全 文 ：林业科学研究!"#$%!"&"%#$+,$ +,&
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生物防火林带技术的科学基础和发展前景!
王海晖
"中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室! 安徽 合肥!",##"+#
收稿日期$ "#$)($"("%
基金项目$ 中国科学院%百人计划&择优支持专项(
作者简介$ 王海晖!博士!教授博士生导师!从事生物防火林带森林和城镇结合部火灾预防及控制技术等方向研究*电话$"#%%$#
,# #)),!传真$"#%%$# ,# $**3(4567$ZZd59:)!
致谢$ 本项工作实施过程中现场考察和调研以及树样采集得到中国林学会森林防火专业委员会大力支持(
摘要!生物防火林带技术是将特定常绿阔叶树种呈带状密植到易燃的植物群落中!用以预防和阻隔地表火及树冠火
蔓延( 研究表明!生物防火林带的防隔火功能不只是来自于植物叶片间可燃性的差异!更多源于常绿阔叶树的树冠
结构以及相对密植构成的独特林分( 通过抑制带内地表可燃物的生长!实现对地表火的阻隔*在遭受树冠火袭击
时!以其树冠较弱的可燃性和分层特性消减火势"强度#!降低火蔓延过程中热量输运的效率!使火蔓延自动终止(
与传统的防火隔离带"生土带#相比!该项技术在阻挡火焰辐射飞火以及保持水土和生态维护等方面拥有绝对优
势( 由于缺乏对其抵抗树冠火规模的量化认识!也没有建立起量化的技术性能指标以及细化的实施规范!生物防火
林带技术仍处于经验型阶段( 对该项技术的进一步发展与完善!不仅可以确保其在森林防火分隔实践中的应用效
果!还可以在森林和城镇结合部等火灾多发地域发挥更大的作用(
关键词!森林防火*生物防火林带技术*阻火机理*量化技术指标*防火分隔
中图分类号!M+"2, 文献标识码!.
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林!业!科!学!研!究 第 "& 卷
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生物防火林带技术是将特定常绿阔叶树种呈带
状密植进易燃的针叶植物群落中!用以预防和阻隔
地表火及树冠火的蔓延( 林带宽度在 $% ,# 4之
间!栽种的树种被称为%防火树种&( 作为一项融防
隔火于绿化的技术!在我国森林防火工作中已得到
广泛应用,$ J"- (
针对技术本身开展的工作主要集中在%防火树
种&筛选上( 依据树种间着火特性热值等的差异筛
选出的树种多为乡土化的常绿阔叶树种,$ J*- ( 关于
防火林带阻隔火灾功能的认识主要来自于现场测试
和在实际火灾场合中的观察结果( 通常的观点是!
防火树种可燃性差并且抗火性能佳!防火林带之所
以能防隔火是由于栽种了%防火树种&的缘故( 由
于认识过于笼统!相应有对防火林带的防隔火功能
持怀疑态度的( 其基本依据是!所有树种都是由类
似的物质组成的!因而它们在本质上都是可
燃的,$#- (
郑焕能等,$$-在 $**% 年指出!生物防火林带的
防隔火能力来自于林分的阻火特性!而林分的阻火
特性又来自于单株树的阻火特性( 单株树的阻火特
性与其树冠的形状疏密程度和枝叶的状态以及林
下凋落物的可燃性密切相关!从而为揭示生物防火
林带技术防隔火效能的本质开辟了新思路( 在后来
国家林业局编辑出版的专著中更明确地提出,$- !生
物防火林带的阻火功能由林带内可燃物的结构分
布和状态决定的( 只是!迄今为止没有对这项防隔
火技术具体工作机制形成足够的认识并建立起完整
的科学理论体系(
为弘扬广大林业科技工作者在此技术上所付出
的劳动和取得的成就!澄清该项技术中的核心问题!
笔者率领一个科研团队在多个省份对生物防火林带
技术的发展现状和实施的效果进行了考察和调研!
同时对技术的科学基础展开了进一步研究( 在此!
笔者将近几年开展的部分工作做概要性介绍!并对
该项技术尚存的科技问题以及解决的必要性与迫切
性进行了阐述!以期促进该项技术的发展与完善(
$!防火林带的阻火机理
;2;<典型树种的物理$化学属性和热解特性
可燃物的基本组成可以由工业和元素分析来标
定( 对 包 括 木 荷 " B)*,+( %4G$#5 L5BR92 PO
E@54U2#油茶 "8(+$2,( "2$,F$#( .AP72# 和云南松
"0,@4%14@@(@$@%,%^B59=@2# 在内 $* 个针阔叶树种
叶和枝工业分析结果表明,$#- !树种间组成的差异主
要表现在水分含量上")$2)g +"2%g# 和相应的
挥发分含量上")2%g "#2"g#*固定碳变化范围
较小!在 ,2%g至 $$2*g之间!而灰分含量在很低的
水平上变化 "$2#g %2#g#( 进一步分析表
明,$"- !样品水分含量与其挥发分含量呈高度负线性
相关!并且挥发分含量与固定碳含量间存在一定比
例关系( 元素分析结果显示,$" J$,- !去除水分和灰分
后样品间元素组成几乎不变!其中 EZb1的比
例关系基本为 ,)2,$"2$$""2&$$2#! M 含量可以
忽略(
典型树种叶片的厚度密度和热物性参数测试
结果见表 $( 尽管树种间参数结果有一些出入!除
个别树种的导热系数和比热结果外!基本变化幅度
都不大( 吸收率是表征材料吸收热辐射效率的参
数!不同树种间的测试结果的差异几乎可以忽略(
表 ;<典型树种叶样厚度$密度和热物性测试结果
树种名称
平均厚度44
密度"e:+4
J,
#
比热"ek+e:
J$
+S
J$
#
导热系数"d+4
J$
+S
J$
#
正\反面
吸收率
台湾相思"7)(),( )"@F4%$CPB2# #2", $ #$# #2&$" #2))* #2% \#2%
细柄阿丁枫"72&,@A,( A#(),2,G$%ZP4D72# #2"% *# $2$+ #2)#% #2%# \#2))
红花油茶"8(+$2,( )*$[,(@A"2$"%( ZW# #2,# $ ## #2**, #2$*) #2%, \#2)*
油茶"8(+$2,( "2$,F$#( .AP72# #2," *"# $2$&# #2,,, #2%+ \#2%$
铁冬青"Q2$V#"&4@3( F@W9A2# #2"% &# #2**% #2")# #2" \#2%&
米老排"J1&,2(#,( 2("%$@$,%HP=2# #2,# &"# $2$*+ #2,$, #2%) \#2%"
木莲"J(@A2,$&,( F"#3,(@( "ZP4D72# b76V2# #2,) &)# "2$"% #2"" #2%+ \#2%,
木荷"B)*,+( %4G$#5( L5BR92POE@54U2# #2", &+# #2&"& #2)* #2% \#2%)
",+
第 % 期 王海晖$生物防火林带技术的科学基础和发展前景
叶片的热解特性可以用热重分析仪测定( % 个
典型树种的热重 "FL# 和失重速率 "/FL# 曲线见
图 $5和 A( 可以看到!不同树种的叶样热重曲线具
有高度相似性( 热解过程呈现三个阶段变化$$%#K
之前质量下降最快!相应的/FL曲线高而陡*$%#
,&#K为第二个失重阶段!失重速率中等!而对应的
/FL曲线上出现多个失重峰!表明存在不同物质热
解反应的叠加*,&#K后质量变化较为平缓!/FL曲
线则主要表现为一个较低的肩状峰,$,- ( 分析表明!
随着温度的提升!树叶样品经历脱水挥发油类物质
析出半纤维素纤维素以及木质素的依次降解并形
成焦炭"即固定碳#等过程,$, J$)- (
图 $!典型树种叶样在高纯氮气氛围中以 $#K+469 J$升温
速率获得的FL曲线 "5# 和/FL曲线 "A#
采用多组分平行反应模型并结合非线性最小二
乘拟合技术!对叶样热重"FL#实验结果进行动力学
过程解析( 解析结果表明,$,- !树叶热解的气体产物
主要来源于半纤维素和纤维素!它们的含量在很大
程度上决定了工业分析中挥发分含量的高低*而固
定碳含量是测定挥发分后残留的有机固体部分!对
应于树叶热解过程中的成炭比率( 半纤维素和纤维
素热解的气体产物基本为有机类小分子化合物!是
气相火焰的主要燃料,$)- ( 树叶组成中半纤维素和
纤维素含量越高!意味着测定出的挥发分含量高*相
应地!树叶的热稳定性较差!可燃性较强( 由于树叶
中含量间的自守恒关系!随着水分含量的增加!相对
含有半纤维素和纤维素的量变少!因而挥发分含量
降低!树叶的热稳定性加强!可燃性相应减弱(
;2><防火树种的可燃性分析
树叶的可燃性可以直接由标准化的锥形量热仪
检测( 典型树种叶样在特定热辐射强度下的表现见
图 "( 在实验前数十秒内部分样品的热释放速率
"Z00# 出现陡升*最高可达 % ed+4J"!标志着
着火现象的形成( 到达峰值后!Z00迅速下降!然
后维持在较低水平直至实验结束( 这直接对应着气
相燃烧现象结束后转变成样品的表面阴燃( 其中!
红花油茶油茶和大叶香樟"8,@@(+"+4+%$G&$@&#,<
"@(2$Z59R2JC5??2# , 个样品的 Z00则没有出现
显著跳跃!而是在约 $## D后才开始出现缓慢的提
升( 这直接对应着另类着火模式!即着火只表现为
阴燃燃烧,$%- (
图 "!辐射热流强度 ,% ed+4J"下五个树叶样品
实验前 $# DZ00随时间变化
同等质量不同干燥度条件下红花油茶样品的测
试结果见图 ,( 结果表明!当样品的含水量大于
)*c$g时!没有出现气相火焰!只有阴燃燃烧*当含
水量低于 ),2*g后!样品才出现明火燃烧现象(
比较图 " 和图 , 中的结果可以看到!实验过程
中出现明火时间在 "# $## D之间!在火焰消失后
通常只会出现阴燃燃烧*相应地!在热释放速率的曲
线上表现为尖锐的峰形( 这是与连续性强和均匀多
孔燃料的结果迥然不同之处( 其产生的根源是样品
内部结构导致热量输运差异的结果"图 )# ,$% J$- (
,,+
林!业!科!学!研!究 第 "& 卷
图 ,!辐射热流强度 ,% ed+4J"下不同含水量
红花油茶叶样的Z00随时间变化
树叶样品具有分层特性!其直接接受外部辐射热流
的部分构成天然表层( 随着表层的温度提升!其吸
收的部分热量会通过热传导或层间空隙中的辐射换
热传递给内层!从而导致内层的升温( 由于样品的
分层和多孔特性加上植物叶样自身的热物性的限制
"见表 $#!其表层向内层热量输运的效率低!并且内
层吸收的能量主要用于水分蒸发,$- ( 在表层受热
分解产生挥发分并转变成焦炭层时!其内层并没有
能够升至足够高的温度以及时向火焰区补充可燃性
挥发分( 相应地!热释放速率呈尖锐峰形(
可见!同等外部热流作用下!含水量的大小决定
树叶样品是否出现明火燃烧( 样品的分层和疏松特
性以及热物性的综合作用导致样品的明火持续时间
短( 对于高含水量树叶样品来说!以其高保水性以
及分层和疏松特性!严重制约其燃烧速率 "火强
度#*相应火焰持续时间较短( 这些认识基本反映了
树冠在实际火灾场合中的表现(
这里的电镜 "M3C# 照片放大倍数为 " ### 倍( 符号 i\j
#(3
表示
外部净辐射热流!而 i\j
)"@3
则代表样品表层向内层热量输运的等效导热,$%-
图 )!样品分层结构和着火过程中的热量输运示意图
;2B<防火林带阻隔林火蔓延的作用方式
常绿阔叶林带林分特征使林带内可燃物的垂直
分布以及其可燃性方面出现了重大改变"见图 %#(
由于阔叶树的郁闭效果!林下细小可燃物堆积量相
对较少*相对密植和自然整枝现象导致树冠层离地
面距离较高( 针叶树则截然不同"图 %#!其树冠结
构呈阶梯状向上发展!不但林下有大量的细小可燃
物"即 $ 小时时滞可燃物#!在垂直方向上也存在较
连续可燃物分布,$+- (
生物防火林带直接改变其火灾类型和强度( 这
种像撑起的雨伞状林带!带内可燃物的生长受到抑
制*地表可燃物的缺乏使得燃烧至带内的地表火自
动熄灭,$+- ( 当树冠火来袭时才能构成真正意义上
的火灾!但火灾的类型在最坏情形下为独立树冠火!
即没有地表火支持的树冠本身的着火和燃烧,$&- (
相对而言!针叶树林分中自地面起至树冠层在垂直
方向上存在大量并近乎连续分布的可燃物!形成的
火灾为立体树冠火,$&- !火强度很高(
根据前面的实验结果可知!由于常绿阔叶树冠
的保水性和疏松特性!可燃性较差!无法形成持续的
高强度燃烧!加上叶片炭化所产生的遮挡作用以及
林下气流的冷却效应!已燃区向未燃区的热量输运
),+
第 % 期 王海晖$生物防火林带技术的科学基础和发展前景
效率明显较低"见图 %#( 火灾属自维持能量灾害!
随着热量输运效率不断降低!蔓延机制被抑制!火蔓
延速度迅速下降( 由于燃烧强度与蔓延速度间的线
性关系,$& J"#- !火蔓延速度的降低意味着燃烧强度的
削弱!这会反过来进一步抑制火蔓延速度( 当蔓延
速度低于特定值后!火蔓延即中止( 这与火灾现场
的现象是一致的( 在许多火灾现场实地观察
到,$ J"!$+- !木荷林带在遭受火灾侵袭时!其林缘几排
会被烤焦并着火!但火焰无法深入林带内部!表明火
灾被木荷林带成功阻挡(
图 %!防火林带林分"5#的燃料分布形成树冠火的火势以及热量输运方式与针叶树林分"A#的比较
;2E<与传统防火隔离带比较
与全光式传统防火隔离带"生土带#相比!生物
防火林带以其立体结构在阻隔火源向被保护林分的
辐射能量输运以及飞火屑块的攻击上明显更为有
效,)!"$- ( 这是为什么其建设宽度通常远小于传统防
火隔离带的原因(
经过栽植和 , % 年的抚育期!在适当清理林
下细小可燃物后!生物防火林带进入维持阶段!可以
作为永久防火和隔火设施使用,$- ( 传统的防火隔离
带则不然!为维持隔离带的无燃料化!每年均得投入
大量人工( 与此同时!生物防火林带在保水土维护
生态环境和生物的多样性上更有优势( 表 " 将生物
防火林带与传统防火隔离带的优缺点做了详细
比对(
表 ><生物防火林带与传统防火隔离带的比较
类别 生物防火林带 传统防火隔离带
基本特点
将筛选出的常绿阔叶树以 $ 4 $` 4或 $ 4 "` 4株距相对密植成带状*
树冠叶片浓郁*树冠层离地面有一定距离(
清理出带状无燃料区域!土壤裸露(
建设宽度
$% ,# 4( %# "## 4(
阻火机理
利用树冠层的郁闭效果!抑制地表植被的生长*保水性较强的树冠层可
以吸收热源向被保护林分的热辐射!同时阻隔燃烧区形成的飞火*由于
没有地表可燃物!林带边缘受外部林火侵袭后只会出现树叶炭化或局部
过火!其蔓延也会因火势衰减而中断(
直接中断可燃物分布!加大热源与被袭植被
的距离!以削弱热量传输的效率!由此阻隔
火蔓延(
其它消防相关功能 紧急状态下的安全通道和救生的掩体(
紧急状态下的通道以及运输消防设备的
道路(
环境和生态影响
有效利用土地*具有保水土维持生态平衡以及促进生物多样性的功效*
景观效果佳(
造成水土流失!破坏生态环境和生物多
样性(
经费投入
初期建设费用投入较大*需 , J% 年抚育费用投入!成林后每年需进行林
下可燃物清扫(
初始建设时开销较大*每年维护费用亦相当
可观(
%,+
林!业!科!学!研!究 第 "& 卷
"!存在的问题
>2;<寒冷气候以及高海拔条件下防火树种的选择
防火林带技术实施主要依靠两个要素$%防火树
种&的筛选和栽种技术( 在我国的南方省份木荷等
树种被广泛接受为主要%防火树种&!这是因为它们
在造林特性"树冠幅度和浓郁程度生长速度以及土
壤适应性#保水性"可燃性或抗火特性#灾后再生
能力"耐火性#和抗病虫害的能力上存在优势,$- (
笔者在黑龙江省小兴安岭地区和浙江省天目山考察
时了解到!大部分适合南方温热气候条件下的防火
树种!无法在天气严寒或海拔高度超过 $ "## 4地
域生长( 现有的文献资料表明!我国北方林区缺乏
像南方省份普遍接受的防火树种!相关的研究也不
全面( 另外!对于生物防火林带建设远没有南方省
份热衷( 相对寒冷的气候条件严重制约着特定树种
的生长速度是问题的关键(
极端条件下防火树种的选择应突破防火林带必
须用常绿阔叶树种来抑制地表植被生长的框架!找
到适宜在当地生长并对林火形成或发展成规模化火
灾有一定抑制作用的树种以及相应栽植和管理方
法( 从这个角度来说!我国北方林区在这方面的工
作是有基础的!比如将特定落叶松 " ;(#,VA+$2,@,
"GWUB2# GWUB2# 林或蒙古栎 "Z4$#)4%+"@A"2,)(
6^D=@2# 林修建成具有阻隔地表火效能的改培型生
物防火林带等,$!"" J",- ( 只是有必要做进一步探索!
以强化其阻火效能并拓宽其阻隔火灾的类型"比如
树冠火#(
>2><林带生物学特性对防隔火功能稳定性影响
作为一项绿色环保型防隔火技术!其优势已在
实践的检验中得到充分肯定( 但也存在缺点( 由于
防火树种树冠叶片浓密自然更替周期较短并且分
解时间相对较长!在维护不够充分的林带内凋落物
造成的堆积现象非常显著( 近十年发表的文献中多
次出现过类似报道,$!") J"+- ( 翁永发等,"+-在 $$ 年生
木荷林带中测定出地表凋落物的载量达 #2
e:+4
J"
!加上半分解层"腐殖层#的载量已超过 $2"
e:+4
J"
"去除水分后约 #2& e:+4J"#( 对于如此
载量下地表可燃物来说!在干燥天气无疑会成为火
灾穿越林带的载体,$*!"&- ( 另外!在有风情形下!过
火林分内的燃烧屑块"即飞火#会飞入林带内点燃
地表细小可燃物( 引燃的落叶甚至会在风场作用下
直接迁入附近被保护的林分内!由此点燃被保护林
分,$&- ( 浙江省开化县开化林场的扑火队员实地观
察到!上山火的火头能快速穿过防火林带!部分原因
可以归结为林带地表细小可燃物的燃烧所发挥的
作用(
林带地表细小可燃物堆积现象是防火林带树种
生物学特性决定的( 它不但影响生物防火林带防火
和隔火功能!还影响到其长期维护的成本( 找到经
济有效的解决办法或措施是当务之急(
>2B<建设周期控制及防火分隔网络建设原则
依照常规的建设方法!生物防火林带建设由幼
苗种植起经抚育至郁闭成林和发挥功效!前后达数
年之久,$- ( 相比其生命周期中使用效果的长期性
"至少数十年#!建设周期并不算长( 采用移栽大龄
幼树的方法营建生物防火林带能缩短建设周期!而
且能更早使其具有防隔火功能( 这意味着单株树栽
种成本的增加!但前期抚育时间会缩短!相应的抚育
费用会下降( 由此可见!生物防火林带建设周期的
控制不仅是个技术问题!也是一个经济性问题(
目前在设计防火林带建设位置宽度以及分布
密度上缺乏科学计算方法( 林地的潜在林火行为与
该地域的植被种类分布状态面积大小地形和地
貌特点以及当地气象环境条件密切相关!对该地域
进行防火分隔规划时必须考虑这些因素!以保证技
术实施的有效性( 由于防火林带建设和后期维护是
动态过程!同时涉及大量的人工和经费投入!在建设
防火林带并闭合成防火分隔网络时也得兼顾其有效
性与经济性统一(
>2E<阻隔树冠火的强度
防火林带能防树冠火!但到底能防多高强度的
树冠火!迄今为止!没有量化的结果以及具体的参数
表征( 很大程度上正是由于这个原因!本项技术目
前仍停留在经验型阶段(
生物防火林带能防火和隔火!基本来自于经验
观察,$!)!$+- ( 国家林业局森林防火办公室曾组织过
多次野外火烧试验,$- !但试验的规模小持续时间
短!加上没有对现场植物群落地形地貌气象条件
以及火行为参数的仔细测量!结论基本是定性的(
在近二十年间!栽种的防火林带基本成功经受了火
灾的考验!但因缺乏足够的现场观测数据!无法确定
具有特定宽度和高度的林带到底能抵御多高强度树
冠火等的量化关系式(
>2F<对大面积飞火的阻隔
大面积飞火主要表现为大量燃烧屑块的形成
,+
第 % 期 王海晖$生物防火林带技术的科学基础和发展前景
随风场向下游迁移以及被接触的细小未燃可燃物的
点燃( 因其形成的随机性特殊的传播方式和宽广
的作用区域!目前还没有完全有效的阻隔技术( 生
物防火林带只有在其高度远超过其附近植物群落并
且足够宽时!对附近过火林分中产生的燃烧屑块才
具有充分的阻挡和吸收作用(
考虑到飞火的有效作用区域通常是过火林分的
燃烧强度和燃烧屑块迁移距离的函数,$&!"*- !相应可
以从两个方面开展工作$一方面!通过对防火林带结
构的改造并拓展其有效宽度!提高其抵御和吸收森
林大火中密集燃烧屑块袭击的能力*另一方面!通过
对附近易燃林分的间伐和林相改造!并辅以传统的
防火隔离带建设!降低其形成森林火灾的强度和规
模!从而间接抑制燃烧屑块的形成速率并预防其大
面积出现和迁移的可能( 这些措施均可以在很大程
度上减小飞火现象的作用范围( 浙江省天目山国家
级自然保护区管理局的实践与上述工作思路是一致
的"见图 #(
图 !位于浙江天目山坞子岭山脊线上的防火林带( 建于 &# 年
代末!带宽约 $" 4( 一侧留出 $% 4宽开阔地*另一侧则栽种
具有一定保水性的红壳雷竹"0*12"%&()*1%,@)(#@(&( dP9#!
实现双重防火林带与传统防火隔离带的结合
,!结论和展望
直接从树种主要构成的可燃性角度去解释生物
防火林带的阻火机理会走向误区( 生物防火林带的
隔火功能更多来自常绿阔叶树的树冠结构和相应构
成的独特林分$凭藉阔叶树郁闭效果!抑制地表可燃
物的生长!从而实现对地表火的阻隔*以其树冠较弱
的可燃性和分层特性!逐步消减火势实现阻隔树冠
火的功能( 该项技术在阻挡火焰辐射飞火现象的
效率上以及保持水土和生态环境维护等方面远胜于
传统防火隔离带"生土带#(
目前生物防火林带建设缺乏足够的量化技术表
征( 有必要进一步增进对生物防火林带抵抗树冠火
规模的量化研究!并建立相应的技术性能指标( 在
此基础上确立生物防火林带的技术实施依据和原
则!以保证防火林带建设中有效性与经济性统一(
生物防火林带功能的多样性应得到发展( 目前
多个省份在生物防火林带功能的多样性上已取得进
展!颇有成效( 在对森林植被开展防火分隔的同时!
将生物防火林带应用于森林和城镇结合部等火源丰
富和火灾多发地域!可以降低结合部火灾发生频次
和引发森林火灾的几率( 可以肯定!在广大林业工
作者的共同努力下!这项绿色环保型技术在走向成
熟的同时!将得到更广泛的应用!从而为保护森林资
源生态环境以及居民的生命财产安全发挥更大的
作用(
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更正启事
因编辑人员校对时疏忽!"#$% 年第 ) 期 %"* 页的表 + 出现了数据移位错误!在此更正!并向作者和读者
表示歉意( 正确的表 + 如下$
表 P<母树种子性状间相关和年度间相关
项目 种子宽度J"#$) 种子长度J"#$) 形状指数J"#$) 百粒质量J"#$, 种子宽度J"#$, 种子长度J"#$, 形状指数J"#$,
百粒质量J"#$)
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