森林可燃物燃烧性是森林可燃物燃烧的性状总和，是林火行为预测、林火生态影响评价和生物防火林带建设的重要基础，是林火科学的重要研究任务(胡海清, 2005)。自Babrauskas (1984)设计开发了锥形量热仪后，各国学者利用该仪器对森林可燃物的燃烧性进行了一系列研究：田晓瑞等(2001) 利用锥形量热仪对木荷(Schima superba)、茶树(Camellia sinensis)、火力楠(Michelia macclure)、女贞(Ligustrum lucidum)、石楠(Photinia serrulata)、枇杷(Eribotrya juaponica)、马尾松(Pinus massoniana)和杉木(Cunninghamia lanceolata)等树种进行了热分析和抗火能力的比较； Dimitrakopoulos(2001)利用锥形量热仪测定地中海植物的点燃时间，用聚类分析与判别分析综合评价了其可燃性； White等(2002)利用锥形量热仪研究了25 kW·m^-2和50 kW·m^-2辐射功率下不同植物的燃烧特征，利用最大热释放速率(peak heat release rate, PHRR)和平均有效热含量(effective heat content, EHC)对植物的燃烧性进行了评价，Weise等(2005)利用锥形量热仪对装饰用植物的燃烧性随季节的变化进行了研究，并根据PHRR与EHC进行了燃烧性评价； 李艳芹等(2010)利用锥形量热仪结果结合因子分析法，综合评价了黑龙江省帽儿山林场主要树种的燃烧性；彭徐剑等(2014)利用锥形量热仪研究了我国北方4种针叶树中的燃烧特性，并评价了其阻火性能。

以往燃烧性评价都是将燃烧性看作可用单一数值衡量的一维量。Anderson(1970)认为，燃烧性(flammability)应包括3方面的含义：点燃性(ignitibility)和剧烈性(combustibility)和持续性(sustainability)。Martin等(1994)进一步研究认为，燃烧性还应包括可燃物的消耗性(consumability)。目前，多维燃烧性的概念已日益为学界接受。Dibble等(2007)提出了基于锥形量热仪分析的多维燃烧性评价方法，但目前还没有开展多维燃烧性的具体评价工作。

一维燃烧和多维燃烧2种燃烧性评价方法出发点不同。多维燃烧性能更全面地反映可燃物的燃烧特征。一维燃烧性评价虽不能全面反映燃烧性的不同维度特征，但便于可燃物燃烧性的比较。基于锥形量热仪分析结果的2种评价可能具有一定的相似性，一维方法可能在一定程度上反映了多维评价中的一些维度，但2种方法的总体相似程度，一维方法对多维评价不同维度的反映程度如何目前还不清楚，而弄清此问题对于更科学、准确地评价可燃物的燃烧性具有重要的意义。为此，本文以南方7种典型树种地表细小可燃物为研究对象，对最常用的一维燃烧性评价方法和Dibble等(2007)提出的三维可燃物燃烧性评价方法进行比较，以确定2种评价方法的相似程度，为燃烧性评价方法的选择提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料

本研究所用7种树种可燃物中的马尾松、杉木、柳杉(Cryptomeria fortunei)、毛竹(Phyllostachys edulis)取自江西省国营南昌市茶园山林场(28°44′10″—28°44′23″N，115°41′10″—115°41′15″E； 海拔468 m)，其他3个树种为云南松(Pinus yunnanensis)、华山松(Pinus armandii)和麻栗(Tectona grandis), 均取自云南省昆明市(25°05′55″—25°06′44″N，102°49′03″—102°50′03″E； 海拔1 891 m)。取样时间为2013年3—5月，样品为叶片或针叶。

1.2 锥形量热仪分析

将样品置于实验室内通风良好条件下风干30天，用高精度快速水分测定仪AND-ML50测量可燃物含水率，7种可燃物含水率范围为8.2%~10%，平均含水率9.48%。利用英国FTT007型锥形量热仪进行测试，样品大小为100 mm×100 mm。测试时，为减少不同结构对燃烧性的影响，将可燃物床层结构统一设定为：载量4 t·hm^-2，厚度约2 cm。测试条件为：辐射功率50 kW·m^-2，约778 ℃，升温接近真实地表火环境，气体流量24 L·s^-1，数据采集时间间隔1 s。

1.3 燃烧性评价 1.3.1 一维燃烧性评价

目前使用最多的一维燃烧性评价方法是因子分析排序法(单延龙等，2005; 翟振岗等, 2008; 李艳芹等, 2010)，为此，将该方法作为一维评价的方法。采用文献(White et al., 1996； 2002; Dibble et al., 2007)中常用的6个指标，即点燃时间(time for sustained ignition, TSI)、EHC、总热释放量(to tal heat release, THR)、热释放速率(heat release rate, HRR)、PHRR和质量损失速率(mass lose rate, MLR)，这些指标被普遍认为可影响可燃物的火行为，能反映可燃物的燃烧性。按文献(单延龙等，2005; 翟振岗等, 2008; 李艳芹等, 2010)相似的方法，首先对这6个锥形量热仪指标进行主成分分析，每个主成分表示为：

${{f}_{p}}=\sum\nolimits_{i=1}^{n}{{{Z}_{i}}{{A}_{ip}}}\circ $

(1)

式中： f_p为第p个主成分； Z_i为标准化后的6个锥形量热仪指标，Z₁为标准化后TSI，Z₂为标准化后EHC，Z₃为标准化后HRR，Z₄为标准化后THR，Z₅为标准化后PHRR，Z₆为标准化后MLR； A_ip为第p个主成分中第i个指标的系数。标准化为归一标准化，即原值减去均值后除以标准差。

提取累计贡献率大于85%的前n个主成分，$\sum\limits_{i = 1}^n {{\lambda _i} \ge 85\% } $，其中，λ_i为第i个主成分的特征根。按下式计算各个可燃物的综合得分，根据综合得分进行可燃物燃烧性的排序：

$F=\sum\limits_{i=1}^{n}{\frac{{{\lambda }_{i}}}{\sum{{{\lambda }_{i}}}}{{f}_{i}}}\circ $

(2)

式中： F为综合得分； f_i为第i个主成分； λ_i为第i个主成分的特征根； n为累计贡献率大于85%的主成分个数。

上述分析采用SPSS22.0软件完成。

1.3.2 三维燃烧性评价

Dibble等(2007)提出，用TSI评价可燃物的点燃性； 用EHC，THR评价可燃物燃烧的持续性； 用PHRR评价可燃物燃烧的剧烈性。由于可燃物燃烧性评价中的消耗性与燃烧持续性2部分有一定的相关性，故本研究根据Anderson(1970)的定义，用TSI评价可燃物的点燃性，用PHRR评价可燃物燃烧的剧烈性，用THR评价可燃物燃烧的持续性。直接根据对应的锥形量热仪测试数据，对7种可燃物的各维燃烧性进行排序，然后对于每个维度的燃烧性，根据不同树种在该维度上的距离进行分组。

1.4 一维和3维燃烧性评价的比较

目前还没有关于一维和三维燃烧性评价的相似性比较的方法，一维和三维燃烧性绝对数值的比较无法实现也没有意义。如果将一维和三维评价所用指标看作是可燃物的坐标，将2种方法的结果放到几何空间里看，那么一维评价结果就是不同可燃物直接分布在一个燃烧性轴上，三维评价的结果就是分布在3个可燃物属性维度的空间上。因此，2种方法的比较实际可以转换成一维和三维空间内多个点的分布情况的比较。对于7种可燃物中的某个可燃物，如果2种方法所得的该可燃物与其他6种可燃物的距离的排序或秩是一致的，那么在燃烧性排序意义上，这2种方法对于该可燃物就具有等同的效果。如果对于全部的可燃物，2种方法所得的两两可燃物距离排序一致，则可认为，这2种方法对这些可燃物都等效。为此，可按式(4)、式(5)分别计算一维评价和三维评价的7种可燃物两两之间的欧氏距离：

${{d}_{1}}=\left| {{F}_{1}}-{{F}_{2}} \right|,$

(3)

${{d}_{2}}=\sqrt{{{\left( {{x}_{1}}-{{x}_{2}} \right)}^{2}}+{{\left( {{y}_{1}}-{{y}_{2}} \right)}^{2}}+{{\left( {{z}_{1}}-{{z}_{2}} \right)}^{2}}}\circ $

(4)

式中： d₁为一维距离； d₂为三维距离； F₁和F₂为可燃物1和2按式(2)计算的燃烧性综合得分； x₁和x₂为可燃物1和2的PHRR指标； y₁和y₂为可燃物1和2的THR指标； z₁和z₂为可燃物1和2的TSI指标。

对每种可燃物进行2种方法距离排序的秩相关分析，评价2种方法对各可燃物的等效性。再对2种方法的各21个距离进行排序，然后对其进行秩相关分析，来评价2种维度不同评价方法的相似程度。

如果一维评价与三维评价中某个维度的排序秩序相似，则可认为一维评价能够良好地反映该维度属性。故计算一维方法所得的可燃物排序与3个维度中各维度可燃物单独排序之间的秩相关系数，据此评价一维评价方法对3个维度的反映程度。秩相关系数为秩次之间的的线性相关系数。

2 结果与分析 2.1 锥形量热仪分析结果

图 1给出了7种可燃物锥形量热仪测定的6个主要燃烧参数。从图中可见，7种可燃物的TSI在点燃最快的毛竹的5 s和最难点燃的马尾松的12 s之间。HRR变化明显，杉木和柳杉的HRR较高，分别为118.99和121.54 kW·m^-2，明显超过其余5种可燃物(范围为20.18～56.81 kW·m^-2)。PHRR的差别也很明显，范围为96.14～148.34 kW·m^-2，其中柳杉、毛竹、麻栗的PHRR相对较小。7种可燃物的EHC差异较小，为11.16～15.82 MJ·kg^-1。THR的范围为3.72～7.32 MJ·m^-2。7种可燃物的MLR变化趋势与HRR的变化趋势类似，杉木和柳杉的质量损失速率高于其他5种可燃物，分别为0.084和0.087 g·s^-1，其他5种可燃物的质量损失速率在0.011～0.037 g·s^-1之间。

2.2 可燃物燃烧性的一维评价

表 1给出了因子分析中前2个主成分的累积方差贡献率，从表中可见，前2个因子累计解释了90.08%的变量信息，选择第1、第2主成分即可。所得的2个主成分计算公式为：

$\begin{align} & {{f}_{1}}=-0.158{{Z}_{1}}-0.47{{Z}_{2}}+0.491{{Z}_{3}}- \\ & \ \ \ \ 0.497{{Z}_{4}}+0.1463{{Z}_{5}}+0.494{{Z}_{6}}; \\ \end{align}$

(5)

$\begin{align} & {{f}_{2}}=0.688{{Z}_{1}}+0.142{{Z}_{2}}+0.122{{Z}_{3}}+ \\ & \ \ \ \ 0.051{{Z}_{4}}+0.694{{Z}_{5}}+0.080{{Z}_{6}}\circ \\ \end{align}$

(6)

式中： f₁为第1主成分； f₂为第2主成分； Z₁～Z₆同式(1)。

最后的综合得分公式为：

$\begin{align} & F=0.0854{{Z}_{1}}-0.294{{Z}_{2}}+0.385{{Z}_{3}}- \\ & \ \ \ \ 0.339{{Z}_{4}}+0.304{{Z}_{5}}+0.375{{Z}_{6}}\circ \\ \end{align}$

(7)

式中：F为燃烧性综合得分； Z₁～Z₆同式(1)。

基于式(7)计算结果，一维燃烧性得分除TSI系数较小外，其他都较大，绝对值在0.294~0.385之间，因此，一维燃烧性可以看作是各指标基本等贡献作用的结果。表 2给出了最后的综合得分和排序，7种可燃物燃烧性从高到低的排序依次为：杉木>柳杉>云南松>马尾松>毛竹>华山松>麻栗。

2.3 可燃物燃烧性的三维评价

根据TSI所得的7种可燃物的点燃性从高到低排序依次为：毛竹>杉木>麻栗>云南松>柳杉>华山松>马尾松，叶面积相对较大的毛竹、杉木、麻栗更容易被点燃。图 2给出了7种可燃物在三维燃烧性的空间分布，从不同树种在点燃性平面的距离远近上看，可以将其分成3组： 1) 毛竹和杉木，最易燃； 2) 云南松、麻栗、柳杉3个树种，中等易燃； 3) 马尾松和华山松，最不易燃。

根据PHRR所得的燃烧剧烈程度从高到低排序依次为：杉木>马尾松>云南松>华山松>柳杉>毛竹>麻栗。这7种可燃物热释放速率到达最大时的时间均在5～7 s之间，相差不大。从图 2的不同树种在剧烈程度轴上的相互距离看，可以分成2组： 1) 杉木、云南松和马尾松，燃烧剧烈； 2) 毛竹、柳杉、麻栗和华山松，燃烧相对不剧烈。

根据THR所得的燃烧持续性从高到底排序依次为：麻栗>华山松>马尾松>云南松>毛竹>柳杉>杉木。从图 2不同树种在持续性轴上的相互距离看，可以分成3组： 1) 麻栗、华山松、马尾松，持续性高； 2) 云南松和持续性中等； 3) 毛竹、柳杉和杉木，持续性最低。

表 3给出了7种可燃物的三维燃烧性的排序对比。从表中可见，3个燃烧性的排序不一致。表 4给其秩相关系数，所有的相关系数都没有到达显著水平，三者之间没有相关。虽然无法证明三者之间完全独立正交，但没有实质的相关性，说明三维燃烧性评价之间的冗余信息少，能更好地反映可燃物的燃烧性。

2.4 2种评价方法的相似性比较

表 5给出了按2种燃烧性评价方法分别计算的7种可燃物两两之间距离所做的排序对。从表中可见，21个排序对中，只有麻栗和杉木的2种方法排序相同，2种排序秩只差1位的有麻栗和云南松、毛竹和杉木、华山松和云南松3对，其余的秩对都相差很大。这2种排序的秩相关系数r=0.078，P=0.737，表明2种方法秩不相关，说明对于这7种可燃物而言，燃烧性的一维评价和三维评价结果不同且无显式关联。

表 6给出了7种可燃物中每种可燃物与其他6种可燃物按一维和三维燃烧性评价所得距离的排序比较。从表中可见，云南松、杉木、毛竹和麻栗4个树种与其他6个树种距离排序对中有不超过2个的2种方法秩相同，其他的秩对都不同。从表 7给出的每个树种秩对的秩相关结果看，7个树种的2种方法计算的秩都不相关(秩相关系数都不显著)，说明对于每个树种，一维燃烧性评价与三维燃烧性评价也不相同。

表 8给出了7种可燃物燃烧性的一维排序与三维中各维排序的秩相关系数。从表中可见，一维排序只与三维燃烧性中的持续性显著相关，而与点燃性和剧烈性相关不显著。这是因为评价持续性所用的THR比评价点燃性所用的TSI和评价剧烈程度所用的PHRR在一维燃烧性评价式(3)中的权重大且到了显著的水平，也说明一维评价更多体现了7种可燃物的燃烧持续性，而没有很好地反映点燃性和剧烈程度。

3 结论与讨论

对于所研究的7种可燃物而言，无论是从单个可燃物来还是从7种可燃物整体看，可燃物燃烧性的一维评价结果和三维评价结果显著不同。一维评价只是能反映三维中的持续性一维，三维燃烧性评价能够更多地反映7种可燃物的燃烧性特点。因此，2种评价方法的相似性较小。

燃烧性三维评价能够反映燃烧性复杂内涵的多个方面，提供了更全面的信息，如马尾松是南方的重要易燃树种，但本研究结果表明，其易燃性在7个树种中最差，但燃烧较剧烈持续，因此，其“易燃”更多是由于燃烧剧烈持续造成的。毛竹作为传统上难燃树种，其点燃性最高，但燃烧不剧烈、不持续，其“难燃”更多是因为燃烧不剧烈和不持续。三维燃烧性评价可以使人们对于传统可燃物燃烧性的理解更深刻，更好地解释不同可燃物火行为之间的差异。

燃烧性一维评价使用起来比较方便，一些学者致力于将多个燃烧性特征合成一个指标的工作(单延龙等, 2005; 翟振岗等, 2008; 李艳芹等, 2010;Hachmi et al., 2011;Valette, 1990)。如何界定2种评价的作用十分必要，例如，防火树种的选择，首先要考虑易燃性，应选择不易燃的树种，燃烧性的三维评价可直接提供相应的信息，而一维评价则不能提供此类信息。因此，如何用好2种评价的结果，还需深入研究。

由于本研究只是对7种可燃物开展，所得结论不具有通用性。但作为一个例证，可以肯定的是燃烧性一维评价和三维评价是不同的。尽管本文所用的燃烧性三维评价的3个锥形量热仪指标之间没有显著相关，但锥形量热仪所测得的很多指标具有一定的相关性，一维评价方法的最后得分往往是这些指标的函数，如线性组合等，因此，能够与三维评价中一些维度具有相关性，这种相关性应与具体可燃物有关，同时，这种相关性应与燃烧性评价时所采用的指标有关。今后，应对更多的可燃物采用更多的指标进行一维和三维燃烧性的评价工作，以期得到更具一般意义的结论。

本研究中，柳杉、马尾松、毛竹、杉木的EHC的数值分别为11.16，13.85，12.62，11.66 kJ·kg^-1，均大于田晓瑞(2001)所测量数值(8.35，11.82，11.04，9.66 kJ·kg^-1)，主要是因二者测试的条件可能不同，特别是可燃物在样品盒中的状态，如载量、密实度、高度等不同，都会导致可燃物消耗比率不同。利用锥形量热仪测试时通常会产生20%～30%的残留物质(Browne et al., 1958)，而影响质量消耗的因素有很多，如测试时可燃物的初始质量、厚度、压缩比、含水率等，还可能与可燃物样品的采样时间有关。为能更科学地使用锥形量热仪的结果准确评价可燃物的燃烧性，标准化的可燃物设置十分必要。