肖金香,趙 平,葉 清,袁 波,鄒 璐

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與藝術(shù)學(xué)院,南昌 330045;

2.江西航空護(hù)林站,南昌,330046;3.江西省防火辦,南昌330046)

南昌典型園林樹種燃燒性實驗研究

肖金香1,趙 平2,葉 清1,袁 波3,鄒 璐1

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與藝術(shù)學(xué)院,南昌 330045;

2.江西航空護(hù)林站,南昌,330046;3.江西省防火辦,南昌330046)

選擇南昌西郊和北郊12個園林樹種不同器官理化性狀測定分析和燃燒試驗,根據(jù)各樹種的含水率、燃點、熱值、粗灰分、粗脂肪、木質(zhì)素、粗纖維、燃燒時間、火燒強(qiáng)度和生物生態(tài)學(xué)特性等10個因子,應(yīng)用DPS聚類分析法,對12個園林樹種的燃燒性進(jìn)行了排序,結(jié)果表明,難燃樹種有5個,依次是:樂昌含笑、珊瑚樹、大葉黃楊、白玉蘭和海桐;較難燃樹種有4個,依次是:女貞、山茶、夾竹桃和含笑;易燃樹種有3個,依次是:桂花、巴東木連和紅花檵木。為南方防火林帶的建設(shè)提供了目前公認(rèn)以外的防火樹種。

園林樹種;理化性狀;燃燒性;聚類分析

0 引言

有關(guān)樹種的燃燒性試驗,國外研究比較早,美國學(xué)者Byram早在1959年就對森林可燃物的燃燒性進(jìn)行了研究[1]。其后有 Anderson[2]、Mutch和Philpot[3]、Rothermel[4].對植物易燃性進(jìn)行了研究。Dickinson and Kirkpatrick(1985)對塔斯馬尼亞的一些重要樹種及可燃物的易燃性及熱值進(jìn)行了實驗研究,認(rèn)為針葉比闊葉易燃[5]。

我國諸多學(xué)者對不同樹種的燃燒性進(jìn)行了研究,駱介禹等(1992)選擇含水率、灰分含量、石油醚抽提物、含氮量、含磷量五個指標(biāo),對五種針葉樹、六種闊葉樹種的春秋兩季樣品進(jìn)行可燃性評價,得出興安落葉松和柳樹的可燃性最小[6]。劉自強(qiáng)等(1993)利用含水率、燃點和灰分三個指標(biāo)對大興安嶺地區(qū)多種森林可燃物的易燃性和燃燒性進(jìn)行了評價[7]。高國平等(1995)認(rèn)識到了樹種的生物學(xué)和物候特點也影響著樹種的抗火性,選擇樹種的含水率、油脂率、灰分率、耐燃點、樹皮厚度等為抗火性能綜合評價指標(biāo),篩選出了核桃楸、水曲柳、色赤楊等7個難燃抗火樹種[8]。謝玉敏等(1999)對云南省7個不同樹種不同季節(jié)樹種燃燒性差異的研究[9]。肖金香等(2000)對廬山的主要樹種的燃燒性進(jìn)行了測定[10]。張景群等(2000)測定了陜西櫟屬主要落葉樹種枯葉的可燃性[11]。田曉瑞等(2001)對南方的木荷、火力楠、楊梅等48個樹種的燃燒性能及其組成成分進(jìn)行了測定[12]。李世友等(2006)通過測試、分析滇東北中高海拔地區(qū)10種植物葉和枝的相對含水率、著火點溫度、粗脂肪含量、灰分含量、熱值5個與抗火性相關(guān)的因子,結(jié)合10種植物的生物學(xué)、生態(tài)學(xué)和造林學(xué)特性,篩選出野八角、矮楊梅為滇東北中高海拔地區(qū)的防火樹種,野八角的綜合防火性能優(yōu)于矮楊梅[13]。宋春濤等(2007)對浙江省紹興地區(qū)木荷等18個常綠闊葉樹種樹葉的7個抗火性能相關(guān)指標(biāo)(包括含水率、發(fā)熱量、粗脂肪含量、苯-乙醇抽提物含量、燃點、粗灰分含量、葉燃燒速度)進(jìn)行了測定和模糊聚類分析,得出木荷、杜英、紅楠、金葉含笑和女貞5個樹種的抗火能力較強(qiáng)[14];鞠琳等(2008)對黑龍江省三大硬闊皮和葉的燃燒性進(jìn)行了系統(tǒng)的測定,得到3個樹種抗火強(qiáng)弱的排序為胡桃楸﹥水曲柳﹥黃波羅[15];胡海清等(2008)通過對樹皮和枯落葉的試樣在燃燒時熱釋放和煙釋放等燃燒參數(shù)的對比分析,評價小興安嶺8個闊葉樹種的抗火性,得出青榨槭可以作為阻火優(yōu)先篩選樹種[16];李世友等(2009)在測定和分析樣品引燃時間、有焰燃燒階段煙氣溫度變化和質(zhì)量損失過程等的基礎(chǔ)上,提出了植物的燃燒性參數(shù),根據(jù)參數(shù)值大小對昆明地區(qū)25種木本植物的燃燒性進(jìn)行了排序,并結(jié)合植物的生物生態(tài)學(xué)特性、造林學(xué)特性及經(jīng)濟(jì)價值,篩選出東魁楊梅、油茶、野八角等為昆明地區(qū)的防火樹種[17]。單延龍等(2003)對黑龍江大興安嶺主要16個樹種的含水率(風(fēng)干、絕干)、燃點、灰分含量、苯醇抽提物含量、熱值進(jìn)行了測定[18]。這些研究多數(shù)是山上樹種,園林樹種燃燒性研究較少。本文選擇江西南昌郊區(qū)常見的12種園林樹種燃燒性試驗,旨在為城市森林生態(tài)安全和城市樹種配置提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本研究選擇南昌西郊梅嶺山區(qū)、灣里山區(qū)和北郊江西農(nóng)大后山,采集12種園林樹種作為研究材料。含笑(Michelia figo(Lour.)Spreng.)、山茶(Camellia japonica Linn.)、海桐(Pittosporum tobira(Thunb.)Ait.)、大葉黃楊(Euonymus japonicus Thunb.)、紅花檵木 (Loropetalum chinense(R.Br.)Oliv.var.rubrum Yieh)、桂花 (Osmanthu s fragrans(Thunb.)Lour.)、樂昌含笑 (Michelia chapensis Dandy)、巴東木連(Manglietia patungensis Hu)、女貞 (Ligustrum lucidum Ait.)、珊瑚樹(Viburmum odoratissimum Ker.)、夾竹桃(Nerium indicum Mill.)、白 玉 蘭 (Magnolia denudata Desr.)。

1.2 樣品采集與制備

按春季、秋季、冬季三個季節(jié),選擇晴天在樹冠陽面不同部位,采集鮮葉,秋季采集了枝條及樹皮,均三次重復(fù)。試樣的采集規(guī)格如下:(1)葉,選擇功能葉片,去除老葉、病葉、殘葉,每個重復(fù)500g;(2)枝,直徑0.5cm～1.5cm之間,長度 10cm左右,每個重復(fù)500g;(3)樹皮,取樹干離地面1.3m處,大小7cm×7cm。樣品采下后用塑料袋封好帶回室內(nèi),用電子天平稱鮮重,然后將樣品在室內(nèi)鋪開,邊晾邊置于烘箱烘至恒重,計算含水率。將恒重的樣品一半做室外燃燒試驗,留一半做化學(xué)成分分析。將烘干留取的一半樣品用粉碎機(jī)粉碎,過60目篩,裝入試劑瓶中備試(參照中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),L Y/T 1267-1999,森林植物與森林枯枝落葉層樣品的制備)。

1.3 研究方法

1.3.1 不同樹種理化性質(zhì)指標(biāo)測定

含水率測定采用105℃烘干恒重法;粗灰分測定采用干灰化法;粗脂肪采用索氏殘余法測定;木質(zhì)素采用硫酸水解法測定;纖維素采用硫酸和氫氧化鈉先后沸騰水解的方法來測定。

1.3.2 不同樹種燃燒性試驗

將烘至絕干的枝葉樣品,取相同重量放置自制燃燒床上,點燃后用秒表計時,觀測火焰高度、燃燒時間,計算不同樹種的火燒強(qiáng)度?；鹧娓叨?、燃燒時間實測?；馃龔?qiáng)度用火焰高度來估算,計算公式如下:

I=273h2.17

I:火燒強(qiáng)度(kcal·s/m);h:火焰高度(m)。

1.3.3 不同樹種的生物生態(tài)學(xué)特性

按樹冠結(jié)構(gòu)、萌芽力、自然整枝、環(huán)境適應(yīng)性和物候特征5個因子對12個園林樹種進(jìn)行打分。

1.3.4 不同樹種燃燒性綜合分析

應(yīng)用DPS聚類分析法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同園林樹種的物理性狀分析

含水率是影響樹種燃燒性的主要因素之一。樹種體內(nèi)含水量越多越不易燃,其抗火性也就越強(qiáng)。不同樹種同期含水率不同,而同一樹種在不同季節(jié)和不同器官的含水率也有差異。

2.1.1 樹葉含水率對比分析

由圖1可以看出,在12個園林樹種中,巴東木蓮春季含水率最高,達(dá)82.22%,其余樹種均低于80%,珊瑚樹在秋季和冬季的含水率均為最高,分別為72.33%、67.58%,而桂花在春、秋、冬三季中的含水率均為最低,分別為 51.39%、52.14%、49.48%。

2.1.2 樹枝含水率對比分析

在12個園林樹種中(圖2),秋季珊瑚樹枝含水率最高,為61.35%,含水率最低的是桂花,僅為

最低,粗灰分含量只有3.47%。經(jīng)方差分析,5種灌木之間的粗灰分含量差異顯著(組內(nèi)顯著水平0.01771＊,F臨界值 6.388233;組間顯著水平0.000594＊＊,F臨界值7.708647),而7種喬木之間的粗灰分含量差異極顯著(組內(nèi)顯著水平0.006822＊＊,F臨界值 2.99612;組間顯著水平0.005762＊＊,F臨界值 3.885294)。

2.2.2 粗脂肪含量分析

脂肪在可燃物中占的比例并不大,但對燃燒性起的作用非常大。脂肪含量的多少是可燃物易燃性的重要指標(biāo),脂肪含量越高可燃物越易燃,相反,可燃物脂肪含量越低則不易燃,其抗火性也就越強(qiáng)。通過12種園林樹種的樹葉、樹枝、樹皮三個部位的粗脂肪含量測定分析,結(jié)果如圖7所示。

從圖7可看出,12種園林樹種的不同器官粗脂肪含量是樹葉>樹枝>樹皮。桂花樹葉含量最高,為 11.57%,依次是山茶 11.03%、樂昌含笑10.76%、大葉黃楊 10.20%,較低的是白玉蘭3.27%、依次是海桐4.51%、含笑4.92%,其他介于之間。樹枝含量最高的是海桐3.26%,最低的是紅花檵木0.29%。樹皮只有7種,含量最高是夾竹桃,為5.79%;最低的是桂花,為0.82%。

經(jīng)方差分析,不同灌木園林樹種器官之間差異顯著(組內(nèi)顯著水平0.583919,F臨界值6.388233;組間顯著水平 0.017536＊,F臨界值 7.708647)。不同喬木園林樹種器官之間差異極顯著(組內(nèi)顯著水平0.335145,F臨界值2.99612;組間顯著水平0.000171＊＊,F臨界值 3.885294)。

2.2.3 木質(zhì)素含量分析

木質(zhì)素不易燃燒,但燃燒時卻能釋放出大量的熱量,木質(zhì)素含量高可延長著火感應(yīng)的時間,但著火后卻提高了著火的溫度,進(jìn)而影響火的蔓延,其抗火性能在不同階段的作用是不一樣的。12種園林樹種不同器官的木質(zhì)素含量如圖8所示。

從圖8可見,在12個園林樹種中樹葉的木素含量最大的是桂花,為42.16%,最小的是夾竹桃,為27.55%。樹枝的木素含量最大的是白玉蘭,為42.25%,海桐最小,為27.06%。7個樹種樹皮的木素含量白玉蘭最高,為 47.28%,夾竹桃最低29.25%。

經(jīng)方差分析得出,不同灌木園林樹種及樹種不同器官之間的木質(zhì)素含量差異不顯著(組內(nèi)顯著水平0.250227,F臨界值6.388233;組間顯著水平0.63852,F臨界值7.708647)。不同喬木園林樹種之間的木質(zhì)素含量差異顯著,喬木樹種不同器官之間的木質(zhì)素含量差異不顯著(組內(nèi)顯著水平0.011593＊,F臨界值 2.99612;組間顯著水平0.349909,F臨界值3.885294)。

2.2.4 粗纖維含量分析

纖維素是可燃物最基本的成分,對樹種抗火性能的影響起到了關(guān)鍵性的作用。12種園林樹種的粗纖維含量如圖9所示。

從圖9知,園林樹種的粗纖維素含量樹枝>樹皮>樹葉,樹葉的粗纖維素含量在 9.69%～31.27%之間,桂花最高,為31.27%,依次是珊瑚樹21.93%、白玉蘭20.67%、夾竹桃20.6%。樹枝的纖維素含量在 37.68%～58.06%,含笑最高,為58.06%,夾竹桃最低,為 37.68%,其他在 30%～40%之間。樹皮的纖維素含量在32.49%(女貞)～52.15%(巴東木連)之間,其他在30%～40%之間。

經(jīng)方差分析得出,不同灌木園林樹種及樹種不同器官之間的粗纖維素含量差異極顯著(組內(nèi)顯著水平0.38664,F臨界值6.388233;組間顯著水平0.000259＊＊,F臨界值7.708647)不同園林喬木樹種器官之間差異也極顯著(組內(nèi)顯著水平0.438628,F臨界值2.99612,組間顯著水平 6.32E-05＊＊,F臨界值3.885294)。

2.3 不同樹種的燃燒性分析

2.3.1 燃燒時間

從圖10可知,園林樹種樹葉燃燒時間較短,在31秒～49秒之間。最長的是海桐49秒,最短的是桂花31秒,其他在33秒～49秒之間。枝枝燃燒時間差別很大,在85秒～167秒之間,除夾竹桃、珊瑚樹在85秒、88秒外,其余在100秒以上。

2.3.2 火燒強(qiáng)度

從圖11可知,園林樹種樹葉比樹枝燃燒強(qiáng)度大,樹葉燃燒強(qiáng)度在107kcal·s/m～303kcal·s/m之間,12個樹種就有8個超過200kcal·s/m,4個在100kcal·s/m以下。樹枝在 65kcal·s/m～192kcal·s/m之間。夾竹桃燃燒強(qiáng)度最強(qiáng),在192kcal·s/m,其次是紅花檵木和巴東木連,均為139kcal·s/m,桂花最低,為 65kcal·s/m。其他在75kcal·s/m～175kcal·s/m之間。

2.4 園林樹種的生物生態(tài)學(xué)特性評分結(jié)果

按樹冠結(jié)構(gòu)、萌芽力、自然整枝、環(huán)境適應(yīng)性和物候特征5個因子對12個園林樹種進(jìn)行打分,結(jié)果如表1所示。

表1 12個園林樹種打分結(jié)果Table 1 Outcome of score from 12 landscape species

圖11 12個園林樹種不同器官的燃燒強(qiáng)度比較圖Fig.11 The fire intensity of different organs from 12 landscape species

3 不同園林樹種的燃燒性結(jié)論

根據(jù)各樹種的含水率、燃點、熱值、粗灰分、粗脂肪、木質(zhì)素、粗纖維、燃燒時間、火燒強(qiáng)度實測值及表1生物生態(tài)學(xué)特性等14個指標(biāo)值,應(yīng)用DPS聚類分析法,對12種園林樹種燃燒性進(jìn)行聚類。各個因素指標(biāo)值采用加權(quán)法進(jìn)行計算,計算公式為:指標(biāo)值=樹葉實測值×0.4+樹枝實測值×0.3+樹皮實測值×0.3。

根據(jù)DPS聚類分析結(jié)果(圖12),難燃樹種有 5個,依次是:樂昌含笑、珊瑚樹、大葉黃楊、白玉蘭和海桐;較難燃樹種有4個,依次是:女貞、山茶、夾竹桃和含笑;易燃樹種有3個,依次是:桂花、巴東木連和紅花檵木。

圖12 12個山上樹種燃燒性聚類分析圖Fig.12 The cluster analysis of combustion from12 landscape species

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Experimental study on combustibility of typical landscape tree species in N anchang

XIAO Jin-xiang1,ZHAO Ping2,YE Qing1,YUAN Bo3,ZOU Lu1

(1.College of Landscape Architecture and Art,JAU,Nanchang 330045,China;2.Aviation Protect Forests Station in Jiangxi Province,Nanchang 330046,China;3.The Office of Fire Prevention in Jiangxi Province,Nanchang 330046,China)

Twelve landscape species from western and northern suburbs of Nanchang were used to determine different organs physical and chemical properties,for combustibility and fire-resistance tests.Ten factors,which include moisture content,ignition point,heat value,ash content,crude fat content,lignin content,crude fiber content,burning time,fire intensity,biological and ecological characteristics,were adopted as the evaluation indices,thereby DPS cluster analysis method was used in comprehensive evaluation of combustibility.The results show that the twelve landscape species can be divided into three categories by their combustibility.The difficult-flammable species include Michelia chapensis Dandy,Viburmum odoratissimum Ker.,Euonymus japonicus Thunb.,Magnolia denudata Desr.and Pittosporum tobira(Thunb.)Ait.The secondary difficultflammable species include Ligustrum lucidum Ait.,Camellia japonica Linn.,Nerium indicum Mill.and Michelia figo(Lour.)Spreng.The flammable species include Osmanthus fragrans(Thunb.),Manglietia patungensis Hu and Loropetalum chinense(R.Br.)Oliv.var.rubrum Yieh.

Landscape species;Physical and chemical properties;Combustibility;Cluster analysis

X954

A

1004-5309(2011)-0048-08

2010-08-24;修改日期:2010-11-02

江西省科技廳課題(20072425)。

肖金香,女,(1952-),教授,碩士生導(dǎo)師,氣象教研室主任,從事林火管理和氣象學(xué)的教學(xué)和科研工作。