藤本植物抗火性研究

祝必琴，鐘安建，寧金魁，李 遵★

（1.江西省森林資源保護(hù)中心，江西 南昌 330008；2.九江市濂溪區(qū)林業(yè)局，江西九江 332008；3.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)·園林與藝術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330045）

不同樹種抗火性強(qiáng)弱主要是樹種本身的理化性狀差別、燃燒性差別和植物生物學(xué)生態(tài)學(xué)及外部環(huán)境差別所致。有關(guān)森林可燃物的燃燒性美國(guó)研究較早[1]，澳大利亞也從幾千種植物篩選出76種抗火性較強(qiáng)的本地植物[2]，并對(duì)本地樹種和引進(jìn)樹種進(jìn)行抗火性對(duì)比研究，給出園林樹種優(yōu)化配置和名錄[3]。國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者在樹種抗火性方面進(jìn)行了研究[4-11]，而且方法日趨完善[12-17]。早期不同樹種的燃燒性主要集中于樹種含水率指標(biāo)[18-22]，后來擴(kuò)大到燃點(diǎn)、灰分、抽提物等理化性狀指標(biāo)[23-27]。樹種的抗火性除本身器官的燃燒性外，受生物學(xué)和生態(tài)學(xué)特性的影響也很大。縱觀國(guó)內(nèi)外植物抗火性的研究，主要集中在喬木和灌木，藤本植物較少。藤本植物用在城市綠化美化較多，作為抗火植物研究較少，本研究旨在通過5種藤本植物理化性狀的測(cè)定和燃燒試驗(yàn)，選出抗火性強(qiáng)的藤本植物作為防火隔離帶的活性材料，起到阻火作用。

1 研究材料和方法

1.1 研究材料

在南昌北郊選擇5種藤本植物作試驗(yàn)材料，分別是 薜 荔（Ficus pumila）、絡(luò) 石（Trachelospermum jasminoides）、云南黃馨（Jasminum mesnyi）、中華常春藤（Hedera nepalensis var.sinensis）和湖北羊蹄甲（Bauhinia hupehana）。

1.2 樣品采集

選擇春、秋、冬3個(gè)季節(jié)的晴天，采摘每種藤本植物（葉和莖混合）500 g，3次重復(fù)。電子天平帶到室外，樣品采下后及時(shí)稱鮮重（W1），用塑料袋封好貼上標(biāo)簽，帶回室內(nèi)晾開，將晾好的樣品置于烘箱烘至絕干，計(jì)算出物理參數(shù)。拿出一半絕干樣品做燃燒試驗(yàn)，一半用粉碎機(jī)粉碎，過60目篩，做化學(xué)成分分析。

1.3 研究方法

1.3.1 含水率測(cè)定

采用105℃烘干恒重法。樣品置入105℃烘箱內(nèi)，烘24 h后取出稱干重（W2），含水率計(jì)算公式：

1.3.2 粗灰分的測(cè)定

采用干灰化法[28]。粗灰分計(jì)算公式：

A1：粗灰分重(g)，W：烘干試樣重(g)

1.3.3 粗脂肪含量的測(cè)定采用索氏殘余法[28]。粗脂肪含量計(jì)算公式：

W：脫脂前烘干試樣重(g)，W1：脫脂后烘干試樣重(g)

1.3.4 粗纖維含量的測(cè)定

采用纖維測(cè)定儀測(cè)定粗纖維[28]。常用的酸堿消煮法消煮樣品，并進(jìn)行重量測(cè)定來得到試樣的粗纖維含量。粗纖維含量計(jì)算公式：

A2：粗纖維重(g)，W：烘干試樣重(g)

1.3.5 木質(zhì)素含量的測(cè)定

木質(zhì)素采用硫酸水解法測(cè)定[29]。木質(zhì)素含量計(jì)算公式：

A3：木質(zhì)素重(g)，W：烘干試樣重(g)

1.3.6 燃燒試驗(yàn)

取相同重量絕干的樣品，放置自制燃燒床上，點(diǎn)燃后用秒表計(jì)時(shí)，實(shí)測(cè)火焰高度和燃燒時(shí)間。用火焰高度來估算火燒強(qiáng)度，計(jì)算公式如下[29]：

I：火燒強(qiáng)度(kcal·s-1·m-1)，h：火焰高度(m)

2 研究結(jié)果與分析

2.1 5種藤本植物的理化性狀分析

2.1.1 含水率對(duì)比

不同植物種類含水率不同，植物抗火性強(qiáng)弱含水率大小是主要影響因子之一。含水率高的植物不易燃，抗火性強(qiáng)；含水率低的植物易燃，抗火性弱。植物種類不同、季節(jié)不同，含水率差異很大。根據(jù)5種藤本植物不同季節(jié)的含水率測(cè)定分析，結(jié)果如圖1所示，3個(gè)季節(jié)5種藤本植物的含水率都在50%以上，均以冬季最低，春季最高，秋季次之?？够鹦宰詈玫漠?dāng)屬中華常春藤，3個(gè)季節(jié)含水率均最高，秋季含水率達(dá)68.7%，春季達(dá)81.5%；而湖北羊蹄甲、絡(luò)石秋季含水率則分別只有52.2%和52.5%。

圖1 5種藤本植物3個(gè)季節(jié)含水率比較Fig.1 The moisture content of 5 vines in three seasons

不同季節(jié)藤本植物之間的含水率差異極顯著，不同藤本植物之間的含水率差異顯著，見表1。

表1 不同藤本植物不同季節(jié)的含水率方差分析Tab.1 The variance analysis of moisture content in different vines and seasons

2.1.2 粗灰分含量對(duì)比

燃燒剩下的物質(zhì)是灰分，由鈉、鉀、鈣、鎂、磷、硅等主要元素組成的無(wú)機(jī)物?；曳趾渴呛饬靠够鹦詮?qiáng)弱的指標(biāo)之一?；曳趾吭礁叩闹参锟够鹦栽綇?qiáng)，灰分含量越低的植物抗火性越弱。5種藤本植物不同季節(jié)的灰分含量見圖2，5種藤本植物粗灰分含量介于4%～14%之間，薜荔、絡(luò)石粗灰分含量遠(yuǎn)高于其它3種藤本植物，均超過或接近10%，薜荔粗灰分含量秋季高達(dá)12.79%，云南黃馨粗灰分含量很低，3季的平均含量只有5%左右，中華常春藤、湖北羊蹄甲3季的含量在6%～10%之間。季節(jié)間相比，湖北羊蹄甲、薜荔、絡(luò)石粗灰分含量均以秋季最高，春季較低，中華常春藤粗灰分含量最高在春季，云南黃馨3個(gè)季節(jié)粗灰分含量變化不大，冬季略高于其它兩季。

圖2 不同藤本植物不同季節(jié)粗灰分含量比較Fig.2 The crude ash content in different vines and seasons

表2顯示，植物間的粗灰分含量差異極顯著，不同季節(jié)之間的粗灰分含量差異不顯著。

表2 不同季節(jié)不同藤本植物的粗灰分含量方差分析Tab.2 The variance analysis of crude ash content in different seasons and vines

2.1.3 粗脂肪含量對(duì)比

植物的粗脂肪含量雖比例不大，但對(duì)燃燒性起的作用非常大。脂肪含量低的植物，不易燃，抗火性強(qiáng)；脂肪含量高的植物，易燃，抗火性差。不同季節(jié)5種藤本植物粗脂肪含量見圖3，秋季的湖北羊蹄甲、冬季的絡(luò)石、春季的云南黃馨粗脂肪含量最高，分別為4.87%、4.81%、4.75%，易燃，抗火性差；秋季的中華常春藤、冬季的云南黃馨和春季的薜荔粗脂肪含量最低，分別是2.33%、2.6%和2.15%，不易燃，抗火性強(qiáng)。

圖3 不同季節(jié)不同藤本植物粗脂肪含量比較Fig.3 The crude fat content in different seasons and vines

從表3可知，不同季節(jié)不同藤本植物的粗脂肪含量差異不顯著。

表3 不同季節(jié)不同藤本植物的粗脂肪含量方差分析Tab.3 The variance analysis of crude fat content in different seasons and vines

2.1.4 木質(zhì)素含量對(duì)比

木質(zhì)素含量多少對(duì)燃燒性沒多大影響，本身不易燃燒，但燃燒時(shí)卻能釋放出大量的熱量，提高著火溫度，影響火的蔓延，不同階段抗火作用不一樣。

不同藤本植物秋、冬、春3個(gè)季節(jié)的木質(zhì)素含量如圖4所示，春季湖北羊蹄甲木質(zhì)素含量高達(dá)42.88%，秋季中華常春藤木質(zhì)素含量?jī)H為26.90%。木質(zhì)素含量的排序春季是：湖北羊蹄甲＞云南黃馨＞薜荔＞絡(luò)石＞中華常春藤；秋季是：湖北羊蹄甲＞云南黃馨＞絡(luò)石＞薜荔＞中華常春藤；冬季是：中華常春藤＞湖北羊蹄甲＞薜荔＞絡(luò)石＞云南黃馨。季節(jié)之間對(duì)比，春季湖北羊蹄甲、絡(luò)石、薜荔、云南黃馨木質(zhì)素含量均最高，冬季較低；而冬季中華常春藤木質(zhì)素含量最高，秋季木質(zhì)素含量最低。

圖4 不同季節(jié)不同藤本植物木質(zhì)素含量比較Fig.4 The lignin content in different seasons and vines

不同季節(jié)不同藤本植物的木質(zhì)素含量差異不顯著，見表4。

表4 不同季節(jié)不同藤本植物的木質(zhì)素含量方差分析Tab.4 The variance analysis of lignin content in different seasons and vines

2.1.5 粗纖維含量對(duì)比

纖維素是可燃物的主要成分之一，纖維素多的植物易燃。圖5顯示，絡(luò)石的粗纖維含量在3個(gè)季節(jié)均最高，春季高達(dá)39.41%；而3個(gè)季節(jié)粗纖維含量最低的是中華常春藤，在20%左右。粗纖維含量春季的排序是：絡(luò)石＞薜荔＞云南黃馨＞湖北羊蹄甲＞中華常春藤；秋季的排序是：絡(luò)石＞云南黃馨＞薜荔＞湖北羊蹄甲＞中華常春藤；冬季的排序是：絡(luò)石＞薜荔＞云南黃馨＞湖北羊蹄甲＞中華常春藤。其中，春季的絡(luò)石、薜荔粗纖維含量最高，秋季云南黃馨粗纖維含量最高，中華常春藤和湖北羊蹄甲的粗纖維含量隨季節(jié)變化不大。

圖5 不同季節(jié)不同藤本植物粗纖維含量比較Fig.5 The crude fiber content in different seasons and vines

從表5可知，5種藤本植物之間的粗纖維含量差異極顯著，3個(gè)季節(jié)之間的粗纖維含量差異不顯著。

表5 不同季節(jié)不同藤本植物的粗纖維含量方差分析Tab.5 The variance analysis of crude fiber content in different seasons and vines

2.2 5種藤本植物的燃燒試驗(yàn)分析

2.2.1 燃燒時(shí)間對(duì)比

植物種類不同、季節(jié)不同，其燃燒時(shí)間差異很大。春、秋、冬3個(gè)季節(jié)5種藤本植物的燃燒時(shí)間如圖6所示，不同藤本植物不同季節(jié)的燃燒時(shí)間有一定的規(guī)律性。5種藤本植物基本上是春季燃燒時(shí)間最短，秋季最長(zhǎng)；薜荔的燃燒時(shí)間冬季略低于春季；云南黃馨、絡(luò)石的燃燒時(shí)間秋季遠(yuǎn)高于其它3種藤本植物，均在70 s以上；云南黃馨冬季燃燒時(shí)間最長(zhǎng)，薜荔春季燃燒時(shí)間最長(zhǎng)，不同季節(jié)燃燒時(shí)間最低是中華常春藤，其春季燃燒時(shí)間不到30 s。

圖6 不同季節(jié)不同藤本植物的燃燒時(shí)間比較Fig.6 The burning time content in different seasons and vines

2.2.2 火燒強(qiáng)度對(duì)比

火燒強(qiáng)度是火行為的重要指標(biāo)之一。燃燒時(shí)火燒強(qiáng)度大，很難正面直接觀測(cè)，一般都采用公式計(jì)算。本文采用簡(jiǎn)便計(jì)算公式：I=273h2.17（I為火燒強(qiáng)度，h為火焰高度）。在燃燒中火焰高度很容易觀測(cè)到，火焰高度愈高，火燒強(qiáng)度就愈大。

由圖7可知，3個(gè)季節(jié)5種藤本植物的火燒強(qiáng)度差異較明顯，并呈現(xiàn)秋季＜冬季＜春季的規(guī)律，中華常春藤冬季的火燒強(qiáng)度略高于春季。不同藤本植物冬春季火燒強(qiáng)度高于秋季，均在200 kcal·s-1·m-1以上，中華常春藤高達(dá)443.05 kcal·s-1·m-1，高于其它4種藤本植物；不同藤本植物春季火燒強(qiáng)度均在300 kcal·s-1·m-1以上，中華常春藤和薜荔超過了400 kcal·s-1·m-1。

圖7 不同季節(jié)不同藤本植物火燒強(qiáng)度比較Fig.7 The fire intensity content in different seasons and vines

2.3 5種藤本植物的抗火性綜合評(píng)價(jià)

應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析法，選擇5種藤本植物的理化指標(biāo)：含水率、粗灰分、粗脂肪、木質(zhì)素、粗纖維、燃燒時(shí)間、火燒強(qiáng)度7個(gè)指標(biāo)為評(píng)價(jià)因子，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。把植物的抗火性指標(biāo)值構(gòu)成5個(gè)序列比較，再采用效果測(cè)度變換對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理。變換后抗火性指標(biāo)值均在0～1之間，最佳抗火性指標(biāo)值均為1。取各抗火性能指標(biāo)的最佳值為理想對(duì)象，得出參考數(shù)列：X0=｛1,1,1,1,1,1,1｝。根據(jù)參考數(shù)列及效果測(cè)度變換后的抗火性指標(biāo)值，利用公式計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度，結(jié)果如表6～9。

從表6可知，秋季5種藤本植物抗火性從強(qiáng)到弱的排序是中華常春藤＞薜荔＞湖北羊蹄甲＞云南黃馨＞絡(luò)石。

表6 秋季5種藤本植物抗火性的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度Tab.6 The grey correlation coefficient and correlation degree of fire resistance of 5 vines in autumn

從表7可知，冬季5種藤本植物抗火性從強(qiáng)到弱的排序是中華常春藤＞薜荔＞云南黃馨＞絡(luò)石＞湖北羊蹄甲。

表7 冬季5種藤本植物抗火性的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度Tab.7 The grey correlation coefficient and correlation degree of fire resistance of 5 vines in winter

從表8可知，春季5種藤本植物抗火性從強(qiáng)到弱的排序是中華常春藤＞薜荔＞絡(luò)石＞湖北羊蹄甲＞云南黃馨。

表8 春季5種藤本植物抗火性的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度Tab.8 The grey correlation coefficient and correlation degree of fire resistance of 5 vines in spring

從表9可知，中華常春藤的抗火性關(guān)聯(lián)度在秋、冬、春三季均最高，分別為0.7822、0.7804、0.7242，屬于5種藤本植物中抗火性最強(qiáng)的。這是由于中華常春藤含水率較高，纖維素等可燃物質(zhì)含量偏小，而灰分等不可燃物質(zhì)含量又較大。薜荔在秋、冬、春三季的抗火性關(guān)聯(lián)度排序是第二，屬于抗火性次強(qiáng)的藤本植物，而其他三種藤本植物抗火性則相對(duì)較弱。5種藤本植物抗火性綜合排序?yàn)椋褐腥A常春藤＞薜荔＞湖北羊蹄甲＞絡(luò)石＞云南黃馨。

表9 5種藤本植物抗火性關(guān)聯(lián)度三個(gè)季節(jié)綜合排序Tab.9 The comprehensive grey correlation degree of fire resistance of 5 vines in three seasons

3 結(jié)論與討論

國(guó)內(nèi)研究植物抗火性的多選擇木本和灌木，藤本植物研究較少。藤本植物不僅可以在城市綠化美化中發(fā)揮作用，也可以在城市森林防火隔離帶建設(shè)中發(fā)揮重大作用。本次選作抗火性研究材料的5種藤本植物來自南昌市北郊，代表性強(qiáng)，幾乎全省各地都有。在春、秋、冬3個(gè)火災(zāi)多發(fā)的季節(jié)采樣進(jìn)行理化性狀試驗(yàn)、燃燒試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)用灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出3個(gè)季節(jié)抗火性最強(qiáng)的藤本植物為中華常春藤。

森林防火利用植物之間理化性狀的差異、燃燒時(shí)間的差異，確定最強(qiáng)的防火樹種是可行的。一個(gè)樹種能否抗火不但由樹種的理化性狀差異、燃燒時(shí)間差異所決定，還與生物學(xué)和生態(tài)環(huán)境有關(guān)。本試驗(yàn)由于工作量大，僅選擇有代表性的5種藤本植物，將來研究可擴(kuò)展若干種藤本植物，加上生物學(xué)特性和生態(tài)環(huán)境因素的吸納，使研究結(jié)果更加完善。目前的研究結(jié)果表明，中華常春藤可在城市防火中大力推廣，公園邊界、住宅小區(qū)、工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)、學(xué)校附近都可以種植中華常春藤作為防火隔離帶。