原创 张 恒等 南京林业大学学报
论文推荐
中蒙边境典型草原草本可燃物燃烧性研究
张 恒1，崔孟然2，单延龙3* ，王 飞1*
1.内蒙古农业大学林学院；2.内蒙古农业大学草原与资源学院；3.北华大学林学院，北华大学森林草原防灭火科技创新中心。
草地在防风固沙、涵养水源、保持水土、净化空气以及维护生物多样性方面,具有十分重要的作用。草原火灾在全球范围内发生频繁,是自然生态系统中重要的干扰因子之一。据统计,1981—2015年内蒙古自治区共发生草原火灾1 177起,过火面积为8 138 713.1 hm²;平均年发生33.6起,过火面积232534.66 hm²。草原火灾多发主要是内蒙古自治区的气候因素和可燃物因素导致的,其中可燃物因素包括可燃物本身的结构状态、尺寸大小、数量分布和理化性质等,草本可燃物的燃烧性能受到自身理化性质的影响。因此,可燃物理化性质对于火灾的发生,发展和管理都有重要的作用。
有关可燃物理化性质对燃烧性能的影响方面学者们做了大量的研究。Wilgen等选用南非部分树种的含水率、热值、粗脂肪含量等理化指标对燃烧性进行了研究;李旭等对昆明地区具有代表性的15种木本植物进行研究,通过测定植物化学性质分析植物燃烧性大小;王雷等对呼和浩特市21种园林树种的3个部位(叶、小枝、大枝)的理化指标及燃烧性进行研究,应用主成分分析进行燃烧性排序,筛选出地区园林抗火树种;裴建元等选择10种常绿阔叶树种,采集不同树种的树叶,树枝和树皮,烘干粉碎后在室内进行理化性质的测定分析,以不同树种器官的含水率,热值﹑燃点,木质素,粗纤维粗灰分、粗脂肪7个指标作为评价因素,对10个树种的抗火性进行聚类分析。王小雪等对黑龙江省主要草本可燃物燃烧性进行研究,结果表明研究森林杂草层次的燃烧性使森林可燃物分析更加具有整体性和系统性。对森林地表可燃物燃烧性评价研究提高了森林火险预测预报的准确性。草地可燃物是草原火发生和蔓延的物质基础,主要以含水率较低的草本植物为主,针对草原可燃物理化性质进行研究可以分析地区内可燃物的燃烧性,控制草原火灾的发生。
我国草原火灾发生频率高,火灾造成损失较大,对草原生态系统破坏严重,北方草原大约1/3地区容易发生草原火灾。其中,影响内蒙古草原火灾的内因是降水少、气温高、气候干燥等,这些气象因素的变化会改变草原火发生的外界客观条件和草原植被自身的可燃性,从而影响草原火的发生及蔓延。中蒙边境地区边境线较长且草原火灾发生极为频繁,大部分草原地理位置偏僻,管理难度较大,国境线附近的草原火灾发生频度高，对国家及人民生命财产造成了较为严重的损失。因此,研究中蒙边境地区草原火灾是十分必要的。本期论文推荐的作者本研究以中蒙边境典型地区草原草本可燃物为研究对象,在中蒙边境地区二连浩特市、东乌旗和新巴尔虎右旗内采取样本,对样本的粗脂肪﹑燃点﹑热值、灰分等理化指标进行分析,比较可燃物燃烧性大小。筛选出中蒙边境地区草原火灾高风险地区，以期对草原火灾预防提供参考。
下面跟学报君一探究竟！
作者简介
通讯作者
单延龙，三级教授，博士，中国科学技术大学博士后，中国林业科学研究院博士后，博士生导师，教育部新世纪人才，中国林业青年科技奖和吉林省青年科技奖获得者，主要从事森林草原火生态和管理研究，发表论文50多篇。
王飞，女，汉族，1980年10月生，内蒙古托克托县人，中共党员。博士，副教授，硕士研究生导师。从事森林生态与森林可持续经营方面研究，主持国家自然科学基金、内蒙古自治区博士基金等4项，出版专著6部，发表文章23篇。
第一作者
张恒，汉族，黑龙江省哈尔滨市人，理学博士，博士后，副教授，硕士研究生导师，院长助理，消防工程系副主任，九三学社社员，中国林学会青工委委员，中国消防协会会员，森林与草原防火专业委员会委员，国家自然科学基金同行评议专家。现任内蒙古农业大学林学院消防工程系专任教师，主要从事森林草原可燃物含水率预测模型研建，火险等级评价及火灾危险性评估，可燃物燃烧烟气释放和颗粒物排放，火灾时空格局与驱动因素等方向研究。目前主持国家自然科学基金2项，中国博士后科学基金面上项目1项，近三年以第一和通讯作者在国内外核心期刊发表论文30余篇。
关键词：草本可燃物；中蒙边境；草原；燃烧性；主成分分析
基金项目：国家自然科学基金项目（31860211）。
引文格式：张恒,崔孟然,单延龙,等.中蒙边境典型草原草本可燃物燃烧性研究[J].南京林业大学学报(自然科学版), 2021,45(5):171-177.ZHANG H,CUI M R,SHAN Y L,et al. Study on flammability of herbs fuel in typical grassland of China-Mongolia bonder[J].Jourmal of Nanjing Forestry University (Natural Sciences Edition) ,2021,45(5):171-177.DOI：10.12302/j. issn.1000-2006.201910006.
1目的
研究中蒙边境典型草原地区二连浩特市、东乌旗和新巴尔虎右旗草原可燃物的燃烧性能,对典型地区草原可燃物燃烧性能进行对比,根据草原可燃物理化指标进行燃烧性排序并分析,为中蒙边境地区草原火灾防控提供参考。
2方法
采用外业调查和室内燃烧相结合的方法,对中蒙边境地区试验点典型草原草本可燃物的粗脂肪、灰分、燃点、热值等理化指标进行分析,借助 SPSS 18.0 和 Origin 2018 等软件,对理化指标进行主成分分析并进行燃烧性排序。
2.1 试验材料
研究区自然地理概况见表1。
▼表 1 研究区自然地理概况
二连浩特市( Erenhot City ,简称EC)位于内蒙古自治区正北部的锡林郭勒盟西部,气候干旱,地面干燥,属于中温带干旱大陆性气候，是典型的干旱草原沙化区,自然植被以荒漠草原为主;东乌旗( Eastem Wujimqin Banner ,简称EWB)是隶属内蒙古自治区锡林郭勒盟的一个旗,地处内蒙古自治区锡林郭勒盟东北部,北与蒙古国交界,国境线长达527.6 km,属北温带大陆性气候，地区地带性草地类型主要包括温性草甸草原类和温性典型草原类;新巴尔虎右旗( Xin Barag Right Banner ,简称XBRB)位于我国东北边陲,国境线长515.4 km,属温带大陆性气候,新巴尔虎右旗草地类型多样,可分为草甸草原和干草原两大草原地带。
依据:典型原则，在每个地区选择能够代表当地主要草本的样地，随机布设10 mx10 m的样地,每个地区3块样地,分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,然后在每个样地四角及两条对角线中心点处取5个小样方,样方大小为1 mx1 m,小样方内地上所有草本齐地收割,装人信封袋，采集样品野外称取鲜质量，标记好带回实验室进行试验分析,主要测量粗脂肪、燃点、热值、灰分等理化指标。
2.2 研究方法
2.2.1 粗脂肪测定
将经过处理、分散且干燥的样品用乙醚或石油醚等溶剂回流提取,使样品中的脂肪进入溶剂中，回收溶剂后所得的残留物即为粗脂肪。粗脂肪含量(质量分数,c)计算公式为:
（1）式中:W1为抽提物提取前的总质量,g;W2为抽提物提取后的总质量,g; W为抽提前样品的质量,g。
2.2.2 灰分测定
将制备好的样品2 g 左右放入事先干燥称量好的绀埚内,并称质量。将烘干的小绀埚和样本置于点烧炉进行点烧直至无烟状态。将小绀埚放置在马弗炉内,设定温度为600 ℃,持续6 h ,使用电子秤称质量并记录,灰分 绀埚的质量,进行2次重复试验。灰分的含量(质量分数,X)计算公式为:
（2）式中: m1为绀埚质量，m2为绀埚和灰分的质量，m3为绀埚和样品的质量。
2.2.3 热值测定
热值的测量采用 Parr 6300 型全自动氧弹式热量计测定样品的热值。将采集的样品粉碎后用压饼器压饼,处理好的样品放入热值计量仪内测定，燃烧后热值计量仪会显示热量值并打印。
2.2.3 可燃物燃点测定
本研究中用实验仪器 Perkin Elmer.STA6000 (热重分析仪)计算燃点。将样本粉碎成粉末状，并将少量样本放入微型地蜗内;设定程序,升温速率30 ℃/min ,通氧速率分别为20 mL/ min。运行程序为:首先升温至100 ℃ 并保持5 min,然后以30 ℃/min的升温速率升温至700、600 ℃;得出吸热放热曲线(DSC),计算出燃点。
3结果
中蒙边境典型地区草原可燃物粗脂肪含量大小顺序为:东乌旗>新巴尔虎右旗>二连浩特市。各试验点可燃物热值大小顺序为:新巴尔虎阿右旗>二连浩特市>东乌旗。各试验点可燃物燃点大小顺序为:新巴尔虎右旗>东乌旗>二连浩特市。各试验点可燃物灰分大小顺序为:二连浩特市>东乌旗>新巴尔虎右旗。根据燃烧性能综合得分结合可燃物理化特性,中蒙边境地区各试验点典型草原可燃物燃烧性大小顺序为:东乌旗>二连浩特市>新巴尔虎右旗。
3.1 中蒙边境典型草原可燃物燃烧性分析
可燃物脂肪是一种成分很复杂的易燃物,对燃烧行为影响较大。可燃物中的脂肪含量较其他理化指标所占比例小,但它对燃烧反应的发生影响很大。通常用可燃物中粗脂肪含量衡量可燃物的易燃性,可燃物燃烧性越小,说明可燃物燃烧反应越不易发生,可燃物中粗脂肪含量较高时,可燃物越易燃,燃烧性越大。对3个区试验点典型草原草本可燃物进行测定,得到其灰分、粗脂肪﹑热值和燃点结果见图1。如图1A所示,二连浩特市(EC)可燃物粗脂肪含量明显低于东乌旗(EWB)和新巴尔虎右旗(XBRB) ,因此二连浩特市边境草原可燃物燃烧强度也低于东乌旗和新巴尔虎右旗尔虎右旗,燃烧性较小;东乌旗样地Ⅱ和新巴尔虎右旗样地Ⅰ粗脂肪量明显高于其他地区,样地内草种多为易燃草种,燃烧强度大。综合对比3个地区,明显发现东乌旗地区典型可燃物粗脂肪含量高于其他地区。因此,各试验点可燃烧物粗脂肪大小顺序为:东乌旗>新巴尔虎右旗>二连浩特市。
粗灰分含量是指可燃物燃烧剩下的矿物质含量。粗灰分对燃烧有显著的影响,各种矿物质与催化纤维素进行反应后,可燃物中木炭增加,同时焦油的形成减少。灰分物质含量越高,可燃物就越难燃,蔓延越迟缓。可燃物灰分含量越高,燃烧性能越差。如图1B所示,3个地区可燃物灰分最高值差距较小,二连浩特市和东乌旗地区可燃物灰分值均在10%以上,表明燃烧性较小;新巴尔虎右旗样地Ⅰ和样地Ⅲ可燃物灰分比较低,样地Ⅱ偏高,3块样可燃物的灰分含量不均,主要原因是样地内草本植物的数量和覆盖率不同,但新巴尔虎右旗样地灰分含量较另外两个地区可燃物灰分含量低,燃烧性较大。综合对比,二连浩特市可燃物灰分比其他两个地区更高,燃烧性更小。因此,各试验点可燃物灰分大小顺序为:二连浩特市>东乌旗>新巴尔虎右旗。
▲图 1 中蒙边境地区可燃物粗脂肪含量、灰分含量、可燃物热值及可燃物燃点
可燃物热值是指在绝干状态下单位质量的可燃物完全燃烧时所放出的热量。燃烧热值越大,释放热量越多,表明抗火能力越差,则燃烧性越大。如图1C所示各地区样地植被热值均在14kJ/g以上,热值差距不大,3个地区典型草原可燃物热值都偏高,燃烧性较大。综合对比,新巴尔虎右旗可燃物热值最大,燃烧性最大,在气象条件相同的情况下最易发火灾。各试验点可燃物热值大小顺序为:新巴尔虎右旗>二连浩特市>东乌旗。
受到外界火源的直接作用可燃物开始持续燃烧化学反应称为着火,燃点是可燃物开始着火的最低温度。不同种类可燃物燃点差别较大,可燃物的燃点越高,可燃物被引燃就需要更长的加热时间,越难以引燃,燃烧性越小;各地区典型草原可燃物燃点最高值差距不明显,可燃物燃点均在250 ℃ 以上,说明其燃烧性较小。综合对比3个地区,新巴尔虎右旗可燃物燃点最高,燃烧性最小(图1D)。燃点大小顺序为:新巴尔虎右施>东乌旗>二连浩特市。
3.2 可燃物燃烧性评价指标
综合评价可燃物理化指标(灰分、热值、粗脂肪、燃点)对植物燃烧性的影响,其中热值、粗脂肪对可燃物燃烧性的影响为正向,灰分、燃点对可燃物燃烧性的影响为负向,可燃物灰分、燃点越低,燃烧性越强,热值、粗脂肪等可燃物理化指标值越低，燃烧性越弱。所以,对实验测得的可燃物理化指标进行正向化处理,使可燃物理化指标与燃烧性同向。
利用标准化以后的3个典型地区草原可燃物理化指标进行主成分分析,得到新的互不影响的可燃物变量样本的信息含量、贡献率﹑累计贡献率如表2所示。
▼表 2 样本相关矩阵的特征根与主成分贡献率
由表2可以看出,前两个主成分的累计贡献率已达到了100% ;表明主成分3、4对方差的影响较小,前两个主成分已经包含了大多数的信息,故需要忽略后两个主成分。因此前两个主成分即为中蒙边境典型地区草原可燃物抗火性能评价的复合指标。主成分载荷矩阵和各主成分因子得分见表3和表4。
▼表 3 正交旋转后的主成分载荷矩阵
由表3可以看出,在第1主成分中灰分、燃点系数较大,说明第1主成分在这两个指标的特征属性上有较大的因子载荷;在第2个主成分中粗脂肪﹑热值的系数较大,说明第2主成分在这两个指标属性上有较大因子载荷。
将各主成分的贡献率和各主成分的因子得分代入式(3)得到可燃物抗火性综合指标值及其排列顺序见表4。
从各地区综合指标排序结合可燃物的理化特征分析,新巴尔虎右旗综合得分最高,燃烧性最低，其次是二连浩特市，燃烧性中等，燃烧性最大的是东乌旗。
4结论
中蒙边境典型草原区二连浩特市、东乌旗和新巴尔虎右旗地区中新巴尔虎右旗草原可燃物燃烧性最弱,火灾危险性最低,东乌旗由于可燃物性质和气象条件因素等综合作用导致此地区草原可燃物燃烧性最强,火灾危险性最高,需重点防范。
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