大興安嶺6種主要喬木樹種燃燒過程的含碳氣體釋放特征

（東北林業(yè)大學 林學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

由于氣候變暖，極端天氣頻繁發(fā)生，全球生態(tài)系統(tǒng)受到嚴重威脅[1-2]。氣候變暖主要是由溫室氣體即含碳氣體增加引起[3]，森林火災含碳氣體排放量僅次于化石燃料燃燒帶來的污染，成為引發(fā)全球變暖的重要因素[4-7]。因此森林火災排放含碳氣體研究引起國內(nèi)外學者廣泛關注[8-9]。

國內(nèi)外學者也進行了這方面的研究。Vicente等[10]測定了夏季葡萄牙野火氣體和微粒排放的信息；Urbanski 等[11]在野火季節(jié)對美國洛杉磯北部山脈的森林大火取樣分析，分別測量了CO2、CO 和CH4的排放因子，計算了可燃物的燃燒效率（MCE）；Hoelzemann 等[12]針對全球荒地發(fā)生的火災開發(fā)了全新的氣體排放模型（GWEM），獲得含碳氣體排放量和NO 排放量；曹國良等[13]對中國內(nèi)陸各省的生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的污染物進行計算，形成了CO2、CO、CxHy、SO2、NOx等氣體內(nèi)陸排放總量和各省的排放清單；胡海清[14-16]估算了1980—1999年黑龍江省喬木、灌木、草本和地被物林火CO2、CO、CxHy的排放總量以及3 種氣體的排放因子；宋禹輝等[17]根據(jù)自主設計的室內(nèi)微型燃燒實驗系統(tǒng)在福建省境內(nèi)選出4 種主要喬木樹種，實測不同器官燃燒CO2、CO、CxHy、NOx和PM2.5的排放量以及排放因子，揭示了福建4 種主要喬木樹種不同器官不同溫度下污染物排放特性。

雖然國內(nèi)外關于這方面的研究已經(jīng)開展很多，但關于黑龍江省大興安嶺地區(qū)此類研究尚未報道。大興安嶺林區(qū)是我國林火災害最為嚴重的地區(qū)，也是最主要的碳匯區(qū)域，在生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的維持中發(fā)揮著重要作用[5-7]。對此區(qū)域進行森林火災含碳氣體排放的研究，能夠揭示該區(qū)域主要喬木樹種含碳氣體的釋放特性[18-20]。以大興安嶺林區(qū)6種主要喬木不同部位（枝、葉）為研究對象，采用室內(nèi)燃燒，對燃燒過程中含碳氣體進行測定，計算各樹種不同部位每種含碳氣體釋放量和排放因子，為估算森林火災含碳氣體釋放量及對溫室效應的影響提供相應的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 自然概況

塔河林業(yè)局位于大興安嶺中心地帶，樣品采集區(qū)位于124°70′E，52°32′N，地處北溫帶，屬寒溫帶大陸性氣候，氣候變化顯著，年均氣溫-2.4 ℃，塔河境內(nèi)地貌復雜地勢程中高、兩側(cè)低。該區(qū)域為國家一類火險區(qū)，具有林區(qū)90 余萬hm2，森林覆蓋率90%以上，蓄積量有5 600 多萬m3。主要喬木樹種有興安落葉松Larix gmelini、白樺Betula platypylla、山楊Populus davidiana、樟子松Pinus sylvestrisvar.mongolica、魚鱗云杉Picea jezoensis、紅皮云杉Picea koraiensis、蒙古櫟Quercus mongolica和鉆天柳Chosenia arbutifolia等。

1.2 樣地調(diào)查和采樣方法

經(jīng)地調(diào)查后，在該地區(qū)選取6 種喬木樹種作為研究對象，包括興安落葉松、樟子松、紅皮云杉、白樺、山楊和蒙古櫟，采用機械布點法設置21 個20 m× 20 m 的樣方,測量并記錄樣方內(nèi)樹種組成比例關系、樹高、胸徑、郁閉度等指標，表1記錄了6 種喬木林分基本信息。在樣方內(nèi)選取胸徑較大、生長在相應林型內(nèi)的喬木樹種，對每種喬木采集直徑1 cm 的小枝和葉，稱其鮮質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)后封裝保存，送實驗室分析，林分基本信息見表1。

1.3 排放量的測定

將封裝標記好的樣品連同信封進行稱質(zhì)量，放入烘干箱，設定105 ℃持續(xù)烘干至連續(xù)兩次稱質(zhì)量不再變化。用粉碎機粉碎樣品后放入研磨儀研磨，選用100 孔目篩過濾，用分析天平稱取30 g 樣品裝入封口袋并保存入干燥器內(nèi)備用。進行試驗時，每種樣品取5 g，放入燃燒系統(tǒng)（燃燒系統(tǒng)包含電加熱系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、顆粒物過濾系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和煙氣排放系統(tǒng)組成）加熱箱內(nèi)，將Testo350煙氣分析儀的探測煙槍放入煙氣收集管道，設定加熱溫度為480 ℃，加熱時長為30 min[15]，使用儀器配套軟件和傳感器測量并記錄含碳氣體濃度，Testo350 煙氣分析儀是利用電化學原理，抽入的煙氣在分析箱內(nèi)部沿著氣依次經(jīng)過各個傳感器，在傳感器內(nèi)部發(fā)生化學反應，輸出電信號至手操器，測定記錄單位為mg·dm-3，測量結束后，用煙氣排放系統(tǒng)清理存留煙氣，待燃燒箱冷卻至室溫，有害氣體濃度參數(shù)降至零時，取出燃燒托盤稱量記錄灰分質(zhì)量，每組樣品做3 次重復。

表1 6 種喬木樹種林分基本信息Table 1 Basic information of six species of arbor species

1.4 排放因子計算

各類生物質(zhì)燃燒排放氣體的排放因子有很多計算方法，本研究采用的排放因子的計算方法為：

式（1）中：EFi（Emission factor，EF）為氣體i的排放因子，計量單位為g·kg-1；Mi為某氣體污染物質(zhì)i的總排放量；MFuel為喬木樹種i燃燒總量[21]。

本文排放因子的計算中，某氣態(tài)污染物的總排放量是根據(jù)測得的這種氣態(tài)污染物的濃度和煙氣存儲箱體積計算得出，某燃料的燃燒總量是用燃燒前質(zhì)量減去燃燒后未被燃燒的灰燼質(zhì)量得到。

1.5 修正燃燒效率MCE 的計算

如果實驗過程中只有濃度可以測得，那么通過修正燃燒效率可以區(qū)分整個燃燒過程是明火燃燒還是悶火燃燒占主導支配。本研究修正燃燒效率算法是用CO2質(zhì)量濃度除以CO 和CO2質(zhì)量濃度之和得出：

式（2）中：MCE 為修正燃燒效率；C[CO]為CO 質(zhì)量濃度；C[CO2]為CO2質(zhì)量濃度，單位為mg·dm-3。

1.6 研究方法

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2013 進行整理和計算，利用Testo350 煙氣分析儀自帶軟件記錄氣體排放濃度，采用SPSS 22.0 軟件對數(shù)據(jù)進行SNK（Student-Newman-Keuls）方差分析檢驗顯著性，用Sigma-Plot 12.5 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同喬木含碳氣體釋放量

表2給出6 種喬木樹種5 g 樣品燃燒產(chǎn)生含碳氣體排放量結果?？梢钥闯?，枝和葉的CO 氣體排放量均值分別為2 406.18、2 297.43 mg·dm-3，不同樹種枝CO 排放量由大到小依次為樟子松＞紅皮云杉＞白樺＞山楊＞興安落葉松＞蒙古櫟，葉的從大到小依次為紅皮云杉＞興安落葉松＞樟子松＞山楊＞蒙古櫟＞白樺，最大值是最小值的1.79 倍；枝的CO2氣體排放量均值為 18 486.11 mg·dm-3，葉為20 548.6 mg·dm-3，不同樹種枝CO2排放量由大到小依次為紅皮云杉＞興安落葉松＞白樺＞樟子松＞山楊＞蒙古櫟，葉的從大到小依次為興安落葉松＞山楊＞白樺＞紅皮云杉=蒙古櫟＞樟子松，最大值是最小值的1.26 倍；枝的CxHy氣體排放量均值為184.88 mg·dm-3，葉為166.27 mg·dm-3，不同樹種枝CxHy排放量由大到小依次為：山楊＞樟子松＞白樺＞紅皮云杉＞蒙古櫟＞興安落葉松，葉的從大大小依次為：山楊＞樟子松＞白樺＞興安落葉松＞紅皮云杉＞蒙古櫟，最大值是最小值的2.14 倍。

表2 6 種喬木樹種5 g 樣品燃燒煙氣排放量測定結果Table 2 Determination of flue gas emissions from 5 g samples of six species of arbor species

2.2 不同喬木含碳氣體釋放量的差異

圖1給出6 種喬木的枝和葉含碳氣體釋放量差異性分析結果?？梢钥闯?，對于不同喬木同種部位來說，蒙古櫟枝CO 排放量顯著低于樟子松和紅皮云杉，其余樹種之間差異都不顯著。3 種闊葉喬木葉的CO 排放量白樺顯著低于山楊和蒙古櫟，3 種針葉喬木葉的CO 排放量差異不顯著，針葉喬木葉的CO 排放量顯著高于闊葉喬木葉的CO 排放量；6 種喬木枝的CO2氣體排放量差異性均不顯著，樟子松葉的CO2氣體排放量顯著低于其余5 種喬木，且剩余5 種喬木葉的CO2排放量差異不顯著；興安落葉松枝的CxHy排放量顯著低于樟子松和山楊，其余樹種之間均為差異性不顯著，興安落葉松葉的CxHy排放量顯著高于其他樹種，蒙古櫟葉排放量顯著低于其他樹種，其余樹種間CxHy排放量差異不顯著。3 種闊葉喬木葉之間CxHy排放量差異都達到了顯著水平，而3 種針葉喬木葉之間的CxHy排放量異性都不顯著。

圖1 6 種喬木樹種排放氣體差異性分析Fig.1 Difference analysis of emission gases of six arbor species

對于同種喬木不同部位，樟子松枝和葉的CO釋放量沒有顯著差異，剩余5 種喬木枝和葉的CO排放量都差異顯著，其中針葉樹種的枝的CO 排放量都顯著低于葉，闊葉樹種正好相反；興安落葉 松、白樺、山楊和蒙古櫟葉片的CO2釋放量都顯著高于枝，其余兩種喬木枝葉差異不顯著；樟子松和蒙古櫟的枝燃燒釋放CxHy量要顯著高于葉，其余喬木枝和葉CxHy的釋放量差異不顯著。

因不同喬木樹種的相同器官所含有的化學元素成分比例不同，碳含量存在差異，所以相同燃燒條件下所釋放的含碳氣體存在相應的差異[23]，F(xiàn)earnside[24]，Levine 等[25]研究表明不同的生物質(zhì)燃燒效率有著很大差別，北方針葉林的燃燒效率較低，同一燃燒條件下葉的燃燒效率比枝高。本研究中葉的CO 排放量針葉樹種顯著高于闊葉樹種，可能是這3 種針葉樹種葉的含碳量較高，葉的樹脂含量和枝的樹脂含量有差別，同樣燃燒效率上針葉樹種葉的燃燒效率也都低于相應樹種枝的燃燒效率，也可以說明因為燃燒效率不高導致CO 排放量較大。同一樹種葉的CO2排放量都高于枝，這是因為枝與葉的燃燒充分程度不同、選取的6種樹種葉片含碳量都高于各自枝含碳量有關[23]，CxHy排放量的高低是由樹種的特異性差異引起的，未體現(xiàn)出明顯的規(guī)律。

2.3 不同喬木含碳氣體排放因子

通過室內(nèi)燃燒試驗氣體釋放量，計算得到排放因子（表3）。6 種喬木的枝和葉釋放的CO、CO2、CxHy（以CH4計算）的排放因子的范圍分別為118.97～216.15、1 290.12～1 672.50、8.10～17.32 g·kg-1。6 種喬木樹種中CO2的排放因子明顯要比CO、CxHy的排放因子大。紅皮云杉葉的EFCO最大，白樺葉最??；EFCO2興安落葉松葉的最大，蒙古櫟枝的最小，除樟子松以外的5 種喬木的EFCO2均為葉大于枝；CO2在氣體排放中占主導地位，其次是CO 排放因子較大，釋放量也較大，而CxHy的排放因子較小，釋放量也最少；CxHy排放因子中山楊葉最大，蒙古櫟葉最小，前者是后者是的2.14 倍。

表3可以看出，CO 排放因子中3 種針葉喬木葉的排放因子都比各自枝的大，3 種闊葉喬木CO排放因子則是葉的排放因子比各自枝的小，CO 排放因子針葉喬木葉都大于闊葉喬木葉，這是由于針葉喬木與闊葉喬木葉片結構存在明顯差異，等量可燃物在相同燃燒情況下針葉喬木葉片燃燒效率較低，不能充分燃燒，導致CO 排放因子量較大。CO2排放因子中6 種喬木葉的排放因子都比各自枝的大，這與葉片含碳量較高和葉的燃燒特性好有關。CxHy的排放因子大小則沒有表現(xiàn)出有規(guī)律的變化，是由樹種本身特性決定的。

2.4 不同喬木修正燃燒效率分析

表4給出6 種樹種的MCE，白樺葉最高為0.930，樟子松葉的最低為0.871，可以看出葉的MCE 中3 種闊葉樹種都明顯大于3 種針葉樹種；針葉樹種中各自葉的MCE 都小于各自枝的MCE，而闊葉樹種中葉的MCE 都明顯大于各自的枝。

這可能是由于葉片結構成分造成的，表現(xiàn)出闊葉樹種的葉相對于針葉樹種的葉MCE 更高，針葉喬木與闊葉喬木的枝葉等器官在結構成分上有很大差異，所以針葉樹種和闊葉樹種各自枝和葉的MCE 大小對比呈現(xiàn)出相反的結果，對比表2發(fā)現(xiàn)，因為針葉樹種葉的MCE 明顯比闊葉樹種葉的MCE 低，在CO 排放量上也可以體現(xiàn)出針葉喬木葉的CO 排放量顯著大于闊葉的CO 排放量，所以計算燃燒效率對準確估算森林火災CO 釋放量上十分關鍵[31]。

表3 6 種喬木樹種枝和葉的排放因子Table 3 Emission factors of 6 species of arbor tree branches and leaves

表4 6 種喬木樹種枝和葉的MCE（比值）?Table 4 Emission factors of 6 species of arbor tree branches and leaves

3 結論與討論

測定大興安嶺6 種喬木枝、葉燃燒含碳氣體的排放量，燃燒過程中排放氣體以CO2為主，CO和CxHy釋放量較小，可燃物燃燒要經(jīng)歷可燃物預熱、熱分解、無焰燃燒、有焰燃燒的各個過程，因燃燒條件設置為氧氣充足，所以會出現(xiàn)不完全燃燒產(chǎn)物CO 和CxHy排放量小，CO2排放量大；6 種喬木枝之間的CO 排放量存在差異，葉之間的CO 排放量也存在差異，但差異性不一致，這是因為不同生物質(zhì)無焰燃燒持續(xù)的時間、可燃物燃燒性、燃燒效率不同，造成不同生物質(zhì)CO 釋放時間的長短不同、釋放量存在較大差異；6 種喬木枝的CO2氣體排放量差異性均不顯著，6 種喬木葉的CO2氣體排放量（興安落葉松、紅皮云杉、白樺、山楊、蒙古櫟）之間無顯著性差異且都顯著大于樟子松，出現(xiàn)這種情況的主要原因是在氧氣充足的條件下，可燃物燃燒充分，可燃物含碳量相近，導致不同可燃物充分燃燒生成的CO2氣體差異不顯著；6 種喬木枝之間CxHy排放量興安落葉松顯著低于其它樹種，6 種喬木葉之間的CxHy排放量存在差異，但差異性不一致，主要是由于植物本身的理化性質(zhì)導致有焰燃燒持續(xù)的時間和可燃物燃燒效率不同，導致燃燒實驗中CxHy排放量差異顯著。

排放因子是估算森林火災含碳氣體以及其他氣體排放量所必需的參數(shù)，本實驗研究了大興安嶺6 種主要樹種（興安落葉松、樟子松、紅皮云杉、白樺、山楊、蒙古櫟）的枝和葉在480 ℃燃燒的狀態(tài)下，各個部位的排放因子分別為：枝的CO 164.44～186.57 g·kg-1，葉的CO141.93～216.15 g·kg-1；枝的CO21 290.12～1 414.29 g·kg-1，葉的CO21 311.13～1 672.50 g·kg-1；枝的CxHy11.29～16.29 g·kg-1，葉的CxHy8.10～17.32 g·kg-1。研究成果與郭福濤等[17]得到的福建省4 種主要喬木樹種的枝、葉在280℃條件下燃燒，計算排放因子CO 枝為（258.5±23.4）g·kg-1，葉為（248.6± 8.8）g·kg-1，CO2枝為（1 543.9±64.1）g·kg-1，葉為（1621.8±82.2）g·kg-1，CxHy枝為（15.6± 3.4）g·kg-1，葉為（18.9±4.0）g·kg-1；CO 排 放因子大于本實驗研究結果，CO2和CxHy結果與本研究接近，這是燃燒溫度不同和樹種差異導致的，燃燒溫度不同會對排放含碳氣體，尤其是CO等不完全燃燒物質(zhì)有顯著影響，低強度火會促進CO 等污染物的排放。本研究結果大于莊亞輝等[26]測定的植物枝、葉和凋落物的排放因子CO2（59.62±16）%、CO（8.48±2.66）%、CH4（0.78± 0.39）%，這是因為采用的計算方法不同帶來的差異，本文計算排放因子EFi的方法為采取某種氣態(tài)污染物排放總量與喬木枝、葉的物質(zhì)燃燒總量的比值，莊亞輝是用含碳氣體中的碳量與生物質(zhì)燃燒過程損失的總碳量的比值計算排放因子。無論是該研究還是國內(nèi)外的其他研究結果，因生物質(zhì)燃料、計算方法、實驗裝置和燃燒條件等不同，得到的排放因子都存在一定差異。Sinha 等[27]在火災上空直接采樣，測得非洲南部不同國家地區(qū)的 森林火災氣體排放因子：CO2（1 700±60）g·kg-1、CO（68±30）g·kg-1、CH4（1.70±0.98）g·kg-1，其中EFCO2與本文接近，EFCO、EFCH4比本文測得的排放因子要小。Urbanski[11]等研究了有關美國洛磯山脈北部林火災害，測量了生物質(zhì)燃燒效率，量化為改進的燃燒效率（MCE），以及CO2、CO和CH4的EFi，對MCE、EFCO2、EFCO和EFCH4的研究平均值分別為0.883、1596 g·kg-1、135 g·kg-1、7.30 g·kg-1與本文相比EFCO2接近、EFCO、EFCH4和MCE都較小，這有可能是自然條件下地面森林可燃物不能完全燃燒，燃燒效率低于室內(nèi)試驗造成的。

明燃時MCE 的數(shù)值范圍在0.85～0.99 之間，燃燒程度較低時，會產(chǎn)生較多的不完全燃燒產(chǎn)物[28-30]，本文的MCE 數(shù)值范圍從0.871～0.930處于明然狀態(tài)，葉的MCE 針葉喬木小于闊葉喬木，葉的CO 排放量針葉喬木明顯多于闊葉喬木，說明大興安嶺主要針葉喬木葉燃燒效率比闊葉喬木低。本研究與Levine 等[25]研究的北方森林針葉喬木燃燒效率低的結果相同。

國內(nèi)在森林火災碳排放領域中對有機碳（OC），元素碳（EC）、多環(huán)芳烴等研究逐步深入，近年來細小顆粒物（PM2.5～10）等成為研究熱點；國外森林火災排放污染物的研究中，在采樣方法上早已從室內(nèi)微型燃燒試驗轉(zhuǎn)向空中直接采樣，在火災中直接測得試驗數(shù)據(jù)，而我國對火災中直接測得痕量氣體的研究還不完善，也應盡快從室內(nèi)微型模擬燃燒向野外實測轉(zhuǎn)變。通過修正燃燒效率（MCE）值的區(qū)間判定可燃物明然與陰燃的主導性，自然環(huán)境發(fā)生的森林火災，由于火燒強度、生物質(zhì)成分、氧氣濃度的不同都會對修正燃燒效率產(chǎn)生影響，導致氣體排放因子也有所差異，因此對大興安嶺主要喬木樹種在不同條件下的燃燒效率還要繼續(xù)深入研究。