杨光 张远艳 邸雪颖 孙建 赵凤君

(东北林业大学，哈尔滨，150040) (黑龙江省林业监测规划院) (中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所)

森林火灾是一种风险性强、破坏性大、抵御难度高的自然灾害，对森林生态系统可造成灾难性的干扰和破坏。在多气候情境下，我国森林火灾发生可能性高的区域除了东北和西南林区，华北地区的增幅明显，森林火灾形势严峻[1]。森林火灾可产生大量的排放物，严重影响气候变化、生态环境，威胁人体健康。悬浮颗粒物(炭黑粒子、PM2.5和PM10等)是森林燃烧主要排放物，其中PM2.5(空气动力学直径小于或等于2.5 μm)，因粒径小，通过呼吸可沉淀在肺部和支气管，甚至穿过肺泡进入血液，是对人体健康威胁最大的一类颗粒物[2-3]。因此，近些年与PM2.5的相关研究备受关注[4]。

研究数据表明，当森林火灾面积为1 hm2时，可释放117 000 kg CO2、8 100 kg CO、CH4675 kg，非甲烷烃(NMHC)407 kg，PM2.5354 kg[5]。澳大利亚南威尔士林地内发生森林火灾时，在距离火源500 m处监测PM2.5质量浓度峰值为400 μg·m-3[6]；Marin S. Robinson et al.[7]在美国亚利桑那州计划烧除期间，监测PM2.5质量浓度范围为2.541～6.459 mg·m-3，森林火灾排放PM2.5质量浓度远远超出了个体暴露浓度标准。研究表明，森林火灾高发期间，个体暴露在高浓度PM2.5条件下，因呼吸道疾病、肺病、哮喘等就医或住院的数量明显增加[8-9]。我国关于森林火灾排放颗粒物的相关研究很少，靳全锋等[10-11]通过排放因子法估算福建省2000—2010年间，因森林火灾排放的颗粒物为10 120 t。关于森林火灾火环境因子对PM2.5质量浓度影响的研究报道较少。

森林火灾颗粒污染物排放量受多方面因素的影响，其中，包括森林火灾大小、可燃物特征、燃烧效率和气象条件等[12-13]。本文基于此研究背景，进一步探索研究森林火灾排放PM2.5浓度特征与影响因子的内在关联。受我国现行林火相关政策及规定的限制，不便于开展野外实地点烧实验和森林火灾实地监测工作。因此，在实验室开展微型模拟点烧实验，以主要乔木树种蒙古栎(Quercusmongolica)的枯落叶为研究对象，分析不同火环境下PM2.5的排放特征，分析各影响因子对PM2.5的影响效应，为森林可燃物燃烧排放污染物的定量研究奠定基础；同时，为相关林火政策的制定及个体暴露的健康评估提供参考。

1 研究区概况

研究区位于黑龙江省尚志市境内的东北林业大学帽儿山实验林场(127°30′～127°34′E，45°20′～45°25′N)。该林场地处东北东部山地张广才岭北部余脉，主要为低山丘陵地区。属温带季风气候，全年平均温度2.8 ℃，年日照时间2 471 h，年降水量723.8 mm，主要集中在6—8月份，年蒸发量1 093.9 mm，冬季最长连续积雪时间152 d。该区土壤多发育在花岗岩上，地带性土壤类型为暗棕壤。现有植被是原地带性顶级植被阔叶红松林经干扰后形成的以蒙古栎(Quercusmongolica)为重要建群树种的次生林和人工林。蒙古栎属于壳斗科栎属树种，是我国分布最北的一种落叶栎，东北地区以其为建群种的天然次生林占有林地面积为15%～20%[14]。蒙古栎叶片宽大，腐烂分解慢，长期堆积引发森林火灾的可能性和危害性较大。

2 研究方法

2.1 室内点烧设计

点烧实验在森林防火燃烧室进行。在室内燃烧床上铺设不同可燃物含水率、可燃物载量的蒙古栎落叶床层，在不同风速作用下进行点烧，形成不同的燃烧工况。可燃物含水率设定3个水平(0、5%、10%)，可燃物载量设定4个水平(4、6、8、10 t·hm-2)，风速设定4个水平(0、1、2、3 m·s-1)，共构成48种燃烧条件(火环境)，每一种燃烧状态重复3次操作，共进行144次点烧实验。铺设蒙古栎落叶床层大小为1 m×1 m，实验中火源统一为打火机，在床层中心固定位置处点燃。本实验利用崂应2050型智能空气/TSP综合采样器捕集PM2.5，通过滤膜称重法(重量法)，依据HJ 618—2011《环境空气PM10和PM2.5的测定——重量法》[15]测定PM2.5质量浓度；采样结束后，将剩余未完全燃烧的可燃物称质量，计算可燃物消耗量。PM2.5质量浓度的计算公式为：

式中：ρ为PM2.5质量浓度；W1为采样前滤膜质量；W2为采样后滤膜质量；V为标准状态下的采样体积。

2.2 可燃物消耗量及燃烧效率计算方法

本实验通过计算得到可燃物消耗量和可燃物燃烧效率，计算公式如下：

W=W0-Wr；EC=(W/W0)×100%。

式中：W为可燃物消耗量；W0为可燃物载量；Wr为可燃物剩余载量；EC为可燃物燃烧效率。

2.3 数据处理

利用Excel整理全部点烧实验数据，进行初步统计分析，得到PM2.5质量浓度的最大值、最小值、百分位值；通过SPSS进行方差分析，分析可燃物含水率、可燃物载量和风速及其相互间的交互作用对PM2.5质量浓度的影响；用Statistica10.0分别以可燃物含水率、可燃物载量和风速为自变量，得到每个变量对PM2.5质量浓度的影响；用Excel计算得到可燃物消耗量和可燃物燃烧效率；以可燃物含水率、可燃物载量和风速为自变量，可燃物消耗量为因变量进行方差分析；同时以可燃物消耗量为自变量，PM2.5质量浓度为因变量进行相关分析以及偏相关分析。

3 结果与分析

3.1 蒙古栎落叶床层点烧排放PM2.5基本特征

由表1可知，蒙古栎枯落叶燃烧排放PM2.5质量浓度值变化区间为166.6～11 416.7 μg·m-3，当可燃物载量、可燃物含水率和风速均处于最高水平时，PM2.5质量浓度最高；PM2.5质量浓度最低时，3个影响因子恰好同样处于最低水平。从全部数据看，75%的区间值在3.166 mg·m-3以内，在25%的区间内，共36次点烧实验，其中可燃物载量4 t·hm-2的组数占61%。

表1 PM2.5质量浓度统计数据

3.2 PM2.5质量浓度影响因子分析

由表2可知，可燃物含水率、可燃物载量和风速对PM2.5质量浓度的独立影响极显著；可燃物含水率与风速的交互作用对PM2.5浓度的影响极显著，而可燃物含水率与可燃物载量、可燃物载量与风速的交互作用对PM2.5质量浓度影响均不显著，说明各个因素间不存在明显的交互作用。

表2可燃物含水率、载量和风速以及交互作用对PM2.5影响的方差分析

变异来源自由度平方和F显著性可燃物含水率(A) 2 84387796.29013.542**0 可燃物载量(B)3109043477.40012.272**0风速(C)3114381082.40013.040**0A×B625302651.0501.8250.099A×C639388800.5603.035**0.008B×C919728737.8601.0000.443误差1151142542129.000总变异1441534774675.000

注：** 表示在0.05水平上显著。

3.2.1可燃物含水率对PM2.5的影响

由图1所示，可燃物含水率对PM2.5质量浓度的影响呈现正相关关系。随着可燃物含水率的增加，蒙古栎凋落叶床层燃烧排放PM2.5的质量浓度略有增加。当可燃物含水率增加时，燃烧时间延长[16]。在整个燃烧过程中(明火燃烧和阴燃)，阴燃所占的比例会加大，即阴燃持续的时间变长，在此过程中释放的烟气以及细小颗粒物质会明显增加。鞠园华等[17]在研究秸秆燃烧时，充分证明阴燃状态下，PM2.5排放因子明显高于明火燃烧。

图1 PM2.5质量浓度与可燃物含水率关系

3.2.2可燃物载量对PM2.5的影响

由图2所示，可燃物载量对PM2.5质量浓度具有明显的促进作用。可燃物载量是计量森林火灾排放的基础，当可燃物燃烧的总量增加时，排放污染物的量也相应的增加，实验恰好证明了理论的正确性。

3.2.3风速对PM2.5质量浓度的影响

由图3所示，在蒙古栎凋落叶床层燃烧中，风速对排放PM2.5的质量浓度具有较强的影响，随着风速的增加，PM2.5的质量浓度明显增加。风速的增加，一方面，可燃物的连续性在一定程度上被破坏；另一方面，风速降低了火源的热量，使得床层点燃时间以及蔓延持续时间增加，最终导致可燃物燃烧不完全不充分。所以，随着风速的增加，PM2.5的质量浓度增加。

图2 PM2.5与可燃物载量相关关系

图3 PM2.5与风速相关关系

通过拟合的线性回归方程，比较可燃物含水率(0.173)、可燃物载量(0.236)和风速(0.220)的R2值，3个影响因子对PM2.5质量浓度变化的解释程度从大到小排序依次是：可燃物载量、风速、可燃物含水率。

3.3 可燃物消耗量及影响因子

从表3可知，相同可燃物载量条件下，可燃物消耗量存在明显的差异；本实验在可燃物载量处理水平为0.4 kg·m-2时，可燃物消耗量的最小值与最大值的差距最大，二者相差153 g·m-2，与其对应的燃烧效率分别是61.3%和99.6%；当可燃物载量处理水平为1.0 kg·m-2时，可燃物消耗量最小值与最大值之间的差值最小，为66 g·m-2，与其对应的燃烧效率分别是93.2%和99.8%。

表3 可燃物消耗量和燃烧效率统计数据

由表4可知，可燃物载量处于不同水平时，可燃物消耗量和可燃物燃烧效率的平均值，随着可燃物载量增加，可燃物燃烧效率明显增加，但增加的幅度逐渐降低。

由表5可知，可燃物含水率、风速对可燃物消耗量的独立影响均不显著；可燃物载量对可燃物消耗量的影响非常显著；各因子间的交互作用(可燃物含水率与风速、可燃物含水率与可燃物载量、可燃物载量与风速)对因变量的影响均不显著。

表4 可燃物消耗量和可燃物燃烧效率平均值

表5 各因子及交互作用对可燃物消耗量的方差分析

注：**表示在0.01水平上极显著。

3.4 可燃物消耗量与PM2.5质量浓度的相关性

由表6可知，3个相关系数在0.01水平(双侧检验)上都非常显著，因此，可推断可燃物消耗量和PM2.5质量浓度存在明显的相关关系。当不控制可燃物载量时，可燃物消耗量与PM2.5质量浓度有显著的相关性，且为正相关；当控制可燃物载量时，可燃物消耗量与PM2.5质量浓度仍然存在显著的相关性，且为负相关。

表6 可燃物消耗量与PM2.5质量浓度相关分析

注：** 表示在0.01水平上极显著。

4 结论与讨论

(1)蒙古栎枯落叶床层燃烧可以排放高浓度的PM2.5。在不同燃烧工况下，蒙古栎落叶床层点烧排放PM2.5质量浓度存在较大的差异，PM2.5质量浓度变化区间为166.6～11416.7 μg·m-3。实验中监测到的PM2.5质量浓度远大于我国PM2.5日均限值(GB 3095—2012规定的一级标准35 μg·m-3，二级标准75 μg·m-3)[18]；而且实验中，监测的PM2.5数值，75%以上高于生物质燃烧中颗粒物8 h浓度限值3 mg·m-3(葡萄牙职业健康与安全组织(OHS)组织制定的职业暴露标准(OES))[19]。说明蒙古栎枯落叶燃烧排放PM2.5对人体健康可产生直接的影响。目前，我国很少有研究关注空气质量PM2.5质量浓度与职业暴露PM2.5质量浓度的具体差异，且没有职业暴露PM2.5质量浓度(短期浓度限值)标准。

(2)可燃物含水率、可燃物载量和风速分别与PM2.5质量浓度呈正相关关系。张佟佟等[20]研究关于大气环境中PM2.5质量浓度与风速的关系时，得到的结果与本实验的结果截然相反，他认为风速越大，越有利于颗粒物的扩散，PM2.5质量浓度就越低，主要原因是大气环境下，空气交换及流动速率不受阻碍。但可燃物含水率与可燃物载量、可燃物载量与风速间的两两交互作用对PM2.5质量浓度的影响均不显著，与实验的假设相悖。原因是本研究所选择的影响因子过于局限，且受点烧条件的限制，未能有效的检测出各个因子对因变量(PM2.5质量浓度)的真实效应，还有待进一步研究。

(3)可燃物载量对可燃物消耗量影响显著，随着可燃物载量的增加，可燃物消耗量最大值与最小值的差值逐渐变小，随着可燃物载量增加，可燃物燃烧效率增加，但增幅逐渐变小；可燃物含水率对可燃物消耗量作用不明显，原因与可燃物含水率梯度水平设置有关，可燃物含水率对可燃物消耗量的影响，受其它环境因素和可燃物自身属性特征有关，需要进一步的研究，了解可燃物含水率对可燃物消耗量的真实影响。

(4)可燃物消耗量与PM2.5质量浓度有明显的相关关系，当处于控制可燃物载量干扰条件下时，可燃物消耗量对PM2.5质量浓度具有显著的负效应。主要原因是同一可燃物载量水平，可燃物消耗量大，说明床层燃烧充分；反之，可燃物消耗量小，不完全燃烧导致PM2.5质量浓度增加。这其中不排除因可燃物消耗量增加，颗粒物排放量增加的正效应存在，只是最终可燃物消耗量对PM2.5质量浓度的负效应高于正效应。