彩色树种抗火性测定

徐 明，郑华英，李沛峰

(江苏省林业科学研究院，江苏 南京 211153)

近年来，随着林业生态建设不断发展，森林资源和蓄积量不断增加，森林旅游业蓬勃发展，吸引了越来越多游客，因此，森林防火工作愈发重要。江苏苏南丘陵山区森林面积较大，名胜古迹众多，人为活动频繁，寺庙道观香火旺盛，森林火灾潜在隐患巨大，森林防火面临形势严峻，在全面做好森林防火工作的同时，构建生物防火林带具有十分重要的意义。江苏苏南丘陵山区林相改造配置了许多彩色树种，充分发挥彩色树种景观功能和生物防火潜能，构建彩色树种生物防火林带可有效阻减森林火灾的发生和发展，对于实现江苏省丘陵山区森林树种“珍贵化、彩色化、效益化”，保护森林生态环境，筑牢生态防火屏障，促进美化丘陵山区具有重要意义。

森林可燃物含水率是影响林火发生发展的重要因子，其大小决定了森林燃烧的难易程度[1]。目前，美国、加拿大、澳大利亚等国均研制出了可燃物含水率模型[2-3]。木本植物叶片发热量的研究可以为科学评估其火灾危险性提供基础数据[4-5]。1970 年，Anderson 对植物的易燃性进行了研究，最早提出植物易燃性定义[6]。我国对不同树种的理化性状指标、燃烧性指标、抗火性指标、生物学特性、生态学特性综合评价树种的易燃难燃和抗火程度等抗火性能的研究较多[7-18]；彩色生物防火林带树种树叶水分的蒸发需要消耗热量，对着火及火的蔓延具有抑制作用，抽提物具有燃点低、发热量高的特点，燃烧释放出来的热量对相邻可燃物的预热、热分解具有积极作用，对树枝叶的燃烧放热机理等研究较少[19-22]。本文在试验区选用树叶中乙醚抽提物燃烧释放出来的热量与水分蒸发所消耗的热量之差作为叶易燃性的评判指标，选用树枝净释放热量中有焰燃烧阶段释放出来的热量作为枝易燃性评判的指标，并对易燃性低的树种开展其室内抗火强度测定，为选择生物防火树种提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于南京市南郊江苏省林业科学研究院实验林场(118°25′63″E，32°01′88″N)。该区属北亚热带季风气候，年均气温为15.4 ℃，年日照2 116 h，全年无霜期229 d，年降水量1 000—1 050 mm，秋冬降水量少，较为干燥，是林火高发期[23]。

1.2 材料

1.2.1 供试树种 选择木荷(Schimasuperba)、红楠(MachilusthunbergiiSieb. et Zucc.)、北美枫香(LiquidambarstyracifluaL.)、红果冬青(Ilexpurpurea)、油樟[Cinnamomumlongipaniculatum(Gamble) N.Chao ex H.W.Li]、杨梅[Myricarubra(Lour.) S. et Zucc.]、桂花[Osmanthusfragrans(Thunb.) Lour.]、油茶(CamelliaoleiferaAbel.)、茶树[C.sinensis(L.) O. Ktze]、红叶石楠(Photinia×fraseriDress)、红花深山含笑(MicheliamaudiaeDunn)、檫树(SassafrastsumuHemsl.)等12个苏南丘陵山区常用的彩色树种进行抗火性指标测定。

1.2.2 样品采集和处理 采样时间为2021年4月8日。采样地点为南京南郊丘陵山区江苏省林业科学研究院实验林场；树种立地条件基本一致，采集带叶树枝长1.0 m，装入保湿膜袋，并带回实验室。样品分成熟新叶、老叶和2年生小枝，均在相同条件下进行烘干、粉碎处理，并过100目筛备用。

1.3 方法

1.3.1 树叶、枝的易燃性指标测定 采用烘干恒重法测定含水率，测定温度为103—105 ℃；着火点采用DW-2着火点温度测定仪测定[8]。树叶的易燃性采用索氏提取法测定，以乙醚为有机溶剂，测定抽提物含量[8]，用XRY-1C型微机氧弹式热量计测定热量值，计算式为Q(J/g)=k[(T-T0+Δt)]/G，Q表示预测可燃物的发热量，k为水当量(kJ/℃)，T0为点燃前的温度(℃)，T为点燃后的温度(℃)，Δt为温度校正值(℃)，G为样品质量(g)[9]。采用DW-3着火点温度测定仪测定树枝残炭生成率，将装有干枝的容器放入500 ℃的测定仪炉体内，热分解4 min后取出，测定生成的残炭质量，计算残炭生成率：残炭生成率(%)=炭质量/枝质量×100[15]。因树枝段不易在氧弹式热量计中被点燃，试验时加入少量干松枝段作“引火物”测定混合样的发热量和干松枝段的发热量。其计算式为枝发热量(J/g)=(混合样发热量×质量-干松枝段发热量×质量)/(混合样质量-干松枝段质量)[7,15]。

1.3.2 树叶、枝易燃性综合指标测算 根据ΔE=E1-E2，其中，ΔE为树叶易燃性综合指标(J/g)，即树叶中抽提物燃烧释放出的热量与水分汽化所消耗的热量之差；E1为抽提物放出的热量；E2为可燃物中水分汽化所需要的热量。E2=水的汽化潜热(2 260 J/g)×可燃物含水率[7]；树枝有焰燃烧性综合指标根据ΔE[树枝有焰燃烧(J/g)=树枝发热量(J/g)-残炭发热量(J/g)×干枝段的残炭生成率(%)×(1-树枝相对含水率(%)]测定[18]。

1.3.3 不同树种枝叶的火烧强度测定方法 用燃烧床法的火焰高度(h)来估算火烧强度(I):I=273h2.17[13,19]。方法是在室内用砖砌高50 cm的燃烧灶，上面铺上铁丝网，构成1.0 m×1.0 m的燃烧床，床边立有刻度测高标杆，称取相同质量枯枝叶样品放在燃烧床上，点燃后用秒表计时，测定平均火焰高度，应用参考文献[19]计算不同树种的火烧强度I=273h2.17。I为火烧强度(kW/s)，h为火焰高度(m)。

1.4 数据统计分析

数据列表作图和计算采用Microsoft Excel 2010软件完成。

2 结果与分析

2.1 树叶、树枝易燃性分析

2.1.1 不同树种树叶、树枝含水率分析 树叶、树枝含水率是反映树木抗火性的物理指标之一。结果表明，各树种树叶的含水率排序为：茶树<红果冬青<油樟<桂花<红楠<北美枫香<油茶<木荷<红叶石楠<红花深山含笑<檫树<杨梅。杨梅树叶含水率最高，为60.44%；茶树树叶含水率最低，为49.13%；各种树枝的含水率排序为：红果冬青<茶树<油樟<桂花<深山含笑<油茶<红楠<木荷<红花深山含笑<杨梅<檫树<红叶石楠。红叶石楠树枝含水率最高，为59.01%；红果冬青树枝含水率最低，为48.77%。木荷、檫树、红叶石楠、红花深山含笑、杨梅5种树种树叶枝的含水率均较高(见表1，2)。

2.1.2 不同树种树枝、树叶的着火点分析 树种枝、树叶是否容易着火主要取决于枝叶着火点的高低。测定发现檫树树枝、树叶的着火点最高，分别为255，291 ℃；茶树叶和桂花树枝的着火点最低，分别为237，244 ℃。檫树、木荷、红叶石楠、红花深山含笑和杨梅5树种树枝叶的着火点均高于其他树种，其易燃性弱(见表1，2)。

表1 彩色生物防火林带树种树叶的易燃性相关因子测定值

2.1.3 不同树种树叶中抽提物含量分析 树叶单位质量叶中抽提物燃烧释放出的热量小于其所含水分汽化所消耗的热量，则叶不容易着火。测定发现檫树树叶的干叶发热量和抽提后余物发热量最低，分别为15 398，14 988 J/g；红果冬青树叶的干叶发热量和抽提后余物发热量最高，分别为18 750，17 950 J/g。檫树、木荷、红叶石楠、红花深山含笑和杨梅5树种的干叶发热量和抽提后余物发热量均很低，说明这5种树种树叶的易燃性较低(见表1)。

2.1.4 不同树种树枝有焰燃烧分析 树枝有焰燃烧与易燃性测定发现，檫树树枝的发热量和余炭发热量最低，分别为6 328，24 988 J/g；红果冬青树枝的发热量和余炭发热量最高，分别为8 950，27 950 J/g。檫树、木荷、红叶石楠、红花深山含笑和杨梅5树种的树枝发热量和余炭发热量均较低，说明这5种树种树枝有焰燃烧性较低，其易燃性也较低(见表2)。

表2 彩色生物防火林带树种树枝的易燃性相关因子测定值

2.2 树叶、树枝的易燃性综合指标分析

2.2.1 不同树种树叶的易燃性综合指标分析 通过以树叶中抽提物燃烧释放出来的热量与水分蒸发所消耗的热量之差作为易燃性的评判指标，发现檫树的树叶ΔE值最低，为-951.01 J/g；红果冬青的树叶ΔE值最高，为-236.61 J/g。12种彩色生物防火林带树种树叶易燃性由强到弱的顺序为红果冬青>茶树>油樟>北美枫香>红楠>桂花>油茶>红叶石楠>杨梅>红花深山含笑>木荷>檫树。测定发现檫树、木荷、红花深山含笑、红叶石楠和杨梅5树种树叶的易燃性综合指标均明显低于其他树种，说明这5树种的抗火性均较强(见图1)。

2.2.2 不同树种树枝的易燃性综合指标分析 通过树种树枝在有焰燃烧阶段释放出来的热量作为易燃性评判的指标，发现檫树的树枝ΔE值最低，为267.84 J/g；红果冬青的树枝ΔE值最高，为606.44 J/g。12种树种树枝易燃性由强到弱的顺序为红果冬青>茶树>油樟>北美枫香>红楠>桂花>油茶>红叶石楠>杨梅>红花深山含笑>木荷>檫树，测定发现檫树、木荷、红叶石楠、红花深山含笑和杨梅5树种的树枝易燃性综合指标均明显低于其他树种，说明这5树种的抗火性均较强(见图1)。

2.3 不同树种的室内抗火强度效果

室内人工模拟着火过火试验结果发现：檫树、木荷、红叶石楠、红花深山含笑和杨梅5种易燃性低的树种其火烧强度分别为118.48，124.41，148.10，189.57，171.80 kW/s，均明显低于对照红果冬青的278.43 kW/s。因此，说明这5树种有较强的抗火强度，其中檫树、木荷、红叶石楠3树种火烧强度更低，有更强的抗火烧能力。

3 讨论

(1) 树枝、树叶含水率高、着火点温度高，其不易燃，不易着火，抗火性强。江津凡、万福绪研究发现8种树种的树叶、树枝的含水率和枯枝叶的最大持水率都有明显差异[21]。本研究发现檫树、木荷、红叶石楠、红花深山含笑和杨梅5树种树枝、树叶的含水率、着火点温度均高于其他树种，说明这5树种的树叶、树枝易燃性较差，不易着火，这些均表明这5树种的抗火性较强；本研究的采样时间2021年4月8日，为南京地区植物春季生长期，其他季节未涉及。枝叶含水率、着火点温度等与燃烧相关的理化性质随季节呈动态变化，其不同季节的动态变化结果有待进一步研究。

(2) 树叶是否容易着火主要取决于叶中抽提物燃烧释放出的热量及水分汽化所消耗的热量等因素，如果单位质量叶中抽提物燃烧释放出的热量小于其所含水分汽化所消耗的热量则这种叶不容易着火。本研究发现檫树、木荷、红叶石楠、红花深山含笑和杨梅5树种树叶的干叶发热量、抽提后余物发热量和树枝的发热量、残炭发热量均很低，说明这5种树种树叶、树枝的易燃性和有焰燃烧性较低、抗火性较强。据报道檫树、米槠、木荷3种板材的最高热释放率分别为83.43，73.2l，98.77 kw/m2，均高于FAA要求的标准(<65 kw/m2)[24]。报道表明木荷是抗火树种[3,8]，实验说明从檫树板材燃烧的热释放率明显低于木荷，也从另一方面证明檫树的抗火性要强于木荷，所以檫木是一个很有前景的抗火树种。当然，候选树种的生物学、生态学特性和经济价值也是筛选防火树种时要考虑的因子[25]。檫木是先花后叶树种，早春满山的檫木黄花景观诱人，因此，檫木是一个很好的抗火景观树种；木荷、红叶石楠、红花深山含笑和杨梅也是很好的抗火景观树种，其经济价值均很高[23-24]。

(3)彩色树种树叶、树枝易燃性综合指标测定发现，檫树、木荷、红花深山含笑、红叶石楠和杨梅5树种的树叶、树枝易燃性综合指标均明显低于其他树种，说明这5树种的抗火性均较强。特别是经过室内模拟抗火效果试验发现，5树种的抗火效果明显，檫树、木荷、红叶石楠的抗火效果更强。用红叶石楠密植灌木绿化带，间种檫树、木荷、红花深山含笑和杨梅等，构建彩色树种生物防火林带模式，形成乔灌立体抗火屏障，即乔木树种抗御林冠火，灌木树种抗御地表火，形成有效立体抗火屏障，其应用前景广阔，具有重要的研究意义[23-24]。