劉欣瑜 王琦 劉秀麗

摘要：北京地區(qū)冬春季節(jié)，森林火災(zāi)時常發(fā)生，重視和研究城市綠化樹種的抗火性能，充分發(fā)揮其抗火防火功能具有十分重要的現(xiàn)實意義。文章選取北京市常見的13種常綠樹種作為研究對象，分別測定了不同樹種枝條和葉片的含水率、粗脂肪、燃點、粗灰分和熱值等指標(biāo)，并利用因子分析法對樹種的抗火性能進(jìn)行綜合評價和排序;通過對不同樹種枝條和葉片20個抗火性單變量因子分析，得出13種常綠樹種抗火性能的綜合排序，為北京市綠化防火樹種的選擇提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：抗火性能，常綠樹種，因子分析法，北京

DOI：10.12169/zgcsly.2018.12.21.0001

城市綠地作為城市開敞空間，在地震、火災(zāi)等災(zāi)害發(fā)生時，可作為城市居民緊急避難、疏散轉(zhuǎn)移或臨時安置的重要場所，是城市防災(zāi)減災(zāi)體系的重要組成部分。

北京在冬春季節(jié)氣候較干燥，一旦發(fā)生火災(zāi)，對生態(tài)環(huán)境的破壞和資源的損失十分嚴(yán)重，同時也將嚴(yán)重威脅人們的生命財產(chǎn)安全。植物具有延緩、遮斷火勢蔓延的作用，是發(fā)揮抗火防火功能的主體[1]。因此，重視和研究城市園林綠化樹種的抗火性能，充分發(fā)揮其抗火防火功能具有十分重要的現(xiàn)實意義。

我國早期對樹種抗火性能的評價方法主要是通過對影響性能的若干因子進(jìn)行對比分析得出各個樹種的抗火性能差異的簡單描述。隨著定量分析法、數(shù)學(xué)分析相關(guān)理論的推廣應(yīng)用，更多研究方法被用于樹種抗火性能的研究，例如層次分析法、多元線性回歸、主成分分析法、加權(quán)賦值、灰色理論、模糊聚類等等[2-5]。國內(nèi)外諸多研究表明，含水率、粗脂肪、抽提物等內(nèi)含物和樹種的生物生態(tài)學(xué)特性等方面的不同，是造成樹種在抗火性能上存在差別的根本原因?，F(xiàn)階段對北京地區(qū)常見綠化樹種抗火性能的綜合評價數(shù)據(jù)成果尚不全面，有待補(bǔ)充和完善。本研究根據(jù)實驗條件和課題需要，通過對實驗樹種冬、春季枝條與葉片的含水率、燃點、粗灰分、熱值以及粗脂肪進(jìn)行測定，并利用因子分析法對主成分進(jìn)行提取，建立因子得分模型，對北京常見的13種常綠樹種的抗火性能進(jìn)行綜合評價和排序。

1材料與方法

1.1實驗材料的選擇

查閱資料顯示，在樹木的各個組成器官中，最易燃燒的部分是葉和小枝[6]，因此本次研究在北京林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)選取成年樹木冬季（2016年12月）和春季（2017年3月）的枝條與葉片，進(jìn)行含水率、燃點、粗灰分、熱值和粗脂肪等燃燒性能指標(biāo)實驗測定[7-8]。實驗植物材料共13種樹種，分別為大葉黃楊（Euonymus?japonicus）、小葉黃楊（Buxus?sinica）、女貞（Ligustrum?lucidum）、金葉女貞（Ligustrum?x?vicaryi）、粗榧（Cephalotaxus?sinensis）、矮紫杉（Taxus?cuspidata?var?umbraculifera）、沙地柏（Sabina?vulgaris）、青桿（Picea?wilsonii）、華山松（Pinus?armandi）、白皮松（Pinus?bungeana）、圓柏（Sabina?chinensis）、側(cè)柏（Platycladus?orientalis）及雪松（Cedrus?deodara）。

1.2實驗方法

1）含水率的測定：選取生長良好的成年樹種2株為樣株，在樹冠的上、中、下3個部位的陽面和陰面剪取枝條與葉片作為實驗樣品，共13種植物，312個樣品（每組104個，進(jìn)行3次重復(fù)實驗），樣品重量在200g以上，樣品混合后裝人.密封塑料袋帶回實驗室立即稱重。將冬季和春季的枝條與葉片烘干后，對樣品進(jìn)行稱量，再將材料放入烘箱烘干30min，若所稱得的干重與第一次測量的結(jié)果誤差在0.0002g范圍內(nèi)，則認(rèn)為樣品恒重，記錄樣品干重，根據(jù)樣品濕重和干重對樣品含水率進(jìn)行計算[9]。

2）燃點的測定：把干燥處理后的樣品粉碎成小于1mm的粉末，并用篩子（60目）篩過，制成粒度在0.4mm<R<1mm的粗樣和小于0.4mm的細(xì)樣，將樣品烘至恒重，將0.4mm的細(xì)樣粉碎過200目篩，制成試樣，利用DW-02點著溫度測定儀測定[10]。

3）粗脂肪的測定：采取索氏提取法。將進(jìn)行粉碎烘干至恒重的試樣置于索氏提取器中，用石油醚進(jìn)行循環(huán)抽提，再將脫脂后的試樣烘干至恒重，減輕的重量即為試樣中粗脂肪含量。

4）粗灰分的測定：采用干灰化法。將植物枝葉粉末樣本分類，分別放人坩堝中，稱重后將裝有樣品的瓷坩堝放在電爐上進(jìn)行碳化，直至樣品燃燒到不再冒煙;再將碳化后的樣品連同瓷坩堝冷卻后放入650C左右的馬弗爐進(jìn)行灰化約4h30min后稱重。

5）熱值的測定：采用微機(jī)氧彈式量熱儀測定。將植物枝葉樣本分類，用壓餅機(jī)將植物枝葉粉末樣本壓成直徑約1cm、高約1～2cm的圓餅狀放在提前寫好名稱的標(biāo)簽紙上，放人托盤中，將樣品烘干約1h直至樣品恒重后稱量;然后使用氧彈式量熱儀進(jìn)行測定并記錄數(shù)據(jù)。

1.3數(shù)據(jù)分析方法

本研究將13種常綠樹種冬季和春季的枝條與葉片的含水率、燃點、粗灰分、熱值和粗脂肪共20個指標(biāo)作為樹種抗火性能研究過程中的全部變量，并依次命名x1，x2，x3，…，x20。采用因子分析方法綜合評價不同樹種的抗火性能[11]。

2結(jié)果與分析

2.1不同樹種含水率的分析

含水率是影響樹種抗火性的主要因素之一。植物體內(nèi)的含水率越高，越不易燃，其抗火性也就越強(qiáng)。不同樹種同時期的含水率不同，而同一樹種在不同的季節(jié)和不同的器官中含水率也有所差異[12]。

13種樹種在冬季和春季的含水率測定結(jié)果表明（圖1），枝條含水率的變化范圍在31%～62%并且春季枝條的含水率大多稍高于冬季枝條的含水率，但差別不明顯。葉片含水率的變化范圍在38%～78%，與冬春季的樹枝含水率之間的差別相比，兩季節(jié)樹葉含水率之間的差異較樹枝要稍明顯。

2.2不同樹種燃點的分析

某一可燃物的燃點越高，它對于外界火源的溫度要求也越高，或者需要加熱的時間越長，也就反映了其抗火性越強(qiáng)[13-14]。

由圖2可知，13種樹種枝條和葉片燃點的變化范圍都在2009°C～300°C，其中枝條燃點多.數(shù)集中在250°C～300°C華山松、雪松、圓柏等大多數(shù)針葉樹的樹枝燃點要高于闊葉樹的樹枝燃點，并且春季枝條的燃點要稍高于冬季枝條的燃點，但差別不明顯。就燃點而言，春季植物的抗火性能好于冬季。除了華山松、青桿等個別樹種外，多數(shù)樹種樹葉燃點的差別在兩個季節(jié)不明顯。

2.3不同樹種粗脂肪的分析

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。脂肪的含量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，則其抗火性能也就越強(qiáng)。

13種樹種在冬季和春季的粗脂肪測定結(jié)果表明（圖3），枝條的粗脂肪含量變化范圍在1%～8%，冬季與春季樹枝粗脂肪含量的差異較高，華山松、白皮松、青桿一類的針葉樹冬春季樹枝粗脂肪含量的差別大多稍高于闊葉樹種。葉片的粗脂肪含量變化范圍在2%～9%，冬春兩季樹葉的粗脂肪含量差別比較明顯，其中華山松冬季與春季樹葉粗脂肪的含量相差達(dá)6%，并且華山松兩季節(jié)樹枝粗脂肪含量的差別也較為明顯。由于脂肪含量越高，則樹種越易燃，其抗火性能越差，所以針葉類樹種樹枝的抗火性能與闊葉類樹枝抗火性能相比較差，而針葉類樹種樹葉的抗火性能較高。

2.4不同樹種粗灰分的分析

灰分含量是指可燃物中礦物質(zhì)的含量，主要是由鈉、鉀、鈣、鎂、磷、硅等元素組成的無機(jī)物，即燃燒剩下的物質(zhì)。各種礦物質(zhì)通過催化纖維素的某些早期反應(yīng)增加木炭和減少焦油的形成，對燃燒有明顯的影響。可燃物灰分含量越高，燃燒性能越差，其抗火性也就越強(qiáng)。

由圖4可以看出，枝條的粗灰分含量變化范圍在60%～100%，冬季與春季樹枝粗脂肪含量的差異不明顯，但樹種冬季樹枝的粗灰分要普遍低于春季樹枝的粗灰分含量。葉片的粗灰分含量變化范圍在80%～100%，并且多數(shù)集中在90%。冬春兩季樹葉的粗灰分含量差別比較明顯，其中青桿冬季與春季樹葉粗灰分的含量相差達(dá)12%，并且青桿兩季節(jié)樹枝粗灰分含量的差別也較為明顯。

2.5不同樹種熱值的分析

可燃物熱值指的是在絕干狀態(tài)下單位質(zhì)量的可燃物完全燃燒所放出的熱量。不同的可燃物具有不同的熱值。一般情況下，高熱值的可燃物燃燒時釋放的能量大，火強(qiáng)度大;低熱值可燃物燃燒時釋放的能量少，火強(qiáng)度小。

13種樹種冬季和春季的熱值測定結(jié)果表明（圖5），枝條熱值多在10000～250000J/kg，并且多數(shù)集中在15000～20000J/kg。除了青桿和華山松等個別樹種外，冬季與春季樹枝熱值的差異不明顯，并且冬季樹枝熱值大多稍高于春季樹枝熱值。春季葉片熱值在10000～35000J/kg，并且多數(shù)集中在15000～25000J/kg。春季葉片的熱值普遍高于冬季葉片的熱值，但除了矮紫杉外，多數(shù)樹種樹葉熱值的差別在兩個季節(jié)不明顯。

2.6不同樹種防火性能的分析與排序

2.6.1主成分提取

按照累計方差貢獻(xiàn)率≥70%的原則，在防火性的20個因子中提取7個公共因子（公共因子的特征值都大于1），7個因子方差貢獻(xiàn)率分別為20.020%，18.678%，16.755%，12.414%，8.267%，7.715%和5.319%，累計方差貢獻(xiàn)率為89.168%（表1）。樹種抗火性能分析包含的大部分信息能對大多數(shù)數(shù)據(jù)給予充分的解釋和概括，所以提取的7個公因子完全符合要求。

2.6.2因子得分模型的建立及排序分析

為了使各因子對各變量的載荷系數(shù)有比較明顯的差別，需要對因子載荷矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)[15]使載荷值朝向1和0分化。將原始變量的標(biāo)準(zhǔn)化值代入各個因子的得分模型就可以得到各樹種各公因子的得分值，再把7個公因子代人公式，即以各因子的方差貢獻(xiàn)率占4個因子總方差貢獻(xiàn)率的比重作為權(quán)重，進(jìn)行加權(quán)匯總：

而后就可以得到各樹種枝葉的綜合得分（表2）。

通過對各公共因子的合理解釋，再結(jié)合各樹種7個公共因子的得分和綜合得分就可以對各樹種枝葉燃燒性進(jìn)行評價[16]。在公因子f1上得分較高的是白皮松、華山松、圓柏和沙地柏，說明這幾種樹種的冬季枝條熱值是不易燃的，樹枝的抗火性能較好;得分較低的是青桿，說明它就上述指標(biāo)而言是易燃的。在公因子f2上得分較高的是大葉黃楊和粗榧，說明它們的冬季樹枝和葉片燃點是不易燃的，主要是因為這兩種樹種的冬季枝條和葉片的含水率較高，能使冬季枝條長時間保：持水分，需要更多的外來熱量才能使其燃燒，并且一旦發(fā)生火災(zāi)，它們釋放熱量也較小;得分較低的是白皮松，這也說明它的防火性能相對較差。在公因子f3上得分較高的是金葉女貞，它屬于抗火性能較好的樹種，一旦發(fā)生火災(zāi)，由于它冬、春季枝條含水率較高，不利于火災(zāi)的發(fā)生;得分較低的是矮紫杉，說明就不同枝條的含水率而言，它是抗火性較差的。在公因子f4上得分較高的是白皮松、沙地柏和圓柏，說明這3種春季枝條和葉片不易點燃，相比而言需要更多的外來熱量才能使其燃燒，屬于抗火性能較好的樹種;較低的是青桿、大葉黃楊和側(cè)柏，說明就春季枝條和葉片的燃點來說，它們的抗火性能較差。同理可以得到各個樹種在f5，f6，f7，各個公共因子上的燃燒性評價結(jié)果。

3結(jié)論與討論

3.1結(jié)論

1）通過利用主成分分析法對不同樹種樹枝樹葉20個抗火性單變量因子分析，可以得出樹種冬季枝條的熱值對樹種的抗火性能影響較高，顯著高于其他因子。對于以后樹種抗火性能的檢測中，如果在條件或時間受限時，可以將冬季枝條的熱值作為主要變量因子進(jìn)行測定分析并判斷其抗火性能強(qiáng)度。

2）對不同樹種樹枝樹葉20個抗火性單變量因子分析，并根據(jù)得分進(jìn)行排序，得出13種常綠樹種的綜合抗火性能由強(qiáng)到弱依次為矮紫杉、華山松、白皮松、雪松、小葉黃楊、圓柏、沙地柏、女貞、側(cè)柏、粗榧、金葉女貞、大葉黃楊、青桿。

3.2討論

1）本次實驗只選取了13種常綠樹種作為研究材料，從含水率、粗脂肪、粗灰分、熱值和燃點5個方面對這些樹種的抗火性能進(jìn)行了分析比較。為了更全面充分地說明不同樹種的抗火性能，應(yīng)選擇生物學(xué)特性、生態(tài)學(xué)特性以及模擬實驗等多種指標(biāo)進(jìn)行綜合比較分析，并且可以和公認(rèn)的抗火性能好的樹種進(jìn)行對比分析。

2）由于不同樹種的含水率、粗脂肪、粗灰分、熱值和燃點在不同季節(jié)有一定的差異，而此次實驗主要采集了冬春兩季的枝葉，對于其他季節(jié)的各項指標(biāo)有待進(jìn)一步的研究;并且同一樹種在不同部位的枝和葉、老葉和新葉、老枝和新枝的含水率以及各項指標(biāo)都會有一定的差別，這些都有待于進(jìn)一步研究。

3）本次實驗主要根據(jù)樹種的燃燒性質(zhì)分析不同樹種的抗火性能，由于時間限制，并沒有分析生物學(xué)特性與生態(tài)學(xué)特性對抗火性能的影響，因此，分析結(jié)果與實際抗火性能會存在一定的誤差;另外，應(yīng)用不同的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，其結(jié)果不可能完全一致。所以本文分析結(jié)果只能作為防火樹種選擇的參考依據(jù)。

本研究重在對北京地區(qū)的常綠樹種進(jìn)行研究，實驗對象均為常見樹種，在綜合抗火性能的比較。上更有針對性和特殊性;另外，對實驗樹種的5種燃燒特性進(jìn)行測定，所得研究結(jié)果覆蓋的范圍更廣，更具有參考意義。研究結(jié)果反映了北京地區(qū)常見的常綠樹種抗火性能的強(qiáng)弱情況，體現(xiàn)了樹種冬季枝條的熱值在其抗火性能方面的重要性，對于其他樹種抗火性能的測定有借鑒意義;同時，也為北京地區(qū)抗火防火樹種的篩選提供更多的選擇，為北京市功能型園林植物的選擇提供更多的依據(jù)。

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