中蒙邊境典型草原草本可燃物燃燒性研究

張 恒，崔孟然，單延龍，王 飛*

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018；3.北華大學(xué)林學(xué)院，北華大學(xué)森林草原防滅火科技創(chuàng)新中心，吉林 吉林 132013)

草地在防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、保持水土、凈化空氣以及維護生物多樣性方面，具有十分重要的作用[1]。草原火災(zāi)在全球范圍內(nèi)發(fā)生頻繁[2]，是自然生態(tài)系統(tǒng)中重要的干擾因子之一[3]。據(jù)統(tǒng)計，1981—2015年內(nèi)蒙古自治區(qū)共發(fā)生草原火災(zāi)1 177起，過火面積為8 138 713.1 hm2；平均年發(fā)生33.6起，過火面積 232 534.66 hm2。草原火災(zāi)多發(fā)主要是內(nèi)蒙古自治區(qū)的氣候因素和可燃物因素導(dǎo)致的[4]，其中可燃物因素包括可燃物本身的結(jié)構(gòu)狀態(tài)、尺寸大小、數(shù)量分布和理化性質(zhì)等[5]，草本可燃物的燃燒性能受到自身理化性質(zhì)的影響[6]。因此，可燃物理化性質(zhì)對于火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展和管理都有重要的作用。

有關(guān)可燃物理化性質(zhì)對燃燒性能的影響方面學(xué)者們做了大量的研究。Wilgen等[7]選用南非部分樹種的含水率、熱值、粗脂肪含量等理化指標(biāo)對燃燒性進行了研究；李旭等[8]對昆明地區(qū)具有代表性的15種木本植物進行研究，通過測定植物化學(xué)性質(zhì)分析植物燃燒性大??；王雷等[9]對呼和浩特市21種園林樹種的3個部位(葉、小枝、大枝)的理化指標(biāo)及燃燒性進行研究，應(yīng)用主成分分析進行燃燒性排序，篩選出地區(qū)園林抗火樹種；裴建元等[10]選擇10種常綠闊葉樹種，采集不同樹種的樹葉、樹枝和樹皮，烘干粉碎后在室內(nèi)進行理化性質(zhì)的測定分析，以不同樹種器官的含水率、熱值、燃點、木質(zhì)素、粗纖維、粗灰分、粗脂肪7個指標(biāo)作為評價因素，對10個樹種的抗火性進行聚類分析。王小雪等[11]對黑龍江省主要草本可燃物燃燒性進行研究，結(jié)果表明研究森林雜草層次的燃燒性使森林可燃物分析更加具有整體性和系統(tǒng)性。對森林地表可燃物燃燒性評價研究提高了森林火險預(yù)測預(yù)報的準(zhǔn)確性[12]。草地可燃物是草原火發(fā)生和蔓延的物質(zhì)基礎(chǔ)，主要以含水率較低的草本植物為主[13]，針對草原可燃物理化性質(zhì)進行研究可以分析地區(qū)內(nèi)可燃物的燃燒性，控制草原火災(zāi)的發(fā)生。

我國草原火災(zāi)發(fā)生頻率高，火災(zāi)造成損失較大，對草原生態(tài)系統(tǒng)破壞嚴重，北方草原大約1/3地區(qū)容易發(fā)生草原火災(zāi)。其中，影響內(nèi)蒙古草原火災(zāi)的內(nèi)因是降水少、氣溫高、氣候干燥等[14]，這些氣象因素的變化會改變草原火發(fā)生的外界客觀條件和草原植被自身的可燃性,從而影響草原火的發(fā)生及蔓延[15]。中蒙邊境地區(qū)邊境線較長且草原火災(zāi)發(fā)生極為頻繁[16]，大部分草原地理位置偏僻，管理難度較大，國境線附近的草原火災(zāi)發(fā)生頻度高，對國家及人民生命財產(chǎn)造成了較為嚴重的損失。因此，研究中蒙邊境地區(qū)草原火災(zāi)是十分必要的。本研究以中蒙邊境典型地區(qū)草原草本可燃物為研究對象，在中蒙邊境地區(qū)二連浩特市、東烏旗和新巴爾虎右旗內(nèi)采取樣本，對樣本的粗脂肪、燃點、熱值、灰分等理化指標(biāo)進行分析，比較可燃物燃燒性大小。篩選出中蒙邊境地區(qū)草原火災(zāi)高風(fēng)險地區(qū)，以期對草原火災(zāi)預(yù)防提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)自然地理概況見表1。

表1 研究區(qū)自然地理概況Table 1 Overview of the natural geography of the research area

二連浩特市(Erenhot City，簡稱EC)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)正北部的錫林郭勒盟西部，氣候干旱，地面干燥，屬于中溫帶干旱大陸性氣候，是典型的干旱草原沙化區(qū)，自然植被以荒漠草原為主[17]；東烏旗(Eastern Wujimqin Banner,簡稱EWB)是隸屬內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟的一個旗，地處內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟東北部，北與蒙古國交界，國境線長達527.6 km，屬北溫帶大陸性氣候，地區(qū)地帶性草地類型主要包括溫性草甸草原類和溫性典型草原類[18]；新巴爾虎右旗(Xin Barag Right Banner,簡稱XBRB)位于我國東北邊陲，國境線長515.4 km，屬溫帶大陸性氣候，新巴爾虎右旗草地類型多樣，可分為草甸草原和干草原兩大草原地帶[19]。

1.2 試驗材料

依據(jù)典型原則，在每個地區(qū)選擇能夠代表當(dāng)?shù)刂饕荼镜臉拥兀S機布設(shè)10 m×10 m的樣地，每個地區(qū)3塊樣地，分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，然后在每個樣地四角及兩條對角線中心點處取5個小樣方，樣方大小為1 m×1 m，小樣方內(nèi)地上所有草本齊地收割，裝入信封袋，采集樣品野外稱取鮮質(zhì)量，標(biāo)記好帶回實驗室進行試驗分析，主要測量粗脂肪、燃點、熱值、灰分等理化指標(biāo)。

1.3 試驗方法

1.3.1 粗脂肪測定

將經(jīng)過處理、分散且干燥的樣品用乙醚或石油醚等溶劑回流提取，使樣品中的脂肪進入溶劑中，回收溶劑后所得的殘留物即為粗脂肪。

粗脂肪含量(質(zhì)量分數(shù)，c)計算公式為：

(1)

式中:W1為抽提物提取前的總質(zhì)量,g;W2為抽提物提取后的總質(zhì)量,g;W為抽提前樣品的質(zhì)量,g。

1.3.2 灰分測定

將制備好的樣品 2 g 左右放入事先干燥稱量好的坩堝內(nèi)，并稱質(zhì)量。將烘干的小坩堝和樣本置于點燒爐進行點燒直至無煙狀態(tài)。將小坩堝放置在馬弗爐內(nèi)，設(shè)定溫度為 600 ℃，持續(xù) 6 h，使用電子秤稱質(zhì)量并記錄，灰分+坩堝的質(zhì)量，進行2次重復(fù)試驗。

灰分的含量(質(zhì)量分數(shù)，X)計算公式為：

(2)

式中：m1為坩堝質(zhì)量，m2為坩堝和灰分的質(zhì)量，m3為坩堝和樣品的質(zhì)量。

1.3.3 熱值測定

熱值的測量采用Parr 6300型全自動氧彈式熱量計測定樣品的熱值。將采集的樣品粉碎后用壓餅器壓餅，處理好的樣品放入熱值計量儀內(nèi)測定，燃燒后熱值計量儀會顯示熱量值并打印。

1.3.4 可燃物燃點測定

本研究中用實驗儀器Perkin Elmer.STA6000(熱重分析儀)計算燃點。將樣本粉碎成粉末狀，并將少量樣本放入微型坩堝內(nèi)；設(shè)定程序，升溫速率30 ℃/min，通氧速率分別為20 mL/min。運行程序為：首先升溫至100 ℃并保持5 min，然后以30 ℃/min的升溫速率升溫至700、600 ℃；得出吸熱放熱曲線(DSC)，計算出燃點。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

試驗數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2010軟件整理后，采用SPSS 8.0軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析(One-way ANOVA)，同時采用Origin 2018軟件進行作圖，分析比較典型地區(qū)草本可燃物的灰分、粗脂肪、燃點、熱值等理化指標(biāo)，對處理的理化指標(biāo)進行主成分分析，各主成分的貢獻率要求達到較高指標(biāo)，保證這些主成分可以反映樣本的更多信息，得出燃燒性比較結(jié)果。

1.5 主成分分析排序

主成分分析法可以避免重復(fù)信息的干擾，使原有信息不損失或很少損失，將多個指標(biāo)進行處理，得出獨立并且可以攜帶更多原樣本信息綜合指標(biāo)[20]。評價典型地區(qū)草原可燃物抗火性能的綜合指標(biāo)需要利用式(3)[21]計算出典型草原可燃物主成分合成變量(Y值)，可利用各主成分的貢獻率和各主成分的因子得分計算合成變量(Y值)，各主成分的貢獻率須達到90%以上。

Y=a1x1+a2x2+a3x3+……+amxm。

(3)

式中:am為各主成分貢獻率；xm為各主成分因子得分；m為主成分個數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 中蒙邊境典型草原可燃物燃燒性分析

可燃物脂肪是一種成分很復(fù)雜的易燃物，對燃燒行為影響較大[5]?？扇嘉镏械闹竞枯^其他理化指標(biāo)所占比例小，但它對燃燒反應(yīng)的發(fā)生影響很大[22]。通常用可燃物中粗脂肪含量衡量可燃物的易燃性，可燃物燃燒性越小，說明可燃物燃燒反應(yīng)越不易發(fā)生，可燃物中粗脂肪含量較高時，可燃物越易燃，燃燒性越大。對3個區(qū)試驗點典型草原草本可燃物進行測定，得到其灰分、粗脂肪、熱值和燃點結(jié)果見圖1。如圖1A所示，二連浩特市(EC)可燃物粗脂肪含量明顯低于東烏旗(EWB)和新巴爾虎右旗(XBRB)，因此二連浩特市邊境草原可燃物燃燒強度也低于東烏旗和新巴爾虎右旗爾虎右旗，燃燒性較??；東烏旗樣地Ⅱ和新巴爾虎右旗樣地Ⅰ粗脂肪量明顯高于其他地區(qū)，樣地內(nèi)草種多為易燃草種，燃燒強度大。綜合對比3個地區(qū)，明顯發(fā)現(xiàn)東烏旗地區(qū)典型可燃物粗脂肪含量高于其他地區(qū)。因此，各試驗點可燃燒物粗脂肪大小順序為：東烏旗>新巴爾虎右旗>二連浩特市。

粗灰分含量是指可燃物燃燒剩下的礦物質(zhì)含量。粗灰分對燃燒有顯著的影響，各種礦物質(zhì)與催化纖維素進行反應(yīng)后，可燃物中木炭增加，同時焦油的形成減少[22]?；曳治镔|(zhì)含量越高，可燃物就越難燃，蔓延越遲緩[8]。可燃物灰分含量越高，燃燒性能越差。如圖1B所示，3個地區(qū)可燃物灰分最高值差距較小，二連浩特市和東烏旗地區(qū)可燃物灰分值均在10%以上，表明燃燒性較??；新巴爾虎右旗樣地Ⅰ和樣地Ⅲ可燃物灰分比較低，樣地Ⅱ偏高，3塊樣可燃物的灰分含量不均，主要原因是樣地內(nèi)草本植物的數(shù)量和覆蓋率不同，但新巴爾虎右旗樣地灰分含量較另外兩個地區(qū)可燃物灰分含量低，燃燒性較大。綜合對比，二連浩特市可燃物灰分比其他兩個地區(qū)更高，燃燒性更小。因此，各試驗點可燃物灰分大小順序為：二連浩特市>東烏旗>新巴爾虎右旗。

圖1 中蒙邊境地區(qū)可燃物粗脂肪含量、灰分含量、可燃物熱值及可燃物燃點Fig.1 The crude fat content, ash content, calorific value and burning point of fuel in China-Mongolia border

可燃物熱值是指在絕干狀態(tài)下單位質(zhì)量的可燃物完全燃燒時所放出的熱量。燃燒熱值越大，釋放熱量越多，表明抗火能力越差[11]，則燃燒性越大。如圖1C所示各地區(qū)樣地植被熱值均在14 kJ/g以上，熱值差距不大，3個地區(qū)典型草原可燃物熱值都偏高，燃燒性較大。綜合對比，新巴爾虎右旗可燃物熱值最大，燃燒性最大，在氣象條件相同的情況下最易發(fā)火災(zāi)。各試驗點可燃物熱值大小順序為：新巴爾虎右旗>二連浩特市>東烏旗。

受到外界火源的直接作用可燃物開始持續(xù)燃燒化學(xué)反應(yīng)稱為著火，燃點是可燃物開始著火的最低溫度[22]。不同種類可燃物燃點差別較大，可燃物的燃點越高，可燃物被引燃就需要更長的加熱時間，越難以引燃，燃燒性越??；各地區(qū)典型草原可燃物燃點最高值差距不明顯，可燃物燃點均在250 ℃以上，說明其燃燒性較小。綜合對比3個地區(qū)，新巴爾虎右旗可燃物燃點最高，燃燒性最小(圖1D)。燃點大小順序為：新巴爾虎右施>東烏旗>二連浩特市。

2.2 可燃物燃燒性評價指標(biāo)

綜合評價可燃物理化指標(biāo)(灰分、熱值、粗脂肪、燃點)對植物燃燒性的影響，其中熱值、粗脂肪對可燃物燃燒性的影響為正向，灰分、燃點對可燃物燃燒性的影響為負向，可燃物灰分、燃點越低，燃燒性越強，熱值、粗脂肪等可燃物理化指標(biāo)值越低，燃燒性越弱。所以，對實驗測得的可燃物理化指標(biāo)進行正向化處理[23]，使可燃物理化指標(biāo)與燃燒性同向。

利用標(biāo)準(zhǔn)化以后的3個典型地區(qū)草原可燃物理化指標(biāo)進行主成分分析，得到新的互不影響的可燃物變量樣本的信息含量、貢獻率、累計貢獻率如表2所示。

表2 樣本相關(guān)矩陣的特征根與主成分貢獻率Table 2 Characteristic root and principal component contribution rate of sample correlation matrix

由表2可以看出，前兩個主成分的累計貢獻率已達到了100%；表明主成分3、4對方差的影響較小，前兩個主成分已經(jīng)包含了大多數(shù)的信息，故需要忽略后兩個主成分。因此前兩個主成分即為中蒙邊境典型地區(qū)草原可燃物抗火性能評價的復(fù)合指標(biāo)。主成分載荷矩陣和各主成分因子得分見表3和表4。

表3 正交旋轉(zhuǎn)后的主成分載荷矩陣Table 3 Principal component load matrix after orthogonal rotation

由表3可以看出，在第1主成分中灰分、燃點系數(shù)較大，說明第1主成分在這兩個指標(biāo)的特征屬性上有較大的因子載荷；在第2個主成分中粗脂肪、熱值的系數(shù)較大，說明第2主成分在這兩個指標(biāo)屬性上有較大因子載荷。

將各主成分的貢獻率和各主成分的因子得分代入式(3)得到可燃物抗火性綜合指標(biāo)值及其排列順序見表4。

表4 樣本因子得分及各地區(qū)綜合指標(biāo)排序Table 4 Sample component index and comprehensive index of different areas

從各地區(qū)綜合指標(biāo)排序結(jié)合可燃物的理化特征分析，新巴爾虎右旗綜合得分最高，燃燒性最低，其次是二連浩特市，燃燒性中等，燃燒性最大的是東烏旗。

3 討 論

1)可燃物理化性質(zhì)分析是可燃物易燃性研究的基礎(chǔ)，是草原火災(zāi)研究的重點。中蒙邊境地區(qū)地廣人稀，一旦發(fā)生火災(zāi)，發(fā)展快、火線長、火勢大、面積廣、危害大[24]，所以對于中蒙邊境地區(qū)草原火災(zāi)的研究刻不容緩。本研究以中蒙邊境典型地區(qū)草原草本可燃物理化指標(biāo)粗脂肪、灰分、熱值和燃點為研究對象，利用主成分分析法，分析中蒙邊境地區(qū)典型草本可燃物燃燒性，并對地區(qū)草本可燃物燃燒性進行綜合排序，為篩選中蒙邊境火災(zāi)防治重點區(qū)域提供依據(jù)。根據(jù)燃燒性分析結(jié)果，草原可燃物燃燒性最大的地區(qū)是東烏旗，其次是二連浩特市，新巴爾虎右旗燃燒性最小。此結(jié)果與周懷林等[25]從旗(縣)的空間尺度上對內(nèi)蒙古1981—2005年內(nèi)蒙古草原火統(tǒng)計資料研究結(jié)果顯示的新巴爾虎右旗比東烏旗發(fā)生火災(zāi)次數(shù)更多并不矛盾，因為草原火災(zāi)受諸多因素影響[26]，草原火的年際變化與植被狀態(tài)和其氣候條件具有密切關(guān)系[24]，而本研究主要考慮秋季植被理化性質(zhì)，忽略研究地區(qū)年度氣象變化。

東烏旗屬北溫帶大陸性氣候，自然條件較為惡劣，尤其春秋兩季干旱、多風(fēng)、日照強，為草原較高火險地區(qū)，同時也是境外火發(fā)生最頻繁的區(qū)域之一[27]，秋冬季為東烏珠穆沁旗發(fā)生火災(zāi)最為頻繁的季節(jié)[14]。草原植被秋季開始枯黃，草原地區(qū)降雨開始減少，可燃物含水率降低，秋季人類活動頻繁[28]，這個時間發(fā)生草原火災(zāi)可能性較大。氣象因素的變化會改變草原火發(fā)生的外界客觀條件和草原植被自身的可燃性,從而影響草原火的發(fā)生及蔓延[16]。結(jié)合研究區(qū)氣象條件，東烏旗較其他兩地年降水量與年蒸發(fā)量都最高，干旱指數(shù)也較高，極端溫度差距大，日照時間不足，不利于草種生長，惡劣的氣象條件使草原可燃物難以生存，這可能是導(dǎo)致東烏旗典型草原可燃物燃燒性大的原因；新巴爾虎右旗地區(qū)年蒸發(fā)量與年降水量差值最小，較其他兩個地區(qū)生態(tài)條件更優(yōu)越，更適合植物生長。內(nèi)蒙古地區(qū)可燃物數(shù)量分布呈現(xiàn)從東北向西南減少趨勢[29],草地火氣候指數(shù)分布的空間格局是從西向東逐級遞減[30]，新巴爾虎右旗屬于內(nèi)蒙古東北部，可燃物數(shù)量與其他兩個地區(qū)相比最大，燃燒性最小。二連浩特市地區(qū)生態(tài)條件在兩者之間，可燃物燃燒性居中。草原火災(zāi)的發(fā)生和氣象因子關(guān)系緊密[26],為了減少東烏旗地區(qū)草原火災(zāi)的發(fā)生，需要及時掌握當(dāng)?shù)貧庀鬆顩r，氣象條件影響著草本植物自身的理化性質(zhì)，同時，對于中蒙邊境地區(qū)尤其是東烏旗邊境區(qū)，需要適當(dāng)增加防火隔離帶的數(shù)量和寬度，減少境外火的發(fā)生次數(shù)。

2)如果對中蒙邊境地區(qū)草原草本可燃物理化性質(zhì)進行單獨分析，粗脂肪含量對可燃物燃燒強度影響很大，從粗脂肪角度考慮，草原可燃物燃燒性大小排序為：東烏旗>新巴爾虎右旗>二連浩特市；熱值越大，燃燒性越大，各地區(qū)熱值差距不大。從熱值角度考慮，草原可燃物燃燒性大小排序為：新巴爾虎右旗>二連浩特市>東烏旗；燃點是可燃物開始燃燒的最低溫度，可燃物的燃點越低，相同火源條件下，燃燒性越大。從燃點角度考慮，燃點由大到小依次為：新巴爾虎右旗>東烏旗>二連浩特市；灰分是影響可燃物燃燒性的重要因素，灰分含量越高，對火災(zāi)的抑制和阻隔能力就越強[31]。從灰分的角度考慮，灰分含量由大到小依次為：二連浩特市>東烏旗>新巴爾虎右旗。各個理化指標(biāo)對比結(jié)果與綜合得出的燃燒性排序結(jié)果不完全相符，說明燃燒性受到多種理化性質(zhì)的共同作用，單獨考慮任何一種都不具有代表性。3個地區(qū)不同樣地之間各種理化指標(biāo)由于受到地形條件、采樣地草種、人為條件等多方面的影響，導(dǎo)致同一地區(qū)實驗數(shù)據(jù)有所差異。雖然存在差異性，但是由于采樣、實驗及數(shù)據(jù)處理十分嚴謹，各地區(qū)典型草原草本可燃物燃燒性排序結(jié)果準(zhǔn)確性并未受到影響。相同地區(qū)不同區(qū)域氣象條件變化較大，生長的典型可燃物理化指標(biāo)差異明顯，火源類型、草原分布規(guī)律以及人們的生產(chǎn)勞動等多因素共同作用使得地區(qū)之間可燃物燃燒性大小不同。

3)本研究只重點研究理化性質(zhì)對中蒙邊境典型地區(qū)草原草本可燃物燃燒性的影響，沒有考慮草本可燃物種類、可燃物載量、其他可燃物理化性質(zhì)等方面，在今后的研究中，尚需對不同地區(qū)具體草本分別進行燃燒性實驗，并根據(jù)不同地區(qū)樣方內(nèi)不同草本的比例進行燃燒實驗比較燃燒性大小，基于此對特定地區(qū)草本可燃物進行燃燒性等級劃分，為草原火災(zāi)的預(yù)防打下基礎(chǔ)。

根據(jù)各主成分的貢獻率和各主成分的因子得分，各試驗地中燃燒性能綜合排序結(jié)果為：草原可燃物燃燒性最大的地區(qū)是東烏旗，其次是二連浩特市，燃燒性最小的地區(qū)是新巴爾虎右旗。新巴爾虎右旗地區(qū)抗火性最強，此地區(qū)火災(zāi)危險性較低，東烏旗因為可燃物和氣象條件因素等綜合作用導(dǎo)致此地區(qū)抗火性最弱，火災(zāi)危險性最高，需要重點預(yù)防。