森林火灾燃烧产物研究概述

向临川，王秋华，龙腾腾，王儒龙，闫想想，张文文

（1.西南林业大学，土木工程学院，云南省森林灾害预警与控制重点实验室，云南 昆明 650224；2.云南省玉溪市易门县林业和草原局，云南 玉溪 651100）

火作为森林生态系统的重要因子，对群落演替、动植物生长发育和全球物质循环有显著影响[1]。森林火灾的燃烧产物，成分复杂，包括了气态、固态和液体三种状态的物质，有些具有毒性。近年来全球森林火灾频发，造成重大人员伤亡和财产损失，已成为国际社会关注的热点和焦点。如何应对森林火灾成为全世界共同面临的严峻挑战。我国是世界上森林火灾最严重的国家之一[2]。据统计，在2008—2018年间全国范围内共发生森林火灾58 545起，过火面积843 452 hm2，森林损失面积多达278 172 hm2，人员伤亡818人次，经济损失151 841.2万元。

森林燃烧产生大量烟气，在风场作用下自由扩散，带来大气污染，甚至引起飞火，扩散火场。烟气研究是国内外森林火灾研究的主题之一。科学、系统地研究森林火灾燃烧产物的生成机理、扩散规律和毒性等，对于保护人员安全、保护生态环境、防灾减灾等方面都具有重要意义。

1 森林燃烧产物的主要成分

森林可燃物是森林燃烧的物质基础，主体是活植物体，还包括枯枝落叶及地表下的腐殖质和泥炭等。燃烧时释放大量烟气，包括气、液、固三种状态的成分[3]。燃烧产物中物质种类较多，主要包含有大量的气态污染物（CO2、CO、NOX、CXHY、SO2以及其他少量的有毒有害气体）及不同微小颗粒物（PM1.0、PM2.5、PM10等）[4]。目前，森林火灾燃烧产物的研究大部分在可燃物燃烧生成的气态成分方面，主要集中在CO2、CO、NOX、CH4及其他的NMHC（非甲烷总烃）[5]，烟气的固态成分方面主要集中在固体颗粒物和灰分等方面，液态组分的研究较少。

1.1 燃烧产物中的气相物质

许多研究者对CO2、CO、SO2、NOX、CXHY、H2S等气态组分的产生方式，如森林火灾、化石燃料的燃烧、生物质燃料热解和燃烧等诸多领域都进行了大量研究。气相组分研究主要是进行定性、动态分析，或者是通过碳排放因子、碳排放比等公式进行大尺度研究，如，Lsaev[6]利用多光谱高分辨率卫星图像、大尺度航空摄影图像来估计俄罗斯森林火灾碳释放量，火灾前后应用SPOT图像生成ND⁃VI差值图像，发现其图像值与火灾受损水平具有相关性。Cofer[7]等在加拿大西北地区利用直升机收集高强度树冠火灾烟雾，通过树冠火试验计算出CO2、CO、H2、CH4、非甲烷总烃以及CO2正常的排放率和排放因子，并估算出林火排放碳量。Amiro[8-9]等利用加拿大火灾数据库和森林火灾行为预测系统计算了可燃物消耗量，估计加拿大1959—1999年间每年林火直接碳排放量在3～115 Tg。随后又对加拿大北方森林火灾后森林表面辐射温度、CO2通量等指标进行了测量，测定植被净初级生产力（NPP）。Urbanski[10]等通过有关美国洛杉矶山脉北部野火季节森林火灾的燃烧产物排放信息，计算出CO2、CO、CH4的排放因子，测量了燃烧效率并进行量化。

国内学者庄亚辉[11]等采用动态与静态相结合的分析方法对典型乔木、灌木与草进行模拟燃烧实验，测得痕量气体的排放比和排放因子，初步估算了中国生物质向大气释放含碳痕量气体量。田晓瑞等[12]根据森林过火面积上消耗生物量推算出1991—2000年间我国森林火灾直接排放碳20.24～28.56 Tg之间，释放CO2和CH4分别为74.2～104.7 Tg和1.797～2.536 Tg，排放烟雾颗粒物0.999 Tg～1.410 Tg。胡海清[13-15]等运用该法研究了黑龙江大兴安岭林区1980—1999年间主要乔木、灌木及草地燃烧释放的碳量，并对森林火灾释放的碳量及主要含碳温室气体量进行了估算。王效科[16-17]根据森林损害面积法估算出我国森林火灾释放的碳排放量（CO:1.12 Tg/年，CO2:8.96 Tg/年，CH4:O.109 Tg/年），相比田晓瑞等人的计算结果偏低，这是因为在森林火场中受损森林面积远小于森林过火面积。

由于燃烧产物中的有机碳（OC）与元素碳（EC）受燃烧状态影响较大，在不同燃烧条件下有显著差异。陈帅等[18-19]利用锥形量热仪进行室内小尺度燃烧实验，得出了广东省森林地区典型植物类型碳排放因子变化规律，并通过构建火行为参数与植物燃烧过程碳转化率关联数学模型，从理论上探讨林火行为对森林地表可燃物燃烧碳转化影响的机制和规律。李春阳[20]对大兴安岭17种乔木的树皮、枝叶进行室内燃烧实验，并测定了燃烧过程的含碳气体排放因子满足EF（CO2）>EF（CO）>EF（CXHY）>EF（NOX），并对燃烧效率进行了修正。通过实验室微型燃烧实验测量每单位质量生物质释放的某种气体的量，在应用中相对准确。但室内燃烧实验与真实的火灾环境相关性较差，实际森林火场中，碳气体排放量受诸多因素的影响[21]。不同强度的火灾、不同的森林类型以及不同地区的地理条件下测得碳排放因子与排放比也不尽相同。森林火灾研究要从实际出发，确定森林火灾中的诸多的不确定因子为森林火灾可燃物释放气体研究提出科学客观理论依据。

1.2 燃烧产物中固相物质

固体颗粒物和灰分是森林火灾燃烧产物中第二大产物。燃烧过程中向大气中排放出大量悬浮颗粒物，粒径在2.5～10 μm的称为粗颗粒物，直径小于2.5 μm的为微细颗粒物。灰分是植物体经过灼烧后残留的无机物，亦称矿质元素，如Na、K、Ca、Mg等[4]。林木中灰分含量随树种、土壤、树龄、生长条件、季节而改变，也随植株不同部位而异[22-24]。灰分含量的高低可反应植物对矿质元素选择吸收与积累的特点，植物器官中叶的灰分含量普遍较高[25]。灰分含量还是影响火行为的重要因素，灰分含量越高的树木越不易燃，火强度相对较小，林火蔓延迟缓[26]。

近年来研究发现，林火释放的颗粒物除含有大量有害物质外，也含有钠、镁、磷、钾、钙等很多植物所需营养元素，且大多以离子形态存在，可通过物理途径进入到植物体内，并以化学途径参与植物体的生理和代谢过程[27]。Obernberger[28]发现生物质燃烧释放的颗粒物中PM2.5占比高达80%～90%。鞠园华等[29]运用Elementar元素分析仪测定分析了杉木人工林枯落物燃烧排放的PM2.5的成分，发现颗粒物主要由碳质组分（OC和OE）、水溶性离子（Na+、NH+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、NO-和43SO42-）及少量水溶性无机元素（钾、钙、钠、镁、磷、锌、铝、铜、砷、钡、铬、铁、锰、镉、锂、铅等）组成。Alves[30]对葡萄牙7种典型树种燃烧释放的细颗粒物的成分分析发现，烟气中的PM2.5碳质组分含量最大约70%，水溶性离子占比11.3%～20%，微量元素仅占0.3%～4%。刘刚等通过模拟林火中生物质的两种燃烧方式测定了10种乔木干、绿树枝燃烧排放烟尘的水溶性离子，结果表明在两种燃烧状态下，K+、Cl-的含量均显著正相关。干树枝闷烧时Cl-的排放因子与含水率显著正相关。这对估算大气中林火来源的污染物有参考意义，但要准确估算林火来源的水溶性离子时，应多方面考虑燃烧条件、树种及其含水率等因素的影响[31]。

1.3 燃烧产物中液相物质

森林可燃物燃烧时，生成的液相组分种类繁多，就其理化性质而言也比气态成分更加复杂。水汽与CO2是森林火灾燃烧的主要产物，两种物质约占所有烟雾成分的90%～95%。除水汽外，生物质热解时还会挥发焦油等液体物质[32-33]。焦油是由芳香烃及其衍生物和多环芳烃组成的混合物[34]，并且受可燃物燃烧温度的影响，焦油物质的组分也会产生变化[35]。目前，国内外对于液相组分的研究主要依靠现代化学仪器对烟气进行分析，如气相色谱、离子光谱、红外光谱以及气质联用仪等精密仪器。

姜美玲[36]等利用热重—傅里叶变换红外光谱联用技术，研究不同粒径白皮松在木醋液生成过程中存在的差异性，在热解气体中发现含有酮类、醛类、酚类、羧酸类及醇类等液体物质生成。陈祎[37]以松木和稻秆颗粒为原料进行热解实验，分析发现除温度外可燃物中的木质素含量也会影响芳香烃类焦油的形成。沈亚兰[38]还发现水蒸气和CH4能促进焦油向气体分子转化，降低焦油产率。森林火场中温度可达500℃～1000℃以上，一旦发生大面积森林火灾，森林可燃物在高温环境下，挥发大量组分复杂的液态焦油。可燃物燃烧生成的液体成分在量上虽不及气体成分，但也会对生态系统造成极大的危害。

2 燃烧产物排放特征

森林燃烧是极为复杂的一个过程，不同类型森林可燃物燃烧时所排放烟气的含量有所不同。森林可燃物在燃烧过程中主要释放的是气态产物，以CO2排放为主，同时还伴有粗、细颗粒物。进行森林火灾烟气释放特征研究可以揭示不同类别可燃物排放特性差异性，对现阶段各地区森林防火工作具有积极指导作用。

Vicente等[39]测定了夏季葡萄牙野火气体和微粒排放的信息，获得关于CO2、CO和CXHY，PM2.5与PM10的排放因子及烟雾详细化学特征。Levine[40]研究了北方针叶林与阔叶林燃烧烟气排放量和燃烧效率存在明显差异，发现针叶林燃烧效率更高，会产生更多的CO2和CH4。宋禹辉[41]对福建省主要树种按照针叶与阔叶分类，对比分析相同乔木不同部位燃烧排放烟气量，结果表明不同乔木树种的不同器官排放气体量各不相同，针叶乔木叶释放CO量低于阔叶乔木。胡海清[42]对小兴安岭林区的森林可燃物进行燃烧烟气对比分析，发现CO2释放量、含碳气体总量乔木都大于灌木，且CO、CXHY和SO2的释放量之间相关性显著，而NO与这4种气体之间相关性不显著。邓光瑞[43]等通过燃烧实验比较了不同森林可燃物燃烧过程CO2、CO、CXHY、NO、SO2排放量的大小，从气体排放特征角度分析了不同森林可燃物燃烧性的异同。他们还发现可燃物不同部位（枝、叶、皮）燃烧产生气体含量存在差异；燃烧不充分时，气体排放量会显著增多；在明火燃烧阶段CO2排放量相比于阴燃阶段更高。王韡烨[44]用最低显著性差异法（LSD）对不同森林可燃物类型气体排放量进行差异显著性检验。结果表明，不同可燃物类型燃烧五种气体排放量均存在差异，但差异显著程度不一致。草本植物燃烧排放量平均值要小于灌木和乔木。CO2排放量远大于CO排放量。苏文静[45]对5种滇中地区典型树种树皮进行烟密度测定，发现针叶树种的热解和燃烧烟密度明显高于阔叶树种，提出可燃物质量、含水率等是影响烟密度的重要因素。

3 燃烧产物的主要危害

生物质燃烧释放烟气会对大气环境、生态系统及人体健康造成严重影响[46-48]。目前已知的森林火灾燃烧产物中，主要有毒有害气体包括CO2、CO、NOX、SO2、HCI、H2S、HN3、HF等无机类物质和烃类、醛类、酮类气体等有机类物质[49]。森林燃烧过程中向大气中排放出大量悬浮颗粒物，据Hoel⁃zemann[50]研究表明，森林火灾在生物质燃烧颗粒物排放中贡献达42%。悬浮颗粒物携带重金属和有害物质的含量与粒径大小紧密相关。

3.1 影响天气

火灾排放烟气中的悬浮颗粒物和气态污染物一旦排放超过大气循环能力和承载度，其浓度将会在大气中持续聚集，在特定条件作用下就会形成雾霾天气[51]。雾霾致使近空气层能见度下降，严重影响居民的正常生产生活。雾霾天气出现时，空气质量差，人员应该减少外出；在交通行驶方面影响严重，如导致航班暂停、影响高速公路和轮船通行等。

3.2 影响气候变化

森林火灾增加了大气中CO2等温室气体的含量，成为加速全球气候变暖的一个重要自然干扰因子。全球每年大约有3.9 Pg碳通过生物质燃烧排放到大气中，相当于人类每年化石燃料燃烧排放量的70%[52]，林火排放的碳约90%以CO2或CO的形式排放，其余的大多以甲烷、多碳烃和挥发性有机氧化物形式排放到大气中。

高强度森林火灾释放的大量温室气体，加剧全球温室效应，破坏生态系统碳平衡，影响气候变化。全球变暖的大背景下，森林生长因子，如区域水资源状况，害虫数量、森林火灾等都将对全球或区域森林的生产力、森林生态系统的组成与结构及全球森林分布的动态变化造成显著影响[53]，甚至可能引发林火的恶性循环。

3.3 影响酸雨形成

进入大气的主要污染物有CO、CXHY、NOX、SO2、悬浮颗粒等，其中SO2和NOX是酸雨的主要来源。雨、雪吸收并溶解了空气中的NOX、SO2等物质形成生成H2SO4、HNO3等酸性物质，形成酸雨。中国已是仅次于欧洲和北美的第三大酸雨区。重大森林火灾所释放的NOX、SO2气体量十分惊人，影响巨大，还具有全球性的特点。酸雨对人体健康、生态系统和建筑设施都有直接和潜在的危害。酸雨对陆地生态系统的危害主要以森林生态系统为受体，一旦酸雨的输入量超过森林生态系统本身的负荷能力，森林健康就会受到威胁。酸雨直接影响树木的生长发育，降低生物产量，甚至引起森林死亡[54]。

3.4 影响人体健康

森林火灾在起始阶段，因为O2含量不足、温度不高，燃烧主要以阴燃为主。可燃物不充分燃烧会释放出大量的CO。CO会与人体血红蛋白结合，所受损害程度与CO浓度及接触时间有关，轻者产生作呕、不舒服症状，重者中毒窒息死亡。可燃物完全燃烧时，主要释放CO2。CO2危险体积分数不超过10%，较长时间的暴露情况下允许的体积分数仅0.5%[51]。CO毒性虽远大于CO2，可燃物充分燃烧的情况下CO2才是导致人昏迷的主要元凶。燃烧过程中产生的氮氧化物（NO、NO2、N2O）同样对人体具有危害，其中是NO可直接侵入肺泡内的巨噬细胞，释放蛋白分解酶，破坏肺泡，引起肺水肿等疾病。

4 结论和展望

人类对森林火灾的探索仍处于初始阶段，特别是重大、特别重大森林火灾的发生机制、森林燃烧产物的具体成分，生态系统对火的适应和响应等。通过系统研究森林火灾燃烧产物，能够深入认识森林火灾燃烧、蔓延和熄灭规律，烟气扩散和影响机理以及大尺度的气候变化，更好地保护森林生态系统。

由于森林生态系统的多样性、复杂性以及燃烧时候的天气状况、燃烧是否充分等众多的不确定因素，无论从大尺度还是小尺度层面准确估算森林火灾气体释放量都较为困难。燃烧的产物包括三相物质，但具体的成分、比例以及相互之间的影响还需要深入研究。火灾烟气的成分及生成量是动态变化的，在以后的研究中还可加强有关森林火灾烟气的动态与静态研究，开展烟气中固态和液态的成分含量分析、认识烟气成分生成与变化规律也是未来研究的重点。