云南省八種主要喬木燃燒釋放煙氣及顆粒物特性分析

郭雨萱, 魏 帽, 田明月, 孫馨宇, 鄭文霞, 馬遠帆, 郭福濤*

1.福建農林大學林學院， 福建 福州 350002

2.海峽兩岸紅壤區水土保持協同創新中心， 福建 福州 350002

森林火災被聯合國糧食和農業組織定義為當今世界八大災害之一，林火釋放大量煙氣及細小顆粒物，對大氣環境、森林生態系統和人類健康造成重要影響[1-5]. 研究表明，2001—2004年全球平均林火燃燒面積為2.97×104～3.74×104hm2，其排放的顆粒污染物占全球生物質燃燒的42%以上[6-7]，1980—2005年僅中國北方地區燒毀了約10×104hm2的森林資源[8]. 目前，林火煙氣污染物的理化特性、蔓延規律以及對大氣環境的影響已成為國外學者聚焦的研究熱點[9-15]，我國這類基礎性研究尚處于起步階段，基礎數據庫覆蓋面較低，前期研究主要集中在煙氣排放量的估算[16-18]，缺少對污染物排放特性的系統性揭示.

據《2017年中國林業年鑒統計》[19]顯示，云南省作為我國西南林區重要的省份，2017年森林覆蓋率達50.03%，全國排名第7位，森林面積達1 914.19×104hm2，年度發生森林火災數為49次，其林火過火面積為395 hm2. 由于人為活動和自然因素森林火災頻發，田曉瑞等[20]研究表明，云南省大部分區域存在高森林火災風險，高頻率林火導致各類污染物排放量逐年遞增，對當地人類環境、森林生態系統造成持續影響. 然而，關于該地區主要森林可燃物的燃燒污染物排放特性的研究還較少. 鑒于此，該研究以云南省8種常見優勢樹種〔滇青岡(Cyclobalanopsisglaucoides)、光葉石櫟(Lithocarpusmairei)、旱冬瓜(Alnusnepalensis)、華山松(Pinusarmandii)、金合歡(Acaciafarnesiana)、麻櫟(Quercusacutissima)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)、云南油杉(Keteleeriaevelyniana)〕的不同器官(枝、葉和皮)為研究對象，使用自主研發的可燃物燃燒煙氣分析系統，模擬分析不同燃燒狀態(陰燃/明燃)下、不同可燃物燃燒釋放的各類污染物的排放特性，以期為精準評價云南省林火釋放的污染物對大氣環境和森林生態系統的影響提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 樣本采集

云南省昆明市屬北緯低緯度亞熱帶高原山地和季風氣候，多為山原地貌. 云南省11月—翌年5月雨季前為山林防火期[21]，林火多發于3月、4月[22]，因此該研究試驗樣品于2019年4月采自昆明市安寧市筆架山、楸木園內的針闊混交林，平均樹齡在30年左右(闊葉樹種為成熟林，針葉樹種為近熟林)，采樣地遠離市區，筆架山位于24°99′95″N～25°00′00″N、102°46′40″E～102°46′44″E之間，楸木園位于25°13′56″N～25°13′60″N、102°54′40″E ～102°54′44″E之間.

在林內遠離林分邊緣處隨機設置5個10 m×10 m的正方形樣方，每個樣方內同種喬木分別選取5株，在上、中、下3個部位分別采集枝、葉和皮樣本(各20 g)；將同個樣方內同種樹種相同器官的樣本取相同質量(40 g)混合均勻，放入105 ℃烘干箱中持續烘干至樣品成絕干狀態，以避免由于含水率不同造成排放因子的差異；將樣品剪至4 cm左右長度便于充分燃燒，利用分析天平(PY-E627型，中國深圳市普云電子有限公司，精度為0.001 g)每份稱重15.00 g，將處理好的枝、葉和皮樣品各分為12份用于燃燒試驗(陰燃、明燃狀態下各進行5次平行試驗，2份備用)、1份用于元素含量測定，使用通風性較好的牛皮信封紙分裝，并貼好標簽置于陰涼處存放.

1.2 燃燒試驗

生物質燃燒存在陰燃和明燃兩種燃燒狀態. 通過調節燃燒箱溫度，分別模擬不同喬木樹種、不同器官(枝、葉、皮)在陰燃和明燃狀態下污染物的排放情況.

燃燒狀態通過校正燃燒效率(modified combustion efficiency，MCE)界定，計算公式：

MCE=ΔCCO2/(ΔCCO2+ΔCCO)

(1)

式中，ΔCCO2、ΔCCO分別代表CO2、CO在燃燒過程的濃度變化量，mg/m3.

一般認為MCE達到0.99為明燃，MCE在0.65～0.85之間為陰燃[23]. 多次預試驗結果顯示，當燃燒箱溫度達到180 ℃時，樣本燃燒處于陰燃狀態；將溫度設置為280 ℃時，樣本燃燒有明顯火焰，處于明燃狀態. 當燃燒箱達到不同燃燒狀態的設定溫度后，將其調至恒溫狀態并預熱5 min后，按照森林可燃物在林火燃燒中的真實情況，將樣本以分散的形式進行擺放. 將所有樣本依次放入燃燒箱內(見圖1)，并迅速關閉箱門. 為保證充分燃燒，每個樣本分別燃燒50 min. 每個樹種的不同器官(枝、葉、皮)在不同燃燒狀態(陰燃、明燃)下分別進行5次平行試驗.

圖1 生物質燃燒裝置示意

1.3 主要氣態物與顆粒物排放測定

運用煙氣分析儀(Testo350，德國德圖儀器國際貿易有限公司)對8種優勢喬木樹種不同器官(枝、葉、皮)樣本燃燒排放的CO2、CO、NOx、CxHy進行分析，該儀器基于分光紅外在線監測儀器測定煙氣中的CO2、CO、NOx、CxHy等氣體. 使用時需將儀器與電腦連接好，在每次測試前先用標準氣體進行校準，待調試正常后每間隔5 s記錄一次數據，煙氣分析儀測定CO2的靈敏度為10-4，測定CO、NOx和CxHy的靈敏度為10-6.

使用顆粒物分析儀(TSI8533，美國TSI特賽集團)對8種優勢喬木樹種不同器官(枝、葉、皮)樣本燃燒排放的PM2.5進行實時監測，該儀器基于分光紅外在線監測儀器測定煙氣中的顆粒物濃度. 儀器每次測試前需要校零. 測試時，待調試正常后記錄數據，記錄間隔為5 s，顆粒物分析儀測定PM2.5的靈敏度為0.001 mg/m3.

1.4 枝、葉和皮中C、N元素含量測定

將試驗樣品放置烘干箱(105 ℃)充分烘干2 d (待樣本質量無變化)，使用粉碎機將8種優勢喬木樹種按照3種器官分別充分粉碎，每1.00 g粉碎樣品分別使用錫箔紙包裹、標記. 采用微量碳氮元素分析儀(vario MACRO cube，德國Elementar艾力蒙塔貿易有限公司)直接測定樣品中C、N元素含量. 取1.00 g粉碎樣品用錫箔紙包好放入儀器中加熱至 1 100 ℃，通氧助燃一次性測得C、N含量. 將5個樣方中相同樹種的器官在相同條件(溫度、相對濕度)下進行5次試驗獲得數據，每10個樣中插入空白和標樣來校準儀器.

1.5 排放因子計算

排放因子計算依據元素守恒定律，即喬木器官在燃燒時所消耗的碳質量與釋放的CO2、CO、NOx、CxHy等氣體和顆粒物中的含碳量相等，計算各喬木器官燃燒釋放的主要排放因子(指單位質量可燃物燃燒過程中排放的某種氣體總量)[24-25].

不完全燃燒系數(PIC)的計算公式：

PIC=(MC-CO+MC-PM+MC-THC/MC-CO2)

(2)

式中，MC-CO、MC-PM、MC-THC和MC-CO2分別代表CO、顆粒物、THC和CO2中的碳排放量，mg/kg.

CO2排放因子計算公式：

EFCO2=[(Mf-Ma)×fCO2]/[(PIC+1)×M]

(3)

式中：EFCO2代表CO2排放因子，g/kg；Mf代表燃料碳質量，g；Ma代表灰分碳質量，g；fCO2代表CO2中碳和CO2的轉換因子，即44/12=3.67；M代表燃料質量，g.

目標化合物排放因子的計算公式：

EFi=(Ci/CCO2)×EFCO2

(4)

式中：EFi代表目標化合物i的排放因子；Ci代表目標化合物i的濃度，mg/kg；CCO2代表CO2濃度，mg/kg.

1.6 統計分析

利用SPSS軟件，對5種燃燒生成的污染物排放因子進行單因素方差分析Tukey檢驗，在樹種之間根據燃燒狀態及器官的不同分別進行對比，對喬木自身化學成分(C、N含量)與燃燒排放化合物進行線性回歸分析，采用Origin 8.0軟件制圖.

2 結果與分析

2.1 8種喬木不同器官中C、N元素含量分析

不同喬木燃燒樣本中枝、葉、皮3種器官中的元素含量如表1所示. 由表1可見：枝的C含量范圍為41.48%～52.46%，葉的C含量范圍為42.47%～56.92%，皮的C含量范圍為41.04%～52.72%；枝的N含量范圍為1.75%～4.19%，葉的N含量范圍為1.73%～4.96%，皮的N含量范圍為1.49%～4.58%. 其中，C含量最高的為云南油杉的葉(48.5%～56.92%)，N元素含量最高的為光葉石櫟的葉(3.68%～4.96%).

表1 8種喬木不同器官中元素含量

2.2 8種喬木不同器官燃燒的排放因子

圖2為8種喬木枝、葉、皮明燃下氣體污染物的排放因子比較，其中，枝燃燒釋放的CO、CO2、CxHy、NOx的排放因子平均值分別為(174.32±23.58)(1 209.57±143.68)(31.45±7.92)(2.50±0.58)g/kg，葉分別為(183.42±26.51)(1 329.50±164.29)(38.61±7.90)(2.95±0.71)g/kg，皮分別為(171.81±25.57)(1 211.90±172.39)(28.40±7.07)(2.15±0.63)g/kg. 明燃下3種器官釋放的CO2、CxHy、NOx的排放因子呈葉>枝>皮的特征. 對于不同喬木樹種來說，針葉喬木華山松和云南油杉的CO排放因子明顯大于其他闊葉喬木樹種，其中云南油杉皮的CO排放因子〔(229.10±2.65)g/kg〕最高，為同樹種枝的1.15倍. 針葉樹種云南油杉葉的CO2排放因子〔(1 652.56±11.03)g/kg〕最高，且顯著高于其他樹種，為同樹種皮的1.18倍，為金合歡皮的1.88倍. 2種針葉樹種(華山松、云南油杉)的CxHy排放因子較高，排放因子最高的是云南油杉的葉〔(50.53±1.31)g/kg〕，是其枝的1.24倍，是旱冬瓜皮的2.40倍. 不同樹種及其器官的NOx排放因子差異顯著，針葉樹種的NOx排放因子普遍低于闊葉樹種，排放因子最高為光葉石櫟的葉〔(4.30±0.20)g/kg〕.

注： 不同大寫英文字母表示不同樹種之間差異顯著(p<0.05)；不同小寫英文字母表示不同器官之間差異顯著(p<0.05).

圖3為陰燃下8種喬木不同器官氣體污染物的排放因子比較，其中，枝燃燒釋放的CO、CO2、CxHy、NOx的排放因子平均值分別為(248.52±36.54)(1 027.21±120.17)(43.10±9.84)(1.89±0.41)g/kg，葉分別為(270.42±41.14)(1 136.85±146.94)(52.36±7.50)(2.20±0.67)g/kg，皮分別為(232.39±23.18)(1 022.26±144.80)(38.99±7.46)(1.68±0.51)g/kg. 針葉樹種的CO排放因子較大，其中云南油杉葉的CO排放因子〔(330.50±3.03)g/kg〕最高，為金合歡枝的1.78倍，且與其他樹種葉之間具有顯著差異. 云南 油杉葉的CO2排放因子〔(1 473.90±5.12)g/kg〕最大，為金合歡皮的1.97倍. 云南油杉葉的CxHy排放因子(68.07±0.35g/kg)最高，為其皮的1.48倍，是栓皮櫟皮的2.23倍. 光葉實櫟葉的NOx排放因子〔(3.67±0.25)g/kg〕最高，為華山松皮的3.78倍. 陰燃狀態下CO、CxHy排放因子在8種喬木不同器官之間呈葉>枝>皮的特征.

由圖4可見，兩種燃燒狀態下不同喬木器官的PM2.5排放因子差異顯著，呈葉>枝>皮、陰燃>明燃的特征. 明燃下枝、葉、皮的PM2.5排放因子平均值分別為(14.08±3.86)(19.78±5.62)(12.93±3.74)g/kg，陰燃下分別為(20.45±5.58)(28.29±7.35)(18.96±5.11)g/kg. 其中，陰燃下光葉石櫟葉的PM2.5排放因子〔(43.23±1.03)g/kg〕最大，與其枝、皮差異均顯著，為光葉石櫟皮的1.86倍，是PM2.5排放因子最小的喬木旱冬瓜皮的5.34倍.

注： 不同大寫英文字母表示不同樹種之間差異顯著(p<0.05)；不同小寫英文字母表示不同器官之間差異顯著(p<0.05).

2.3 不同燃燒狀態下8種喬木釋放污染物排放因子差異

圖5為明燃、陰燃下8種喬木整株釋放污染物的排放因子差異，其中，8種喬木在不同燃燒狀態下的CO排放因子差異均顯著，明燃、陰燃下CO排放因子平均值分別為(176.52±25.40)(250.44±37.43)g/kg. 不同燃燒狀態下，針葉樹種華山松和云南油杉整株燃燒釋放的CO排放因子均大于其他闊葉樹種，其中，云南油杉的CO排放因子〔明燃下為(216.02±13.08)g/kg，陰燃下為(306.09±23.44)g/kg〕最高，闊葉樹種金合歡〔明燃下為(138.66±6.24)g/kg，陰燃下為(194.09±7.83)g/kg〕最低.

注： 不同大寫英文字母表示不同樹種之間差異顯著(p<0.05)；不同小寫英文字母表示不同燃燒狀態之間差異顯著(p<0.05).

除金合歡、栓皮櫟、云南油杉3種喬木樹種外，其他5種樹種在不同燃燒狀態下的CO2排放因子均呈顯著差異. 明燃、陰燃下8種喬木整株燃燒釋放的CO2排放因子平均值分別為(1 250.32±168.04)(1 062.11±145.95)g/kg，其中，云南油杉的CO2排放因子〔明燃下為(1 488.80±123.51)g/kg，陰燃下為(1 297.58±133.54)g/kg〕最高，金合歡〔明燃下為(972.68±80.71)g/kg，陰燃下為(832.51±81.96)g/kg〕最低.

8種喬木的CxHy排放因子呈陰燃>明燃的排放特征，其中光葉石櫟、滇青岡、栓皮櫟的CxHy排放因子在不同燃燒狀態下均與其余樹種呈顯著差異. 明燃、陰燃下8種喬木整株燃燒釋放的CxHy排放因子平均值分別為(32.82±8.68)(44.82±9.97)g/kg. 其中，兩種針葉樹種(華山松、云南油杉)的CxHy排放因子均高于闊葉樹種，陰燃狀態下云南油杉的CxHy排放因子〔(56.18±0.14)g/kg〕最高，金合歡最低〔(35.76±6.89)g/kg〕.

8種喬木的NOx排放因子呈明燃>陰燃的排放特征，其中喬木金合歡和云南油杉在兩種燃燒狀態下均差異顯著，明燃、陰燃下8種喬木整株燃燒釋放的NOx排放因子平均值分別為(2.53±0.71)(1.92±0.57)g/kg. 明燃狀態下光葉石櫟的NOx排放因子〔(3.59±0.63)g/kg〕最高，華山松的NOx排放因子〔(1.79±0.47)g/kg〕最低.

闊葉樹種燃燒釋放的CO、CO2、CxHy的排放因子在不同燃燒狀態下均高于針葉樹種，其中，CO排放因子中云南油杉與金合歡之間呈顯著差異，云南油杉的CO2排放因子與金合歡和栓皮櫟均呈顯著差異，云南油杉和華山松的CxHy排放因子均與金合歡呈顯著差異. 針葉樹種的NOx排放因子低于闊葉樹種，且光葉石櫟的NOx排放因子〔明燃下為(3.59±0.63)g/kg，陰燃下為(2.87±0.65)g/kg〕最高，與喬木滇青岡、華山松、云南油杉均呈顯著差異.

由圖6可見，8種喬木整株燃燒釋放的PM2.5排放因子呈陰燃>明燃的特征，不同燃燒狀態對麻櫟、華山松的PM2.5排放因子有顯著影響. 8種喬木在明燃、陰燃下燃燒釋放的PM2.5排放因子平均值分別為(15.59±5.36)(22.56±7.28)g/kg，其中，旱冬瓜在不同燃燒狀態下PM2.5排放因子均最小，光葉石櫟在不同燃燒狀態下PM2.5排放因子均最大. 結果表明，針葉樹種在兩種燃燒狀態下的PM2.5排放因子均高于闊葉樹種，且與旱冬瓜之間存在顯著差異.

注： 不同大寫英文字母表示相同燃燒狀態下不同樹種之間差異顯著(p<0.05)； 不同小寫英文字母表示不同燃燒狀態之間差異顯著(p<0.05).

2.4 喬木器官元素含量與氣體污染物排放因子的回歸分析

圖7為明燃狀態下各器官C、N含量與CO、CO2、CxHy、NOx排放因子的一元線性回歸分析. 由圖7可見：喬木枝的C含量與CO2排放因子(R=0.765，p<0.05)、CxHy排放因子(R=0.755，p<0.05)均呈顯著正相關，葉的C含量與CO排放因子(R=0.816，p<0.05)、CO2排放因子(R=0.856，p<0.01)、CxHy排放因子(R=0.896，p<0.05)、NOx排放因子(R=0.757，p<0.05)均呈顯著正相關，皮的C含量與CO排放因子(R=0.812，p<0.05)呈顯著正相關.

注： **、*分別表示p<0.01、p<0.05.

由圖8可見，陰燃狀態下喬木枝的C含量與CO排放因子(R=0.836，p<0.01)、CO2排放因子(R=0.860，p<0.01)均呈顯著正相關，葉的C含量與CO排放因子(R=0.821，p<0.05)、CO2排放因子(R=0.865，p<0.01)、CxHy排放因子(R=0.947，p<0.001)、NOx排放因子(R=0.751，p<0.05)均呈顯著正相關，皮的C含量與CO排放因子(R=0.835，p<0.01)、NOx排放因子(R=0.659，p<0.05)均呈顯著正相關.

注： ***、**、*分別表示p<0.001、p<0.01、p<0.05.

綜上，不同燃燒狀態下葉產生的CO、CO2、CxHy、NOx排放因子均與其元素含量呈顯著正相關，陰燃狀態下3種器官的CO排放因子均與自身碳元素含量呈顯著正相關.

3 討論

可燃物燃燒排放特性與自身物理性質、堆積方式和外部環境條件均存在重要聯系[26-28]. 該研究表明，葉中污染物排放因子相對較高，與枝、皮相比，植物葉片更易燃，高燃燒效率有利于促進各類污染物的排放[29]. 燃燒釋放的PM2.5排放因子范圍為12.08～26.32 g/kg，針葉樹種釋放的PM2.5排放因子大于闊葉樹種，主要原因為針葉樹種比闊葉樹種易燃，且燃燒時釋放的熱量顯著高于闊葉樹種[30-33]. 樹種中云南油杉釋放的CO排放因子最高，與其阻燃系數較高、耐燒性強，且產生大量不完全燃燒物有關[34]. 研究[35]表明，可燃物自身化學物質含量直接影響其燃燒排放. 喬木葉片碳含量較其他部位高[36]，從而影響葉片燃燒釋放的含碳污染物濃度. 此外有研究[37]顯示，燃料燃燒產生的NOx排放因子與其N含量有關，筆者研究發現，污染物CO、CO2、CxHy和NOx的排放因子均呈葉>枝(皮)的特征；同時，筆者測定了可燃物自身的C、N含量，二者均呈葉>枝(皮)的特征，通過元素含量與燃燒排放的污染物排放因子之間的線性回歸分析發現，葉片C含量的增加與含碳污染物排放因子之間呈顯著正相關.

筆者研究表明，不同燃燒狀態下不同污染物的排放因子差異顯著， CO、CxHy及PM2.5的排放因子呈陰燃>明燃的特征，CO2與NOx的排放因子呈明燃>陰燃的特征. 馬遠帆等[38]對福建省4種喬木器官枝葉燃燒釋放的污染物成分研究發現，CO、CxHy及顆粒物在陰燃狀態下排放量較高，CO2與NOx在明燃下排放量較高，與筆者研究結論一致. 祝斌等[39]研究表明，喬木不充分燃燒時促進有機物的揮發冷凝，故陰燃時PM2.5的排放因子高于明燃. Guo等[40]研究表明，影響NOx排放量的主要因素為氣體溫度和氧氣濃度，而陰燃狀態下的氣體溫度和氧氣濃度均降低，導致NOx排放因子小于明燃狀態. 針葉樹種云南油杉可能由于阻燃系數較高，導致其與華山松在2種燃燒狀態下CO2排放因子之間呈顯著差異.

4 結論

a) 不同樹種、器官燃燒排放的污染物存在較大差異. CO、CO2、CxHy、PM2.5排放因子呈針葉樹種>闊葉樹種的特征，而NOx排放因子則相反；金合歡的CO與CO2排放因子均較低，且與其余樹種呈顯著差異. 葉燃燒釋放的污染物排放因子普遍高于枝和皮，是林火燃燒排放污染物的主要貢獻者.

b) 8種喬木樹種明燃下CO、CO2、CxHy、NOx、PM2.5的排放因子平均值分別為(176.52±25.40)(1 250.32±168.04)(32.82±8.68)(2.53±0.71)(15.59±5.36)g/kg，陰燃下分別為(250.44±37.43)(1 062.11±145.95)(44.82±9.97)(1.92±0.57)(22.56±7.28)g/kg. 燃燒狀態是可燃物燃燒排放污染物差異的主要影響因素. 各喬木樹種燃燒結果顯示，CO、CxHy、PM2.5排放因子均呈陰燃>明燃的特征，CO2與NOx排放因子均呈明燃>陰燃的特征.

c) 可燃物自身化學性質與其燃燒所釋放氣體污染物之間具有一定的關聯性. 不同燃燒狀態(明燃、陰燃)下，葉產生的氣體污染物(CO、CO2、CxHy、NOx)的排放因子均與其元素含量呈顯著正相關，且陰燃狀態下3種器官的CO排放因子均與自身C含量呈顯著正相關.