全 文 ：第 30卷第 5期 江 西 农 业 大 学 学 报 Vol.30, No.5
2008年 10月 ActaAgriculturaeUniversitatisJiangxiensis Oct., 2008
文章编号:1000-2286(2008)05-0845-05
落叶灌木南烛在防火戒严期的燃烧性动态
李世友 1, 2 ,王少名1 ,年有春 1 ,马爱丽 1 ,张桥蓉 1 ,袁俊杰 3 ,王文元 3
　　(1.西南林学院 ,云南 昆明 650224;2.云南省高校森林灾害预警与控制重点实验室 ,云南 昆明 650224;3.西南航
空护林总站 , 云南 昆明 650021)
摘要:在森林防火戒严期内 , 用自行设计的燃烧试验装置对落叶树种南烛(Lyoniaovalifolia)的活枝条进行了 8
次燃烧试验 ,在测定和分析样品引燃时间 、试验过程中烟气温度变化和质量损失过程等基础上 ,提出了燃烧特
征参数 ,即单位质量可燃物在试验过程中相对于无样品的对照试验的烟气净积温与引燃时间之比 , 根据该参数
计算了 8次燃烧试验的特征参数。研究结果表明 ,南烛的燃烧性在森林防火戒严期内呈动态变化 ,并呈逐渐下
降趋势。
关键词:落叶灌木;南烛;燃烧特征参数;森林防火戒严期;燃烧性动态
中图分类号:S762.3　　文献标识码:A
CombustibilityDynamicsofDeciduousBushPlantLyoniaovalifolia
duringtheProhibitivePeriodofForestFire
LIShi-you1, 2 , WANGShao-ming1 , NIANYou-chun1 ,
MAAi-li1 , ZHANGQiao-rong1 , YUANJun-jie3 , WANGWen-yuan3
　　(1.SouthwestForestryColege, Kunming650224, China;2.KeyLaboratoryofForestDisasterWarning
andControlinYunnanHigherEducationInstitution, Kunming650224, China;3.CenterofSouthwestAviation
ForestGuard, Kunming650021 , China)
　　Abstract:EightcombustionexperimentationsonlivingbranchesandleavesofbushplantLyoniaovalifolia
werecarriedoutduringtheprohibitiveperiodofforestfirewithanexperimentalequipmentdesignedbytheau-
thors.Thecombustioncharacteristicparameters, namelytheratiobetweennetaccumulatedtemperatureperu-
nitmasfuelduringsampleexperimentalperiodcontrastcomparisonexperimentwithoutsampleandignition
time, wereputforwardbasedon, ignitingtime, smoketemperatureandweightlosingofsampleduringexperi-
mentalperiod.Thedynamicparametersofthe8 experimentationswereaccountedaccordingtothecombustion
characteristicparameters.TheresultsshowedthatcombustibilityofLyoniaovalifoliachangeddynamicalyand
descendedgradualyduringtheprohibitiveperiodofforestfire.
Keywords:deciduousbushplant;Lyoniaovalifolia;combustioncharacteristicparameters;theprohibitive
periodofforestfire;combustibilitydynamics
收稿日期:2008-07-03　　修回日期:2008-09-12
基金项目:昆明市科技局重点项目(06H114135)和云南省青年基金项目(2003C0021Q)
作者简介:李世友(1971-), 男 ,副教授 , 硕士 ,主要从事森林防火研究 , E-mail:lsy0703@163.com。
　江 西 农 业 大 学 学 报 第 30卷
图 1　燃烧试验装置
Fig.1　Schemeofexperimentalsetup
　　注:1、3、5为热电偶;2为数据采集模块;4为烟道;6为集烟
罩;7为辐射源;8为电源控制柜;9为计算机;10为火源;11为样品;
12为托盘;13为火源气;14、17为支架;15为隔热层;16为天平。
　　植物的燃烧性是进行森林火险区划 、易燃
林分辨识与生态调控 、营林防火 、生物防火和
计划烧除的基础 。对植物燃烧性研究的方法
很多 ,一些研究者通过叶 、枝的直接燃烧试验
研究植物燃烧性 [ 1 ～ 8] ,不少研究者通过实验测
定植物的叶 、枝 、皮的含水率 、燃点 、发热量 、灰
分含量 、抽提物含量等来进行分级 、分类和排
序 [ 9 ～ 15] ,也有一些研究者用直接燃烧试验与
实验测定法相结合研究植物燃烧性 [ 16 ～ 21] 。这
些研究主要根据植物叶 、枝 、皮样品的一次实
验结果进行燃烧性比较 ,但笔者在实践过程中
发现此类研究特别是对落叶植物研究的取样
具有复杂性 ,如昆明地区的落叶植物在春季防
火期经历落叶 、萌芽到枝叶不断生长几个物候
期 ,其燃烧性在不断变化 ,有时生境相似的两
株同种植物其物候上却有较大差别 ,导致其燃
烧性差别较大 ,而取样的数量有限 ,难以较全
面地反映这种差别 ,气候和天气条件对燃烧性
也产生一定的影响 ,这些共同决定了其研究的
复杂性 。此外 ,间接研究方法可以采集较多条
件下的样品混合 ,再从混合样品中取样进行实
验和分析 ,而直接燃烧试验虽然具有结论可靠
的优点 ,但用于试验的样品数量有限 ,根据一
次取样的实验结果和一次试验的几个重复试
验可能难以全面 、客观地反映不同植物的燃烧
性差异 。所以 ,用直接燃烧试验研究这类植物的燃烧性时 ,根据对不同时间采集到的样品进行多次燃烧
试验 ,分析其燃烧性动态变化更有实用价值。南烛(Lyoniaovalifolia)是昆明地区分布较广的灌木 ,在防
火戒严期落叶 ,落叶较晚 ,在昆明安宁市 2006年 “3· 29”森林火灾烧迹地各坡向均有分布 ,受火灾危害
较重 ,研究其在森林防火戒严期内的燃烧性动态变化 ,可以为更好地开展森林防火提供依据。
1　材料与方法
1.1　样品采集
由于在树木的各器官中 ,叶和小枝是最易燃的部分 ,故确定带叶小枝为燃烧试验对象 。在森林防火
戒严期的 2008年 3月 3日 ～ 4月 28日 ,每隔 7 d采样和试验 1次 ,其中第 6周因设备故障试验失败 ,共
取得 8次成功试验的数据。采样地选择在 “3· 29”森林火灾火烧迹地附近未烧的阔叶林 ,采样地海拔
高度为 2 350 m左右 ,选择孤立木为采集木。为了使枝叶在试验前少失水 ,野外采样时采集多株植物
1 m左右的带叶枝条 ,用塑料袋密封后带回实验室 ,从枝顶向下剪取带叶 、芽的小枝为试验样品。
1.2　研究方法
①含水率 M的测定 。采用 90 ℃烘干恒重法 。计算方法如下:
M/%=样品鲜质量 -样品绝干质量样品鲜质量 ×100% (1)
②燃烧试验方法(试验装置如图 1所示)。辐射源面积为 40 cm×55 cm,由 18根硅炭棒和耐火砖
构成 ,每两根硅炭棒之间的距离为 1 cm,在中间两根硅炭棒之间的上方 1 cm处放置 1根热电偶 ,用于
测定辐射源的温度 ,通过计算机软件和控制柜控制输入到辐射源的电流强度。在辐射源正上方 57 cm
处的集烟罩锥形出口的正中间位置和烟道 48 cm处的中心点各放置 1根热电偶 ,在辐射源中心的正下
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第 5期 李世友等:落叶灌木南烛在防火戒严期的燃烧性动态
图 2　试验过程中样品质量变化
Fig.2　Masscurvesinexperimentalcourse
图 3　试验过程中烟气温度变化
Fig.3　Smoketemperaturecurvesinexperimentalcourse
方 21cm处放置由液化气燃烧提供的火源 ,火源的
火焰长度 10 ～ 12 cm,烟道的出风口设置一个排风
扇 。以 4 cm厚的石棉为燃烧盘 ,通过支架将燃烧盘
与辐射源的距离调节为 53 cm。燃烧盘下方的
21 cm处放置 1层 4 cm厚的石棉作隔热层以保护
下方的天平 。天平的质量技术参数为 30 kg/0.1 g。
试验时 ,先在小功率条件下将辐射源的温度升高到
400 ℃,然后开启天平和排风扇的电源 ,用 20 kW的
输出功率快速升温至 600 ℃,放入 30 ～ 40 cm长的
带叶小枝样品。每秒钟采集 1次质量和温度数据 ,
并以 XLS文件的形式存储到计算机硬盘中。当枝
叶热分解的可燃气达到一定浓度 ,点火源自行将其
引燃 ,立即关闭辐射源的电源 ,有焰燃烧熄灭后停止数据采集 。南烛燃烧试验后 ,进行一次对照试验 ,即
用上述方法升温至 600 ℃后不放入样品 ,用同样的方法测定和记录烟道气体的温度变化。
2　结果与分析
2.1　试验结果
试验过程中样品质量和烟气温度变化过程见图 2、图 3。图 3中的温度是指两根热电偶的平均温
度 。由于试验的时间不同 ,实验室的室温略有差别 ,
在绘制图 3曲线时 ,各时刻的温度均减去了试验前
5 s的平均温度 ,即曲线上各点温度是试验过程中相
对于放样前烟气的净变化。从图 3可以看出 ,从第
4次试验开始 ,样品预热和热分解阶段的烟气温度
明显低于对照试验 ,这是由于南烛长出了较多的新
芽和叶 ,这些新长出的芽和叶含水率高 ,表面积体积
比大于枝条 ,失水快 ,使烟气温度上升缓慢 ,低于没
有样品的对照试验。而前 3次试验的烟气初期温度
与对照试验相差不大 ,这是由于老枝叶特别是叶子
在高温作用很快发生闪燃和无焰燃烧并放出热量 ,
抵消了因预热和热分解吸收的热量 ,使烟气温度在
着火前较对照试验没有明显下降。
2.2　燃烧性特性
与其它可燃物燃烧一样 ,南烛的燃烧过程分为预热 、热分解 、燃烧和熄灭 4个阶段。由于活可燃物
具有热沉作用或热源作用 [ 21] ,预热和热分解过程消耗较多热量 ,燃烧阶段特别是有焰燃烧阶段放出大
量的热量 ,表现为图 3中烟气温度变化曲线具有先下降 、后缓慢上升 、再较快上升 、着火后温度急剧上升
的特点 。通过比较燃烧试验和对照试验在试验过程中烟气温度的差异 ,便可知样品在试验过程中对烟
气温度的影响。为综合评价植物的燃烧性 ,提出燃烧特征参数 P:
P=1 000×■A/(m×t0) (2)
式中:m为样品质量;t0为引燃时间 ,即从试验开始到有焰燃烧所需的时间 ,温升曲线上温度开始急
剧升高 、质量曲线上质量开始急剧下降所对应的时间;■A为相对于无样品的对照试验 ,样品从试验开
始至有焰燃烧熄灭全过程烟气温度的净变化 ,即图 4中阴影部分净温升 A1的面积减去净降温 A2的面
积 ,其中 A1是由燃烧放热效应造成的 , A2是由预热和热分解吸热造成的 。试验过程中 ,点火源引燃样
品后就关闭了辐射源的电源 ,此时硅炭棒和耐火砖温度远高于室温和烟道气体温度 ,且热容量较大 ,仍
有一段时间较稳定地对外散发热量 ,所以 ,在绘制图 4和计算 A1、A2的面积时 ,自着火时刻起 ,对照试
验的温升曲线开始变平 ,即将着火后对照试验的温度视为着火前 3s的平均值。由于用于试验的样品量
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图 4　烟气温度净变化
Fig.4　Schemeofnetsmoketemperaturechange
较大 ,在有焰燃烧后期 ,有焰燃烧与热分解生成木
炭的无焰燃烧并存且持续较长时间 ,难以准确地
界定有焰燃烧的熄灭时间 ,所以 ,经过观察多次燃
烧现象后 ,将有焰燃烧熄灭时间统一确定为烟气
温度达最大值后的第 20 s。■A的大小由可燃物
的含水率等理化性质决定 。由于燃烧试验过程中
系统每 1 s保存 1次温度数据 ,所以 , ■A的计算
方法为:从试验开始到有焰燃烧熄灭时止 ,每秒净
温升数据之和减去同期对照试验净温升数据之和
所得差即为 ■A,也就是燃烧试验过程中以秒为
单位的积温减去同期对照试验以秒为单位的积温
之差。 ■A/m的物理意义为单位质量可燃物在
试验过程中相对于对照试验烟气温升的净变化。
将■A/m除以引燃时间 t0既反映了单位质量可
燃物在燃烧试验过程中烟气温度的净变化大小 ,也反映了可燃物着火的难易程度 ,能较全面地表现可燃
物的燃烧特性。各次试验的 m、t0 、■A、P见表 1。
表 1　样品的物理性质及燃烧性特征
Tab.1　 Physicalpropertiesandcombustioncharacteristicparametersofsamples
次序 含水率 M/% 样品质量 m/g 引燃时间 t/s 相对净积温■A/℃ 燃烧特征参数 P
1 49.49 290.8 261 1 806.14 23.80
2 48.70 314.3 422 3 087.81 23.18
3 50.89 333.1 335 2 115.04 18.95
4 56.11 304.5 376 -76.71 -0.67
5 59.84 302.7 386 -916.05 -7.84
6 62.63 326.5 715 -3 451.31 -14.78
7 65.86 327.9 384 -2 575.25 -20.45
8 66.93 370.8 514 -3 996.35 -20.97
　　从表 1可以看出 ,南烛的含水率在防火戒严期总体上呈上升趋势 ,燃烧性一直呈下降趋势。前 2次
南烛的燃烧性变化不大 ,这是由于这期间南烛处于休眠期 ,枝叶含水率等理化性质相近 。前 3次南烛的
燃烧性较强 ,这是由于前 2次试验时植物没有落叶 ,第 3次试验出现了少量落叶 ,小枝样品上的叶易燃。
从第 4次试验开始 ,南烛相对于对照试验的净积温为负数 ,并不能说明南烛的吸热量大于放热量 ,因为
研究过程中将有焰燃烧的熄灭时间确定为温度达最大值后的第 20 s,而此时仍有部分样品在进行缓慢
的有焰燃烧 ,枝叶有焰燃烧后留下的炭在进行无焰燃烧 ,这些燃烧过程均放出热量并持续时间较长 ,这
一阶段的烟气温度数据并没有纳入计算范围 ,忽略低强度的有焰燃烧和无焰燃烧阶段放热是因为这一
过程对森林火灾的传播贡献不大。
3　结论与讨论
在森林防火戒严期内 ,南烛经历了落叶 、萌芽到新枝叶不断生长几个物候期 ,含水率呈上升趋势 ,燃
烧性一直呈下降趋势 。在野外 ,由于戒严期内气温总体上呈上升趋势 ,相对湿度呈下降趋势 ,使林内的
可燃物特别是落叶和干枯杂草向易燃趋势变化 ,即活枝叶虽然呈难燃趋势 ,但火环境和林内细小可燃物
越来越有利于火灾的发生和蔓延 ,这在一定程度上抵消了南烛自身的抗火性逐渐增加这一森林防火的
有利变化趋势 ,所以实际的森林火灾并不一定呈下降趋势 。本研究的 8次燃烧试验在近乎相同的条件
下进行 ,忽略自然环境条件下这种变化对南烛燃烧性动态的影响。
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第 5期 李世友等:落叶灌木南烛在防火戒严期的燃烧性动态
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