林下草本植物燃燒性評價方法的探討

李丹丹， 張景忠， 張念慈

(黑龍江省森林保護研究所，黑龍江 哈爾濱 150040)

森林是重要的自然資源，是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)之一。林火是森林生態(tài)系統(tǒng)中一個重要的因子[1]，它既能夠促進森林系統(tǒng)的更新，也能給森林帶來巨大的損害。林火的發(fā)生必須具備三個基本條件，即一定的溫度、可燃物、氧氣。其中可燃物是林火行為發(fā)生的主體，同時也是林火能夠傳播的重要因素之一。森林可燃物的性質(zhì)與森林的構(gòu)成有關(guān)，林下的草本植物是重要的森林可燃物，林下草本植物的種類不同，它的燃燒性質(zhì)也會有很大差異。林火的發(fā)生最初是從草本植物或林下凋落物開始的，因此，對林下草本植物燃燒性的研究一直是林火行為和林火原理研究的重點內(nèi)容。

1 評價方法

對可燃物的燃燒性研究，目前，主要從可燃物的點燃性、劇烈性、燃燒的持續(xù)性三方面進行評價，進而對可燃物的燃燒性進行綜合評價。林下草本植物燃燒性評價方法最常見的有三種。

1)間接評價。是一種定性評價的方式，即通過對可燃物的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)測定后，再通過加權(quán)或統(tǒng)計回歸模型等多種方式討論可燃物的理化性質(zhì)對其燃燒性的影響，進而對草本可燃物的燃燒性進行一種定性評價。

2)直接評價。通過一定的方法得到草本可燃物的預熱時間，燃燒速度，熱值等參數(shù)，采用定量的方式對林下草本植物的燃燒性評價。獲取這些參數(shù)目前常用的方式有采用室內(nèi)或野外點燃試驗、熱重分析、錐形量熱儀等方法。

3)綜合評價的方法。綜合考慮氣象環(huán)境和理化性質(zhì)對林下草本植物進行燃燒性的動態(tài)綜合評價。

2 間接評價方法的研究

間接評價方法指通過測定可燃物的理化性質(zhì)，間接判斷可燃物存在的燃燒性，其中草本植物葉、皮的含水率、燃點、發(fā)熱量、灰分含量、抽提物含量是草本植物理化性質(zhì)中重要的因素，通過實驗測量各部分的含量能夠間接獲得其燃燒性質(zhì)。在國外，對于可燃物理化性質(zhì)的研究始于二十世紀六十年代，發(fā)現(xiàn)了抽提物和灰分含量隨著樹齡的變化而變化；而含水率卻隨季節(jié)的轉(zhuǎn)變而變化，含水率大小通常用來評價可燃物的燃燒性，可燃物的熱值是衡量可燃物燃燒性的有效定量評價方法之一。從二十世紀八十年代開始，國外的學者研究分析了多種森林可燃物的含水率、燃點、灰分含量、熱值和抽提物含量等相關(guān)參數(shù)與可燃物燃燒性之間的等級關(guān)系；建立這幾者間的回歸模型，預測可燃物的燃燒性。

2.1 含水率測定

草本植物的含水量影響可燃物達到其燃點的速度和時間，也影響可燃物釋放熱量的速度和釋放熱量的多少。可燃物的含水率與可燃物是否易燃關(guān)系密切。即可燃物含水量增加，預熱時間也會相應有所延長，同時會消耗大量熱能，通常水分溢出率越小，燃燒性越差，而阻火性能越強。含水率的測量主要包括風干含水率和絕干含水率的測量。

在常溫下，風干含水率是將野外采回樣品(M1)放在實驗室內(nèi)，待自然風干后稱重(M2)，(1)為計算風干含水率(W風干)公式。

(1)

將野外采集樣品(M1)置入 105℃恒溫箱內(nèi)，24小時之后取出稱其重量(M絕干)，(2)為計算絕干含水率W絕干公式。

(2)

2.2 抽提物測定

抽提物是粗脂肪和揮發(fā)油類的總稱，它包括脂肪、游離脂肪酸、色素、芳香油、蠟磷酸酯等脂溶性物質(zhì)，也簡稱油脂，抽提物能夠用水和有機溶劑提取。油脂含量越高越易燃，特別是含揮發(fā)油較多的植物更易燃，因此，抽提物含量的多少是可燃物易燃性的重要指標，計算方法如公式(3)。

(3)

2.3 灰分的測定

灰分是指可燃物中含有的礦物質(zhì)，主要是由鈉、鉀、鈣、鎂、硅等元素組成的無機物，灰分也是可燃物燃燒后剩下的物質(zhì)?；曳趾颗c可燃物的燃燒性成反比關(guān)系，其含量越高，燃燒性越差，反之，含量越低，燃燒性越強?？扇嘉锏幕曳挚梢酝ㄟ^將可燃物烘干、灰化獲得，由公式(4)計算獲得。

(4)

2.4 熱值的測定

熱值是指單位質(zhì)量的可燃物在絕干狀態(tài)下完全燃燒所釋放出來的熱量，熱值也叫發(fā)熱量，不同可燃物的發(fā)熱量不同，通常情況下，可燃物的熱值越高，釋放的能量也就越多。采用熱量儀微機全自動熱量儀測量。

3 直接評價方法的研究

直接定量評價方法比間接定性評價方法更具有說服力。直接評價指通過一定的方式測得能說明燃燒性的相關(guān)數(shù)值。例如預熱的時間，熱值，燃燒速率等。

3.1 點燒試驗評價草本植物燃燒性

對林下草本可燃物的燃燒性研究的方法很多,一些研究者通過林下草本可燃物的直接燃燒試驗研究植物燃燒性,李世友和蘇文靜等用自行設(shè)計的燃燒試驗裝置對研究地區(qū)草本植物的活葉進行了燃燒試驗[2,3]，利用自行設(shè)計的燃燒裝置，測定了可燃物樣品的引燃時間，分析了可燃物燃燒時溫度變化和可燃物質(zhì)量損失的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上提出了草本可燃物的燃燒性的相關(guān)參數(shù)，進而給出結(jié)論。

3.2 熱重分析法

熱重分析是指在計算機程序控制溫度下測量可燃物的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系的一種熱分析技術(shù)，用來研究可燃物的熱穩(wěn)定性和組分。林下草本可燃物通過熱重分析，可以了解草本植物的熱解速度、溫度、熱解后殘留量等相關(guān)性質(zhì)，進而掌握其熱解規(guī)律，從而對其燃燒性進行評價，國內(nèi)關(guān)于可燃物熱解及燃燒性的研究大多集中在可燃物為喬灌木上，而對林下草本可燃物的相關(guān)研究較少。金森、宋彥彥[4]等人用熱重分析法對帽兒山的草本可燃物的熱解過程進行了研究，得到了草本植物熱解速率與溫度的關(guān)系，并利用熱重技術(shù)分析了黑龍江典型可燃物的熱解行為和燃燒性。目前，我國并沒有一個完整的可燃物著火特性大數(shù)據(jù)，需要對草本植物的燃燒性進一步研究。

3.3 利用錐形量熱儀分析燃燒性

美國人(Barauskasetal[5])設(shè)計開發(fā)了第一部錐形量熱儀,開啟了利用錐形量熱儀對可燃物的燃燒性進行研究的先河，隨后各國學者展開了相關(guān)研究。其中具有代表的有Dimitrakopoulos[6]，用錐形熱量儀測量了可燃物的點燃時間，并用判別分析和聚類分析綜合評價了可燃物的燃燒性。國內(nèi)也開展了相關(guān)研究，田曉瑞[7]等以茶樹、火力楠、人工林杉木、楊木和馬尾松、毛竹人工林竹材為研究對象，利用錐形量熱儀進行了燃燒性研究，金森、何中華等利用高溫氣體溢出率對可燃物進行燃燒潛力的評價，都取得了較好的效果。

4 綜合評價方法的研究

將間接評價與直接評價相結(jié)合，夏智武[8]根據(jù)以往草本可燃物燃燒性評價標準，建立地表草本植物燃燒性實時評價的規(guī)則，在氣象環(huán)境動態(tài)變化的條件下，利用紅外圖像觀測可燃物含水率的變化，研究出一種新的實現(xiàn)定量評價可燃物燃燒性的方法，并且通過統(tǒng)計分析工具建立燃燒性等級評價規(guī)則，實現(xiàn)了評價具有時效性的目的。

5 結(jié)論

間接評價方法僅僅是對草本可燃物自身物理和化學性質(zhì)的研究，未能真實客觀的反應可燃物在燃燒過程中的熱能釋放過程。而在直接評價中，采用直接燃燒試驗方式時，需要對采自不同時間、地點的樣品進行多次試驗,這樣會受到采樣和實驗次數(shù)的限制，熱分析實驗條件要求高，并且在數(shù)學統(tǒng)計方法上稍有不足，即僅能給出統(tǒng)計結(jié)果，而可燃物的燃燒機理無法考慮，基于錐形熱量儀的燃燒性評價具有一定優(yōu)勢，可以給出定量評價，缺點是實時性差。綜合評價的方法克服間接評價和直接評價中存在的劣勢，但未能對燃燒性相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系進行具體分析，評價的工作量較大。

未來燃燒性評價發(fā)展趨勢是多種評價方法相結(jié)合給出燃燒性參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)有草本可燃物燃燒性評價標準，引入氣象因子，并使評價具有時效性，為林火預測預報服務。