陳娟 劉雪峰 彭徐劍

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (南京森林警察學(xué)院)

大氣碳平衡研究一直是各國(guó)科學(xué)研究的重點(diǎn)。影響大氣碳平衡的因子既有人為的，又有自然的。近年，由于受人類(lèi)活動(dòng)與全球變化相關(guān)的極端氣候事件的影響，森林火災(zāi)日益加劇，對(duì)全球森林生態(tài)系統(tǒng)的影響之大令世人矚目。森林火災(zāi)釋放的含碳溫室氣體對(duì)全球氣候變化的影響越來(lái)越引起人們的關(guān)注。研究表明氣候變暖會(huì)使得火災(zāi)頻率增加［1］。森林火災(zāi)導(dǎo)致植被燃燒釋放大量的碳，森林火災(zāi)已成為全球環(huán)境變化的驅(qū)動(dòng)力之一，而可燃物灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的研究是碳平衡研究的基本組成部分。

灰分也稱(chēng)礦物質(zhì)，它主要由鈉、鉀、鈣、磷、鐵等元素化合物組成。一般樹(shù)皮、葉子含灰分量較多，木材和莖含灰分量較少?；曳挚煞譃樗苄曰曳趾退蝗苄曰曳?，前者主要為水溶性鹽類(lèi)，后者主要為硅酸鹽［2］。舒立福等［3］對(duì)南方的木荷、火力楠、楊梅等11 種常綠闊葉樹(shù)種和杉木、馬尾松兩種針葉樹(shù)種葉、小枝和皮的燃燒性能及其組成成分進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果表明:1)各樹(shù)種均以葉的抗火性能最差，闊葉樹(shù)種比針葉樹(shù)種的抗火性能強(qiáng);2)含水量、苯-乙醇抽取物、木質(zhì)素含量和灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響葉抗火能力的主要指標(biāo)。林益明等［4］主要對(duì)幾種紅樹(shù)植物木材灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了研究。由于紅樹(shù)林是海灘上特有的森林類(lèi)型，作為獨(dú)特的海陸邊緣生態(tài)系統(tǒng)在自然平衡中起著特殊的作用，研究結(jié)果是紅樹(shù)林灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2．43%～5．17%。張軍等［5］研究了灰化溫度對(duì)生物質(zhì)灰特征的影響。在灰粒形態(tài)上，不同生物質(zhì)之間存在著差別，存在著多樣性。植物體中無(wú)機(jī)元素以不同的形式存在，所以元素的揮發(fā)性不同。并且不同溫度下灰的組成也有明顯的差異。胡海清［6］于1995 年研究了大興安嶺地區(qū)森林可燃物理化性質(zhì)測(cè)定和分析，劃分了主要可燃物的類(lèi)型，但對(duì)同一樹(shù)種不同部位的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異未作詳細(xì)說(shuō)明。劉元等［7-8］研究了礦質(zhì)元素在針闊樹(shù)內(nèi)分布的同異形，在樹(shù)干內(nèi)的徑向，軸向和細(xì)胞壁內(nèi)的分布特點(diǎn)，影響礦質(zhì)元素在樹(shù)干內(nèi)分部的主要因素。評(píng)述了以樹(shù)木中礦質(zhì)元素的分布特征進(jìn)行樹(shù)木分類(lèi)的可行性，以及樹(shù)干年輪中元素的變化值作為評(píng)價(jià)環(huán)境年代變遷指標(biāo)的有效性。郭水良等［9］認(rèn)為灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低可反映不同植物對(duì)礦質(zhì)元素選擇吸收與積累的特點(diǎn)。不同植物所需的營(yíng)養(yǎng)元素不同，集中于植物體的各器官也不同。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均集中在樹(shù)種的單個(gè)部位進(jìn)行測(cè)定研究，而對(duì)同一樹(shù)種不同部位的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的差異性比較尚未見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究以大興安嶺地區(qū)3 種主要樹(shù)種的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)定與比較，并且分析其原因，為有關(guān)研究人員了解森林可燃物理化性質(zhì)及林火對(duì)氣候變化的影響基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

灼燒至恒質(zhì)量，重復(fù)灼燒至前后兩次稱(chēng)量相差不超過(guò)0．5 mg 為恒質(zhì)量，稱(chēng)量;(9)雙試驗(yàn)差小于0．03%;(10)每個(gè)樣重復(fù)做3 次。

樣品中灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(x)計(jì)算公式:x=((m1-m2)/ (m3-m2))×100%。式中:m1為坩堝和灰分的質(zhì)量;m2為坩堝的質(zhì)量;m3為坩堝和樣品的質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

本研究的樣品采集于大興安嶺塔河林業(yè)局。選擇代表性的興安落葉松(Larix gmelini)、白樺(Betula platyphylla)和樟子松(Pinus sylvesstris)進(jìn)行研究。每個(gè)樹(shù)種按大、中、小3 個(gè)徑級(jí)伐倒，然后截取圓盤(pán)，頂稍附近、胸徑處、基部各一個(gè);樹(shù)冠部分，按上、中、下3 部分截取枝樣，標(biāo)記，稱(chēng)質(zhì)量，放入的封口袋中。

主要的實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備:1)電熱鼓風(fēng)干燥箱;2)茂福爐;3)電子萬(wàn)用爐;4)研磨機(jī);5)電子天平;6)干燥器、干燥劑;7)瓷坩堝40 mL、坩堝夾;8)分樣篩60 目/寸孔徑0．3 mm。

測(cè)定方法:(1)樣品在80 ℃下烘干至恒質(zhì)量，用粉碎機(jī)粉碎，分樣篩篩過(guò)后，放入干燥器內(nèi)備用;(2)精確稱(chēng)取2～3 g(稱(chēng)準(zhǔn)至0．000 1 g);(3)置于預(yù)先灼燒至恒重的大小適宜的瓷坩鍋;(4)炭化——在電爐加熱使樣品充分炭化至無(wú)煙;(5)灰化——將炭化至無(wú)煙的試樣移至茂福爐內(nèi)，錯(cuò)開(kāi)蓋，關(guān)閉爐門(mén);(6)650 ℃下灰化30 min 后;(7)冷卻至200 ℃以下，取出，放入干燥器中至室溫，精密稱(chēng)量;(8)重復(fù)

2．1 不同徑級(jí)興安落葉松灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較

由表1 可以看出，小徑級(jí)興安落葉松灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)下部樹(shù)枝最高，基部心材最低。相同可燃物灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低分部位從樹(shù)枝上比較為下部枝、中部枝、上部枝;從樹(shù)皮上比較為上部皮、胸部皮、基部皮;從樹(shù)干上比較為:基部邊材、胸部心材、胸部邊材、基部心材。

中徑級(jí)興安落葉松灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)下部樹(shù)枝最高，基部心材最低。相同可燃物灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低分部位從樹(shù)枝上比較為下部枝、中部枝、上部枝;從樹(shù)皮上比較為基部皮、上部皮、胸部皮;從樹(shù)干上比較為:胸部心材、胸部邊材、基部邊材、基部心材。

大徑級(jí)興安落葉松灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)胸部樹(shù)皮最高，基部心材最低。相同可燃物灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低分部位從樹(shù)枝上比較為下部枝、上部枝、中部枝;從樹(shù)皮上比較為胸部皮、上部皮、基部皮;從樹(shù)干上比較為:胸部心材、基部邊材、胸部邊材、基部心材。

表1 各徑級(jí)興安落葉松主要部位灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

2．2 不同徑級(jí)白樺灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較

表2 顯示，小徑級(jí)白樺灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)基部樹(shù)皮最高，胸部樹(shù)干最低。相同可燃物灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低分部位從樹(shù)枝上比較為上部枝、下部枝、中部枝;從樹(shù)皮上比較為基部皮、胸部皮、上部皮;從樹(shù)干上比較為:上部樹(shù)干、基部樹(shù)干、胸部樹(shù)干。

中徑級(jí)白樺灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)基部樹(shù)皮最高，基部樹(shù)干最低。相同可燃物灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低分部位從樹(shù)枝上比較為上部枝、中部枝、下部枝;從樹(shù)皮上比較為基部皮、胸部皮、上部皮;從樹(shù)干上比較為:上部樹(shù)干、胸部樹(shù)干、基部樹(shù)干。

大徑級(jí)白樺灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)下部樹(shù)枝最高，胸部樹(shù)干最低。相同可燃物灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低分部位從樹(shù)枝上比較為下部枝、中部枝、上部枝;從樹(shù)皮上比較為胸部皮、基部皮、上部皮;從樹(shù)干上比較為:上部樹(shù)干、基部樹(shù)干、胸部樹(shù)干。

表2 各徑級(jí)白樺主要部位灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

2．3 不同徑級(jí)樟子松灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較

表3 表明，小徑級(jí)樟子松灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)上部樹(shù)皮最高，基部樹(shù)干最低。相同可燃物灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低分部位從樹(shù)枝上比較為下部枝、中部枝、上部枝;從樹(shù)皮上比較為上部皮、胸部皮、基部皮;從樹(shù)干上比較為上部樹(shù)干、胸部心材、胸部邊材，基部心邊材灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同為最低。

中徑級(jí)樟子松灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)上下枝相同為最高，基部心材最低。相同可燃物灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低分部位從樹(shù)枝上比較為上部枝和下部枝、中部枝;從樹(shù)皮上比較為胸部皮、上部皮、基部皮;從樹(shù)干上比較為上部樹(shù)干、基部邊材、胸部邊材、胸部心材、基部心材。

大徑級(jí)樟子松灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)上部樹(shù)枝最高，胸部心材最低。相同可燃物灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低分部位從樹(shù)枝上比較為上部枝、下部枝、中部枝;從樹(shù)皮上比較為上部皮、基部皮、胸部皮;從樹(shù)干上比較為基部邊材、基部心材、胸部邊材、上部樹(shù)干、胸部心材。

表3 各徑級(jí)樟子松主要部位灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

3 結(jié)論與討論

本文在大量野外調(diào)查和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)大興安嶺地區(qū)3 種主要樹(shù)種灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)定，且分不同樹(shù)種和不同徑級(jí)進(jìn)行比較，得出了它們之間灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高低變化的關(guān)系。并初步探討了造成這種差異的部分原因。從興安落葉松、白樺和樟子松3 種喬木的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析結(jié)果可知，各樹(shù)種干部灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為最低，這可能由于干部為喬木樹(shù)種的礦質(zhì)元素疏導(dǎo)組織，吸收積累的較少，而在枝和樹(shù)上皮積累較多。邊材灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于心材，不同部位的灰分徑向分布模式是一致的，即不同高度下灰分的含量都是從邊材向心材依次減少的。木材邊材中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)比心材多的原因可解釋為邊材具生理輸導(dǎo)功能，輸導(dǎo)組織流暢，心材常被心材物質(zhì)堵塞，邊材區(qū)卻因活的組織存在，為適應(yīng)樹(shù)木的生理生長(zhǎng)所需的元素再移動(dòng)。如因形成層細(xì)胞的分裂、分化及新細(xì)胞的成長(zhǎng)需要較豐富的礦質(zhì)元素，形成層附近的邊材區(qū)的元素含量大多比心材的其他部位的高，所以邊材區(qū)的礦質(zhì)元素含量變化較心材區(qū)的高。

樹(shù)枝的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)從樹(shù)冠的上、中、下依次增大，說(shuō)明了隨著植物年齡的增長(zhǎng)，礦質(zhì)元素積累的越多。各樹(shù)種樹(shù)皮的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)依種不同而有差異，其中白樺的樹(shù)皮灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于枝和干，但樟子松和興安落葉松樹(shù)皮灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于樹(shù)干，而小于枝。相同樹(shù)種的枝、皮、干隨徑級(jí)的不同而呈現(xiàn)出一定的差異性。

從以上結(jié)果可知，不同樹(shù)種灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)是不同的，同一樹(shù)種不同器官灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)也是不同的，相同樹(shù)種器官不同徑級(jí)不同部位差異較大，研究結(jié)果可為大興安嶺林區(qū)的林火管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

［1］ Antonio Vazquez，Jose M，Moreno． Spatial distribution of forest fires in sierra de Gredos (Central Spain)［J］． Forest Ecology and Management，2001，147(1):55-65．

［2］ 胡海清．林火與環(huán)境［M］．哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社，2000．

［3］ 舒立福，田曉瑞，寇紀(jì)烈．我國(guó)亞熱帶若干抗火樹(shù)種的研究［J］．火災(zāi)科學(xué)，2000，9(2):1-7．

［4］ 林益明，林鵬，王通．幾種紅樹(shù)植物木材熱值和灰分含量的研究［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2000，11(2):181-184．

［5］ 張軍，范志林，林曉芬，等．灰化溫度對(duì)生物質(zhì)灰特征的影響［J］．燃料化學(xué)學(xué)報(bào)，2004，32(5):547-551．

［6］ 胡海清．大興安嶺主要森林可燃物理化性質(zhì)測(cè)定與分析［J］．森林防火，1995(1):27-31．

［7］ 劉元，吳義強(qiáng)，朱林峰．闊葉樹(shù)木中礦質(zhì)元素的分布［J］．中南林學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，21(4):44-49．

［8］ 劉元．針葉樹(shù)木中礦質(zhì)元素的分布［J］．世界林業(yè)研究，2001，14(1):15-21．

［9］ 郭水良，黃華，晁柯．金華市郊10 種雜草的熱值和灰分含量及其適應(yīng)意義［J］．植物研究，2005，25(4):460-464．