大兴安岭6种主要乔木树种燃烧过程的含碳气体释放特征

（东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

由于气候变暖，极端天气频繁发生，全球生态系统受到严重威胁[1-2]。气候变暖主要是由温室气体即含碳气体增加引起[3]，森林火灾含碳气体排放量仅次于化石燃料燃烧带来的污染，成为引发全球变暖的重要因素[4-7]。因此森林火灾排放含碳气体研究引起国内外学者广泛关注[8-9]。

国内外学者也进行了这方面的研究。Vicente等[10]测定了夏季葡萄牙野火气体和微粒排放的信息；Urbanski 等[11]在野火季节对美国洛杉矶北部山脉的森林大火取样分析，分别测量了CO2、CO 和CH4的排放因子，计算了可燃物的燃烧效率（MCE）；Hoelzemann 等[12]针对全球荒地发生的火灾开发了全新的气体排放模型（GWEM），获得含碳气体排放量和NO 排放量；曹国良等[13]对中国内陆各省的生物质燃烧产生的污染物进行计算，形成了CO2、CO、CxHy、SO2、NOx等气体内陆排放总量和各省的排放清单；胡海清[14-16]估算了1980—1999年黑龙江省乔木、灌木、草本和地被物林火CO2、CO、CxHy的排放总量以及3 种气体的排放因子；宋禹辉等[17]根据自主设计的室内微型燃烧实验系统在福建省境内选出4 种主要乔木树种，实测不同器官燃烧CO2、CO、CxHy、NOx和PM2.5的排放量以及排放因子，揭示了福建4 种主要乔木树种不同器官不同温度下污染物排放特性。

虽然国内外关于这方面的研究已经开展很多，但关于黑龙江省大兴安岭地区此类研究尚未报道。大兴安岭林区是我国林火灾害最为严重的地区，也是最主要的碳汇区域，在生态系统碳平衡的维持中发挥着重要作用[5-7]。对此区域进行森林火灾含碳气体排放的研究，能够揭示该区域主要乔木树种含碳气体的释放特性[18-20]。以大兴安岭林区6种主要乔木不同部位（枝、叶）为研究对象，采用室内燃烧，对燃烧过程中含碳气体进行测定，计算各树种不同部位每种含碳气体释放量和排放因子，为估算森林火灾含碳气体释放量及对温室效应的影响提供相应的理论依据。

1 研究区概况及研究方法

1.1 自然概况

塔河林业局位于大兴安岭中心地带，样品采集区位于124°70′E，52°32′N，地处北温带，属寒温带大陆性气候，气候变化显著，年均气温-2.4 ℃，塔河境内地貌复杂地势程中高、两侧低。该区域为国家一类火险区，具有林区90 余万hm2，森林覆盖率90%以上，蓄积量有5 600 多万m3。主要乔木树种有兴安落叶松Larix gmelini、白桦Betula platypylla、山杨Populus davidiana、樟子松Pinus sylvestrisvar.mongolica、鱼鳞云杉Picea jezoensis、红皮云杉Picea koraiensis、蒙古栎Quercus mongolica和钻天柳Chosenia arbutifolia等。

1.2 样地调查和采样方法

经地调查后，在该地区选取6 种乔木树种作为研究对象，包括兴安落叶松、樟子松、红皮云杉、白桦、山杨和蒙古栎，采用机械布点法设置21 个20 m× 20 m 的样方,测量并记录样方内树种组成比例关系、树高、胸径、郁闭度等指标，表1记录了6 种乔木林分基本信息。在样方内选取胸径较大、生长在相应林型内的乔木树种，对每种乔木采集直径1 cm 的小枝和叶，称其鲜质量，记录数据后封装保存，送实验室分析，林分基本信息见表1。

1.3 排放量的测定

将封装标记好的样品连同信封进行称质量，放入烘干箱，设定105 ℃持续烘干至连续两次称质量不再变化。用粉碎机粉碎样品后放入研磨仪研磨，选用100 孔目筛过滤，用分析天平称取30 g 样品装入封口袋并保存入干燥器内备用。进行试验时，每种样品取5 g，放入燃烧系统（燃烧系统包含电加热系统、温度控制系统、颗粒物过滤系统、冷却系统和烟气排放系统组成）加热箱内，将Testo350烟气分析仪的探测烟枪放入烟气收集管道，设定加热温度为480 ℃，加热时长为30 min[15]，使用仪器配套软件和传感器测量并记录含碳气体浓度，Testo350 烟气分析仪是利用电化学原理，抽入的烟气在分析箱内部沿着气依次经过各个传感器，在传感器内部发生化学反应，输出电信号至手操器，测定记录单位为mg·dm-3，测量结束后，用烟气排放系统清理存留烟气，待燃烧箱冷却至室温，有害气体浓度参数降至零时，取出燃烧托盘称量记录灰分质量，每组样品做3 次重复。

表1 6 种乔木树种林分基本信息Table 1 Basic information of six species of arbor species

1.4 排放因子计算

各类生物质燃烧排放气体的排放因子有很多计算方法，本研究采用的排放因子的计算方法为：

式（1）中：EFi（Emission factor，EF）为气体i的排放因子，计量单位为g·kg-1；Mi为某气体污染物质i的总排放量；MFuel为乔木树种i燃烧总量[21]。

本文排放因子的计算中，某气态污染物的总排放量是根据测得的这种气态污染物的浓度和烟气存储箱体积计算得出，某燃料的燃烧总量是用燃烧前质量减去燃烧后未被燃烧的灰烬质量得到。

1.5 修正燃烧效率MCE 的计算

如果实验过程中只有浓度可以测得，那么通过修正燃烧效率可以区分整个燃烧过程是明火燃烧还是闷火燃烧占主导支配。本研究修正燃烧效率算法是用CO2质量浓度除以CO 和CO2质量浓度之和得出：

式（2）中：MCE 为修正燃烧效率；C[CO]为CO 质量浓度；C[CO2]为CO2质量浓度，单位为mg·dm-3。

1.6 研究方法

所有数据采用Excel 2013 进行整理和计算，利用Testo350 烟气分析仪自带软件记录气体排放浓度，采用SPSS 22.0 软件对数据进行SNK（Student-Newman-Keuls）方差分析检验显著性，用Sigma-Plot 12.5 软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同乔木含碳气体释放量

表2给出6 种乔木树种5 g 样品燃烧产生含碳气体排放量结果。可以看出，枝和叶的CO 气体排放量均值分别为2 406.18、2 297.43 mg·dm-3，不同树种枝CO 排放量由大到小依次为樟子松＞红皮云杉＞白桦＞山杨＞兴安落叶松＞蒙古栎，叶的从大到小依次为红皮云杉＞兴安落叶松＞樟子松＞山杨＞蒙古栎＞白桦，最大值是最小值的1.79 倍；枝的CO2气体排放量均值为 18 486.11 mg·dm-3，叶为20 548.6 mg·dm-3，不同树种枝CO2排放量由大到小依次为红皮云杉＞兴安落叶松＞白桦＞樟子松＞山杨＞蒙古栎，叶的从大到小依次为兴安落叶松＞山杨＞白桦＞红皮云杉=蒙古栎＞樟子松，最大值是最小值的1.26 倍；枝的CxHy气体排放量均值为184.88 mg·dm-3，叶为166.27 mg·dm-3，不同树种枝CxHy排放量由大到小依次为：山杨＞樟子松＞白桦＞红皮云杉＞蒙古栎＞兴安落叶松，叶的从大大小依次为：山杨＞樟子松＞白桦＞兴安落叶松＞红皮云杉＞蒙古栎，最大值是最小值的2.14 倍。

表2 6 种乔木树种5 g 样品燃烧烟气排放量测定结果Table 2 Determination of flue gas emissions from 5 g samples of six species of arbor species

2.2 不同乔木含碳气体释放量的差异

图1给出6 种乔木的枝和叶含碳气体释放量差异性分析结果。可以看出，对于不同乔木同种部位来说，蒙古栎枝CO 排放量显著低于樟子松和红皮云杉，其余树种之间差异都不显著。3 种阔叶乔木叶的CO 排放量白桦显著低于山杨和蒙古栎，3 种针叶乔木叶的CO 排放量差异不显著，针叶乔木叶的CO 排放量显著高于阔叶乔木叶的CO 排放量；6 种乔木枝的CO2气体排放量差异性均不显著，樟子松叶的CO2气体排放量显著低于其余5 种乔木，且剩余5 种乔木叶的CO2排放量差异不显著；兴安落叶松枝的CxHy排放量显著低于樟子松和山杨，其余树种之间均为差异性不显著，兴安落叶松叶的CxHy排放量显著高于其他树种，蒙古栎叶排放量显著低于其他树种，其余树种间CxHy排放量差异不显著。3 种阔叶乔木叶之间CxHy排放量差异都达到了显著水平，而3 种针叶乔木叶之间的CxHy排放量异性都不显著。

图1 6 种乔木树种排放气体差异性分析Fig.1 Difference analysis of emission gases of six arbor species

对于同种乔木不同部位，樟子松枝和叶的CO释放量没有显著差异，剩余5 种乔木枝和叶的CO排放量都差异显著，其中针叶树种的枝的CO 排放量都显著低于叶，阔叶树种正好相反；兴安落叶 松、白桦、山杨和蒙古栎叶片的CO2释放量都显著高于枝，其余两种乔木枝叶差异不显著；樟子松和蒙古栎的枝燃烧释放CxHy量要显著高于叶，其余乔木枝和叶CxHy的释放量差异不显著。

因不同乔木树种的相同器官所含有的化学元素成分比例不同，碳含量存在差异，所以相同燃烧条件下所释放的含碳气体存在相应的差异[23]，Fearnside[24]，Levine 等[25]研究表明不同的生物质燃烧效率有着很大差别，北方针叶林的燃烧效率较低，同一燃烧条件下叶的燃烧效率比枝高。本研究中叶的CO 排放量针叶树种显著高于阔叶树种，可能是这3 种针叶树种叶的含碳量较高，叶的树脂含量和枝的树脂含量有差别，同样燃烧效率上针叶树种叶的燃烧效率也都低于相应树种枝的燃烧效率，也可以说明因为燃烧效率不高导致CO 排放量较大。同一树种叶的CO2排放量都高于枝，这是因为枝与叶的燃烧充分程度不同、选取的6种树种叶片含碳量都高于各自枝含碳量有关[23]，CxHy排放量的高低是由树种的特异性差异引起的，未体现出明显的规律。

2.3 不同乔木含碳气体排放因子

通过室内燃烧试验气体释放量，计算得到排放因子（表3）。6 种乔木的枝和叶释放的CO、CO2、CxHy（以CH4计算）的排放因子的范围分别为118.97～216.15、1 290.12～1 672.50、8.10～17.32 g·kg-1。6 种乔木树种中CO2的排放因子明显要比CO、CxHy的排放因子大。红皮云杉叶的EFCO最大，白桦叶最小；EFCO2兴安落叶松叶的最大，蒙古栎枝的最小，除樟子松以外的5 种乔木的EFCO2均为叶大于枝；CO2在气体排放中占主导地位，其次是CO 排放因子较大，释放量也较大，而CxHy的排放因子较小，释放量也最少；CxHy排放因子中山杨叶最大，蒙古栎叶最小，前者是后者是的2.14 倍。

表3可以看出，CO 排放因子中3 种针叶乔木叶的排放因子都比各自枝的大，3 种阔叶乔木CO排放因子则是叶的排放因子比各自枝的小，CO 排放因子针叶乔木叶都大于阔叶乔木叶，这是由于针叶乔木与阔叶乔木叶片结构存在明显差异，等量可燃物在相同燃烧情况下针叶乔木叶片燃烧效率较低，不能充分燃烧，导致CO 排放因子量较大。CO2排放因子中6 种乔木叶的排放因子都比各自枝的大，这与叶片含碳量较高和叶的燃烧特性好有关。CxHy的排放因子大小则没有表现出有规律的变化，是由树种本身特性决定的。

2.4 不同乔木修正燃烧效率分析

表4给出6 种树种的MCE，白桦叶最高为0.930，樟子松叶的最低为0.871，可以看出叶的MCE 中3 种阔叶树种都明显大于3 种针叶树种；针叶树种中各自叶的MCE 都小于各自枝的MCE，而阔叶树种中叶的MCE 都明显大于各自的枝。

这可能是由于叶片结构成分造成的，表现出阔叶树种的叶相对于针叶树种的叶MCE 更高，针叶乔木与阔叶乔木的枝叶等器官在结构成分上有很大差异，所以针叶树种和阔叶树种各自枝和叶的MCE 大小对比呈现出相反的结果，对比表2发现，因为针叶树种叶的MCE 明显比阔叶树种叶的MCE 低，在CO 排放量上也可以体现出针叶乔木叶的CO 排放量显著大于阔叶的CO 排放量，所以计算燃烧效率对准确估算森林火灾CO 释放量上十分关键[31]。

表3 6 种乔木树种枝和叶的排放因子Table 3 Emission factors of 6 species of arbor tree branches and leaves

表4 6 种乔木树种枝和叶的MCE（比值）†Table 4 Emission factors of 6 species of arbor tree branches and leaves

3 结论与讨论

测定大兴安岭6 种乔木枝、叶燃烧含碳气体的排放量，燃烧过程中排放气体以CO2为主，CO和CxHy释放量较小，可燃物燃烧要经历可燃物预热、热分解、无焰燃烧、有焰燃烧的各个过程，因燃烧条件设置为氧气充足，所以会出现不完全燃烧产物CO 和CxHy排放量小，CO2排放量大；6 种乔木枝之间的CO 排放量存在差异，叶之间的CO 排放量也存在差异，但差异性不一致，这是因为不同生物质无焰燃烧持续的时间、可燃物燃烧性、燃烧效率不同，造成不同生物质CO 释放时间的长短不同、释放量存在较大差异；6 种乔木枝的CO2气体排放量差异性均不显著，6 种乔木叶的CO2气体排放量（兴安落叶松、红皮云杉、白桦、山杨、蒙古栎）之间无显著性差异且都显著大于樟子松，出现这种情况的主要原因是在氧气充足的条件下，可燃物燃烧充分，可燃物含碳量相近，导致不同可燃物充分燃烧生成的CO2气体差异不显著；6 种乔木枝之间CxHy排放量兴安落叶松显著低于其它树种，6 种乔木叶之间的CxHy排放量存在差异，但差异性不一致，主要是由于植物本身的理化性质导致有焰燃烧持续的时间和可燃物燃烧效率不同，导致燃烧实验中CxHy排放量差异显著。

排放因子是估算森林火灾含碳气体以及其他气体排放量所必需的参数，本实验研究了大兴安岭6 种主要树种（兴安落叶松、樟子松、红皮云杉、白桦、山杨、蒙古栎）的枝和叶在480 ℃燃烧的状态下，各个部位的排放因子分别为：枝的CO 164.44～186.57 g·kg-1，叶的CO141.93～216.15 g·kg-1；枝的CO21 290.12～1 414.29 g·kg-1，叶的CO21 311.13～1 672.50 g·kg-1；枝的CxHy11.29～16.29 g·kg-1，叶的CxHy8.10～17.32 g·kg-1。研究成果与郭福涛等[17]得到的福建省4 种主要乔木树种的枝、叶在280℃条件下燃烧，计算排放因子CO 枝为（258.5±23.4）g·kg-1，叶为（248.6± 8.8）g·kg-1，CO2枝为（1 543.9±64.1）g·kg-1，叶为（1621.8±82.2）g·kg-1，CxHy枝为（15.6± 3.4）g·kg-1，叶为（18.9±4.0）g·kg-1；CO 排 放因子大于本实验研究结果，CO2和CxHy结果与本研究接近，这是燃烧温度不同和树种差异导致的，燃烧温度不同会对排放含碳气体，尤其是CO等不完全燃烧物质有显著影响，低强度火会促进CO 等污染物的排放。本研究结果大于庄亚辉等[26]测定的植物枝、叶和凋落物的排放因子CO2（59.62±16）%、CO（8.48±2.66）%、CH4（0.78± 0.39）%，这是因为采用的计算方法不同带来的差异，本文计算排放因子EFi的方法为采取某种气态污染物排放总量与乔木枝、叶的物质燃烧总量的比值，庄亚辉是用含碳气体中的碳量与生物质燃烧过程损失的总碳量的比值计算排放因子。无论是该研究还是国内外的其他研究结果，因生物质燃料、计算方法、实验装置和燃烧条件等不同，得到的排放因子都存在一定差异。Sinha 等[27]在火灾上空直接采样，测得非洲南部不同国家地区的 森林火灾气体排放因子：CO2（1 700±60）g·kg-1、CO（68±30）g·kg-1、CH4（1.70±0.98）g·kg-1，其中EFCO2与本文接近，EFCO、EFCH4比本文测得的排放因子要小。Urbanski[11]等研究了有关美国洛矶山脉北部林火灾害，测量了生物质燃烧效率，量化为改进的燃烧效率（MCE），以及CO2、CO和CH4的EFi，对MCE、EFCO2、EFCO和EFCH4的研究平均值分别为0.883、1596 g·kg-1、135 g·kg-1、7.30 g·kg-1与本文相比EFCO2接近、EFCO、EFCH4和MCE都较小，这有可能是自然条件下地面森林可燃物不能完全燃烧，燃烧效率低于室内试验造成的。

明燃时MCE 的数值范围在0.85～0.99 之间，燃烧程度较低时，会产生较多的不完全燃烧产物[28-30]，本文的MCE 数值范围从0.871～0.930处于明然状态，叶的MCE 针叶乔木小于阔叶乔木，叶的CO 排放量针叶乔木明显多于阔叶乔木，说明大兴安岭主要针叶乔木叶燃烧效率比阔叶乔木低。本研究与Levine 等[25]研究的北方森林针叶乔木燃烧效率低的结果相同。

国内在森林火灾碳排放领域中对有机碳（OC），元素碳（EC）、多环芳烃等研究逐步深入，近年来细小颗粒物（PM2.5～10）等成为研究热点；国外森林火灾排放污染物的研究中，在采样方法上早已从室内微型燃烧试验转向空中直接采样，在火灾中直接测得试验数据，而我国对火灾中直接测得痕量气体的研究还不完善，也应尽快从室内微型模拟燃烧向野外实测转变。通过修正燃烧效率（MCE）值的区间判定可燃物明然与阴燃的主导性，自然环境发生的森林火灾，由于火烧强度、生物质成分、氧气浓度的不同都会对修正燃烧效率产生影响，导致气体排放因子也有所差异，因此对大兴安岭主要乔木树种在不同条件下的燃烧效率还要继续深入研究。