蒙古櫟床層燃燒排放PM2.5及影響因子1)

楊光 張遠(yuǎn)艷 邸雪穎 孫建 趙鳳君

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (黑龍江省林業(yè)監(jiān)測(cè)規(guī)劃院) (中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所)

森林火災(zāi)是一種風(fēng)險(xiǎn)性強(qiáng)、破壞性大、抵御難度高的自然災(zāi)害，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)可造成災(zāi)難性的干擾和破壞。在多氣候情境下，我國(guó)森林火災(zāi)發(fā)生可能性高的區(qū)域除了東北和西南林區(qū)，華北地區(qū)的增幅明顯，森林火災(zāi)形勢(shì)嚴(yán)峻[1]。森林火災(zāi)可產(chǎn)生大量的排放物，嚴(yán)重影響氣候變化、生態(tài)環(huán)境，威脅人體健康。懸浮顆粒物(炭黑粒子、PM2.5和PM10等)是森林燃燒主要排放物，其中PM2.5(空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于或等于2.5 μm)，因粒徑小，通過(guò)呼吸可沉淀在肺部和支氣管，甚至穿過(guò)肺泡進(jìn)入血液，是對(duì)人體健康威脅最大的一類顆粒物[2-3]。因此，近些年與PM2.5的相關(guān)研究備受關(guān)注[4]。

研究數(shù)據(jù)表明，當(dāng)森林火災(zāi)面積為1 hm2時(shí)，可釋放117 000 kg CO2、8 100 kg CO、CH4675 kg，非甲烷烴(NMHC)407 kg，PM2.5354 kg[5]。澳大利亞南威爾士林地內(nèi)發(fā)生森林火災(zāi)時(shí)，在距離火源500 m處監(jiān)測(cè)PM2.5質(zhì)量濃度峰值為400 μg·m-3[6]；Marin S. Robinson et al.[7]在美國(guó)亞利桑那州計(jì)劃燒除期間，監(jiān)測(cè)PM2.5質(zhì)量濃度范圍為2.541～6.459 mg·m-3，森林火災(zāi)排放PM2.5質(zhì)量濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了個(gè)體暴露濃度標(biāo)準(zhǔn)。研究表明，森林火災(zāi)高發(fā)期間，個(gè)體暴露在高濃度PM2.5條件下，因呼吸道疾病、肺病、哮喘等就醫(yī)或住院的數(shù)量明顯增加[8-9]。我國(guó)關(guān)于森林火災(zāi)排放顆粒物的相關(guān)研究很少，靳全鋒等[10-11]通過(guò)排放因子法估算福建省2000—2010年間，因森林火災(zāi)排放的顆粒物為10 120 t。關(guān)于森林火災(zāi)火環(huán)境因子對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度影響的研究報(bào)道較少。

森林火災(zāi)顆粒污染物排放量受多方面因素的影響，其中，包括森林火災(zāi)大小、可燃物特征、燃燒效率和氣象條件等[12-13]。本文基于此研究背景，進(jìn)一步探索研究森林火災(zāi)排放PM2.5濃度特征與影響因子的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。受我國(guó)現(xiàn)行林火相關(guān)政策及規(guī)定的限制，不便于開展野外實(shí)地點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)和森林火災(zāi)實(shí)地監(jiān)測(cè)工作。因此，在實(shí)驗(yàn)室開展微型模擬點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)，以主要喬木樹種蒙古櫟(Quercusmongolica)的枯落葉為研究對(duì)象，分析不同火環(huán)境下PM2.5的排放特征，分析各影響因子對(duì)PM2.5的影響效應(yīng)，為森林可燃物燃燒排放污染物的定量研究奠定基礎(chǔ)；同時(shí)，為相關(guān)林火政策的制定及個(gè)體暴露的健康評(píng)估提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省尚志市境內(nèi)的東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)(127°30′～127°34′E，45°20′～45°25′N)。該林場(chǎng)地處東北東部山地張廣才嶺北部余脈，主要為低山丘陵地區(qū)。屬溫帶季風(fēng)氣候，全年平均溫度2.8 ℃，年日照時(shí)間2 471 h，年降水量723.8 mm，主要集中在6—8月份，年蒸發(fā)量1 093.9 mm，冬季最長(zhǎng)連續(xù)積雪時(shí)間152 d。該區(qū)土壤多發(fā)育在花崗巖上，地帶性土壤類型為暗棕壤?，F(xiàn)有植被是原地帶性頂級(jí)植被闊葉紅松林經(jīng)干擾后形成的以蒙古櫟(Quercusmongolica)為重要建群樹種的次生林和人工林。蒙古櫟屬于殼斗科櫟屬樹種，是我國(guó)分布最北的一種落葉櫟，東北地區(qū)以其為建群種的天然次生林占有林地面積為15%～20%[14]。蒙古櫟葉片寬大，腐爛分解慢，長(zhǎng)期堆積引發(fā)森林火災(zāi)的可能性和危害性較大。

2 研究方法

2.1 室內(nèi)點(diǎn)燒設(shè)計(jì)

點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)在森林防火燃燒室進(jìn)行。在室內(nèi)燃燒床上鋪設(shè)不同可燃物含水率、可燃物載量的蒙古櫟落葉床層，在不同風(fēng)速作用下進(jìn)行點(diǎn)燒，形成不同的燃燒工況。可燃物含水率設(shè)定3個(gè)水平(0、5%、10%)，可燃物載量設(shè)定4個(gè)水平(4、6、8、10 t·hm-2)，風(fēng)速設(shè)定4個(gè)水平(0、1、2、3 m·s-1)，共構(gòu)成48種燃燒條件(火環(huán)境)，每一種燃燒狀態(tài)重復(fù)3次操作，共進(jìn)行144次點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)。鋪設(shè)蒙古櫟落葉床層大小為1 m×1 m，實(shí)驗(yàn)中火源統(tǒng)一為打火機(jī)，在床層中心固定位置處點(diǎn)燃。本實(shí)驗(yàn)利用嶗應(yīng)2050型智能空氣/TSP綜合采樣器捕集PM2.5，通過(guò)濾膜稱重法(重量法)，依據(jù)HJ 618—2011《環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測(cè)定——重量法》[15]測(cè)定PM2.5質(zhì)量濃度；采樣結(jié)束后，將剩余未完全燃燒的可燃物稱質(zhì)量，計(jì)算可燃物消耗量。PM2.5質(zhì)量濃度的計(jì)算公式為：

式中：ρ為PM2.5質(zhì)量濃度；W1為采樣前濾膜質(zhì)量；W2為采樣后濾膜質(zhì)量；V為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的采樣體積。

2.2 可燃物消耗量及燃燒效率計(jì)算方法

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)計(jì)算得到可燃物消耗量和可燃物燃燒效率，計(jì)算公式如下：

W=W0-Wr；EC=(W/W0)×100%。

式中：W為可燃物消耗量；W0為可燃物載量；Wr為可燃物剩余載量；EC為可燃物燃燒效率。

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel整理全部點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)分析，得到PM2.5質(zhì)量濃度的最大值、最小值、百分位值；通過(guò)SPSS進(jìn)行方差分析，分析可燃物含水率、可燃物載量和風(fēng)速及其相互間的交互作用對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的影響；用Statistica10.0分別以可燃物含水率、可燃物載量和風(fēng)速為自變量，得到每個(gè)變量對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的影響；用Excel計(jì)算得到可燃物消耗量和可燃物燃燒效率；以可燃物含水率、可燃物載量和風(fēng)速為自變量，可燃物消耗量為因變量進(jìn)行方差分析；同時(shí)以可燃物消耗量為自變量，PM2.5質(zhì)量濃度為因變量進(jìn)行相關(guān)分析以及偏相關(guān)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 蒙古櫟落葉床層點(diǎn)燒排放PM2.5基本特征

由表1可知，蒙古櫟枯落葉燃燒排放PM2.5質(zhì)量濃度值變化區(qū)間為166.6～11 416.7 μg·m-3，當(dāng)可燃物載量、可燃物含水率和風(fēng)速均處于最高水平時(shí)，PM2.5質(zhì)量濃度最高；PM2.5質(zhì)量濃度最低時(shí)，3個(gè)影響因子恰好同樣處于最低水平。從全部數(shù)據(jù)看，75%的區(qū)間值在3.166 mg·m-3以內(nèi)，在25%的區(qū)間內(nèi)，共36次點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)，其中可燃物載量4 t·hm-2的組數(shù)占61%。

表1 PM2.5質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

3.2 PM2.5質(zhì)量濃度影響因子分析

由表2可知，可燃物含水率、可燃物載量和風(fēng)速對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的獨(dú)立影響極顯著；可燃物含水率與風(fēng)速的交互作用對(duì)PM2.5濃度的影響極顯著，而可燃物含水率與可燃物載量、可燃物載量與風(fēng)速的交互作用對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度影響均不顯著，說(shuō)明各個(gè)因素間不存在明顯的交互作用。

表2可燃物含水率、載量和風(fēng)速以及交互作用對(duì)PM2.5影響的方差分析

變異來(lái)源自由度平方和F顯著性可燃物含水率(A) 2 84387796.29013.542**0 可燃物載量(B)3109043477.40012.272**0風(fēng)速(C)3114381082.40013.040**0A×B625302651.0501.8250.099A×C639388800.5603.035**0.008B×C919728737.8601.0000.443誤差1151142542129.000總變異1441534774675.000

注：** 表示在0.05水平上顯著。

3.2.1可燃物含水率對(duì)PM2.5的影響

由圖1所示，可燃物含水率對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的影響呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。隨著可燃物含水率的增加，蒙古櫟凋落葉床層燃燒排放PM2.5的質(zhì)量濃度略有增加。當(dāng)可燃物含水率增加時(shí)，燃燒時(shí)間延長(zhǎng)[16]。在整個(gè)燃燒過(guò)程中(明火燃燒和陰燃)，陰燃所占的比例會(huì)加大，即陰燃持續(xù)的時(shí)間變長(zhǎng)，在此過(guò)程中釋放的煙氣以及細(xì)小顆粒物質(zhì)會(huì)明顯增加。鞠園華等[17]在研究秸稈燃燒時(shí)，充分證明陰燃狀態(tài)下，PM2.5排放因子明顯高于明火燃燒。

圖1 PM2.5質(zhì)量濃度與可燃物含水率關(guān)系

3.2.2可燃物載量對(duì)PM2.5的影響

由圖2所示，可燃物載量對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度具有明顯的促進(jìn)作用?？扇嘉镙d量是計(jì)量森林火災(zāi)排放的基礎(chǔ)，當(dāng)可燃物燃燒的總量增加時(shí)，排放污染物的量也相應(yīng)的增加，實(shí)驗(yàn)恰好證明了理論的正確性。

3.2.3風(fēng)速對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的影響

由圖3所示，在蒙古櫟凋落葉床層燃燒中，風(fēng)速對(duì)排放PM2.5的質(zhì)量濃度具有較強(qiáng)的影響，隨著風(fēng)速的增加，PM2.5的質(zhì)量濃度明顯增加。風(fēng)速的增加，一方面，可燃物的連續(xù)性在一定程度上被破壞；另一方面，風(fēng)速降低了火源的熱量，使得床層點(diǎn)燃時(shí)間以及蔓延持續(xù)時(shí)間增加，最終導(dǎo)致可燃物燃燒不完全不充分。所以，隨著風(fēng)速的增加，PM2.5的質(zhì)量濃度增加。

圖2 PM2.5與可燃物載量相關(guān)關(guān)系

圖3 PM2.5與風(fēng)速相關(guān)關(guān)系

通過(guò)擬合的線性回歸方程，比較可燃物含水率(0.173)、可燃物載量(0.236)和風(fēng)速(0.220)的R2值，3個(gè)影響因子對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度變化的解釋程度從大到小排序依次是：可燃物載量、風(fēng)速、可燃物含水率。

3.3 可燃物消耗量及影響因子

從表3可知，相同可燃物載量條件下，可燃物消耗量存在明顯的差異；本實(shí)驗(yàn)在可燃物載量處理水平為0.4 kg·m-2時(shí)，可燃物消耗量的最小值與最大值的差距最大，二者相差153 g·m-2，與其對(duì)應(yīng)的燃燒效率分別是61.3%和99.6%；當(dāng)可燃物載量處理水平為1.0 kg·m-2時(shí)，可燃物消耗量最小值與最大值之間的差值最小，為66 g·m-2，與其對(duì)應(yīng)的燃燒效率分別是93.2%和99.8%。

表3 可燃物消耗量和燃燒效率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

由表4可知，可燃物載量處于不同水平時(shí)，可燃物消耗量和可燃物燃燒效率的平均值，隨著可燃物載量增加，可燃物燃燒效率明顯增加，但增加的幅度逐漸降低。

由表5可知，可燃物含水率、風(fēng)速對(duì)可燃物消耗量的獨(dú)立影響均不顯著；可燃物載量對(duì)可燃物消耗量的影響非常顯著；各因子間的交互作用(可燃物含水率與風(fēng)速、可燃物含水率與可燃物載量、可燃物載量與風(fēng)速)對(duì)因變量的影響均不顯著。

表4 可燃物消耗量和可燃物燃燒效率平均值

表5 各因子及交互作用對(duì)可燃物消耗量的方差分析

注：**表示在0.01水平上極顯著。

3.4 可燃物消耗量與PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)性

由表6可知，3個(gè)相關(guān)系數(shù)在0.01水平(雙側(cè)檢驗(yàn))上都非常顯著，因此，可推斷可燃物消耗量和PM2.5質(zhì)量濃度存在明顯的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)不控制可燃物載量時(shí)，可燃物消耗量與PM2.5質(zhì)量濃度有顯著的相關(guān)性，且為正相關(guān)；當(dāng)控制可燃物載量時(shí)，可燃物消耗量與PM2.5質(zhì)量濃度仍然存在顯著的相關(guān)性，且為負(fù)相關(guān)。

表6 可燃物消耗量與PM2.5質(zhì)量濃度相關(guān)分析

注：** 表示在0.01水平上極顯著。

4 結(jié)論與討論

(1)蒙古櫟枯落葉床層燃燒可以排放高濃度的PM2.5。在不同燃燒工況下，蒙古櫟落葉床層點(diǎn)燒排放PM2.5質(zhì)量濃度存在較大的差異，PM2.5質(zhì)量濃度變化區(qū)間為166.6～11416.7 μg·m-3。實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測(cè)到的PM2.5質(zhì)量濃度遠(yuǎn)大于我國(guó)PM2.5日均限值(GB 3095—2012規(guī)定的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)35 μg·m-3，二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)75 μg·m-3)[18]；而且實(shí)驗(yàn)中，監(jiān)測(cè)的PM2.5數(shù)值，75%以上高于生物質(zhì)燃燒中顆粒物8 h濃度限值3 mg·m-3(葡萄牙職業(yè)健康與安全組織(OHS)組織制定的職業(yè)暴露標(biāo)準(zhǔn)(OES))[19]。說(shuō)明蒙古櫟枯落葉燃燒排放PM2.5對(duì)人體健康可產(chǎn)生直接的影響。目前，我國(guó)很少有研究關(guān)注空氣質(zhì)量PM2.5質(zhì)量濃度與職業(yè)暴露PM2.5質(zhì)量濃度的具體差異，且沒(méi)有職業(yè)暴露PM2.5質(zhì)量濃度(短期濃度限值)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)可燃物含水率、可燃物載量和風(fēng)速分別與PM2.5質(zhì)量濃度呈正相關(guān)關(guān)系。張佟佟等[20]研究關(guān)于大氣環(huán)境中PM2.5質(zhì)量濃度與風(fēng)速的關(guān)系時(shí)，得到的結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果截然相反，他認(rèn)為風(fēng)速越大，越有利于顆粒物的擴(kuò)散，PM2.5質(zhì)量濃度就越低，主要原因是大氣環(huán)境下，空氣交換及流動(dòng)速率不受阻礙。但可燃物含水率與可燃物載量、可燃物載量與風(fēng)速間的兩兩交互作用對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的影響均不顯著，與實(shí)驗(yàn)的假設(shè)相悖。原因是本研究所選擇的影響因子過(guò)于局限，且受點(diǎn)燒條件的限制，未能有效的檢測(cè)出各個(gè)因子對(duì)因變量(PM2.5質(zhì)量濃度)的真實(shí)效應(yīng)，還有待進(jìn)一步研究。

(3)可燃物載量對(duì)可燃物消耗量影響顯著，隨著可燃物載量的增加，可燃物消耗量最大值與最小值的差值逐漸變小，隨著可燃物載量增加，可燃物燃燒效率增加，但增幅逐漸變?。豢扇嘉锖蕦?duì)可燃物消耗量作用不明顯，原因與可燃物含水率梯度水平設(shè)置有關(guān)，可燃物含水率對(duì)可燃物消耗量的影響，受其它環(huán)境因素和可燃物自身屬性特征有關(guān)，需要進(jìn)一步的研究，了解可燃物含水率對(duì)可燃物消耗量的真實(shí)影響。

(4)可燃物消耗量與PM2.5質(zhì)量濃度有明顯的相關(guān)關(guān)系，當(dāng)處于控制可燃物載量干擾條件下時(shí)，可燃物消耗量對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度具有顯著的負(fù)效應(yīng)。主要原因是同一可燃物載量水平，可燃物消耗量大，說(shuō)明床層燃燒充分；反之，可燃物消耗量小，不完全燃燒導(dǎo)致PM2.5質(zhì)量濃度增加。這其中不排除因可燃物消耗量增加，顆粒物排放量增加的正效應(yīng)存在，只是最終可燃物消耗量對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度的負(fù)效應(yīng)高于正效應(yīng)。