南昌典型园林树种燃烧性实验研究

肖金香,赵 平,叶 清,袁 波,邹 璐

(1.江西农业大学园林与艺术学院,南昌 330045;

2.江西航空护林站,南昌,330046;3.江西省防火办,南昌330046)

南昌典型园林树种燃烧性实验研究

肖金香1,赵 平2,叶 清1,袁 波3,邹 璐1

(1.江西农业大学园林与艺术学院,南昌 330045;

2.江西航空护林站,南昌,330046;3.江西省防火办,南昌330046)

选择南昌西郊和北郊12个园林树种不同器官理化性状测定分析和燃烧试验,根据各树种的含水率、燃点、热值、粗灰分、粗脂肪、木质素、粗纤维、燃烧时间、火烧强度和生物生态学特性等10个因子,应用DPS聚类分析法,对12个园林树种的燃烧性进行了排序,结果表明,难燃树种有5个,依次是:乐昌含笑、珊瑚树、大叶黄杨、白玉兰和海桐;较难燃树种有4个,依次是:女贞、山茶、夹竹桃和含笑;易燃树种有3个,依次是:桂花、巴东木连和红花檵木。为南方防火林带的建设提供了目前公认以外的防火树种。

园林树种;理化性状;燃烧性;聚类分析

0 引言

有关树种的燃烧性试验,国外研究比较早,美国学者Byram早在1959年就对森林可燃物的燃烧性进行了研究[1]。其后有 Anderson[2]、Mutch和Philpot[3]、Rothermel[4].对植物易燃性进行了研究。Dickinson and Kirkpatrick(1985)对塔斯马尼亚的一些重要树种及可燃物的易燃性及热值进行了实验研究,认为针叶比阔叶易燃[5]。

我国诸多学者对不同树种的燃烧性进行了研究,骆介禹等(1992)选择含水率、灰分含量、石油醚抽提物、含氮量、含磷量五个指标,对五种针叶树、六种阔叶树种的春秋两季样品进行可燃性评价,得出兴安落叶松和柳树的可燃性最小[6]。刘自强等(1993)利用含水率、燃点和灰分三个指标对大兴安岭地区多种森林可燃物的易燃性和燃烧性进行了评价[7]。高国平等(1995)认识到了树种的生物学和物候特点也影响着树种的抗火性,选择树种的含水率、油脂率、灰分率、耐燃点、树皮厚度等为抗火性能综合评价指标,筛选出了核桃楸、水曲柳、色赤杨等7个难燃抗火树种[8]。谢玉敏等(1999)对云南省7个不同树种不同季节树种燃烧性差异的研究[9]。肖金香等(2000)对庐山的主要树种的燃烧性进行了测定[10]。张景群等(2000)测定了陕西栎属主要落叶树种枯叶的可燃性[11]。田晓瑞等(2001)对南方的木荷、火力楠、杨梅等48个树种的燃烧性能及其组成成分进行了测定[12]。李世友等(2006)通过测试、分析滇东北中高海拔地区10种植物叶和枝的相对含水率、着火点温度、粗脂肪含量、灰分含量、热值5个与抗火性相关的因子,结合10种植物的生物学、生态学和造林学特性,筛选出野八角、矮杨梅为滇东北中高海拔地区的防火树种,野八角的综合防火性能优于矮杨梅[13]。宋春涛等(2007)对浙江省绍兴地区木荷等18个常绿阔叶树种树叶的7个抗火性能相关指标(包括含水率、发热量、粗脂肪含量、苯-乙醇抽提物含量、燃点、粗灰分含量、叶燃烧速度)进行了测定和模糊聚类分析,得出木荷、杜英、红楠、金叶含笑和女贞5个树种的抗火能力较强[14];鞠琳等(2008)对黑龙江省三大硬阔皮和叶的燃烧性进行了系统的测定,得到3个树种抗火强弱的排序为胡桃楸﹥水曲柳﹥黄波罗[15];胡海清等(2008)通过对树皮和枯落叶的试样在燃烧时热释放和烟释放等燃烧参数的对比分析,评价小兴安岭8个阔叶树种的抗火性,得出青榨槭可以作为阻火优先筛选树种[16];李世友等(2009)在测定和分析样品引燃时间、有焰燃烧阶段烟气温度变化和质量损失过程等的基础上,提出了植物的燃烧性参数,根据参数值大小对昆明地区25种木本植物的燃烧性进行了排序,并结合植物的生物生态学特性、造林学特性及经济价值,筛选出东魁杨梅、油茶、野八角等为昆明地区的防火树种[17]。单延龙等(2003)对黑龙江大兴安岭主要16个树种的含水率(风干、绝干)、燃点、灰分含量、苯醇抽提物含量、热值进行了测定[18]。这些研究多数是山上树种,园林树种燃烧性研究较少。本文选择江西南昌郊区常见的12种园林树种燃烧性试验,旨在为城市森林生态安全和城市树种配置提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本研究选择南昌西郊梅岭山区、湾里山区和北郊江西农大后山,采集12种园林树种作为研究材料。含笑(Michelia figo(Lour.)Spreng.)、山茶(Camellia japonica Linn.)、海桐(Pittosporum tobira(Thunb.)Ait.)、大叶黄杨(Euonymus japonicus Thunb.)、红花檵木 (Loropetalum chinense(R.Br.)Oliv.var.rubrum Yieh)、桂花 (Osmanthu s fragrans(Thunb.)Lour.)、乐昌含笑 (Michelia chapensis Dandy)、巴东木连(Manglietia patungensis Hu)、女贞 (Ligustrum lucidum Ait.)、珊瑚树(Viburmum odoratissimum Ker.)、夹竹桃(Nerium indicum Mill.)、白 玉 兰 (Magnolia denudata Desr.)。

1.2 样品采集与制备

按春季、秋季、冬季三个季节,选择晴天在树冠阳面不同部位,采集鲜叶,秋季采集了枝条及树皮,均三次重复。试样的采集规格如下:(1)叶,选择功能叶片,去除老叶、病叶、残叶,每个重复500g;(2)枝,直径0.5cm～1.5cm之间,长度 10cm左右,每个重复500g;(3)树皮,取树干离地面1.3m处,大小7cm×7cm。样品采下后用塑料袋封好带回室内,用电子天平称鲜重,然后将样品在室内铺开,边晾边置于烘箱烘至恒重,计算含水率。将恒重的样品一半做室外燃烧试验,留一半做化学成分分析。将烘干留取的一半样品用粉碎机粉碎,过60目筛,装入试剂瓶中备试(参照中华人民共和国林业行业标准,L Y/T 1267-1999,森林植物与森林枯枝落叶层样品的制备)。

1.3 研究方法

1.3.1 不同树种理化性质指标测定

含水率测定采用105℃烘干恒重法;粗灰分测定采用干灰化法;粗脂肪采用索氏残余法测定;木质素采用硫酸水解法测定;纤维素采用硫酸和氢氧化钠先后沸腾水解的方法来测定。

1.3.2 不同树种燃烧性试验

将烘至绝干的枝叶样品,取相同重量放置自制燃烧床上,点燃后用秒表计时,观测火焰高度、燃烧时间,计算不同树种的火烧强度。火焰高度、燃烧时间实测。火烧强度用火焰高度来估算,计算公式如下:

I=273h2.17

I:火烧强度(kcal·s/m);h:火焰高度(m)。

1.3.3 不同树种的生物生态学特性

按树冠结构、萌芽力、自然整枝、环境适应性和物候特征5个因子对12个园林树种进行打分。

1.3.4 不同树种燃烧性综合分析

应用DPS聚类分析法。

2 结果与分析

2.1 不同园林树种的物理性状分析

含水率是影响树种燃烧性的主要因素之一。树种体内含水量越多越不易燃,其抗火性也就越强。不同树种同期含水率不同,而同一树种在不同季节和不同器官的含水率也有差异。

2.1.1 树叶含水率对比分析

由图1可以看出,在12个园林树种中,巴东木莲春季含水率最高,达82.22%,其余树种均低于80%,珊瑚树在秋季和冬季的含水率均为最高,分别为72.33%、67.58%,而桂花在春、秋、冬三季中的含水率均为最低,分别为 51.39%、52.14%、49.48%。

2.1.2 树枝含水率对比分析

在12个园林树种中(图2),秋季珊瑚树枝含水率最高,为61.35%,含水率最低的是桂花,仅为

最低,粗灰分含量只有3.47%。经方差分析,5种灌木之间的粗灰分含量差异显著(组内显著水平0.01771＊,F临界值 6.388233;组间显著水平0.000594＊＊,F临界值7.708647),而7种乔木之间的粗灰分含量差异极显著(组内显著水平0.006822＊＊,F临界值 2.99612;组间显著水平0.005762＊＊,F临界值 3.885294)。

2.2.2 粗脂肪含量分析

脂肪在可燃物中占的比例并不大,但对燃烧性起的作用非常大。脂肪含量的多少是可燃物易燃性的重要指标,脂肪含量越高可燃物越易燃,相反,可燃物脂肪含量越低则不易燃,其抗火性也就越强。通过12种园林树种的树叶、树枝、树皮三个部位的粗脂肪含量测定分析,结果如图7所示。

从图7可看出,12种园林树种的不同器官粗脂肪含量是树叶>树枝>树皮。桂花树叶含量最高,为 11.57%,依次是山茶 11.03%、乐昌含笑10.76%、大叶黄杨 10.20%,较低的是白玉兰3.27%、依次是海桐4.51%、含笑4.92%,其他介于之间。树枝含量最高的是海桐3.26%,最低的是红花檵木0.29%。树皮只有7种,含量最高是夹竹桃,为5.79%;最低的是桂花,为0.82%。

经方差分析,不同灌木园林树种器官之间差异显著(组内显著水平0.583919,F临界值6.388233;组间显著水平 0.017536＊,F临界值 7.708647)。不同乔木园林树种器官之间差异极显著(组内显著水平0.335145,F临界值2.99612;组间显著水平0.000171＊＊,F临界值 3.885294)。

2.2.3 木质素含量分析

木质素不易燃烧,但燃烧时却能释放出大量的热量,木质素含量高可延长着火感应的时间,但着火后却提高了着火的温度,进而影响火的蔓延,其抗火性能在不同阶段的作用是不一样的。12种园林树种不同器官的木质素含量如图8所示。

从图8可见,在12个园林树种中树叶的木素含量最大的是桂花,为42.16%,最小的是夹竹桃,为27.55%。树枝的木素含量最大的是白玉兰,为42.25%,海桐最小,为27.06%。7个树种树皮的木素含量白玉兰最高,为 47.28%,夹竹桃最低29.25%。

经方差分析得出,不同灌木园林树种及树种不同器官之间的木质素含量差异不显著(组内显著水平0.250227,F临界值6.388233;组间显著水平0.63852,F临界值7.708647)。不同乔木园林树种之间的木质素含量差异显著,乔木树种不同器官之间的木质素含量差异不显著(组内显著水平0.011593＊,F临界值 2.99612;组间显著水平0.349909,F临界值3.885294)。

2.2.4 粗纤维含量分析

纤维素是可燃物最基本的成分,对树种抗火性能的影响起到了关键性的作用。12种园林树种的粗纤维含量如图9所示。

从图9知,园林树种的粗纤维素含量树枝>树皮>树叶,树叶的粗纤维素含量在 9.69%～31.27%之间,桂花最高,为31.27%,依次是珊瑚树21.93%、白玉兰20.67%、夹竹桃20.6%。树枝的纤维素含量在 37.68%～58.06%,含笑最高,为58.06%,夹竹桃最低,为 37.68%,其他在 30%～40%之间。树皮的纤维素含量在32.49%(女贞)～52.15%(巴东木连)之间,其他在30%～40%之间。

经方差分析得出,不同灌木园林树种及树种不同器官之间的粗纤维素含量差异极显著(组内显著水平0.38664,F临界值6.388233;组间显著水平0.000259＊＊,F临界值7.708647)不同园林乔木树种器官之间差异也极显著(组内显著水平0.438628,F临界值2.99612,组间显著水平 6.32E-05＊＊,F临界值3.885294)。

2.3 不同树种的燃烧性分析

2.3.1 燃烧时间

从图10可知,园林树种树叶燃烧时间较短,在31秒～49秒之间。最长的是海桐49秒,最短的是桂花31秒,其他在33秒～49秒之间。枝枝燃烧时间差别很大,在85秒～167秒之间,除夹竹桃、珊瑚树在85秒、88秒外,其余在100秒以上。

2.3.2 火烧强度

从图11可知,园林树种树叶比树枝燃烧强度大,树叶燃烧强度在107kcal·s/m～303kcal·s/m之间,12个树种就有8个超过200kcal·s/m,4个在100kcal·s/m以下。树枝在 65kcal·s/m～192kcal·s/m之间。夹竹桃燃烧强度最强,在192kcal·s/m,其次是红花檵木和巴东木连,均为139kcal·s/m,桂花最低,为 65kcal·s/m。其他在75kcal·s/m～175kcal·s/m之间。

2.4 园林树种的生物生态学特性评分结果

按树冠结构、萌芽力、自然整枝、环境适应性和物候特征5个因子对12个园林树种进行打分,结果如表1所示。

表1 12个园林树种打分结果Table 1 Outcome of score from 12 landscape species

图11 12个园林树种不同器官的燃烧强度比较图Fig.11 The fire intensity of different organs from 12 landscape species

3 不同园林树种的燃烧性结论

根据各树种的含水率、燃点、热值、粗灰分、粗脂肪、木质素、粗纤维、燃烧时间、火烧强度实测值及表1生物生态学特性等14个指标值,应用DPS聚类分析法,对12种园林树种燃烧性进行聚类。各个因素指标值采用加权法进行计算,计算公式为:指标值=树叶实测值×0.4+树枝实测值×0.3+树皮实测值×0.3。

根据DPS聚类分析结果(图12),难燃树种有 5个,依次是:乐昌含笑、珊瑚树、大叶黄杨、白玉兰和海桐;较难燃树种有4个,依次是:女贞、山茶、夹竹桃和含笑;易燃树种有3个,依次是:桂花、巴东木连和红花檵木。

图12 12个山上树种燃烧性聚类分析图Fig.12 The cluster analysis of combustion from12 landscape species

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Experimental study on combustibility of typical landscape tree species in N anchang

XIAO Jin-xiang1,ZHAO Ping2,YE Qing1,YUAN Bo3,ZOU Lu1

(1.College of Landscape Architecture and Art,JAU,Nanchang 330045,China;2.Aviation Protect Forests Station in Jiangxi Province,Nanchang 330046,China;3.The Office of Fire Prevention in Jiangxi Province,Nanchang 330046,China)

Twelve landscape species from western and northern suburbs of Nanchang were used to determine different organs physical and chemical properties,for combustibility and fire-resistance tests.Ten factors,which include moisture content,ignition point,heat value,ash content,crude fat content,lignin content,crude fiber content,burning time,fire intensity,biological and ecological characteristics,were adopted as the evaluation indices,thereby DPS cluster analysis method was used in comprehensive evaluation of combustibility.The results show that the twelve landscape species can be divided into three categories by their combustibility.The difficult-flammable species include Michelia chapensis Dandy,Viburmum odoratissimum Ker.,Euonymus japonicus Thunb.,Magnolia denudata Desr.and Pittosporum tobira(Thunb.)Ait.The secondary difficultflammable species include Ligustrum lucidum Ait.,Camellia japonica Linn.,Nerium indicum Mill.and Michelia figo(Lour.)Spreng.The flammable species include Osmanthus fragrans(Thunb.),Manglietia patungensis Hu and Loropetalum chinense(R.Br.)Oliv.var.rubrum Yieh.

Landscape species;Physical and chemical properties;Combustibility;Cluster analysis

X954

A

1004-5309(2011)-0048-08

2010-08-24;修改日期:2010-11-02

江西省科技厅课题(20072425)。

肖金香,女,(1952-),教授,硕士生导师,气象教研室主任,从事林火管理和气象学的教学和科研工作。