森林火災燃燒產物研究概述

向臨川，王秋華，龍騰騰，王儒龍，閆想想，張文文

（1.西南林業(yè)大學，土木工程學院，云南省森林災害預警與控制重點實驗室，云南 昆明 650224；2.云南省玉溪市易門縣林業(yè)和草原局，云南 玉溪 651100）

火作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要因子，對群落演替、動植物生長發(fā)育和全球物質循環(huán)有顯著影響[1]。森林火災的燃燒產物，成分復雜，包括了氣態(tài)、固態(tài)和液體三種狀態(tài)的物質，有些具有毒性。近年來全球森林火災頻發(fā)，造成重大人員傷亡和財產損失，已成為國際社會關注的熱點和焦點。如何應對森林火災成為全世界共同面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。我國是世界上森林火災最嚴重的國家之一[2]。據(jù)統(tǒng)計，在2008—2018年間全國范圍內共發(fā)生森林火災58 545起，過火面積843 452 hm2，森林損失面積多達278 172 hm2，人員傷亡818人次，經濟損失151 841.2萬元。

森林燃燒產生大量煙氣，在風場作用下自由擴散，帶來大氣污染，甚至引起飛火，擴散火場。煙氣研究是國內外森林火災研究的主題之一?？茖W、系統(tǒng)地研究森林火災燃燒產物的生成機理、擴散規(guī)律和毒性等，對于保護人員安全、保護生態(tài)環(huán)境、防災減災等方面都具有重要意義。

1 森林燃燒產物的主要成分

森林可燃物是森林燃燒的物質基礎，主體是活植物體，還包括枯枝落葉及地表下的腐殖質和泥炭等。燃燒時釋放大量煙氣，包括氣、液、固三種狀態(tài)的成分[3]。燃燒產物中物質種類較多，主要包含有大量的氣態(tài)污染物（CO2、CO、NOX、CXHY、SO2以及其他少量的有毒有害氣體）及不同微小顆粒物（PM1.0、PM2.5、PM10等）[4]。目前，森林火災燃燒產物的研究大部分在可燃物燃燒生成的氣態(tài)成分方面，主要集中在CO2、CO、NOX、CH4及其他的NMHC（非甲烷總烴）[5]，煙氣的固態(tài)成分方面主要集中在固體顆粒物和灰分等方面，液態(tài)組分的研究較少。

1.1 燃燒產物中的氣相物質

許多研究者對CO2、CO、SO2、NOX、CXHY、H2S等氣態(tài)組分的產生方式，如森林火災、化石燃料的燃燒、生物質燃料熱解和燃燒等諸多領域都進行了大量研究。氣相組分研究主要是進行定性、動態(tài)分析，或者是通過碳排放因子、碳排放比等公式進行大尺度研究，如，Lsaev[6]利用多光譜高分辨率衛(wèi)星圖像、大尺度航空攝影圖像來估計俄羅斯森林火災碳釋放量，火災前后應用SPOT圖像生成ND?VI差值圖像，發(fā)現(xiàn)其圖像值與火災受損水平具有相關性。Cofer[7]等在加拿大西北地區(qū)利用直升機收集高強度樹冠火災煙霧，通過樹冠火試驗計算出CO2、CO、H2、CH4、非甲烷總烴以及CO2正常的排放率和排放因子，并估算出林火排放碳量。Amiro[8-9]等利用加拿大火災數(shù)據(jù)庫和森林火災行為預測系統(tǒng)計算了可燃物消耗量，估計加拿大1959—1999年間每年林火直接碳排放量在3～115 Tg。隨后又對加拿大北方森林火災后森林表面輻射溫度、CO2通量等指標進行了測量，測定植被凈初級生產力（NPP）。Urbanski[10]等通過有關美國洛杉磯山脈北部野火季節(jié)森林火災的燃燒產物排放信息，計算出CO2、CO、CH4的排放因子，測量了燃燒效率并進行量化。

國內學者莊亞輝[11]等采用動態(tài)與靜態(tài)相結合的分析方法對典型喬木、灌木與草進行模擬燃燒實驗，測得痕量氣體的排放比和排放因子，初步估算了中國生物質向大氣釋放含碳痕量氣體量。田曉瑞等[12]根據(jù)森林過火面積上消耗生物量推算出1991—2000年間我國森林火災直接排放碳20.24～28.56 Tg之間，釋放CO2和CH4分別為74.2～104.7 Tg和1.797～2.536 Tg，排放煙霧顆粒物0.999 Tg～1.410 Tg。胡海清[13-15]等運用該法研究了黑龍江大興安嶺林區(qū)1980—1999年間主要喬木、灌木及草地燃燒釋放的碳量，并對森林火災釋放的碳量及主要含碳溫室氣體量進行了估算。王效科[16-17]根據(jù)森林損害面積法估算出我國森林火災釋放的碳排放量（CO:1.12 Tg/年，CO2:8.96 Tg/年，CH4:O.109 Tg/年），相比田曉瑞等人的計算結果偏低，這是因為在森林火場中受損森林面積遠小于森林過火面積。

由于燃燒產物中的有機碳（OC）與元素碳（EC）受燃燒狀態(tài)影響較大，在不同燃燒條件下有顯著差異。陳帥等[18-19]利用錐形量熱儀進行室內小尺度燃燒實驗，得出了廣東省森林地區(qū)典型植物類型碳排放因子變化規(guī)律，并通過構建火行為參數(shù)與植物燃燒過程碳轉化率關聯(lián)數(shù)學模型，從理論上探討林火行為對森林地表可燃物燃燒碳轉化影響的機制和規(guī)律。李春陽[20]對大興安嶺17種喬木的樹皮、枝葉進行室內燃燒實驗，并測定了燃燒過程的含碳氣體排放因子滿足EF（CO2）>EF（CO）>EF（CXHY）>EF（NOX），并對燃燒效率進行了修正。通過實驗室微型燃燒實驗測量每單位質量生物質釋放的某種氣體的量，在應用中相對準確。但室內燃燒實驗與真實的火災環(huán)境相關性較差，實際森林火場中，碳氣體排放量受諸多因素的影響[21]。不同強度的火災、不同的森林類型以及不同地區(qū)的地理條件下測得碳排放因子與排放比也不盡相同。森林火災研究要從實際出發(fā)，確定森林火災中的諸多的不確定因子為森林火災可燃物釋放氣體研究提出科學客觀理論依據(jù)。

1.2 燃燒產物中固相物質

固體顆粒物和灰分是森林火災燃燒產物中第二大產物。燃燒過程中向大氣中排放出大量懸浮顆粒物，粒徑在2.5～10 μm的稱為粗顆粒物，直徑小于2.5 μm的為微細顆粒物?；曳质侵参矬w經過灼燒后殘留的無機物，亦稱礦質元素，如Na、K、Ca、Mg等[4]。林木中灰分含量隨樹種、土壤、樹齡、生長條件、季節(jié)而改變，也隨植株不同部位而異[22-24]?；曳趾康母叩涂煞磻参飳ΦV質元素選擇吸收與積累的特點，植物器官中葉的灰分含量普遍較高[25]?；曳趾窟€是影響火行為的重要因素，灰分含量越高的樹木越不易燃，火強度相對較小，林火蔓延遲緩[26]。

近年來研究發(fā)現(xiàn)，林火釋放的顆粒物除含有大量有害物質外，也含有鈉、鎂、磷、鉀、鈣等很多植物所需營養(yǎng)元素，且大多以離子形態(tài)存在，可通過物理途徑進入到植物體內，并以化學途徑參與植物體的生理和代謝過程[27]。Obernberger[28]發(fā)現(xiàn)生物質燃燒釋放的顆粒物中PM2.5占比高達80%～90%。鞠園華等[29]運用Elementar元素分析儀測定分析了杉木人工林枯落物燃燒排放的PM2.5的成分，發(fā)現(xiàn)顆粒物主要由碳質組分（OC和OE）、水溶性離子（Na+、NH+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、NO-和43SO42-）及少量水溶性無機元素（鉀、鈣、鈉、鎂、磷、鋅、鋁、銅、砷、鋇、鉻、鐵、錳、鎘、鋰、鉛等）組成。Alves[30]對葡萄牙7種典型樹種燃燒釋放的細顆粒物的成分分析發(fā)現(xiàn)，煙氣中的PM2.5碳質組分含量最大約70%，水溶性離子占比11.3%～20%，微量元素僅占0.3%～4%。劉剛等通過模擬林火中生物質的兩種燃燒方式測定了10種喬木干、綠樹枝燃燒排放煙塵的水溶性離子，結果表明在兩種燃燒狀態(tài)下，K+、Cl-的含量均顯著正相關。干樹枝悶燒時Cl-的排放因子與含水率顯著正相關。這對估算大氣中林火來源的污染物有參考意義，但要準確估算林火來源的水溶性離子時，應多方面考慮燃燒條件、樹種及其含水率等因素的影響[31]。

1.3 燃燒產物中液相物質

森林可燃物燃燒時，生成的液相組分種類繁多，就其理化性質而言也比氣態(tài)成分更加復雜。水汽與CO2是森林火災燃燒的主要產物，兩種物質約占所有煙霧成分的90%～95%。除水汽外，生物質熱解時還會揮發(fā)焦油等液體物質[32-33]。焦油是由芳香烴及其衍生物和多環(huán)芳烴組成的混合物[34]，并且受可燃物燃燒溫度的影響，焦油物質的組分也會產生變化[35]。目前，國內外對于液相組分的研究主要依靠現(xiàn)代化學儀器對煙氣進行分析，如氣相色譜、離子光譜、紅外光譜以及氣質聯(lián)用儀等精密儀器。

姜美玲[36]等利用熱重—傅里葉變換紅外光譜聯(lián)用技術，研究不同粒徑白皮松在木醋液生成過程中存在的差異性，在熱解氣體中發(fā)現(xiàn)含有酮類、醛類、酚類、羧酸類及醇類等液體物質生成。陳祎[37]以松木和稻稈顆粒為原料進行熱解實驗，分析發(fā)現(xiàn)除溫度外可燃物中的木質素含量也會影響芳香烴類焦油的形成。沈亞蘭[38]還發(fā)現(xiàn)水蒸氣和CH4能促進焦油向氣體分子轉化，降低焦油產率。森林火場中溫度可達500℃～1000℃以上，一旦發(fā)生大面積森林火災，森林可燃物在高溫環(huán)境下，揮發(fā)大量組分復雜的液態(tài)焦油?？扇嘉锶紵傻囊后w成分在量上雖不及氣體成分，但也會對生態(tài)系統(tǒng)造成極大的危害。

2 燃燒產物排放特征

森林燃燒是極為復雜的一個過程，不同類型森林可燃物燃燒時所排放煙氣的含量有所不同。森林可燃物在燃燒過程中主要釋放的是氣態(tài)產物，以CO2排放為主，同時還伴有粗、細顆粒物。進行森林火災煙氣釋放特征研究可以揭示不同類別可燃物排放特性差異性，對現(xiàn)階段各地區(qū)森林防火工作具有積極指導作用。

Vicente等[39]測定了夏季葡萄牙野火氣體和微粒排放的信息，獲得關于CO2、CO和CXHY，PM2.5與PM10的排放因子及煙霧詳細化學特征。Levine[40]研究了北方針葉林與闊葉林燃燒煙氣排放量和燃燒效率存在明顯差異，發(fā)現(xiàn)針葉林燃燒效率更高，會產生更多的CO2和CH4。宋禹輝[41]對福建省主要樹種按照針葉與闊葉分類，對比分析相同喬木不同部位燃燒排放煙氣量，結果表明不同喬木樹種的不同器官排放氣體量各不相同，針葉喬木葉釋放CO量低于闊葉喬木。胡海清[42]對小興安嶺林區(qū)的森林可燃物進行燃燒煙氣對比分析，發(fā)現(xiàn)CO2釋放量、含碳氣體總量喬木都大于灌木，且CO、CXHY和SO2的釋放量之間相關性顯著，而NO與這4種氣體之間相關性不顯著。鄧光瑞[43]等通過燃燒實驗比較了不同森林可燃物燃燒過程CO2、CO、CXHY、NO、SO2排放量的大小，從氣體排放特征角度分析了不同森林可燃物燃燒性的異同。他們還發(fā)現(xiàn)可燃物不同部位（枝、葉、皮）燃燒產生氣體含量存在差異；燃燒不充分時，氣體排放量會顯著增多；在明火燃燒階段CO2排放量相比于陰燃階段更高。王韡燁[44]用最低顯著性差異法（LSD）對不同森林可燃物類型氣體排放量進行差異顯著性檢驗。結果表明，不同可燃物類型燃燒五種氣體排放量均存在差異，但差異顯著程度不一致。草本植物燃燒排放量平均值要小于灌木和喬木。CO2排放量遠大于CO排放量。蘇文靜[45]對5種滇中地區(qū)典型樹種樹皮進行煙密度測定，發(fā)現(xiàn)針葉樹種的熱解和燃燒煙密度明顯高于闊葉樹種，提出可燃物質量、含水率等是影響煙密度的重要因素。

3 燃燒產物的主要危害

生物質燃燒釋放煙氣會對大氣環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)及人體健康造成嚴重影響[46-48]。目前已知的森林火災燃燒產物中，主要有毒有害氣體包括CO2、CO、NOX、SO2、HCI、H2S、HN3、HF等無機類物質和烴類、醛類、酮類氣體等有機類物質[49]。森林燃燒過程中向大氣中排放出大量懸浮顆粒物，據(jù)Hoel?zemann[50]研究表明，森林火災在生物質燃燒顆粒物排放中貢獻達42%。懸浮顆粒物攜帶重金屬和有害物質的含量與粒徑大小緊密相關。

3.1 影響天氣

火災排放煙氣中的懸浮顆粒物和氣態(tài)污染物一旦排放超過大氣循環(huán)能力和承載度，其濃度將會在大氣中持續(xù)聚集，在特定條件作用下就會形成霧霾天氣[51]。霧霾致使近空氣層能見度下降，嚴重影響居民的正常生產生活。霧霾天氣出現(xiàn)時，空氣質量差，人員應該減少外出；在交通行駛方面影響嚴重，如導致航班暫停、影響高速公路和輪船通行等。

3.2 影響氣候變化

森林火災增加了大氣中CO2等溫室氣體的含量，成為加速全球氣候變暖的一個重要自然干擾因子。全球每年大約有3.9 Pg碳通過生物質燃燒排放到大氣中，相當于人類每年化石燃料燃燒排放量的70%[52]，林火排放的碳約90%以CO2或CO的形式排放，其余的大多以甲烷、多碳烴和揮發(fā)性有機氧化物形式排放到大氣中。

高強度森林火災釋放的大量溫室氣體，加劇全球溫室效應，破壞生態(tài)系統(tǒng)碳平衡，影響氣候變化。全球變暖的大背景下，森林生長因子，如區(qū)域水資源狀況，害蟲數(shù)量、森林火災等都將對全球或區(qū)域森林的生產力、森林生態(tài)系統(tǒng)的組成與結構及全球森林分布的動態(tài)變化造成顯著影響[53]，甚至可能引發(fā)林火的惡性循環(huán)。

3.3 影響酸雨形成

進入大氣的主要污染物有CO、CXHY、NOX、SO2、懸浮顆粒等，其中SO2和NOX是酸雨的主要來源。雨、雪吸收并溶解了空氣中的NOX、SO2等物質形成生成H2SO4、HNO3等酸性物質，形成酸雨。中國已是僅次于歐洲和北美的第三大酸雨區(qū)。重大森林火災所釋放的NOX、SO2氣體量十分驚人，影響巨大，還具有全球性的特點。酸雨對人體健康、生態(tài)系統(tǒng)和建筑設施都有直接和潛在的危害。酸雨對陸地生態(tài)系統(tǒng)的危害主要以森林生態(tài)系統(tǒng)為受體，一旦酸雨的輸入量超過森林生態(tài)系統(tǒng)本身的負荷能力，森林健康就會受到威脅。酸雨直接影響樹木的生長發(fā)育，降低生物產量，甚至引起森林死亡[54]。

3.4 影響人體健康

森林火災在起始階段，因為O2含量不足、溫度不高，燃燒主要以陰燃為主?？扇嘉锊怀浞秩紵龝尫懦龃罅康腃O。CO會與人體血紅蛋白結合，所受損害程度與CO濃度及接觸時間有關，輕者產生作嘔、不舒服癥狀，重者中毒窒息死亡。可燃物完全燃燒時，主要釋放CO2。CO2危險體積分數(shù)不超過10%，較長時間的暴露情況下允許的體積分數(shù)僅0.5%[51]。CO毒性雖遠大于CO2，可燃物充分燃燒的情況下CO2才是導致人昏迷的主要元兇。燃燒過程中產生的氮氧化物（NO、NO2、N2O）同樣對人體具有危害，其中是NO可直接侵入肺泡內的巨噬細胞，釋放蛋白分解酶，破壞肺泡，引起肺水腫等疾病。

4 結論和展望

人類對森林火災的探索仍處于初始階段，特別是重大、特別重大森林火災的發(fā)生機制、森林燃燒產物的具體成分，生態(tài)系統(tǒng)對火的適應和響應等。通過系統(tǒng)研究森林火災燃燒產物，能夠深入認識森林火災燃燒、蔓延和熄滅規(guī)律，煙氣擴散和影響機理以及大尺度的氣候變化，更好地保護森林生態(tài)系統(tǒng)。

由于森林生態(tài)系統(tǒng)的多樣性、復雜性以及燃燒時候的天氣狀況、燃燒是否充分等眾多的不確定因素，無論從大尺度還是小尺度層面準確估算森林火災氣體釋放量都較為困難。燃燒的產物包括三相物質，但具體的成分、比例以及相互之間的影響還需要深入研究?；馂臒煔獾某煞旨吧闪渴莿討B(tài)變化的，在以后的研究中還可加強有關森林火災煙氣的動態(tài)與靜態(tài)研究，開展煙氣中固態(tài)和液態(tài)的成分含量分析、認識煙氣成分生成與變化規(guī)律也是未來研究的重點。