黑龙江省主要草本可燃物燃烧性分析:Ⅱ燃烧性综合评价

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 森林消防系 江苏 南京 210023；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:Ⅱ燃烧性综合评价

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 森林消防系 江苏 南京 210023；3. 哈尔滨医科大学 组织部，黑龙江 哈尔滨150081）

通过对黑龙江省48种主要草本可燃物理化性质的测定，并分析了草本间在各指标上的差异，采用层次分析法（AHP）对可燃物的燃烧性的各指标进行权重的确定，并计算各草本的燃烧性值，最后对草本的燃烧性进行排序。结果表明：各草本风干含水率在10.53%～104.55%，其中假升麻Aruncus sylvester Kostel.最低，铃兰Convallaria majalis L.最高；绝干含水率在135.29%～2200%，其中苔草Carex tristachya最低，水金凤Flos seu Radix Impatientis nolitangeris最高；灰分含量在4.52%～25.84%，其中耳叶蓼Polygonum manshuriense V. Petr. ex Kom.最低，灰菜Chenopodium album L.最高；热值在6342J/g～12687 J/g，其中灰菜Chenopodium album L.最低，独行菜Lepidium apetalum最高；苯-乙醇抽提物含量在2.42%～11.40%，其中耳叶蓼Polygonum manshuriense V. Petr. ex Kom.最低，水金凤Flos seu Radix Impatientis nolitangeris最高；最难燃的草本是水金凤Flos seu Radix Impatientis nolitangeris，最易燃的草本是苔草Carex tristachya。

草本可燃物；燃烧性；理化性质；黑龙江省

森林火灾是其一个重要的因子，它指失去控制，在森林中自由蔓延和扩展，达到一定的面积，对森林、生态环境和人类生命财产带来一定危害和损失的森林燃烧。森林火灾对森林造成的损失和对环境影响的大小，火作用于生物个体、群落的剧烈程度，取决于火强度的高低、火面积的大小和火灾周期（火灾频率）的长短。燃烧是一个极为复杂的物理和化学现象，森林火灾的发生及蔓延更受到燃烧物及各种气象因素等燃烧条件的影响[1-9]。森林燃烧的主要条件是森林可燃物、森林气象条件、火源等。可燃物是森林火灾发生的物质基础，是林火传播的主要因素。森林可燃物的性质在很大程度上取决于构成森林的构成，草本层是森林可燃物的重要组成部分，所以，它直接或间接影响森林可燃物的性质和数量[10-11]，其种类不同，其燃烧性质也有很大差异。影响草本燃烧性的因素有很多，如可燃物的理化性质，生物学特性和生态学特性。但草本的燃烧性主要受其自身理化性质的影响，理化性质包括内特性和外特性两部分，可燃物内特性是指描述可燃物植物部分的性质，包括可燃物的化学性质以及密度，燃点，热值等物理性质；可燃物外特性指可燃物组合的各种特性，包括可燃物的数量，大小，形状，含水率，密实度及连续等。可燃物内特性主要用来解释燃烧现象，而可燃物外特性主要影响火行为[12-22]。林火的发生最初是从地面凋落物开始，然后到草本层→灌木层→树冠层的逐次蔓延过程，其中杂草层是可燃物的重要层次。因此，对这个可燃物层次燃烧性的研究，将有助于提高森林可燃物研究的整体性和系统性，是十分必要的。本论文通过对黑龙江省48种草本的燃烧性进行研究，并对其燃烧性进行排序，为黑龙江省难燃草本的筛选及生物防火林带的建设提供参考依据和数据支持。

1 研究区域概况

黑龙江省地处我国东北部边疆。北部和东部分别以黑龙江和乌苏江与俄罗斯为界、西靠内蒙古自治区、南邻吉林省。西起东经121°11′，东至 135°5′；南自北纬 43°25′，北到53°33′。东西跨近14个经度，南北相距10个纬度。该区域高等植物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、蔷薇科、毛夏科等为主。这些科属的植物中莎草料的苔草Carex tristachya、蔷薇科的大部分草本，以及毛茛Ranunculus japonicus Thunb.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。

2 研究方法

2.1 样品采集

2008年6月从黑龙江省大兴安岭林区、小兴安岭林区以及帽儿山林场采集48种草本作为试验对象。本试验的草本植物种类有：藜芦Veratrum nigrum L.、 铃 兰 Convallaria majalis L.、 毛 百 合Lilium dauricum、小玉竹Polygonatum humile Fisch.ex Maxim.、粗茎鳞毛蕨Dryopteris crassirhizoma Nakai、 香 薷 Herba moslae、 益 母 草Leonurus heterophyllus Sweet.、广布野豌豆Vicia cracca Linn.、红花车轴草Trifolium pratense L.、野大豆Glycine soja Sieb. et Zucc、蝙蝠葛Menispermum dahuricmn DC.、水金凤Flos seu Radix Impatientis nolitangeris、大叶章Deyeuxia langsdorffii (Link)Kunth、罔草Beckmannia syzigachne (Steud.) Fern、蝎子草Girardinia suborbiculata、大蓟Cirsium japonicum DC.、 黑 心 菊 Rudbeckia hirta、 还 阳参Crepis rigescens Diels、黄蒿Artemisiascoparia Waldst. EtKit.、 山 莴 苣 Mulgedium sibiricum、水蒿Artemisia selengensis、野艾蒿Artemisia lavandulaefolia、 灰 菜 Chenopodium album L.、轴藜Axyris amaranthoides、耳叶蓼Polygonum manshuriense V. Petr. ex Kom.、戟叶蓼Polygonum thunbergii Sieb. et Zucc.、毛脉酸模Rumex gmelini Turcz.、苋叶蓼Portulaca oleracea L.、羊蹄酸模Rumex japonicus、月见草Oenothera erythrosepala Borb.、鼠掌老鹳草Geranium sibiricum L.、毛茛Ranunculus japonicus Thunb.、唐松草Thalictrum aquilegifolium L.、 问 荆 Equisetum arvense、狭叶荨麻Urtica angustifolia、水杨梅Geum aleppicum、猪殃殃G. odoratum、地榆Radix Sanguisorbae、匍枝萎陵菜Potentilla yokusaiana Makino、 假 升 麻 Aruncus sylvester Kostel.、 蚊子草Filipendula palmata (Pall) Maxim.、山茄子Anisodus acutangulus、 当 归 Angelica sinensis、 苔草Carex tristachya、独行菜Lepidium apetalum、白花碎米荠Cardamine leucantha (Tausch) O. E.Schulz、白屈菜Chelidonium majus L.、猴腿蹄盖蕨Athyriummultidentatum。将刚采集的样品称其鲜重，而后将其带回到室内，置于阴凉干燥处，备用。

2.2 草本理化性质测定方法

2.2.1 苯醇抽提物测定

该试验是用苯－乙醇混合液抽提试样，精确称取烘干试样，重量G2，用预先经苯－乙醇混合液抽提的滤纸包好，置于索氏抽提器中，抽提液每小时约循环不少于4次，如此抽提6 h。然后将抽出液蒸发，烘干，称量不挥发的残渣量G1。抽提前测定试样所含水分W及高形瓶重G，这样即可利用下面公式算出苯醇抽提物含量X：

式（1）中：G为高形瓶重（g）；G1为高形瓶连同已烘干残余物重（g）；G2为风干试样重（g）；W为试样水分（%）。

2.2.2 灰分含量测定

灰分含量高，可燃物质相对少，抗火性相对强。采用干灰分法测定，公式如下：

式（2）中：X为样品中灰分的含量，%；ml为增埚的质量（g）；m2为增埚和样品的质量（g）；m3为坩埚和灰分的质量（g）。

2.2.3 燃烧热值测定

燃烧热值大，释放热量多，表明抗火能力差。采用XRY-1C型微机氧弹热量计测量，公式为：

式（3）中：ΣEd为样品所产生的总热量，J；G为试样重量，g；E为仪器热容量，J/g。

2.2.4 风干和绝干含水率测定

本试验采用两种含水率的表示方法，绝干含水率（绝对含水率）和风干含水率（相对含水率）。风干含水率将野外采集样品（W1）置于实验室常温下数日，自然风干后称重（W2），可以利用以下公式计算风干含水率（M风干）。

绝干含水率将野外采集样品（W1）置入105℃恒温箱内，24小时取出称其重量（W绝干），利用以下公式计算绝干含水率（M绝干）。

2.3 权重确定方法

本论文采用层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP）对可燃物的燃烧性的各指标进行权重的确定。根据燃烧性综合评价的基本指标体系，建立层次分析法评价的递阶层次结构（图1）。

图1 燃烧值指标递阶层次结构Fig.1 The hierarchical structure of combustion values

应用AHP分析决策问题时，首先要把问题条理化、层次化，构造出一个有层次的结构模型。在这个模型下，复杂问题被分解为元素的组成部分。这些元素又按其属性及关系形成若干层次。上一层次的元素作为准则对下一层次有关元素起支配作用。这些层次可以分为三类：

（1）最高层：这一层次中只有一个元素，一般它是分析问题的预定目标或理想结果，因此也称为目标层。本文的最高层，即目标层为燃烧值综合评价指数。

（2）中间层：这一层次中包含了为实现目标所涉及的中间环节，它可以由若干个层次组成，包括所需考虑的准则、子准则，因此也称为准则层。本文的中间层由3个子系统构成，即引燃难易程度、燃烧强度和持燃时间。

（3）最底层：这一层次包括了为实现目标可供选择的各种措施、决策方案等，因此也称为措施层或方案层。本研究的最底层，共5个指标，虽然指标有重复，但在不同的中间层，即使是同一指标也可能有不同的权重。

3 结果与分析

3.1 草本可燃物理化性质分析

苯-醇抽提物是一种成分很复杂的易燃物，低温下易挥发，呈有焰燃烧，且热值较高，从表1可以看出，各草本抽提物含量因草本种类不同抽提物的含量差异很大。所测定的48种草本可燃物抽提物含量的变化范围在2.42%～11.40%。

木素是木材中的芳香族聚合物，燃烧只发出灼热的白光，不产生火焰，因此对林火蔓延影响不大。木素含量越高，越不易燃，且燃烧时不产生火焰。从表2可以看出木素含量在各树种间差异较大，含量变化在20.69%～39.26%之间，其中樟子松、落叶松木素含量最高，水曲柳含量最低。

表1 树种理化性质指标测定Table 1 Determination of tree species physicochemical properties

表2 燃烧性因子的权重Table 2 Eeights of combustibility factors

燃烧速度是测定树种燃烧性质的一项综合性指标，燃烧速度越快，其燃烧性质越大。从表2中可以看出燃烧速度变化范围在0.16 s～0.37 s之间，水曲柳叶子燃烧所用时间最短，而樟子松燃烧时间最长。

可燃物含水率对其燃烧性的主要影响是可燃物的热值、预热时间和可燃性气体的纯度，当含水量越高时其燃烧性越低，热值下降，从而使燃烧速度得到抑制。从表2数据可以看出，风干含水率差异不大在4.17%～9.68%之间；树种间绝干含水率变化明显，阔叶树种高于针叶树种。

3.2 草本可燃物燃烧性排序

3.2.1 各燃烧性因子权重数值

由此，各指标组成的方程如下：

引燃难易程度=0.219 3×风干含水率+0.290 5×绝干含水率+0.083 0×抽提物含量；

燃烧强度=0.036 3×风干含水率+0.041 9×绝干含水率+0.122 8×热值+0.022 3×灰分含量+0.055 8×抽提物含量；

持燃时间=0.082 8×灰分含量+0.045 3×抽提物含量；

燃烧性=0.592 8×引燃难易程度+0.279 1×燃烧强度+0.128 1×持燃时间;

3.2.2 燃烧性排序

根据以上方程，就算各草种的燃烧性及其包含的引燃难易程度、燃烧强度和持燃时间（如表3）。分析可见，48个草种中，最易引燃的是苔草Carex tristachya，最难引燃的是水金凤Flos seu Radix Impatientis nolitangeris；燃烧强度最低的是鼠掌老鹳草Geranium sibiricum L.，最高的是水金凤Flos seu Radix Impatientis nolitangeris；持燃时间最短的是耳叶蓼Polygonum manshuriense V.Petr. ex Kom.，最长的仍是水金凤Flos seu Radix Impatientis nolitangeris。综合起来看，燃烧性最低的是水金凤Flos seu Radix Impatientis nolitangeris，最高的是苔草Carex tristachya。

4 结论与讨论

本文以黑龙江省为研究区域，以48个主要草本为研究对象，运用实验分析、方差分析、相关分析、主成分分析及聚类分析等统计方法，通过对草本的理化性质（灰分、风干含水率、绝干含水率、热值、抽提物、木素、燃烧速度），生物学与生态学特性的试验及调查数据分析，研究了48个草本的燃烧性及草本的综合燃烧性，并对其燃烧性进行排序分级，为黑龙江省难燃草本的筛选及森林火灾的预防提供参考依据，主要结论如下：

（1）通过对48个草本理化燃烧性及其指标的测定，分析了草本之间在这些指标上的差异。结果表明：草本间燃烧热值差异较大。风干含水率的平均值在37.34%，假升麻Aruncus sylvester Kostel.最低，铃兰Convallaria majalis L.最高；绝干含水率平均值为465.03%，苔草Carex tristachya最低，水金凤Flos seu Radix Impatientis nolitangeris最高；灰分含量的平均值为10.13%，耳叶蓼Polygonum manshuriense V. Petr. ex Kom.最低，灰菜Chenopodium album L.最高；燃烧速度平均值在17.28 cm2/s，最大的是灰菜，最小的是水金凤；灰化时间平均值在5.98 s，时间最长的是水杨梅Geum aleppicum，最短的是白屈菜Chelidonium majus L.；热值平均值为10 513.27 J/g，独行菜Lepidium apetalum最高，灰菜最低；苯-乙醇抽提物含量的平均值为5.17%，水金凤最高，耳叶蓼最低。

表3 48种草燃烧性指标值Table 3 Combustibility index values of 48 kinds of herbs

（2）构建燃烧性评价模型，利用层次分析法确定各指标权重，并把48种草进行分类，其中最易引燃的是苔草Carex tristachya，最难引燃的是水金凤；燃烧强度最低的是鼠掌老鹳草Geranium sibiricum L.，最高的是水金凤；持燃时间最短的是耳叶蓼，最长的仍是水金凤。综合起来看，燃烧性最低的是水金凤，最高的是苔草。

草本燃烧性是多因子共同作用的结果，草本理化性质、生物学特性、生态学特征都会对草本燃烧性有影响，但是，目前研究中，这几者结合起来进行研究得比较少，在对各因子进行综合分析时，数学方法的应用应寻求更多的尝试，运用统计分析方法对草本燃烧性排序、分级是一种经常用到的方法，但较缺乏客观性，在以后的研究中，能寻求更加客观、有效的数学方法，对草本燃烧性进行更为准确的确定。在理化燃烧性指标选择上，由于实验条件限制，本文只选取了灰分、风干含水率、绝干含水率、苯-乙醇抽提物、热值五个指标，在以后的研究中还可以考虑选择挥发性可燃气体、挥发油抽提物等燃烧性指标，挥发性可燃气体也是草本燃烧性质研究中的一个重要指标，它可以直接影响到树冠火的蔓延，现在分析手段用得较多的是用气相质谱/色谱联用仪测定并分析具体可燃成分，挥发油（抽提物）的提取手段可以考虑超临界CO2萃取技术，并利用色谱/质谱联用仪鉴定抽提物成分；值得一提的是，挥发性可燃气体及抽提挥发油可燃成分研究的定性与定量结合，目前在森林草本可燃性研究方面还没有见报道，草本可燃成分定性与定量研究相结合，这将进一步促进草本燃烧性研究的精度及准确度。

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Analysis of combustibility of major herb species in Heilongjiang Province: II comprehensive evaluation

WANG Xiao-xue1,3, PENG Xu-jian2, HU Hai-qing1

(1. Forestry College of Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilonjiang, China;2. Department of Forest Fire, Nanjing Forest Police College, Nanjing 210023, Jiangsu, China;3. CPC Organization Dept. of Harbin Medical University, Harbin 150081, Heilonjiang, China)

The combustibility of 48 major herbs properties in Heilongjiang Province was comprehensively evaluated by the analysis of physical property, the differences of testing indexes between different herb fuels were also explored. By using analytic hierarchy process (AHP)，the weighing values of combustibility indexes were determined, the combustibility values of different herbs fuels were calculated, finally the combustibility values of different herbs were ordered by magnitude. The results show that the dried herbs moisture rates were from 10.53% to 104.55%, of them, that of Aruncus sylvester Kostel was the lowest, the Convallaria majalis L.was the highest; the ash content was from 4.52% to 25.84%, that of Polygonum manshuriense V. Petr. ex Kom. was the lowest and that of Chenopodium album L. is the highest; the heat values were from 6 342 J/g to 12 687 J/g，that of C. album was the lowest, that of Lepidium apetalum was the highest; the contents of benzene-ethanol extraction were from 2.42% to 11.40%, of the herbs, the value of P. manshuriense was the lowest, and that of Flos seu Radix Impatientis nolitangeris was the highest. The herb most difficult to burn was Flos seu Radix Impatientis nolitangeris, and the herb easiest to burn was Carex tristachya.

herbaceous fuels; combustibility; physicochemical property; Heilongjiang Province

S762.1

A

1673-923X(2013)06-0001-06

2013-03-07

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 彬]