李康康 楊玉澤 周子杰 張乾坤 張映晗

摘要：防火樹(shù)種燃燒性能的研究一直是眾多科研人員的研究重點(diǎn)，其對(duì)于森林防火工作的開(kāi)展具有重要意義。不同樹(shù)種的枝葉作為森林火災(zāi)中的主要燃料，其決定著森林火災(zāi)的強(qiáng)度、蔓延趨勢(shì)等各種因素。本文利用錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)研究了火力楠、云南松、華山松樹(shù)種的燃燒過(guò)程，測(cè)定了三種樹(shù)種的熱釋放速率、總釋放熱以及火發(fā)生指數(shù)等燃燒特性參數(shù)，從而分析比較了三種樹(shù)種的抗火能力。結(jié)果表明，火力楠相對(duì)于另外兩種樹(shù)種不易燃燒，其抗火能力好，更適合作為防火樹(shù)種。

關(guān)鍵詞：錐形量熱儀;熱釋放速率;總釋放熱;火發(fā)生指數(shù);抗火能力

一、序言

（一）研究背景

森林是地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)，是全球生物圈中最重要的一環(huán)。對(duì)維系整個(gè)地球的生態(tài)平衡起著至關(guān)重要的作用，是人類賴以生存和發(fā)展的資源和環(huán)境。隨著人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的重視和提升，森林所發(fā)揮的生態(tài)效益也逐漸被人們所關(guān)注。森林火災(zāi)是森林所面臨的主要嚴(yán)重問(wèn)題之一，因其突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、處置救助較為困難而被廣泛關(guān)注。如何有效地預(yù)防森林火災(zāi)的發(fā)生，在一定程度上減小森林火災(zāi)的危害，是當(dāng)代學(xué)者研究的一大熱點(diǎn)?；鹆﹂?、云南松、華山松是我國(guó)南部地區(qū)主要的造林樹(shù)種，本文通過(guò)對(duì)這三種樹(shù)種的燃燒特征分析，對(duì)比其抗火性，以便于更好的防范森林火災(zāi)。

火力楠：醉香含笑（學(xué)名：Michelia macclurei Dandy）：?jiǎn)棠?，喜溫暖濕?rùn)的氣候，喜光稍耐蔭，喜土層深厚的酸性土壤。耐旱耐瘠，萌芽力強(qiáng)，耐寒性較強(qiáng)，具有一定的耐陰性和抗風(fēng)能力。生長(zhǎng)迅速，壽命長(zhǎng)（百年以上）。有一定的耐蔭性和抗風(fēng)能力。

華山松（學(xué)名：Pinus armandii Franch.）是松科中的著名常綠喬木品種之一。原產(chǎn)于中國(guó)，因集中產(chǎn)于陜西的華山而得名。華山松是一種大喬木，幼樹(shù)樹(shù)皮灰綠色或淡灰色，平滑，老時(shí)裂成方形或長(zhǎng)方形厚塊片。球果幼時(shí)綠色成熟時(shí)淡黃褐色;種鱗先端不反曲或微反曲;鱗臍不明顯。華山松產(chǎn)于中國(guó)山西南部中條山（北至沁源海拔1200-1800米）、河南西南部及嵩山、陜西南部秦嶺（東起華山，西至辛家山，海拔1500-2000米）甘肅南部（洮河及白龍江流域）、四川、湖北西部、貴州中部及西北部、云南及西藏雅魯藏布江下游海拔1000-3300米地帶。江西廬山、浙江杭州等地有栽培。

云南松（Pinus yunnanensis），又稱“飛松”“青松”“長(zhǎng)毛松”，為松科松屬的常綠喬木。為喜光性強(qiáng)的深根性樹(shù)種，適應(yīng)性能強(qiáng)，能耐冬春干旱氣候及瘠薄土壤，能生于酸性紅壤、紅黃壤及棕色森林土或微石灰性土壤上。但以生于氣侯溫和、土層深厚、肥潤(rùn)、酸質(zhì)砂質(zhì)壤土、排水良好的北坡或半陰坡地帶生長(zhǎng)最好。在干燥陽(yáng)坡或山脊地帶則生長(zhǎng)較慢。在強(qiáng)石灰質(zhì)土壤及排水不良的地方生長(zhǎng)不良。

以上三種樹(shù)種，因其生長(zhǎng)特性，成為廣西地區(qū)造林首要考慮樹(shù)種。本次實(shí)驗(yàn)以此為例，通過(guò)對(duì)目標(biāo)樹(shù)種的燃燒特征的分析，可以更加準(zhǔn)確地了解其在森林防火中的作用，對(duì)于廣西地區(qū)森林防火工作的進(jìn)行具有參考性意義。本次實(shí)驗(yàn)，我們主要借助錐形量熱儀對(duì)目標(biāo)樹(shù)種進(jìn)行點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)中所獲得的數(shù)據(jù)，即熱釋放速率（HRR）、總釋放熱（THR）、火災(zāi)發(fā)生指數(shù)（FPI）等燃燒性指標(biāo)分析目標(biāo)樹(shù)種的燃燒性。

（二）國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

防火樹(shù)種燃燒性能的研究一直是眾多科研人員的研究重點(diǎn)，其對(duì)于森林防火工作的開(kāi)展具有重要意義。不同樹(shù)種的枝葉作為森林火災(zāi)中的主要燃料，其決定著森林火災(zāi)的強(qiáng)度、蔓延趨勢(shì)等各種因素。同時(shí)，不同樹(shù)種在相同輻射熱流作用下其總釋放熱、熱釋放速率以及著火感應(yīng)的時(shí)間存在差異，通過(guò)錐形量熱儀對(duì)不同樹(shù)種進(jìn)行點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)有助于掌握不同樹(shù)種燃燒特性的差異。因此，對(duì)此進(jìn)行研究可以更好的掌握不同常見(jiàn)樹(shù)種的燃燒條件以及燃燒特性，對(duì)森林火災(zāi)的預(yù)防工作有著極其重大的意義。

雖然目前我國(guó)已經(jīng)有相關(guān)研究的內(nèi)容，但是相應(yīng)的文章以及探索尚不全面。本文基于前人對(duì)可燃物燃燒性研究的基礎(chǔ)上開(kāi)展該項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究探索，可以從更科學(xué)的角度來(lái)認(rèn)識(shí)和開(kāi)展森林火災(zāi)預(yù)防工作，為我國(guó)森林防火工作盡綿薄之力。

（三）研究目的與發(fā)展趨勢(shì)

項(xiàng)目運(yùn)用錐形量熱儀，觀測(cè)特定強(qiáng)度熱輻射作用下樹(shù)種樣品的燃燒特性，通過(guò)對(duì)錐形量熱儀所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)比在相同輻射熱流作用下，不同樹(shù)種的總釋放熱、熱釋放速率、著火感應(yīng)時(shí)間三種因素，對(duì)比不同樹(shù)種的燃燒特性，得到三個(gè)目標(biāo)樹(shù)種的燃燒特征差異性，再以此為根據(jù)比較和鑒別三個(gè)目標(biāo)樹(shù)種之間的著火難易程度。

輻射熱流下樣品的燃燒實(shí)驗(yàn)，在相同的輻射強(qiáng)度下樹(shù)葉的樣品會(huì)表現(xiàn)出迥然不同的著火模式，通過(guò)對(duì)不同樹(shù)種燃燒特征的觀察，可以了解到不同目標(biāo)樹(shù)種的燃燒特性。對(duì)于森林防火工作中選取防火樹(shù)種，構(gòu)建生物防火林帶，以及不同樹(shù)種間的防火措施選擇有著很大的意義。

二、實(shí)驗(yàn)介紹

相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)試方法，錐形量熱儀具有能夠的到更豐富的數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果更加貼近真是火場(chǎng)環(huán)境，關(guān)聯(lián)性更大等優(yōu)點(diǎn)。本文利用錐形量熱儀對(duì)樣品樹(shù)枝進(jìn)行點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)中所得到的著火感應(yīng)時(shí)間（FPI）、總釋放熱（THR）、熱釋放速率（HRR）來(lái)進(jìn)一步鑒別樣品的燃燒特征，進(jìn)而對(duì)比其防火性能。實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：

1.在進(jìn)行點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)之前，先要對(duì)樹(shù)枝樣品進(jìn)行一定的處理。首先把樣品按照不同直徑進(jìn)行分類，實(shí)驗(yàn)將樣品分類，利用游標(biāo)卡尺具體測(cè)量每個(gè)枝條的直徑，之后將樣品全部修剪成長(zhǎng)度為10cm的樣枝，裝入樣品袋，并且標(biāo)注（如：云南松8mm），以便后期工作。

2.烘干，本次實(shí)驗(yàn)使用的烘干箱為L(zhǎng)HG-9245A干燥箱，該干燥箱適用各種材料在恒溫情況下做干燥或其他恒溫性實(shí)驗(yàn)，將樣品置于烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干處理。烘干分為兩次，首次烘干完成后對(duì)樣枝進(jìn)行稱重，記錄，之后再次烘干，進(jìn)行稱重，待兩次樣品重量一致，則視為絕對(duì)干重，此時(shí)可以進(jìn)行點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)。

3.點(diǎn)燒，將烘干過(guò)后的三種樹(shù)木枝條拿出，根據(jù)枝條的直徑大小，取不同樹(shù)種同一直徑的樹(shù)枝樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，本次實(shí)驗(yàn)采用的是直徑為8mm的中枝。首先將樣品放入100 mm×100 mm×25 mm的樣品盤(pán)里，擺放過(guò)程中將樹(shù)枝整齊放好，要使樹(shù)枝完全覆蓋樣品盤(pán)，放至錐形加熱器下方進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)樣品拍照，處理，保證樣品完全熄滅，進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

（一）熱釋放速率（HRR）

單位時(shí)間單位面積內(nèi)目標(biāo)樹(shù)種燃燒所釋放熱量的速度，HRR的最大值是熱釋放速率峰值（pkHRR）。HRR越大或pkHRR越大，單位時(shí)間內(nèi)燃燒反饋給材料單位表面積的熱量就會(huì)越多，使材料熱解速度加快和揮發(fā)性可燃物生成量增多，從而加速火焰?zhèn)鞑ァＴ谏只馂?zāi)發(fā)生過(guò)程中，熱釋放速率和熱釋放速率峰值越大，則說(shuō)明火災(zāi)危險(xiǎn)性就越大。圖1是三種樹(shù)種的HRR變化曲線圖。根據(jù)對(duì)這三種樹(shù)種點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)來(lái)看，云南松的熱釋放速率峰值最大，其次是華山松，火力楠最低。達(dá)到峰值所需要的時(shí)間，華山松最先達(dá)到峰值，其次是云南松和火力楠。因此，可以判定三個(gè)目標(biāo)樹(shù)種的抗火性能分別是：火力楠>華山松>云南松。

（二）總熱釋放量（THR）

單位面積的材料在燃燒全過(guò)程中所釋放的熱量總和。森林火災(zāi)中植物所釋放出的熱量越多，為燃燒所提供的能量就越多，燃燒就會(huì)更劇烈。從圖2可以看出，THR的值云南松>華山松>火力楠，因此火力楠在森林火災(zāi)發(fā)生過(guò)程中釋放的總熱量更少，其阻燃性能更好，相對(duì)于另外兩種樹(shù)種，更不利于燃燒。

（三）火發(fā)生指數(shù)（FPI）

表示火險(xiǎn)程度。它是著火感應(yīng)時(shí)間和熱釋放速率峰值的比值。對(duì)于燃燒材料而言，火災(zāi)發(fā)生指數(shù)越大，則燃燒材料的抗火性越好。對(duì)于森林火災(zāi)中的植物燃燒來(lái)說(shuō)，火災(zāi)發(fā)生指數(shù)越大，植物的抗火性越好，越不易燃燒。實(shí)驗(yàn)中三個(gè)樹(shù)種的火災(zāi)發(fā)生指數(shù)表明，火力楠的抗火能力要優(yōu)于云南松和華山松，更適合作為造林防火樹(shù)種。

四、結(jié)語(yǔ)

本文利用錐形量熱儀對(duì)三種樹(shù)種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)這三種樹(shù)種燃燒特征進(jìn)行分析比較，結(jié)果表明火力楠的抗火性能要優(yōu)于云南松和華山松。其熱釋放速率、總熱釋放量、火發(fā)生指數(shù)三項(xiàng)均表明，火力楠更適合廣西地區(qū)的防火生物林帶的構(gòu)建。本次實(shí)驗(yàn)利用錐形量熱儀設(shè)定輻射量50KW/m2，其輻射量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于森林火災(zāi)中所產(chǎn)生的輻射量，又考慮到森林火災(zāi)中火環(huán)境變化多端，因此需要更多的實(shí)驗(yàn)多方面進(jìn)行點(diǎn)燒測(cè)試，以便更加綜合的進(jìn)行考量。

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