紫莖澤蘭莖葉的燃燒性

鄭永波，張雨瑤，廖周瑜，李路良，周勁峰，王秋華，李世友,2

（1.西南林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650224；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，北京 100091）

紫莖澤蘭Eupatorium adenophorum為菊科Compositae澤蘭屬Eupatorium多年生雜草，現(xiàn)已在云南、貴州等省廣泛分布與危害。紫莖澤蘭因其極強(qiáng)的傳播、繁殖能力和生態(tài)適應(yīng)性大量入侵到森林、火燒跡地和防火隔離帶。在紫莖澤蘭入侵與森林燃燒性的關(guān)系方面，李世友等[1]研究了紫莖澤蘭對多火環(huán)境的生態(tài)適應(yīng)對策，調(diào)查了紫莖澤蘭在防火線、生土帶和火燒跡地上的入侵特點(diǎn)并提出了在紫莖澤蘭入侵區(qū)應(yīng)慎修生土隔火帶的建議及其替代技術(shù)[2－3]； 韓煥金等[4]調(diào)查了紫莖澤蘭在云南安寧市2006年 “3·29”森林火災(zāi)火燒跡地的入侵現(xiàn)象；Tripathi等[5]研究表明，紫莖澤蘭在火燒跡地的數(shù)量比非火燒跡地多，幼苗在火燒跡地的成活率比非火燒跡地高。紫莖澤蘭與燃燒有關(guān)的研究和應(yīng)用主要集中在熱解[6－7]、產(chǎn)生可燃?xì)鈁8－10]、 燃燒利用[11－12]、 制造成型炭等方面[13－14]。在滇中重點(diǎn)火險(xiǎn)區(qū)的防火戒嚴(yán)期內(nèi)，干旱地段上的紫莖澤蘭老莖葉不斷干枯，新的莖葉不斷從根部萌發(fā)和生長，而水分條件較優(yōu)越地段上的紫莖澤蘭全部或部分老莖葉仍具有生活力，新的莖葉不斷從老莖或根部萌發(fā)和生長，這種特性決定了紫莖澤蘭燃燒性的復(fù)雜性。定量研究紫莖澤蘭的燃燒性，對于合理評價(jià)紫莖澤蘭對森林燃燒性的影響，正確選擇消防技術(shù)具有重要的參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

樣品采集于防火戒嚴(yán)期內(nèi)，采集地點(diǎn)為云南森林自然中心林地、西南林業(yè)大學(xué)校園。對于參與比較的不同種類可燃物，采集地相距較近，生境條件類似，以保證同一組比對試驗(yàn)樣品具有可比性。

1.2 研究方法

1.2.1 研究方法的確定 選定滇中地區(qū)不同的常見可燃物與紫莖澤蘭莖葉進(jìn)行比較，對比樣品見表1。由于紫莖澤蘭不同生活力莖葉的理化性質(zhì)差別很大，故分別選擇不同的試驗(yàn)方法、評價(jià)指標(biāo)來評價(jià)紫莖澤蘭莖葉的燃燒性（表1）。

表1 研究方法Table1 Research methods

1.2.2 含水率的測定方法 采用105℃恒溫干燥法，取相對含水率。

1.2.3 葉片單位面積質(zhì)量的測定和計(jì)算方法 單位面積質(zhì)量由葉片質(zhì)量除以面積得出，其中面積由自行開發(fā)的 “不規(guī)則多邊形面積計(jì)算方法”計(jì)算。該方法已用于計(jì)算高溫后植物韌皮部的死亡率[15-16]。

1.2.4 燃燒試驗(yàn)方法 ①老的活葉片燃燒試驗(yàn)方法：試驗(yàn)所需的高氧氣氛由氧指數(shù)儀提供。試驗(yàn)時(shí)氧氣流量為10 L·min－1，比例為100%。葉片采用葉尖在上、葉柄在下的方式豎直放在試件夾上，從上端點(diǎn)火，記錄從開始點(diǎn)火至有焰燃燒熄滅的時(shí)間。試驗(yàn)前、后分別測定葉片的葉脈長度、質(zhì)量并勾繪葉片的外形輪廓，試驗(yàn)重復(fù)6～12次。②新葉片燃燒試驗(yàn)方法：由于新葉在100%高氧氣氛下能被點(diǎn)燃但火源撤離后燃燒不能持續(xù)，故改用垂直燃燒試驗(yàn)，所用的儀器為水平垂直燃燒測定儀。試驗(yàn)前在葉尖端寬度為30 mm處將葉尖剪掉，使葉柄端在上、葉尖端在下放入儀器試樣夾。燃燒試驗(yàn)時(shí)間為該儀器已預(yù)設(shè)的12 s，從下端點(diǎn)火。試驗(yàn)前、后分別測定葉片的葉脈長度、質(zhì)量并勾繪葉片的外形輪廓，試驗(yàn)重復(fù)5次。③活莖/枝燃燒試驗(yàn)方法：選擇旱冬瓜活枝為對比樣品進(jìn)行點(diǎn)燃試驗(yàn)，分別用相近質(zhì)量、相近尺寸（直徑、體積）的2組樣品進(jìn)行試驗(yàn)，對老莖、新莖分別進(jìn)行制樣。將點(diǎn)著溫度測定儀溫度升高到280℃，然后同時(shí)放入紫莖澤蘭活莖試件和旱冬瓜活枝的對比樣品，繼續(xù)升溫并測定引燃時(shí)間和溫度，試驗(yàn)重復(fù)3次。④干枯莖/枝燃燒試驗(yàn)方法：選擇華山松干枝為對比樣品，燃燒試驗(yàn)所需的50%氧氣氛、50%氮?dú)夥諚l件由氧指數(shù)儀提供，混合氣體流量為10 L·min－1。試驗(yàn)前將紫莖澤蘭干枯莖、華山松干枝放入室內(nèi)進(jìn)行1個(gè)月狀態(tài)調(diào)節(jié)。燃燒試驗(yàn)的試件長度為130 mm。從上端點(diǎn)火，記錄從開始點(diǎn)火至有焰燃燒熄滅的時(shí)間。根據(jù)試件長度、質(zhì)量及燃燒時(shí)間分別計(jì)算燃燒線速率和質(zhì)量損失速率。⑤干枯莖/枝干燥試驗(yàn)方法：根據(jù)直徑大小將紫莖澤蘭干莖和華山松干枝各分成2組，紫莖澤蘭干莖第1組和第2組平均直徑分別為0.699 cm和0.445 cm，華山松干枝第1組和第2組平均直徑分別為0.695 cm和0.477 cm。每個(gè)徑級樣品制備5個(gè)試件，各試件長度相同。將各組試件放入水中浸泡12 h后取出，待試件表面的水分自然蒸發(fā)后，用天平稱量潮濕試件質(zhì)量，然后將各組試件同時(shí)放到105℃的烘箱進(jìn)行干燥，隔1 h測定1次各組試件質(zhì)量。

1.2.5 葉片燃燒速率的計(jì)算方法 根據(jù)燃燒試驗(yàn)前后葉脈長度、葉片質(zhì)量、葉片面積和燃燒時(shí)間計(jì)算絕對燃燒速率和相對燃燒速率，其中絕對燃燒速率分為絕對線速率、絕對面積損失速率、絕對質(zhì)量損失速率共3個(gè)指標(biāo)，代表單位時(shí)間內(nèi)損毀的葉脈長度、葉片面積、葉片質(zhì)量；相對燃燒速率分為相對線速率、相對面積損失速率、相對質(zhì)量損失速率共3個(gè)指標(biāo)，分別代表單位時(shí)間內(nèi)損毀的葉脈長度、葉片面積、葉片質(zhì)量的百分比。

1.2.6 葉片損毀程度的測定方法 損毀程度同樣可以分為絕對損毀程度和相對損毀程度，其中絕對損毀程度又分為絕對損毀長度、絕對損毀面積、絕對損毀質(zhì)量共3個(gè)指標(biāo)，表示燃燒試驗(yàn)過程中損毀的葉脈長度、葉片面積和葉片質(zhì)量；相對損毀程度又分為相對損毀長度、相對損毀面積、相對損毀質(zhì)量共3個(gè)指標(biāo)，分別表示燃燒試驗(yàn)造成葉脈長度、葉片面積和質(zhì)量的損毀比率。

2 結(jié)果與分析

2.1 老活葉片的燃燒性

從表2可以看出：6種植物的絕對線速率、絕對質(zhì)量速率、相對線速率3項(xiàng)指標(biāo)相差不大。與2種藤本和3種木本植物相比，紫莖澤蘭老葉片的含水率最高，絕對面積速率最小。而紫莖澤蘭、中華常春藤Hedera nepalensis var.sinensis，常春油麻藤M(fèi)ucuna sempervirens，大葉女貞Ligustrum lucidum的絕對面積速率、相對面積速率也相差不大。6種植物的絕對質(zhì)量損失速率相差不大，但相對損毀程度相差很大?？傮w上看，紫莖澤蘭老葉片的燃燒性、耐火性與中華常春藤、常春油麻藤和大葉女貞相近，但損毀程度遠(yuǎn)低于滇青岡和滇潤楠。

2.2 新葉片的燃燒性

從表3可以看出：與2種藤本、3種木本植物相比，紫莖澤蘭新葉的含水率最高，但6項(xiàng)燃燒速率指標(biāo)卻都是最大的，而損毀程度各項(xiàng)指標(biāo)均居中，其中絕對損毀長度小于桂花Osmanthus fragrans和白玉蘭Magnolia denudata，絕對損毀面積小于楓香Liquidamba formosana，絕對損毀質(zhì)量小于白玉蘭，相對損毀長度、面積小于桂花和楓香，相對損毀質(zhì)量小于常春油麻藤、桂花和楓香。

2.3 活莖的燃燒性

從表4和表5可以看出：紫莖澤蘭新莖含水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于紫莖澤蘭老莖和旱冬瓜多年生活枝。在質(zhì)量相近的情況下，紫莖澤蘭新莖的著火時(shí)間、著火溫度均大于紫莖澤蘭老莖，但相差不大，紫莖澤蘭新莖和老莖的著火時(shí)間、著火溫度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于旱冬瓜活枝。在尺寸相近的情況下，平均著火時(shí)間、著火溫度的順序均為紫莖澤蘭老莖＞紫莖澤蘭新莖＞旱冬瓜活枝，即在質(zhì)量相近或尺寸相近的情況下，紫莖澤蘭活莖均較旱冬瓜活枝難燃。

表2 紫莖澤蘭與對比植物老活葉片的燃燒速率及損毀程度Table2 Burning rate and damage degree of old-living-leaves of Eupatorium adenophorum and comparative species

表3 紫莖澤蘭與對比植物新葉片垂直燃燒速率及損毀程度Table3 Burning rate and damage degree of new-leaves of Eupatorium adenophorum and comparative species

表4 相近質(zhì)量紫莖澤蘭活莖與旱冬瓜活枝平均著火時(shí)間和著火溫度Table4 Ignition time and temperature of samples in terms of similar quality

表5 相近尺寸紫莖澤蘭活莖與旱冬瓜活枝平均著火時(shí)間、溫度Table5 Ignition time and temperature of samples in terms of similar dimensions

2.4 干枯莖的燃燒性與干燥失水特性

從表6可以看出：不同紫莖澤蘭干枯莖與華山松干枯枝試件直徑、密度相差較大，燃燒速率也相差較大，總體上看，試件的直徑、密度越大，燃燒速率越小。在直徑相近的情況下，紫莖澤蘭干枯莖的燃燒速率大于華山松干枯枝的燃燒速率，即紫莖澤蘭干枯莖較華山松干枯枝易燃，這可以從圖1得到驗(yàn)證，即在2個(gè)徑級的分別比較中，雖然經(jīng)浸泡后紫莖澤蘭干枯莖含水率較華山松干枯枝高，但失水較華山松干枯枝失水快，這是紫莖澤蘭干枯莖較華山松干枯枝易燃的重要原因之一。

表6 紫莖澤蘭干枯莖與華山松干枯枝在50%氧氣氛下的燃燒速率Table6 Burning rate of samples under oxygen concentration of 50%

表6（續(xù)）

3 討論

通過對比試驗(yàn)可以看出：紫莖澤蘭活莖葉較難燃，而干枯莖較易燃的華山松枝燃燒性強(qiáng)，即紫莖澤蘭莖葉的燃燒性具有雙重性。生土隔離帶等干旱地段上的紫莖澤蘭莖葉在防火期內(nèi)干燥易燃，需要預(yù)防紫莖澤蘭的入侵。而溝谷等潮濕地段上的紫莖澤蘭莖葉在防火期內(nèi)仍然具有生活力，滅火時(shí)，對于連續(xù)分布具有生活力的紫莖澤蘭，可以作為阻燃物加以利用。

高氧氣氛下的燃燒、垂直燃燒等試驗(yàn)方法都是室內(nèi)裝修裝飾材料的阻燃性研究中常用的成熟方法，對于森林可燃物研究而言，卻是一種新的方法，國內(nèi)僅見李世友[17－18]將高氧氣氛下的燃燒試驗(yàn)用于植物活枝燃燒性、樹皮阻燃性評價(jià)方面的研究。紫莖澤蘭的個(gè)體差異性也較大，有時(shí)位置相近、生境相似的2株植物在物候上卻有較大差別，導(dǎo)致其燃燒性差別較大。本研究取樣的時(shí)間、地點(diǎn)、數(shù)量有限，根據(jù)一次取樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以全面地反映這種差別，今后需結(jié)合紫莖澤蘭的生物學(xué)、生態(tài)學(xué)特性，對其進(jìn)行更為系統(tǒng)的研究。

圖1 105℃條件下樣品質(zhì)量變化曲線Figure1 Mass curves under 105℃

[1]李世友，馬長樂，袁俊杰，等.昆明地區(qū)4種外來植物對火的生態(tài)適應(yīng)對策[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（2）：268 － 274.LI Shiyou,MA Changle，YUAN Junjie，et al.A study on ecological adaptability strategies to wildland fire of 4 exotic species in Kunming area[J].Acta Agric Univ Jiangxi，2008，30（2）：268 － 274.

[2]李世友，劉文勝，李眉慧，等.紫莖澤蘭入侵區(qū)應(yīng)慎修生土隔火帶[J].森林防火，2009（1）：49－51.LI Shiyou，LIU Wensheng，LI Meihui，et al.Recommendations on building fire prevention belts as little as possible in intrusion region of Eupatorium adenophorum [J].For Fire Prev，2009（1）：49 － 51.

[3]李世友.昆明“3·29” 森林火災(zāi)對防控林區(qū)火災(zāi)的啟示[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2009，5（6）：48－52.LI Shiyou.The enlightenment to forest fire prevention and control in southwest of China from the study on “3·29”Forest Fire in Kunming Area in 2006 [J].J Saf Sci Technol，2009，5（6）：48 － 52.

[4]韓煥金，周用武.安寧市 “3·29”重大森林火災(zāi)跡地現(xiàn)狀及管理對策[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37（34）：17196－17198.HAN Huanjin，ZHOU Yongwu.Present situations and countermeasures of “3·29” forest fires in Anning [J].J An-hui Agri Sci，2009，37（34）∶17196 － 17198.

[5]TRIPATHI R S，YADAV A S.Population dynamics of Eupatorium adenophorum Spreng.and Eupatorium riparium Regel in relation to burning [J].Weed Res，1987，27（4）∶229 － 236.

[6]李雪瑤，應(yīng)浩.空氣氛圍下紫莖澤蘭氣化條件研究[J].精細(xì)石油化工進(jìn)展，2009，10（8）：39－42.LI Xueyao,YING Hao.Study on air-stream gasification of Eupatorium adenophorum [J].Adv Fine Petrochem，2009，10（8）：39 － 42.

[7]李雪瑤，應(yīng)浩，蔣劍春，等.固定床熱解紫莖澤蘭莖干的研究[J].生物質(zhì)化學(xué)工程，2009，43（4）：38－42.LI Xueyao，YING Hao，JIANG Jianchun，et al.Study on pyrolysis of Eupatorium adenophorum in the fixed bed [J].Biomass Chem Eng，2009，43（4）：38 － 42.

[8]尹芳，胡覺，張無敵，等.紫莖澤蘭產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷聯(lián)合發(fā)酵的研究[J].科學(xué)通報(bào)，2010，55（36）：3469－3476.YIN Fang，HU Jue，ZHANG Wudi，et al.The study on co-fermentation of hydrogen and methane production by Eupatorium adenophorum Spreng.[J].Chin Sci Bull，2010，55（36）∶3469 － 3476.

[9]江蘊(yùn)華，余曉華.用紫莖澤蘭生產(chǎn)沼氣的研究[J].太陽能學(xué)報(bào)，1986，7（3）：288－294.JIANG Yunhua，YU Xiaohua.The study on producing marsh gas from Eupatorium adenophorum Spreng.[J].Acta Energ Sol Sin，1986，7（3）：288 － 294.

[10]胡覺，張無敵，尹芳，等.紫莖澤蘭連續(xù)發(fā)酵產(chǎn)沼氣實(shí)驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2006，26（4）：33－36.HU Jue，ZHANG Wudi，YIN Fang，et al.A experimental study of continuous methane fermentation by using Eupatorium adenophorum Spreng.[J].Agric Technol，2006，26（4）：33 － 36.

[11]尹芳，黃梅，徐銳，等.紫莖澤蘭的危害及其綜合利用進(jìn)展分析[J].災(zāi)害學(xué)，2009，24（4）：63－67.YIN Fang，HUANG Mei，XU Rui.Analysis on Eupatorium hazards and development in its comprehensive utilization [J].J Catasrtophol，2009，24（4）：63 － 67.

[12]蔡衛(wèi)東，張季，歐國騰.紫莖澤蘭生物學(xué)特性研究及除治試驗(yàn)[J].貴州林業(yè)科技，2009，37（3）：35－40.CAI Weidong，ZHANG Ji，OU Guoteng.Study on biological charrcteristicw of Eupatorium adenophorum and its control countermeasures [J].J Guizhou For Sci Technol，2009，37（3）：35 － 40.

[13]歐國騰，付上通，蔡衛(wèi)東，等.紫莖澤蘭主要傳播途徑及除治技術(shù)研討[J].四川林業(yè)科技，2010，31（5）：91－96.OU Guoteng，F(xiàn)U Shangtong，CAI Weidong，et al.Research on the spreading ways of Eupatorium adenophorum and its control[J].J Sichuan For Sci Technol，2009，31（5）：91 － 96.

[14]李世友，邱紅偉，陳文龍，等.利用森林可燃物制炭的初步研究[J].山東林業(yè)科技，2009，39（1）：48－49.LI Shiyou，QIU Hongwei，CHEN Wenlong，et al.Preliminary study on making charcoal by use of forest fuel [J].J Shandong For Sci Technol，2009，39（1）：48 － 49.

[15]李世友，胡小龍，馬愛麗，等.中等徑級藏柏樹干的耐火性研究[J].福建林學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，29（1）：65－68.LI Shiyou，HU Xiaolong，MA Aili，et al.Studies on fire resistance of middling size of Cupressus torulosa [J].J Fujian Coll For，2009，29（1）：65 － 68.

[16]李世友，馬愛麗，朱麗，等.華山松樹干耐火性初步研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，24（2）：105－108.LI Shiyou，MA Aili，ZHU Li，et al.Preliminary studies on fire resistance of Pinus armandii Bole [J].J Northwest For Univ，2009，24（2）：105 － 108.

[17]李世友，昌尼娜，管曉媛，等.昆明地區(qū)15種常見木本植物活枝的燃燒性[J].生態(tài)學(xué)雜志，2012，31（2）：276－281.LI Shiyou，CHANG Nina，GUAN Xiaoyuan，et al.Combustion characteristics of live branches of 15 common woody plant species in Kunming，Yunnan Province [J].Chin J Ecol，2012，31（2）：276 － 281.

[18]李世友，李小寧，李生紅，等.3種針葉樹種樹皮的阻燃性研究[J].浙江林學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，24（2）：192－197.LI Shiyou，LI Xiaoning，LI Shenghong，et al.Flame retardancy of wood bark from Keteleeria evelyniana，Pinus yunnanensis and Pinus armandii in Yunnan Province [J].J Zhejiang For Coll，2007，24（2）：192 － 197.