北京地区13种常绿树种抗火性能研究

时间：2024-07-28

刘欣瑜王琦刘秀丽

摘要：北京地区冬春季节，森林火灾时常发生，重视和研究城市绿化树种的抗火性能，充分发挥其抗火防火功能具有十分重要的现实意义。文章选取北京市常见的13种常绿树种作为研究对象，分别测定了不同树种枝条和叶片的含水率、粗脂肪、燃点、粗灰分和热值等指标，并利用因子分析法对树种的抗火性能进行综合评价和排序;通过对不同树种枝条和叶片20个抗火性单变量因子分析，得出13种常绿树种抗火性能的综合排序，为北京市绿化防火树种的选择提供一定的参考。

关键词：抗火性能，常绿树种，因子分析法，北京

DOI：10.12169/zgcsly.2018.12.21.0001

城市绿地作为城市开敞空间，在地震、火灾等灾害发生时，可作为城市居民紧急避难、疏散转移或临时安置的重要场所，是城市防灾减灾体系的重要组成部分。

北京在冬春季节气候较干燥，一旦发生火灾，对生态环境的破坏和资源的损失十分严重，同时也将严重威胁人们的生命财产安全。植物具有延缓、遮断火势蔓延的作用，是发挥抗火防火功能的主体[1]。因此，重视和研究城市园林绿化树种的抗火性能，充分发挥其抗火防火功能具有十分重要的现实意义。

我国早期对树种抗火性能的评价方法主要是通过对影响性能的若干因子进行对比分析得出各个树种的抗火性能差异的简单描述。随着定量分析法、数学分析相关理论的推广应用，更多研究方法被用于树种抗火性能的研究，例如层次分析法、多元线性回归、主成分分析法、加权赋值、灰色理论、模糊聚类等等[2-5]。国内外诸多研究表明，含水率、粗脂肪、抽提物等内含物和树种的生物生态学特性等方面的不同，是造成树种在抗火性能上存在差别的根本原因。现阶段对北京地区常见绿化树种抗火性能的综合评价数据成果尚不全面，有待补充和完善。本研究根据实验条件和课题需要，通过对实验树种冬、春季枝条与叶片的含水率、燃点、粗灰分、热值以及粗脂肪进行测定，并利用因子分析法对主成分进行提取，建立因子得分模型，对北京常见的13种常绿树种的抗火性能进行综合评价和排序。

1材料与方法

1.1实验材料的选择

查阅资料显示，在树木的各个组成器官中，最易燃烧的部分是叶和小枝[6]，因此本次研究在北京林业大学校园内选取成年树木冬季（2016年12月）和春季（2017年3月）的枝条与叶片，进行含水率、燃点、粗灰分、热值和粗脂肪等燃烧性能指标实验测定[7-8]。实验植物材料共13种树种，分别为大叶黄杨（Euonymus japonicus）、小叶黄杨（Buxus sinica）、女贞（Ligustrum lucidum）、金叶女贞（Ligustrum x vicaryi）、粗榧（Cephalotaxus sinensis）、矮紫杉（Taxus cuspidata var umbraculifera）、沙地柏（Sabina vulgaris）、青杆（Picea wilsonii）、华山松（Pinus armandi）、白皮松（Pinus bungeana）、圆柏（Sabina chinensis）、侧柏（Platycladus orientalis）及雪松（Cedrus deodara）。

1.2實验方法

1）含水率的测定：选取生长良好的成年树种2株为样株，在树冠的上、中、下3个部位的阳面和阴面剪取枝条与叶片作为实验样品，共13种植物，312个样品（每组104个，进行3次重复实验），样品重量在200g以上，样品混合后装人.密封塑料袋带回实验室立即称重。将冬季和春季的枝条与叶片烘干后，对样品进行称量，再将材料放入烘箱烘干30min，若所称得的干重与第一次测量的结果误差在0.0002g范围内，则认为样品恒重，记录样品干重，根据样品湿重和干重对样品含水率进行计算[9]。

2）燃点的测定：把干燥处理后的样品粉碎成小于1mm的粉末，并用筛子（60目）筛过，制成粒度在0.4mm<R<1mm的粗样和小于0.4mm的细样，将样品烘至恒重，将0.4mm的细样粉碎过200目筛，制成试样，利用DW-02点着温度测定仪测定[10]。

3）粗脂肪的测定：采取索氏提取法。将进行粉碎烘干至恒重的试样置于索氏提取器中，用石油醚进行循环抽提，再将脱脂后的试样烘干至恒重，减轻的重量即为试样中粗脂肪含量。

4）粗灰分的测定：采用干灰化法。将植物枝叶粉末样本分类，分别放人坩埚中，称重后将装有样品的瓷坩埚放在电炉上进行碳化，直至样品燃烧到不再冒烟;再将碳化后的样品连同瓷坩埚冷却后放入650C左右的马弗炉进行灰化约4h30min后称重。

5）热值的测定：采用微机氧弹式量热仪测定。将植物枝叶样本分类，用压饼机将植物枝叶粉末样本压成直径约1cm、高约1～2cm的圆饼状放在提前写好名称的标签纸上，放人托盘中，将样品烘干约1h直至样品恒重后称量;然后使用氧弹式量热仪进行测定并记录数据。

1.3数据分析方法

本研究将13种常绿树种冬季和春季的枝条与叶片的含水率、燃点、粗灰分、热值和粗脂肪共20个指标作为树种抗火性能研究过程中的全部变量，并依次命名x1，x2，x3，…，x20。采用因子分析方法综合评价不同树种的抗火性能[11]。

2结果与分析

2.1不同树种含水率的分析

含水率是影响树种抗火性的主要因素之一。植物体内的含水率越高，越不易燃，其抗火性也就越强。不同树种同时期的含水率不同，而同一树种在不同的季节和不同的器官中含水率也有所差异[12]。

13种树种在冬季和春季的含水率测定结果表明（图1），枝条含水率的变化范围在31%～62%并且春季枝条的含水率大多稍高于冬季枝条的含水率，但差别不明显。叶片含水率的变化范围在38%～78%，与冬春季的树枝含水率之间的差别相比，两季节树叶含水率之间的差异较树枝要稍明显。

2.2不同树种燃点的分析

某一可燃物的燃点越高，它对于外界火源的温度要求也越高，或者需要加热的时间越长，也就反映了其抗火性越强[13-14]。

由图2可知，13种树种枝条和叶片燃点的变化范围都在2009°C～300°C，其中枝条燃点多.数集中在250°C～300°C华山松、雪松、圆柏等大多数针叶树的树枝燃点要高于阔叶树的树枝燃点，并且春季枝条的燃点要稍高于冬季枝条的燃点，但差别不明显。就燃点而言，春季植物的抗火性能好于冬季。除了华山松、青杆等个别树种外，多数树种树叶燃点的差别在两个季节不明显。

2.3不同树种粗脂肪的分析

脂肪在可燃物中占的比例并不大，但对燃烧性起的作用非常大。脂肪的含量多少是可燃物易燃性的重要指标，脂肪含量越高可燃物越易燃，相反，可燃物脂肪含量越低，则其抗火性能也就越强。

13种树种在冬季和春季的粗脂肪测定结果表明（图3），枝条的粗脂肪含量变化范围在1%～8%，冬季与春季树枝粗脂肪含量的差异较高，华山松、白皮松、青杆一类的针叶树冬春季树枝粗脂肪含量的差别大多稍高于阔叶树种。叶片的粗脂肪含量变化范围在2%～9%，冬春两季树叶的粗脂肪含量差别比较明显，其中华山松冬季与春季树叶粗脂肪的含量相差达6%，并且华山松两季节树枝粗脂肪含量的差别也较为明显。由于脂肪含量越高，则树种越易燃，其抗火性能越差，所以针叶类树种树枝的抗火性能与阔叶类树枝抗火性能相比较差，而针叶类树种树叶的抗火性能较高。

2.4不同树种粗灰分的分析

灰分含量是指可燃物中矿物质的含量，主要是由钠、钾、钙、镁、磷、硅等元素组成的无机物，即燃烧剩下的物质。各种矿物质通过催化纤维素的某些早期反应增加木炭和减少焦油的形成，对燃烧有明显的影响。可燃物灰分含量越高，燃烧性能越差，其抗火性也就越强。

由图4可以看出，枝条的粗灰分含量变化范围在60%～100%，冬季与春季树枝粗脂肪含量的差异不明显，但树种冬季树枝的粗灰分要普遍低于春季树枝的粗灰分含量。叶片的粗灰分含量变化范围在80%～100%，并且多数集中在90%。冬春两季树叶的粗灰分含量差别比较明显，其中青杆冬季与春季树叶粗灰分的含量相差达12%，并且青杆两季节树枝粗灰分含量的差别也较为明显。

2.5不同树种热值的分析

可燃物热值指的是在绝干状态下单位质量的可燃物完全燃烧所放出的热量。不同的可燃物具有不同的热值。一般情况下，高热值的可燃物燃烧时释放的能量大，火强度大;低热值可燃物燃烧时释放的能量少，火强度小。

13种树种冬季和春季的热值测定结果表明（图5），枝条热值多在10000～250000J/kg，并且多数集中在15000～20000J/kg。除了青杆和华山松等个别树种外，冬季与春季树枝热值的差异不明显，并且冬季树枝热值大多稍高于春季树枝热值。春季叶片热值在10000～35000J/kg，并且多数集中在15000～25000J/kg。春季叶片的热值普遍高于冬季叶片的热值，但除了矮紫杉外，多数树种树叶热值的差别在两个季节不明显。

2.6不同树种防火性能的分析与排序

2.6.1主成分提取

按照累计方差贡献率≥70%的原则，在防火性的20个因子中提取7个公共因子（公共因子的特征值都大于1），7个因子方差贡献率分别为20.020%，18.678%，16.755%，12.414%，8.267%，7.715%和5.319%，累計方差贡献率为89.168%（表1）。树种抗火性能分析包含的大部分信息能对大多数数据给予充分的解释和概括，所以提取的7个公因子完全符合要求。

2.6.2因子得分模型的建立及排序分析

为了使各因子对各变量的载荷系数有比较明显的差别，需要对因子载荷矩阵进行旋转[15]使载荷值朝向1和0分化。将原始变量的标准化值代入各个因子的得分模型就可以得到各树种各公因子的得分值，再把7个公因子代人公式，即以各因子的方差贡献率占4个因子总方差贡献率的比重作为权重，进行加权汇总：

而后就可以得到各树种枝叶的综合得分（表2）。

通过对各公共因子的合理解释，再结合各树种7个公共因子的得分和综合得分就可以对各树种枝叶燃烧性进行评价[16]。在公因子f1上得分较高的是白皮松、华山松、圆柏和沙地柏，说明这几种树种的冬季枝条热值是不易燃的，树枝的抗火性能较好;得分较低的是青杆，说明它就上述指标而言是易燃的。在公因子f2上得分较高的是大叶黄杨和粗榧，说明它们的冬季树枝和叶片燃点是不易燃的，主要是因为这两种树种的冬季枝条和叶片的含水率较高，能使冬季枝条长时间保：持水分，需要更多的外来热量才能使其燃烧，并且一旦发生火灾，它们释放热量也较小;得分较低的是白皮松，这也说明它的防火性能相对较差。在公因子f3上得分较高的是金叶女贞，它属于抗火性能较好的树种，一旦发生火灾，由于它冬、春季枝条含水率较高，不利于火灾的发生;得分较低的是矮紫杉，说明就不同枝条的含水率而言，它是抗火性较差的。在公因子f4上得分较高的是白皮松、沙地柏和圆柏，说明这3种春季枝条和叶片不易点燃，相比而言需要更多的外来热量才能使其燃烧，属于抗火性能较好的树种;较低的是青杆、大叶黄杨和侧柏，说明就春季枝条和叶片的燃点来说，它们的抗火性能较差。同理可以得到各个树种在f5，f6，f7，各个公共因子上的燃烧性评价结果。

3结论与讨论

3.1结论

1）通过利用主成分分析法对不同树种树枝树叶20个抗火性单变量因子分析，可以得出树种冬季枝条的热值对树种的抗火性能影响较高，显著高于其他因子。对于以后树种抗火性能的检测中，如果在条件或时间受限时，可以将冬季枝条的热值作为主要变量因子进行测定分析并判断其抗火性能强度。

2）对不同树种树枝树叶20个抗火性单变量因子分析，并根据得分进行排序，得出13种常绿树种的综合抗火性能由强到弱依次为矮紫杉、华山松、白皮松、雪松、小叶黄杨、圆柏、沙地柏、女贞、侧柏、粗榧、金叶女贞、大叶黄杨、青杆。

3.2讨论

1）本次实验只选取了13种常绿树种作为研究材料，从含水率、粗脂肪、粗灰分、热值和燃点5个方面对这些树种的抗火性能进行了分析比较。为了更全面充分地说明不同树种的抗火性能，应选择生物学特性、生态学特性以及模拟实验等多种指标进行综合比较分析，并且可以和公认的抗火性能好的树种进行对比分析。

2）由于不同树种的含水率、粗脂肪、粗灰分、热值和燃点在不同季节有一定的差异，而此次实验主要采集了冬春两季的枝叶，对于其他季节的各项指标有待进一步的研究;并且同一树种在不同部位的枝和叶、老叶和新叶、老枝和新枝的含水率以及各项指标都会有一定的差别，这些都有待于进一步研究。

3）本次实验主要根据树种的燃烧性质分析不同树种的抗火性能，由于时间限制，并没有分析生物学特性与生态学特性对抗火性能的影响，因此，分析结果与实际抗火性能会存在一定的误差;另外，应用不同的方法进行数据处理与分析，其结果不可能完全一致。所以本文分析结果只能作为防火树种选择的参考依据。

本研究重在对北京地区的常绿树种进行研究，实验对象均为常见树种，在综合抗火性能的比较。上更有针对性和特殊性;另外，对实验树种的5种燃烧特性进行测定，所得研究结果覆盖的范围更广，更具有参考意义。研究结果反映了北京地区常见的常绿树种抗火性能的强弱情况，体现了树种冬季枝条的热值在其抗火性能方面的重要性，对于其他树种抗火性能的测定有借鉴意义;同时，也为北京地区抗火防火树种的筛选提供更多的选择，为北京市功能型园林植物的选择提供更多的依据。

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