云南省八种主要乔木燃烧释放烟气及颗粒物特性分析

郭雨萱, 魏 帽, 田明月, 孙馨宇, 郑文霞, 马远帆, 郭福涛*

1.福建农林大学林学院， 福建 福州 350002

2.海峡两岸红壤区水土保持协同创新中心， 福建 福州 350002

森林火灾被联合国粮食和农业组织定义为当今世界八大灾害之一，林火释放大量烟气及细小颗粒物，对大气环境、森林生态系统和人类健康造成重要影响[1-5]. 研究表明，2001—2004年全球平均林火燃烧面积为2.97×104～3.74×104hm2，其排放的颗粒污染物占全球生物质燃烧的42%以上[6-7]，1980—2005年仅中国北方地区烧毁了约10×104hm2的森林资源[8]. 目前，林火烟气污染物的理化特性、蔓延规律以及对大气环境的影响已成为国外学者聚焦的研究热点[9-15]，我国这类基础性研究尚处于起步阶段，基础数据库覆盖面较低，前期研究主要集中在烟气排放量的估算[16-18]，缺少对污染物排放特性的系统性揭示.

据《2017年中国林业年鉴统计》[19]显示，云南省作为我国西南林区重要的省份，2017年森林覆盖率达50.03%，全国排名第7位，森林面积达1 914.19×104hm2，年度发生森林火灾数为49次，其林火过火面积为395 hm2. 由于人为活动和自然因素森林火灾频发，田晓瑞等[20]研究表明，云南省大部分区域存在高森林火灾风险，高频率林火导致各类污染物排放量逐年递增，对当地人类环境、森林生态系统造成持续影响. 然而，关于该地区主要森林可燃物的燃烧污染物排放特性的研究还较少. 鉴于此，该研究以云南省8种常见优势树种〔滇青冈(Cyclobalanopsisglaucoides)、光叶石栎(Lithocarpusmairei)、旱冬瓜(Alnusnepalensis)、华山松(Pinusarmandii)、金合欢(Acaciafarnesiana)、麻栎(Quercusacutissima)、栓皮栎(Quercusvariabilis)、云南油杉(Keteleeriaevelyniana)〕的不同器官(枝、叶和皮)为研究对象，使用自主研发的可燃物燃烧烟气分析系统，模拟分析不同燃烧状态(阴燃/明燃)下、不同可燃物燃烧释放的各类污染物的排放特性，以期为精准评价云南省林火释放的污染物对大气环境和森林生态系统的影响提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 样本采集

云南省昆明市属北纬低纬度亚热带高原山地和季风气候，多为山原地貌. 云南省11月—翌年5月雨季前为山林防火期[21]，林火多发于3月、4月[22]，因此该研究试验样品于2019年4月采自昆明市安宁市笔架山、楸木园内的针阔混交林，平均树龄在30年左右(阔叶树种为成熟林，针叶树种为近熟林)，采样地远离市区，笔架山位于24°99′95″N～25°00′00″N、102°46′40″E～102°46′44″E之间，楸木园位于25°13′56″N～25°13′60″N、102°54′40″E ～102°54′44″E之间.

在林内远离林分边缘处随机设置5个10 m×10 m的正方形样方，每个样方内同种乔木分别选取5株，在上、中、下3个部位分别采集枝、叶和皮样本(各20 g)；将同个样方内同种树种相同器官的样本取相同质量(40 g)混合均匀，放入105 ℃烘干箱中持续烘干至样品成绝干状态，以避免由于含水率不同造成排放因子的差异；将样品剪至4 cm左右长度便于充分燃烧，利用分析天平(PY-E627型，中国深圳市普云电子有限公司，精度为0.001 g)每份称重15.00 g，将处理好的枝、叶和皮样品各分为12份用于燃烧试验(阴燃、明燃状态下各进行5次平行试验，2份备用)、1份用于元素含量测定，使用通风性较好的牛皮信封纸分装，并贴好标签置于阴凉处存放.

1.2 燃烧试验

生物质燃烧存在阴燃和明燃两种燃烧状态. 通过调节燃烧箱温度，分别模拟不同乔木树种、不同器官(枝、叶、皮)在阴燃和明燃状态下污染物的排放情况.

燃烧状态通过校正燃烧效率(modified combustion efficiency，MCE)界定，计算公式：

MCE=ΔCCO2/(ΔCCO2+ΔCCO)

(1)

式中，ΔCCO2、ΔCCO分别代表CO2、CO在燃烧过程的浓度变化量，mg/m3.

一般认为MCE达到0.99为明燃，MCE在0.65～0.85之间为阴燃[23]. 多次预试验结果显示，当燃烧箱温度达到180 ℃时，样本燃烧处于阴燃状态；将温度设置为280 ℃时，样本燃烧有明显火焰，处于明燃状态. 当燃烧箱达到不同燃烧状态的设定温度后，将其调至恒温状态并预热5 min后，按照森林可燃物在林火燃烧中的真实情况，将样本以分散的形式进行摆放. 将所有样本依次放入燃烧箱内(见图1)，并迅速关闭箱门. 为保证充分燃烧，每个样本分别燃烧50 min. 每个树种的不同器官(枝、叶、皮)在不同燃烧状态(阴燃、明燃)下分别进行5次平行试验.

图1 生物质燃烧装置示意

1.3 主要气态物与颗粒物排放测定

运用烟气分析仪(Testo350，德国德图仪器国际贸易有限公司)对8种优势乔木树种不同器官(枝、叶、皮)样本燃烧排放的CO2、CO、NOx、CxHy进行分析，该仪器基于分光红外在线监测仪器测定烟气中的CO2、CO、NOx、CxHy等气体. 使用时需将仪器与电脑连接好，在每次测试前先用标准气体进行校准，待调试正常后每间隔5 s记录一次数据，烟气分析仪测定CO2的灵敏度为10-4，测定CO、NOx和CxHy的灵敏度为10-6.

使用颗粒物分析仪(TSI8533，美国TSI特赛集团)对8种优势乔木树种不同器官(枝、叶、皮)样本燃烧排放的PM2.5进行实时监测，该仪器基于分光红外在线监测仪器测定烟气中的颗粒物浓度. 仪器每次测试前需要校零. 测试时，待调试正常后记录数据，记录间隔为5 s，颗粒物分析仪测定PM2.5的灵敏度为0.001 mg/m3.

1.4 枝、叶和皮中C、N元素含量测定

将试验样品放置烘干箱(105 ℃)充分烘干2 d (待样本质量无变化)，使用粉碎机将8种优势乔木树种按照3种器官分别充分粉碎，每1.00 g粉碎样品分别使用锡箔纸包裹、标记. 采用微量碳氮元素分析仪(vario MACRO cube，德国Elementar艾力蒙塔贸易有限公司)直接测定样品中C、N元素含量. 取1.00 g粉碎样品用锡箔纸包好放入仪器中加热至 1 100 ℃，通氧助燃一次性测得C、N含量. 将5个样方中相同树种的器官在相同条件(温度、相对湿度)下进行5次试验获得数据，每10个样中插入空白和标样来校准仪器.

1.5 排放因子计算

排放因子计算依据元素守恒定律，即乔木器官在燃烧时所消耗的碳质量与释放的CO2、CO、NOx、CxHy等气体和颗粒物中的含碳量相等，计算各乔木器官燃烧释放的主要排放因子(指单位质量可燃物燃烧过程中排放的某种气体总量)[24-25].

不完全燃烧系数(PIC)的计算公式：

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

(2)

式中，MC-CO、MC-PM、MC-THC和MC-CO2分别代表CO、颗粒物、THC和CO2中的碳排放量，mg/kg.

CO2排放因子计算公式：

EFCO2=[(Mf-Ma)×fCO2]/[(PIC+1)×M]

(3)

式中：EFCO2代表CO2排放因子，g/kg；Mf代表燃料碳质量，g；Ma代表灰分碳质量，g；fCO2代表CO2中碳和CO2的转换因子，即44/12=3.67；M代表燃料质量，g.

目标化合物排放因子的计算公式：

EFi=(Ci/CCO2)×EFCO2

(4)

式中：EFi代表目标化合物i的排放因子；Ci代表目标化合物i的浓度，mg/kg；CCO2代表CO2浓度，mg/kg.

1.6 统计分析

利用SPSS软件，对5种燃烧生成的污染物排放因子进行单因素方差分析Tukey检验，在树种之间根据燃烧状态及器官的不同分别进行对比，对乔木自身化学成分(C、N含量)与燃烧排放化合物进行线性回归分析，采用Origin 8.0软件制图.

2 结果与分析

2.1 8种乔木不同器官中C、N元素含量分析

不同乔木燃烧样本中枝、叶、皮3种器官中的元素含量如表1所示. 由表1可见：枝的C含量范围为41.48%～52.46%，叶的C含量范围为42.47%～56.92%，皮的C含量范围为41.04%～52.72%；枝的N含量范围为1.75%～4.19%，叶的N含量范围为1.73%～4.96%，皮的N含量范围为1.49%～4.58%. 其中，C含量最高的为云南油杉的叶(48.5%～56.92%)，N元素含量最高的为光叶石栎的叶(3.68%～4.96%).

表1 8种乔木不同器官中元素含量

2.2 8种乔木不同器官燃烧的排放因子

图2为8种乔木枝、叶、皮明燃下气体污染物的排放因子比较，其中，枝燃烧释放的CO、CO2、CxHy、NOx的排放因子平均值分别为(174.32±23.58)(1 209.57±143.68)(31.45±7.92)(2.50±0.58)g/kg，叶分别为(183.42±26.51)(1 329.50±164.29)(38.61±7.90)(2.95±0.71)g/kg，皮分别为(171.81±25.57)(1 211.90±172.39)(28.40±7.07)(2.15±0.63)g/kg. 明燃下3种器官释放的CO2、CxHy、NOx的排放因子呈叶>枝>皮的特征. 对于不同乔木树种来说，针叶乔木华山松和云南油杉的CO排放因子明显大于其他阔叶乔木树种，其中云南油杉皮的CO排放因子〔(229.10±2.65)g/kg〕最高，为同树种枝的1.15倍. 针叶树种云南油杉叶的CO2排放因子〔(1 652.56±11.03)g/kg〕最高，且显著高于其他树种，为同树种皮的1.18倍，为金合欢皮的1.88倍. 2种针叶树种(华山松、云南油杉)的CxHy排放因子较高，排放因子最高的是云南油杉的叶〔(50.53±1.31)g/kg〕，是其枝的1.24倍，是旱冬瓜皮的2.40倍. 不同树种及其器官的NOx排放因子差异显著，针叶树种的NOx排放因子普遍低于阔叶树种，排放因子最高为光叶石栎的叶〔(4.30±0.20)g/kg〕.

注： 不同大写英文字母表示不同树种之间差异显著(p<0.05)；不同小写英文字母表示不同器官之间差异显著(p<0.05).

图3为阴燃下8种乔木不同器官气体污染物的排放因子比较，其中，枝燃烧释放的CO、CO2、CxHy、NOx的排放因子平均值分别为(248.52±36.54)(1 027.21±120.17)(43.10±9.84)(1.89±0.41)g/kg，叶分别为(270.42±41.14)(1 136.85±146.94)(52.36±7.50)(2.20±0.67)g/kg，皮分别为(232.39±23.18)(1 022.26±144.80)(38.99±7.46)(1.68±0.51)g/kg. 针叶树种的CO排放因子较大，其中云南油杉叶的CO排放因子〔(330.50±3.03)g/kg〕最高，为金合欢枝的1.78倍，且与其他树种叶之间具有显著差异. 云南 油杉叶的CO2排放因子〔(1 473.90±5.12)g/kg〕最大，为金合欢皮的1.97倍. 云南油杉叶的CxHy排放因子(68.07±0.35g/kg)最高，为其皮的1.48倍，是栓皮栎皮的2.23倍. 光叶实栎叶的NOx排放因子〔(3.67±0.25)g/kg〕最高，为华山松皮的3.78倍. 阴燃状态下CO、CxHy排放因子在8种乔木不同器官之间呈叶>枝>皮的特征.

由图4可见，两种燃烧状态下不同乔木器官的PM2.5排放因子差异显著，呈叶>枝>皮、阴燃>明燃的特征. 明燃下枝、叶、皮的PM2.5排放因子平均值分别为(14.08±3.86)(19.78±5.62)(12.93±3.74)g/kg，阴燃下分别为(20.45±5.58)(28.29±7.35)(18.96±5.11)g/kg. 其中，阴燃下光叶石栎叶的PM2.5排放因子〔(43.23±1.03)g/kg〕最大，与其枝、皮差异均显著，为光叶石栎皮的1.86倍，是PM2.5排放因子最小的乔木旱冬瓜皮的5.34倍.

注： 不同大写英文字母表示不同树种之间差异显著(p<0.05)；不同小写英文字母表示不同器官之间差异显著(p<0.05).

2.3 不同燃烧状态下8种乔木释放污染物排放因子差异

图5为明燃、阴燃下8种乔木整株释放污染物的排放因子差异，其中，8种乔木在不同燃烧状态下的CO排放因子差异均显著，明燃、阴燃下CO排放因子平均值分别为(176.52±25.40)(250.44±37.43)g/kg. 不同燃烧状态下，针叶树种华山松和云南油杉整株燃烧释放的CO排放因子均大于其他阔叶树种，其中，云南油杉的CO排放因子〔明燃下为(216.02±13.08)g/kg，阴燃下为(306.09±23.44)g/kg〕最高，阔叶树种金合欢〔明燃下为(138.66±6.24)g/kg，阴燃下为(194.09±7.83)g/kg〕最低.

注： 不同大写英文字母表示不同树种之间差异显著(p<0.05)；不同小写英文字母表示不同燃烧状态之间差异显著(p<0.05).

除金合欢、栓皮栎、云南油杉3种乔木树种外，其他5种树种在不同燃烧状态下的CO2排放因子均呈显著差异. 明燃、阴燃下8种乔木整株燃烧释放的CO2排放因子平均值分别为(1 250.32±168.04)(1 062.11±145.95)g/kg，其中，云南油杉的CO2排放因子〔明燃下为(1 488.80±123.51)g/kg，阴燃下为(1 297.58±133.54)g/kg〕最高，金合欢〔明燃下为(972.68±80.71)g/kg，阴燃下为(832.51±81.96)g/kg〕最低.

8种乔木的CxHy排放因子呈阴燃>明燃的排放特征，其中光叶石栎、滇青冈、栓皮栎的CxHy排放因子在不同燃烧状态下均与其余树种呈显著差异. 明燃、阴燃下8种乔木整株燃烧释放的CxHy排放因子平均值分别为(32.82±8.68)(44.82±9.97)g/kg. 其中，两种针叶树种(华山松、云南油杉)的CxHy排放因子均高于阔叶树种，阴燃状态下云南油杉的CxHy排放因子〔(56.18±0.14)g/kg〕最高，金合欢最低〔(35.76±6.89)g/kg〕.

8种乔木的NOx排放因子呈明燃>阴燃的排放特征，其中乔木金合欢和云南油杉在两种燃烧状态下均差异显著，明燃、阴燃下8种乔木整株燃烧释放的NOx排放因子平均值分别为(2.53±0.71)(1.92±0.57)g/kg. 明燃状态下光叶石栎的NOx排放因子〔(3.59±0.63)g/kg〕最高，华山松的NOx排放因子〔(1.79±0.47)g/kg〕最低.

阔叶树种燃烧释放的CO、CO2、CxHy的排放因子在不同燃烧状态下均高于针叶树种，其中，CO排放因子中云南油杉与金合欢之间呈显著差异，云南油杉的CO2排放因子与金合欢和栓皮栎均呈显著差异，云南油杉和华山松的CxHy排放因子均与金合欢呈显著差异. 针叶树种的NOx排放因子低于阔叶树种，且光叶石栎的NOx排放因子〔明燃下为(3.59±0.63)g/kg，阴燃下为(2.87±0.65)g/kg〕最高，与乔木滇青冈、华山松、云南油杉均呈显著差异.

由图6可见，8种乔木整株燃烧释放的PM2.5排放因子呈阴燃>明燃的特征，不同燃烧状态对麻栎、华山松的PM2.5排放因子有显著影响. 8种乔木在明燃、阴燃下燃烧释放的PM2.5排放因子平均值分别为(15.59±5.36)(22.56±7.28)g/kg，其中，旱冬瓜在不同燃烧状态下PM2.5排放因子均最小，光叶石栎在不同燃烧状态下PM2.5排放因子均最大. 结果表明，针叶树种在两种燃烧状态下的PM2.5排放因子均高于阔叶树种，且与旱冬瓜之间存在显著差异.

注： 不同大写英文字母表示相同燃烧状态下不同树种之间差异显著(p<0.05)； 不同小写英文字母表示不同燃烧状态之间差异显著(p<0.05).

2.4 乔木器官元素含量与气体污染物排放因子的回归分析

图7为明燃状态下各器官C、N含量与CO、CO2、CxHy、NOx排放因子的一元线性回归分析. 由图7可见：乔木枝的C含量与CO2排放因子(R=0.765，p<0.05)、CxHy排放因子(R=0.755，p<0.05)均呈显著正相关，叶的C含量与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)均呈显著正相关，皮的C含量与CO排放因子(R=0.812，p<0.05)呈显著正相关.

注： **、*分别表示p<0.01、p<0.05.

由图8可见，阴燃状态下乔木枝的C含量与CO排放因子(R=0.836，p<0.01)、CO2排放因子(R=0.860，p<0.01)均呈显著正相关，叶的C含量与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)均呈显著正相关，皮的C含量与CO排放因子(R=0.835，p<0.01)、NOx排放因子(R=0.659，p<0.05)均呈显著正相关.

注： ***、**、*分别表示p<0.001、p<0.01、p<0.05.

综上，不同燃烧状态下叶产生的CO、CO2、CxHy、NOx排放因子均与其元素含量呈显著正相关，阴燃状态下3种器官的CO排放因子均与自身碳元素含量呈显著正相关.

3 讨论

可燃物燃烧排放特性与自身物理性质、堆积方式和外部环境条件均存在重要联系[26-28]. 该研究表明，叶中污染物排放因子相对较高，与枝、皮相比，植物叶片更易燃，高燃烧效率有利于促进各类污染物的排放[29]. 燃烧释放的PM2.5排放因子范围为12.08～26.32 g/kg，针叶树种释放的PM2.5排放因子大于阔叶树种，主要原因为针叶树种比阔叶树种易燃，且燃烧时释放的热量显著高于阔叶树种[30-33]. 树种中云南油杉释放的CO排放因子最高，与其阻燃系数较高、耐烧性强，且产生大量不完全燃烧物有关[34]. 研究[35]表明，可燃物自身化学物质含量直接影响其燃烧排放. 乔木叶片碳含量较其他部位高[36]，从而影响叶片燃烧释放的含碳污染物浓度. 此外有研究[37]显示，燃料燃烧产生的NOx排放因子与其N含量有关，笔者研究发现，污染物CO、CO2、CxHy和NOx的排放因子均呈叶>枝(皮)的特征；同时，笔者测定了可燃物自身的C、N含量，二者均呈叶>枝(皮)的特征，通过元素含量与燃烧排放的污染物排放因子之间的线性回归分析发现，叶片C含量的增加与含碳污染物排放因子之间呈显著正相关.

笔者研究表明，不同燃烧状态下不同污染物的排放因子差异显著， CO、CxHy及PM2.5的排放因子呈阴燃>明燃的特征，CO2与NOx的排放因子呈明燃>阴燃的特征. 马远帆等[38]对福建省4种乔木器官枝叶燃烧释放的污染物成分研究发现，CO、CxHy及颗粒物在阴燃状态下排放量较高，CO2与NOx在明燃下排放量较高，与笔者研究结论一致. 祝斌等[39]研究表明，乔木不充分燃烧时促进有机物的挥发冷凝，故阴燃时PM2.5的排放因子高于明燃. Guo等[40]研究表明，影响NOx排放量的主要因素为气体温度和氧气浓度，而阴燃状态下的气体温度和氧气浓度均降低，导致NOx排放因子小于明燃状态. 针叶树种云南油杉可能由于阻燃系数较高，导致其与华山松在2种燃烧状态下CO2排放因子之间呈显著差异.

4 结论

a) 不同树种、器官燃烧排放的污染物存在较大差异. CO、CO2、CxHy、PM2.5排放因子呈针叶树种>阔叶树种的特征，而NOx排放因子则相反；金合欢的CO与CO2排放因子均较低，且与其余树种呈显著差异. 叶燃烧释放的污染物排放因子普遍高于枝和皮，是林火燃烧排放污染物的主要贡献者.

b) 8种乔木树种明燃下CO、CO2、CxHy、NOx、PM2.5的排放因子平均值分别为(176.52±25.40)(1 250.32±168.04)(32.82±8.68)(2.53±0.71)(15.59±5.36)g/kg，阴燃下分别为(250.44±37.43)(1 062.11±145.95)(44.82±9.97)(1.92±0.57)(22.56±7.28)g/kg. 燃烧状态是可燃物燃烧排放污染物差异的主要影响因素. 各乔木树种燃烧结果显示，CO、CxHy、PM2.5排放因子均呈阴燃>明燃的特征，CO2与NOx排放因子均呈明燃>阴燃的特征.

c) 可燃物自身化学性质与其燃烧所释放气体污染物之间具有一定的关联性. 不同燃烧状态(明燃、阴燃)下，叶产生的气体污染物(CO、CO2、CxHy、NOx)的排放因子均与其元素含量呈显著正相关，且阴燃状态下3种器官的CO排放因子均与自身C含量呈显著正相关.