彩色樹種抗火性測定

徐 明，鄭華英，李沛峰

(江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院，江蘇 南京 211153)

近年來，隨著林業(yè)生態(tài)建設(shè)不斷發(fā)展，森林資源和蓄積量不斷增加，森林旅游業(yè)蓬勃發(fā)展，吸引了越來越多游客，因此，森林防火工作愈發(fā)重要。江蘇蘇南丘陵山區(qū)森林面積較大，名勝古跡眾多，人為活動頻繁，寺廟道觀香火旺盛，森林火災(zāi)潛在隱患巨大，森林防火面臨形勢嚴(yán)峻，在全面做好森林防火工作的同時，構(gòu)建生物防火林帶具有十分重要的意義。江蘇蘇南丘陵山區(qū)林相改造配置了許多彩色樹種，充分發(fā)揮彩色樹種景觀功能和生物防火潛能，構(gòu)建彩色樹種生物防火林帶可有效阻減森林火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展，對于實現(xiàn)江蘇省丘陵山區(qū)森林樹種“珍貴化、彩色化、效益化”，保護森林生態(tài)環(huán)境，筑牢生態(tài)防火屏障，促進美化丘陵山區(qū)具有重要意義。

森林可燃物含水率是影響林火發(fā)生發(fā)展的重要因子，其大小決定了森林燃燒的難易程度[1]。目前，美國、加拿大、澳大利亞等國均研制出了可燃物含水率模型[2-3]。木本植物葉片發(fā)熱量的研究可以為科學(xué)評估其火災(zāi)危險性提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[4-5]。1970 年，Anderson 對植物的易燃性進行了研究，最早提出植物易燃性定義[6]。我國對不同樹種的理化性狀指標(biāo)、燃燒性指標(biāo)、抗火性指標(biāo)、生物學(xué)特性、生態(tài)學(xué)特性綜合評價樹種的易燃難燃和抗火程度等抗火性能的研究較多[7-18]；彩色生物防火林帶樹種樹葉水分的蒸發(fā)需要消耗熱量，對著火及火的蔓延具有抑制作用，抽提物具有燃點低、發(fā)熱量高的特點，燃燒釋放出來的熱量對相鄰可燃物的預(yù)熱、熱分解具有積極作用，對樹枝葉的燃燒放熱機理等研究較少[19-22]。本文在試驗區(qū)選用樹葉中乙醚抽提物燃燒釋放出來的熱量與水分蒸發(fā)所消耗的熱量之差作為葉易燃性的評判指標(biāo)，選用樹枝凈釋放熱量中有焰燃燒階段釋放出來的熱量作為枝易燃性評判的指標(biāo)，并對易燃性低的樹種開展其室內(nèi)抗火強度測定，為選擇生物防火樹種提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地點位于南京市南郊江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院實驗林場(118°25′63″E，32°01′88″N)。該區(qū)屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫為15.4 ℃，年日照2 116 h，全年無霜期229 d，年降水量1 000—1 050 mm，秋冬降水量少，較為干燥，是林火高發(fā)期[23]。

1.2 材料

1.2.1 供試樹種 選擇木荷(Schimasuperba)、紅楠(MachilusthunbergiiSieb. et Zucc.)、北美楓香(LiquidambarstyracifluaL.)、紅果冬青(Ilexpurpurea)、油樟[Cinnamomumlongipaniculatum(Gamble) N.Chao ex H.W.Li]、楊梅[Myricarubra(Lour.) S. et Zucc.]、桂花[Osmanthusfragrans(Thunb.) Lour.]、油茶(CamelliaoleiferaAbel.)、茶樹[C.sinensis(L.) O. Ktze]、紅葉石楠(Photinia×fraseriDress)、紅花深山含笑(MicheliamaudiaeDunn)、檫樹(SassafrastsumuHemsl.)等12個蘇南丘陵山區(qū)常用的彩色樹種進行抗火性指標(biāo)測定。

1.2.2 樣品采集和處理 采樣時間為2021年4月8日。采樣地點為南京南郊丘陵山區(qū)江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院實驗林場；樹種立地條件基本一致，采集帶葉樹枝長1.0 m，裝入保濕膜袋，并帶回實驗室。樣品分成熟新葉、老葉和2年生小枝，均在相同條件下進行烘干、粉碎處理，并過100目篩備用。

1.3 方法

1.3.1 樹葉、枝的易燃性指標(biāo)測定 采用烘干恒重法測定含水率，測定溫度為103—105 ℃；著火點采用DW-2著火點溫度測定儀測定[8]。樹葉的易燃性采用索氏提取法測定，以乙醚為有機溶劑，測定抽提物含量[8]，用XRY-1C型微機氧彈式熱量計測定熱量值，計算式為Q(J/g)=k[(T-T0+Δt)]/G，Q表示預(yù)測可燃物的發(fā)熱量，k為水當(dāng)量(kJ/℃)，T0為點燃前的溫度(℃)，T為點燃后的溫度(℃)，Δt為溫度校正值(℃)，G為樣品質(zhì)量(g)[9]。采用DW-3著火點溫度測定儀測定樹枝殘?zhí)可陕剩瑢⒀b有干枝的容器放入500 ℃的測定儀爐體內(nèi)，熱分解4 min后取出，測定生成的殘?zhí)抠|(zhì)量，計算殘?zhí)可陕剩簹執(zhí)可陕?%)=炭質(zhì)量/枝質(zhì)量×100[15]。因樹枝段不易在氧彈式熱量計中被點燃，試驗時加入少量干松枝段作“引火物”測定混合樣的發(fā)熱量和干松枝段的發(fā)熱量。其計算式為枝發(fā)熱量(J/g)=(混合樣發(fā)熱量×質(zhì)量-干松枝段發(fā)熱量×質(zhì)量)/(混合樣質(zhì)量-干松枝段質(zhì)量)[7,15]。

1.3.2 樹葉、枝易燃性綜合指標(biāo)測算 根據(jù)ΔE=E1-E2，其中，ΔE為樹葉易燃性綜合指標(biāo)(J/g)，即樹葉中抽提物燃燒釋放出的熱量與水分汽化所消耗的熱量之差；E1為抽提物放出的熱量；E2為可燃物中水分汽化所需要的熱量。E2=水的汽化潛熱(2 260 J/g)×可燃物含水率[7]；樹枝有焰燃燒性綜合指標(biāo)根據(jù)ΔE[樹枝有焰燃燒(J/g)=樹枝發(fā)熱量(J/g)-殘?zhí)堪l(fā)熱量(J/g)×干枝段的殘?zhí)可陕?%)×(1-樹枝相對含水率(%)]測定[18]。

1.3.3 不同樹種枝葉的火燒強度測定方法 用燃燒床法的火焰高度(h)來估算火燒強度(I):I=273h2.17[13,19]。方法是在室內(nèi)用磚砌高50 cm的燃燒灶，上面鋪上鐵絲網(wǎng)，構(gòu)成1.0 m×1.0 m的燃燒床，床邊立有刻度測高標(biāo)桿，稱取相同質(zhì)量枯枝葉樣品放在燃燒床上，點燃后用秒表計時，測定平均火焰高度，應(yīng)用參考文獻[19]計算不同樹種的火燒強度I=273h2.17。I為火燒強度(kW/s)，h為火焰高度(m)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)列表作圖和計算采用Microsoft Excel 2010軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹葉、樹枝易燃性分析

2.1.1 不同樹種樹葉、樹枝含水率分析 樹葉、樹枝含水率是反映樹木抗火性的物理指標(biāo)之一。結(jié)果表明，各樹種樹葉的含水率排序為：茶樹<紅果冬青<油樟<桂花<紅楠<北美楓香<油茶<木荷<紅葉石楠<紅花深山含笑<檫樹<楊梅。楊梅樹葉含水率最高，為60.44%；茶樹樹葉含水率最低，為49.13%；各種樹枝的含水率排序為：紅果冬青<茶樹<油樟<桂花<深山含笑<油茶<紅楠<木荷<紅花深山含笑<楊梅<檫樹<紅葉石楠。紅葉石楠樹枝含水率最高，為59.01%；紅果冬青樹枝含水率最低，為48.77%。木荷、檫樹、紅葉石楠、紅花深山含笑、楊梅5種樹種樹葉枝的含水率均較高(見表1，2)。

2.1.2 不同樹種樹枝、樹葉的著火點分析 樹種枝、樹葉是否容易著火主要取決于枝葉著火點的高低。測定發(fā)現(xiàn)檫樹樹枝、樹葉的著火點最高，分別為255，291 ℃；茶樹葉和桂花樹枝的著火點最低，分別為237，244 ℃。檫樹、木荷、紅葉石楠、紅花深山含笑和楊梅5樹種樹枝葉的著火點均高于其他樹種，其易燃性弱(見表1，2)。

表1 彩色生物防火林帶樹種樹葉的易燃性相關(guān)因子測定值

2.1.3 不同樹種樹葉中抽提物含量分析 樹葉單位質(zhì)量葉中抽提物燃燒釋放出的熱量小于其所含水分汽化所消耗的熱量，則葉不容易著火。測定發(fā)現(xiàn)檫樹樹葉的干葉發(fā)熱量和抽提后余物發(fā)熱量最低，分別為15 398，14 988 J/g；紅果冬青樹葉的干葉發(fā)熱量和抽提后余物發(fā)熱量最高，分別為18 750，17 950 J/g。檫樹、木荷、紅葉石楠、紅花深山含笑和楊梅5樹種的干葉發(fā)熱量和抽提后余物發(fā)熱量均很低，說明這5種樹種樹葉的易燃性較低(見表1)。

2.1.4 不同樹種樹枝有焰燃燒分析 樹枝有焰燃燒與易燃性測定發(fā)現(xiàn)，檫樹樹枝的發(fā)熱量和余炭發(fā)熱量最低，分別為6 328，24 988 J/g；紅果冬青樹枝的發(fā)熱量和余炭發(fā)熱量最高，分別為8 950，27 950 J/g。檫樹、木荷、紅葉石楠、紅花深山含笑和楊梅5樹種的樹枝發(fā)熱量和余炭發(fā)熱量均較低，說明這5種樹種樹枝有焰燃燒性較低，其易燃性也較低(見表2)。

表2 彩色生物防火林帶樹種樹枝的易燃性相關(guān)因子測定值

2.2 樹葉、樹枝的易燃性綜合指標(biāo)分析

2.2.1 不同樹種樹葉的易燃性綜合指標(biāo)分析 通過以樹葉中抽提物燃燒釋放出來的熱量與水分蒸發(fā)所消耗的熱量之差作為易燃性的評判指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)檫樹的樹葉ΔE值最低，為-951.01 J/g；紅果冬青的樹葉ΔE值最高，為-236.61 J/g。12種彩色生物防火林帶樹種樹葉易燃性由強到弱的順序為紅果冬青>茶樹>油樟>北美楓香>紅楠>桂花>油茶>紅葉石楠>楊梅>紅花深山含笑>木荷>檫樹。測定發(fā)現(xiàn)檫樹、木荷、紅花深山含笑、紅葉石楠和楊梅5樹種樹葉的易燃性綜合指標(biāo)均明顯低于其他樹種，說明這5樹種的抗火性均較強(見圖1)。

2.2.2 不同樹種樹枝的易燃性綜合指標(biāo)分析 通過樹種樹枝在有焰燃燒階段釋放出來的熱量作為易燃性評判的指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)檫樹的樹枝ΔE值最低，為267.84 J/g；紅果冬青的樹枝ΔE值最高，為606.44 J/g。12種樹種樹枝易燃性由強到弱的順序為紅果冬青>茶樹>油樟>北美楓香>紅楠>桂花>油茶>紅葉石楠>楊梅>紅花深山含笑>木荷>檫樹，測定發(fā)現(xiàn)檫樹、木荷、紅葉石楠、紅花深山含笑和楊梅5樹種的樹枝易燃性綜合指標(biāo)均明顯低于其他樹種，說明這5樹種的抗火性均較強(見圖1)。

2.3 不同樹種的室內(nèi)抗火強度效果

室內(nèi)人工模擬著火過火試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：檫樹、木荷、紅葉石楠、紅花深山含笑和楊梅5種易燃性低的樹種其火燒強度分別為118.48，124.41，148.10，189.57，171.80 kW/s，均明顯低于對照紅果冬青的278.43 kW/s。因此，說明這5樹種有較強的抗火強度，其中檫樹、木荷、紅葉石楠3樹種火燒強度更低，有更強的抗火燒能力。

3 討論

(1) 樹枝、樹葉含水率高、著火點溫度高，其不易燃，不易著火，抗火性強。江津凡、萬福緒研究發(fā)現(xiàn)8種樹種的樹葉、樹枝的含水率和枯枝葉的最大持水率都有明顯差異[21]。本研究發(fā)現(xiàn)檫樹、木荷、紅葉石楠、紅花深山含笑和楊梅5樹種樹枝、樹葉的含水率、著火點溫度均高于其他樹種，說明這5樹種的樹葉、樹枝易燃性較差，不易著火，這些均表明這5樹種的抗火性較強；本研究的采樣時間2021年4月8日，為南京地區(qū)植物春季生長期，其他季節(jié)未涉及。枝葉含水率、著火點溫度等與燃燒相關(guān)的理化性質(zhì)隨季節(jié)呈動態(tài)變化，其不同季節(jié)的動態(tài)變化結(jié)果有待進一步研究。

(2) 樹葉是否容易著火主要取決于葉中抽提物燃燒釋放出的熱量及水分汽化所消耗的熱量等因素，如果單位質(zhì)量葉中抽提物燃燒釋放出的熱量小于其所含水分汽化所消耗的熱量則這種葉不容易著火。本研究發(fā)現(xiàn)檫樹、木荷、紅葉石楠、紅花深山含笑和楊梅5樹種樹葉的干葉發(fā)熱量、抽提后余物發(fā)熱量和樹枝的發(fā)熱量、殘?zhí)堪l(fā)熱量均很低，說明這5種樹種樹葉、樹枝的易燃性和有焰燃燒性較低、抗火性較強。據(jù)報道檫樹、米櫧、木荷3種板材的最高熱釋放率分別為83.43，73.2l，98.77 kw/m2，均高于FAA要求的標(biāo)準(zhǔn)(<65 kw/m2)[24]。報道表明木荷是抗火樹種[3,8]，實驗說明從檫樹板材燃燒的熱釋放率明顯低于木荷，也從另一方面證明檫樹的抗火性要強于木荷，所以檫木是一個很有前景的抗火樹種。當(dāng)然，候選樹種的生物學(xué)、生態(tài)學(xué)特性和經(jīng)濟價值也是篩選防火樹種時要考慮的因子[25]。檫木是先花后葉樹種，早春滿山的檫木黃花景觀誘人，因此，檫木是一個很好的抗火景觀樹種；木荷、紅葉石楠、紅花深山含笑和楊梅也是很好的抗火景觀樹種，其經(jīng)濟價值均很高[23-24]。

(3)彩色樹種樹葉、樹枝易燃性綜合指標(biāo)測定發(fā)現(xiàn)，檫樹、木荷、紅花深山含笑、紅葉石楠和楊梅5樹種的樹葉、樹枝易燃性綜合指標(biāo)均明顯低于其他樹種，說明這5樹種的抗火性均較強。特別是經(jīng)過室內(nèi)模擬抗火效果試驗發(fā)現(xiàn)，5樹種的抗火效果明顯，檫樹、木荷、紅葉石楠的抗火效果更強。用紅葉石楠密植灌木綠化帶，間種檫樹、木荷、紅花深山含笑和楊梅等，構(gòu)建彩色樹種生物防火林帶模式，形成喬灌立體抗火屏障，即喬木樹種抗御林冠火，灌木樹種抗御地表火，形成有效立體抗火屏障，其應(yīng)用前景廣闊，具有重要的研究意義[23-24]。