黑龍江省主要草本可燃物燃燒性分析I：灰分含量及燃燒速度

王小雪 ，彭徐劍 胡海清

（1. 東北林業(yè)大學 林學院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2. 南京森林警察學院治安系，江蘇 南京 210046；3. 哈爾濱醫(yī)科大學 組織部，黑龍江 哈爾濱150081）

黑龍江省主要草本可燃物燃燒性分析I：灰分含量及燃燒速度

王小雪1，3，彭徐劍2，胡海清1

（1. 東北林業(yè)大學 林學院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2. 南京森林警察學院治安系，江蘇 南京 210046；3. 哈爾濱醫(yī)科大學 組織部，黑龍江 哈爾濱150081）

應用SX2-10-13型馬弗爐和電爐對黑龍江省主要草本可燃物灰分含量及燃燒速度進行了測定，分析了不同草本可燃物、同一科草本可燃物及科與科之間灰分含量及燃燒速度的差異，以及產(chǎn)生差異的原因。從灰分含量及燃燒速度綜合分析得出，灰菜的灰分含量（25.48%）為20種草本可燃物中最高，其燃燒速度（0.723 4 s）為20種草本可燃物最慢，說明其阻火性能為20中草本可燃物最好；而唐松草的阻火性能最差，其灰分含量（4.85%）為20種草本可燃物中最低，燃燒速度（0.113 5 s）為20種草本可燃物最快；草本可燃物科與科之間灰分含量與燃燒速度比較分析得出，草本可燃物科與科之間灰分含量與燃燒速度沒有固定的規(guī)律；草本可燃物灰分含量與燃燒速度的負相關(guān)。

草本可燃物；燃燒性分析；灰分含量；燃燒速度；黑龍江省

灰分的多少主要影響火行為，一般說來，灰分大的樹木燃燒不完全，火強度相對就小，林火蔓延遲緩?；曳忠卜Q礦物質(zhì)，它主要由鈉、鉀、鈣、磷、鐵等元素化合物組成，林木中灰分含量隨樹種、土壤、樹齡、生長條件、季節(jié)而改變,也隨植株不同部位而異[1-4]?；曳治镔|(zhì)的熱效應主要表現(xiàn)在能限制焦油產(chǎn)生和增加木炭的生成量?？扇嘉镏谢曳治镔|(zhì)含量越多越不易燃[5]。而焦油是形成火焰所需能量的提供者，因此，降低焦油的含量可顯著地限制有焰燃燒[6-11]，可限制有焰燃燒和火蔓延的速度。因此，灰分物質(zhì)含量愈高，可燃物就越難燃。不同可燃物種類的灰分含量差異很大，在木材中，灰分含量一般低于2%，樹皮稍高些，葉子的灰分含量最高可達5%～10%[12-18]。燃燒速度是測定植物燃燒性質(zhì)的一項綜合性指標[19-21]。反映火在某種類型可燃物上的蔓延速度。筆者根據(jù)黑龍江省主要草本可燃灰分含量和燃燒速度的測定結(jié)果,比較分析不同草本可燃物的灰分含量及其燃燒的難易程度，從可燃物理化性質(zhì)方面為森林防火提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黑 龍 江 省 位 于 我 國 最 北 部（121°11′～135°05″N；43°25′～ 53°33′E），面積 46 萬 km2。西部屬松嫩平原，東北部為三江平原，北部、東南部為山地。屬寒溫帶一溫帶濕潤一半濕潤季風氣候。1月平均氣溫-31～-15℃，極端最低氣溫達-52.3 ℃（漠河1969年2月13日）。7月為18～23 ℃，無霜期僅3～4個月，年平均降水量300～700 mm。

該省高等植物183科737屬2 400種。其中種子植物為1763種，占全國種子植物的7.2%。屬于642個屬，110科。在種子植物中被子植物107科636個屬642種，裸子植物3科6屬17種。這眾多的植物種類中，有些是本區(qū)特有的，有些是來自外區(qū)在此安家落戶的，有些種類是屬于生態(tài)幅度寬廣的世界廣布種。從本省植物種類分布的優(yōu)勢度看，以菊科、禾本科、莎草料、薔蔽科、毛夏科等為主。這些科屬的植物中莎草料的苔草屆、薔額科的大部分草本，以及毛茛科的多數(shù)種類耐寒性極強，都在一定程度上顯示著其生活地域的特點是以寒溫帶為主的。

2 研究方法

2.1 樣品采集

樣品采集于黑龍江省帽兒山林場、涼水林場及塔河林業(yè)局。

2.2 實驗儀器及設備

電熱鼓風干燥箱101A 3型（上海實驗儀器廠有限公司）；茂福爐 SX2-10-13 （天津市中環(huán)實驗電爐有限公司）；電子萬用爐 220 V 1 000 w （天津市泰斯特儀器有限公司）；研磨機 A11 basic（德國IKA?）；電子天平BS 124S Max 120 g d=0.000 1 g；干燥器 50 cm玻璃干燥器； 瓷坩堝40 mL,坩堝夾；分樣篩 60目/寸 孔徑 0.3 mm。

2.3 測定方法

2.3.1 燃燒速度的測定

測試方法：取相同葉面積的鮮葉在同樣火強度的電爐上（墊上石棉網(wǎng)）灼燒，觀測葉片的炭化（即烤焦）和灰化（有焰燃燒成灰分）的時間。也有利用蔓延速度做燃燒速度測算的，比如采用室內(nèi)點燃法測定。在室內(nèi)事先準備好的表面上做點火試驗用，可采用平坦的和坡度為15°的放置，將采回干燥好的樣品平鋪，然后從一端（低端）點火，當火焰升起時，測算火焰從一斷燃燒蔓延到另一端所需的時間，最后計算出燃燒速度。燃燒速度計算公式如下：

燃燒速度＝（S/t）×100%。

式中： S為距離，cm；t為時間，s。

2.3.2 灰分含量的測定

1）每個樣本取3份進行平行試驗，試驗步驟如下：

將從大興安嶺樣地采集的樣品放在8℃條件下烘干至恒重,然后用粉碎機粉碎（用分樣篩篩過后）,放入干燥器內(nèi)備用；精確稱取2～3 g(稱準至0.000 1 g)；置于預先灼燒至恒重的大小適宜的瓷坩鍋（瓷皿底面積28 cm2、10 cm2）；炭化：在電爐加熱使樣品充分炭化至無煙；灰化：將炭化至無煙的試樣移至茂福爐內(nèi)，錯開蓋，關(guān)閉爐門；650 ℃下灰化30 min后；冷卻至200 ℃以下，取出，放入干燥器中至室溫，精密稱量；重復灼燒至恒重，重復灼燒至前后兩次稱量相差不超過0.5 mg為恒重，稱量；標準差小于0.03%。

2）灰分含量計算公式

式中：X為樣品中灰分的含量，%；m1為坩堝和灰分的質(zhì)量，g；m2為坩堝的質(zhì)量，g；m3為坩堝和樣品的質(zhì)量，g。

3 結(jié)果與分析

本實驗共對20種主要草本可燃物進行測量，對每個樣本取3份進行平行試驗，取其平均值，并進行比較分析。其中有14個科的草本可燃物，藜科有灰菜；鳳仙花科有水金鳳；木賊科有問荊；百合科有鈴蘭、藜蘆、小玉竹、毛百合；紫草科有山茄子；莎草科有尖嘴苔草、羊胡子草；罌粟科有白屈菜；唇形科有益母草；茜草科有北方豬殃殃；毛茛科有毛茛、唐松草；柳葉草科有月見草；禾本科有大葉章；薔薇科有蚊子草；菊科有黃蒿；豆科有廣布野豌豆。其結(jié)果見表1。

表1 灰分的測定結(jié)果Table 1 Determination results of ash

表1得出20種不同草本可燃物的灰分含量結(jié)果。如表所示，草本可燃物中灰分含量最高的是灰菜（25.48%），其次是水金鳳（20.92%）、問 荊（16.35%）、 藜 蘆（13.76%）、 山 茄 子(12.88%)、尖嘴苔草（11.80%）、白屈菜（11.56%）、益母草（11.22%）、北方豬殃殃（11.19%）、毛茛（9.91%）、月見草（8.71%）、大葉章（8.39%）、蚊子草（7.94%）、羊胡子草（7.05%）、小玉竹（6.52%）、黃蒿（6.09%）、毛百合（5.57%）和廣布野豌豆（5.17%），最低的是唐松草（4.85%），這有效的說明了：在同一生境中，灰分的高低反應出物種對礦質(zhì)元素的選擇吸收和積累的本身差異。從表1可知，草本可燃物中燃燒速度最快的是唐松草(0.113 5 s)，其次是羊胡子草（0.180 2 s）、鈴蘭(0.180 9 s)、廣布野豌豆(0.188 1 s)、毛百合(0.190 4 s)、白屈菜(0.202 3 s)、毛茛(0.238 6 s)、小玉竹（0.238 8 s）、大葉章（0.270 8 s）、山茄子（0.281 5 s）、尖嘴苔草（0.284 9 s）、蚊子草(0.288 0 s)、藜蘆(0.288 1 s)、月見草(0.298 1 s)、北方豬殃殃(0.302 7 s)、益母草(0.316 6 s)、黃蒿(0.447 7 s)、水金鳳(0.501 0 s)和問荊(0.572 6 s)，灰化速度最慢的是灰菜（0.723 4 s）。

以上結(jié)果表明，每種草本可燃物的灰分含量各不相同，這是由于各草本可燃物對礦質(zhì)元素累積不同造成的。

3.1 同一科草本可燃物的灰分含量及其燃燒速度比較分析

實驗選取有代表性的草本可燃物20種，共14科。其中藜科有灰菜；鳳仙花科有水金鳳；木賊科有問荊；百合科有鈴蘭、藜蘆、小玉竹、毛百合；紫草科有山茄子；莎草科有尖嘴苔草、羊胡子草；罌粟科有白屈菜；唇形科有益母草；茜草科有北方豬殃殃；毛茛科有毛茛、唐松草；柳葉草科有月見草；禾本科有大葉章；薔薇科有蚊子草；菊科有黃蒿；豆科有廣布野豌豆。選取多種草本可燃物的科進行比較分析，其中有百合科、莎草科、毛茛科。

3.1.1 百合科草本可燃物灰分含量及其燃燒速度比較分析

表1顯示，百合科的草本可燃物有鈴蘭、藜蘆、小玉竹、毛百合，它們的灰分含量分別為16.35%、13.76%、6.52%和5.57%，燃燒速度依次為0.180 9、0.288 1、0.238 8和0.190 4 s。其中，鈴蘭的灰分含量為百合科可燃物最高，其燃燒速度也為百合科可燃物最快，這與灰分物質(zhì)含量愈高，可燃物就越難燃，蔓延越遲緩矛盾，造成這種現(xiàn)象的原因可能是鈴蘭葉質(zhì)結(jié)構(gòu)薄有關(guān)，因為火的蔓延不僅與灰分含量有關(guān)，也與可燃物結(jié)構(gòu)等有關(guān)。藜蘆、小玉竹和毛百合基本符合灰分物質(zhì)含量愈高，可燃物就越難燃，蔓延越遲緩這條規(guī)律。

3.1.2 莎草科草本可燃物灰分含量及其燃燒速度比較分析

表1比較得出，在莎草科草本可燃物中，尖嘴苔草的灰分含量比羊胡子草的灰分含量要高，尖嘴苔草的灰分含量為11.8%，而羊胡子草的灰分含量為7.05%。從燃燒速度上看，尖嘴苔草燃燒時間為0.284 9 s，羊胡子草為0.180 2 s，羊胡子草燃燒較快，也就是說，發(fā)生森林大火時，羊胡子草密集的林型比尖嘴苔草密集的林型火勢蔓延要快。符合灰分物質(zhì)含量愈高，可燃物就越難燃，蔓延越遲緩這條規(guī)律。

3.1.3 毛茛科草本可燃物灰分含量及其燃燒速度比較分析

表1顯示，在毛茛科草本可燃物中，在莎草科草本可燃物中，毛茛的灰分含量比唐松草的灰分含量要高，毛茛的灰分含量為9.91%，而唐松草的灰分含量為4.85%。從燃燒速度上看，毛茛燃燒時間為0.238 6 s，唐松草為0.113 5 s，唐松草燃燒較快，也就是說，發(fā)生森林大火時，羊胡子草密集的林型比尖嘴苔草密集的林型火勢蔓延要快。符合灰分物質(zhì)含量愈高，可燃物就越難燃，蔓延越遲緩這條規(guī)律。

3.2 草本可燃物科與科之間灰分含量與燃燒速度比較分析

從表1可以看出，草本可燃物科與科之間灰分含量與燃燒速度沒有固定的規(guī)律，如莎草科的尖嘴苔草灰分含量比莎草科的毛茛高，而毛茛的灰分含量又比莎草科的羊胡子草要高。

3.3 草本可燃物阻火效果評估

從燃燒速度和灰分含量的角度看，草本可燃物阻火性能最好的是灰菜，其燃燒速度和灰分含量分別為0.723 4 s和25.48%，灰分含量為20種草本可燃物中最高，燃燒速度也為20種草本可燃物最慢，能很好的起到阻火的作用；阻火性能最差是唐松草，其燃燒速度和灰分含量分別為0.113 5 s和4.85%，灰分含量為20種草本可燃物中最低，燃燒速度也為20種草本可燃物最快。但草本可燃物的阻火性能主要取決于草本可燃物含水率的多少，含水量高則能很好的起到阻火的作用。

3.4 草本可燃物灰分含量與燃燒速度的關(guān)系

由圖1可以看出，灰分含量高的草本可燃物大體其燃燒時間較長，燃燒速度相對較慢，主要因為灰分的多少主要影響火行為，一般說來，灰分大的植物燃燒不完全，火強度相對就小，林火蔓延遲緩。

圖1 草本可燃物灰分含量與燃燒速度的關(guān)系Fig. 1 Relation between ash content and combustion velocity of herb fuels

4 小結(jié)與討論

在選取的20種草本可燃物中，每種草本可燃物的灰分含量各不相同，其阻火性能也不同。從灰分含量及燃燒速度綜合分析得出，灰菜的燃燒速度和灰分含量分別為0.723 4 s和25.48%，灰分含量為20種草本可燃物中最高，燃燒速度也為20種草本可燃物最慢，其阻火性能為20中草本可燃物最好；而唐松草的阻火性能最差，其燃燒速度和灰分含量分別為0.113 5 s和4.85%，灰分含量為20種草本可燃物中最低，燃燒速度也為20種草本可燃物最快。但草本可燃物的阻火性能主要取決于草本可燃物含水率的多少，含水量高則能很好的起到阻火的作用。

草本可燃物科與科之間灰分含量與燃燒速度比較分析得出，草本可燃物科與科之間灰分含量與燃燒速度沒有固定的規(guī)律，如莎草科的尖嘴苔草灰分含量比莎草科的毛茛高，而毛茛的灰分含量又比莎草科的羊胡子草要高。

草本可燃物灰分含量與燃燒速度的負相關(guān)，即灰分含量高的草本可燃物大體其燃燒時間較長，燃燒速度相對較慢，主要因為灰分的多少主要影響火行為，一般說來，灰分大的植物燃燒不完全，火強度相對就小，林火蔓延遲緩。

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

[2] 單延龍,張 敏,于永波.森林可燃物研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].北華大學學報:自然科學版,2004,5(3):264-268.

[3] 郭水良,黃 華,晁 柯,等.金華市郊10種雜草的熱值和灰分含量及其適應意義[J].植物研究,2005,25(4):460-464.

[4] 舒立福,田曉瑞,李 紅,等.我國亞熱帶若干樹種的抗火性研究[J].火災科學,2000,9(2):1-7.

[5] 池敬姬,王艷麗.總灰分及主要礦質(zhì)元素對煙葉品質(zhì)的影響[J].延邊大學農(nóng)學學報, 2004,26(3):204-207.

[6] 劉 元,吳義強,朱林峰.闊葉樹木中礦質(zhì)元素的分布[J].中南林學院學報,2001,21(4):44-49

[7] 劉 燦,李 宏.四種楊屬植物的熱值及灰分含量的比較[J].中南林業(yè)科技大學學報,2010,30(10):24-28

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

[9] 汪德玉.杉木喜樹混交林生態(tài)效應研究[J].河南大學學報:自然科學版,2005,35(2):67-71.

[10] 張 軍,范志林,林曉芬,等.灰化溫度對生物質(zhì)灰特性的影響[J].燃料化學學報, 2004,32(5):547-551.

[11] 王 剛,畢湘虹,駱介禹,等.大興安嶺幾種主要可燃物化學組成與燃燒性[J].森林防火,1996,(1):22-24.

[12] 鄧光瑞,胡海清.大興安嶺主要喬木灰分含量試驗分析[J].東北林業(yè)大學學報, 2006,34(3):16-18.

[13] 鄭煥能.森林防火[M].哈爾濱: 東北林業(yè)大學出版社,1991:8-9.

[14] 宋彥彥,金 森,汪兆洋.4種草本可燃物的熱解特性和動力學研究[J].中南林業(yè)科技大學學報,2012,32(11):51-56

[15] 輝朝茂,王文久.雙江縣竹類資源及主要竹種竹材造紙性能評定[J].西南林學院學報,1993,13(2):79-86.

[16] 林益明,林 鵬,王 通.幾種紅樹植物木材熱值和灰分含量的研究[J].應用生態(tài)學報, 2000,11(2):181-184.

[17] 胡海清,彭徐劍,劉雪峰,等.大興安嶺幾種主要可燃物類型地被物灰分含量比較分析[J].東北林業(yè)大學學報,2009,37(7):55-57.

[18] 陳子林,康華靖,劉 鵬,等.浙江大盤山香果樹群落各層優(yōu)勢種葉片熱值研[J].中南林業(yè)科技大學學報,2009,29(3):33-37.

[19] 宋彥彥,金 森,汪兆洋. 4種草本可燃物的熱解特性和動力學研究[J].中南林業(yè)科技大學學報,2012,32(11):51-55.

[20] 宋彥彥,金 森,孫才英.黑龍江帽兒山12種草本可燃物的慢速升溫熱解特性[J].林業(yè)科學, 2012,48(10):101-108.

[21] 金 森,顏雪嬌.帽兒山地區(qū)10種灌木生長期內(nèi)含水率變化及預測模型[J].應用生態(tài)學報,2012,23(12):3317-3324.

Combustibility analysis of inf l ammable matters of major herb species in Heilongjiang province: I. ash content and burning velocity

WANG Xiao-xue1,3, PENG Xu-jian2, HU Hai-qing1
(1. College of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China; 2. Dept. of Public Security, Nanjing Forest Police College, Nanjing 210046, Jiangsu, China; 3. Organization Dept., Harbin Medical University, Harbin 150081, Heilongjiang, China)

An experiment was conducted to measure ash content and combustion velocity of main herbal species in Heilongjiang Province by using SX2-10-13 muff l e furnace and electric oven. The differences of ash content and combustion velocity among different herbal species fuels, among the herb inf l ammable matters within the same family and the plant fuels among different families were investigated respectively, as well as the causes of leading the differences. The results of comprehensive analysis of the ash content and the combustion velocity show that among the 20 herbal species, the ash content (25.48%) of Chenopodium album L. was the highest but its combustion velocity (0.723 4 s) was the slowest, its fire resistance was the best of the 20 herbal fuels; and the Thalictrum aquilegifolium L. var. sibiricum Regel was the worst fire resistance herbal species, its ash content (4.85%) was the lowest, and its combustion velocity (0.113 5 s) was the fastest of all the herbal fuels. The analyses results of the herbs fuels ash content and the combustion velocity between the different branches of the herbal species show that there was no fi xed rule between the herbs fuels ash content and combustion velocity, but there was a negative correlation between the ash content and the combustion velocity.

inf l ammable matters of herb species;; combustibility analysis; ash content; combustion velocity; Heilongjiang province

S762.1

A

1673-923X(2013)05-0006-05

2012-12-19

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目（LGZD201322）

王小雪（1972-），女，黑龍江哈爾濱人，教授，主要從事森林防火方面的研究

[本文編校：吳 毅]