東北三大硬闊燃燒過程煙氣釋放特征

彭徐劍，胡海清*，李敖斌，鄭懷兵

(1.東北林業(yè)大學林學院，哈爾濱150040;2.中國林業(yè)集團，北京100714;3.南京森林警察學院，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，森林碳庫的穩(wěn)定、增長或釋放都與大氣碳庫的變化有重要的關(guān)系，森林碳儲存是關(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和熱點科學問題之一［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，同時也造成了含碳溫室氣體及有毒氣體的大量釋放，對全球環(huán)境影響巨大。森林火災(zāi)根據(jù)森林燃燒的部位可簡單劃分為地表火、樹冠火和地下火三種類型，按火強度可分為高、中、低度火三種［7-8］。不同類型的林火，對森林的危害程度是不同的，燒損量差異較大。中、低強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，還對喬木的皮部、樹枝以及樹干造成一定的傷害。當然，不同強度森林火災(zāi)對不同徑級的林木所造成的損害也是有差別的，相對來講，大徑級的樹木，由于皮部的增原，對中、低強度火災(zāi)有一定的耐受力，火對干部的影響較小，燒損量很?。?-11］。因此，區(qū)分不同樹種及取樣部位進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、水曲柳為研究對象，分別對各樹種的枝、皮、干進行室內(nèi)燃燒試驗，以測定CO2、CO、CxHy、NO和SO2的氣體排放量，并對不同樹種及部位氣體排放量和排放特性的異同進行對比分析，最后對三種喬木枝、皮、干燃燒產(chǎn)生的CO2、CO、CxHy、NO和SO2的排放因子進行了計算，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 材料來源和處理方法

2009年10月中旬，自小興安嶺東北林業(yè)大學涼水實驗林場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進行粉碎，過篩 (200目備用);將另一部分樣品放在通風處自然風干，測定其含水率。

1.2 排放量測定方法

控制環(huán)境燃燒試驗系統(tǒng)由英國KANE公司生產(chǎn)的KM-9106E型綜合煙氣分析儀、自動恒溫加熱系統(tǒng)、電子天平、煙氣采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器和計算機組成。本研究燃燒室為體積2.0 m3的立式裝置，實驗室內(nèi)溫、濕度相對恒定，煙氣測定時控制人員走動并關(guān)閉門窗，以減少空氣對流，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，間為20～25 min。煙氣中的CO2、CO和CxHy通過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數(shù)，每10 s記錄一次。每種樣品進行3次重復(fù)試驗，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 排放因子計算方法

通過Fire Works軟件導出不同可燃物燃燒反應(yīng)每10 s一次的氣體排放體積分數(shù)，運用軟件對氣體排放曲線進行擬合，計算出積分面積，得出各種氣體相互間的體積比例關(guān)系，再乘以對應(yīng)的碳分數(shù)，推算不同氣體的排放因子［10］。運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程氣體排放量比較

表1是黃菠蘿不同部位燃燒過程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程氣體排放量比較

表2是水曲柳不同部位燃燒過程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程氣體排放量比較

表3是胡桃楸不同部位燃燒過程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、含碳氣體 (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、含碳氣體 (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、含碳氣體 (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有固定的規(guī)律。

表6 不同喬木枝部燃燒過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)果即是強調(diào)在進行森林火災(zāi)含碳氣體排放量估算時，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”為研究對象，利用控制環(huán)境燃燒試驗系統(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、含碳氣體 (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、含碳氣體(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排放量和含碳氣體(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排放量部位之間無顯著性的差異;胡桃楸CO2排放量、CxHy排放量、SO2排放量、含碳氣體 (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，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、準確地估算燃燒過程碳的排放，應(yīng)開展對顆粒物排放的定性定量研究。

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