Preparation and properties of chitosan/gelatin/phytic acid composite flame retardant coatings
-
摘要:目的
为提高木材的阻燃性能，扩展生物基阻燃材料在木材中的应用，制备壳聚糖/明胶/植酸全生物基可膨胀复合阻燃涂料，并且探索其在木材上的应用性能。
方法以壳聚糖和明胶为成膜物质，水为溶剂，按照壳聚糖、明胶和植酸质量比3∶2∶（0 ~ 1.5）制备可膨胀复合阻燃涂料；将其涂覆于木材表面后制备木材的阻燃涂层（CGPx）。利用扫描电子显微镜和傅里叶变换红外光谱观察涂层的形貌结构以及元素分布；使用铅笔硬度仪和附着力检测评估涂层的硬度以及附着力；采用热重测试、可燃耐火测试和锥形量热测试综合评估处理材的热稳定性和阻燃性能；最后采用扫描电子显微镜和傅里叶变换红外光谱分析残炭的形貌结构和元素分布，并分析阻燃机理。
结果CGPx在木材上表现出优良的附着力和硬度，其中CGP1.5组附着力等级达到1级，铅笔硬度达到7H。CGPx木材表现出优良的热稳定性，其中CGP1.5组残炭率达到44.2%。在可燃耐火测试中，CGPx木材表现出优异的耐火性能。在锥形量热测试中，CGP1.5组热释放速率峰值下降了34.3%，速率峰值出现时间推迟至284 s，总热释放量下降了15.5%，CO和CO2释放速率也有所降低，同时火灾指数为0.189，火焰增长指数为0.708。木材的阻燃性能得到增强。
结论使用全生物基阻燃涂料涂覆木材的处理方法，有效提高了木材的热稳定性与阻燃性能，丰富了绿色可持续的木材阻燃体系。
Abstract:ObjectiveIn order to improve the flame retardant properties of wood, and extend the application of bio-based flame retardant materials in wood, we prepared expandable composite flame retardant coatings using all-bio-based materials (chitosan/gelatin/phytic acid), and explored the properties in the wood application.
MethodThe composite intumescent flame-retardant coating (CGPx) was prepared by chitosan/gelatin as the film-forming substance and water as the solvent, and was prepared according to the mass ratio of chitosan, gelatin, phytic acid of 3∶2∶(0−1.5). The flame-retardant coating layer of wood was prepared by coating it on the wood surface. Scanning electron microscopy and Fourier transform infrared spectroscopy were used to analyze the morphology and elemental distribution of the coating layer. A pencil hardness tester and an adhesion test were used to evaluate the hardness and adhesion of the coating layer. Scanning electron microscopy, thermogravimetric test, combustible fire test, and cone calorimetry test were used to comprehensively evaluate the thermal stability, flame retardancy of the treated wood. Finally, scanning electron microscopy and Fourier transform infrared spectroscopy were used to analyze the morphology and elemental distribution of the residual charcoal and to analyze the flame retardant mechanism.
ResultCGPx showed excellent adhesion and hardness on wood, with the CGP1.5 group achieving an adhesion rating of Class 1 and a pencil hardness of 7H. CGPx wood showed excellent thermal stability, with the CGP1.5 group achieving a residual charcoal rate of 44.2%. CGPx wood showed excellent flame resistance in fire and combustion tests. In the cone calorimetry test, the peak heat release rate of the CGP1.5 group was reduced by 34.3%, the time of the peak rate was delayed to 284 s, the total heat release was reduced by 15.5%, the CO and CO2 release rates were also reduced, the fire index was 0.189 and the flame growth index was 0.708. The flame retardancy of the treated wood was enhanced.
ConclusionThe treatment coated wood with all-biobased flame-retardant coatings, can effectively improve the thermal stability and flame-retardant properties of wood, and enrich the green and sustainable flame retardant system of wood.
-
光能利用效率（LUE）是指植被通过光合作用将吸收的单位光合有效辐射转换成干物质的效率[1-2]。它不仅是植物光合作用的重要生态学概念，也是利用遥感参数模型在区域尺度监测植被生产力的关键参数。光能利用率的变化能够对植被有机物的积累过程产生直接影响。光能资源与水肥等资源相比，具有无限制性、瞬时性、不可存储性等特点，因此，在一定时空范围内，植被对光能的截获吸收和利用能力的高低直接决定了生态系统的生产潜力[2]。当前，LUE广泛应用于不同尺度陆地生态系统总初级生产力（GPP）或净初级生产力（NPP）模型估算，和全球碳循环的研究中[3-6]。一些模型的比较研究表明，基于LUE的遥感模型模拟的全球净初级生产力（NPP）的平均值与其他参考模型的平均值有很大差异[7]。模型模拟结果的不确定性主要来自植被光合作用吸收的光合有效辐射和LUE[7]两个方面。此外，由于参数本身的观测和尺度变化带来的不确定性，以及模型的建立和运用范围的扩大，对结果的认识将有很大的不确定性。因此，了解LUE的生理生态基础，对于优化LUE模型和评价模型的可靠性具有重要的意义[8]。目前，对光能利用效率的研究大多集中在农田、草地和森林生态系统中[9-11]，对荒漠生态系统LUE的变化特征以及影响因子的调节机理的认识非常有限[9]。因此，不同的时间尺度上环境因子对荒漠生态系统光能利用率的作用强度还需要根据实际的观测数据进一步研究探索。
已有学者研究了不同尺度（叶片、个体、种群）碳循环过程的时间动态及其调控机理，其中LUE作为量化辐射能在群落尺度上的行为参数，已受到广泛关注。研究表明在生长季保证养分充足且没有水分胁迫的条件下，LUE是一个常数[12]，同时也有研究证明LUE随着植被生长发育而改变[4,9]，不同植被类型的光能利用效率具有明显的时空差异[5,9]。不同时间尺度上，影响LUE的主要环境因子也有差异在不同时间尺度上其环境影响因子也变现的各不相同。在昼夜尺度上，LUE主要受到辐射、温度等[13-14]影响；季节时间尺度上，LUE主要受到LAI、温度、养分元素等[15-16]影响。
由于观测尺度的不同，光能利用效率的计算方法也各不相同。包括叶片尺度上常采用叶片光合作用仪观测法[17-18]，群落尺度上常采用生物量收获发和涡度协方差方法[3]，生态系统尺度上采用遥感观测法和模型反演法等[5,19]。叶片观测法一般用于控制实验，用于探究植物叶片光合作用光响应的机理过程，LUE用表观量子速率表示。生物量收获法破坏性大且耗费大量的人力物力，一般多用于农作物的研究，其缺点是不能反应短时期（小时或者日尺度）LUE的变化。遥感观测法和模型反演多用于长时间序列的大尺度研究。涡度协方差方法被许多科研工作者用来直接测量大面积生态系统物质和能量通量，而不扰动下垫面。同时，也为研究区域生态系统尺度的光合特征参数提供了途径，为估算GPP提供了一种方法，为提高区域尺度光能利用效率的准确度提供参考。涡度协方差法在时空尺度上可以与卫星遥感尺度转换相关联，使得从冠层尺度到景观水平估算LUE成为可能。
油蒿（Artemisia ordosica）广泛分布于中国西北干旱与半干旱地区，是荒漠灌木生态系统的建群种。现已有大量关于油蒿的光合作用和灌木生态系统碳水耦合的研究[20-21]，但是关于油蒿灌木荒漠LUE的季节动态变化及其对环境因子响应的研究相对较少。本文运用涡度协方差方法对宁夏盐池毛乌素沙地油蒿灌木荒漠进行了全年的连续性监测，结合同步观测的气象因子，分析油蒿灌木荒漠光能利用效率在日尺度和季节尺度的变化特征及其对环境因子的响应，了解油蒿灌木荒漠光能资源利用机理，为荒漠生态系统的永续管理和沙区植被恢复提供科学参考依据。
1. 研究区概况
该研究区于宁夏盐池毛乌素沙地生态系统国家定位观测研究站（37°42′31″ N、107°13′47″ E，海拔1 560 m）。位于毛乌素沙地南缘，是黄土高原向鄂尔多斯台地、半干旱区向干旱区、干草原区向荒漠草原区、农区向牧区过渡的重要生态交错带，属于典型中温带大陆性季风气候[22-23]。多年平均空气温度8.1 ℃（1954—2004年），全年无霜期165 d。年均降雨量287 mm，其中62%集中在7—10月之间[20]，年平均潜在蒸发散为2 024 mm。该区主要由活动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘组成。主要土壤类型为灰钙土，土壤有机质含量在0.5% ~ 0.8%之间，土壤pH值在7.5 ~ 8.5之间，在土壤层1 m深度范围内的土壤总氮含量为0.15 g/kg[21]。研究区主要植被为油蒿灌木。
2. 研究方法
2.1 CO2通量和微气象因子观测
涡度相关观测系统以高度为4.2 m的观测塔为载体，主要观测仪器包括三维超声风速仪（WindMasterTM Pro，Gill Instruments Ltd，Lymington，England）和CO2/H2O闭路红外气体分析仪（IGRA；model LI-7200，LI-COR Biosciences，Lincoln，NE，USA）。
微气象数据测量仪器均设立在4.2 m的通量塔上，辐射数据由净辐射仪（CNR-4，Kipp and Zonen，Delft，the Netherlands）测量，空气温度由空气温湿度传感器（HMP45C，Campbell Scientific Ltd，USA）测量。土壤温度由安装在通量观测塔周围的土壤温度传感器（Campbell-109，Campbell Scientific Ltd，USA）测量，土壤热通量由分布在通量塔周围的5块10 cm深的土壤热通量板（HFP01，Campbell Scientific Ltd，USA）测量，土壤体积含水量分别用10、30、70和120 cm深的土壤温湿度探头（ECH2O-5TE，Decagon Devices，USA）测量，降雨量由翻斗式雨量筒（TE525MM，Campbell Scientific Inc.，USA）测量。涡度协方差系统的数据和微气象数据用CR3000（Campbell Scientific Ltd，USA）数据采集器以10 Hz频率记录，并生成30 min的平均值。
2.2 LAI与养分元素的测定
在通量塔贡献区内设置100 m × 100 m的样地，沿样地东西方向和南北方向每隔20 m设置1条样线，样地内共设置12条样线。每两条样线相交点为叶面积指数测量点，共36个点。2014年4—10月，用LAI-2000冠层分析仪每隔1周对油蒿灌木荒漠的LAI进行一次测定。样地叶面积指数计算公式为LAI = ΣLAIi/36，式中：i为第i个测量点[22]。
2014年4月，选取10个10 m × 10 m小样方，每个小样方分别选取油蒿5株，每隔一周从每株植物上取10片叶子，带回实验室，杀青并烘至恒量，将每株油蒿的取样叶子充分混合研磨，制成供试品。每隔15 d在小样方中用土钻取0 ~ 30 cm层土样，共3次重复，将每层土壤样品均匀混合并带回实验室。自然风干后，用2 mm筛过筛，制成土样进行试验。叶氮含量和土壤全氮含量均采用凯氏定氮法测定[23]。
2.3 数据处理
生态系统净碳交换（NEE）被定义为公式（1）[24]：
NEE=Fc+Fs+Vc (1) 式中：Fc是通量观测塔测得的植被上部CO2交换量，Fs是测得的冠层内部储存通量，Vc是指垂直和水平平流效应的通量。该研究区域有着均匀分布的植被下垫面，因此Vc可忽略不计。对于低矮的冠层Fs接近于0，因此Fs可忽略不计[20]。因此，
NEE=Fc (2) 本研究所用数据从2014年1月1日至2014年12月31日，期间由于仪器故障等造成36.12%数据缺失。通过剔除异常值[25]、旋转二次坐标轴[26]、消除传感器延时影响[27]、频率响应校正[28]等方法来对10 Hz数据进行了校正和质量控制。由于在夜间稳定条件下涡流不明显，导致计算出的NEE值低于夜间实际CO2通量值，因此夜间NEE（NEEnight）数据应通过摩擦风速（u*）控制和筛选，剔除掉u* < 0.18 m/s的数据[22]。经筛选后得到47.7%的有效数据，然后用5倍标准差方法剔除掉异常值。缺失数据按照时长进行插补：不足2 h的数据间隙一般采用线性插值，对于2 h ~ 7 d的数据间隔，使用邻近7 d相同时段的观测平均值，对于大于7 d的数据缺口，采用Michaelis-Menten（3）和Lloyd-Taylor方程（4）通过区分白天和晚上的NEE和Re进行插值[29-30]，通过公式（5）计算出生态系统的NEP和GEP：
NEPnight=Re10Q10(Ts−10)/10 (3) NEEday=αPARAmax (4) {\rm{NEP}} = - {\rm{NEE}},\;{\rm{GEP}} = {\rm{NEP}} + {R_{\rm{e}}} (5) 式中：NEPnight为夜间生态系统净交换量，等于夜间生态系统的呼吸值Re（μmol/（m2·s）），Ts为10 cm 深的土壤温度（℃），Re10是Ts = 10 ℃时生态系统的呼吸值（μmol/（m2·s）），Q10是生态系统的呼吸敏感因子（μmol/（m2·s））。NEEday是白天生态系统净交换量（μmol/（m2·s）），α是表观量子效率（μmol/μmol），PAR是光合有效辐射，Amax是最大光合同化速率（μmol/（m2·s）），Rd是白天生态系统平均呼吸速率（μmol/（m2·s））。因为夜间测量出的NEE值就是生态系统夜间的呼吸值（自养呼吸和异养呼吸），因此通过公式（3）将Re与Q10的参数确定出来，根据白天的土壤温度计算出白天的生态系统呼吸值，考虑到植物的光合参数会受到物候和季节变化影响，因此在进行拟合和插补工作时应分别按月进行。gs运用彭曼公式计算得到：
g_{\rm{s}} = \frac{{\lambda E {\text{γ}} {g_{\rm{a}}}}}{{{\rm{\Delta }}\left( {{R_{\rm{n}}} - G} \right) - \lambda E\left( {{\rm{\Delta }} + {\text{γ}} } \right) + \rho {C_{\rm{p}}}{\rm{VPD}}{g_{\rm{a}}}}} (6) 式中：λ为汽化潜热（J/ kg）；E为测量的ET值（kg/（m2· s））；γ为干湿度常数（kPa/K，通常用0.066 5 kPa/℃表示）；∆为饱和蒸气压差和温度之间的斜率关系（kPa/K）；ga为空气动力学导度（mm/s）；Cp为空气的比热容（J/（kg·K））；ρ为干空气密度（kg/m3）；VPD是大气饱和水汽压差（kPa）；Rn是净辐射（W/m2）；G是土壤热通量（W/m2）。
\frac{1}{{{g_a}}} = \frac{u}{{{u^{*2}}}} + 6.2{u^{* - 0.67}} (7) 式中：u为冠层风度；u*为测量风速。
归一化植被指数（NDVI）的计算公式[31]：
{\rm{NDVI}} = \frac{{{{{R}}_{{\rm{NIR}}}} - {R_{{\rm{VIS}}}}}}{{{R_{{\rm{NIR}}}} + {R_{{\rm{VIS}}}}}} (8) 式中：RNIR表示近红外辐射（700 ~ 3 000 nm），RVIS表示可见光辐射（380 ~ 780 nm），本文分别用太阳辐射和光合有效辐射表示RNIR和RVIS。NDVI选用了每天11:00—14:00的辐射数据计算而得[32]。
LUE的估算结果很大程度上取决于GEP和PAR间的线性或非线性（例如直角双曲线方程）关系[33-34]。目前广泛使用的光能利用效率是指太阳辐射利用400 ~ 700 nm波长（PAR，μmol/（m2·s））范围内的光合有效辐射和植物通过吸收光合有效辐射将光能转化成生物量的速率。目前LUE的估算方法很多，但是在生态系统尺度上LUE的定义为：
{\rm{LUE}} = \frac{{{\rm{GEP}}}}{{{\rm{APAR}}}} (9) 式中：GEP为总生态系统生产力（g/（m2·d）），APAR为吸收光合有效辐射（MJ/（m2·d）），本文用散射PAR（PARdif）来代替吸收光合有效辐射[35-37]。
为研究生长季内（5—10月）不同时期LUE的主要影响因子，本文分析了GEP和LUE与环境因子之间的相关性。数据统计与分析使用Matlab2014（Version 7.12.0.，The Math Works，Natick，MA，USA），作图使用OriginPro-2015完成。
3. 结果与分析
3.1 环境因子与LUE的日变化
环境因子与LUE的日变化特征如图1所示。生长季内每日平均Ta的变化范围为11.0 ~ 28.4 ℃，每日平均Ts变化范围为8 ~ 29 ℃，VPD变化范围为0.8 ~ 2.1 kPa。VPD和Ta的最低值出现在08:00，最高值出现在16:00；Ts出现明显滞后现象，最低值出现在上午10:00左右，最高值出现在下午18:00左右；gs有一个单峰，峰值稳定在14:00左右，昼夜平均变化范围为0 ~ 4.2 mm/s。PAR呈现出明显的单峰，其中峰值稳定在14:00左右。GEP呈现出单峰趋势，其中7、8月峰值在12:00左右稳定，其余月份的峰值在10:00—16:00之间稳定，中午11:00的时候达到每日最大值，总体变化趋势表现为7月 > 8月 > 6月 > 9月 > 10月 > 5月；LUE在06:00—14:00逐渐减小，14:00—19:00逐渐增大，在14:00的时候达到每日最低值（0.000 8 ~ 0.002 4 μmol/μmol），整体的变化趋势表现为9月 > 8月 > 7月 > 6月 > 5月 > 10月。
![]()
图 1 环境因子、GEP和LUE昼夜变化趋势Ta.空气温度；Ts.10 cm深土壤温度；VPD.饱和水汽压差；gs.气孔导度；PARtot.总入射光合有效辐射；PARdif.散射光合有效辐射；GEP.生态系统总生产力；LUE.光能利用效率。下同。Ta, air temperature; Ts, soil temperature of 10 cm depth; VPD, vapor pressure deficit; gs, stomatal conductance; PARtot, total incident photosynthetically active radiation; PARdif, diffuset photosynthetically active radiation; GEP, gross ecosystem productivity; LUE, light use efficiency. The same below.Figure 1. Mean diurnal variation in environmental factors and gross ecosystem production（GEP）and light use efficiency3.2 环境因子与LUE的季节变化
图2为2014年生长季环境因子和生物因子的季节变化。油蒿灌木的日平均气温变化范围为3.4 ~ 27.6 ℃，日平均土壤温度变化范围为8.5 ~ 28.6 ℃。NDVI的变化范围为0.2 ~ 0.4。PAR从春季到夏季逐渐增加，随后降低，峰值出现在6月9日（56.6 mol/（m2·d））。年降雨总量341.9 mm，观测期降雨具有明显的季节变异，月累计降雨量9月（76.2 mm） > 7月（74.9 mm） > 8月（67.1 mm） > 6月（43.5 mm） > 10月（26.8 mm） > 5月（5.3 mm），在5月前的累计降雨量仅36.6 mm，降雨集中在7、8、9这3个月。VPD季节变化明显，在6月达到最大值，总体表现为夏季高、冬季低，变化范围为0.05 ~ 2.8 kPa。
![]()
图 2 环境和生物因子季节动态变化图NDVI. 归一化植被指数；LAI. 叶面积指数；leaf_N. 叶片N含量；soil_N. 土壤N含量；SWC10、SWC30、SWC70分别表示10、30、70 cm土壤含水量。下同。NDVI, normalized differential vegetation index; LAI, leaf area index. leaf_N, leaf N content; soil_N, soil N content. SWC10, SWC30, SWC70, represent 10, 30, 70 cm soil water content, respectively. The same below.Figure 2. Seasonal dynamics of environmental factors and biological factorsGEP在7月达到最大值（图3），此时油蒿进入完全展叶期，叶面积指数达到最大，光合速率增加并达到最大，因此在7月生态系统总初级生产力达到最大值。PAR在5月达到最大值，此时油蒿处于展叶期，LAI迅速增大（图2）并随着生长季呈现递增的趋势，由于7月份以后PAR的下降速率比GEP的下降速率大，从而导致LUE在9月份达到最大值0.002 5 g/MJ，月平均LUE介于0.000 9 ~ 0.002 5 g/MJ之间，平均值为0.002 g/MJ（图3）。8月份的总生态系统生产力总值达到最大23.19 g/（m2·d）（图4），对应的LUE月总值在9月份达到最大值0.179 g/MJ，出现这种不对等增长趋势的原因主要是由于辐射的变化所导致的（图4）。
![]()
图 3 光合有效辐射、GEP和LUE季节动态变化图Figure 3. Seasonal dynamics of photosynthetically active radiation, gross ecosystem production (GEP) and light use efficiency (LUE)![]()
图 4 GEP、LUE月变化Figure 4. Monthly sum dynamics of gross ecosystem production (GEP) and light use efficiency (LUE)3.3 季节尺度上油蒿GEP和LUE对环境因子的响应
GEP与Ta、Ts和降雨量之间呈现出较好的正相关关系（图5），随着温度的增加，GEP呈现明显的递增趋势，降雨量的增加也会提高GEP的大小，SWC对GEP的变化有着72%的贡献率。随着Nsoil含量的增大，LUE表现出先减小后增大的趋势，在Nsoil达到0.24 g/kg时达到最低，Nsoil对LUE的变化有着90%的贡献率，LUE的变化还随着gs的增大呈现先减小后增大的趋势，gs对LUE的变化有着64%的贡献率，LUE的季节变化主要受到Nsoil和gs的影响。
![]()
图 5 环境因子对GEP与LUE的影响Figure 5. Relationship between light use efficiency and environmental factors at seasonal scale4. 讨 论
4.1 LUE的日变化以及对环境因子的响应
生长季（5—10月）LUE昼夜变化基本保持一致，呈现出先减小后增大的趋势，在14:00达到最小值，这与呼伦贝尔贝加针茅草甸草原生态系统中的光能利用效率的昼夜变化趋势基本一致[34]。LUE的昼夜变化一般受GEP和PAR昼夜变化的驱动，其中GEP的昼夜变化趋势为先增大后趋于稳定最后变小，而PAR的昼夜变化是先增大后减小的单峰趋势，并在14:00点时PAR达到最大值。光合作用是植物生长和物质积累的基础，其中光是光合作用的主导因子[38]，午后高PAR常常限制植物光合作用，从而导致在昼夜尺度上LUE的变化与GEP的变化趋势正好相反。此外，夏季LUE的昼夜变化也受生态系统冠层导度（gs）的影响，夏季植物在中午时遭受高温、高辐射胁迫，此时gs达到最小，引起气孔关闭，空气阻力增加，光合作用受阻导致叶片光合速率降低[39-40]，从而降低了生态系统LUE。
4.2 LUE的季节变化以及对环境因子的响应
研究区油蒿灌木荒漠光能利用效率动态随着环境变化和植被本身的生理特征的变化而变得复杂，但是LUE有着显著的季节动态特征。LUE的季节变化呈现出先增加后下降的单峰趋势，在9月份达到最大值0.002 5 g/MJ，10月份达到最低值0.000 9 g/MJ。这与内蒙古荒漠草原的光能利用效率的变化趋势一致，在8月份达到最大值0.355 g/MJ，同时最低值出现在4月份0.219 g/MJ[41]。卫亚星等[42]对青海省稀疏灌木的研究发现LUE介于0.026 ~ 0.049 g/MJ之间，最大值出现在7月份。由于7、8月份是植被的生长旺季，水热条件充足，植被覆盖率最大，此时植被的累积光物质质量也较多，吸收光合有效辐射量最大，LUE达到最大值。
植物冠层光合作用主要受冠层吸收的太阳辐射控制，植被叶片在截获入射太阳光合有效辐射进行光合作用时也具有光保护机制。植被在环境胁迫条件下（如极端高温、水分或养分亏缺、高光强等）通过降低光合作用效率[43]实现光保护过程。氮元素不仅参与植物光合作用而且是维持植物生长的重要元素，与生物圈的演替和发展紧密相关[37]，Green等[15]证实了冠层总氮含量与光能利用效率之间存在显著正相关性。在低覆盖率的地表，降雨会增加土壤含水量，改变Ts，通过影响PAR[24,41]从而改变LUE的大小。VPD会通过影响植被叶片的伸展、改变叶片气孔导度从而改变光合速率来影响LUE的变化。在本研究区域内已经被证实VPD会通过影响该生态系统的碳交换过程[44]，同时土壤水分的补给不足会限制半干旱草原和灌木生态系统的生产力[44-45]，从而导致LUE降低。苏培玺等[46]对荒漠植物梭梭（Haloxylon ammodendron）和沙拐枣（Calligonum mongolicum）的光合作用过程研究发现，在水分条件好时光合速率明显增大，LUE明显提高。
朱文泉等[39]结合遥感数据、气象数据和实测NPP数据，系统的模拟了中国典型植被的最大光能利用效率LUEmax，得到中国灌木类型的最大光能利用效率为0.429 g/MJ。本文估算出的光能利用效率值远远低于前人的研究，可能与荒漠生态系统较小的生产力、较大的辐射值紧密相关。实际光能利用效率与环境条件的关系非常复杂，植被类型、地理位置、气候条件、植被营养状况（叶氮含量）和植被生长阶段都会影响光能利用效率的变化。
5. 结 论
本文通过研究油蒿灌木荒漠光能利用效率的昼夜和季节动态变化，明确了在不同时间尺度上LUE的主要影响因子。
（1） 在日尺度上，LUE呈现出先降低后增加的趋势，在14:00时达到最低值；LUE的日变化主要受gs和PAR的影响。
（2） 在季节尺度上，LUE呈现出先增加后降低的趋势，在9月份达到最大值，LUE的季节变化主要受土壤N含量和gs的影响。
研究还发现，LUE的大小主要取决于GEP与PAR的比值关系，在长时间尺度上通过增加土壤的养分元素，可以提高植被的光合生产能力，从而提高光能利用效率。此外，本研究主要集中在季节和生态系统尺度上，对于毛乌素沙地油蒿灌木荒漠的最大光能利用效率的定量研究还应结合卫星遥感数据与当地多年的地面实测数据相结合进行多时空多尺度的研究。
-
![]()
图 1 壳聚糖/明胶/植酸阻燃涂层的元素分析、微观形貌以及红外光谱图
a. CGP0 SEM-EDS; b. CGP0.5 SEM-EDS; c. CGP1.0 SEM-EDS; d. CGP1.5 SEM-EDS; e. CGP1.5 SEM; f. FTIR
Figure 1. Elemental analysis, microscopic morphology and FTIR of chitosan/gelatin/phytic acid flame retardant layers
![]()
图 2 未处理材和壳聚糖/明胶/植酸阻燃处理材的TG（a）和DTG（b）曲线
Figure 2. TG (a) and DTG (b) curves of untreated wood and wood treated with chitosan/gelatin/phytic acid flame retardant coatings
![]()
图 3 未处理材和壳聚糖/明胶/植酸阻燃处理材的耐火性测试图片
a. 未处理材Untreated wood；b. CGP0；c. CGP0.5；d. CGP1.0；e. CGP1.5
Figure 3. Fire resistance test pictures of untreated wood and wood treated with chitosan/gelatin/phytic acid flame retardant coatings
![]()
图 4 未处理材和壳聚糖/明胶/植酸阻燃涂料处理材的燃烧测试结果
a未处理材Untreated wood；b. CGP0；c. CGP0.5；d. CGP1.0；e. CGP1.5；f. 具体数据 Specific data
Figure 4. Combustion test results of untreated wood and wood treated with chitosan/gelatin/phytate flame retardant coatings
![]()
图 5 未处理材和壳聚糖/明胶/植酸阻燃涂料处理材的热释放速率（a）和总热释放量（b）曲线
Figure 5. Heat release rate (a) and total heat release (b) curves for untreated wood and wood treated with chitosan/gelatin/phytate flame retardant coatings
![]()
图 6 未处理材和壳聚糖/明胶/植酸阻燃涂料处理材的CO（a）和CO2（b）生成速率及总烟释放量（c）曲线
Figure 6. CO (a) and CO2 (b) production rates and total smoke release (c) curves for untreated wood and wood treated with chitosan/gelatin/phytate flame retardant coatings
![]()
图 7 CGP0（a ~ c）、CGP1.5（d ~ f）残炭的宏观、微观形貌和EDS图
Figure 7. Macroscopic, microscopic morphology and EDS of CGP0 (a−c) and CGP1.5 (d−f) carbon residue
![]()
图 9 壳聚糖/明胶/植酸阻燃处理材可能的阻燃机理
Figure 9. Possible flame retardant mechanisms of wood treated with chitosan/gelatin/phytic acid flame retardant coatings
表 1 壳聚糖/明胶/植酸阻燃涂层的附着力和铅笔硬度
Table 1 Adhesion and pencil hardness of chitosan/gelatin/phytic acid flame retardant layers
试样 Sample 附着力等级 Adhesion level 铅笔硬度 Pencil hardness CGP0 2 3H CGP0.5 1 6H CGP1.0 1 6H CGP1.5 1 7H 
下载: 导出CSV
表 2 未处理材和壳聚糖/明胶/植酸阻燃处理材的热分解数据
Table 2 Data of thermal decomposition of untreated wood and wood treated with chitosan/gelatin/phytic acid flame retardant coatings
试样
SampleT5%/℃ T10%/℃ Tmax/℃ 800 ℃残炭率
Residual carbon rate at 800 ℃/%未处理材 Untreated wood 269.3 288.1 363.3 22.6 CGP0 218.9 237.7 305.2 39.7 CGP0.5 207.0 229.6 291.2 42.4 CGP1.0 202.7 228.1 290.7 41.3 CGP1.5 201.7 232.9 293.7 44.2 注：T5%、T10%、Tmax分别为样品质量损失5%、质量损失10%、质量损失速率最大时的温度。Notes: T5%, T10%, Tmax represent the temperature when mass loss is 5% and 10%, as well as the maximum mass loss rate of the sample, respectively.
下载: 导出CSV
表 3 未处理材和壳聚糖/明胶/植酸阻燃处理材的燃烧参数
Table 3 Combustion parameters of untreated wood and wood treated with chitosan/gelatin/phytate flame retardant coatings
试样 Sample PK1/（kW·m−2） T1/s PK2/（kW·m−2） T2/s THR/（MJ·m−2） TTI/s FPI/（m2·s·kW−1） FGI/（kW·m−2·s−1） TSP/m2 未处理材 Untreated wood 278.12 12 306.05 204 53.41 5 0.016 1.500 1.88 CGP0 177.11 18 241.21 228 47.08 10 0.041 1.058 2.86 CGP0.5 94.94 50 234.40 272 47.64 16 0.068 0.862 3.22 CGP1.0 110.05 52 220.93 276 49.10 23 0.104 0.800 2.57 CGP1.5 84.25 104 200.96 284 45.15 38 0.189 0.708 2.04 注：PK1为第一个热释放速率的峰值；T1为达到第一个热释放速率峰值的时间；PK2为第二个热释放速率的峰值；T2为达到第二个热释放速率峰值的时间；THR为总热释放量；TTI为点燃时间；FPI为火灾指数；FGI为火焰增长指数；TSP为总烟释放量。Notes: PK1 is the first peak of thermal release rate, T1 the time to reach the first peak of thermal release rate, PK2 the second peak of the thermal release rate, T2 the time to reach the second peak of thermal release rate, THR total heat release, TTI time to ignition, FPI fire index, FGI flame growth index, and TSP total smoke release.
下载: 导出CSV
-
[1] 徐翰林, 林芷芊, 柏志成, 等. 丙烯酸酯类阻燃涂料的合成及在木材阻燃上的应用[J]. 林业工程学报, 2023, 8(1): 88−95. Xu H L, Lin Z Q, Bai Z C, et al. Synthesis of acrylics flame retardancy coating and its application in wood fire-safety[J]. Journal of Forestry Engineering, 2023, 8(1): 88−95.
[2] 曹婷, 张晔, 孙子清, 等. MIL-100(Fe)处理杨木的阻燃性能研究[J]. 北京林业大学学报, 2024, 46(1): 152−162. doi: 10.12171/j.1000-1522.20230225 Cao T, Zhang Y, Sun Z Q, et al. Flame retardant properties of MIL-100 (Fe) treated poplar wood[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2024, 46(1): 152−162. doi: 10.12171/j.1000-1522.20230225
[3] de la Torre A, Navarro I, Sanz P, et al. Organophosphate compounds, polybrominated diphenyl ethers and novel brominated flame retardants in European indoor house dust: use, evidence for replacements and assessment of human exposure[J]. Journal of Hazardous Materials, 2020, 382: 121009. doi: 10.1016/j.jhazmat.2019.121009
[4] 汪腾, 王磊, 郝瑞迪, 等. 壳聚糖性能及其在木材工业中的应用[J]. 世界林业研究, 2023, 36(2): 69−73. Wang T, Wang L, Hao R D, et al. Properties of chitosan and its application to wood industry[J]. World Forestry Research, 2023, 36(2): 69−73.
[5] Cho W, Shields J R, Dubrulle L, et al. Ion-complexed chitosan formulations as effective fire-retardant coatings for wood substrates[J]. Polymer Degradation and Stability, 2022, 197: 109870. doi: 10.1016/j.polymdegradstab.2022.109870
[6] Li H, Wang C, Yang T, et al. Mineralizing wood with chitosan-silica to enhance the flame retardant and physical-mechanical properties[J]. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2023, 107(1): 57−69. doi: 10.1007/s10971-022-05730-2
[7] 王驰, 李航, 徐强, 等. 玄武岩/聚乙烯醇/壳聚糖阻燃复合材料的制备及性能[J]. 塑料工业, 2022, 50(2): 52−57. doi: 10.3969/j.issn.1005-5770.2022.02.011 Wang C, Li H, Xu Q, et al. Preparation and properties of basalt/polyvinyl alcohol/chitosan flame retardant composite[J]. China Plastics Indusry, 2022, 50(2): 52−57. doi: 10.3969/j.issn.1005-5770.2022.02.011
[8] Cao W, Yan J, Liu C, et al. Preparation and characterization of catechol-grafted chitosan/gelatin/modified chitosan-AgNP blend films[J]. Carbohydrate Polymers, 2020, 247: 116643. doi: 10.1016/j.carbpol.2020.116643
[9] Zheng X T, Dong Y Q, Liu X D, et al. Fully bio-based flame-retardant cotton fabrics via layer-by-layer self assembly of laccase and phytic acid[J]. Journal of Cleaner Production, 2022, 350: 131525. doi: 10.1016/j.jclepro.2022.131525
[10] Wang K, Meng D, Wang S, et al. Impregnation of phytic acid into the delignified wood to realize excellent flame retardant[J]. Industrial Crops and Products, 2022, 176: 114364. doi: 10.1016/j.indcrop.2021.114364
[11] Yue H, Wang J, Wang H, et al. Flame-retardant and form-stable phase-change composites based on phytic acid/ZnO-decorated surface-carbonized delignified wood with superior solar-thermal conversion efficiency and improved thermal conductivity[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2023, 15(6): 8093−8104.
[12] Song F, Liu T, Fan Q, et al. Sustainable, high-performance, flame-retardant waterborne wood coatings via phytic acid based green curing agent for melamine-urea-formaldehyde resin[J]. Progress in Organic Coatings, 2022, 162: 106597. doi: 10.1016/j.porgcoat.2021.106597
[13] Li C B, Wang F, Sun R Y, et al. A multifunctional coating towards super hydrophobicity, flame retardancy and antibacterial performances[J]. Chemical Engineering Journal, 2022, 450: 138031. doi: 10.1016/j.cej.2022.138031
[14] Jiang Q, Li P, Liu Y, et al. Green flame-retardant flexible polyurethane foam based on polyphenol-iron-phytic acid network to improve the fire safety[J]. Composites Part B: Engineering, 2022, 239: 109958. doi: 10.1016/j.compositesb.2022.109958
[15] Yan W J, Ding C J, Min J J, et al. Fabrication of green and scalable N/P/S/Mn containing biobased layered double hydroxide as a novel flame retardant and efficient char forming agent for polypropylene[J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2023, 11(13): 5216−5228.
[16] Dessie W, Tang J, Wang M, et al. One-pot conversion of industrial hemp residue into fermentable feedstocks using green catalyst and enzyme cocktails generated by solid-state fermentation[J]. Industrial Crops and Products, 2022, 182: 114885. doi: 10.1016/j.indcrop.2022.114885
[17] Fang Y, Wu J, Chang S, et al. Flame retardant and anti-dripping polyethylene terephthalate fabric based on bio-based phytic acid/gelatine coating[J]. Surface Engineering, 2023, 39(1): 49−55. doi: 10.1080/02670844.2023.2193004
[18] Tang W, Liang G, Wang L, et al. Multi-functional flame retardant coatings comprising chitosan/gelatin and sodium phytate for rigid polyurethane foams[J]. Journal of Cleaner Production, 2023, 394: 136371. doi: 10.1016/j.jclepro.2023.136371
[19] Wang D, Zhong L, Zhang C, et al. Eco-friendly synthesis of a highly efficient phosphorus flame retardant based on xylitol and application on cotton fabric[J]. Cellulose, 2019, 26(3): 2123−2138. doi: 10.1007/s10570-018-2193-5
[20] Zeng K, Li W, Wang W, et al. Preparation and characterization of carboxymethyl-chitosan/sodium phytate composite membranes for adsorption in transformer oil[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2019, 132: 658−665. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2019.03.239
[21] Zając A, Sąsiadek W, Dymińska L, et al. Chitosan and its carboxymethyl-based membranes produced by crosslinking with magnesium phytate[J]. Molecules, 2023, 28(16): 5987. doi: 10.3390/molecules28165987
[22] 何梦凡, 李晓玉, 连海兰, 等. 木材阻燃技术的研究进展[J]. 林业机械与木工设备, 2022, 50(3): 21−29. doi: 10.3969/j.issn.2095-2953.2022.03.005 He M F, Li X Y, Lian H L, et al. Research progress in wood fire retardant technology[J]. Forestry Machinery & Woodworking Equipment, 2022, 50(3): 21−29. doi: 10.3969/j.issn.2095-2953.2022.03.005
[23] Zhou X, Fu Q, Zhang Z, et al. Efficient flame-retardant hybrid coatings on wood plastic composites by layer-by-layer assembly[J]. Journal of Cleaner Production, 2021, 321: 128949. doi: 10.1016/j.jclepro.2021.128949
[24] Yi L, Yang Q, Yan L, et al. A facile strategy to construct ZnO nanoparticles reinforced transparent fire-retardant coatings for achieving antibacterial activity and long-term fire protection of wood substrates[J]. Journal of Building Engineering, 2023, 72: 106630. doi: 10.1016/j.jobe.2023.106630
[25] 汪文庆, 代博仁, 夏重阳, 等. 炭化温度对木材生物炭结构和化学组成的影响[J]. 湖南林业科技, 2023, 50(3): 12−19. doi: 10.3969/j.issn.1003-5710.2023.03.002 Wang W Q, Dai B R, Xia C Y, et al. Effects of carbonization temperature on the structure and chemical composition of woody biochar[J]. Hunan Forestry Science & Technology, 2023, 50(3): 12−19. doi: 10.3969/j.issn.1003-5710.2023.03.002
[26] Fan C, Gao Y, Li Y, et al. A flame-retardant densified wood as robust and fire-safe structural material[J]. Wood Science and Technology, 2023, 57(1): 111−134. doi: 10.1007/s00226-022-01415-9
[27] Zhang T, Yan H, Shen L, et al. Chitosan/phytic acid polyelectrolyte complex: a green and renewable intumescent flame retardant system for ethylene–vinyl acetate copolymer[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2014, 53(49): 19199−19207.
[28] Wang T, Xu J, Zhan Y J, et al. Eco-friendly and facile integrated intumescent polyelectrolyte complex coating with universal flame retardancy and smoke suppression for cotton and its blending fabrics[J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2023, 11(12): 4838−4849.
[29] Guo C, Wang S, Wang Q. Synergistic effect of treatment with disodium octaborate tetrahydrate and guanyl urea phosphate on flammability of pine wood[J]. European Journal of Wood and Wood Products, 2018, 76(1): 213−220. doi: 10.1007/s00107-017-1171-1
[30] Ning Y, Liu R, Chi W, et al. A chitosan derivative/phytic acid polyelectrolyte complex endowing polyvinyl alcohol film with high barrier, flame-retardant, and antibacterial effects[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2024, 259: 129240. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2024.129240
计量
- 文章访问数: 400
- HTML全文浏览量: 85
- PDF下载量: 48
