4-5]，為防火林帶的營(yíng)造工作提供了基礎(chǔ)。因此，對(duì)南京市3種常見樹種的樹皮及枯落物的燃燒特性進(jìn)行分析，以期對(duì)該地區(qū)篩選綠化抗火樹種以及有效地預(yù)防和控制森林火災(zāi)提供理論參考。

2 材料與方法

2.1 研究地概況

研究地點(diǎn)位于長(zhǎng)江下游的南京市紫金山東麓，屬寧鎮(zhèn)山脈的一部分，地勢(shì)上總體為東高西低，高程在10～60 m，地貌類型多樣，山巒交錯(cuò)分布，是低山丘陵較集中的區(qū)域。氣候類型屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，年平均降水量1089 mm；四季分明，年平均溫度15.7 ℃，年極端氣溫最高39.6 ℃，最低-13.2 ℃，全年無(wú)霜期達(dá)225 d。主要土壤類型為紫色土或黃棕壤中的紅沙土。

2.2 研究方法

選取當(dāng)?shù)爻墒斓牧址譃檠芯繉?duì)象，樹種為青岡（Quercus glauca）、杉木（Chinese fir）和馬尾松（Pinus massoniana），采集各樹種樹皮及枯落物，待樣品自然風(fēng)干后用高速粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，過(guò)篩（200目）備用。取粉碎好的樹皮和枯落葉各25 g，均勻平鋪在100 mm×100 mm樣品盒內(nèi)。利用錐形量熱儀（參照ASTME1354-90，ISO 5660-1）測(cè)定樣品在燃燒過(guò)程中的熱量釋放的變化及點(diǎn)燃時(shí)間等指標(biāo)并計(jì)算樣品的火發(fā)生指數(shù)（FPI），最終綜合得出不同樹種的燃燒特性[6，7]。

3 結(jié)果與分析

3.1 燃燒熱釋放速率分析比較

熱釋放速率（HRR）指的是在單位時(shí)間單位面積材料燃燒時(shí)釋放熱量的速率，HRR的最大值稱釋熱速度峰值（pkHRR）。HRR是描述木材燃燒的特性的最重要參數(shù)之一，也是記錄火災(zāi)和分析火災(zāi)傷害的最重要依據(jù)。HRR越大或者pkHRR越高，材料單位時(shí)間內(nèi)燃燒傳導(dǎo)給材料單位表面積的熱量就越多，使材料熱解速度加快和揮發(fā)性可燃物生成量增多，從而加速火焰?zhèn)鞑3]。因此，HRR越大或者pkHRR越高表明材料對(duì)于火災(zāi)的影響就越大，危險(xiǎn)就越高。

如表1所示，可以看出這3個(gè)樹種樹皮和枯落葉的HRR以及pkHRR，其中馬尾松的HRR和pkHRR都是3個(gè)樹種里面較高的，而青岡和杉木在這兩方面都比馬尾松低。總熱釋放量（THR）是單位面積的材料在燃燒全過(guò)程中所釋放熱量的總和。馬尾松樹皮的THR值明顯高于青岡和杉木，而杉木枯落葉的THR值較青岡和馬尾松更高。THR值越大，材料燃燒所釋放出來(lái)的熱量就越多，一般情況下火災(zāi)危險(xiǎn)就越大。將HRR和THR結(jié)合起來(lái)可更為合理地評(píng)價(jià)材料的阻燃性能[3]。

3.2 熱失重過(guò)程

木材受熱分解主要分為以下幾個(gè)階段：①在100～150 ℃之間時(shí)，可燃物熱分解的速度緩慢，主要是木材水分蒸發(fā)的過(guò)程，木材的化學(xué)組成無(wú)顯著改變；②當(dāng)溫度上升到150～250 ℃時(shí)，可燃物受熱分解的速度明顯加快，可燃物的化學(xué)成分中較不穩(wěn)定的組分如半纖維素受熱分解生成CO、CO2和少量乙酸等物質(zhì)；③當(dāng)加熱溫度繼續(xù)上升至250 ℃以上時(shí)，可燃物劇烈分解產(chǎn)生大量可燃性氣體，包含如甲烷、乙烷和烯烴類的碳?xì)浠衔铮扇嘉镩_始劇烈燃燒。

由圖1所示，可燃物（包括樹皮與小枝）的熱失重曲線可以分成3個(gè)階段：第一階段開始失重較快，主要是可燃物中的水分和其他揮發(fā)物的散失；第二階段失重速率開始變慢，可燃物中的有機(jī)物開始分解；第三階段是燃燒后期的灰化階段，失重速率緩慢趨于停止。馬尾松和杉木在第一階段的熱失重速率高于青岡，而灰分含量三者差異不大。

3.3 點(diǎn)燃時(shí)間

點(diǎn)燃時(shí)間（TTI）是指樣品從加熱開始到出現(xiàn)穩(wěn)定火焰的時(shí)間，是評(píng)價(jià)材料阻燃性的重要指標(biāo)之一[3，6，8]。如表2所示，從TTI反映出的各樹種樹皮和枯落葉之間的阻燃性能各異。青岡的樹皮和枯落葉點(diǎn)燃時(shí)間分別為10 s 和13 s，最難燃；杉木和馬尾松的樹皮和枯落葉的點(diǎn)燃時(shí)間較接近，為6～7 s，相對(duì)青岡易燃。

3.4 火發(fā)生指數(shù)

火發(fā)生指數(shù)（FPI）常被用來(lái)評(píng)價(jià)測(cè)試材料的火險(xiǎn)程度，它是點(diǎn)燃時(shí)間與熱釋放速率峰值的比值。FPI值越大，抗火能力越強(qiáng)。如表2所示，青岡的FPI值明顯高于其他樹種，抗火能力最強(qiáng)，而杉木和馬尾松的抗火能力最差。

4 結(jié)論與討論

采用錐形量熱儀對(duì)南京市3種常見樹種的樹皮和枯落葉進(jìn)行了燃燒測(cè)定，通過(guò)分析各樹種間的熱釋放速率、總熱釋放量、熱失重曲線、點(diǎn)燃時(shí)間和火發(fā)生指數(shù)的異同，發(fā)現(xiàn)馬尾松和杉木阻火能力最差，而青岡最強(qiáng)，因而青岡可以作為阻火優(yōu)先篩選樹種。

由于錐形量熱儀的最高輻射量只有100 kW/m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于高強(qiáng)度森林火災(zāi)的輻射，因此該實(shí)驗(yàn)結(jié)果更適合于對(duì)低強(qiáng)度火燒蔓延的情況。地表落葉的燃燒性對(duì)林火發(fā)生具有顯著影響[9]，因此本文為模擬枯落物的初步自然分解過(guò)程把樣品進(jìn)行粉碎，但是該種處理不能替代自然狀態(tài)下的凋落物分解過(guò)程，因此分析結(jié)果與樹種實(shí)際抗火能力可能并不完全吻合，而且篩選抗火樹種還需要考慮更為復(fù)雜的實(shí)際情況，因此今后最好能結(jié)合野外點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證才能應(yīng)用到森林防火的實(shí)踐工作中。

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