彭東琴，伊力塔,2，余樹全,2*，李修鵬，俞 飛,2，錢逸凡，沈 露

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué)林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 臨安 311300；2. 亞熱帶森林培育國家重點實驗室培育基地，浙江 臨安 311300；3. 浙江省寧波市林業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 寧波 315000）

楊梅等6種常見經(jīng)濟樹種的燃燒特性研究

彭東琴1，伊力塔1,2，余樹全1,2*，李修鵬3，俞 飛1,2，錢逸凡1，沈 露1

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué)林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 臨安 311300；2. 亞熱帶森林培育國家重點實驗室培育基地，浙江 臨安 311300；3. 浙江省寧波市林業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 寧波 315000）

利用錐形量熱儀器，對毛竹（Phyllostachys heterocycla cv. pubescens）、枇杷（Eriobotrya japonica）、油茶（Camellia oleifera）、梔子（Gardenia jasminoides）、楊梅（Myrica rubra）和茶（C. sinensis）6種浙江省常見經(jīng)濟樹種鮮葉片的著火感應(yīng)時間（TTI）、熱釋放速率（HRR）、熱釋放速率峰值（HRRpeak）、熱釋放總量（THR）、煙釋放總量（TSR）、CO釋放量（YCO）和CO2釋放量（YCO2）7個燃燒性指標(biāo)進行測定。結(jié)果表明：油茶和毛竹的著火感應(yīng)時間短、熱釋放速率高、熱釋放量高，易燃，阻火性能差；而楊梅、茶、枇杷和梔子著火感應(yīng)時間長，在各項燃燒指標(biāo)中，峰值較低或最低，熱釋放速率緩慢，釋熱量少，是難燃的抗火性強的樹種。

經(jīng)濟樹種；鮮葉；燃燒性；防火性；浙江

森林火災(zāi)是造成森林大量毀壞的重要原因之一[1]，對整個森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能均有重要影響[2]，而防范和減少森林火災(zāi)是保護森林資源的重要措施。目前，利用生物防火樹種營造的防火林帶可有效阻止林火的發(fā)生和發(fā)展得到了多數(shù)學(xué)者的基本共識[3～4]，但通常普通生物防火林帶只具有防火而并非具有直接的經(jīng)濟效益[5]，近年來，已有報道表明采用經(jīng)濟型樹種建設(shè)生物防火林帶，不但防火效果明顯，并且生態(tài)、社會及經(jīng)濟效益顯著[6～7]。森林燃燒雖由一些枯枝落葉引燃，但燃燒的主體是活植物體[8]，而且葉片比樹枝、樹干更敏感，更容易燃燒，可作為燃燒性的有效參考指標(biāo)[9～10]，但通過鮮葉燃燒特性來綜合評價其效益鮮有報道。因此，本文利用錐形量熱儀器對浙江省6種主要經(jīng)濟樹種的鮮葉進行燃燒實驗，旨從中篩選出較好的經(jīng)濟型防火樹種，為浙江省營建更加完備的防火林帶選取樹種提供參考依據(jù)。

1 研究地區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省西北部臨安市，29° 56′ ～ 30° 23′ N，118° 51′ ～ 119° 52′ E，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖濕潤，四季分明，具有春多雨、夏濕熱、秋氣爽、冬干冷的氣候特征，全年降水量1 628.6 mm，全年平均氣溫16.4℃，全年日照時數(shù)1 847.3 h，森林覆蓋率74.9 %，主要生態(tài)經(jīng)濟造林樹種有木荷（Schima superba）、濕地松（Pinus elliottii）、苦櫧（Castanopsis sclerophylla）、青岡（Cyclobalanopsis glauca）、毛竹（Phyllostachys heterocycla cv. pubescens）、楊梅（Myrica rubra）、油茶（Camellia oleifera）、樟樹（Cinnamomum camphora）、無患子（Semen Sapindi）和紅葉石楠（Photinia serrulata）等。浙江冬季晴冷少雨、空氣干燥，植物生長停止，進入冬眠；春季冷暖空氣交替頻繁，萬物復(fù)蘇，此時森林可燃物增多，遭遇明火，易發(fā)生森林火災(zāi)。冬季初春，也是浙江省煉山造林季節(jié)，又是冬至、元旦、春節(jié)、清明等傳統(tǒng)節(jié)日時期，野外用火較多。在一年中，浙江森林火災(zāi)發(fā)生的次數(shù)從10月開始逐漸增多，到翌年2、3月進入高峰，4月以后明顯降低，且森林火災(zāi)集中發(fā)生在1-4月，與浙江省氣候、植物生物學(xué)特性、人們用火活動規(guī)律相關(guān)。

2 試驗材料與方法

2.1 材料來源

于浙江省森林重點防火期內(nèi)（3-4月）選擇長勢良好，成熟的毛竹、枇杷（Eriobotrya japonica）、油茶、梔子（Gardenia jasminoides）、楊梅和茶（Camellia sinensis）6種浙江省常見的經(jīng)濟樹種樹冠中部陽面的成熟葉片進行采集，采集后立即用塑料袋密封，帶回實驗室。

2.2 試驗方法

將當(dāng)天采集的新鮮樹葉，利用1/1 000的托盤天平稱取10 g樣本（誤差不超過5‰），用鋁箔包住樣品的側(cè)面和底面，均勻放入邊長為100 mm的正方形試驗托盤中，厚度不超過50 mm。隨后，利用錐形量熱儀（ASTM E1354-90）對樣品進行燃燒特性測定。根據(jù)劉波等[11]對錐形量熱儀測試樹種燃燒性的方法探討，本試驗采用垂直水平方向40 KW/m2輻射強度，相應(yīng)溫度664 ～ 670℃，通過外部點燃對樣品進行測試，葉片采用全葉處理方式。測定結(jié)果見表1。

表1 6樹種的燃燒性參數(shù)Table 1 Combustion parameters of six economic tree species

3 結(jié)果與分析

3.1 著火感應(yīng)時間

著火感應(yīng)時間（Time to ignition，TTI）是指材料受熱到表面持續(xù)出現(xiàn)燃燒時所用的時間，它能直觀的表征樹葉的抗火性，是評價材料燃燒性的重要指標(biāo)之一[12]。樹種鮮葉比枯落葉和干燥的葉片需要更長的時間才能被點燃，在外部熱量的流動下，TTI越長，樹種越不易點燃，蔓延速度越慢[13～14]。從表1可以看出6個樹種中楊梅的TTI最長為81 s，毛竹所需時間最短為34.67 s。而且，從圖1可以看出，各樹種間TTI差異顯著（P < 0.05），其中楊梅和其它樹種相比具有極顯著差異，即楊梅最難燃；其次茶也差異顯著（56.67 s）；梔子和枇杷兩個樹種之間差異不顯著，分別為47.33 s和45.67 s；油茶和毛竹的TTI最短分別為35.33 s和34.67 s，并且兩者間差異不顯著，即和其它樹種相比油茶和毛竹最易燃。

圖1 不同樹種的著火感應(yīng)時間（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差）Figure 1 TTI of different tree species

3.2 熱釋放速率

熱釋放速率（Heat release rate，HRR）是指單位時間單位面積樣品釋放熱量的速率，是描述火災(zāi)等災(zāi)害現(xiàn)象和進行災(zāi)害分析的最重要的燃燒特性參數(shù)[15]，HRR的最大值稱熱釋放速率峰值（pkHRR）。HRR或者pkHRR越大，單位時間內(nèi)燃燒反饋給材料單位面積的熱量越多，使材料熱解速度加快，生成更多揮發(fā)性可燃物，促進樹種本身的其它成分和周圍植物燃燒，從而加速火焰的傳播[16～17]。從樹種的HRR看（圖2），油茶的平均HRR （26.38 kW/m2）明顯高于其他樹種，從圖2還可以看出，油茶在最短時間內(nèi)就開始燃燒并迅速上升，并始終高于其他樹種；毛竹的HRR也一直處于較高狀態(tài)；其它4個樹種的平均HRR比較接近，都很低。從樹種pkHRR看，油茶最高46.56 kW/m2，超過了實驗設(shè)置的輻射強度40 kW/m2，茶最低12.33 kW/m2，梔子和楊梅也很低。從到達pkHRR的時間來看，毛竹（40 s）最先到達峰值31.54 kW/m2，而楊梅需要144 s最晚，茶和梔子分別需要140 s和128 s。因而，可以認(rèn)為油茶和毛竹較易燃，茶、楊梅最難燃。

圖2 6個樹種的熱釋放速率曲線Figure 2 HRR curves of six tree species

3.3 熱釋放總量

熱釋放總量（Total heat release，THR）是單位面積的材料從開始燃燒到結(jié)束所釋放的總熱量。THR值越大，材料燃燒釋放出來的熱量越多，在林火發(fā)生的區(qū)域內(nèi)對周圍樹種形成熱輻射，成為其它可燃物的熱源，提高火災(zāi)的危險性[12]。從表1可以看出，熱釋放總量由高到低為油茶 > 毛竹 > 梔子 > 枇杷 > 楊梅 > 茶。油茶的THR（2.31 MJ/m2）是6個樹種中最高的，即油茶燃燒性強，形成火災(zāi)的危險性高；楊梅（0.58 MJ/m2）和茶（0.38 MJ/m2）的THR很低，說明楊梅和茶的阻火性強。將THR和HRR結(jié)合起來分析均表明，油茶易燃；楊梅和茶難燃。

3.4 有害氣體

森林火災(zāi)可釋放出大量有害氣體，不僅對周圍環(huán)境造成直接的危害，而且是造成人員死亡的主要原因之一[18]，另外火災(zāi)釋放出的氣體還帶來溫室效應(yīng)的加劇、酸雨的形成等副作用[19]。因此，有害氣體的分析可以作為篩選防火樹種和建造防火林帶的重要參數(shù)。與Chung[20]研究類似，本研究中得到的各樹種釋放的CO和CO2量均較低（表1），即樹種燃燒時釋放有害氣體能力較弱，對人不會造成太大的傷害。從煙釋放總量（Total smokerelease，TSR）曲線可看出梔子、茶和楊梅燃燒時釋放的煙量相對較多，梔子釋放的煙量最大為94.21 m3/s；枇杷、油茶和毛竹釋放量較少，毛竹最小為40.47 m3/s。結(jié)合HRR曲線和TSR曲線（圖2和圖3）發(fā)現(xiàn)燃燒時釋放煙越少的樹種其熱釋放率高，即樹種燃燒時產(chǎn)生較多的煙對樹種的有焰燃燒有阻礙作用。

3.5 樹種的燃燒特性分類

結(jié)合著火感應(yīng)時間、熱釋放速率、熱釋放速率峰值和熱釋放總量、煙釋放總量、CO和CO2釋放量等燃燒性參數(shù)，采用K-均值聚類分析方法將6個樹種分成了2類（表2）：第一類包括毛竹和油茶2個種，第二類包括4個種：楊梅、茶、梔子和枇杷。楊梅、茶、梔子和枇杷4個樹種燃燒時具有著火感應(yīng)時間長、熱釋放速率低、熱釋放總量少、煙釋放量多、CO和CO2釋放少的特征，可認(rèn)為是難燃的抗火性強的樹種，相反，毛竹和油茶是易燃的抗火性較差的樹種。

圖3 6個樹種的煙釋放總量隨時間的動態(tài)變化曲線Figure 3 TSR curves of six tree species at 40 KW/m2external heat flux

表2 樹種K-均值分類Table 2 Comparison between k-mean cluster means

4 結(jié)論與討論

利用錐形量熱儀器對毛竹、枇杷、油茶、梔子、楊梅和茶6個供試樹種的鮮葉進行了燃燒特性測定，并綜合對比分析了不同樹種之間的著火特性、燃燒性及煙氣排放的多項指標(biāo)，結(jié)果表明油茶和毛竹的著火感應(yīng)時間短、熱釋放速率快、熱釋放量高，易燃，阻火性能差；楊梅、茶、枇杷和梔子著火感應(yīng)時間長，在各項燃燒指標(biāo)中，峰值較低或最低，熱釋放速率緩慢，釋熱量少，是難燃的抗火性強的樹種，可用于經(jīng)濟性防火林帶的建設(shè)。

與以往研究相比，茶具有防火性強這一結(jié)論與陳存及等[21]的結(jié)論一致，而與李世友等[8]的研究有所差異，這可能與研究方法和所選擇的指標(biāo)不同而有所差異。不同的分析方法和指標(biāo)體系都可導(dǎo)致研究結(jié)果有很大的差異[12]。雖然防火樹種的篩選已有很多研究，但由于沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)而沒有一致的結(jié)論。盡管錐形熱量儀有其自身的優(yōu)點，但也不能獲得全面的指標(biāo)，比如著火點、點燃含水率和蔓延含水率[22]等重要參數(shù)。

本文根據(jù)不同樹種鮮葉的燃燒性差異來分析樹種的燃燒性能，綜合確定了樹種的防火能力。葉是樹種最容易燃燒的器官[9]，影響火勢的蔓延，引發(fā)林火的發(fā)生。實驗為更符合自然狀態(tài)，本文在處理樣品中，選擇了全葉處理方式。而由于實驗條件下葉接收到的輻射量遠小于真實火災(zāi)下火焰的直接輻射，其結(jié)果是放大了樹種間的燃燒性差異，所以這種排序只適合于低強度火燒的著火和蔓延情況，但對生產(chǎn)部門合理搭配造林樹種、森林燃燒性評價和開展?fàn)I林防火、生物防火仍具有指導(dǎo)意義。

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Combustion Characteristics of Six Economic Tree Species

PENG Dong-qin1，YI Li-ta1,2，YU Shu-quan1,2*，LI Xiu-peng3，YU Fei1,2，QIAN Yi-fan1，SHEN Lu1
（1. School of Forestry and Biotechnology, Zhejiang A & F University, Lin’an 311300, China; 2. Nurturing Station for State Key Laboratory of Subtropical Silviculture, Lin’an 311300, China; 3. Ningbo Forestry Extension Center of Zhejiang, Ningbo 315000, China）

To construct the economic fire belt in Zhejiang, six dominant economic tree species in Zhejiang province were selected for experiment, like Phyllostachys heterocycla cv. pubescens, Eriobotrya japonica, Camellia oleifera, Gardenia jasminoides, Myrica rubra and C. sinensis. Their fresh leaves were tested systematically by cone calorimeter to test time to ignition （TTI）, heat release rate （HRR）, peak of heat release rate （HRRpeak）and total heat released （THR）, as well as total smoke release （TSR）, CO and CO2production （YCO, YCO2）. Based on the thermal-calorimetric analysis and smoke spread test data, the examined tree species were clustered to 2 groups, one included 4 species （C. sinensis, G. jasminoides, M. rubra and E. japonica）,which had characters of relatively longer time to ignition, lower heat release rate and lower total heat release, while the other group included C. oleifera and Ph.heterocycla cv. pubescens, with characters of flammable.

economic species; fresh leaves; combustibility; fireproof ability; Zhejiang

S718.51

A

1001-3776（2012）03-0021-05

2012-02-21；

2012-04-20

浙江省科技廳重大項目（2006C12060）；浙江省寧波市重大科技攻關(guān)項目（2007C10032）；浙江農(nóng)林大學(xué)科研發(fā)展基金項目（2008FR101）

彭東琴（1986-），女，四川眉山人，碩士生，從事環(huán)境生態(tài)研究；*通訊作者。