黑龍江省草原草本燃燒性分析

魏云敏 孫家寶 李丹丹

摘要： ?在黑龍江省草原地區(qū)林甸、虎林和嫩江三個地區(qū)分別設置樣地，研究三個地區(qū)混合草本種類可燃物燃燒性和10種草本燃燒性，采用外業(yè)調查、采樣和室內測試相結合的方法，對黑龍江省草本可燃物的燃點、熱值、灰分、絕干含水率等因子進行分析，采用層次分析法賦予權重對草原草本燃燒性進行排序。結果表明，黑龍江草原混合草本可燃物絕干含水率由小到大依次為林甸<嫩江<虎林；載量由小到大依次為林甸<嫩江<虎林；灰分由小到大依次為嫩江<虎林<林甸；燃點由小到大依次為虎林<林甸<嫩江；熱值由小到大依次為虎林<嫩江<林甸，從綜合燃燒性量化指標排序，燃燒性林甸< 嫩江 < 虎林，虎林燃燒性量化指標最大，草原發(fā)生火災的可能性相對較低。10種草本可燃物，絕干含水率、灰分百分含量最低的是苔草，最高的是山萵苣；熱值最小的是山萵苣，最高是蘆葦；草本可燃物燃點最低是山萵苣（243 ℃），最高的是地榆（252 ℃）。從綜合燃燒性量化指標排序，苔草燃燒性量化值最小，燃燒性最強，山萵苣燃燒性量化值最大，燃燒性最弱。

關鍵詞： ?草原； ?燃燒性； ?層次分析法

中圖分類號： ? S 718; S 812. 6 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： ? A ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：１００1 － 9499（２０23）02 － 0057 － 06

Analysis on Flammability of Herbs Fuel in Grassland

of Heilongjiang Province

WEI Yunmin SUN Jiabao** LI Dandan

（Heilongjiang Institute of Forest Protection， ?Heilongjiang Harbin 150081）

Abstract The flammability of mixed herb species and 10 herbs fuel in grasslands of LD， HL， NJ in Heilongjiang province were studied . Based on field investigation and indoor combustion， ?the physical and chemical properties such as ashcontent， ignition point and calorific value of fuel in grasslands of LD， HL， NJ in Heilongjiang province and based on SPSS18.0 and Exel WPS software were analyzed， used the analytic hierarchy process analysis to analyze the physical and chemicalproperties to obtain the fuel flammability. Moisture rates of fuel in the grassland of Heilongjiang province from weak to strong were： LD， NJ，HL; Loads from weak to stronge were LD， NJ，HL; Ash contents from weak to strong were NJ， HL，LD; Ignition points from weak to strong were： HL，LD， NJ; Calorific values from weak to strong were： HL，LD， NJ; According to the comprehensive index of flammability performance combined with the fuel physical and chemical properties， the flammability of grasslands in Heilongjiang province from weak to strong were： LD， NJ，HL; The mininue values of moisture rate and ash content were Carex tristachya， maxmum values were Mulgedium sibiricum; The mininue value of calorific values was Mulgedium sibiricum， maxmum value was Phragmites australis; The mininue value ofIgnition points was Mulgedium sibiricum， maxmum value was Radix sanguisorbae. According to the comprehensive index of flammability performance combined with the fuel physical and chemical properties， Carex tristachya ?flammability of herbs was strong， Mulgedium sibiricum flammability of herbs was weak.

Key words grassland; flammability; analytic hierarchy process

黑龍江省草原面積207萬hm2，占全省國土總面積的4.4%[ 1 ]，在維護生物多樣性、保持水土、涵養(yǎng)水源等方面具有重要意義[ 2 - 3 ]。自1987年起，黑龍江省共發(fā)生重特大草原火災28起，受害草原面積約21萬hm2[ 4 ]，最近一次重特大草原火災發(fā)生于2005年3月，雖然2006年以來全省未發(fā)生過重特大草原火災，且一般性火災發(fā)生次數(shù)與草原過火面積呈逐年遞減態(tài)勢[ 5 ]，但是草原可燃物載量、理化性質等因素導致草原發(fā)生火災的風險較高，草原可燃物燃燒性受可燃物理化性質、載量等因子的影響而不同[ 3 ]。

草原可燃物是草原火燃燒的基礎，而草原可燃物理化性質對草原燃燒性產生重要影響[ 6 ]，吸引了國內外很多學者對其進行研究。Fang Keyan[ 7 ]、Wilgen[ 8 ]、 DellsSala[ 9 ]測定一些樹的燃點、含水率、抽提物等理化因子對燃燒性影響進行了研究；裴建元等[ 10 ]對10種常綠闊葉樹種的樹皮、樹葉和樹枝的含水率、抽提物、灰分、燃點等理化性質對燃燒性的影響進行了分析和評價，為防火樹種的篩選增加了理論基礎；王小雪[ 11 ]對黑龍江省林下48種草本可燃物的含水率、抽提物、熱值、灰分對燃燒性的影響進行了研究，通過層次分析法構建評估模型，增強了人們對林下草本可燃物燃燒性的認識。但是大部分研究者都集中對森林樹種理化性質來研究森林可燃物的燃燒性[ 12 - 15 ]，對草原可燃物燃燒性研究相對較少。

本研究以黑龍江省混合草本可燃物和單一草本可燃物為研究對象，在林甸、虎林和嫩江采集可燃物樣品，對可燃物樣品的灰分、熱值、燃點、絕對含水率等因子進行分析，比較其燃燒性大小，旨在為草原火的預防和撲救提供理論基礎。

1 材料與方法

1. 1 研究區(qū)域概況

松嫩平原草原區(qū)草原面積108.2萬hm2，占全省草原總面積的52%。海拔150～300 m，土壤為黑鈣土、草甸土、沼澤土、鹽堿土、沙土等等，氣候屬半濕潤型，平均氣溫0.7～4.2 ℃，降水量300 mm左右，降水多集中在6～8月，無霜期110～140天；三江平原草原區(qū)，草原面積30.2萬hm2，占全省草原總面積的15%，海拔50～80 m，土壤為沼澤土、草甸土、白漿土等等，氣候屬半濕潤型、濕潤型，平均氣溫1.4～ 3.6 ℃，降水量500～700 mm，降水多集中在6～8月，無霜期120～145天；山區(qū)半山區(qū)草原區(qū)，草原面積68.7萬hm2，占全省草原總面積的33%，海拔700 m以下，土壤為暗棕黑土、黑鈣土、黑土等等，氣候屬半濕潤型，平均氣溫-6～0.4 ℃，降水量450～650 mm，降水多集中在6～8月，無霜期80～120天；

1. 2 樣品采集

對黑龍江省草原按草原類型、自然因素和行政界限等因素進行分類，分為松嫩平原草原區(qū)、三江平原草原區(qū)、山區(qū)半山區(qū)草原區(qū)三大平原區(qū)；按照《草原分類》NY/T2997-2016標準，全省草原主要分為低地草甸類、溫性草原類和山地草甸類三大類，涉及草本種類有羊草（Leymus chinensis）、苔草（Carex tristachya）、蘆葦（Phragmites australis）、小葉章（Deyeuxia angustifolia）、大葉章（Deyeuxia langsdorffii）、地榆（Radix Sanguisorbae）、水蒿（Artemisia selengensis）、虎尾草（Chloris virgata）、蒙古蒿（Artenmisia mongolica）、山萵苣（Mulgedium sibiricum），在每種草原類型上選擇具有代表性的草本樣地，隨機布設10 m×10 m的樣地，每種草原類型設置3塊重復樣地，每塊10 m×10 m樣地的四角及中心處取3個1 m×1 m小樣方，小樣方內草本齊地收割，稱取鮮重，稱取部分樣品裝入信封，在信封上做好記錄，帶回實驗室進行處理，主要測定可燃物載量、灰分、燃點、熱值等理化指標。

1. 3 試驗方法

1. 3. 1 草本可燃物載量測定

將裝有草本樣品的信封放入105 ℃烘箱中，連續(xù)烘干24 h，然后取出稱其重量，利用下列公式求出絕干含水率，再利用絕干含水率求出樣方內草本可燃物載量[ 4 ]。

M=×100%（1）

式中，M 為絕干含水率；W1為樣品鮮重（g）；W絕為烘箱中取出稱其重量。

W載＝M×W樣（2）

式中，W載為小樣方內草本載量；M為絕干含水率；W樣為小樣方內草本的鮮重。

1. 3. 2 草本灰分測定

將烘干后的草本樣品用粉碎機研磨成粉末，過1 mm篩，稱取1 g樣品放入烘干過的坩堝（已稱重）內，稱重，將坩堝和樣品放到設定溫度為600 ℃馬弗爐中1 h，樣品在馬弗爐中充分燃燒至灰燼，取出后放到干燥器待涼后進行稱重，記下坩堝和灰分的重量，每個樣品重復3次試驗，灰分含量計算公式為：

X=（3）

式中，m1為坩堝和灰分的質量；m2為坩堝的質量；m3為坩堝和樣品的質量[ 16 ]。

1. 3. 3 熱值測定

將烘干后的草本樣品用粉碎機研磨成粉末，過1 mm篩，稱取0.5 g樣品放入到氧彈燃燒皿中，連接點火絲，氧彈充氧后放入QZLRY-5E微機全自動量熱儀內筒中，操作熱量儀軟件系統(tǒng)，樣品燃燒后熱量值在熱量儀軟件操作平臺顯示，每個樣品重復3次[ 17 ]。

1. 3. 4 燃點測定

將烘干后的草本樣品用粉碎機研磨成粉末，過1 mm篩，稱取0.1 g樣品和0.075 g經干燥研磨過的亞硝酸鈉混合均勻，裝入試管中，放到XTRD-5型燃點測試儀中，操作燃點儀軟件系統(tǒng)，隨著溫度升高樣品燃燒后爐溫線與樣品對爐溫之差線相交點，即為樣品燃點，燃點在燃點儀軟件系統(tǒng)平臺顯示，每個樣品重復3次[ 18 ]。

1. 4 數(shù)據(jù)分析方法

采用Excel WPS和SPSS8.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析。

1. 5 草本燃燒性排序

利用層次分析法（AnalyticHierarchyProcess，簡稱 AHP）對選取的黑龍江省草原燃燒因子指標，建立燃燒因子遞階層次結構，通過構建判斷矩陣，經過層次組合排序及一致性檢驗，賦予權重，然后根據(jù)權重計算草本的燃燒性，按燃燒性的大小進行排序[ 11 ][ 18 ]。

Y=a1x1+a2x2+a3x3……amxm

2 結果分析

2. 1 黑龍江省草原草本燃燒性分析

分別對從三大平原區(qū)（林甸、虎林和嫩江）采集的草本混合樣品和10種單一草本，從燃點、灰分、熱值、載量和含水率分析了草原可燃物燃燒性。

草原可燃物載量是草原植物生物量烘干后的重量，能夠反映草原的長勢情況[ 19 ]，同時也是該地區(qū)日照、水分、地理條件等因素的綜合影響的體現(xiàn)[ 20 ]。從草原可燃物燃燒性來講，草原可燃物載量越大，草原燃燒越劇烈，草原燃燒性越大[ 5 ， 21 ]。如圖1d的三處采樣點可以看出，嫩江可燃物載量最高，虎林居中，林甸可燃物載量最低，林甸三個樣方中可燃物載量波動較大。調查中發(fā)現(xiàn)，松嫩平原草原區(qū)分布著大量的低地草甸類草原，草原可燃物載量較低，從而降低了林甸可燃物載量。

草原可燃物燃點是草原上的可燃物被點燃時最低溫度[ 4 ]，草本可燃物種類不同，燃點不同，燃點越小，表明草本可燃物被點燃時所用的加熱時間相對較少，越易被點燃，燃燒性越大[ 19 ]；燃點越大，表明草本可燃物被點燃時所用的加熱時間相對較長，越難被點燃，燃燒性越小，如圖1b所示，三個地區(qū)9塊樣地混合草本燃點波動不顯著（P>0.05），均在240～260 ℃范圍內變化。從表2可以看出，嫩江草本可燃物燃點相對較高，燃燒性??；虎林草本可燃物燃點相對較低，燃燒性較大。10種草本植物中（表3），均值在243～252 ℃范圍內波動，草本可燃物燃點最低的是山萵苣（243 ℃），最高的是地榆（252 ℃）。

草本可燃物熱值是指草本在絕干狀態(tài)下完全燃燒后單位質量釋放出的熱量，其熱值越大，表明單位質量釋放的熱量越多，火燃燒越劇烈，因而草本燃燒性越大[ 22 ]。從表2可以看出，三個地區(qū)熱值均值差異不大（P>0.05），９塊樣地中草本可燃物熱值變化率在５％以下。10種草本植物熱值最小的是山萵苣，最高是蘆葦，熱值變化率在15%左右。

草本可燃物灰分是指可燃物燃燒后剩下含有Na、K、Ca、Mg、Si等礦物質，灰分含量越高，表明可燃物燃燒后剩余物質越多，可燃物越難燃，燃燒性越小[ 21 ]，相反，灰分含量越低，表明可燃物燃燒后剩余物質越多，可燃物越易燃，燃燒性越大。從圖１c可以看出，灰分在可燃物載量中占比較小，均在10％以下，表明草本混合可燃物都較易燃，燃燒性較大，從灰分百分含量均值可以看出，嫩江草本可燃物灰分含量最低，可燃性較大，林甸可燃物灰分含量最高，可燃性相對較小，虎林居中。10種草本植物中（表3），灰分百分含量最低的是苔草，最高的是山萵苣。

草本含水率是草本植物抗火性的重要因子，草本含水率越高，草本越不易燃，燃燒的可能性越小，本研究中只涉及絕干含水率，從表2中可以看出，絕干含水率由小到大依次為林甸<嫩江<虎林，10種草本植物中（表3），絕干含水率最低的是苔草，最高的是山萵苣。

2. 2 草原草本可燃物燃燒性排序

2. 2. 1 不同地區(qū)混合草本燃燒性因子權重的確定

針對不同地區(qū)草原混合草本可燃物，測定了燃點、熱值、絕干含水率、灰分及載量5個燃燒因子，采用層次分析法，建立燃燒因子遞階層次結構（圖2），確定權重以后建立如下方程：

點燃性 =0.454×絕干含水率+ 0.109×燃點

劇烈性 =0.135×熱值+0.056×載量+ 0.065×絕干含水率+ 0.039×灰分含量

持續(xù)性 =0.03×灰分含量+ 0.048×絕干含水率+0.064×載量

燃燒性=0.563×點燃性+ 0.295×劇烈性+

0.142×持燃性

2. 2. 2 不同草本燃燒性因子權重的確定

測定了燃點、熱值、絕干含水率、灰分4個燃燒因子（表3），采用層次分析法，確定權重以后建立如下方程：

點燃性 =0.454×絕干含水率 + 0.109×燃點

劇烈性 =0.205×熱值 + 0.037×絕干含水率 + 0.053×灰分含量

持續(xù)性=0.096× 灰分含量+0.046×絕干含水率；

燃燒性=0.563×點燃性+ 0.295×劇烈性+0.142×持燃性

2. 2. 3 草原草本可燃物燃燒性排序

針對不同地區(qū)草原混合草本可燃物，根據(jù)公式2.2.1，計算得到了三個地區(qū)混合草本可燃物的點燃性、劇烈性及持續(xù)性量化值，最后得到了燃燒性量化值（表5）。從點燃性量化指標來看，林甸點燃性最小，易發(fā)生草原火，虎林點燃性最大，相對難發(fā)生火災，嫩江介于兩者之間；從劇烈性量化指標來看，三個地區(qū)差異不大，林甸劇烈性量化指標最??；從持續(xù)性量化指標來看，林甸最小，虎林最大。燃燒性綜合了點燃性、劇烈性和持續(xù)性指標，反應三個地區(qū)可燃物抗火的能力，按照燃燒性量化指標排序，燃燒性林甸< 嫩江 < 虎林，虎林燃燒性量化指標最大，草原發(fā)生火災的可能性相對較低。

計算10種草本可燃物的點燃性、劇烈性及持續(xù)性量化值，最后得到了燃燒性量化值（表6），從點燃性量化值上比較，苔草值最小，易被引燃，山萵苣值最大，難引燃；從劇烈性和持續(xù)性量化值上比較，苔草值最小，水蒿值最大，表明苔草引燃后，燃燒不劇烈，且燃燒持續(xù)時間相對較短，水蒿與苔草相反，被點燃后燃燒劇烈，且持續(xù)的時間相對較長。綜合點燃性、劇烈性和持續(xù)性指標的燃燒性量化值，苔草燃燒性量化值最小，燃燒性最高，山萵苣燃燒性量化值最大，燃燒性最低，燃燒性較低的還有地榆、水蒿、蘆葦和蒙古蒿。

3 結論與討論

3. 1 黑龍江草原混合草本可燃物絕干含水率由小到大依次為林甸<嫩江<虎林；載量由小到大依次為林甸<嫩江<虎林；灰分由小到大依次為嫩江<虎林<林甸；燃點由小到大依次為虎林<林甸<嫩江；熱值由小到大依次為虎林<嫩江<林甸，10種草本可燃物，絕干含水率、灰分百分含量最低的是苔草，最高的是山萵苣，熱值最小的是山萵苣，最高是蘆葦草本可燃物燃點最低是山萵苣（243 ℃），最高的是地榆（252 ℃）。

3. 2 利用層次分析法賦予權重，構建燃燒性評估模型，三個地區(qū)從綜合燃燒性量化指標排序，燃燒性林甸< 嫩江 < 虎林，虎林燃燒性量化指標最大，草原發(fā)生火災的可能性相對較低。10種草原草本，從點燃性量化值上比較，苔草值最小，易被引燃，山萵苣值最大，難引燃；從劇烈性和持續(xù)性量化值上比較，苔草值最小，水蒿值最大，表明苔草引燃后，燃燒不劇烈，且燃燒持續(xù)時間相對較短，水蒿與苔草相反，被點燃后燃燒劇烈，且持續(xù)的時間相對較長。從綜合燃燒性量化指標排序，苔草燃燒性量化值最小，燃燒性最強，山萵苣燃燒性量化值最大，燃燒性最弱。

3. 3 草本燃燒性涉及多個影響因子，在本研究中只涉及了絕對含水率、載量、熱值、燃點和灰分5個影響因子，由于設計和條件的限制，在理化性質方面，抽提物和揮發(fā)性可燃氣體等未考慮到本研究中，而抽提物、揮發(fā)性可燃性氣體能助燃火的燃燒，對草本的燃燒性、火行為具有重要影響[ 22 - 23 ]，在以后的研究逐步加入抽提物、揮發(fā)性可燃性氣體等助燃因子，使草本燃燒性評估模型更完善。在研究可燃物燃燒性過程中，選擇影響因子對燃燒性的評估具有較大的影響，在對比燃燒性大小的同時，需要注意影響因子的分類和選擇；在研究燃燒性過程中，使用數(shù)學方法和模型較多，包括聚類法[ 15 ]、主成分分析法[ 16 ]、層次分析法，而哪種方法能更好的貼合實際的評判及分類燃燒性相關因子，需要在以后的研究中加以考慮。

參考文獻

［1］ 姜莉， ?玉山， ?烏蘭圖雅， ?等. ?草原火研究綜述［J］. ?草地學報， 2018， 26（4）： 791 - 803．

［2］ Guo Meng， Li Jing， Yu Fangbing， et al. Estimation of postfire vegetation recovery in boreal forests using solar-induced chlorophyll fluorescence（SIF）data［J］.

International Jouranl of Wildand fire， 2021（5）： 13 - 21.

［3］ Philip John Zylstra. Flammability dynamics in the Australian Alps［J］. Austral Ecology， 2018（5）： 56 - 63.

［4］ 鄭煥能. ?中國東北林火［M］. ?哈爾濱： ?東北林業(yè)大學出版社，2000.

［5］ 胡海清. ?林火生態(tài)與管理［M］. ?中國林業(yè)出版社， ?2005.

［6］ Babruskas V. Effective heat of combustion for flaming combusition of conifers［J］. Canadian Journal of Forest Research， 2006， 36（3）：659 - 663.

［7］ Fang Keyan， Yao Qichao， Guo hengtang， et al. ENSO modulates wildfire activity in China［J］. Nature communications， 2021（1）： 8 - 15.

［8］ Van Wilgen B W， Higgins K B， Bellstedt D U. The role of

vegetation structure and fuel chemistry in excluding fire from forest patches in the fire-prone fynbos shrublands of SouthAfrica［J］．J Ecol，1990， 78（1）： 2 - 10.

［9］ DellsSala. D.A.， Forest E. An ecological based strategy for fire and fuels management in national forest roadless areas［J］. Fire ? Technology， 2001， 61（2）： 12 - 23.

［10］ 裴建元， ?嚴員英， ?葉清， ?等. ?10 種常綠闊葉樹種理化性質的研究［J］. ?中南林業(yè)科技大學學報， ?2015， 35（2）： 16 - 21.

［11］ 王小雪， ?彭徐劍， ?胡海清. ?黑龍江省主要草本可燃物燃燒性分析：Ⅱ燃燒性綜合評價［J］. ?中南林業(yè)科技大學學報， ?2013， 33（6）： 1 - 6.

［12］ 王立軒， ?楊光， ?高佳琪， ?等. ?興安落葉松林火燒跡地地表枯落物燃燒性變化［J］.林業(yè)科學， ?2022， 58（6）： 110 - 121.

［13］ 張恒， ?候曉佳， ?張秋良. ?內蒙古大興安嶺典型林分地表死可燃物燃燒性［J］. ?福建農林大學學報（自然科學版）， ?2020， 49（4）：486 - 491

［14］ 李連強， ?牛樹奎， ?陳鋒， ?等. ?北京妙峰山林場地表潛在火行為及燃燒性分析［J］. ? 北京林業(yè)大學學報，2019， 41（3）： 58 - 67.

［15］ 鄒璐. ?井岡山自然保護區(qū) 32 個樹種抗火性研究［D］. ?南昌：江西農業(yè)大學， ?2012.

［16］ 張恒， ?崔孟然， ?單延龍， ?等. ?中蒙邊境典型草原草本可燃物燃燒性研究［J］. ?南京林業(yè)大學學報（自然科學版）， ?2021， 45（5）： 171 - 177.

［17］ 祝必琴， ?黃淑娥， ?田俊， ?等. ?亞熱帶季風區(qū)不同林型可燃物理化性質及燃燒性研究［J］. ?江西農業(yè)大學學報， ?2011， 33（6）： 1149 - 1154

［18］ 郭文霞. ?北京地區(qū)油松林抗火性綜合分析及調控研究［D］. 北京： ?北京林業(yè)大學， ?2009.

［19］ 何曉蕾， ?趙萌莉， ?劉通， ?等. ?新巴爾虎右旗草地生態(tài)系統(tǒng)的服務功能［J］. ?草業(yè)科學， ?2013， 30（10）： 1656 - 1663.

［20］ 馬文紅， ?方精云， ?楊元合， ?等. ?中國北方草地生物量動態(tài)及其與氣候因子的關系［J］. ?中國科學： ?生命科學， ?2010， 40（7）： 632 - 641.

［21］ 陳伯軒， ?郭妍范， ?佳樂， ?等. ?黑龍江省6種喬木葉片熱解特性及氣體釋放特征［J］. ?應用生態(tài)學報， ?2022， 33（1）： 76 - 84.

［22］ 胡海清， ?高健， ?胡同欣. ?基于熱重分析的延邊州地區(qū)7種常見喬木樹種的燃燒性排序［J］. 中南林業(yè)科技大學學報， 中南林業(yè)科技大學學報， 2020， 40（11）： 1 - 10.

［23］ 高策. ?內蒙古東部地區(qū)草原火時空分布格局及影響因素研究［D］. ?長春： ?東北師范大學， ?2016.