張 恒 甄雅星 李佳艷 薛 江 張秋良

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院 呼和浩特 010019)

對(duì)森林可燃物的分析研究在森林防火工作中尤為重要(王舜嬈， 2015)。從森林火災(zāi)預(yù)防及生物防火林帶建設(shè)角度來說，研究可燃物的熱解現(xiàn)象、反應(yīng)特征及可燃性規(guī)律很有實(shí)用價(jià)值(王寅等， 2012)。熱失重法是分析森林可燃物氧化熱解階段的重要方法，其展現(xiàn)了森林可燃物的熱解階段，可快捷、精準(zhǔn)反應(yīng)出固態(tài)物質(zhì)在熱解階段的熱解過程與熱穩(wěn)定性，在對(duì)固態(tài)物質(zhì)的熱解中被普遍應(yīng)用(金森等， 2015； 宋彥彥等， 2012)。

國(guó)內(nèi)外大多采用熱分析方法研究可燃物的熱解特性，其中部分研究在氮?dú)猸h(huán)境下對(duì)不同升溫速率的各類生物質(zhì)進(jìn)行分析，如張雪等(2012)、Liang等(2014)和Ding等(2016)在氮?dú)猸h(huán)境下以升溫速率為變量對(duì)天然木材的熱解過程進(jìn)行熱重分析，得出熱解產(chǎn)物的分布和熱分解速率等熱解特性隨加熱速率的變化趨勢(shì)。Elder等(2010)、Su等(2012)、Onsree等(2018)和He(2018)利用熱重分析研究了森林的林下草本、大葉桉(Eucalyptusrobusta)的半纖維素和纖維素分解的活化能和溫度，結(jié)合質(zhì)譜儀和差示掃描量熱法研究了松木的氧化熱解，表明活化能會(huì)隨樣品的熱轉(zhuǎn)化率增加而增加。蔡鑫等(2013)研究了番龍眼(Pometiapinnata)試樣的熱解特性及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)升溫速率對(duì)可燃物揮發(fā)成份的析出速率有顯著影響，隨之可燃物著火點(diǎn)下降。?；鄄?2014)提出利用熱重-微商熱重(thermo gravimetry and differential thermogravimetry，TG-DTG)曲線分析森林可燃物的熱解特性，再運(yùn)用熱解動(dòng)力學(xué)得出活化能排序，最后發(fā)現(xiàn)可燃物的起始分解溫度和活化能排序與燃燒持續(xù)性的排序相反。在利用熱重法分析可燃物試樣時(shí)，Bilbao(1997)、Orfao(1999)、Roberts(1970)等認(rèn)為其主要熱解階段分為2步失重過程，分別為半纖維素和纖維素分解階段(綜纖維素分解階段)、木質(zhì)素分解階段。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多利用熱重法建立動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)可燃物的熱穩(wěn)定性和燃燒性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)并排序，但研究中發(fā)現(xiàn)，單一使用活化能不能對(duì)可燃物的抗火性進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，因此需要增加更多參數(shù)對(duì)可燃物抗火性進(jìn)行綜合排序。鑒于此，本文在空氣環(huán)境中，利用TG-DTG曲線分析各森林可燃物熱解特性，利用Coats-Redfern法動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)活化能和頻率因子，并采用熱解特性指數(shù)P對(duì)樣品的抗火性進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，旨在解析大興安嶺畢拉河林區(qū)森林可燃物熱解特性，以彌補(bǔ)我國(guó)在不同樹種燃燒性研究方面的不足，并為了解研究地區(qū)森林可燃物現(xiàn)狀與該林區(qū)開展森林防火工作提供科學(xué)依據(jù)，為建立林火模型及選擇防火樹種提供參考。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古大興安嶺畢拉河林業(yè)局(122°44′—123°55′E，49°00′40″—49°54′40″N，面積5 695.64 km2)。該區(qū)具大陸性季風(fēng)氣候，一年四季氣溫差異較大，春季多風(fēng)、降水稀少、氣溫多變； 夏季溫和、降水集中； 秋季降溫劇烈、霜期早； 冬季漫長(zhǎng)嚴(yán)寒。年均溫度-1.1 ℃，極端最高氣溫35.4 ℃，極端最低氣溫-46.0 ℃。≥10 ℃的年積溫2 014.4 ℃。年均降水量479.4 mm，集中在6—8月； 無(wú)霜期130天左右。林區(qū)平均坡度10°～12°，其中陰坡占60%，陽(yáng)坡占40%。林區(qū)地勢(shì)北高南低，由西北向東南緩慢傾斜，地勢(shì)相對(duì)平緩，起伏不高，平均海拔300～600 m，最高海拔1 235 m，最低海拔268 m。土壤為棕色針葉林土和暗棕壤。植被屬寒溫帶針葉林和溫帶闊葉林過渡類型。在保護(hù)區(qū)森林資源構(gòu)成中，喬木和灌木占保護(hù)區(qū)林地面積(有林地和灌木林地)的75.62%，其中喬木林占據(jù)主導(dǎo)地位，是森林資源的主體。

1.2 材料來源

于2017年10月秋季防火期采樣。由于10月除蒙古櫟(Quercusmongolica) 外都已落葉，因此本文主要選取白樺(Betulaplatyphylla)、黑樺(Betuladahurica)、興安落葉松(Larixgmelinii)、山楊(Populusdavidiana)和蒙古櫟5種典型喬木的樹干、樹皮、樹枝及林內(nèi)地表死可燃物和平榛(Corylusheterophylla)、二色胡枝子(Lespedezabicolor)、興安杜鵑(Rhododendrondauricum)3種典型灌木的枝條為研究對(duì)象。采集喬木樣品時(shí)，利用機(jī)械布點(diǎn)方法在上述5種純林內(nèi)各布置1塊標(biāo)準(zhǔn)樣地，共布置5塊20 m×20 m的樣地，記錄樣地內(nèi)樹種組成、胸徑、冠幅和樹高等指標(biāo)，對(duì)樣地內(nèi)喬木樹種的樹干、樹皮、樹枝采樣，每種喬木采集3份樣品并標(biāo)記、稱重。采集灌木樣品時(shí)，在喬木樣地內(nèi)按均勻程度布設(shè)灌木小樣方(灌木均勻度較高的林分采用5 m×10 m和2 m× 5 m的樣方， 灌木均勻度較低的林分采用5 m×20 m的樣方)，對(duì)樣方內(nèi)的主要灌木的枝條采樣，每種灌木采集3份樣品并標(biāo)記、稱重。地表死可燃物樣品在5種喬木林樣地上打1 m×1 m的小樣方，分3層取樣，將其劃分為未分解層、半分解層、已分解層并分別標(biāo)記、稱重。

1.3 試驗(yàn)儀器與方法

采用美國(guó)Perkin Elmer公司生產(chǎn)的STA 6000熱重分析儀進(jìn)行熱重分析。將樣品烘箱內(nèi)烘干，之后粉碎成粉末狀并放入微型坩堝內(nèi)。以恒定的進(jìn)氧速率和相同的升溫速率，分別對(duì)樣品進(jìn)行熱重分析，每次取樣品30 mg。因畢拉河林區(qū)發(fā)生過特大火災(zāi)，為使研究數(shù)據(jù)和結(jié)果與實(shí)際更吻合且和之前的研究對(duì)照，故模擬特大火災(zāi)時(shí)的火場(chǎng)溫度和燃燒熱解過程，將升溫速率設(shè)定為30 ℃·min-1，通氧速率為20 mL·min-1，首先升溫100 ℃并保持5 min，然后以30 ℃·min-1的速率升溫至600、700 ℃，之后得出隨時(shí)間和程序溫度變化的失重量的數(shù)值。用Origin 2019軟件可繪出TG和DTG曲線，并采用Coats-Redfem積分法，最終得出熱解過程的相關(guān)數(shù)據(jù)，其中TG曲線表達(dá)樣品質(zhì)量隨溫度的變化，DTG曲線表達(dá)樣品質(zhì)量隨溫度的變化速率。

1.4 熱解動(dòng)力學(xué)原理

熱解動(dòng)力學(xué)分析是探索熱解過程中伴隨的宏觀現(xiàn)象并揭示其反應(yīng)機(jī)制，了解反應(yīng)物結(jié)構(gòu)和反應(yīng)能力之間的關(guān)系，從而有效控制熱解反應(yīng)(孫云娟等， 2014； 郭慧卿等， 2014)。森林可燃物中含有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等，其組分含量因樹種而異，因此熱解過程復(fù)雜。本研究基于不同樹種的熱失重行為來確定其熱解特性，得出整個(gè)熱解過程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)(李蔭， 2006)。

Coats-Redfem積分法適用于恒定升溫速率下的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析，所以本文將采用這種方法對(duì)喬木進(jìn)行熱解動(dòng)力學(xué)研究。用Coats-Redfem積分法計(jì)算Arrhenius動(dòng)力學(xué)方程，反應(yīng)級(jí)數(shù)為1時(shí)，得：

(1)

1.5 熱解特性指數(shù)

為更全面評(píng)價(jià)樣品的燃燒情況，采用文獻(xiàn)(張全國(guó)等，1999)中的熱解特性指數(shù)來表示樣品熱解反應(yīng)的難易程度，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：P為熱解特性指數(shù)(%·min-1℃-3)；|dmax|為最大失重速率(%·min-1)；tmax為最大失重速率對(duì)應(yīng)的溫度(℃)；ts為起始分解溫度(℃)； (t2-t1)為溫度差值，本文選取失重速率在-0.5%·min-1(活可燃物)和-1.0%·min-1(死可燃物)時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度作為最大失重峰的起點(diǎn)溫度和終點(diǎn)溫度(℃)。

P值反映了樣品熱解的難易程度，P值越大，樣品熱解越容易進(jìn)行。

1.6 數(shù)據(jù)分析

2 結(jié)果與分析

根據(jù)TG曲線上的熱失重臺(tái)階和對(duì)應(yīng)DTG曲線上的熱失重峰，可分出3個(gè)熱解階段： 脫水階段、快速熱解階段、炭化階段。

2.1 5種喬木TG曲線的特征

由圖1可知，5個(gè)喬木樹種在溫度低于250 ℃時(shí)，樹干、樹皮、樹枝的失重率(失重率=1-質(zhì)量維持率)很小，僅1%～3%。經(jīng)過烘干后，樣品隨溫度升高處于預(yù)熱階段，為燃燒提供條件。

第二階段即快速熱解階段，是熱解的主要階段，TG曲線急劇下降。5種喬木的樹干失重溫度區(qū)間在270～320 ℃； 白樺、黑樺和蒙古櫟的失重率最大，分別為64.6%、61.1%63.0%，最大失重速率分別為3.78、3.91和4.68%·min-1； 此階段的興安落葉松熱解相對(duì)較晚且熱解最慢，最大失重速率為3.06%·min-1，失重率為51.3%。5種喬木的樹皮失重區(qū)間在270～330 ℃； 白樺的失重率最大(61.8%)，失重速率為4.57%·min-1，熱解最快； 黑樺、蒙古櫟和山楊的失重率相差較小，在48.3%～52.2%之間，失重速率分別為2.44、3.58、2.27%·min-1； 興安落葉松的失重率最低(39.7%)，熱解最慢，最大失重速率為2.17%·min-1。5種喬木的樹枝失重區(qū)間在280～330 ℃； 其中黑樺枝最先開始熱解，失重率達(dá)38.5%，最大失重速率達(dá)3.73%·min-1； 山楊和蒙古櫟熱解相對(duì)較快，最大失重速率分別為47.6和5.02%·min-1； 蒙古櫟的失重率最大(51.9%)，山楊次之(47.6%)。

第3階段即炭化階段，是緩慢熱解階段，這個(gè)階段主要是木質(zhì)素的熱解，熱解之后形成較多固定碳，木質(zhì)素的熱解幾乎跨越了整個(gè)熱解階段，隨著樹干、樹皮和樹枝分別在350、370和375 ℃之后進(jìn)入緩慢熱解階段，TG曲線逐漸趨于平穩(wěn)，留下的殘留物有灰分和焦炭，質(zhì)量保持不變。

2.2 3種灌木TG曲線的特征

由圖2可知，3種灌木枝條的失水階段到200 ℃左右時(shí)結(jié)束，失重率低于5%。

在快速熱解階段，樣品質(zhì)量隨溫度升高大幅下降，在TG曲線上出現(xiàn)明顯的失重臺(tái)階，對(duì)應(yīng)DTG曲線上出現(xiàn)較大波峰。樣品的快速失重溫度區(qū)間在288～319 ℃，且3種灌木枝條的失重率相近，其中最高的平榛為64.3%，最低的二色胡枝子為63.5%。這個(gè)區(qū)間內(nèi)3種樣品的最大失重速率也表現(xiàn)出相似變化趨勢(shì)，其中平榛最大(3.92%·min-1)，二色胡枝子次之(3.72%·min-1)，興安杜鵑最小(3.06%·min-1)。

在炭化階段，樣品質(zhì)量基本不再隨溫度升高而變化，DTG曲線數(shù)值趨近于零。此時(shí)樣品殘留物只?；曳趾徒固浚?種灌木枝條在450 ℃左右進(jìn)入該階段。

2.3 5種喬木地表死可燃物TG曲線的特征分析

由圖3可知，溫度低于230 ℃時(shí)，未分解層樣品失重率為0.029%～0.148%，半分解層為0.075%～0.237%，已分解層為0.054%～0.212%。

圖1 喬木樹干(a)、樹皮(b)和樹枝(c)的TG和DTG曲線Fig.1 TG and DTG curves of trees trunk(a), bark(b) and branch(c)

圖2 灌木的TG和DTG曲線Fig.2 TG and DTG curves of shrubs

未分解層樣品在快速熱解階段，TG曲線急劇下降，出現(xiàn)失重臺(tái)階，失重溫度區(qū)間在271～321 ℃，失重率可達(dá)49.3%； 山楊的失重率最大(49.3%)，失重速率為8.22%·min-1； 白樺和蒙古櫟次之，失重率分別為46.9%、48.2%，失重速率分別為3.61、4.61%·min-1。半分解層樣品的快速熱解階段的失重區(qū)間在252～310 ℃，失重率可達(dá)60.4%，山楊的失重率最大(60.4%)，失重速率為7.69%·min-1； 白樺和黑樺次之，失重率分別為47.8%、44.7%，失重速率分別為4.44、10.31%·min-1。已分解層樣品在快速熱解階段的失重區(qū)間在260～305 ℃，失重率達(dá)41.0%； 黑樺失重率最大(41.0%)，失重速率為2.48%·min-1； 山楊和興安落葉松次之，失重率分別為38.3%、36.5%，失重速率分別為4.08、6.61%·min-1。

當(dāng)溫度分別達(dá)到432.4、411.7和402.9 ℃左右時(shí)，未分解層、半分解層、已分解層開始緩慢熱解逐漸炭化，TG曲線和DTG曲線都逐漸趨于平穩(wěn)。

2.4 著火溫度與燃盡溫度

著火溫度是可燃物開始持續(xù)燃燒所需的最低溫度，可用于表征可燃物的熱穩(wěn)定性。本文采用切線法確定可燃物的著火溫度與燃盡溫度，找到DTG曲線上的最高峰值點(diǎn)在TG曲線上所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)并作切線，而這個(gè)切線與TG曲線初始失重時(shí)基線的交點(diǎn)為著火溫度,與失重結(jié)束時(shí)基線的交點(diǎn)為燃盡溫度。樣品的著火溫度與燃盡溫度見表1。

對(duì)5種典型喬木，樹干的易燃性排序?yàn)椋?蒙古櫟>白樺>黑樺>興安落葉松>山楊； 樹皮易燃性排序?yàn)椋?山楊>興安落葉松>蒙古櫟>黑樺>白樺； 樹枝易燃性排序?yàn)椋?山楊>興安落葉松>蒙古櫟>黑樺>白樺。樹干的著火溫度普遍較高，其次是樹枝，最后是樹皮。

3種典型灌木的枝條易燃性排序?yàn)椋?興安杜鵑>二色胡枝子>平榛。

5種典型喬木的未分解層易燃性排序?yàn)椋?山楊>黑樺>蒙古櫟>興安落葉松>白樺； 半分解層易燃性排序?yàn)椋?山楊>白樺>興安落葉松>黑樺>蒙古櫟； 已分解層易燃性排序?yàn)椋?蒙古櫟>白樺>興安落葉松>山楊>黑樺。已分解層的著火溫度普遍較低，其次是半分解層，未分解層的著火溫度最高。

2.6 熱解過程的動(dòng)力學(xué)分析及燃燒特性指數(shù)

樣品在空氣氣氛下的熱失重曲線分為3個(gè)階段，其中快速熱解階段也是可燃物引起火災(zāi)的階段，所以對(duì)此階段進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。將公式(1)、(2)運(yùn)用于所求得的溫度范圍，計(jì)算得到樣品的熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)及熱解特性指數(shù)P，其中反應(yīng)活化能(E)和頻率因子(A)是影響熱解反應(yīng)速率的2個(gè)重要參數(shù)?；罨艿拇笮”硎玖朔磻?yīng)過程進(jìn)行的難易程度，同時(shí)也可反映樣品的熱穩(wěn)定性，活化能越高時(shí)反應(yīng)所需的能量就越高，反應(yīng)就越難進(jìn)行； 反之，熱解特性指數(shù)P越大，樣品的熱解越容易進(jìn)行，具體結(jié)果如表2所示。相關(guān)系數(shù)R表明，擬合方程有良好的線性關(guān)系。因此，用Coats-Redfern積分法描述樣品在空氣氣氛中的熱解行為是可行的。

對(duì)于喬木，快速熱解階段是綜纖維素的熱解階段，是樣品的主要分解階段，在此階段各樹干的活化能在203.037 9～267.992 6 kJ·mol-1之間，興安落葉松樹干的活化能最高，為267.992 6 kJ·mol-1。各樹皮的活化能在132.414 6～267.944 4 kJ·mol-1之間，興安落葉松樹皮的活化能最高，為267.944 4 kJ·mol-1。各樹枝的活化能在213.713 0～289.003 0 kJ·mol-1之間，山楊樹枝的活化能最高，為289.003 0 kJ·mol-1。根據(jù)動(dòng)力學(xué)參數(shù)分別對(duì)比不同樹種的相同部位，各樹種樹干的熱穩(wěn)定性排序?yàn)椋?興安落葉松>白樺>黑樺>山楊>蒙古櫟。各樹種樹皮的熱穩(wěn)定性排序?yàn)椋?興安落葉松>蒙古櫟>白樺>黑樺>山楊。各樹種樹枝的熱穩(wěn)定性排序?yàn)椋?山楊>黑樺>蒙古櫟>興安落葉松>白樺。根據(jù)熱解特性指數(shù)分別對(duì)比不同樹種的相同部位，各樹種樹干的熱解行為由難到易依次為興安落葉松、白樺、黑樺、山楊、蒙古櫟， 各樹種樹皮的熱解行為由難到易依次為興安落葉松、山楊、黑樺、蒙古櫟、白樺， 各樹種樹枝的熱解行為由難到易依次為興安落葉松、黑樺、蒙古櫟、白樺、山楊。

圖3 喬木未分解層(a)、半分解層(b)和已分解層(c)的TG和DTG曲線Fig.3 TG and DTG curves of trees undecomposed layer(a), semi-decomposed layer(b) and decomposed layer(c)

對(duì)于灌木，由表2可知，3種灌木的枝條部位活化能在111.441 7～261.811 8 kJ·mol-1之間，根據(jù)動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)比不同灌木的枝條，其熱穩(wěn)定排序?yàn)椋?平榛>二色胡枝子>興安杜鵑； 根據(jù)熱解特性指數(shù)，3種灌木枝條的熱解行為由難到易依次為興安杜鵑、平榛、二色胡枝子。

對(duì)于喬木地表死可燃物，在快速熱解階段內(nèi)，未分解層的活化能在100.305 6～506.554 8 kJ·mol-1之間，其中活化能最高的為黑樺未分解層，為506.554 8 kJ·mol-1。半分解層的活化能在18.286 8～334.696 4 kJ·mol-1之間，其中活化能最高的為興安落葉松半分解層，為334.696 4 kJ·mol-1。已分解層的活化能在111.040 4～1 278.429 8 kJ·mol-1之間，其中活化能最高的為興安落葉松已分解層，為1 278.429 8 kJ·mol-1。

根據(jù)動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)5種典型喬木的同層地表死可燃物進(jìn)行比較，各未分解層的熱穩(wěn)定性排序?yàn)楹跇?白樺>蒙古櫟>興安落葉松>山楊； 各半分解層的熱穩(wěn)定性排序?yàn)榕d安落葉松>黑樺>山楊>蒙古櫟>白樺； 各已分解層的熱穩(wěn)定性排序?yàn)榕d安落葉松>山楊>白樺>黑樺>蒙古櫟。根據(jù)熱解特性指數(shù)，5種典型喬木的未分解層熱解行為由難到易依次為黑樺、白樺、興安落葉松、蒙古櫟、山楊，半分解層的熱解行為由難到易依次為興安落葉松、黑樺、蒙古櫟、白樺、山楊，已分解層的熱解行為由難到易依次為興安落葉松、蒙古櫟、白樺、黑樺、山楊。

表1 樣品的著火溫度與燃盡溫度Tab.1 Ignition and burnout temperatures of 8 species of tree samples ℃

表2 樣品的熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)及熱解特性指數(shù)Tab.2 Pyrolysis kinetic parameters and pyrolysis characteristic index of 8 species of tree samples

續(xù)表2 Continued

3 討論

1) 森林可燃物主要由木質(zhì)素與綜纖維素組成(?；鄄?2014)。其中木質(zhì)素?zé)峤鉁囟仍?50～500 ℃，半纖維素?zé)峤鉁囟仍?25～325 ℃，纖維素?zé)峤鉁囟仍?00～375 ℃(胡億明， 2013)。由于木質(zhì)素的分解溫度幾乎跨越了整個(gè)快速熱解階段，所以在DTG曲線上是否出現(xiàn)波峰分離現(xiàn)象取決于半纖維素、纖維素的含量(傅旭峰等， 2009)。由此可知，圖1、2、3的DTG曲線均呈現(xiàn)出1個(gè)波峰，主要是由于半纖維素和纖維素分解溫度相差不大且半纖維含量較少，導(dǎo)致二者的波峰重疊后呈現(xiàn)出1個(gè)明顯波峰，且由于溫度升高使樣品較快燃燒，導(dǎo)致DTG曲線在快速熱解階段急劇大幅下滑，最終呈現(xiàn)出1個(gè)范圍較窄且失重速率較大的波峰。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，波峰右側(cè)均出現(xiàn)了跨度范圍不一的側(cè)肩(即在主峰之后的緩慢回升區(qū))，從出現(xiàn)的溫度段可以判斷側(cè)肩體現(xiàn)了木質(zhì)素的熱解過程，由于木質(zhì)素分解溫度與綜纖維素的分解溫度大部分重疊，導(dǎo)致其熱解的峰被綜纖維素峰所淹沒，演變成了一個(gè)側(cè)肩。

2) 由熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)和著火溫度數(shù)據(jù)可知，喬木中興安落葉松所需的活化能最高，它的熱解需要的能量也較高，且興安落葉松樹干、樹皮、樹枝的熱解特性指數(shù)均最小，該值越小表示樣品燃燒越難進(jìn)行， 而山楊的活化能低于興安落葉松所需的活化能。白樺、黑樺、蒙古櫟所需的活化能相差不大，但蒙古櫟的著火溫度更低； 白樺干和白樺皮的活化能要高于黑樺，且黑樺的著火溫度較低。結(jié)合樣品的TG和DTG曲線，5個(gè)樹種的抗火性排序?yàn)椋?興安落葉松>白樺 >黑樺>山楊>蒙古櫟。3種灌木開始持續(xù)燃燒所需的溫度相差不大； 由活化能和熱解特性指數(shù)值可知，平榛的熱穩(wěn)定性高，熱解較難進(jìn)行， 二色胡枝子的著火溫度和活化能都比興安杜鵑更高。因此，抗火性排序?yàn)?平榛>二色胡枝子>興安杜鵑。在對(duì)地表死可燃物進(jìn)行火災(zāi)危險(xiǎn)性排序時(shí)發(fā)現(xiàn)，同一樹種的未分解層、半分解層及已分解層的抗火性排序各不相同。地表死可燃物的活化能以興安落葉松總體較高，黑樺和白樺次之，山楊和蒙古櫟較低。不同樹種的未分解層開始持續(xù)燃燒所需的著火溫度相差不大； 對(duì)于半分解層，著火溫度以蒙古櫟、黑樺、興安落葉松和白樺的較高，山楊的最低，只有252.1 ℃； 對(duì)于已分解層，各樹種的著火溫度在260～274 ℃，相差不大。對(duì)于熱解特性指數(shù)，蒙古櫟和山楊相對(duì)較小，與其他樹種相比不易熱解。綜合來看，興安落葉松的活化能高，熱解特性指數(shù)小，著火溫度與其他樹種相差不大，其抗火性比其他樹種強(qiáng)； 山楊和蒙古櫟的活化能、著火溫度和熱解特性指數(shù)值的排序都相對(duì)靠后，比其他樹種較易燃燒。5個(gè)樹種的地表死可燃物的抗火性排序?yàn)椋?興安落葉松>黑樺、白樺>山楊、蒙古櫟。

Anderson(1970)和Liodaks等(2005)認(rèn)為，木質(zhì)纖維素類燃料的燃燒性由著火溫度等多方面決定。王舜嬈(2015b)等利用熱解動(dòng)力學(xué)研究可燃物的燃燒性的結(jié)果表明，進(jìn)行森林可燃物的綜合燃燒性及火災(zāi)危險(xiǎn)性排序時(shí)，不可采用某項(xiàng)單一參數(shù)，以免造成排序結(jié)果的局限性。為此，筆者在根據(jù)熱解動(dòng)力學(xué)的活化能對(duì)森林可燃物進(jìn)行抗火性排序時(shí)，增加了著火溫度和熱解特性指數(shù)2個(gè)指標(biāo)，旨在全面評(píng)價(jià)樣品的抗火性，避免影響防火樹種的選擇。

3) 影響森林可燃物燃燒性的因素有很多(?；鄄?2014)，其中樣本含水率可改變可燃物TG曲線的變化趨勢(shì)(王健等， 2019)。在自然條件下，除地表死可燃物中的未分解層外，其余樹干、樹皮、樹枝、灌木、半分解層及已分解層的含水率在烘干前后均有一定差異?？紤]到大興安嶺發(fā)生的火災(zāi)較大，在森林可燃物燃燒前會(huì)有一定程度的預(yù)熱烘干，所以試驗(yàn)中進(jìn)行了樣品烘干處理。但今后研究中是否對(duì)樣品進(jìn)行烘干處理，應(yīng)結(jié)合具體實(shí)際情況選擇合理處理方式，以便得出更科學(xué)的結(jié)果。

4 結(jié)論

1) 綜合喬木、灌木及地表死可燃物的TG曲線分析，可將森林可燃物熱解過程分為3個(gè)階段： 脫水階段、快速熱解階段和炭化階段。其中脫水階段失重集中在140 ℃左右，失重率在6%以內(nèi)； 快速熱解階段的失重區(qū)間在270～330 ℃，失重率在20%～64.32%； 在350～450 ℃之后逐步進(jìn)入炭化階段，質(zhì)量基本不再隨溫度而變化。

2) 根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程和Coasts-Redfern模型，得到了森林可燃物樣品在快速熱解階段的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。研究的5種喬木的抗火性為： 興安落葉松>白樺>黑樺>山楊>蒙古櫟； 3種灌木的抗火性為： 平榛>二色胡枝子>興安杜鵑。5種喬木地表死可燃物的抗火性依次為： 興安落葉松>黑樺、白樺>山楊、蒙古櫟。

3) 基于熱穩(wěn)定性、著火溫度與熱解特性指數(shù)的綜合分析，在所選實(shí)驗(yàn)樣品中，興安落葉松與平榛的抗火性最佳，可優(yōu)先選擇為內(nèi)蒙古大興安嶺地區(qū)防火樹種。