東北三大硬闊燃燒過(guò)程煙氣釋放特征

彭徐劍，胡海清*，李敖斌，鄭懷兵

(1.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱150040;2.中國(guó)林業(yè)集團(tuán)，北京100714;3.南京森林警察學(xué)院，南京210046)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在全球碳平衡中發(fā)揮著重要作用。研究結(jié)果顯示，森林碳庫(kù)的穩(wěn)定、增長(zhǎng)或釋放都與大氣碳庫(kù)的變化有重要的關(guān)系，森林碳儲(chǔ)存是關(guān)乎陸地生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯飽和的關(guān)鍵，現(xiàn)已成為森林生態(tài)系統(tǒng)與全球變化研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題之一［1-6］。森林火災(zāi)尤其是重特大森林火災(zāi)的頻繁發(fā)生不僅使自然生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，同時(shí)也造成了含碳溫室氣體及有毒氣體的大量釋放，對(duì)全球環(huán)境影響巨大。森林火災(zāi)根據(jù)森林燃燒的部位可簡(jiǎn)單劃分為地表火、樹冠火和地下火三種類型，按火強(qiáng)度可分為高、中、低度火三種［7-8］。不同類型的林火，對(duì)森林的危害程度是不同的，燒損量差異較大。中、低強(qiáng)度地表火主要燒毀地被物、危害幼樹、下木等;樹冠火除燒毀上述可燃物以外，還對(duì)喬木的皮部、樹枝以及樹干造成一定的傷害。當(dāng)然，不同強(qiáng)度森林火災(zāi)對(duì)不同徑級(jí)的林木所造成的損害也是有差別的，相對(duì)來(lái)講，大徑級(jí)的樹木，由于皮部的增原，對(duì)中、低強(qiáng)度火災(zāi)有一定的耐受力，火對(duì)干部的影響較小，燒損量很小［9-11］。因此，區(qū)分不同樹種及取樣部位進(jìn)行氣體排放的研究是十分必要的。本研究以東北“三大硬闊”胡桃楸、黃菠蘿、水曲柳為研究對(duì)象，分別對(duì)各樹種的枝、皮、干進(jìn)行室內(nèi)燃燒試驗(yàn)，以測(cè)定CO2、CO、CxHy、NO和SO2的氣體排放量，并對(duì)不同樹種及部位氣體排放量和排放特性的異同進(jìn)行對(duì)比分析，最后對(duì)三種喬木枝、皮、干燃燒產(chǎn)生的CO2、CO、CxHy、NO和SO2的排放因子進(jìn)行了計(jì)算，得出十分有意義的研究結(jié)果。本研究為黑龍江林區(qū)生物防火林帶建設(shè)提供理論依據(jù)及數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料來(lái)源和處理方法

2009年10月中旬，自小興安嶺東北林業(yè)大學(xué)涼水實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)選取成熟林分采集樣品，樹種包括胡桃楸 (Juglans mandshurica)、水曲柳 (Fraxinus mandshurica)和黃菠蘿 (Phellodend onamurense)，樣木胸徑15～20 cm，分皮部、干部和枝部取樣，采集樣品野外稱取鮮質(zhì)量，封袋標(biāo)記后帶回室內(nèi)分析。

取樣品各20 g，105℃烘至恒重后用微型植物粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，過(guò)篩 (200目備用);將另一部分樣品放在通風(fēng)處自然風(fēng)干，測(cè)定其含水率。

1.2 排放量測(cè)定方法

控制環(huán)境燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)由英國(guó)KANE公司生產(chǎn)的KM-9106E型綜合煙氣分析儀、自動(dòng)恒溫加熱系統(tǒng)、電子天平、煙氣采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)組成。本研究燃燒室為體積2.0 m3的立式裝置，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫、濕度相對(duì)恒定，煙氣測(cè)定時(shí)控制人員走動(dòng)并關(guān)閉門窗，以減少空氣對(duì)流，防止因煙氣漂移而產(chǎn)生的誤差。樣品質(zhì)量為5.0 g，加熱溫度設(shè)定在480～500℃，每種樣品燃燒的時(shí)，間為20～25 min。煙氣中的CO2、CO和CxHy通過(guò)煙氣分析儀的探針收集，應(yīng)用Fire Works軟件，記錄不同可燃物燃燒的氣體排放體積分?jǐn)?shù)，每10 s記錄一次。每種樣品進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，同一種氣體的排放量數(shù)據(jù)取平均值，將數(shù)據(jù)保存并分類整理［10］。

1.3 排放因子計(jì)算方法

通過(guò)Fire Works軟件導(dǎo)出不同可燃物燃燒反應(yīng)每10 s一次的氣體排放體積分?jǐn)?shù)，運(yùn)用軟件對(duì)氣體排放曲線進(jìn)行擬合，計(jì)算出積分面積，得出各種氣體相互間的體積比例關(guān)系，再乘以對(duì)應(yīng)的碳分?jǐn)?shù)，推算不同氣體的排放因子［10］。運(yùn)用下式求算出不同氣體的排放因子 (EF):

式中:Mi為燃燒產(chǎn)物中某種氣體的質(zhì)量，g;mfuel為可燃物中碳量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 相同樹種不同部位燃燒過(guò)程氣體排放分析

將黃菠蘿、水曲柳和胡桃楸3樹種的枝、皮、干部燃燒過(guò)程氣體排放量數(shù)據(jù)分類整理，方差分析及Least-significant difference(LSD)(最低顯著性差異法)多重比較結(jié)果見表1、表2和表3。

2.1.1 黃菠蘿不同部位燃燒過(guò)程氣體排放量比較

表1是黃菠蘿不同部位燃燒過(guò)程5種氣體(CO2、CO、CxHy、NO和 SO2)的釋放量比較。CO2釋放量最大的是樹皮，CO釋放量最大的是樹皮，CxHy釋放量最大的是樹干，NO釋放量最大的是樹枝，SO2釋放量最大的是樹枝。各部位間CO2釋放量、CO釋放量、NO釋放量和SO2釋放量差異性不明顯，而CxHy釋放量部位間存在明顯差異。

2.1.2 水曲柳不同部位燃燒過(guò)程氣體排放量比較

表2是水曲柳不同部位燃燒過(guò)程5種氣體(CO2、CO、CxHy、NO和 SO2)的釋放量比較。CO2釋放量最大的是樹干，CO釋放量最大的是樹皮，CxHy釋放量最大的是樹皮，NO釋放量最大的是樹枝，SO2釋放量最大的是樹枝。各部位間CO2釋放量、CO釋放量、CxHy釋放量和SO2釋放量差異性不明顯，而NO釋放量部位間存在明顯差異。

表1 黃菠蘿不同部位燃燒過(guò)程氣體排放量平均值多重比較Tab.1 Comparisons of the average gas emissions during burning different parts of Phellodend onamurense

表2 水曲柳不同部位燃燒過(guò)程氣體排放量平均值多重比較Tab.2 Comparisons of the average gas emissions during burning different parts of Fraxinus mandshurica

2.1.3 胡桃楸不同部位燃燒過(guò)程氣體排放量比較

表3是胡桃楸不同部位燃燒過(guò)程5種氣體(CO2、CO、CxHy、NO和 SO2)的釋放量比較。CO2釋放量最大的是樹干，CO釋放量最大的是樹皮，CxHy釋放量最大的是樹皮，NO釋放量最大的是樹枝，SO2釋放量最大的是樹枝。各部位間5種氣體 (CO2、CO、CxHy、NO和SO2)釋放量差異性不明顯。

表3 胡桃楸不同部位燃燒過(guò)程氣體排放量平均值多重比較Tab.3 Comparisons of the average gas emissions during burning different parts of Juglans mandshurica

2.2 不同樹種相同部位氣體排放分析

2.2.1 各喬木皮部氣體排放量比較

表4表明，不同喬木皮部燃燒反應(yīng)CxHy排放量、NO排放量、SO2排放量、含碳?xì)怏w (CO2、CO、CxHy)總量以及 5種氣體 (CO2、CO、CxHy、NO和 SO2)總排放量存在顯著的差異(P＜0.05)，而CO2與CO排放量3種喬木皮部之間差異不顯著。3種喬木樹皮CO2排放量最大的是水曲柳，CO排放量、CxHy排放量、NO排放量、SO2排放量最大的均為黃菠蘿。

表4 不同喬木皮部燃燒過(guò)程氣體排放量平均值多重比較Tab.4 Comparisons of the average gas emissions from bark burning by species

2.2.2 各喬木干部氣體排放量比較

表5表明，不同喬木干部燃燒反應(yīng)CxHy排放量、NO排放量、SO2排放量、含碳?xì)怏w (CO2、CO和CxHy)總量以及5種氣體 (CO2、CO、CxHy、NO和SO2)總排放量存在顯著的差異 (P＜0.05)，而CO2與CO排放量3種喬木干部之間差異不顯著。3種喬木樹干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排放量最大的均為黃菠蘿。

表5 不同喬木干部燃燒過(guò)程氣體排放量平均值多重比較Tab.5 Comparisons of the average gas emissions from trunk burning by species

2.2.3 各喬木枝部氣體排放量比較

表6表明，不同喬木枝部燃燒反應(yīng)CO2排放量、CxHy排放量、SO2排放量、含碳?xì)怏w (CO2、CO和 CxHy)總量以及 5種氣體 (CO2、CO、CxHy、NO和SO2)總排放量存在顯著的差異 (P＜0.05)，而CO與NO排放量3種喬木枝部之間差異不顯著。3種喬木樹枝CO2排放量最大的是水曲柳，CO排放量最大的是黃菠蘿，CxHy排放量最大的是黃菠蘿，NO排放量最大的是胡桃楸，SO2排放量最大的是黃菠蘿。

2.3 排放因子

表7是3種喬木不同部位氣體的排放因子EF。3種喬木的五種氣體排放因子最大均為CO2，黃菠蘿和水曲柳的排放因子最小氣體的是NO，而胡桃楸最小的為SO2。CO2的排放因子胡桃楸樹干最大，黃菠蘿樹枝最小，其它均在2.301 4～3.163 4 g/kg之間;CO的排放因子黃菠蘿樹枝最大，胡桃楸樹枝最小，其它均在0.275 5～0.487 6 g/kg之間;CxHy的排放因子黃菠蘿樹干最大，水曲柳樹枝最小，其它均在0.010 3～0.049 5 g/kg之間;NO的排放因子胡桃楸樹枝最大，水曲柳樹干最小，其它均在0.003 1～0.008 4 g/kg之間;SO2的排放因子黃菠蘿樹皮最大，胡桃楸樹皮最小，其它均在0.002 0～0.012 3 g/kg之間;樹皮、樹干和樹枝的氣體排放量沒(méi)有固定的規(guī)律。

表6 不同喬木枝部燃燒過(guò)程氣體排放量平均值多重比較Tab.6 Comparisons of the average gas emissions from branch burning by species

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

3 結(jié)論與討論

不同類型的森林火災(zāi)對(duì)林木造成的損失差異較大，有毒有害氣體的排放量也必將不同。本研究結(jié)果即是強(qiáng)調(diào)在進(jìn)行森林火災(zāi)含碳?xì)怏w排放量估算時(shí)，必須考慮不同樹種及部位氣體排放的差異［10-11］。本研究以東北“三大硬闊”為研究對(duì)象，利用控制環(huán)境燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)，得出以下主要結(jié)論:

(1)3種喬木各部位 (枝、皮和干)之間CO2排放量、CO排放量、CxHy排放量、NO排放量、SO2排放量、含碳?xì)怏w (CO2、CO和CxHy)總量以及5種氣體 (CO2、CO、CxHy、NO和SO2)總量平均值都存在一定的差異，但差異顯著性不相同。水曲柳CO2排放量、SO2排放量、含碳?xì)怏w(CO2、CO和CxHy)總量和5種氣體 (CO2、CO、CxHy、NO和SO2)總量各部位之間差異不明顯，而CO排放量、CxHy排放量和NO排放量各部位之間差異顯著，但差異的顯著程度不同;黃菠蘿CO2排放量、CO排放量、SO2排放量和含碳?xì)怏w(CO2、CO和 CxHy)總量以及5種氣體 (CO2、CO、CxHy、NO和SO2)排放總量各部位之間存在顯著性的差異，而CxHy排放量和NO排放量部位之間無(wú)顯著性的差異;胡桃楸CO2排放量、CxHy排放量、SO2排放量、含碳?xì)怏w (CO2、CO和CxHy)總量以及5種氣體 (CO2、CO、CxHy、NO和SO2)總量部位之間差異不顯著，而CO排放量、NO排放量各部位間差異顯著。

(2)3種喬木的5種氣體排放因子最大均為CO2，黃菠蘿和水曲柳的排放因子最小氣體的是NO，而胡桃楸最小的為SO2。CO2的排放因子胡桃楸樹干最大，黃菠蘿樹枝最小，其它均在2.301 4～3.163 4 g/kg之間;CO的排放因子黃菠蘿樹枝最大，胡桃楸樹枝最小，其它均在0.275 5～0.487 6 g/kg之間;CxHy的排放因子黃菠蘿樹干最大，水曲柳樹枝最小，其它均在0.010 3～0.049 5 g/kg之間;NO的排放因子胡桃楸樹枝最大，水曲柳樹干最小，其它均在0.003 1～0.008 4 g/kg之間;SO2的排放因子黃菠蘿樹皮最大，胡桃楸樹皮最小，其它均在0.002 0～0.012 3 g/kg之間。

森林火災(zāi)的發(fā)生不僅釋放出大量有毒有害的氣體，還伴隨著羽流作用，受氣流浮力的驅(qū)動(dòng)，向大氣中排放出數(shù)量驚人的炭黑粒子、灰分以及可燃物和其它燃燒分解產(chǎn)物的顆粒。為更加全面、準(zhǔn)確地估算燃燒過(guò)程碳的排放，應(yīng)開展對(duì)顆粒物排放的定性定量研究。

［1］蔣延玲，周廣勝.興安落葉松林碳平衡和全球變化影響研究［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，12(4):481 –484.

［2］康惠寧，馬欽彥，袁嘉祖.中國(guó)森林C匯功能基本估計(jì)［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，1996，7(3):230 –234.

［3］王效科，馮宗煒，歐陽(yáng)志云.中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)的植物碳儲(chǔ)量和碳密度研究［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，12(1):13 –16.

［4］吳仲民，李意德，曾慶波，等.尖峰嶺熱帶山地雨林C素庫(kù)及截伐影響的初步研究［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，1998，9(4):341–344.

［5］肖國(guó)舉，張 強(qiáng)，王 靜.全球氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響研究進(jìn)展［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，18(8):1877 –1885.

［6］趙慧霞，吳紹洪，姜魯光.自然生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)氣候變化的脆弱性評(píng)價(jià)研究進(jìn)展［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，18(2):445–450.

［7］文定元.森林防火基礎(chǔ)知識(shí)［M］.北京:中國(guó)林業(yè)出版社，1995:5-15.

［8］ Detwiler R P，Hall C A S.Tropical forests and the global carbon Cycle［J］.Science，1988，239:42-47.

［9］王韡燁.黑龍江省主要草本可燃物燃燒煙氣分析［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)，2009.

［10］李敖彬.黑龍江省主要喬灌木樹種可燃物燃燒煙氣分析［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)，2008.

［11］鄧光瑞.大興安嶺森林可燃物燃燒氣體釋放的研究［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)，2006.

［12］萬(wàn)媛媛，王 雋，何萬(wàn)存.關(guān)于建立“廬山森林防火輔助決策系統(tǒng)”的建議［J］.森林工程，2011，27(5):78-80.