广西4种乔木树叶的燃烧性差异研究

张运生，舒立福，闫想想，翟春婕, 刘柯珍

(1.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，国家林业和草原局森林保护学重点实验室，北京 100091；2.南京森林警察学院，江苏 南京 210023;3.西南林业大学土木工程学院，云南省森林灾害预警与控制重点实验室，西南林业大学消防研究所，云南 昆明 650224)

森林可燃物的燃烧性可以为林火行为做出合理预测[1-5]。森林的燃烧性主要受地表可燃物和枯枝凋落物的影响，不同的可燃物体现出的燃烧性不同[6-9]，而树叶作为碎小可燃物，影响着可燃物的初期燃烧。

锥形量热仪是一种以氧消耗原理为基础的燃烧测定仪[10-12]，可以同时获得材料燃烧时有关热、烟、质量变化及烟气成分等丰富而可靠的数据信息，重复性较强，实验的结果与大型燃烧有较高相关性，是目前实验室小规模燃烧测试较为先进的方法。锥形量热仪可用来评价材料的燃烧性能、阻燃机理和进行火灾模型研究[13-15]，被广泛应用于森林消防和城市消防实验中，目前已经成为国际公认的研究材料真实燃烧过程的权威工具[16-20]。

多名学者对森林可燃物燃烧性的比较进行了一系列研究，李世友等[21]利用自行设计的实验装置对包括云南松(Pinusyunnanensis)、华山松(Pinusarmandii)、地盘松(Pinusyunnanensisvar．pygmaea)、杉木(Cunninghamialanceolata)、藏柏(Cupressustorulosa)和柳杉(Cryptomeriafortunei)在内的6种针叶树的活枝叶在森林防火紧要期的燃烧性进行了比较。而在对树种燃烧性的测定中，锥形量热仪应用较为广泛，如田晓瑞等[22]对木荷 (Schimasuperba)、火力楠(Micheliamacclurei)、女贞(Ligustrumlucidum)等8个树种的鲜叶和落叶的燃烧性进行了比较；金森等[3]以马尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、柳杉 (Cryptomeriafortunei)、云南松 (Pinusyunnanensis)、华山松 (Pinusarmandii) 等7种南方典型树种的叶片为研究对象,比较一维燃烧性评价方法和多维燃烧性评价方法的相似程度,为燃烧性评价方法的选择提供科学依据；李康康等[23]研究了火力楠(Micheliamacclurei)、云南松(Pinusyunnanensis)、华山松(Pinusarmandii)等3种树种的抗火能力。翟春婕等[24]测定了50 kW/m2辐射热流下杉木的叶片及不同尺度的杉木枝条自发着火状态下的热释放速率(HRR)和总释放热(THR)等参数。

数据显示，2011—2015年广西共发生森林火灾 2 249次，年均发生森林火灾449.8次；森林火场面积26 216.40 hm2，年均5 243.28 hm2；森林火灾受害面积5 251.87 hm2，年均1 050.37 hm2[25]，为我国森林火灾较高发省区。森林内的主要乔木树种有格木(Erythrophleumfordii)、马尾松(Pinusmassoniana)、柚木(Tectonagrandis)、米老排(Mytilarialaosensis)、台湾相思(Acaciaconfusa)和红椎木(Castanopsishystrix)等。为了解树种的燃烧性，科学配置树种，笔者以格木、红椎木、马尾松、台湾相思的叶片作为研究对象，利用锥形量热仪对4种树种的叶片进行燃烧实验，测定叶片的热释放速率(HRR)、总释放热(THR)、烟生成速率(SPR)、烟释放总量(TSR)、质量损失速率(MLR)4个重要燃烧特性参数，据此综合评价4种树种叶片的燃烧特性差异，以期为降低广西森林的火灾风险提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

广西(104°26′～112°04′E， 20°54′～26°24′N)地处中国华南西部,全区森林覆盖率62.37%，活立木蓄积量7.9亿m3。气候属亚热带季风气候区。全区各地极端最高气温为33.7～42.5 ℃，极端最低气温为-8.4～2.9 ℃，年平均气温为16.5～23.1 ℃，广西各地≥10 ℃积温5 000～8 000 ℃。全区大部分地区热量丰富，气候温暖，干湿分明，季节变化不明显，日照冬少夏多。广西降水量季节变化不均，干湿季分明。4—9月为雨季,降水量占全年降水量的70%～85%；10至翌年3月为干季,降水量仅占年降水量的15%～30%，易发生森林火灾。

1.2 供试材料

格木和红椎木叶片于2018年12月26日取自广西凭祥中国林科院热带林业实验中心白云实验场29林班，马尾松和台湾相思叶片于2018年12月27日取自广西凭祥中国林科院热带林业实验中心伏波实验场44林班，样地均为400 m2，每种取3株，叶片均是从地表采集，针叶均从树木枝条上采集。

1.3 实验方法

主要采用锥形量热仪(FTT，UK)测定样品的热释放速率(heat release rate,HRR)、总热释放量(total heatrelease,THR)、烟产生速率(smoke production rate,SPR)等指标。把各树种叶片进行首次烘干，设置烘干箱温度为80 ℃，烘干48 h时称质量并记录；接着再次烘干，比较两次烘干后的质量，若质量无差异，则为绝干，然后计算绝对含水率和相对含水率。选用100 mm× 100 mm×25 mm的样品盒安装样品，采用自发着火方式。辐射热流设定为50 kW/m2，实验过程中需观察记录实验现象，如：冒烟、变形、收缩、着火和熄灭等现象。每类样品实验重复5次，结果取平均值。

表1 枯落叶含水率

根据实验方法中设定的热辐射强度和材料的取样部位(树叶和树枝等)以及各树种之间理化性质的差异，采取控制变量法(控制热辐射强度和取样部位一致)对4种乔木树种叶片的燃烧性参数进行分析。

2 结果与分析

2.1 热释放速率(HRR)

热释放速率[26](HRR)是评价材料燃烧性能的一个重要因素，反映材料燃烧过程的火灾危险性；HRR越大，表明聚合物表面的热裂解速度越快，加速火焰向外扩张和传播，其火灾危险性增大。

选取格木、红椎木、马尾松、台湾相思的叶片，在辐射热流作用下，观察叶片进入预热阶段水分蒸发、冒白烟、内部有机质热解并产生可燃性气体等发生的变化。随着可燃气体释放量的增加，可燃物开始发生燃烧反应(表2)，4种可燃物到达峰值的时间从长到短顺序为：红椎木(36 s)>格木(24 s)>马尾松(19 s)=台湾相思(19 s)，而最大热释放速率大小顺序则是：台湾相思(285.22 kW/m2)>马尾松(229.85 kW/m2)>格木(216.10 kW/m2)>红椎木(200.12 kW/m2)。由4个树种叶片HRR变化情况(图1A)可知，随着时间的增加，4种可燃物的热释放速率都有一个小幅度的下降之后急剧上升的趋势。马尾松和台湾相思的HRR曲线相似，都只有1个峰值；而格木和红椎木的HRR曲线相似，其峰值均在一段时间内保持平稳，热释放速率达到第1个峰值。当热解由外向内移动，会形成保护性的炭化层，在暴露面和热界面之间形成一个逐渐增加的炭层热阻，造成了第1个峰值之后热释放速率不断减小，热解和热释放速率变得稳定，形成了平缓曲线;随着燃烧的继续，热解继续扩大，当热界面达到试件背面时，热释放速率又开始上升，温度持续升高，炭层被破坏，同时热解出大量的可燃性气体，形成剧烈燃烧，此时达到第2个放热峰[27]。

表2 4种可燃物达到最大热释放速率的时间

图1 不同树种HRR、THR、SPR和TSR对比

2.2 总释放热(THR)

总释放热[17](THR)能客观全面地反映材料的材料燃烧性能，THR越大，火灾危险性越大。实验测定格木、红椎木、马尾松、台湾相思的叶片的THR，由结果(图1B)可知，可燃物着火后开始释放热量，初始燃烧较为剧烈，总释放热增长较快，随着火焰熄灭，燃烧进入炭化过程，总释放热逐渐减缓。在图1B中，4种可燃物的曲线变化规律一致，台湾相思首先达到最高值，一般情况下，最先达到最高值的材料更容易燃烧[28]。4种可燃物总释放热从大到小依次为：格木>红椎木>台湾相思>马尾松。

2.3 烟生成速率(SPR)

烟生成速率[29](SPR)指样品在燃烧过程中单位面积上瞬时产烟量。图1C可知，4种SPR的曲线一致，均先达到最大值，然后在一段时间内波动，马尾松和台湾相思SPR维持的时间接近相等，红椎木和格木接近相等，且红椎木和格木的SPR维持时间大于马尾松和台湾相思的。格木SPR峰值(0.07 m2/s)高于其他树种(0.04～0.05 m2/s)。台湾相思、马尾松和红椎木的SPR峰值分别为0.05、0.04和0.04 m2/s，4种可燃物的SPR峰值大小顺序为：格木(0.07 m2/s)>台湾相思(0.05 m2/s)>马尾松(0.04 m2/s)=红椎木(0.04 m2/s)。

2.4 烟释放总量(TSR)

烟释放总量(TSR)是评价材料火灾危险性高低的重要指标之一[17]。TSR越大，烟释放总量越多，火灾危险性越大。由图1D可知，着火开始释放热量，初始烟气上升较为剧烈，烟气释放总量不断上升后达到平稳，4种可燃物烟释放总量大小顺序为：格木(191.94 m2/m2)>红椎木(162.83 m2/m2)>台湾相思(119.67 m2/m2)>马尾松(95.49 m2/m2)。

2.5 质量损失速率(MLR)

质量损失速率(MLR)，指燃烧时质量损失的变化速度，反映了材料的热裂解速度。4种可燃物的质量损失曲线基本一致，均出现先急剧下降，再上升达到平稳值的一个过程。红椎木有所不同的是，其在上升的过程达到最大值之后有小幅度的回落再趋于稳定，且格木和红椎木的上升和下降呈直线上升或下降，而马尾松和台湾相思呈现开口向上的抛物线式的上升或下降。4种可燃物的质量损失速率大小顺序为：格木(4.92 g/s)>马尾松(2.68)>台湾相思(2.63)>红椎木(1.92)。红椎木、马尾松、格木达到最大质量损失速率的时间均为5 s，台湾相思达到最大质量损失速率的时间为7 s。

图2 不同树种MLR对比

3 结 论

利用锥形量热仪法对广西的4种主要乔木叶片燃烧性能进行测试，结果表明，4种不同树种的燃烧性能有所差异，格木和红椎木的热释放速率(HRR)和质量损失速率(MLR)曲线近似，马尾松和台湾相思的热释放速率(HRR)和质量损失速率(MLR)曲线近似，4种可燃物的总释放热(THR)、烟生成速率(SPR)和烟释放总量(TSR)曲线近似。4种可燃物最大热释放速率从大到小顺序为：台湾相思(285.22 kW/m2)>马尾松(229.85 kW/m2)>格木(216.10 kW/m2)>红椎木(200.12 kW/m2)，4种可燃物总释放热从大到小顺序为：格木>红椎木>台湾相思>马尾松，4种可燃物的烟生成速率峰值从大到小顺序为：格木(0.07 m2/s)>台湾相思(0.05 m2/s)>马尾松(0.04 m2/s)=红椎木(0.04 m2/s)。4种可燃物烟释放总量从大到小顺序为：格木(191.94 m2/m2)>红椎木(162.83 m2/m2)>台湾相思(119.67 m2/m2)>马尾松(95.49 m2/m2)。4种可燃物的质量损失速率从大到小顺序为：格木(4.92 g/s)>马尾松(2.68 g/s)>台湾相思(2.63 g/s)>红椎木(1.92 g/s)。

红椎和格木的叶片达到最大热释放速率的时间较长，但其燃烧持续时间长，释放热量和烟释放总量要高于马尾松和台湾相思。因此，红椎和格木的叶片在发生火灾后燃烧时间较长，不易扑救，且释放更多的烟，对扑火人员造成更大威胁。马尾松和台湾相思的叶片达到最大热释放速率时间短，易造成瞬间火势扩大，但火势减弱快。

本研究仅针对叶片，从燃烧实验参数等方面开展了相关研究，但植物的不同部位、不同季节、不同的测定方法都会影响防火性能的评价结果。本研究仅考虑叶片的防火性能，植物其他组织的防火性能也不容忽视，在接下来的研究中，将全面考虑植物各器官的防火性能，进行综合评判。

参考文献（reference）：

[1]骆介禹．森林可燃物燃烧性研究的概述[J]．东北林业大学学报，1994(4)：95-101．LUO J Y．Study on flame combustion of forest fuels[J]．J Northeast For University，1994(4)：95-101．

[2]王小雪，彭徐剑，胡海清．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[J]．中南林业科技大学学报，2013，33(5)：6-10．WANG X X，PENG X J，HU H Q．Combustibility analysis of inflammable matters of major herb species in Heilongjiang Province Ⅰ：ash content and burning velocity[J]．J Central South Univ For Technol，2013，33(5)：6-10．DOI:10.14067/j.cnki.1673-923x.2013.05.013.

[3]金森，杨艳波．基于锥形量热仪的一维和三维燃烧性评价比较：以南方7种树叶为例[J]．林业科学，2016，52(8)：88-95．JIN S，YANG Y B．Comparison of one dimensional and three dimensional flammability evaluation：a case study of taking leaves of seven tree species in Southern China[J]．Sci Silvae Sin，2016，52(8)：88-95．DOI:10.11707/j.1001-7488.20160811.

[4]ELLSWORTH L M，KAUFFMAN J B，REIS S A，et al．Repeated fire altered succession and increased fire behavior in basin big sagebrush-native perennial grasslands[J]．Ecosphere，2020，11(5)：e03124．DOI:10.1002/ecs2.3124.

[5]COPPOLETTA M，MERRIAM K E，COLLINS B M．Post-fire ve-getation and fuel development influences fire severity patterns in reburns[J]．Ecol Appl，2016，26(3)：686-699．DOI:10.1890/15-0225.

[6]GANN R G，AVERILL J D，JOHNSSON E L，et al．Fire effluent component yields from room-scale fire tests[J]．Fire Mater，2010，34(6)：285-314．DOI:10.1002/fam.1024.

[7]SIEMON M，RIESE O，FORELL B，et al．Experimental and numerical analysis of the influence of cable tray arrangements on the resulting mass loss rate and fire spreading[J]．Fire Mater，2019，43(5)：497-513．DOI:10.1002/fam.2689.

[8]SEKIZAWA A，MIZUNO M．Analysis of response behavior of people in fire incidents where residential fire alarms successfully worked[J]．Fire Mater，2017，41(5)：441-453．DOI:10.1002/fam.2434.

[9]ZEHFU J，NORTHE C，RIESE O．An investigation of the fire behavior of ETICS facades with polystyrene under fire loads of different size and location[J]．Fire Mater，2018，42(5)：508-516．DOI:10.1002/fam.2499.

[10]殷志伟，吴志刚，吴章康，等．用锥形量热仪测试思茅松阻燃胶合板的阻燃性能[J]．西部林业科学，2016，45(1)：145-149．YIN Z W，WU Z G，WU Z K，et al．Analysis of flame retardant plywoods by cone calorimeter[J]．J West China For Sci，2016，45(1)：145-149．DOI:10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.01.025.

[11]周巍，姚斌．基于锥形量热仪的几种防火布燃烧性能研究[J]．火灾科学，2018，27(1)：23-29．ZHOU W，YAO B．Research on combustion performance of several kinds of fireproof fabric using cone calorimeter[J]．Fire Saf Sci，2018，27(1)：23-29．DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2018.01.03.

[12]王康，刘运传，孟祥艳，等．锥形量热仪测量材料热释放速率的影响因素分析[J]．消防科学与技术，2018，37(4)：449-452．WANG K，LIU Y C，MENG X Y，et al．Analysis on the influence factors of heat release rate tested by cone calorimeter[J]．Fire Sci Technol，2018，37(4)：449-452．DOI:10.3969/j.issn.1009-0029.2018.04.005.

[13]宋雨澎，郭明辉，龚新超．ASD阻燃剂对落叶松材阻燃性能的影响[J]．林业工程学报，2017，2(4)：51-56．SONG Y P，GUO M H，GONG X C．Effect of ASD flame retardant on fire-retardant efficiency of larch wood[J]．J For Eng，2017，2(4)：51-56．DOI:10.13360/j.issn.2096-1359.2017.04.009.

[14]陈帅，王振师，陶骏骏，等．基于锥形量热仪测试的树叶燃烧碳排放研究[J]．燃烧科学与技术，2016，22(4)：370-376．CHEN S，WANG Z S，TAO J J，et al．A study of carbon emission by the combustion of plant leaf samples using cone calorimetric technique[J]．J Combust Sci Technol，2016，22(4)：370-376．DOI:10.11715/rskxjs.R201504001.

[15]卢明超，李博，李涛．5种典型有机保温材料的耐火性能分析及研究[J]．化工新型材料，2019，47(7)：244-247．LU M C，LI B，LI T．Analysis and research on fire resistance of five typical organic insulation materials[J]．New Chem Mater，2019，47(7)：244-247．

[16]杜安磊，李健男，黄彦慧，等．基于锥形量热仪的不同形态木质材料的燃烧特性分析[J]．东北林业大学学报，2016，44(4)：74-76，89．DU A L，LI J N，HUANG Y H，et al．Combustion cha-racteristics of different forms of wood in conic calorimeter test[J]．J Northeast For Univ，2016，44(4)：74-76，89．DOI:10.13759/j.cnki.dlxb.2016.04.011.

[17]王庆国，张军，张峰．锥形量热仪的工作原理及应用[J]．现代科学仪器，2003(6)：36-39．WANG Q G，ZHANG J，ZHANG F．The principle and application of the cone calorimeter[J]．Mod Sci Instruments，2003(6)：36-39．DOI:10.3969/j.issn.1003-8892.2003.06.010.

[18]王晓春，王然，滕万红，等．锥形量热仪法在涤棉织物阻燃整理中的应用[J]．印染，2011，37(5)：6-9．WANG X C，WANG R，TENG W H，et al．Application of cone calorimeter to flame retardant finish of polyester/cotton blends[J]．Dye Finish，2011，37(5)：6-9．

[19]BABRAUSKAS V，PARKER W J．Ignitability measurements with the cone calorimeter[J]．Fire Mater，1987，11(1)：31-43．DOI:10.1002/fam.810110103.

[20]GREXA O，LÜBKE H．Flammability parameters of wood tested on a cone calorimeter[J]．Polym Degrad Stab，2001，74(3)：427-432．DOI:10.1016/S0141-3910(01)00181-1.

[21]李世友，张桥蓉，马爱丽，等．6种针叶树活枝叶在森林防火戒严期的燃烧性比较[J]．安徽农业大学学报，2009，36(2)：178-183．LI S Y，ZHANG Q R，MA A L，et al．Comparative study on combustibility of living branches and leaves of six coniferous woody plants during the prohibitive period of forest fire[J]．J Anhui Agric Univ，2009，36(2)：178-183．DOI:10.13610/j.cnki.1672-352x.2009.02.017.

[22]田晓瑞，舒立福，贺庆棠．利用锥形量热仪分析树种阻火性能[J]．北京林业大学学报，2001，23(1)：48-51．TIAN X R，SHU L F，HE Q T．Application of cone calorimeter for the assessment of the fire resistance of tree species[J]．J Beijing For Univ，2001，23(1)：48-51．DOI:10.3321/j.issn:1000-1522.2001.01.012.

[23]李康康，杨玉泽，周子杰，等．浅析广西地区造林树种的燃烧特征：以火力楠、云南松、华山松为例[J]．消防界，2019，5(6)：63-65．DOI:10.16859/j.cnki.cn12-9204/tu.2019.06.039.

[24]翟春婕，张思玉，王新猛，等．辐射热流作用下杉木燃烧特性研究[J]．森林防火，2019(4)：13-17． ZHAI C J，ZHANG S Y，WANG X M，et al．A study of combustion property ofCunninghamialanceolateexposed to external radiant heat flux[J]．For Fire Prev，2019(4)：13-17．

[25]何芸．广西森林火灾的发生规律及其与气象因子的相关性分析[D]．长沙：中南林业科技大学，2018．HE Y．Occurrence regularity of forest fire in Guangxi and its correlation with meteorological factors[D]．Changsha：Central South University of Forestry & Technology，2018．

[26]方璐，鲁宁，吴亚楠，等．基于锥形量热仪的聚合物材料燃烧性能研究[J]．广州化工，2016，44(18)：80-82．FANG L，LU N，WU Y N，et al．Study on combustion performance of polymer materials based on cone calorimeter[J]．Guangzhou Chem Ind，2016，44(18)：80-82．DOI:10.3969/j.issn.1001-9677.2016.18.027.

[27]陈咏军，祁忆青，蒋芃．两种体质颜料对桦木漆膜理化及燃烧性能的影响[J]．南京林业大学学报(自然科学版)，2013，37(5)：119-124．CHEN Y J，QI Y Q，JIANG P．Effects of two kinds of extender pigments on the paint film combustion and properties of the birch[J]．J Nanjing For Univ (Nat Sci Ed)，2013，37(5)：119-124．

[28]陈咏军，祁忆青．木结构建筑用多种木材燃烧性能研究[J]．林业工程学报，2016，1(4)：51-57．CHEN Y J，QI Y Q．Comparative study on combustion properties of species wood in timber construction[J]．J For Eng，2016，1(4)：51-57．DOI:10.13360/j.issn.2096-1359.2016.04.008.

[29]胡海清，鞠琳．小兴安岭8个阔叶树种的燃烧性能[J]．林业科学，2008，44(5)：90-95．HU H Q，JU L．Fire resistance of eight broadleaf woody species in Xiaoxing’an Mountain[J]．Sci Silvae Sin，2008，44(5)：90-95．DOI:10.3321/j.issn:1001-7488.2008.05.018.