廣西4種喬木樹葉的燃燒性差異研究

張運(yùn)生，舒立福，閆想想，翟春婕, 劉柯珍

(1.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，國家林業(yè)和草原局森林保護(hù)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；2.南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京 210023;3.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西南林業(yè)大學(xué)消防研究所，云南 昆明 650224)

森林可燃物的燃燒性可以為林火行為做出合理預(yù)測[1-5]。森林的燃燒性主要受地表可燃物和枯枝凋落物的影響，不同的可燃物體現(xiàn)出的燃燒性不同[6-9]，而樹葉作為碎小可燃物，影響著可燃物的初期燃燒。

錐形量熱儀是一種以氧消耗原理為基礎(chǔ)的燃燒測定儀[10-12]，可以同時獲得材料燃燒時有關(guān)熱、煙、質(zhì)量變化及煙氣成分等豐富而可靠的數(shù)據(jù)信息，重復(fù)性較強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與大型燃燒有較高相關(guān)性，是目前實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模燃燒測試較為先進(jìn)的方法。錐形量熱儀可用來評價材料的燃燒性能、阻燃機(jī)理和進(jìn)行火災(zāi)模型研究[13-15]，被廣泛應(yīng)用于森林消防和城市消防實(shí)驗(yàn)中，目前已經(jīng)成為國際公認(rèn)的研究材料真實(shí)燃燒過程的權(quán)威工具[16-20]。

多名學(xué)者對森林可燃物燃燒性的比較進(jìn)行了一系列研究，李世友等[21]利用自行設(shè)計的實(shí)驗(yàn)裝置對包括云南松(Pinusyunnanensis)、華山松(Pinusarmandii)、地盤松(Pinusyunnanensisvar．pygmaea)、杉木(Cunninghamialanceolata)、藏柏(Cupressustorulosa)和柳杉(Cryptomeriafortunei)在內(nèi)的6種針葉樹的活枝葉在森林防火緊要期的燃燒性進(jìn)行了比較。而在對樹種燃燒性的測定中，錐形量熱儀應(yīng)用較為廣泛，如田曉瑞等[22]對木荷 (Schimasuperba)、火力楠(Micheliamacclurei)、女貞(Ligustrumlucidum)等8個樹種的鮮葉和落葉的燃燒性進(jìn)行了比較；金森等[3]以馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、柳杉 (Cryptomeriafortunei)、云南松 (Pinusyunnanensis)、華山松 (Pinusarmandii) 等7種南方典型樹種的葉片為研究對象,比較一維燃燒性評價方法和多維燃燒性評價方法的相似程度,為燃燒性評價方法的選擇提供科學(xué)依據(jù)；李康康等[23]研究了火力楠(Micheliamacclurei)、云南松(Pinusyunnanensis)、華山松(Pinusarmandii)等3種樹種的抗火能力。翟春婕等[24]測定了50 kW/m2輻射熱流下杉木的葉片及不同尺度的杉木枝條自發(fā)著火狀態(tài)下的熱釋放速率(HRR)和總釋放熱(THR)等參數(shù)。

數(shù)據(jù)顯示，2011—2015年廣西共發(fā)生森林火災(zāi) 2 249次，年均發(fā)生森林火災(zāi)449.8次；森林火場面積26 216.40 hm2，年均5 243.28 hm2；森林火災(zāi)受害面積5 251.87 hm2，年均1 050.37 hm2[25]，為我國森林火災(zāi)較高發(fā)省區(qū)。森林內(nèi)的主要喬木樹種有格木(Erythrophleumfordii)、馬尾松(Pinusmassoniana)、柚木(Tectonagrandis)、米老排(Mytilarialaosensis)、臺灣相思(Acaciaconfusa)和紅椎木(Castanopsishystrix)等。為了解樹種的燃燒性，科學(xué)配置樹種，筆者以格木、紅椎木、馬尾松、臺灣相思的葉片作為研究對象，利用錐形量熱儀對4種樹種的葉片進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，測定葉片的熱釋放速率(HRR)、總釋放熱(THR)、煙生成速率(SPR)、煙釋放總量(TSR)、質(zhì)量損失速率(MLR)4個重要燃燒特性參數(shù)，據(jù)此綜合評價4種樹種葉片的燃燒特性差異，以期為降低廣西森林的火災(zāi)風(fēng)險提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

廣西(104°26′～112°04′E， 20°54′～26°24′N)地處中國華南西部,全區(qū)森林覆蓋率62.37%，活立木蓄積量7.9億m3。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)。全區(qū)各地極端最高氣溫為33.7～42.5 ℃，極端最低氣溫為-8.4～2.9 ℃，年平均氣溫為16.5～23.1 ℃，廣西各地≥10 ℃積溫5 000～8 000 ℃。全區(qū)大部分地區(qū)熱量豐富，氣候溫暖，干濕分明，季節(jié)變化不明顯，日照冬少夏多。廣西降水量季節(jié)變化不均，干濕季分明。4—9月為雨季,降水量占全年降水量的70%～85%；10至翌年3月為干季,降水量僅占年降水量的15%～30%，易發(fā)生森林火災(zāi)。

1.2 供試材料

格木和紅椎木葉片于2018年12月26日取自廣西憑祥中國林科院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心白云實(shí)驗(yàn)場29林班，馬尾松和臺灣相思葉片于2018年12月27日取自廣西憑祥中國林科院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心伏波實(shí)驗(yàn)場44林班，樣地均為400 m2，每種取3株，葉片均是從地表采集，針葉均從樹木枝條上采集。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

主要采用錐形量熱儀(FTT，UK)測定樣品的熱釋放速率(heat release rate,HRR)、總熱釋放量(total heatrelease,THR)、煙產(chǎn)生速率(smoke production rate,SPR)等指標(biāo)。把各樹種葉片進(jìn)行首次烘干，設(shè)置烘干箱溫度為80 ℃，烘干48 h時稱質(zhì)量并記錄；接著再次烘干，比較兩次烘干后的質(zhì)量，若質(zhì)量無差異，則為絕干，然后計算絕對含水率和相對含水率。選用100 mm× 100 mm×25 mm的樣品盒安裝樣品，采用自發(fā)著火方式。輻射熱流設(shè)定為50 kW/m2，實(shí)驗(yàn)過程中需觀察記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如：冒煙、變形、收縮、著火和熄滅等現(xiàn)象。每類樣品實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次，結(jié)果取平均值。

表1 枯落葉含水率

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法中設(shè)定的熱輻射強(qiáng)度和材料的取樣部位(樹葉和樹枝等)以及各樹種之間理化性質(zhì)的差異，采取控制變量法(控制熱輻射強(qiáng)度和取樣部位一致)對4種喬木樹種葉片的燃燒性參數(shù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱釋放速率(HRR)

熱釋放速率[26](HRR)是評價材料燃燒性能的一個重要因素，反映材料燃燒過程的火災(zāi)危險性；HRR越大，表明聚合物表面的熱裂解速度越快，加速火焰向外擴(kuò)張和傳播，其火災(zāi)危險性增大。

選取格木、紅椎木、馬尾松、臺灣相思的葉片，在輻射熱流作用下，觀察葉片進(jìn)入預(yù)熱階段水分蒸發(fā)、冒白煙、內(nèi)部有機(jī)質(zhì)熱解并產(chǎn)生可燃性氣體等發(fā)生的變化。隨著可燃?xì)怏w釋放量的增加，可燃物開始發(fā)生燃燒反應(yīng)(表2)，4種可燃物到達(dá)峰值的時間從長到短順序?yàn)椋杭t椎木(36 s)>格木(24 s)>馬尾松(19 s)=臺灣相思(19 s)，而最大熱釋放速率大小順序則是：臺灣相思(285.22 kW/m2)>馬尾松(229.85 kW/m2)>格木(216.10 kW/m2)>紅椎木(200.12 kW/m2)。由4個樹種葉片HRR變化情況(圖1A)可知，隨著時間的增加，4種可燃物的熱釋放速率都有一個小幅度的下降之后急劇上升的趨勢。馬尾松和臺灣相思的HRR曲線相似，都只有1個峰值；而格木和紅椎木的HRR曲線相似，其峰值均在一段時間內(nèi)保持平穩(wěn)，熱釋放速率達(dá)到第1個峰值。當(dāng)熱解由外向內(nèi)移動，會形成保護(hù)性的炭化層，在暴露面和熱界面之間形成一個逐漸增加的炭層熱阻，造成了第1個峰值之后熱釋放速率不斷減小，熱解和熱釋放速率變得穩(wěn)定，形成了平緩曲線;隨著燃燒的繼續(xù)，熱解繼續(xù)擴(kuò)大，當(dāng)熱界面達(dá)到試件背面時，熱釋放速率又開始上升，溫度持續(xù)升高，炭層被破壞，同時熱解出大量的可燃性氣體，形成劇烈燃燒，此時達(dá)到第2個放熱峰[27]。

表2 4種可燃物達(dá)到最大熱釋放速率的時間

圖1 不同樹種HRR、THR、SPR和TSR對比

2.2 總釋放熱(THR)

總釋放熱[17](THR)能客觀全面地反映材料的材料燃燒性能，THR越大，火災(zāi)危險性越大。實(shí)驗(yàn)測定格木、紅椎木、馬尾松、臺灣相思的葉片的THR，由結(jié)果(圖1B)可知，可燃物著火后開始釋放熱量，初始燃燒較為劇烈，總釋放熱增長較快，隨著火焰熄滅，燃燒進(jìn)入炭化過程，總釋放熱逐漸減緩。在圖1B中，4種可燃物的曲線變化規(guī)律一致，臺灣相思首先達(dá)到最高值，一般情況下，最先達(dá)到最高值的材料更容易燃燒[28]。4種可燃物總釋放熱從大到小依次為：格木>紅椎木>臺灣相思>馬尾松。

2.3 煙生成速率(SPR)

煙生成速率[29](SPR)指樣品在燃燒過程中單位面積上瞬時產(chǎn)煙量。圖1C可知，4種SPR的曲線一致，均先達(dá)到最大值，然后在一段時間內(nèi)波動，馬尾松和臺灣相思SPR維持的時間接近相等，紅椎木和格木接近相等，且紅椎木和格木的SPR維持時間大于馬尾松和臺灣相思的。格木SPR峰值(0.07 m2/s)高于其他樹種(0.04～0.05 m2/s)。臺灣相思、馬尾松和紅椎木的SPR峰值分別為0.05、0.04和0.04 m2/s，4種可燃物的SPR峰值大小順序?yàn)椋焊衲?0.07 m2/s)>臺灣相思(0.05 m2/s)>馬尾松(0.04 m2/s)=紅椎木(0.04 m2/s)。

2.4 煙釋放總量(TSR)

煙釋放總量(TSR)是評價材料火災(zāi)危險性高低的重要指標(biāo)之一[17]。TSR越大，煙釋放總量越多，火災(zāi)危險性越大。由圖1D可知，著火開始釋放熱量，初始煙氣上升較為劇烈，煙氣釋放總量不斷上升后達(dá)到平穩(wěn)，4種可燃物煙釋放總量大小順序?yàn)椋焊衲?191.94 m2/m2)>紅椎木(162.83 m2/m2)>臺灣相思(119.67 m2/m2)>馬尾松(95.49 m2/m2)。

2.5 質(zhì)量損失速率(MLR)

質(zhì)量損失速率(MLR)，指燃燒時質(zhì)量損失的變化速度，反映了材料的熱裂解速度。4種可燃物的質(zhì)量損失曲線基本一致，均出現(xiàn)先急劇下降，再上升達(dá)到平穩(wěn)值的一個過程。紅椎木有所不同的是，其在上升的過程達(dá)到最大值之后有小幅度的回落再趨于穩(wěn)定，且格木和紅椎木的上升和下降呈直線上升或下降，而馬尾松和臺灣相思呈現(xiàn)開口向上的拋物線式的上升或下降。4種可燃物的質(zhì)量損失速率大小順序?yàn)椋焊衲?4.92 g/s)>馬尾松(2.68)>臺灣相思(2.63)>紅椎木(1.92)。紅椎木、馬尾松、格木達(dá)到最大質(zhì)量損失速率的時間均為5 s，臺灣相思達(dá)到最大質(zhì)量損失速率的時間為7 s。

圖2 不同樹種MLR對比

3 結(jié) 論

利用錐形量熱儀法對廣西的4種主要喬木葉片燃燒性能進(jìn)行測試，結(jié)果表明，4種不同樹種的燃燒性能有所差異，格木和紅椎木的熱釋放速率(HRR)和質(zhì)量損失速率(MLR)曲線近似，馬尾松和臺灣相思的熱釋放速率(HRR)和質(zhì)量損失速率(MLR)曲線近似，4種可燃物的總釋放熱(THR)、煙生成速率(SPR)和煙釋放總量(TSR)曲線近似。4種可燃物最大熱釋放速率從大到小順序?yàn)椋号_灣相思(285.22 kW/m2)>馬尾松(229.85 kW/m2)>格木(216.10 kW/m2)>紅椎木(200.12 kW/m2)，4種可燃物總釋放熱從大到小順序?yàn)椋焊衲?紅椎木>臺灣相思>馬尾松，4種可燃物的煙生成速率峰值從大到小順序?yàn)椋焊衲?0.07 m2/s)>臺灣相思(0.05 m2/s)>馬尾松(0.04 m2/s)=紅椎木(0.04 m2/s)。4種可燃物煙釋放總量從大到小順序?yàn)椋焊衲?191.94 m2/m2)>紅椎木(162.83 m2/m2)>臺灣相思(119.67 m2/m2)>馬尾松(95.49 m2/m2)。4種可燃物的質(zhì)量損失速率從大到小順序?yàn)椋焊衲?4.92 g/s)>馬尾松(2.68 g/s)>臺灣相思(2.63 g/s)>紅椎木(1.92 g/s)。

紅椎和格木的葉片達(dá)到最大熱釋放速率的時間較長，但其燃燒持續(xù)時間長，釋放熱量和煙釋放總量要高于馬尾松和臺灣相思。因此，紅椎和格木的葉片在發(fā)生火災(zāi)后燃燒時間較長，不易撲救，且釋放更多的煙，對撲火人員造成更大威脅。馬尾松和臺灣相思的葉片達(dá)到最大熱釋放速率時間短，易造成瞬間火勢擴(kuò)大，但火勢減弱快。

本研究僅針對葉片，從燃燒實(shí)驗(yàn)參數(shù)等方面開展了相關(guān)研究，但植物的不同部位、不同季節(jié)、不同的測定方法都會影響防火性能的評價結(jié)果。本研究僅考慮葉片的防火性能，植物其他組織的防火性能也不容忽視，在接下來的研究中，將全面考慮植物各器官的防火性能，進(jìn)行綜合評判。

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