（東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

由于氣候變暖，極端天氣頻繁發(fā)生，全球生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重威脅[1-2]。氣候變暖主要是由溫室氣體即含碳?xì)怏w增加引起[3]，森林火災(zāi)含碳?xì)怏w排放量僅次于化石燃料燃燒帶來的污染，成為引發(fā)全球變暖的重要因素[4-7]。因此森林火災(zāi)排放含碳?xì)怏w研究引起國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注[8-9]。

國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了這方面的研究。Vicente等[10]測定了夏季葡萄牙野火氣體和微粒排放的信息；Urbanski 等[11]在野火季節(jié)對美國洛杉磯北部山脈的森林大火取樣分析，分別測量了CO2、CO 和CH4的排放因子，計(jì)算了可燃物的燃燒效率（MCE）；Hoelzemann 等[12]針對全球荒地發(fā)生的火災(zāi)開發(fā)了全新的氣體排放模型（GWEM），獲得含碳?xì)怏w排放量和NO 排放量；曹國良等[13]對中國內(nèi)陸各省的生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的污染物進(jìn)行計(jì)算，形成了CO2、CO、CxHy、SO2、NOx等氣體內(nèi)陸排放總量和各省的排放清單；胡海清[14-16]估算了1980—1999年黑龍江省喬木、灌木、草本和地被物林火CO2、CO、CxHy的排放總量以及3 種氣體的排放因子；宋禹輝等[17]根據(jù)自主設(shè)計(jì)的室內(nèi)微型燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在福建省境內(nèi)選出4 種主要喬木樹種，實(shí)測不同器官燃燒CO2、CO、CxHy、NOx和PM2.5的排放量以及排放因子，揭示了福建4 種主要喬木樹種不同器官不同溫度下污染物排放特性。

雖然國內(nèi)外關(guān)于這方面的研究已經(jīng)開展很多，但關(guān)于黑龍江省大興安嶺地區(qū)此類研究尚未報(bào)道。大興安嶺林區(qū)是我國林火災(zāi)害最為嚴(yán)重的地區(qū)，也是最主要的碳匯區(qū)域，在生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的維持中發(fā)揮著重要作用[5-7]。對此區(qū)域進(jìn)行森林火災(zāi)含碳?xì)怏w排放的研究，能夠揭示該區(qū)域主要喬木樹種含碳?xì)怏w的釋放特性[18-20]。以大興安嶺林區(qū)6種主要喬木不同部位（枝、葉）為研究對象，采用室內(nèi)燃燒，對燃燒過程中含碳?xì)怏w進(jìn)行測定，計(jì)算各樹種不同部位每種含碳?xì)怏w釋放量和排放因子，為估算森林火災(zāi)含碳?xì)怏w釋放量及對溫室效應(yīng)的影響提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 自然概況

塔河林業(yè)局位于大興安嶺中心地帶，樣品采集區(qū)位于124°70′E，52°32′N，地處北溫帶，屬寒溫帶大陸性氣候，氣候變化顯著，年均氣溫-2.4 ℃，塔河境內(nèi)地貌復(fù)雜地勢程中高、兩側(cè)低。該區(qū)域?yàn)閲乙活惢痣U(xiǎn)區(qū)，具有林區(qū)90 余萬hm2，森林覆蓋率90%以上，蓄積量有5 600 多萬m3。主要喬木樹種有興安落葉松Larix gmelini、白樺Betula platypylla、山楊Populus davidiana、樟子松Pinus sylvestrisvar.mongolica、魚鱗云杉Picea jezoensis、紅皮云杉Picea koraiensis、蒙古櫟Quercus mongolica和鉆天柳Chosenia arbutifolia等。

1.2 樣地調(diào)查和采樣方法

經(jīng)地調(diào)查后，在該地區(qū)選取6 種喬木樹種作為研究對象，包括興安落葉松、樟子松、紅皮云杉、白樺、山楊和蒙古櫟，采用機(jī)械布點(diǎn)法設(shè)置21 個20 m× 20 m 的樣方,測量并記錄樣方內(nèi)樹種組成比例關(guān)系、樹高、胸徑、郁閉度等指標(biāo)，表1記錄了6 種喬木林分基本信息。在樣方內(nèi)選取胸徑較大、生長在相應(yīng)林型內(nèi)的喬木樹種，對每種喬木采集直徑1 cm 的小枝和葉，稱其鮮質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)后封裝保存，送實(shí)驗(yàn)室分析，林分基本信息見表1。

1.3 排放量的測定

將封裝標(biāo)記好的樣品連同信封進(jìn)行稱質(zhì)量，放入烘干箱，設(shè)定105 ℃持續(xù)烘干至連續(xù)兩次稱質(zhì)量不再變化。用粉碎機(jī)粉碎樣品后放入研磨儀研磨，選用100 孔目篩過濾，用分析天平稱取30 g 樣品裝入封口袋并保存入干燥器內(nèi)備用。進(jìn)行試驗(yàn)時，每種樣品取5 g，放入燃燒系統(tǒng)（燃燒系統(tǒng)包含電加熱系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、顆粒物過濾系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和煙氣排放系統(tǒng)組成）加熱箱內(nèi)，將Testo350煙氣分析儀的探測煙槍放入煙氣收集管道，設(shè)定加熱溫度為480 ℃，加熱時長為30 min[15]，使用儀器配套軟件和傳感器測量并記錄含碳?xì)怏w濃度，Testo350 煙氣分析儀是利用電化學(xué)原理，抽入的煙氣在分析箱內(nèi)部沿著氣依次經(jīng)過各個傳感器，在傳感器內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，輸出電信號至手操器，測定記錄單位為mg·dm-3，測量結(jié)束后，用煙氣排放系統(tǒng)清理存留煙氣，待燃燒箱冷卻至室溫，有害氣體濃度參數(shù)降至零時，取出燃燒托盤稱量記錄灰分質(zhì)量，每組樣品做3 次重復(fù)。

表1 6 種喬木樹種林分基本信息Table 1 Basic information of six species of arbor species

1.4 排放因子計(jì)算

各類生物質(zhì)燃燒排放氣體的排放因子有很多計(jì)算方法，本研究采用的排放因子的計(jì)算方法為：

式（1）中：EFi（Emission factor，EF）為氣體i的排放因子，計(jì)量單位為g·kg-1；Mi為某氣體污染物質(zhì)i的總排放量；MFuel為喬木樹種i燃燒總量[21]。

本文排放因子的計(jì)算中，某氣態(tài)污染物的總排放量是根據(jù)測得的這種氣態(tài)污染物的濃度和煙氣存儲箱體積計(jì)算得出，某燃料的燃燒總量是用燃燒前質(zhì)量減去燃燒后未被燃燒的灰燼質(zhì)量得到。

1.5 修正燃燒效率MCE 的計(jì)算

如果實(shí)驗(yàn)過程中只有濃度可以測得，那么通過修正燃燒效率可以區(qū)分整個燃燒過程是明火燃燒還是悶火燃燒占主導(dǎo)支配。本研究修正燃燒效率算法是用CO2質(zhì)量濃度除以CO 和CO2質(zhì)量濃度之和得出：

式（2）中：MCE 為修正燃燒效率；C[CO]為CO 質(zhì)量濃度；C[CO2]為CO2質(zhì)量濃度，單位為mg·dm-3。

1.6 研究方法

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2013 進(jìn)行整理和計(jì)算，利用Testo350 煙氣分析儀自帶軟件記錄氣體排放濃度，采用SPSS 22.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行SNK（Student-Newman-Keuls）方差分析檢驗(yàn)顯著性，用Sigma-Plot 12.5 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同喬木含碳?xì)怏w釋放量

表2給出6 種喬木樹種5 g 樣品燃燒產(chǎn)生含碳?xì)怏w排放量結(jié)果。可以看出，枝和葉的CO 氣體排放量均值分別為2 406.18、2 297.43 mg·dm-3，不同樹種枝CO 排放量由大到小依次為樟子松＞紅皮云杉＞白樺＞山楊＞興安落葉松＞蒙古櫟，葉的從大到小依次為紅皮云杉＞興安落葉松＞樟子松＞山楊＞蒙古櫟＞白樺，最大值是最小值的1.79 倍；枝的CO2氣體排放量均值為 18 486.11 mg·dm-3，葉為20 548.6 mg·dm-3，不同樹種枝CO2排放量由大到小依次為紅皮云杉＞興安落葉松＞白樺＞樟子松＞山楊＞蒙古櫟，葉的從大到小依次為興安落葉松＞山楊＞白樺＞紅皮云杉=蒙古櫟＞樟子松，最大值是最小值的1.26 倍；枝的CxHy氣體排放量均值為184.88 mg·dm-3，葉為166.27 mg·dm-3，不同樹種枝CxHy排放量由大到小依次為：山楊＞樟子松＞白樺＞紅皮云杉＞蒙古櫟＞興安落葉松，葉的從大大小依次為：山楊＞樟子松＞白樺＞興安落葉松＞紅皮云杉＞蒙古櫟，最大值是最小值的2.14 倍。

表2 6 種喬木樹種5 g 樣品燃燒煙氣排放量測定結(jié)果Table 2 Determination of flue gas emissions from 5 g samples of six species of arbor species

2.2 不同喬木含碳?xì)怏w釋放量的差異

圖1給出6 種喬木的枝和葉含碳?xì)怏w釋放量差異性分析結(jié)果?？梢钥闯?，對于不同喬木同種部位來說，蒙古櫟枝CO 排放量顯著低于樟子松和紅皮云杉，其余樹種之間差異都不顯著。3 種闊葉喬木葉的CO 排放量白樺顯著低于山楊和蒙古櫟，3 種針葉喬木葉的CO 排放量差異不顯著，針葉喬木葉的CO 排放量顯著高于闊葉喬木葉的CO 排放量；6 種喬木枝的CO2氣體排放量差異性均不顯著，樟子松葉的CO2氣體排放量顯著低于其余5 種喬木，且剩余5 種喬木葉的CO2排放量差異不顯著；興安落葉松枝的CxHy排放量顯著低于樟子松和山楊，其余樹種之間均為差異性不顯著，興安落葉松葉的CxHy排放量顯著高于其他樹種，蒙古櫟葉排放量顯著低于其他樹種，其余樹種間CxHy排放量差異不顯著。3 種闊葉喬木葉之間CxHy排放量差異都達(dá)到了顯著水平，而3 種針葉喬木葉之間的CxHy排放量異性都不顯著。

圖1 6 種喬木樹種排放氣體差異性分析Fig.1 Difference analysis of emission gases of six arbor species

對于同種喬木不同部位，樟子松枝和葉的CO釋放量沒有顯著差異，剩余5 種喬木枝和葉的CO排放量都差異顯著，其中針葉樹種的枝的CO 排放量都顯著低于葉，闊葉樹種正好相反；興安落葉 松、白樺、山楊和蒙古櫟葉片的CO2釋放量都顯著高于枝，其余兩種喬木枝葉差異不顯著；樟子松和蒙古櫟的枝燃燒釋放CxHy量要顯著高于葉，其余喬木枝和葉CxHy的釋放量差異不顯著。

因不同喬木樹種的相同器官所含有的化學(xué)元素成分比例不同，碳含量存在差異，所以相同燃燒條件下所釋放的含碳?xì)怏w存在相應(yīng)的差異[23]，F(xiàn)earnside[24]，Levine 等[25]研究表明不同的生物質(zhì)燃燒效率有著很大差別，北方針葉林的燃燒效率較低，同一燃燒條件下葉的燃燒效率比枝高。本研究中葉的CO 排放量針葉樹種顯著高于闊葉樹種，可能是這3 種針葉樹種葉的含碳量較高，葉的樹脂含量和枝的樹脂含量有差別，同樣燃燒效率上針葉樹種葉的燃燒效率也都低于相應(yīng)樹種枝的燃燒效率，也可以說明因?yàn)槿紵什桓邔?dǎo)致CO 排放量較大。同一樹種葉的CO2排放量都高于枝，這是因?yàn)橹εc葉的燃燒充分程度不同、選取的6種樹種葉片含碳量都高于各自枝含碳量有關(guān)[23]，CxHy排放量的高低是由樹種的特異性差異引起的，未體現(xiàn)出明顯的規(guī)律。

2.3 不同喬木含碳?xì)怏w排放因子

通過室內(nèi)燃燒試驗(yàn)氣體釋放量，計(jì)算得到排放因子（表3）。6 種喬木的枝和葉釋放的CO、CO2、CxHy（以CH4計(jì)算）的排放因子的范圍分別為118.97～216.15、1 290.12～1 672.50、8.10～17.32 g·kg-1。6 種喬木樹種中CO2的排放因子明顯要比CO、CxHy的排放因子大。紅皮云杉葉的EFCO最大，白樺葉最?。籈FCO2興安落葉松葉的最大，蒙古櫟枝的最小，除樟子松以外的5 種喬木的EFCO2均為葉大于枝；CO2在氣體排放中占主導(dǎo)地位，其次是CO 排放因子較大，釋放量也較大，而CxHy的排放因子較小，釋放量也最少；CxHy排放因子中山楊葉最大，蒙古櫟葉最小，前者是后者是的2.14 倍。

表3可以看出，CO 排放因子中3 種針葉喬木葉的排放因子都比各自枝的大，3 種闊葉喬木CO排放因子則是葉的排放因子比各自枝的小，CO 排放因子針葉喬木葉都大于闊葉喬木葉，這是由于針葉喬木與闊葉喬木葉片結(jié)構(gòu)存在明顯差異，等量可燃物在相同燃燒情況下針葉喬木葉片燃燒效率較低，不能充分燃燒，導(dǎo)致CO 排放因子量較大。CO2排放因子中6 種喬木葉的排放因子都比各自枝的大，這與葉片含碳量較高和葉的燃燒特性好有關(guān)。CxHy的排放因子大小則沒有表現(xiàn)出有規(guī)律的變化，是由樹種本身特性決定的。

2.4 不同喬木修正燃燒效率分析

表4給出6 種樹種的MCE，白樺葉最高為0.930，樟子松葉的最低為0.871，可以看出葉的MCE 中3 種闊葉樹種都明顯大于3 種針葉樹種；針葉樹種中各自葉的MCE 都小于各自枝的MCE，而闊葉樹種中葉的MCE 都明顯大于各自的枝。

這可能是由于葉片結(jié)構(gòu)成分造成的，表現(xiàn)出闊葉樹種的葉相對于針葉樹種的葉MCE 更高，針葉喬木與闊葉喬木的枝葉等器官在結(jié)構(gòu)成分上有很大差異，所以針葉樹種和闊葉樹種各自枝和葉的MCE 大小對比呈現(xiàn)出相反的結(jié)果，對比表2發(fā)現(xiàn)，因?yàn)獒樔~樹種葉的MCE 明顯比闊葉樹種葉的MCE 低，在CO 排放量上也可以體現(xiàn)出針葉喬木葉的CO 排放量顯著大于闊葉的CO 排放量，所以計(jì)算燃燒效率對準(zhǔn)確估算森林火災(zāi)CO 釋放量上十分關(guān)鍵[31]。

表3 6 種喬木樹種枝和葉的排放因子Table 3 Emission factors of 6 species of arbor tree branches and leaves

表4 6 種喬木樹種枝和葉的MCE（比值）?Table 4 Emission factors of 6 species of arbor tree branches and leaves

3 結(jié)論與討論

測定大興安嶺6 種喬木枝、葉燃燒含碳?xì)怏w的排放量，燃燒過程中排放氣體以CO2為主，CO和CxHy釋放量較小，可燃物燃燒要經(jīng)歷可燃物預(yù)熱、熱分解、無焰燃燒、有焰燃燒的各個過程，因燃燒條件設(shè)置為氧氣充足，所以會出現(xiàn)不完全燃燒產(chǎn)物CO 和CxHy排放量小，CO2排放量大；6 種喬木枝之間的CO 排放量存在差異，葉之間的CO 排放量也存在差異，但差異性不一致，這是因?yàn)椴煌镔|(zhì)無焰燃燒持續(xù)的時間、可燃物燃燒性、燃燒效率不同，造成不同生物質(zhì)CO 釋放時間的長短不同、釋放量存在較大差異；6 種喬木枝的CO2氣體排放量差異性均不顯著，6 種喬木葉的CO2氣體排放量（興安落葉松、紅皮云杉、白樺、山楊、蒙古櫟）之間無顯著性差異且都顯著大于樟子松，出現(xiàn)這種情況的主要原因是在氧氣充足的條件下，可燃物燃燒充分，可燃物含碳量相近，導(dǎo)致不同可燃物充分燃燒生成的CO2氣體差異不顯著；6 種喬木枝之間CxHy排放量興安落葉松顯著低于其它樹種，6 種喬木葉之間的CxHy排放量存在差異，但差異性不一致，主要是由于植物本身的理化性質(zhì)導(dǎo)致有焰燃燒持續(xù)的時間和可燃物燃燒效率不同，導(dǎo)致燃燒實(shí)驗(yàn)中CxHy排放量差異顯著。

排放因子是估算森林火災(zāi)含碳?xì)怏w以及其他氣體排放量所必需的參數(shù)，本實(shí)驗(yàn)研究了大興安嶺6 種主要樹種（興安落葉松、樟子松、紅皮云杉、白樺、山楊、蒙古櫟）的枝和葉在480 ℃燃燒的狀態(tài)下，各個部位的排放因子分別為：枝的CO 164.44～186.57 g·kg-1，葉的CO141.93～216.15 g·kg-1；枝的CO21 290.12～1 414.29 g·kg-1，葉的CO21 311.13～1 672.50 g·kg-1；枝的CxHy11.29～16.29 g·kg-1，葉的CxHy8.10～17.32 g·kg-1。研究成果與郭福濤等[17]得到的福建省4 種主要喬木樹種的枝、葉在280℃條件下燃燒，計(jì)算排放因子CO 枝為（258.5±23.4）g·kg-1，葉為（248.6± 8.8）g·kg-1，CO2枝為（1 543.9±64.1）g·kg-1，葉為（1621.8±82.2）g·kg-1，CxHy枝為（15.6± 3.4）g·kg-1，葉為（18.9±4.0）g·kg-1；CO 排 放因子大于本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，CO2和CxHy結(jié)果與本研究接近，這是燃燒溫度不同和樹種差異導(dǎo)致的，燃燒溫度不同會對排放含碳?xì)怏w，尤其是CO等不完全燃燒物質(zhì)有顯著影響，低強(qiáng)度火會促進(jìn)CO 等污染物的排放。本研究結(jié)果大于莊亞輝等[26]測定的植物枝、葉和凋落物的排放因子CO2（59.62±16）%、CO（8.48±2.66）%、CH4（0.78± 0.39）%，這是因?yàn)椴捎玫挠?jì)算方法不同帶來的差異，本文計(jì)算排放因子EFi的方法為采取某種氣態(tài)污染物排放總量與喬木枝、葉的物質(zhì)燃燒總量的比值，莊亞輝是用含碳?xì)怏w中的碳量與生物質(zhì)燃燒過程損失的總碳量的比值計(jì)算排放因子。無論是該研究還是國內(nèi)外的其他研究結(jié)果，因生物質(zhì)燃料、計(jì)算方法、實(shí)驗(yàn)裝置和燃燒條件等不同，得到的排放因子都存在一定差異。Sinha 等[27]在火災(zāi)上空直接采樣，測得非洲南部不同國家地區(qū)的 森林火災(zāi)氣體排放因子：CO2（1 700±60）g·kg-1、CO（68±30）g·kg-1、CH4（1.70±0.98）g·kg-1，其中EFCO2與本文接近，EFCO、EFCH4比本文測得的排放因子要小。Urbanski[11]等研究了有關(guān)美國洛磯山脈北部林火災(zāi)害，測量了生物質(zhì)燃燒效率，量化為改進(jìn)的燃燒效率（MCE），以及CO2、CO和CH4的EFi，對MCE、EFCO2、EFCO和EFCH4的研究平均值分別為0.883、1596 g·kg-1、135 g·kg-1、7.30 g·kg-1與本文相比EFCO2接近、EFCO、EFCH4和MCE都較小，這有可能是自然條件下地面森林可燃物不能完全燃燒，燃燒效率低于室內(nèi)試驗(yàn)造成的。

明燃時MCE 的數(shù)值范圍在0.85～0.99 之間，燃燒程度較低時，會產(chǎn)生較多的不完全燃燒產(chǎn)物[28-30]，本文的MCE 數(shù)值范圍從0.871～0.930處于明然狀態(tài)，葉的MCE 針葉喬木小于闊葉喬木，葉的CO 排放量針葉喬木明顯多于闊葉喬木，說明大興安嶺主要針葉喬木葉燃燒效率比闊葉喬木低。本研究與Levine 等[25]研究的北方森林針葉喬木燃燒效率低的結(jié)果相同。

國內(nèi)在森林火災(zāi)碳排放領(lǐng)域中對有機(jī)碳（OC），元素碳（EC）、多環(huán)芳烴等研究逐步深入，近年來細(xì)小顆粒物（PM2.5～10）等成為研究熱點(diǎn)；國外森林火災(zāi)排放污染物的研究中，在采樣方法上早已從室內(nèi)微型燃燒試驗(yàn)轉(zhuǎn)向空中直接采樣，在火災(zāi)中直接測得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而我國對火災(zāi)中直接測得痕量氣體的研究還不完善，也應(yīng)盡快從室內(nèi)微型模擬燃燒向野外實(shí)測轉(zhuǎn)變。通過修正燃燒效率（MCE）值的區(qū)間判定可燃物明然與陰燃的主導(dǎo)性，自然環(huán)境發(fā)生的森林火災(zāi)，由于火燒強(qiáng)度、生物質(zhì)成分、氧氣濃度的不同都會對修正燃燒效率產(chǎn)生影響，導(dǎo)致氣體排放因子也有所差異，因此對大興安嶺主要喬木樹種在不同條件下的燃燒效率還要繼續(xù)深入研究。