黑龙江省主要草本可燃物燃烧性分析I：灰分含量及燃烧速度

王小雪 ，彭徐剑 胡海清

（1. 东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨 150040； 2. 南京森林警察学院治安系，江苏 南京 210046；3. 哈尔滨医科大学 组织部，黑龙江 哈尔滨150081）

黑龙江省主要草本可燃物燃烧性分析I：灰分含量及燃烧速度

王小雪1，3，彭徐剑2，胡海清1

（1. 东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨 150040； 2. 南京森林警察学院治安系，江苏 南京 210046；3. 哈尔滨医科大学 组织部，黑龙江 哈尔滨150081）

应用SX2-10-13型马弗炉和电炉对黑龙江省主要草本可燃物灰分含量及燃烧速度进行了测定，分析了不同草本可燃物、同一科草本可燃物及科与科之间灰分含量及燃烧速度的差异，以及产生差异的原因。从灰分含量及燃烧速度综合分析得出，灰菜的灰分含量（25.48%）为20种草本可燃物中最高，其燃烧速度（0.723 4 s）为20种草本可燃物最慢，说明其阻火性能为20中草本可燃物最好；而唐松草的阻火性能最差，其灰分含量（4.85%）为20种草本可燃物中最低，燃烧速度（0.113 5 s）为20种草本可燃物最快；草本可燃物科与科之间灰分含量与燃烧速度比较分析得出，草本可燃物科与科之间灰分含量与燃烧速度没有固定的规律；草本可燃物灰分含量与燃烧速度的负相关。

草本可燃物；燃烧性分析；灰分含量；燃烧速度；黑龙江省

灰分的多少主要影响火行为，一般说来，灰分大的树木燃烧不完全，火强度相对就小，林火蔓延迟缓。灰分也称矿物质，它主要由钠、钾、钙、磷、铁等元素化合物组成，林木中灰分含量随树种、土壤、树龄、生长条件、季节而改变,也随植株不同部位而异[1-4]。灰分物质的热效应主要表现在能限制焦油产生和增加木炭的生成量。可燃物中灰分物质含量越多越不易燃[5]。而焦油是形成火焰所需能量的提供者，因此，降低焦油的含量可显著地限制有焰燃烧[6-11]，可限制有焰燃烧和火蔓延的速度。因此，灰分物质含量愈高，可燃物就越难燃。不同可燃物种类的灰分含量差异很大，在木材中，灰分含量一般低于2%，树皮稍高些，叶子的灰分含量最高可达5%～10%[12-18]。燃烧速度是测定植物燃烧性质的一项综合性指标[19-21]。反映火在某种类型可燃物上的蔓延速度。笔者根据黑龙江省主要草本可燃灰分含量和燃烧速度的测定结果,比较分析不同草本可燃物的灰分含量及其燃烧的难易程度，从可燃物理化性质方面为森林防火提供科学依据。

1 研究区概况

黑 龙 江 省 位 于 我 国 最 北 部（121°11′～135°05″N；43°25′～ 53°33′E），面积 46 万 km2。西部属松嫩平原，东北部为三江平原，北部、东南部为山地。属寒温带一温带湿润一半湿润季风气候。1月平均气温-31～-15℃，极端最低气温达-52.3 ℃（漠河1969年2月13日）。7月为18～23 ℃，无霜期仅3～4个月，年平均降水量300～700 mm。

该省高等植物183科737属2 400种。其中种子植物为1763种，占全国种子植物的7.2%。属于642个属，110科。在种子植物中被子植物107科636个属642种，裸子植物3科6属17种。这众多的植物种类中，有些是本区特有的，有些是来自外区在此安家落户的，有些种类是属于生态幅度宽广的世界广布种。从本省植物种类分布的优势度看，以菊科、禾本科、莎草料、蔷蔽科、毛夏科等为主。这些科属的植物中莎草料的苔草届、蔷额科的大部分草本，以及毛茛科的多数种类耐寒性极强，都在一定程度上显示着其生活地域的特点是以寒温带为主的。

2 研究方法

2.1 样品采集

样品采集于黑龙江省帽儿山林场、凉水林场及塔河林业局。

2.2 实验仪器及设备

电热鼓风干燥箱101A 3型（上海实验仪器厂有限公司）；茂福炉 SX2-10-13 （天津市中环实验电炉有限公司）；电子万用炉 220 V 1 000 w （天津市泰斯特仪器有限公司）；研磨机 A11 basic（德国IKA®）；电子天平BS 124S Max 120 g d=0.000 1 g；干燥器 50 cm玻璃干燥器； 瓷坩埚40 mL,坩埚夹；分样筛 60目/寸 孔径 0.3 mm。

2.3 测定方法

2.3.1 燃烧速度的测定

测试方法：取相同叶面积的鲜叶在同样火强度的电炉上（垫上石棉网）灼烧，观测叶片的炭化（即烤焦）和灰化（有焰燃烧成灰分）的时间。也有利用蔓延速度做燃烧速度测算的，比如采用室内点燃法测定。在室内事先准备好的表面上做点火试验用，可采用平坦的和坡度为15°的放置，将采回干燥好的样品平铺，然后从一端（低端）点火，当火焰升起时，测算火焰从一断燃烧蔓延到另一端所需的时间，最后计算出燃烧速度。燃烧速度计算公式如下：

燃烧速度＝（S/t）×100%。

式中： S为距离，cm；t为时间，s。

2.3.2 灰分含量的测定

1）每个样本取3份进行平行试验，试验步骤如下：

将从大兴安岭样地采集的样品放在8℃条件下烘干至恒重,然后用粉碎机粉碎（用分样筛筛过后）,放入干燥器内备用；精确称取2～3 g(称准至0.000 1 g)；置于预先灼烧至恒重的大小适宜的瓷坩锅（瓷皿底面积28 cm2、10 cm2）；炭化：在电炉加热使样品充分炭化至无烟；灰化：将炭化至无烟的试样移至茂福炉内，错开盖，关闭炉门；650 ℃下灰化30 min后；冷却至200 ℃以下，取出，放入干燥器中至室温，精密称量；重复灼烧至恒重，重复灼烧至前后两次称量相差不超过0.5 mg为恒重，称量；标准差小于0.03%。

2）灰分含量计算公式

式中：X为样品中灰分的含量，%；m1为坩埚和灰分的质量，g；m2为坩埚的质量，g；m3为坩埚和样品的质量，g。

3 结果与分析

本实验共对20种主要草本可燃物进行测量，对每个样本取3份进行平行试验，取其平均值，并进行比较分析。其中有14个科的草本可燃物，藜科有灰菜；凤仙花科有水金凤；木贼科有问荆；百合科有铃兰、藜芦、小玉竹、毛百合；紫草科有山茄子；莎草科有尖嘴苔草、羊胡子草；罂粟科有白屈菜；唇形科有益母草；茜草科有北方猪殃殃；毛茛科有毛茛、唐松草；柳叶草科有月见草；禾本科有大叶章；蔷薇科有蚊子草；菊科有黄蒿；豆科有广布野豌豆。其结果见表1。

表1 灰分的测定结果Table 1 Determination results of ash

表1得出20种不同草本可燃物的灰分含量结果。如表所示，草本可燃物中灰分含量最高的是灰菜（25.48%），其次是水金凤（20.92%）、问 荆（16.35%）、 藜 芦（13.76%）、 山 茄 子(12.88%)、尖嘴苔草（11.80%）、白屈菜（11.56%）、益母草（11.22%）、北方猪殃殃（11.19%）、毛茛（9.91%）、月见草（8.71%）、大叶章（8.39%）、蚊子草（7.94%）、羊胡子草（7.05%）、小玉竹（6.52%）、黄蒿（6.09%）、毛百合（5.57%）和广布野豌豆（5.17%），最低的是唐松草（4.85%），这有效的说明了：在同一生境中，灰分的高低反应出物种对矿质元素的选择吸收和积累的本身差异。从表1可知，草本可燃物中燃烧速度最快的是唐松草(0.113 5 s)，其次是羊胡子草（0.180 2 s）、铃兰(0.180 9 s)、广布野豌豆(0.188 1 s)、毛百合(0.190 4 s)、白屈菜(0.202 3 s)、毛茛(0.238 6 s)、小玉竹（0.238 8 s）、大叶章（0.270 8 s）、山茄子（0.281 5 s）、尖嘴苔草（0.284 9 s）、蚊子草(0.288 0 s)、藜芦(0.288 1 s)、月见草(0.298 1 s)、北方猪殃殃(0.302 7 s)、益母草(0.316 6 s)、黄蒿(0.447 7 s)、水金凤(0.501 0 s)和问荆(0.572 6 s)，灰化速度最慢的是灰菜（0.723 4 s）。

以上结果表明，每种草本可燃物的灰分含量各不相同，这是由于各草本可燃物对矿质元素累积不同造成的。

3.1 同一科草本可燃物的灰分含量及其燃烧速度比较分析

实验选取有代表性的草本可燃物20种，共14科。其中藜科有灰菜；凤仙花科有水金凤；木贼科有问荆；百合科有铃兰、藜芦、小玉竹、毛百合；紫草科有山茄子；莎草科有尖嘴苔草、羊胡子草；罂粟科有白屈菜；唇形科有益母草；茜草科有北方猪殃殃；毛茛科有毛茛、唐松草；柳叶草科有月见草；禾本科有大叶章；蔷薇科有蚊子草；菊科有黄蒿；豆科有广布野豌豆。选取多种草本可燃物的科进行比较分析，其中有百合科、莎草科、毛茛科。

3.1.1 百合科草本可燃物灰分含量及其燃烧速度比较分析

表1显示，百合科的草本可燃物有铃兰、藜芦、小玉竹、毛百合，它们的灰分含量分别为16.35%、13.76%、6.52%和5.57%，燃烧速度依次为0.180 9、0.288 1、0.238 8和0.190 4 s。其中，铃兰的灰分含量为百合科可燃物最高，其燃烧速度也为百合科可燃物最快，这与灰分物质含量愈高，可燃物就越难燃，蔓延越迟缓矛盾，造成这种现象的原因可能是铃兰叶质结构薄有关，因为火的蔓延不仅与灰分含量有关，也与可燃物结构等有关。藜芦、小玉竹和毛百合基本符合灰分物质含量愈高，可燃物就越难燃，蔓延越迟缓这条规律。

3.1.2 莎草科草本可燃物灰分含量及其燃烧速度比较分析

表1比较得出，在莎草科草本可燃物中，尖嘴苔草的灰分含量比羊胡子草的灰分含量要高，尖嘴苔草的灰分含量为11.8%，而羊胡子草的灰分含量为7.05%。从燃烧速度上看，尖嘴苔草燃烧时间为0.284 9 s，羊胡子草为0.180 2 s，羊胡子草燃烧较快，也就是说，发生森林大火时，羊胡子草密集的林型比尖嘴苔草密集的林型火势蔓延要快。符合灰分物质含量愈高，可燃物就越难燃，蔓延越迟缓这条规律。

3.1.3 毛茛科草本可燃物灰分含量及其燃烧速度比较分析

表1显示，在毛茛科草本可燃物中，在莎草科草本可燃物中，毛茛的灰分含量比唐松草的灰分含量要高，毛茛的灰分含量为9.91%，而唐松草的灰分含量为4.85%。从燃烧速度上看，毛茛燃烧时间为0.238 6 s，唐松草为0.113 5 s，唐松草燃烧较快，也就是说，发生森林大火时，羊胡子草密集的林型比尖嘴苔草密集的林型火势蔓延要快。符合灰分物质含量愈高，可燃物就越难燃，蔓延越迟缓这条规律。

3.2 草本可燃物科与科之间灰分含量与燃烧速度比较分析

从表1可以看出，草本可燃物科与科之间灰分含量与燃烧速度没有固定的规律，如莎草科的尖嘴苔草灰分含量比莎草科的毛茛高，而毛茛的灰分含量又比莎草科的羊胡子草要高。

3.3 草本可燃物阻火效果评估

从燃烧速度和灰分含量的角度看，草本可燃物阻火性能最好的是灰菜，其燃烧速度和灰分含量分别为0.723 4 s和25.48%，灰分含量为20种草本可燃物中最高，燃烧速度也为20种草本可燃物最慢，能很好的起到阻火的作用；阻火性能最差是唐松草，其燃烧速度和灰分含量分别为0.113 5 s和4.85%，灰分含量为20种草本可燃物中最低，燃烧速度也为20种草本可燃物最快。但草本可燃物的阻火性能主要取决于草本可燃物含水率的多少，含水量高则能很好的起到阻火的作用。

3.4 草本可燃物灰分含量与燃烧速度的关系

由图1可以看出，灰分含量高的草本可燃物大体其燃烧时间较长，燃烧速度相对较慢，主要因为灰分的多少主要影响火行为，一般说来，灰分大的植物燃烧不完全，火强度相对就小，林火蔓延迟缓。

图1 草本可燃物灰分含量与燃烧速度的关系Fig. 1 Relation between ash content and combustion velocity of herb fuels

4 小结与讨论

在选取的20种草本可燃物中，每种草本可燃物的灰分含量各不相同，其阻火性能也不同。从灰分含量及燃烧速度综合分析得出，灰菜的燃烧速度和灰分含量分别为0.723 4 s和25.48%，灰分含量为20种草本可燃物中最高，燃烧速度也为20种草本可燃物最慢，其阻火性能为20中草本可燃物最好；而唐松草的阻火性能最差，其燃烧速度和灰分含量分别为0.113 5 s和4.85%，灰分含量为20种草本可燃物中最低，燃烧速度也为20种草本可燃物最快。但草本可燃物的阻火性能主要取决于草本可燃物含水率的多少，含水量高则能很好的起到阻火的作用。

草本可燃物科与科之间灰分含量与燃烧速度比较分析得出，草本可燃物科与科之间灰分含量与燃烧速度没有固定的规律，如莎草科的尖嘴苔草灰分含量比莎草科的毛茛高，而毛茛的灰分含量又比莎草科的羊胡子草要高。

草本可燃物灰分含量与燃烧速度的负相关，即灰分含量高的草本可燃物大体其燃烧时间较长，燃烧速度相对较慢，主要因为灰分的多少主要影响火行为，一般说来，灰分大的植物燃烧不完全，火强度相对就小，林火蔓延迟缓。

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Combustibility analysis of inf l ammable matters of major herb species in Heilongjiang province: I. ash content and burning velocity

WANG Xiao-xue1,3, PENG Xu-jian2, HU Hai-qing1
(1. College of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China; 2. Dept. of Public Security, Nanjing Forest Police College, Nanjing 210046, Jiangsu, China; 3. Organization Dept., Harbin Medical University, Harbin 150081, Heilongjiang, China)

An experiment was conducted to measure ash content and combustion velocity of main herbal species in Heilongjiang Province by using SX2-10-13 muff l e furnace and electric oven. The differences of ash content and combustion velocity among different herbal species fuels, among the herb inf l ammable matters within the same family and the plant fuels among different families were investigated respectively, as well as the causes of leading the differences. The results of comprehensive analysis of the ash content and the combustion velocity show that among the 20 herbal species, the ash content (25.48%) of Chenopodium album L. was the highest but its combustion velocity (0.723 4 s) was the slowest, its fire resistance was the best of the 20 herbal fuels; and the Thalictrum aquilegifolium L. var. sibiricum Regel was the worst fire resistance herbal species, its ash content (4.85%) was the lowest, and its combustion velocity (0.113 5 s) was the fastest of all the herbal fuels. The analyses results of the herbs fuels ash content and the combustion velocity between the different branches of the herbal species show that there was no fi xed rule between the herbs fuels ash content and combustion velocity, but there was a negative correlation between the ash content and the combustion velocity.

inf l ammable matters of herb species;; combustibility analysis; ash content; combustion velocity; Heilongjiang province

S762.1

A

1673-923X(2013)05-0006-05

2012-12-19

中央高校基本科研业务费专项资金项目（LGZD201322）

王小雪（1972-），女，黑龙江哈尔滨人，教授，主要从事森林防火方面的研究

[本文编校：吴 毅]