五种常绿冬青叶片防火性能评价

杨丁 郝明灼 侯召斌 喻方圆 梁有旺 邹义萍 张玉

摘 要：  为了筛选冬青属（Ilex）植物优良防火品种，了解该属植物叶片燃烧表现特征，优化园林树种防火性能的评价方法，该文以克恩氏冬青（Ilex × koehneana）、史蒂芬冬青（Ilex ‘Nellie R. Stevens）、大别山冬青（I. dabieshanensis）、博福德冬青（I. cornuta ‘Burfordii）、双核冬青（I. dipyrena）为研究对象，以海桐（Pittosporum tobira）和石楠（Photinia serrulata）作为参照，采用因子分析法对这七种植物鲜叶和干叶的防火性能分别进行综合评价。结果表明：（1）不同冬青品种鲜叶火灾性能指数存在显著性差异，其余指标均呈极显著性差异。（2）经过因子分析进行评价得出鲜叶抗火性从强到弱依次为博福德冬青>史蒂芬冬青>大别山冬青>石楠>海桐>双核冬青>克恩氏冬青;干叶抗火性从强到弱依次为史蒂芬冬青>大别山冬青>博福德冬青>海桐>双核冬青>克恩氏冬青>石楠。（3）综合鲜叶及干叶的评分结果，得出博福德冬青、史蒂芬冬青、大别山冬青得分较高，防火性能优于石楠和海桐，防火性能表现更突出。

关键词： 防火性， 常绿冬青， 锥形量热仪， 因子分析， 含水率， 火灾性能指数

中图分类号：  Q948

文献标识码：  A

文章编号：  1000-3142（2021）05-0780-09

Abstract：  To select the tree species of Ilex with better fire resistance， to understand the characteristics of foliage burning process， and to optimize the evaluation methods of fire resistant potential for landscape tree species， fresh and dry leaves of Ilex × koehneana， Ilex ‘Nellie R. Stevens， I. dabieshanensis， I. cornuta ‘Burfordii and I. dipyrena were tested in burning experiments with Pittosporum tobira and Photinia serrulata as the reference tree species. Fifteen parameters， such as water content of leaves， heat release rate of fresh and dry leaves， ignition time of fresh and dry leaves and so on， were measured by cone calorimeter. Fire resistance potential for fresh or dry leaves were ranked by factor analysis. Fresh leaves reflect the fire resistance of normal live plants， and dry leaves reflect the fire resistance of plants litter. The results were as follows： （1） Among the 15 parameters tested， the fire performance factor index of fresh leaves showed significant differences at P<0.05 level and the other parameters had extremely significant differences at P<0.01 level. （2） The fire resistance rank of fresh leaves from strong to weak were I. cornuta ‘Burfordii， Ilex ‘Nellie R. Stevens， I. dabieshanensis， Photinia serrulata， Pittosporum tobira， I. dipyrena and Ilex × koehneana and the dry leaves Ilex ‘Nellie R. Stevens， I. dabieshanensis， I. cornuta ‘Burfordii， Pittosporum tobira， I. dipyrena， Ilex × koehneana and Photinia serrulata. （3） In conclusion， Ilex cornuta ‘Burfordii， Ilex ‘Nellie R. Stevens and I. dabieshanens had better fire resistance than those of Photinia serrulata， Pittosporum tobira and other Ilex cultivated varieties.

Key words： fire resistance， evergreen holly， CONE calorimeter， factor analysis， water content， fire performance parameter

森林火災不仅破坏生态环境，还严重威胁社会安全（Hammond et al.， 2013;梁琴等，2015;裴建元等，2015），而国内雨水在空间和时间上分布不均，更增加了部分林地干旱时火灾发生的概率（张宇等，2018），此外林下枯落物自然分解也需半年以上（王敏等，2019），因此进行防火树种的筛选，用以建造防火林带变得十分重要（舒立福等，1999）。为此众多学者（Pinard & Huffman，1997;李修鹏等，2013;庞晶，2017;温开德和欧阳园兰，2018）先后开展防火树种遴选与评价工作。

冬青属（Ilex）植物多常绿（中国科学院中国植物志编辑委员会，1999），景观特性优良（李修鹏等，2013），目前在欧美国家已成为园林绿化中十分重要的观赏树种（郭娟等，2018）。近年来，国内引进了许多国外的冬青品种，冬青属植物在国内园林景观上的应用正逐渐增多（田如男和辛建攀，2014;钱燕萍和田如男，2016），但尚未有学者对冬青属植物的防火性能进行系统地比较。因此，十分有必要对冬青属植物新品种的防火性能进行研究，了解不同冬青品种燃烧表现和特征，为应用推广该属植物提供理论依据。

树种防火性能评价研究中常见实验材料为树干、树皮、枝条和叶片等（李世友等，2009;温开德和欧阳园兰，2018;顾汪明等，2020），未见到有鲜叶和干叶区别研究的相关报道。常用测量仪器有锥形量热仪（刘欣瑜等，2019）、微机氧弹式量热仪（杨亮等，2009）、DW点着温度测定仪（赵凤君等，2016）等，其中锥形量热仪是目前应用较为广泛的防火性能测量仪器，可以测定出在相同热源条件下各种材料的多种燃烧特性，通过计算机处理，结果更接近火灾时各材料的燃烧情况（田晓瑞等，2001;Schartel et al.， 2005;周国模等，2008;刘波等，2008;金森和杨艳波，2016;徐晓楠，2003）。目前，树种防火性能评价方法有聚类分析法（顾汪明等，2020）、层次分析法（庞晶，2017）、因子分析法（何晓群，2015）等。其中因子分析法可以对实验测定结果进行主成分提取，建立因子得分模型，对不同树种的防火性能进行综合评价和排序（刘欣瑜等，2019）。

1 材料与方法

1.1 实验材料与样品制备

实验材料选于南京市八卦洲青珠果园艺有限公司苗木基地。该基地位于32°12′ N、 118°49′ E，属亚热带季风气候区。

选取10年生健康且长势良好的克恩氏冬青（Ilex × koehneana，KES）、史蒂芬冬青（Ilex ‘Nellie R. Stevens，SDF）、大别山冬青（I. dabieshanensis，DBS）、博福德冬青（I. cornuta ‘Burfordii，BFD）、双核冬青（I. dipyrena，SH）各10棵。另选同一基地内10年生健康且长势良好的当地常用防火树种海桐（Pittosporum tobira，HT）（张家来等，2000）和石楠（Photinia serrulata，SN）（肖华和吴昌庭，2001）各10棵作为参照。于2019年4月10号采集树冠中下部健康叶片，每份不少于100 g，共计样品70份，分别装于密封袋中，置于有冰袋的采样箱中临时储存。

样品采集当日立即带回南京林业大学林学院实验室（室温20 ℃，相对湿度60%）进行处理。将每份样品均分为两份，一份放回密封袋存放于采样箱;另一份称重后，置于120 ℃烘箱烘干后再次称重，记录两次称得质量。干样置于室内回潮至质量不再增加的气干状态，得到鲜叶和干叶样品各70份，待试。

1.2 实验方法

1.2.1 指标测定 用烘干法计算鲜叶含水率：W= [（g-g0）/g]×100%。

式中：W为鲜叶含水率;g为待烘干鲜叶质量;g0为烘干叶质量。

使用锥形量热仪（CONE）测定各燃烧数據：每份样品精准称取3 g平铺在100 mm × 100 mm燃烧器皿中，氧气浓度设置为20.85%～20.95%，燃烧温度设置为650 ℃。温度设置依据：烟头中心温度可达 600～700 ℃，是引起森林火灾的重要外部火源之一（江津凡等，2012）。测定或计算鲜叶点燃时间（X1）、鲜叶燃烧时间（X2）、鲜叶热释放速率峰值（X3）、鲜叶总热释放量（X4）、鲜叶烟产生速率峰值（X5）、鲜叶总烟释放量（X6）、鲜叶火灾性能指数（X7）、干叶点燃时间（G1）、干叶燃烧时间（G2）、干叶热释放速率峰值（G3）、干叶总热释放量（G4）、干叶烟产生速率峰值（G5）、干叶总烟释放量（G6）、干叶火灾性能指数（G7）。

其中，火灾性能指数（FPI）=TTI/pkHRR。

式中：TTI为点燃时间;pkHRR为热释放速率峰值。

共计15个指标作为本次防火性研究的全部变量，使用因子分析法评价防火能力。

1.2.2 数据处理与分析 使用Excel 2016和Spss 19.0软件进行数据处理。

使用因子分析法进行评价分析，因子分析模型Xi=ai1F1+ai2F2+…+aimFm+εi。式中：i=1，2，…，p;F1，F2，…，Fm为彼此独立的公共因子，均满足均值为0，方差为1;εi为特殊因子，与每一个公共因子均不相关且均值为0。

2 结果与分析

2.1 燃烧实验结果

五种冬青、海桐和石楠鲜叶燃烧结果（表1）显示，鲜叶的含水率、鲜叶点燃时间等8个指标中，火灾性能指数（X7）差异性显著，其余指标差异性极显著;干叶燃烧结果（表2）显示干叶点燃时间等7个指标均呈极显著性差异。

含水率（W）是防火性评价的重要因素（Philpot， 1997;庞晶，2017），含水率高的植物自身抗火性强，在着火前能有效阻断热源。所选的七种植物中，海桐和石楠的含水率居于第一、第二位，并且自身适应性和抗逆性强，极易栽植，是众多园林施工及防火林的优选树种。点燃时间和燃烧时间也反映了植物的抗火性。博福德冬青鲜叶的点燃时间（X1）和燃烧时间（X2）与海桐和石楠的差异不明显，抗火性相近。五种冬青的干叶点燃时间（G1）均长于海桐和石楠，抗火性较高，克恩氏冬青和博福德冬青的叶片枯落物在650 ℃的环境中需10 s 以上才能燃烧。克恩氏冬青和大别山冬青的干叶燃烧时间（G2）与海桐相近，处于较高水平;博福德冬青和双核冬青的干叶燃烧时间（G2）与石楠相近，处于较低水平。

热释放速率峰值和总热释放量表示植物燃烧时自身放热能力。大火形成后，植物放热速度快，总放热量高，不利于火灾扑救。但在火势形成前可以提供热源示警，配合遥感技术，准确定位起火点，及时扑救。五种冬青的鲜叶及干叶的热释放速率峰值和总热释放量（X3、X4、G3、G4）均高于海桐和石楠。

烟释放速率峰值和总烟释放量表示植物燃烧时自身释烟能力，在起火前释放烟雾，更具示警效果。鲜叶测试结果中史蒂芬冬青烟产生速率峰值（X5）、总烟释放量（X6）和博福德冬青的总烟释放量（X6）高于海桐和石楠，烟雾示警效果好;其余冬青的这两个鲜叶测试结果与海桐和石楠相近。史蒂芬冬青、大别山冬青、博福德冬青、双核冬青的干叶烟产生速率峰值（G5）高于海桐和石楠，更有利于示警;史蒂芬冬青、大别山冬青、博福德冬青的干叶总烟释放量（G6）高于海桐和石楠，示警效果好。

火灾性能指数表示燃烧时的危害性，数值越大，危害越小。博福德冬青和双核冬青的鲜叶火灾性能指数（X7）与海桐和石楠的差异不显著，危害较小;其他冬青鲜叶火灾性能指数（X7）小于海桐和石楠，危害较大。克恩氏冬青的干叶火灾性能指数（G7）大于其他树种，危害最小;史蒂芬冬青、大别山冬青、博福德冬青的干叶火灾性能指数（G7）与海桐和石楠差异不显著，危害相近;双核冬青的干叶火灾性能指数（G7）最小，危害最大。

2.2 可燃性主成分提取及因子得分模型

2.2.1 鲜叶可燃性主成分提取及因子得分模型建立 通过对含水率（W）和鲜叶的7个指标（W、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7）结果进行因子分析，其相关系数均>0.3，适合进行因子分析。按照积累方差贡献率≥85%的原则，用特征值大于1的2个公共因子代替原8个变量，能够概括原始变量所含信息的87.668%，如表3所示。

使用Kaiser标准化正交旋转方法，对因子载荷矩阵进行旋转，进行3次旋转迭代后，得载荷矩阵表4。经过旋转后载荷系数如表4所示，公因子f1在鲜叶热释放速率峰值（X3）、鲜叶总烟释放量（X6）、鲜叶总热释放量（X4）3个指标上荷载较高，分别为0.959、0.864、0.794，将f1解释为“鲜叶示警”因子，f1的方差贡献率为51.633%，占第一位。公因子f2在鲜叶点燃时间（X1）、鲜叶燃烧时间（X2）两个指标上荷载较高，分别为0.955、-0.949，将f2解释为“鲜叶抗火”因子，f2的方差贡献率为36.035%，占第二位。

由表4防火因子得分值建立因子得分模型如下：

f1 =-0.169W+ 0.108X1-0.048X2 + 0.264X3 + 0.157X4 + 0.178X5 + 0.307X6-0.145X7;

f2=0.047W + 0.381X1-0.351X2 + 0.100X3-0.109X4-0.012X5 + 0.305X6 + 0.144X7。

2.2.2干叶可燃性主成分提取及因子得分模型建立 通过对干叶的7个指标（G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7）结果进行因子分析，其相关系数均大于0.3，适合进行因子分析。按照累积方差贡献率≥85%的原则，用特征根大于1的3个公共因子代替原7个变量，能够概括原始变量所含信息的94.115%，如表5所示。

使用Kaiser标准化正交旋转方法，对因子载荷矩阵进行旋转，使载荷值在水平方向上以1和0分化，进行5次旋转迭代后，得载荷矩阵表6。

经过旋转后载荷系数如表6所示， 公因子m1在干叶烟产生速率峰值（G5）和干叶总烟释放量（G6）2个指标上荷载较高，分别为0.940、0.918，将m1解释为“干叶烟雾示警”因子，m1的方差贡献率为40.361%，占第一位。公因子m2在干叶点燃时间（G1）、干叶总热释放量（G4）、干叶热释放速率峰值（G3）3个指标上荷载较高，分别为0.907、0.880、0.786，将m2解释为“干叶释热示警”因子，m2的方差贡献率为35.246%，仅次于m1。公因子m3在干叶燃烧时间（G2）上荷载较高，为0.973，将m3解释为“干叶抗火”因子，m3的方差贡献率为18.507%，占第三位。

由表6防火因子得分值建立因子得分模型如下：

m1 =-0.184G1 +0.101G2+0.050G3 +0.047G4+0.339G5 +0.347G6-0.330G7;

m2=0.409G1-0.111G2 +0.373G3 +0.333G4 +0.003G5-0.017G6+0.199G7;

m3=0.038G1 +0.808G2-0.384G3+0.065G4+0.075G5 +0.191G6+0.090G7。

2.3 叶片燃烧性排序模型建立与应用

将计算所得标准化值代入得分模型，得到各树种各公因子的得分值，即以各因子的方差贡献率占因子总方差贡献率的比重作为权重，进行加权评分，对各树种叶片防火性进行排名。

2.3.1鲜叶燃烧性排序模型 计算f1、f2，再将f1、f2代入f=（51.633f1 +36.035f2）/87.668，记作鲜叶得分，结果如表7所示。

博福德冬青和史蒂芬冬青在鮮叶防火性能评价中表现突出，在公因子“鲜叶示警”因子f1、“鲜叶抗火”因子f2以及综合因子f的评价较高。表明在自然状态下，这两种冬青在释烟释热方面的综合警示效果好，自身抗火能力强，以及在综合防火性能上更突出。

大别山冬青在公因子f1、f2以及综合因子f的评价上略高于石楠和海桐，双核冬青和克恩氏冬青的评价低于石楠和海桐。

2.3.2 干叶燃烧性排序模型 计算m1、m2、m3，再将m1、m2、m3代入m=（40.361m1 +35.246m2 +18.507m3）/94.115，记作干叶得分，结果如表8所示。

史蒂芬冬青、大别山冬青和博福德冬青在“干叶烟雾示警”因子m1、“干叶抗火”因子m3以及综合因子m的评分较高。表明这三种冬青枯落物的烟雾示警效果好，自身抗火能力强，以及综合防火能力突出。

克恩氏冬青在“干叶释热示警”m2因子的评分最高，枯落物释热示警效果最好;博福德冬青和双核冬青在公因子m2的评价上与石楠相近;其他植物公因子m2的得分为负，史蒂芬冬青得分最低。

经过因子分析进行综合得分排名，供试植物鲜叶防火性从强到弱进行排序依次为博福德冬青>史蒂芬冬青>大别山冬青>石楠>海桐>双核冬青>克恩氏冬青;供试植物干叶防火性从强到弱排序为史蒂芬冬青>大别山冬青>博福德冬青>海桐、双核冬青>克恩氏冬青>石楠。

3 讨论与结论

骆文坚等（2006）、李树华等（2008）曾对红果冬青（Ilex chinensis）、大叶冬青（I. latifolia）、铁冬青（I. rotunda）、枸骨（I. cornuta）等进行过防火测试，但缺少参照的防火树种，没有形成系统的针对冬青属植物防火性能评价的标准。此外，国内外未见到有冬青防火方面的文献。近年来，克恩氏冬青、史蒂芬冬青、大别山冬青、博福德冬青和双核冬青在市场上非常受欢迎，这些冬青品种在庭院及小区中，可独立成景，枝叶量大，耐修剪，红果经冬不落，亦可与其他植物组合造景，景观效果优良。此外，冬青属植物抗逆性强，栽植易成活，是良好的蜜源植物，可为鸟类越冬提供越冬食物，具有良好的生态功能（李修鹏等，2013;钱燕萍和田如男，2016）。海桐和石楠，被认为是较好的防火树种（张家来等，2000;肖华和吴昌庭，2001），也是国内营造防火林带的常见树种，冬青属植物与这两种树种进行防火性能比较有很大的参考应用价值。通过对不同植物叶片材料防火性能的综合评价，发现史蒂芬冬青、大别山冬青、博福德冬青的防火性能优于海桐和石楠。

目前对于植物防火性能的研究主要集中于植物的树皮、枝条和叶片（江津凡等，2012;梁琴等，2015;裴建元等，2015;苏文静等，2017;刘欣瑜等，2019）。树皮起到保护树干的作用，火灾时可在一定程度上抵御火烤。而叶片是植物最外层的部分，也是最容易着火的部位（祝必琴等，2011），起到阻隔火势的作用。为减缓火势的蔓延，叶片应是植物防火性评价的重点。

影响植物防火能力的因素很多，如：含水率（Philpot， 1977）、材料的厚度和密度（Vanderweide & Hartnett， 2011）、纹理和质地（Lawes et al.， 2011）、有机化合物含量（Lillis et al.， 2009）等。而不同植物含有的有机化合物种类各异（王怡晨等，2019;曹媛媛等，2019），冬青也大多含有萜类、酚类等（Li & Row， 2018;Chen et al.， 2019）。究其根本，植物燃烧时的表现才是反映其防火能力强弱的关键。因此，本文使用锥形量热仪模拟真实燃烧环境，直接测试叶片燃烧时的各种指标，以此评判植物的防火能力。采用因子分析法，对各项指标提取出主成分后建立评分模型，使研究结果更加科学可靠。

通过区别鲜叶和干叶材料的差异，研究发现同一种植物干叶和鲜叶的防火阻燃能力存在差异，不同树种或品种防火性能的排序也发生了变动。实际情况中，火灾发生后，冬青类的植物叶量非常大，叶片成簇密集，又在植株的最外围，鲜叶会成为阻燃的第一道防线。而叶量大的常绿树种叶片凋落物也不容忽视，气干状态下的叶片防火指标则较好地反映了地面凋落物的阻燃能力。

本研究是在特定时期，仅针对叶片，从燃烧实验参数等方面开展的相关研究。不同的植物器官、不同季节、不同的实验测定方法会影响防火性能的评价结果。叶片的形态、空间分布结构、叶片生物量、叶片的生长状况和生理指标对植株的防火性能也有一定的影响。特定的冬青品种还可能具备特殊的防火功能，采用常规的实验方法不能发现其特异性。冬青新品种的防火性能测定方法及其不同季节动态变化规律还有待进一步研究。仅考虑叶片的防火性能是本文的不足之处，植物其他组织的防火性能也不容忽视，在接下来的研究中，应全面考虑植物各器官的防火性能，进行综合评判。

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（责任编辑 何永艳）