張念慈 李丹丹 于文男

（黑龍江省森林保護(hù)研究所，黑龍江 哈爾濱 150000）

森林可燃物是森林火災(zāi)發(fā)生及林火蔓延的物質(zhì)基礎(chǔ)，其燃燒性直接影響火行為[1]?？扇嘉锶紵囊话阋?guī)律是從地表草本層，逐漸過(guò)渡到灌木層，到喬木層，由此可見(jiàn)，草本層是可燃物燃燒的基礎(chǔ)層。春季森林火災(zāi)一般發(fā)生在冰雪消融后樹(shù)木和植物返青前這一階段，草本層植被返青時(shí)間的早晚直接影響林火的蔓延速度、林火強(qiáng)度等火行為。早春時(shí)節(jié)是森林火災(zāi)多發(fā)、易發(fā)的重要時(shí)期，這段時(shí)期冰雪已基本融化，多大風(fēng)、干燥、少雨天氣，地表相對(duì)干旱，林下喬、灌木層和大部分草本層仍處于休眠期，森林火災(zāi)極易發(fā)生。研究早春草本植物的燃燒性，補(bǔ)充、完善和發(fā)展森林可燃物研究的整體性和系統(tǒng)性，為草本可燃物在森林防火上的應(yīng)用提供理論參考，特別是生物防火林帶的建設(shè)方面，為草本植物種類的篩選提供新的方向和選擇[2-8]。

早春草本植物指在早春季節(jié)積雪融化時(shí)，迅速開(kāi)花隨即展葉并結(jié)實(shí)，在40～60 d完成地上部分的生長(zhǎng)，在林冠層闊葉樹(shù)展葉時(shí)迅速枯萎，地下部分則進(jìn)入9個(gè)月以上休眠期的一類多年生草本植物。這類草本植物多數(shù)生長(zhǎng)在溫帶闊葉落葉林下和針闊混交林下[9-16]。

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

黑龍江省豐林國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于小興安嶺伊春市五營(yíng)區(qū)，地處東經(jīng)128°58’～129°15’，北緯48°02’～48°12’，海拔280～683 m。屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季多大風(fēng)天氣，少雨且氣候干旱。該地區(qū)森林覆被率達(dá)到96%左右，森林植被和類型較為豐富，屬長(zhǎng)白植物區(qū)系小興安嶺亞系，有113 屬568 種32 變種12 變形，其中包括6 種國(guó)家重點(diǎn)級(jí)保護(hù)植物，以紅松針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)為主，其次是谷地落葉松林生態(tài)系統(tǒng)、谷地冷杉林生態(tài)系統(tǒng)、白樺次生林生態(tài)系統(tǒng)、臺(tái)地及低洼地帶形成的濕地、沼澤濕地、沼澤化草甸生態(tài)系統(tǒng)。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集

調(diào)查時(shí)間為早春季和春季的3 月15 日～7 月15 日，調(diào)查地點(diǎn)在豐林國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)。選取該地區(qū)具有代表性的3 種典型林型，紅松林混交林、白樺混交林、闊葉混交林。每個(gè)林型下分別設(shè)置30 m×10 m的樣地3 個(gè)，在每個(gè)樣地內(nèi)機(jī)械的布置1 m×1 m草本樣方3塊，在樣方內(nèi)采集所需實(shí)驗(yàn)樣本。

通過(guò)野外調(diào)查，研究區(qū)域內(nèi)早春草本植物有20 余種，綜合考慮早春草本植物分布情況、生長(zhǎng)情況等因素，選取了12 種早春草本植物作為本實(shí)驗(yàn)樣本，分別為：紫堇（CorydalisedulisMaxim）、黑水銀蓮花（AnemoneamurensisKom）、大葉銀蓮花（Anemone udensis）、荷青花（HylomeconJaponicum）、白屈菜（Chelidoniummajus）、五?；ǎˋdoxamoschatellina）、延胡索（Croydalisyanhusuo）、側(cè)金盞（Adonisamurensis RegeletRadde）、大人字果（Dichocarpumsutchuenense）、金腰子（ChrysospleniumserreanumHandMazz）、菟葵（Eranthisstellata）、驢蹄草（CalthapalustrisL.）。

1.2.2 測(cè)定方法

1）含水率測(cè)定。風(fēng)干含水率的計(jì)算方式是將野外采集樣品常溫下放置數(shù)日后，待自然風(fēng)干稱重并進(jìn)行計(jì)算。絕干含水率的計(jì)算方式是將樣品放在溫度105 ℃的烘箱中，連續(xù)烘干24 h以上至絕干重,取出稱重進(jìn)行計(jì)算。含水率計(jì)算公式：

式中：M絕干為絕干含水率，%；M風(fēng)干為風(fēng)干含水率，%；W1為采集樣品鮮重；W2為樣品自然風(fēng)干后的干重；W絕為樣品烘干后的絕干重。

2）燃點(diǎn)測(cè)定。樣品經(jīng)烘箱烘干至恒定質(zhì)量，粉碎后經(jīng)40 目篩網(wǎng)篩出試樣，取0.1 g試樣與0.075 g亞硝酸鈉混合放入試管中，將裝有試樣的試管放置于XTRD-5 微機(jī)燃點(diǎn)測(cè)定儀中進(jìn)行測(cè)定。

3）熱值測(cè)定。樣品經(jīng)烘箱烘干至恒定質(zhì)量，粉碎后經(jīng)40 目篩網(wǎng)篩出試樣，取0.5 g樣品放入坩堝中，將氧彈中注氧，放置在XRY-1C量熱儀中，采用熱量計(jì)氧彈法進(jìn)行熱值測(cè)定。

4）灰分測(cè)定。樣品經(jīng)烘箱烘干至恒質(zhì)量，粉碎后經(jīng)40 目篩網(wǎng)篩出試樣，取1 g樣品放入處理好的坩堝中，放置于馬弗爐內(nèi)，在550 ℃高溫下灼燒1～2 h，爐內(nèi)慢慢冒煙，待煙冒完后再灼燒約10～15 min左右，至樣品灰化到恒重且呈松散不成型白色物質(zhì)狀態(tài)，將其移到真空干燥器內(nèi)，待試樣溫度降至室溫后進(jìn)行稱重并計(jì)算?；曳趾康挠?jì)算公式：

式中：A為灰分含量，%；WA為灰化后樣品和坩堝的重量，g；WB為灰化前樣品和坩堝重量，g；WC為坩堝的重量，g。

2 早春植物燃燒性分析

按照試驗(yàn)測(cè)定方法，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定出12 種早春草本植物的燃燒指標(biāo)值（表1）。

表1 早春草本植物燃燒性指標(biāo)值Tab.1 Index value of burning ability of early spring herbs

2.1 含水率比較分析

含水率是燃燒性研究的一個(gè)重要性指標(biāo)，也是選擇阻火物的一個(gè)基礎(chǔ)性指標(biāo)。含水率的多少能夠直接影響到可燃物燃燒的難易程度，可燃物達(dá)到燃點(diǎn)的速度，以及可燃物燃燒所釋放的熱量。含水率指標(biāo)值越大，可燃物易燃的能力就越弱，反之，含水率指標(biāo)值越小，其易燃的能力反而越強(qiáng)。

各類早春草本植物的含水率值存在較大的差距。風(fēng)干含水率平均值260.95%，變化范圍247.64%～376.90%。絕干含水率平均值是473.24%，在346.46%～684.04%范圍之間變化。其中，金腰子含水率最高，達(dá)684.04%；大葉銀蓮花含水率最低，為346.46%；含水率在300%～400%有3 種，分別為大葉銀蓮花、菟葵、大人字果；含水率在400%～600%有7 種，分別是荷青花、五?；?、側(cè)金盞、白屈菜、驢蹄草、黑水銀蓮花和延胡索；含水率在600%～700%有2 種，分別為紫堇和金腰子。

2.2 燃點(diǎn)比較分析

早春草本植物的燃點(diǎn)指在火源直接作用下，著火時(shí)的最低溫度，也稱作著火點(diǎn)?？扇嘉锊煌键c(diǎn)也就不一樣；燃點(diǎn)值越低，越容易燃燒，可燃物的抗火性也就越差，反之，燃點(diǎn)值越高，越不容易燃燒，抗火性就會(huì)越強(qiáng)。

各種早春草本植物燃點(diǎn)差異較小，12 種草本植物燃點(diǎn)平均值為249 ℃，變化范圍241～254 ℃。其中，菟葵燃點(diǎn)最高，達(dá)到254 ℃；其次是驢蹄草253 ℃，側(cè)金盞和白屈菜均為251 ℃；其他類草本植物燃點(diǎn)均在240～250 ℃范圍內(nèi)變化，燃點(diǎn)最低的是大葉銀蓮花241 ℃。

2.3 熱值比較分析

早春草本植物的熱值指在絕干狀態(tài)下，完全燃燒時(shí)所釋放出的熱量；它是影響燃燒性的一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)，是影響林火蔓延速度和燃燒程度的一個(gè)重要性指標(biāo)。

各種早春草本植物因其組成成分不同，燃燒釋放熱量也就不同。熱值越高，說(shuō)明可燃物所釋放熱量越多，火強(qiáng)度越大，對(duì)燃燒性的影響也就越大；反之，熱值越低，可燃物釋放熱量也就越少，火強(qiáng)度也就變?nèi)酰瑢?duì)燃燒性影響相對(duì)變小。

各種早春草本可燃物之間熱值變化有較為顯著差異，12 種草本可燃物熱值平均值17 162.83 J/g，變化范圍在15 066～19 064 J/g。黑水銀蓮花熱值最高，達(dá)到190 64 J/g；其次是金腰子18 535 J/g和荷青花18 089 J/g；熱值范圍在16 000～17 000 J/g草本植物有5 種；熱值處于15 000～16 000J/g的草本植物有3 種；熱值最低是側(cè)金盞，為15 066 J/g。

2.4 灰分比較分析

早春草本植物灰分指燃燒后剩余的物質(zhì)，是具有阻燃作用的抑燃性物質(zhì)，能限制火燃燒速度及火蔓延速度?；曳趾康亩嗌伲苯佑绊懙搅只鹦袨榈拇笮??；曳趾恐翟礁?，可燃物燃燒能力就越差，火強(qiáng)度相對(duì)變?nèi)?，蔓延速度也?huì)變得緩慢；反之，灰分含量值越低，可燃物反而得到充分燃燒，火強(qiáng)度相對(duì)變大，從而加快火蔓延速度。

各種早春草本可燃物灰分含量平均值為19.75%，變化范圍在10.86%～30.55%。其中，灰分含量最高的是側(cè)金盞，30.55%；灰分含量20%～30%草本植物有5種，包括金腰子、荷青花等；在20%以下的草本植物有6種，分別是黑水銀蓮花、五?；ǖ龋换曳趾孔畹偷氖谴笕~銀蓮花，為10.86%。

3 早春植物燃燒性排序

3.1 權(quán)重確定方法

采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱AHP），利用燃燒綜合評(píng)價(jià)體系，構(gòu)建早春草本植物燃燒層次結(jié)構(gòu)模型（圖1），對(duì)比分析各個(gè)影響因子的影響力大小，通過(guò)矩陣計(jì)算各指標(biāo)因子的權(quán)重?cái)?shù)值，綜合分析評(píng)價(jià)12 種早春草本植物燃燒性。

圖1 燃燒層次結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Combustion hierarchy model

3.2 構(gòu)建燃燒性層次結(jié)構(gòu)模型

最高層的燃燒性，是要達(dá)到的目標(biāo)或需要解決的問(wèn)題。中間層的引燃性、劇烈性、持續(xù)性3 個(gè)影響指標(biāo)，可由1 個(gè)或多個(gè)層次共同組成。最底層包含5 個(gè)燃燒性影響因子，盡管每個(gè)指標(biāo)重復(fù)出現(xiàn)，但同一指標(biāo)對(duì)不同中間層的影響因子大小不同，也就決定了其所占的權(quán)重值不同。

在結(jié)構(gòu)模型中，引燃性表示點(diǎn)燃的難易程度，影響因子包括絕干含水率、風(fēng)干含水率和燃點(diǎn)3 個(gè)；劇烈性表示燃燒速度和燃燒強(qiáng)度，與4 個(gè)影響因子相關(guān)，即絕干含水率、風(fēng)干含水率、熱值和灰分；持續(xù)性表示燃燒持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)短，受到3 個(gè)燃燒因子影響，分別是絕干含水率、風(fēng)干含水率、灰分。

3.3 確定各因子權(quán)重值

根據(jù)Santy（1980）等人提出的一致矩陣法，在查閱了大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，確定矩陣中各個(gè)指標(biāo)的重要性，分別為：中間層的3 個(gè)指標(biāo)排序?yàn)椋阂夹裕緞×倚裕境掷m(xù)性；最底層中，引燃性的3 個(gè)影響指標(biāo)排序?yàn)椋航^干含水率＞風(fēng)干含水率＞燃點(diǎn)；影響劇烈性的4 個(gè)指標(biāo)排序?yàn)椋簾嶂担窘^干含水率＞風(fēng)干含水率＞灰分；影響持續(xù)性的3 個(gè)指標(biāo)排序?yàn)椋夯曳郑窘^干含水率＞風(fēng)干含水率。根據(jù)排序結(jié)果構(gòu)建矩陣如下：

1）中間層對(duì)最高層的矩陣

得到結(jié)果：引燃性權(quán)重值是0.571，劇烈性權(quán)重值是0.286，持續(xù)性權(quán)重值是0.143。

2）最底層對(duì)中間層各指標(biāo)的矩陣

（1）引燃性的權(quán)重構(gòu)造

得到結(jié)果：風(fēng)干含水率權(quán)重值為0.283、絕干含水率權(quán)重值為0.643、燃點(diǎn)權(quán)重值為0.074。

（2）劇烈性的權(quán)重構(gòu)造

得到結(jié)果：風(fēng)干含水率權(quán)重值為0.200，絕干含水率權(quán)重值為0.200，熱值權(quán)重值為0.520，灰分權(quán)重值為0.080。

（3）持續(xù)性的權(quán)重構(gòu)造的

得到結(jié)果：絕干含水率權(quán)重值為0.283，灰分權(quán)重值為0.643，風(fēng)干含水率權(quán)重值為0.074。

根據(jù)唯一非零特征根為n的原理，對(duì)判斷矩陣中計(jì)算得出的權(quán)重?cái)?shù)值，分別進(jìn)行總層次和單層次的一致性檢驗(yàn)，全部通過(guò)，得出燃燒性各影響因子權(quán)重值（表2）。

表2 燃燒性因子權(quán)重值Tab.2 Flammability factor weight value

3.4 早春植物燃燒性排序

各早春草本植物所測(cè)定燃燒性指標(biāo)數(shù)值，結(jié)合各因子燃燒性權(quán)重值進(jìn)行計(jì)算，得出12 種早春草本植物的燃燒性、引燃性、劇烈性、持續(xù)性數(shù)值，并按照燃燒性值進(jìn)行排序（表3），綜合分析評(píng)價(jià)12 種早春草本植物燃燒性。

表3 草本植物燃燒性指標(biāo)值Tab.3 Index value of combustibility of herbaceous plants

從引燃性方面來(lái)看，引燃性最高的是金腰子，最低的是大葉銀蓮花，主要是含水率因子對(duì)引燃性影響較大；從燃燒劇烈性方面來(lái)看，燃燒強(qiáng)度最強(qiáng)的是金腰子，強(qiáng)度最弱的是大葉銀蓮花；從燃燒持續(xù)性方面來(lái)看，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的是側(cè)金盞，時(shí)間最短的是大葉銀蓮花。

綜合分析12 種早春草本植物燃燒性，最易引燃的是金腰子，最難引燃的是大葉銀蓮花；得出12 種早春草本植物抗火性排序?yàn)榇笕~銀蓮花＞菟葵＞大人字果＞荷青花＞五?；ǎ倔H蹄草＞側(cè)金盞＞白屈菜＞延胡索＞黑水銀蓮花＞紫堇＞金腰子。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)黑龍江省小興安嶺12 種主要早春草本植物燃燒性分析，總結(jié)其含水率、燃點(diǎn)、熱值、灰分的平均值及變化范圍，利用層次分析法對(duì)12 種早春草本植物燃燒性進(jìn)行排序，為生物防火林帶地被植物的選擇提供理論依據(jù)，提升防火林帶阻火性能，完善森林可燃物研究的整體性和系統(tǒng)性。