不同燃燒狀態(tài)下大興安嶺主要喬灌樹種碳排放分析

郭林飛, 馬遠帆, 郭新彬, 鄭文霞, 郭福濤

(1.福建農(nóng)林大學林學院；2.海峽兩岸紅壤區(qū)水土保持協(xié)同創(chuàng)新中心,福建 福州 350002)

森林火災作為一種常見的自然災害，不僅對森林生態(tài)系統(tǒng)有直接影響[1]，其釋放的大量煙氣顆粒物對大氣環(huán)境和人體健康也有嚴重影響[2-5].森林火災是重要的碳排放源，據(jù)統(tǒng)計全球每年森林火災面積高達3.36～3.50 106 hm2[6-7]，向空氣中釋放2 078～2 460 109 kg的碳，相當于全球化石燃料燃燒和工業(yè)排放總量的1/3[8]，近年來森林火災的危害程度不斷加大，已引起了國內(nèi)外學者廣泛關注[9-12]，被認為是全球最主要碳排放源之一[13].

大興安嶺是我國重點火險區(qū)[14]，揭示該地區(qū)主要森林可燃物燃燒含碳物質(zhì)的排放特性，對揭示林火與區(qū)域碳平衡的關系、評價森林火災對大氣環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)的影響具有重要意義.目前關于大興安嶺地區(qū)林火碳排放的研究主要集中在顆粒污染物排放總量的估算上[15-17],部分研究計算了主要喬木樹種燃燒釋放含碳氣體的排放因子[18-20].在實際燃燒過程中由于風力、風向、空氣濕度以及地形因素的影響，無法對林火碳排放進行精確計算，導致最終估算結果與實際有較大差異.此外，有研究顯示在不同燃燒狀態(tài)下陰燃(明燃)林火燃燒釋放煙氣顆粒物存在顯著差異，而目前關于燃燒狀態(tài)對林火煙氣顆粒物碳排放特性影響的研究還鮮有報道，這阻礙了系統(tǒng)揭示大興安嶺乃至我國整個北方針葉林帶林火的碳釋放能力.

鑒于此，本研究選擇大興安嶺地區(qū)9種常見喬灌木樹種的枝、葉作為研究對象，利用自主研發(fā)的可燃物燃燒分析系統(tǒng)，分析計算不同可燃物在不同燃燒狀態(tài)下的含碳氣態(tài)(CO、CO2、CxHy)和固態(tài)污染物(PM2.5)中碳排放因子，并對比分析不同樹種和組織器官間的碳排放差異，研究結論可為大興安嶺地區(qū)林火碳排放的估算提供數(shù)據(jù)支持，為林火對大氣環(huán)境影響評價提供科學依據(jù).

1 材料與方法

1.1 樣品采集

大興安嶺喬木樹種以天然興安落葉松(Larixgmelinii)為主，其次為樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、白樺(Betulaplatyphylla)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、山楊(Populusdavidiana)，林下灌木主要為興安杜鵑(RhododendrondauricumL.)、珍珠梅(Sorbariakirilowii)、胡枝子(Lespedezabicolor)、榛子(CorylusheterophyllaFisch.)，因此本研究選用這9種樹種的枝和葉作為研究對象，為保證樣品采集背景值一致，減少由于大氣污染(機動車、工廠)導致的植物葉面顆粒污染物沉積引起的誤差，采樣地選為大興安嶺地區(qū)加格達奇機場南營林科研站附近，遠離市區(qū)與公路，采樣時間選擇樹種枝葉茂盛期7月.由于本研究為大尺度碳排放估算數(shù)據(jù)支持，不需要精確到不同林齡，因此本研究中9種喬灌樹種均選擇相同坡向的8至10株成熟個體，分別取其枝葉各1 000 g，分別裝于不同牛皮袋中.每種樣本需在烘箱中105 ℃條件下持續(xù)加熱至恒重，以排除含水率差異造成的影響，然后剪成約5 cm以保證樣本充分燃燒.將處理好的樣品分6份裝于牛皮袋中等待后續(xù)試驗，每袋樣品分別做陰燃和明燃兩種試驗，共計6次重復.

1.2 試驗方法

通常認為燃燒分為陰燃和明燃兩種狀態(tài)，不同燃燒狀態(tài)下污染物排放量存在顯著差異[21].用校正燃燒效率(modified combution efficiency, MCE)來表征燃燒狀態(tài)，其定義是CO2與CO和CO2質(zhì)量濃度變化量的比值：

其中ΔCO2表示二氧化碳變化量，ΔCO表示一氧化碳變化量，一般認為MCE達到0.99即明燃，MCE為0.65～0.85之間為陰燃[22-24].通過多次預試驗得到這2個燃燒狀態(tài)的溫度分別為180 ℃和290 ℃.

在開始燃燒試驗之前，首先調(diào)節(jié)溫度控制器使燃燒室溫度滿足陰燃或明燃條件，然后打開煙氣分析儀與顆粒物分析儀，并用標準氣體進行校準，將處理過的樣品用電子天平分別稱取15 g后用于燃燒試驗.在樣品添加之前首先對燃燒室的氣體和顆粒物進行檢測作為空白對照，然后將稱量好的樣品添加到燃燒裝置并立即打開顆粒物采樣器采集PM2.5，同時使用煙氣分析儀與顆粒物分析儀對燃燒室煙氣進行實時監(jiān)測，顯示煙氣中各種污染物的濃度，用于計算顆粒物的排放因子和校正燃燒效率，2種燃燒狀態(tài)下顆粒物的采集均保證持續(xù)到無煙氣排放為止，將采樣后的濾膜用錫箔紙包好保存于干燥皿中等待后續(xù)成分分析試驗，每種樣品進行6次平行試驗.

顆粒物的采集選用無機石英膜，使用前需將其放在馬弗爐內(nèi)450 ℃下烘烤3 h以除去水和揮發(fā)性物質(zhì)，并置于干燥皿中24 h確保質(zhì)量恒定后稱量記錄(天平精度：10～5 g).顆粒物中碳質(zhì)組分的測定采用元素分析儀，將采樣后的石英膜稱量記錄，并剪碎用錫箔紙包好后放入儀器中，分別將溫度提升至1 000 ℃與450 ℃，通氧助燃測得總碳含量(TC)與有機碳含量(OC).由于燃燒產(chǎn)生的煙氣中碳酸鹽碳(CC)組分含量極低(可忽略不計)，因此元素碳(EC)可用公式CEC=CTC-COC(TC為總碳、OC為有機碳)計算[25].

1.3 排放因子計算方法

可燃物燃燒排放的污染物主要有CO、CO2、CxHy以及固體顆粒物.因此，可根據(jù)碳守恒的原則分別計算出CO、CO2和CxHy的排放因子，這種方法首先需要設定一個不完全燃燒系數(shù)PIC：

(1)

在上式中，CC-CO為CO的碳排放；CC-THC為THC的碳排放；CC-PM為顆粒物的碳排放；CC-CO2為CO2的碳排放.則CO2排放因子為：

(2)

上式中，EFCO2代表CO2排放因子；Cf代表樣本碳質(zhì)量；Ca代表灰分碳質(zhì)量；fCO2代表CO2中的碳和CO2的轉(zhuǎn)換因子(即44/12=3.67)；M代表樣本質(zhì)量.

即可求得目標化合物的排放因子為：

(3)

上式中，EFi為目標化合物排放因子；Ci為目標化合物濃度；CCO2為CO2濃度；EFCO2為CO2排放因子.

該方法測定的是某一時刻的目標化合物排放因子，因為燃燒是一個持續(xù)變化的過程，所以將整個燃燒過程中的排放因子平均值定為該燃燒狀態(tài)下目標化合物的排放因子.

2 結果與分析

2.1 明燃狀態(tài)下不同樹種枝、葉釋放含碳物質(zhì)分析

如表1所示，在明燃狀態(tài)下不同樹種枝(葉)燃燒CO、CO2、CxHy、PM2.5以及OC、EC的平均排放因子分別為181.51(180.17)、1 509.25(1 496.59)、36.96(28.84)、6.25(3.79) 、3.01(2.09)、0.52(0.27) g·kg-1，所有含碳物質(zhì)的排放因子均表現(xiàn)為枝大于葉.

表1 枝葉明燃狀態(tài)下含碳物質(zhì)的平均排放因子

如圖2所示，胡枝子與榛子CO排放因子均顯著高于其他樹種，而在CO2的排放因子中除了胡枝子枝顯著高于其他樹種外，無論枝葉之間還是不同樹種之間，排放因子大小差距均較小，Clements et al[24]對濕地松葉進行微燃燒試驗，結果顯示CO2排放因子為1 094～1 178 g·kg-1；Lobert et al[27]分析松針、稻草、煙草燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣得出CO2排放因子取值范圍是826～1 670 g·kg-1；Wardoyo et al[28]對昆士蘭東南部森林中5種常見樹種進行實驗室模擬燃燒，發(fā)現(xiàn)其CO2平均排放因子為1 250±280 g·kg-1，與本試驗9個樹種枝葉的CO2排放因子差異較小，因此可以初步認為明燃狀態(tài)下樹種差異對CO2排放因子的影響有限.

從CxHy的排放因子看，枝排放因子普遍大于葉，且無論枝葉興安杜鵑的排放因子均最高，而胡枝子排放因子最低，興安杜鵑枝的排放因子是胡枝子枝的4倍，興安杜鵑葉的排放因子是胡枝子葉的3.48倍，CxHy在太陽紫外線的作用下會引發(fā)光化學污染，是光化學煙霧的引發(fā)劑之一[29]，因此可初步認為興安杜鵑的燃燒對光化學污染產(chǎn)生的貢獻率較高，而胡枝子的貢獻率較低.

從PM2.5的排放因子看，5種喬木的排放因子差異顯著，其中樟子松枝葉排放因子均顯著高于其他樹種，而灌木之間差異較小.樟子松的排放因子是珍珠梅的4.18倍，是胡枝子的2.88倍.鞠園華等[30]測得馬尾松、杉木、樟樹、桉樹4種福建主要喬木明燃時PM2.5排放因子范圍是5.34～14.61 g·kg-1，Cereceda-Balic et al[31]測得藍桉、輻射松和南青岡等3種樹木PM2.5的排放因子范圍為0.84～1.33 g·kg-1，而本研究中9個樹種PM2.5排放因子范圍是3.79～6.25 g·kg-1，3次研究所得結論均有顯著差異，說明樹種對PM2.5的排放因子影響顯著.

從PM2.5中OC、EC的排放因子看，OC的排放因子與PM2.5相似，無論枝葉樟子松排放因子均為最高而興安杜鵑排放因子最低，樟子松的排放因子是興安杜鵑的3.68倍；EC的排放因子表現(xiàn)為落葉松的排放因子顯著高于其他樹種，落葉松枝葉排放因子是興安杜鵑排放因子的9.2倍，灌木之間兩種排放因子沒有顯著差異.

2.2 陰燃狀態(tài)下不同樹種枝、葉釋放污染物分析

如表2所示，在陰燃狀態(tài)下，不同樹種枝(葉)燃燒CO、CO2、CxHy、PM2.5以及OC、EC的平均排放因子分別為184.29(228.95)、1 122.98(1 402.57)、53.52(53.97)、5.58(5.98)、2.89(3.15)、1.03(0.88) g·kg-1，與明燃狀態(tài)相反，陰燃時煙氣中含碳物質(zhì)的排放因子普遍表現(xiàn)為葉大于枝.

表2 枝葉陰燃狀態(tài)下含碳物質(zhì)的平均排放因子

如圖3所示，葉的CO排放因子普遍高于枝，而胡枝子與榛子與明燃狀態(tài)下相同，排放因子均顯著高于其他樹種.從CO2的排放因子看,與CO排放因子相同，均表現(xiàn)為葉大于枝.此外，灌木的排放因子普遍大于喬木，其中榛子枝的CO2排放因子為白樺枝的2.29倍，榛子葉為樟子松葉的2.36倍.

從CxHy的排放因子看，無論枝和葉白樺的排放因子均為最高而胡枝子的排放因子均為最低，白樺枝的CxHy排放因子為胡枝子的3.83倍，葉為胡枝子的3.24倍.與明燃狀態(tài)相同，胡枝子在陰燃狀態(tài)下對光化學污染產(chǎn)生也有較低的貢獻率，而在陰燃狀態(tài)下貢獻率最高的為白樺.

從PM2.5的排放因子看，5種喬木PM2.5的排放因子差異顯著，而4種灌木排放因子差異較小.其中樟子松枝葉排放因子均顯著高于其他樹種，與排放因子最小的珍珠梅相比，樟子松枝的排放因子為珍珠梅枝的4.73倍，樟子松葉的排放因子為珍珠梅葉的7.94倍.

從PM2.5中OC、EC的排放因子看，其規(guī)律與PM2.5一致，其中枝葉樟子松OC排放因子均為最高，而興安杜鵑排放因子最低，樟子松的排放因子是興安杜鵑的6.89倍；EC的排放因子表現(xiàn)為落葉松的排放因子顯著高于其他樹種，落葉松枝葉排放因子是興安杜鵑排放因子的6.68倍，灌木之間兩種排放因子差異較小.

2.3 不同燃燒狀態(tài)下各樹種排放因子比較

同一樹種在不同的燃燒狀態(tài)下污染物排放因子會有顯著差異[32]，如表3所示，各樹種枝葉在不同燃燒狀態(tài)下污染物排放因子具有顯著規(guī)律性，其中CO、CxHy、PM2.5以及PM2.5中的OC、EC排放因子均表現(xiàn)為陰燃大于明燃，而CO2排放因子則與之相反，表現(xiàn)為陰燃小于明燃，這一結果是由于陰燃狀態(tài)下燃燒不充分所致，這與國內(nèi)其他學者研究結論相一致，王俊芳[33]研究表明，生物質(zhì)秸稈陰燃時，CO排放因子大于CO2，而明燃狀態(tài)則相反；楊宗偉等[34]對不同種類喬木凋落物燃燒產(chǎn)生PM2.5排放因子分析發(fā)現(xiàn)陰燃狀態(tài)是明燃的約4.7倍；沈國鋒[24]對煤炭、秸稈、柴薪等固體燃料在不同燃燒狀態(tài)下產(chǎn)生的煙氣進行研究，發(fā)現(xiàn)陰燃有利于顆粒物的排放；Futao G et al[35]對馬尾松、夾竹桃、杉木、樟樹、桉樹、閩南6種喬木進行燃燒試驗，發(fā)現(xiàn)無論枝葉陰燃時PM2.5排放因子顯著大于明燃；黃柯等[36]對10種喬木干、鮮樹枝進行模擬燃燒，發(fā)現(xiàn)所有排放因子均表現(xiàn)為陰燃大于明燃.

表3 不同燃燒狀態(tài)下各樹種含碳物質(zhì)平均排放因子

2.4 不同燃燒狀態(tài)下喬灌木之間排放因子差異

在不同燃燒狀態(tài)下喬灌木具體排放因子如表4所示，從CO排放因子來看喬灌木無論枝葉均表現(xiàn)為陰燃排放因子大于明燃，在兩種燃燒狀態(tài)下灌木枝排放因子均大于喬木枝，明燃狀態(tài)下灌木葉排放因子大于喬木，而陰燃狀態(tài)下喬木葉與灌木葉排放因子沒有顯著差異；從CO2排放因子來看，與CO排放因子相同，無論枝葉均表現(xiàn)為陰燃大于明燃，且在兩種燃燒狀態(tài)下灌木枝葉排放因子均大于喬木，而同類樹種枝葉間排放因子沒有顯著差異；從CxHy排放因子來看，陰燃仍大于明燃，而在明燃狀態(tài)下灌木排放因子大于喬木，陰燃狀態(tài)下正好相反，表現(xiàn)為喬木大于灌木；從PM2.5排放因子來看，灌木枝明燃排放因子顯著大于陰燃，而喬木枝葉以及灌木葉則表現(xiàn)為陰燃排放因子顯著大于明燃，兩種燃燒狀態(tài)下喬木枝葉排放因子均顯著大于灌木枝葉，而同類樹種之間在兩種燃燒狀態(tài)下枝的排放因子普遍大于葉，其中灌木枝葉之間在陰燃狀態(tài)下排放因子沒有顯著差異；從OC、EC排放因子來看，在兩種燃燒狀態(tài)下枝葉排放因子均表現(xiàn)為喬木大于灌木，OC排放因子除灌木枝外均為陰燃大于明燃，而EC排放因子全部表現(xiàn)為陰燃大于明燃.

表4 不同燃燒狀態(tài)下喬灌樹種枝葉含碳物質(zhì)平均排放因子1)

1)不同的大寫字母表明枝、葉在不同燃燒狀態(tài)下顯著差異(P<0.05)；不同的小寫字母表明喬灌木枝/葉之間存在顯著差異.

胡海清等[37]對小興安嶺19種喬灌樹種進行燃燒試驗，發(fā)現(xiàn)喬木(灌木)CO、CO2、CxHy排放因子分別為231.58(282.93)、1 227.04(1149.06)、17.65(15.18 mg·g-1，與本研究結果相比CO排放因子均表現(xiàn)為灌木大于喬木，CO2排放因子規(guī)律相反，CxHy排放因子在陰燃狀態(tài)下與前人研究相同，而明燃狀態(tài)下相反，這可能是由于試驗樣本差異以及燃燒情況差異所導致.

3 結論

(1)胡枝子與榛子的CO排放因子無論陰燃還是明燃，均顯著高于其他樹種.明燃狀態(tài)下樹種差異對CO2排放因子沒有顯著影響，陰燃狀態(tài)下灌木的CO2排放因子普遍大于喬木；明燃狀態(tài)下興安杜鵑的CxHy排放因子最高，陰燃狀態(tài)下白樺的CxHy排放因子最高，在兩種燃燒狀態(tài)下胡枝子的CxHy排放因子均為最低.此外，在陰燃狀態(tài)下喬木的排放因子普遍高于灌木.(2)9種不同樹種CO、CxHy、PM2.5以及OC、EC的排放因子普遍表現(xiàn)為陰燃大于明燃，而CO2排放因子則與之相反，表現(xiàn)為陰燃小于明燃.(3)在兩種燃燒狀態(tài)下喬木PM2.5排放因子均大于灌木，且5種喬木排放因子差異顯著而4種灌木排放因子差異較小.其中OC、EC的排放因子與PM2.5結果相似，表現(xiàn)為在2種燃燒狀態(tài)下喬木的排放因子大于灌木，且灌木之間排放因子沒有顯著差異.(4)CO、CO2排放因子無論枝葉均表現(xiàn)為灌木大于喬木；CxHy排放因子在明燃狀態(tài)下灌木顯著大于喬木，而陰燃狀態(tài)下正好相反，表現(xiàn)為喬木顯著大于灌木； PM2.5的排放因子正好與CO以及CO2相反，無論枝葉均表現(xiàn)為喬木顯著大于灌木.