楊丁 郝明灼 侯召斌 喻方圓 梁有旺 鄒義萍 張玉

摘 要： 為了篩選冬青屬（Ilex）植物優(yōu)良防火品種，了解該屬植物葉片燃燒表現(xiàn)特征，優(yōu)化園林樹種防火性能的評價方法，該文以克恩氏冬青（Ilex × koehneana）、史蒂芬冬青（Ilex ‘Nellie R. Stevens）、大別山冬青（I. dabieshanensis）、博福德冬青（I. cornuta ‘Burfordii）、雙核冬青（I. dipyrena）為研究對象，以海桐（Pittosporum tobira）和石楠（Photinia serrulata）作為參照，采用因子分析法對這七種植物鮮葉和干葉的防火性能分別進行綜合評價。結(jié)果表明：（1）不同冬青品種鮮葉火災(zāi)性能指數(shù)存在顯著性差異，其余指標(biāo)均呈極顯著性差異。（2）經(jīng)過因子分析進行評價得出鮮葉抗火性從強到弱依次為博福德冬青>史蒂芬冬青>大別山冬青>石楠>海桐>雙核冬青>克恩氏冬青;干葉抗火性從強到弱依次為史蒂芬冬青>大別山冬青>博福德冬青>海桐>雙核冬青>克恩氏冬青>石楠。（3）綜合鮮葉及干葉的評分結(jié)果，得出博福德冬青、史蒂芬冬青、大別山冬青得分較高，防火性能優(yōu)于石楠和海桐，防火性能表現(xiàn)更突出。

關(guān)鍵詞： 防火性， 常綠冬青， 錐形量熱儀， 因子分析， 含水率， 火災(zāi)性能指數(shù)

中圖分類號： Q948

文獻標(biāo)識碼： A

文章編號： 1000-3142（2021）05-0780-09

Fire resistance evaluation of five evergreen hollies leaves

YANG Ding1， HAO Mingzhuo1，2，4*， HOU Zhaobin3， YU Fangyuan1， LIANG Youwang1， ZOU Yiping4， ZHANG Yu1

（ 1.? College of Forest Sciences， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China; 2. Holly Engineering Center of State Forestry

and Grassland Administration， Hangzhou 311300， China; 3. Nanjing Forest Police College， Nanjing 210023， China; 4. Jiangsu Qinghao Landscape Horticulture Co.， Ltd.， Nanjing 211225， China ）

Abstract：? To select the tree species of Ilex with better fire resistance， to understand the characteristics of foliage burning process， and to optimize the evaluation methods of fire resistant potential for landscape tree species， fresh and dry leaves of Ilex × koehneana， Ilex ‘Nellie R. Stevens， I. dabieshanensis， I. cornuta ‘Burfordii and I. dipyrena were tested in burning experiments with Pittosporum tobira and Photinia serrulata as the reference tree species. Fifteen parameters， such as water content of leaves， heat release rate of fresh and dry leaves， ignition time of fresh and dry leaves and so on， were measured by cone calorimeter. Fire resistance potential for fresh or dry leaves were ranked by factor analysis. Fresh leaves reflect the fire resistance of normal live plants， and dry leaves reflect the fire resistance of plants litter. The results were as follows： （1） Among the 15 parameters tested， the fire performance factor index of fresh leaves showed significant differences at P<0.05 level and the other parameters had extremely significant differences at P<0.01 level. （2） The fire resistance rank of fresh leaves from strong to weak were I. cornuta ‘Burfordii， Ilex ‘Nellie R. Stevens， I. dabieshanensis， Photinia serrulata， Pittosporum tobira， I. dipyrena and Ilex × koehneana and the dry leaves Ilex ‘Nellie R. Stevens， I. dabieshanensis， I. cornuta ‘Burfordii， Pittosporum tobira， I. dipyrena， Ilex × koehneana and Photinia serrulata. （3） In conclusion， Ilex cornuta ‘Burfordii， Ilex ‘Nellie R. Stevens and I. dabieshanens had better fire resistance than those of Photinia serrulata， Pittosporum tobira and other Ilex cultivated varieties.

Key words： fire resistance， evergreen holly， CONE calorimeter， factor analysis， water content， fire performance parameter

森林火災(zāi)不僅破壞生態(tài)環(huán)境，還嚴(yán)重威脅社會安全（Hammond et al.， 2013;梁琴等，2015;裴建元等，2015），而國內(nèi)雨水在空間和時間上分布不均，更增加了部分林地干旱時火災(zāi)發(fā)生的概率（張宇等，2018），此外林下枯落物自然分解也需半年以上（王敏等，2019），因此進行防火樹種的篩選，用以建造防火林帶變得十分重要（舒立福等，1999）。為此眾多學(xué)者（Pinard & Huffman，1997;李修鵬等，2013;龐晶，2017;溫開德和歐陽園蘭，2018）先后開展防火樹種遴選與評價工作。

冬青屬（Ilex）植物多常綠（中國科學(xué)院中國植物志編輯委員會，1999），景觀特性優(yōu)良（李修鵬等，2013），目前在歐美國家已成為園林綠化中十分重要的觀賞樹種（郭娟等，2018）。近年來，國內(nèi)引進了許多國外的冬青品種，冬青屬植物在國內(nèi)園林景觀上的應(yīng)用正逐漸增多（田如男和辛建攀，2014;錢燕萍和田如男，2016），但尚未有學(xué)者對冬青屬植物的防火性能進行系統(tǒng)地比較。因此，十分有必要對冬青屬植物新品種的防火性能進行研究，了解不同冬青品種燃燒表現(xiàn)和特征，為應(yīng)用推廣該屬植物提供理論依據(jù)。

樹種防火性能評價研究中常見實驗材料為樹干、樹皮、枝條和葉片等（李世友等，2009;溫開德和歐陽園蘭，2018;顧汪明等，2020），未見到有鮮葉和干葉區(qū)別研究的相關(guān)報道。常用測量儀器有錐形量熱儀（劉欣瑜等，2019）、微機氧彈式量熱儀（楊亮等，2009）、DW點著溫度測定儀（趙鳳君等，2016）等，其中錐形量熱儀是目前應(yīng)用較為廣泛的防火性能測量儀器，可以測定出在相同熱源條件下各種材料的多種燃燒特性，通過計算機處理，結(jié)果更接近火災(zāi)時各材料的燃燒情況（田曉瑞等，2001;Schartel et al.， 2005;周國模等，2008;劉波等，2008;金森和楊艷波，2016;徐曉楠，2003）。目前，樹種防火性能評價方法有聚類分析法（顧汪明等，2020）、層次分析法（龐晶，2017）、因子分析法（何曉群，2015）等。其中因子分析法可以對實驗測定結(jié)果進行主成分提取，建立因子得分模型，對不同樹種的防火性能進行綜合評價和排序（劉欣瑜等，2019）。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與樣品制備

實驗材料選于南京市八卦洲青珠果園藝有限公司苗木基地。該基地位于32°12′ N、 118°49′ E，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。

選取10年生健康且長勢良好的克恩氏冬青（Ilex × koehneana，KES）、史蒂芬冬青（Ilex ‘Nellie R. Stevens，SDF）、大別山冬青（I. dabieshanensis，DBS）、博福德冬青（I. cornuta ‘Burfordii，BFD）、雙核冬青（I. dipyrena，SH）各10棵。另選同一基地內(nèi)10年生健康且長勢良好的當(dāng)?shù)爻Ｓ梅阑饦浞N海桐（Pittosporum tobira，HT）（張家來等，2000）和石楠（Photinia serrulata，SN）（肖華和吳昌庭，2001）各10棵作為參照。于2019年4月10號采集樹冠中下部健康葉片，每份不少于100 g，共計樣品70份，分別裝于密封袋中，置于有冰袋的采樣箱中臨時儲存。

樣品采集當(dāng)日立即帶回南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院實驗室（室溫20 ℃，相對濕度60%）進行處理。將每份樣品均分為兩份，一份放回密封袋存放于采樣箱;另一份稱重后，置于120 ℃烘箱烘干后再次稱重，記錄兩次稱得質(zhì)量。干樣置于室內(nèi)回潮至質(zhì)量不再增加的氣干狀態(tài)，得到鮮葉和干葉樣品各70份，待試。

1.2 實驗方法

1.2.1 指標(biāo)測定 用烘干法計算鮮葉含水率：W= [（g-g0）/g]×100%。

式中：W為鮮葉含水率;g為待烘干鮮葉質(zhì)量;g0為烘干葉質(zhì)量。

使用錐形量熱儀（CONE）測定各燃燒數(shù)據(jù)：每份樣品精準(zhǔn)稱取3 g平鋪在100 mm × 100 mm燃燒器皿中，氧氣濃度設(shè)置為20.85%～20.95%，燃燒溫度設(shè)置為650 ℃。溫度設(shè)置依據(jù)：煙頭中心溫度可達 600～700 ℃，是引起森林火災(zāi)的重要外部火源之一（江津凡等，2012）。測定或計算鮮葉點燃時間（X1）、鮮葉燃燒時間（X2）、鮮葉熱釋放速率峰值（X3）、鮮葉總熱釋放量（X4）、鮮葉煙產(chǎn)生速率峰值（X5）、鮮葉總煙釋放量（X6）、鮮葉火災(zāi)性能指數(shù)（X7）、干葉點燃時間（G1）、干葉燃燒時間（G2）、干葉熱釋放速率峰值（G3）、干葉總熱釋放量（G4）、干葉煙產(chǎn)生速率峰值（G5）、干葉總煙釋放量（G6）、干葉火災(zāi)性能指數(shù)（G7）。

其中，火災(zāi)性能指數(shù)（FPI）=TTI/pkHRR。

式中：TTI為點燃時間;pkHRR為熱釋放速率峰值。

共計15個指標(biāo)作為本次防火性研究的全部變量，使用因子分析法評價防火能力。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與分析 使用Excel 2016和Spss 19.0軟件進行數(shù)據(jù)處理。

使用因子分析法進行評價分析，因子分析模型Xi=ai1F1+ai2F2+…+aimFm+εi。式中：i=1，2，…，p;F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)m為彼此獨立的公共因子，均滿足均值為0，方差為1;εi為特殊因子，與每一個公共因子均不相關(guān)且均值為0。

2 結(jié)果與分析

2.1 燃燒實驗結(jié)果

五種冬青、海桐和石楠鮮葉燃燒結(jié)果（表1）顯示，鮮葉的含水率、鮮葉點燃時間等8個指標(biāo)中，火災(zāi)性能指數(shù)（X7）差異性顯著，其余指標(biāo)差異性極顯著;干葉燃燒結(jié)果（表2）顯示干葉點燃時間等7個指標(biāo)均呈極顯著性差異。

含水率（W）是防火性評價的重要因素（Philpot， 1997;龐晶，2017），含水率高的植物自身抗火性強，在著火前能有效阻斷熱源。所選的七種植物中，海桐和石楠的含水率居于第一、第二位，并且自身適應(yīng)性和抗逆性強，極易栽植，是眾多園林施工及防火林的優(yōu)選樹種。點燃時間和燃燒時間也反映了植物的抗火性。博福德冬青鮮葉的點燃時間（X1）和燃燒時間（X2）與海桐和石楠的差異不明顯，抗火性相近。五種冬青的干葉點燃時間（G1）均長于海桐和石楠，抗火性較高，克恩氏冬青和博福德冬青的葉片枯落物在650 ℃的環(huán)境中需10 s 以上才能燃燒?？硕魇隙嗪痛髣e山冬青的干葉燃燒時間（G2）與海桐相近，處于較高水平;博福德冬青和雙核冬青的干葉燃燒時間（G2）與石楠相近，處于較低水平。

熱釋放速率峰值和總熱釋放量表示植物燃燒時自身放熱能力。大火形成后，植物放熱速度快，總放熱量高，不利于火災(zāi)撲救。但在火勢形成前可以提供熱源示警，配合遙感技術(shù)，準(zhǔn)確定位起火點，及時撲救。五種冬青的鮮葉及干葉的熱釋放速率峰值和總熱釋放量（X3、X4、G3、G4）均高于海桐和石楠。

煙釋放速率峰值和總煙釋放量表示植物燃燒時自身釋煙能力，在起火前釋放煙霧，更具示警效果。鮮葉測試結(jié)果中史蒂芬冬青煙產(chǎn)生速率峰值（X5）、總煙釋放量（X6）和博福德冬青的總煙釋放量（X6）高于海桐和石楠，煙霧示警效果好;其余冬青的這兩個鮮葉測試結(jié)果與海桐和石楠相近。史蒂芬冬青、大別山冬青、博福德冬青、雙核冬青的干葉煙產(chǎn)生速率峰值（G5）高于海桐和石楠，更有利于示警;史蒂芬冬青、大別山冬青、博福德冬青的干葉總煙釋放量（G6）高于海桐和石楠，示警效果好。

火災(zāi)性能指數(shù)表示燃燒時的危害性，數(shù)值越大，危害越小。博福德冬青和雙核冬青的鮮葉火災(zāi)性能指數(shù)（X7）與海桐和石楠的差異不顯著，危害較小;其他冬青鮮葉火災(zāi)性能指數(shù)（X7）小于海桐和石楠，危害較大?？硕魇隙嗟母扇~火災(zāi)性能指數(shù)（G7）大于其他樹種，危害最小;史蒂芬冬青、大別山冬青、博福德冬青的干葉火災(zāi)性能指數(shù)（G7）與海桐和石楠差異不顯著，危害相近;雙核冬青的干葉火災(zāi)性能指數(shù)（G7）最小，危害最大。

2.2 可燃性主成分提取及因子得分模型

2.2.1 鮮葉可燃性主成分提取及因子得分模型建立 通過對含水率（W）和鮮葉的7個指標(biāo)（W、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7）結(jié)果進行因子分析，其相關(guān)系數(shù)均>0.3，適合進行因子分析。按照積累方差貢獻率≥85%的原則，用特征值大于1的2個公共因子代替原8個變量，能夠概括原始變量所含信息的87.668%，如表3所示。

使用Kaiser標(biāo)準(zhǔn)化正交旋轉(zhuǎn)方法，對因子載荷矩陣進行旋轉(zhuǎn)，進行3次旋轉(zhuǎn)迭代后，得載荷矩陣表4。經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后載荷系數(shù)如表4所示，公因子f1在鮮葉熱釋放速率峰值（X3）、鮮葉總煙釋放量（X6）、鮮葉總熱釋放量（X4）3個指標(biāo)上荷載較高，分別為0.959、0.864、0.794，將f1解釋為“鮮葉示警”因子，f1的方差貢獻率為51.633%，占第一位。公因子f2在鮮葉點燃時間（X1）、鮮葉燃燒時間（X2）兩個指標(biāo)上荷載較高，分別為0.955、-0.949，將f2解釋為“鮮葉抗火”因子，f2的方差貢獻率為36.035%，占第二位。

由表4防火因子得分值建立因子得分模型如下：

f1 =-0.169W+ 0.108X1-0.048X2 + 0.264X3 + 0.157X4 + 0.178X5 + 0.307X6-0.145X7;

f2=0.047W + 0.381X1-0.351X2 + 0.100X3-0.109X4-0.012X5 + 0.305X6 + 0.144X7。

2.2.2干葉可燃性主成分提取及因子得分模型建立 通過對干葉的7個指標(biāo)（G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7）結(jié)果進行因子分析，其相關(guān)系數(shù)均大于0.3，適合進行因子分析。按照累積方差貢獻率≥85%的原則，用特征根大于1的3個公共因子代替原7個變量，能夠概括原始變量所含信息的94.115%，如表5所示。

使用Kaiser標(biāo)準(zhǔn)化正交旋轉(zhuǎn)方法，對因子載荷矩陣進行旋轉(zhuǎn)，使載荷值在水平方向上以1和0分化，進行5次旋轉(zhuǎn)迭代后，得載荷矩陣表6。

經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后載荷系數(shù)如表6所示， 公因子m1在干葉煙產(chǎn)生速率峰值（G5）和干葉總煙釋放量（G6）2個指標(biāo)上荷載較高，分別為0.940、0.918，將m1解釋為“干葉煙霧示警”因子，m1的方差貢獻率為40.361%，占第一位。公因子m2在干葉點燃時間（G1）、干葉總熱釋放量（G4）、干葉熱釋放速率峰值（G3）3個指標(biāo)上荷載較高，分別為0.907、0.880、0.786，將m2解釋為“干葉釋熱示警”因子，m2的方差貢獻率為35.246%，僅次于m1。公因子m3在干葉燃燒時間（G2）上荷載較高，為0.973，將m3解釋為“干葉抗火”因子，m3的方差貢獻率為18.507%，占第三位。

由表6防火因子得分值建立因子得分模型如下：

m1 =-0.184G1 +0.101G2+0.050G3 +0.047G4+0.339G5 +0.347G6-0.330G7;

m2=0.409G1-0.111G2 +0.373G3 +0.333G4 +

0.003G5-0.017G6+0.199G7;

m3=0.038G1 +0.808G2-0.384G3+0.065G4+0.075G5 +0.191G6+0.090G7。

2.3 葉片燃燒性排序模型建立與應(yīng)用

將計算所得標(biāo)準(zhǔn)化值代入得分模型，得到各樹種各公因子的得分值，即以各因子的方差貢獻率占因子總方差貢獻率的比重作為權(quán)重，進行加權(quán)評分，對各樹種葉片防火性進行排名。

2.3.1鮮葉燃燒性排序模型 計算f1、f2，再將f1、f2代入f=（51.633f1 +36.035f2）/87.668，記作鮮葉得分，結(jié)果如表7所示。

博福德冬青和史蒂芬冬青在鮮葉防火性能評價中表現(xiàn)突出，在公因子“鮮葉示警”因子f1、“鮮葉抗火”因子f2以及綜合因子f的評價較高。表明在自然狀態(tài)下，這兩種冬青在釋煙釋熱方面的綜合警示效果好，自身抗火能力強，以及在綜合防火性能上更突出。

大別山冬青在公因子f1、f2以及綜合因子f的評價上略高于石楠和海桐，雙核冬青和克恩氏冬青的評價低于石楠和海桐。

2.3.2 干葉燃燒性排序模型 計算m1、m2、m3，再將m1、m2、m3代入m=（40.361m1 +35.246m2 +18.507m3）/94.115，記作干葉得分，結(jié)果如表8所示。

史蒂芬冬青、大別山冬青和博福德冬青在“干葉煙霧示警”因子m1、“干葉抗火”因子m3以及綜合因子m的評分較高。表明這三種冬青枯落物的煙霧示警效果好，自身抗火能力強，以及綜合防火能力突出。

克恩氏冬青在“干葉釋熱示警”m2因子的評分最高，枯落物釋熱示警效果最好;博福德冬青和雙核冬青在公因子m2的評價上與石楠相近;其他植物公因子m2的得分為負(fù)，史蒂芬冬青得分最低。

經(jīng)過因子分析進行綜合得分排名，供試植物鮮葉防火性從強到弱進行排序依次為博福德冬青>史蒂芬冬青>大別山冬青>石楠>海桐>雙核冬青>克恩氏冬青;供試植物干葉防火性從強到弱排序為史蒂芬冬青>大別山冬青>博福德冬青>海桐、雙核冬青>克恩氏冬青>石楠。

3 討論與結(jié)論

駱文堅等（2006）、李樹華等（2008）曾對紅果冬青（Ilex chinensis）、大葉冬青（I. latifolia）、鐵冬青（I. rotunda）、枸骨（I. cornuta）等進行過防火測試，但缺少參照的防火樹種，沒有形成系統(tǒng)的針對冬青屬植物防火性能評價的標(biāo)準(zhǔn)。此外，國內(nèi)外未見到有冬青防火方面的文獻。近年來，克恩氏冬青、史蒂芬冬青、大別山冬青、博福德冬青和雙核冬青在市場上非常受歡迎，這些冬青品種在庭院及小區(qū)中，可獨立成景，枝葉量大，耐修剪，紅果經(jīng)冬不落，亦可與其他植物組合造景，景觀效果優(yōu)良。此外，冬青屬植物抗逆性強，栽植易成活，是良好的蜜源植物，可為鳥類越冬提供越冬食物，具有良好的生態(tài)功能（李修鵬等，2013;錢燕萍和田如男，2016）。海桐和石楠，被認(rèn)為是較好的防火樹種（張家來等，2000;肖華和吳昌庭，2001），也是國內(nèi)營造防火林帶的常見樹種，冬青屬植物與這兩種樹種進行防火性能比較有很大的參考應(yīng)用價值。通過對不同植物葉片材料防火性能的綜合評價，發(fā)現(xiàn)史蒂芬冬青、大別山冬青、博福德冬青的防火性能優(yōu)于海桐和石楠。

目前對于植物防火性能的研究主要集中于植物的樹皮、枝條和葉片（江津凡等，2012;梁琴等，2015;裴建元等，2015;蘇文靜等，2017;劉欣瑜等，2019）。樹皮起到保護樹干的作用，火災(zāi)時可在一定程度上抵御火烤。而葉片是植物最外層的部分，也是最容易著火的部位（祝必琴等，2011），起到阻隔火勢的作用。為減緩火勢的蔓延，葉片應(yīng)是植物防火性評價的重點。

影響植物防火能力的因素很多，如：含水率（Philpot， 1977）、材料的厚度和密度（Vanderweide & Hartnett， 2011）、紋理和質(zhì)地（Lawes et al.， 2011）、有機化合物含量（Lillis et al.， 2009）等。而不同植物含有的有機化合物種類各異（王怡晨等，2019;曹媛媛等，2019），冬青也大多含有萜類、酚類等（Li & Row， 2018;Chen et al.， 2019）。究其根本，植物燃燒時的表現(xiàn)才是反映其防火能力強弱的關(guān)鍵。因此，本文使用錐形量熱儀模擬真實燃燒環(huán)境，直接測試葉片燃燒時的各種指標(biāo)，以此評判植物的防火能力。采用因子分析法，對各項指標(biāo)提取出主成分后建立評分模型，使研究結(jié)果更加科學(xué)可靠。

通過區(qū)別鮮葉和干葉材料的差異，研究發(fā)現(xiàn)同一種植物干葉和鮮葉的防火阻燃能力存在差異，不同樹種或品種防火性能的排序也發(fā)生了變動。實際情況中，火災(zāi)發(fā)生后，冬青類的植物葉量非常大，葉片成簇密集，又在植株的最外圍，鮮葉會成為阻燃的第一道防線。而葉量大的常綠樹種葉片凋落物也不容忽視，氣干狀態(tài)下的葉片防火指標(biāo)則較好地反映了地面凋落物的阻燃能力。

本研究是在特定時期，僅針對葉片，從燃燒實驗參數(shù)等方面開展的相關(guān)研究。不同的植物器官、不同季節(jié)、不同的實驗測定方法會影響防火性能的評價結(jié)果。葉片的形態(tài)、空間分布結(jié)構(gòu)、葉片生物量、葉片的生長狀況和生理指標(biāo)對植株的防火性能也有一定的影響。特定的冬青品種還可能具備特殊的防火功能，采用常規(guī)的實驗方法不能發(fā)現(xiàn)其特異性。冬青新品種的防火性能測定方法及其不同季節(jié)動態(tài)變化規(guī)律還有待進一步研究。僅考慮葉片的防火性能是本文的不足之處，植物其他組織的防火性能也不容忽視，在接下來的研究中，應(yīng)全面考慮植物各器官的防火性能，進行綜合評判。

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（責(zé)任編輯 何永艷）

收稿日期：? 2020-04-17

基金項目： 江蘇省重點研發(fā)計劃項目（BE2017375-6，BE2018400）;防火及兼觀賞冬青品種篩選及栽培技術(shù)推廣項目（LGYB201911） [Supported by the Project of Jiangsu Province Key Research and Development （BE2017375-6， BE2018400）; Promotion Project of Fire Prevention and Ornamental Ilex Cultivars Selection and Cultivation Technology（LGYB201911）]。

作者簡介： 楊丁（1992-），碩士，主要從事冬青屬植物開發(fā)與應(yīng)用，（E-mail）295850692@qq.com。

通信作者： 郝明灼，博士，副教授，主要從事冬青屬植物開發(fā)與應(yīng)用，（E-mail）hmz@njfu.edu.cn。