东北三大硬阔燃烧过程烟气释放特征

彭徐剑，胡海清*，李敖斌，郑怀兵

(1.东北林业大学林学院，哈尔滨150040;2.中国林业集团，北京100714;3.南京森林警察学院，南京210046)

森林是陆地生态系统的主体，在全球碳平衡中发挥着重要作用。研究结果显示，森林碳库的稳定、增长或释放都与大气碳库的变化有重要的关系，森林碳储存是关乎陆地生态系统净碳汇饱和的关键，现已成为森林生态系统与全球变化研究的重点和热点科学问题之一［1-6］。森林火灾尤其是重特大森林火灾的频繁发生不仅使自然生态系统遭到破坏，同时也造成了含碳温室气体及有毒气体的大量释放，对全球环境影响巨大。森林火灾根据森林燃烧的部位可简单划分为地表火、树冠火和地下火三种类型，按火强度可分为高、中、低度火三种［7-8］。不同类型的林火，对森林的危害程度是不同的，烧损量差异较大。中、低强度地表火主要烧毁地被物、危害幼树、下木等;树冠火除烧毁上述可燃物以外，还对乔木的皮部、树枝以及树干造成一定的伤害。当然，不同强度森林火灾对不同径级的林木所造成的损害也是有差别的，相对来讲，大径级的树木，由于皮部的增原，对中、低强度火灾有一定的耐受力，火对干部的影响较小，烧损量很小［9-11］。因此，区分不同树种及取样部位进行气体排放的研究是十分必要的。本研究以东北“三大硬阔”胡桃楸、黄菠萝、水曲柳为研究对象，分别对各树种的枝、皮、干进行室内燃烧试验，以测定CO2、CO、CxHy、NO和SO2的气体排放量，并对不同树种及部位气体排放量和排放特性的异同进行对比分析，最后对三种乔木枝、皮、干燃烧产生的CO2、CO、CxHy、NO和SO2的排放因子进行了计算，得出十分有意义的研究结果。本研究为黑龙江林区生物防火林带建设提供理论依据及数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料来源和处理方法

2009年10月中旬，自小兴安岭东北林业大学凉水实验林场选取成熟林分采集样品，树种包括胡桃楸 (Juglans mandshurica)、水曲柳 (Fraxinus mandshurica)和黄菠萝 (Phellodend onamurense)，样木胸径15～20 cm，分皮部、干部和枝部取样，采集样品野外称取鲜质量，封袋标记后带回室内分析。

取样品各20 g，105℃烘至恒重后用微型植物粉碎机进行粉碎，过筛 (200目备用);将另一部分样品放在通风处自然风干，测定其含水率。

1.2 排放量测定方法

控制环境燃烧试验系统由英国KANE公司生产的KM-9106E型综合烟气分析仪、自动恒温加热系统、电子天平、烟气采集系统、数据采集器和计算机组成。本研究燃烧室为体积2.0 m3的立式装置，实验室内温、湿度相对恒定，烟气测定时控制人员走动并关闭门窗，以减少空气对流，防止因烟气漂移而产生的误差。样品质量为5.0 g，加热温度设定在480～500℃，每种样品燃烧的时，间为20～25 min。烟气中的CO2、CO和CxHy通过烟气分析仪的探针收集，应用Fire Works软件，记录不同可燃物燃烧的气体排放体积分数，每10 s记录一次。每种样品进行3次重复试验，同一种气体的排放量数据取平均值，将数据保存并分类整理［10］。

1.3 排放因子计算方法

通过Fire Works软件导出不同可燃物燃烧反应每10 s一次的气体排放体积分数，运用软件对气体排放曲线进行拟合，计算出积分面积，得出各种气体相互间的体积比例关系，再乘以对应的碳分数，推算不同气体的排放因子［10］。运用下式求算出不同气体的排放因子 (EF):

式中:Mi为燃烧产物中某种气体的质量，g;mfuel为可燃物中碳量，g。

2 结果与分析

2.1 相同树种不同部位燃烧过程气体排放分析

将黄菠萝、水曲柳和胡桃楸3树种的枝、皮、干部燃烧过程气体排放量数据分类整理，方差分析及Least-significant difference(LSD)(最低显著性差异法)多重比较结果见表1、表2和表3。

2.1.1 黄菠萝不同部位燃烧过程气体排放量比较

表1是黄菠萝不同部位燃烧过程5种气体(CO2、CO、CxHy、NO和 SO2)的释放量比较。CO2释放量最大的是树皮，CO释放量最大的是树皮，CxHy释放量最大的是树干，NO释放量最大的是树枝，SO2释放量最大的是树枝。各部位间CO2释放量、CO释放量、NO释放量和SO2释放量差异性不明显，而CxHy释放量部位间存在明显差异。

2.1.2 水曲柳不同部位燃烧过程气体排放量比较

表2是水曲柳不同部位燃烧过程5种气体(CO2、CO、CxHy、NO和 SO2)的释放量比较。CO2释放量最大的是树干，CO释放量最大的是树皮，CxHy释放量最大的是树皮，NO释放量最大的是树枝，SO2释放量最大的是树枝。各部位间CO2释放量、CO释放量、CxHy释放量和SO2释放量差异性不明显，而NO释放量部位间存在明显差异。

表1 黄菠萝不同部位燃烧过程气体排放量平均值多重比较Tab.1 Comparisons of the average gas emissions during burning different parts of Phellodend onamurense

表2 水曲柳不同部位燃烧过程气体排放量平均值多重比较Tab.2 Comparisons of the average gas emissions during burning different parts of Fraxinus mandshurica

2.1.3 胡桃楸不同部位燃烧过程气体排放量比较

表3是胡桃楸不同部位燃烧过程5种气体(CO2、CO、CxHy、NO和 SO2)的释放量比较。CO2释放量最大的是树干，CO释放量最大的是树皮，CxHy释放量最大的是树皮，NO释放量最大的是树枝，SO2释放量最大的是树枝。各部位间5种气体 (CO2、CO、CxHy、NO和SO2)释放量差异性不明显。

表3 胡桃楸不同部位燃烧过程气体排放量平均值多重比较Tab.3 Comparisons of the average gas emissions during burning different parts of Juglans mandshurica

2.2 不同树种相同部位气体排放分析

2.2.1 各乔木皮部气体排放量比较

表4表明，不同乔木皮部燃烧反应CxHy排放量、NO排放量、SO2排放量、含碳气体 (CO2、CO、CxHy)总量以及 5种气体 (CO2、CO、CxHy、NO和 SO2)总排放量存在显著的差异(P＜0.05)，而CO2与CO排放量3种乔木皮部之间差异不显著。3种乔木树皮CO2排放量最大的是水曲柳，CO排放量、CxHy排放量、NO排放量、SO2排放量最大的均为黄菠萝。

表4 不同乔木皮部燃烧过程气体排放量平均值多重比较Tab.4 Comparisons of the average gas emissions from bark burning by species

2.2.2 各乔木干部气体排放量比较

表5表明，不同乔木干部燃烧反应CxHy排放量、NO排放量、SO2排放量、含碳气体 (CO2、CO和CxHy)总量以及5种气体 (CO2、CO、CxHy、NO和SO2)总排放量存在显著的差异 (P＜0.05)，而CO2与CO排放量3种乔木干部之间差异不显著。3种乔木树干CO2排放量最大的是水曲柳，CO排放量、CxHy排放量、NO排放量和SO2排放量最大的均为黄菠萝。

表5 不同乔木干部燃烧过程气体排放量平均值多重比较Tab.5 Comparisons of the average gas emissions from trunk burning by species

2.2.3 各乔木枝部气体排放量比较

表6表明，不同乔木枝部燃烧反应CO2排放量、CxHy排放量、SO2排放量、含碳气体 (CO2、CO和 CxHy)总量以及 5种气体 (CO2、CO、CxHy、NO和SO2)总排放量存在显著的差异 (P＜0.05)，而CO与NO排放量3种乔木枝部之间差异不显著。3种乔木树枝CO2排放量最大的是水曲柳，CO排放量最大的是黄菠萝，CxHy排放量最大的是黄菠萝，NO排放量最大的是胡桃楸，SO2排放量最大的是黄菠萝。

2.3 排放因子

表7是3种乔木不同部位气体的排放因子EF。3种乔木的五种气体排放因子最大均为CO2，黄菠萝和水曲柳的排放因子最小气体的是NO，而胡桃楸最小的为SO2。CO2的排放因子胡桃楸树干最大，黄菠萝树枝最小，其它均在2.301 4～3.163 4 g/kg之间;CO的排放因子黄菠萝树枝最大，胡桃楸树枝最小，其它均在0.275 5～0.487 6 g/kg之间;CxHy的排放因子黄菠萝树干最大，水曲柳树枝最小，其它均在0.010 3～0.049 5 g/kg之间;NO的排放因子胡桃楸树枝最大，水曲柳树干最小，其它均在0.003 1～0.008 4 g/kg之间;SO2的排放因子黄菠萝树皮最大，胡桃楸树皮最小，其它均在0.002 0～0.012 3 g/kg之间;树皮、树干和树枝的气体排放量没有固定的规律。

表6 不同乔木枝部燃烧过程气体排放量平均值多重比较Tab.6 Comparisons of the average gas emissions from branch burning by species

表7 3种乔木不同部位排放因子Tab.7 Emission factors of different parts by three species

3 结论与讨论

不同类型的森林火灾对林木造成的损失差异较大，有毒有害气体的排放量也必将不同。本研究结果即是强调在进行森林火灾含碳气体排放量估算时，必须考虑不同树种及部位气体排放的差异［10-11］。本研究以东北“三大硬阔”为研究对象，利用控制环境燃烧试验系统，得出以下主要结论:

(1)3种乔木各部位 (枝、皮和干)之间CO2排放量、CO排放量、CxHy排放量、NO排放量、SO2排放量、含碳气体 (CO2、CO和CxHy)总量以及5种气体 (CO2、CO、CxHy、NO和SO2)总量平均值都存在一定的差异，但差异显著性不相同。水曲柳CO2排放量、SO2排放量、含碳气体(CO2、CO和CxHy)总量和5种气体 (CO2、CO、CxHy、NO和SO2)总量各部位之间差异不明显，而CO排放量、CxHy排放量和NO排放量各部位之间差异显著，但差异的显著程度不同;黄菠萝CO2排放量、CO排放量、SO2排放量和含碳气体(CO2、CO和 CxHy)总量以及5种气体 (CO2、CO、CxHy、NO和SO2)排放总量各部位之间存在显著性的差异，而CxHy排放量和NO排放量部位之间无显著性的差异;胡桃楸CO2排放量、CxHy排放量、SO2排放量、含碳气体 (CO2、CO和CxHy)总量以及5种气体 (CO2、CO、CxHy、NO和SO2)总量部位之间差异不显著，而CO排放量、NO排放量各部位间差异显著。

(2)3种乔木的5种气体排放因子最大均为CO2，黄菠萝和水曲柳的排放因子最小气体的是NO，而胡桃楸最小的为SO2。CO2的排放因子胡桃楸树干最大，黄菠萝树枝最小，其它均在2.301 4～3.163 4 g/kg之间;CO的排放因子黄菠萝树枝最大，胡桃楸树枝最小，其它均在0.275 5～0.487 6 g/kg之间;CxHy的排放因子黄菠萝树干最大，水曲柳树枝最小，其它均在0.010 3～0.049 5 g/kg之间;NO的排放因子胡桃楸树枝最大，水曲柳树干最小，其它均在0.003 1～0.008 4 g/kg之间;SO2的排放因子黄菠萝树皮最大，胡桃楸树皮最小，其它均在0.002 0～0.012 3 g/kg之间。

森林火灾的发生不仅释放出大量有毒有害的气体，还伴随着羽流作用，受气流浮力的驱动，向大气中排放出数量惊人的炭黑粒子、灰分以及可燃物和其它燃烧分解产物的颗粒。为更加全面、准确地估算燃烧过程碳的排放，应开展对颗粒物排放的定性定量研究。

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