森林可燃物是指森林和林地上一切可以燃烧的物质，是森林燃烧的物质基础(胡海清，2005)。可燃物热分解是森林燃烧的最初始阶段，为引发着火以及随后的火蔓延提供反应物，对林火的持续蔓延起着关键的作用(宋长忠，2006)。因此，热解特征是其燃烧性的重要组分(袁兵，2004)。热分析技术可以直接、准确地揭示森林可燃物的热解过程，深入地研究燃烧机制(骆介禹等，1992；刘菲等，2005)。其中，热重分析法是研究森林可燃物热解过程及其潜在燃烧性的很好方法，是与可燃物火行为联系最密切的热分析技术(Dimitrakopoulos，2001；Liodakisa et al，2002)。通过热重分析，可以了解可燃物的热解温度、速度、热解残留量等特性，了解热解机制，掌握热解规律，进而进行可燃物燃烧性评价，为防火树种的选择提供依据。

目前，文献中关于可燃物热解和燃烧性的研究多集中在乔灌木的木材上(孙才英等，1998；杜洪双等，2009)，对草本可燃物的研究相对较少。到目前为止，我国并没有一个完整的可燃物着火特性数据库，因此，研究草本可燃物的热解与着火特性，确定其着火特性参数，对于建立我国自己的可燃物着火特性数据库非常有意义。为此，本文对黑龙江省分布较广的12种草本可燃物进行了热重分析，对其在空气气氛的热解特性进行了研究，为这些可燃物的燃烧性分析、火行为研究等提供基础数据。

1 材料与方法 1.1 试验样品的采集和准备

样品于2010年5月在黑龙江省东北林业大学帽儿山实验林场采集。帽儿山林场地理坐标为127°30′—127°34′E，45°20′—45°25′N，属长白山支脉张广才岭西北部小岭的余脉，平均海拔300 m，受欧亚大陆季风气候影响，具有温带季风气候特征，年平均气温2.6 ℃，年平均降水量723.8 mm。其原生地带性顶极群落为红松阔叶林，目前主要是天然次生林区。所采的12种草本为福王草(Prenanthes tatarinowii)、猴腿蹄盖蕨(Athyrium multidentatum)、掌叶铁线蕨(Adiantum pedatum)、宽叶山蒿(Artemisia stolonifera)、耧斗菜(Aquilegia vulgaris)、蔓假繁缕(Pseudostellaria davidii)、山尖子(Parasenecio hastata)、山茄子(Brachybotrys paridiformis)、升麻(Rhizoma cimicifugae)、羊胡苔草(Eriophorum vaginatum)、蚊子草(Filipendula palmata)、芍药(Paeonia lactiflora)。这些草本植物均为多年生草本植物，多数生长于山谷、山坡林缘、林下、路旁、草地或水旁潮湿地。样本于2010年5月28日在海拔300~500 m的不同林分下采集。将采集的12种草本试样分别敞口储存于信封内，在试验环境条件下风干若干天，使样品含水率完全处于风干状态，避免温差引起的热降解。然后用粉碎机粉碎，并用40目筛子分别筛取粒径 < 0.45 mm的样品，保存待用。

1.2 热重分析

采用美国TA公司的TGAQ500热重分析仪进行热重(TG)-微商热重(DTG)分析，该仪器设备精密，同一种样品在同样条件下TG曲线吻合度高，无需做重复试验；所需用量约5 mg或10 mg样品进行试验，这个数量级的尺寸使得传热和传质等物理效应可以忽略不计(Antal et al., 1980)，从而造就一个可以近似为纯粹化学动力学反应的试验环境。该系统自动采样，计算机通过TA公司软件自动给出数据及TG-DTG曲线。试验条件如下：以99.99%的氮气为载气，空气气氛下，气体流量为60 mL·min^-1，从室温(约25 ℃)到650 ℃，升温速率为10 ℃·min^-1，样品用量约5 mg左右。每个试验结束后作1个相同条件的空白试验，以消除系统误差。

1.3 数据分析 1.3.1 热失重曲线特征分析

以温度为横坐标，用热重法得到TG曲线，它表示失重率与温度之间的函数关系。微商热重法是将热重法得到的热重曲线对时间或温度一阶微商的方法(李余增，1987；李社锋，2006)，其横坐标为温度，纵坐标为重量变化速率，形成DTG曲线。微商热重分析是基于热重分析基础之上的，微商热重曲线图与热重曲线图是相对应的，当热重曲线有1个“失重台阶”，相应的微商热重曲线上也有1个“失重速度峰”。从DTG曲线看，能更清楚地显示热解和整个燃烧过程体系失重情况。

1.3.2 温度特性和失重量特性

相关的温度特性指标有初始分解温度(T_onset)，失水温度跨度(ΔT₀)，失水后第1个峰的温度跨度(ΔT₁)，失水后第2个峰的温度跨度(ΔT₂)。T_onset是失水结束后半纤维素开始分解时的温度，又可以作为着火温度的估测。热重分析中着火温度的定义有多种方法(刘乃安，2000；张小芹，2006)其中切线法最为常用，即把DTG曲线最高峰值点对应TG曲线上点的切线与初始失重时的基线交点定义为着火温度。也有一些研究者把失重达某一确定值的温度作为着火温度。翟振岗等(2008)的研究表明：在一定程度上几个方法所得到的着火温度具有一致性。本文采用切线法来估计着火温度。ΔT₀是从室温到失水峰结束的温度差，也就是从室温到DTG曲线第1个峰谷的温度差。ΔT₁是从DTG曲线第1个峰谷的温度到第2个峰谷的温度差。ΔT₂是从DTG曲线第2个峰谷的温度到失重速率接近0时的温度差。

相关的失重量特性指标有灰分含量(R)，失水阶段的失重量(W₀)，失水后第1个峰的失重量(W₁)，第2个峰的失重量(W₂)。R是试验结束所剩残余物质质量的百分数，灰分含量的多少在一定程度上反映了可燃物的燃烧性。灰分含量越高，说明挥发出去的可燃性气体越少，总燃烧性能较低。W₀是从室温到DTG曲线第1个峰谷的失重百分数。W₁是从DTG曲线第1个峰谷的温度到第2个峰谷的失重百分数，也就是纤维素和半纤维素分解峰的失重百分数。W₂是从DTG曲线第2个峰谷的温度到失重速率接近0时的失重百分数，也就是木质素分解峰的失重百分数。

综合分析特性指标有失水阶段的平均失重速率(K₀)，第1个峰的平均失重速率(K₁)，第2个峰的平均失重速率(K₂)。K₀是由失水温度跨度、失水阶段的失重量以及升温速率10 ℃·min^-1计算出来，公式为。K₁又称纤维素热解的平均失重速率，计算方法同上，公式为K₁= 。K₂又称木质素热解的平均失重速率，计算公式为。

2 结果与分析 2.1 热失重曲线特征

从图 1可以看出，空气气氛下12种草本可燃物在DTG曲线上有2个明显失重峰，同样在TG曲线上相对应的也有2个失重台阶。在2个明显失重峰前还有1个小峰，12种草本可燃物在此处的小峰峰型相似，温度跨度约从室温到120 ℃左右。这是样品随着温度升高，不断逸出水汽产生的，是样品的失水过程(李社锋，2006；赵辉等，2010)。有的学者把在该阶段的质量损失用来测量试样的含水率，而其间温度的跨度和失重率的数值与样品的含水率有关(傅旭峰等，2009)。失水量大小及失水温度跨度数值列于图 2中。

图 1还表明：12个草本可燃物失水后均出现2个主要失重峰。对于可燃物热解出现2个主要失重峰的现象，不同学者观点不同：Bilbao(1997)认为两步失重过程分别对应于2种主要可热解成分的分解反应，成分1是由半纤维素和纤维素组成的混合物，而成分2主要由木质素构成，这2种成分各自在不同的温度区间内发生分解反应，从而产生2个不同的热分解过程；而Orfao(1999)认为出现这种情况的原因是构成木材的3种成分纤维素、半纤维素、木质素分别各自独立的在整个温度区间内热分解失重过程的叠加。Roberts(1970)认为，在生物质材料受热分解过程中，其中的半纤维素首先热解，热解温度范围大致在200~260 ℃，随后是纤维素的热解，热解温度范围大致在240~350 ℃，木质素是最后热解的组份，热解温度范围大致在280~500 ℃。根据学者们的不同观点，对12种草本可燃物的2个主要失重峰进行如下分析。

失水后的第1个失重峰主要是纤维素和半纤维素的热分解峰，该阶段是草本可燃物热解失重的主要阶段，失重量大约占初始总重量的46%。图 1表明，12种草本可燃物在此失重峰处的DTG曲线上出现了不同程度的波峰，根据分离程度可以将12种草本可燃物分成4类。第1类是芍药、掌叶铁线蕨、山茄子、蚊子草，它们此处的峰在不同程度上裂分成了2个峰。这可能是纤维素热解和半纤维素热解所产生(Reina, 1998; 施海云，2005)。是否出现峰的分离决定于半纤维素相对于纤维素组分的含量，半纤维素含量高于纤维素含量时，可能会出现峰的分离现象。也可能是此类植物小分子抽提物含量比较大，在120 ℃以上大量溢出，产生第1个裂分峰。第2类为福王草、宽叶山蒿、蔓假繁缕、山尖子、升麻、羊胡苔草，只显示1个峰，可能是因为它们的半纤维素含量相对较低，其DTG峰与纤维素的DTG峰重叠，并被包裹在内，因而曲线上只出现1个纤维素峰(赵辉等，2010)。从TG曲线(图 1)上可以看出它们此处的失重速率相对较为均匀，也可能是它们的小分子抽提物含量较低，较低温度下较少挥发(Thomas et al，2011)。第3类是猴腿蹄盖蕨，其半纤维素和纤维素热解分离程度不明显，但在120 ℃~180 ℃之间出现1个较明显的肩峰，这可能与它们的低沸点抽提物挥发有关，说明猴腿蹄盖蕨的低沸点抽提物含量较高。第4类为耧斗菜，此阶段裂分成3个明显的峰，说明它所含的纤维素、半纤维素以及抽提物之间的分辨率较高，分解温度较低的应该是抽提物峰，其含量较高，最大分解速度下的温度为140 ℃；第2个裂分峰为半纤维素分解峰，最大分解速度下的温度为210 ℃；第3个裂分峰是纤维素分解峰，最大分解速度下的温度为280 ℃。

370~500 ℃之间的峰是木质素热分解峰。12种草本可燃物在DTG图上都出现相似的尖峰，说明此处热解速度较快。由于木质素含碳量比纤维素和半纤维素都高，在空气气氛下发生剧烈氧化反应生成炭。此阶段也是热失重的主要阶段，失重量大约占初始总重量的35%。失重量、最大失重速率和峰的面积与每个物种所含的木质素成分及其含量有关。

紧接着500~650 ℃的热解结束，随着温度的升高，试样不再失重而趋于稳定，热失重速率接近于0，所以可认为分解结束，剩下的是固体焦炭和不可分解的灰分。

2.2 温度特性和失重量特性

图 2给出了12种草本可燃物的失水特性数据失水量W₀和失水温度范围ΔT₀的比较。从中可见：升麻失重量较低，仅失重6.5%，说明含水率较小；而宽叶山蒿、山茄子、山尖子以及蔓假繁缕失重量较大，均达到了9%以上，说明它们的含水率相对较大；剩余草本植物失水阶段的失重量在8%左右，其含水率居中。山茄子的失水温度跨度相对较大，为130 ℃，其次是宽叶山蒿、山尖子、掌叶铁线蕨、升麻、福王草，温度跨度在101~107 ℃，而猴腿蹄盖蕨和芍药温度跨度相对较小，为78 ℃左右，羊胡苔草、蚊子草、耧斗菜、蔓假繁缕其温度跨度居中，约为90 ℃。个别例外者，如升麻的失水量最小，但其失水温度跨度也较大，这可能与它的本身结构或是所含物质不同有关。

图 3给出了12中草本可燃物的初始分解温度T_onset。从中可见：多数草本可燃物的着火温度在210~230 ℃，其中宽叶山蒿的着火温度最高，达到242 ℃。这可能由于其含水率较大且/或抽提物的含量较低所致，因为200 ℃以上，半纤维素已经开始分解(Roberts et al，1970)。耧斗菜和芍药的着火温度在200 ℃以下，尤其是耧斗菜的着火温度只有180 ℃，极易引燃，这可能与其抽提物有关(李振问，1991)。在低温下有许多小分子物质挥发导致较低的着火温度。

图 4给出12种草本可燃物的综纤维素(半纤维素与纤维素的总称)特性数据失重量W₁和失重温度范围ΔT₁。从W₁看出：耧斗菜和芍药的失重量最大，达50%以上；宽叶山蒿、羊胡苔草、福王草、掌叶铁线蕨、蚊子草失重量居中，在46%~49%内；蔓假繁缕、山茄子、山尖子、升麻和猴腿蹄盖蕨失重较少，尤其是蔓假繁缕最少，仅为42%。此阶段失重量的大小可以用来说明12种草本可燃物的总纤维素含量的高低。从ΔT₁看出：掌叶铁线蕨、蚊子草、猴腿蹄盖蕨、芍药和耧斗菜从失水结束到纤维素分解完毕，温度跨度较大，为252~269 ℃，这与其在这段范围的失重量较大、分解速度较慢有关。而山茄子和蔓假繁缕分解温度跨度较小，在220~231 ℃左右，短时间内分解完毕。其他的草本可燃物温度跨度集中在240 ℃左右。从图 4可以看出：整体上，综纤维素失重量与失重温度跨度十分吻合，失重量大，温度跨度也大。

图 5给出12种草本可燃物的木质素特性数据失重量W₂和失重温度范围ΔT₂的比较。从中可见：12种草本可燃物木素失重量相差不大，在32%~38%之间。其中猴腿蹄盖蕨失重量最高(38.27%)，福王草和蔓假繁缕的失重量较小(分别为31.96%和32.41%)，其他草本植物的失重量均在35%左右。虽然12种草本可燃物的木素失重量相差不大，而且它们DTG曲线图上都出现相似的尖峰，但是它们的温度跨度相差较大，最多相差50 ℃以上。芍药和耧斗菜表现出较高的温度跨度值，分别为166，151 ℃。说明这2种植物在370~500 ℃区间内燃烧缓慢，具有更长的支持有焰燃烧的时间。宽叶山蒿、福王草、山尖子和蚊子草温度跨度较小，均在125 ℃以下。剩余的草本植物温度跨度相对比较居中，在138 ℃左右。从图 5可以看出：整体上，木素失重量与失重温度跨度以基本吻合，失重量大，温度跨度也大。

图 6给出了12种草本可燃物最终的灰分含量。耧斗菜和芍药灰分含量最小，仅剩5%；其次是宽叶山蒿、掌叶铁线蕨、蚊子草和羊胡苔草，灰分含量8%左右；山茄子、福王草、山尖子、升麻和猴腿蹄盖蕨灰分含量在10%~13%，相对不易分解；蔓假繁缕的灰分含量最大为16%，表现出较低的降解程度。

2.3 可燃物燃烧性的综合分析

可燃物的燃烧性包括点燃的难易程度、燃烧的剧烈程度和燃烧的持续性3个方面(Marino et al., 2010)。单纯的热重分析无法给出可燃物燃烧性的全面评价，但一般来说, 可燃物失水速率越快、初始分解温度越低，可燃物就越易点燃。综纤维素的平均分解速率越快，热解产生的可燃性挥发物就越多，有焰燃烧越剧烈；同样，木素的平均分解速率越快，无焰燃烧越剧烈。为此，可以根据上述指标对12种可燃物的一些燃烧特性进行分析评价。

图 7给出了12种草本可燃物失水阶段的平均失重速率K₀、综纤维素热解阶段的平均失重速率K₁和木素热解阶段平均失重速率K₂。考察K₀(图 7)和T_onset(图 3), 可以将12种草本可燃物按易燃性分为3类，第1类包括猴腿蹄盖蕨、芍药和耧斗菜，这些可燃物失水速度快，初始分解温度低，最易燃；第2类为羊胡苔草、山茄子、掌叶铁线蕨和升麻，失水慢，初始分解温度较高，最不易燃；第3类为其他5种可燃物，要么失水速度快，要么初始分解温度低，易燃性介于前2类之间。考察K₁可以将12种草本可燃物的有焰燃烧状况分为3类，第1类包括耧斗菜、芍药、羊胡苔草和福王草，其平均失重速率达到了1.9%·min^-1以上，尤其是耧斗菜达到了1.99%·min^-1，综纤维素平均分解速率快，放出的易燃气体多，有焰燃烧最剧烈；第2类为猴腿蹄盖蕨、升麻和蚊子草，平均失重速率较低，最小的是猴腿蹄盖蕨仅为1.62%·min^-1，有焰燃烧最差；第3类为其他5种可燃物物，有焰燃烧状况介于前2类之间。考察K₂可以将12种可燃物的无焰燃烧情况分为3类，第1类包括宽叶山蒿和蚊子草，在木质素热解阶段的平均失重速率非常高，分别为3.12%·min^-1和3.15%·min^-1，无焰燃烧最剧烈；第2类为芍药和蔓假繁缕，木质素平均分解速率最小，为2.35%·min^-1和2.22%·min^-1，无焰燃烧最差。第3类为其他8种草本可燃物，有焰燃烧状况介于前2类之间。将12种草本植物在燃烧过程中不同阶段的表现总结于表 1。

3 结论

通过应用TG技术，研究了空气气氛下12种草本可燃物热失重特性，得到如下结论：

1) 12种草本可燃物空气气氛下升温速率为10 ℃·min^-1的慢速热解过程，均经历3个主要阶段：一是失水阶段。所测试样的含水量在6%~10%之间，失水温度范围是室温~120 ℃；二是综纤维素热分解阶段。此阶段失重量在41%~51%之间，热解温度范围是100~370 ℃；三是木素热分解阶段，此阶段失重量在31%~37%之间，温度范围370~500 ℃。其中综纤维素热解和木素热解阶段是热失重主要的2个阶段。

2) 根据K₀和T_onset指标把12种草本可燃物的点燃的难易程度分为易燃、难燃和中等，猴腿蹄盖蕨、芍药和耧斗菜易燃性最高；羊胡苔草、山茄子、掌叶铁线蕨和升麻最不易燃。根据K₁指标可以看出12种草本可燃物的有焰燃烧的剧烈程度，其大小为耧斗菜＞羊胡苔草＞福王草＞芍药＞山茄子＞宽叶山蒿＞掌叶铁线蕨＞山尖子＞蔓假繁缕＞蚊子草＞升麻＞猴腿蹄盖蕨。同样，根据K₂指标12种草本可燃物无焰燃烧剧烈程度排序为蚊子草＞宽叶山蒿＞猴腿蹄盖蕨＞山尖子＞掌叶铁线蕨＞福王草＞升麻＞羊胡苔草＞山茄子＞耧斗菜＞蔓假繁缕＞芍药。应当指出的是，可燃物燃烧性是受多方面因素影响，如热量释放量和速率等，前面据此对可燃物燃烧性的评价与实际的燃烧性可能仍有区别，但热重分析对于从微观角度上解释可燃物的燃烧性无疑提供了重要数据。