森林地被可燃物是森林燃烧的基础物质，也是引起森林火灾的重要原因，其燃烧释放的烟气在很大程度上增加了大气中温室气体的含量，影响到许多大气化学过程，已成为加速全球变暖的一个重要自然干扰因子。因此森林可燃物燃烧痕量气体的排放，越来越受到国内外学者的关注。早在20世纪70年代后期，Crutzen等(1979)、Seiler等(1995)和Olson等(1981)提出森林火灾不但释放CO₂，而且释放更多的其他温室气体(如CH₄，N₂O等)和具有化学活性的其他一些痕量气体以及颗粒物。20世纪80年代以来，各国学者将森林火灾的研究和大气化学的研究很好地结合起来，并通过室内模拟试验和野外大气化学观测试验(Goldammer et al., 1993；Levine et al., 1995；Dixon et al., 1993)，对北方林(美国、加拿大、俄罗斯)因火灾而直接和间接排放的含碳气体进行了计算。我国学者对森林火灾温室气体释放问题的研究主要集中于含碳气体的研究(王效科等，1998；2001a；2001b；田晓瑞等，2003；胡海清等，2006；2007a；2007b；焦燕等，2005a；2005b；庄亚辉等，1998)。本文以小兴安岭凉水国家级自然保护区的15种典型森林可燃物类型的未分解层和半分解层为研究对象，通过外业调查取样及室内控制环境燃烧相结合的方法，测定了燃烧过程中CO₂，CO，C_xH_y、NO和SO₂的释放量，并分析了不同可燃物类型、不同层燃烧反应气体排放量的差异。旨在为评价森林火灾对大气环境造成的影响、森林地被物的管理，提供一定的理论依据。这对于我国控制森林火灾、实现生物阻火技术都具有重要的现实意义。

1 研究地区与研究方法 1.1 研究地概况

小兴安岭位于我国黑龙江东北部(46°28′—49°21′N, 127°42′—130°14′E)，纬度较高，属北温带大陆季风气候区，四季明显。年平均气温大体在-1~1 ℃之间，最热月平均气温在20~22 ℃，极端最高气温可达38 ℃，为时很短；最冷月气温为-23~-28 ℃。年降水量550~700 mm，以7，8月最多。土壤为暗棕壤，且以山地暗棕壤为主，土层较厚。物种丰富，林地面积280万hm²，森林覆被率为72.6%，主要林型有：红松(Pinus koraiensis)林、云杉(Picea asperata)林、冷杉(Abies fabri)林、落叶松(Larix gmelinii)林、樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)林以及混交林。

1.2 研究方法 1.2.1 采样方法

选择小兴安岭凉水林场、五营林场，进行外业调查和样品采集工作。该地区可燃物类型主要包括：白桦(Betula platyphylla)林、椴树(Tilia sp.)红松林、枫桦(B. costata)林、枫桦(B. costata)红松林、红松林、红松人工林、落叶松林、蒙古栎(Quercus mongolica)林、山杨(Populus davidiana)林、云冷杉林、云冷杉红松林、针阔混交林、樟子松林、樟子松人工林、蒙古栎红松林。每种可燃物类型采用机械布点法设置20 m×20 m的标准样地3块，在样地内按对角线做5个1 m×1 m的小样方，按照未分解层和半分解层两层收获小样方内的地被物，直接称取其鲜质量，记录数据，并标记封袋。

1.2.2 试验方法

为保证试验测定的准确性，将外业采集样品置于通风良好处自然风干30天左右，称量并记录。利用小型粉碎机将样品粉碎后用100目筛过滤，使可燃物燃烧更充分，用分析天平称取每种可燃物样品粉末20 g封袋备用。采用动态实验燃烧系统(KM9106E型综合烟气分析仪、自动恒温加气系统，烟气采集系统、数据采集器和计算机)。室内温、湿度相对恒定，烟气测定时关闭门窗，禁止人员走动，以减少空气对流，防止因烟气漂移而产生的试验误差。每种样品质量为5.0 g，加热温度设为480~500 ℃，加热时间为20~25 min。每种样品做3个重复，记录并计算其平均值。

1.2.2 排放因子和释放量的计算

本研究采用Ward等(1980)和Nelson(1982)的研究方法，用碳总量平衡的方法与可燃物燃烧量之间建立联系来描述含碳化合物的释放。在这种方法中，假设样品的燃烧反应是充分的，碳全部以CO₂，CO，C_xH_y(以CH₄计)3种气体的方式排放出来。用烟气分析仪的探针收集产生的气体，应用其自带分析软件(FireWork)导出不同可燃物燃烧反应每10 s一次的气体排放量浓度(mg·mL^-1)，记录5种可燃物释放的烟气成分(CO₂，CO，C_xH_y，SO₂和NO)浓度变化曲线，运用Table Curve 2DV5.0 Tvial软件对气体排放曲线进行拟合，计算出积分面积，根据各种成分的比例关系，得出各种气体成分的排放因子(EF)，即森林火灾中释放的某种含碳温室气体碳含量与燃烧过程中碳损失的比值(Ward et al., 1980；Nelson et al., 1982)。公式为，式中M_i为某种含碳气体的质量(g)，m_f为燃烧过程中损失的碳总量(g)。

为了进一步分析森林火灾中NO，SO₂的释放量，将NO，SO₂的排放量与燃烧产物的碳含量之间建立关系，来推算出NO和SO₂的排放因子。

利用不同气体的排放因子，结合试样的风干含水率和全碳含量，计算试验过程中不同可燃物类型地被物CO₂，CO，C_xH_y，SO₂和NO的释放量(Ward et al., 1980；Nelson et al., 1982)。计算公式为m_i=，式中m_i为某种气体释放量(g)，M_i为样品质量(g)，C_i为全碳含量(%)，MC_i为风干含水率(%)，EF_i为排放因子。

2 结果与分析 2.1 不同可燃物类型的排放因子

根据室内试验得到的15种森林可燃物类型地被物的排放因子见表 1。可以看出各森林可燃物类型CO₂排放因子明显大于其他4种气体。在未分解层中，白桦林的CO₂排放因子最大，云冷杉红松林最小；CO，C_xH_y和SO₂排放因子均以云冷杉红松林最大，白桦林最小，与CO₂的完全相反；NO排放因子中，枫桦林最大，人工红松林最小。半分解层中，枫桦红松林的CO₂排放因子最大，落叶松最小；CO的排放因子则与CO₂相反；C_xH_y的排放因子以蒙古栎林最大，落叶松最小；NO的排放因子中，樟子松人工林最大，樟子松林最小；SO₂的排放因子椴树红松林最大，枫桦红松林最小。由此可见，各森林可燃物类型地被物的排放因子各不相同，这与不同可燃物类型的燃烧效率有关，由于燃烧效率与森林类型、火灾性质直接相关，因此它是一个争议较大的参数，也是估计森林火灾释放含碳气体量的关键(Wong，1979)。

对不同可燃物类型的排放因子的3个重复进行多重比较结果表明：未分解层中，白桦林CO₂和CO的排放因子均与针阔混交林有显著差异(P < 0.05)，落叶松林和针阔混交林C_xH_y的排放因子与其他可燃物类型差异显著(P < 0.05)。在半分解层中，白桦林CO₂和CO的排放因子均与落叶松林有显著差异(P < 0.05)，针阔混交林C_xH_y的排放因子与枫桦林差异显著(P < 0.05)。

2.2 不同可燃物类型地被物气体的释放量

15种可燃物类型未分解层和半分解层气体的释放量平均值为1 330.55 mg·g^-1，其中5种气体的平均值分别为：CO₂ 1 200.56，CO 118.02，C_xH_y5.33，NO 4.14，SO₂ 16.42 mg·g^-1(表 2)。在未分解层中，CO₂的释放量以白桦林最大，云冷杉红松林最小，前者是后者的1.31倍；CO的气体释放量则与之完全相反。在半分解层中，CO₂的释放量以枫桦红松林最大，落叶松林最小，前者是后者的1.11倍。

多重比较结果表明：未分解层中，白桦林CO₂和CO的气体释放量均与山杨林、云冷杉红松林、针阔混交林差异显著(P < 0.05)，白桦林C_xH_y的气体释放量与落叶松林、云冷杉红松林、针阔混交林差异显著(P < 0.05)。在半分解层中，落叶松林CO₂和CO的气体释放量均与白桦林、枫桦红松林、红松人工林、针阔混交林差异显著(P < 0.05)。落叶松林C_xH_y的气体释放量与红松人工林、红松林、蒙古栎林、樟子松人工林差异显著(P < 0.05)。NO与SO₂气体释放量在未分解层和半分解层的差异显著性一致，分别为枫桦林与白桦林、樟子松人工林差异显著；云冷杉红松林与白桦林、针阔混交林差异显著(P < 0.05)。

2.3 主要气体释放量相关性检验

15种森林可燃物类型地被物中，NO的排放量和CO₂，CO，C_xH_y，SO₂相关性不显著(P>0.05)。CO₂的释放量和CO，C_xH_y，SO₂存在极显著的负相关P < 0.01)，而CO，C_xH_y，SO₂的释放量之间存在着显著的正相关(P < 0.01)。

2.4 未分解层与半分解层气体释放量比较

燃烧过程中释放的气体主要以CO₂，CO为主，C_xH_y，NO和SO₂的释放量较小(图 1)。未分解层燃烧5种气体总量、含碳气体总量、CO₂的释放量均小于半分解层，而CO，C_xH_y，NO和SO₂的释放量均大于半分解层。不同可燃物类型地被物的未分解层和半分解层燃烧反应所产生的5种气体总量和含碳气体总量不存在显著差异(P>0.05)，C_xH_y，NO和SO₂不存在显著差异，与其他气体释放量均差异显著(P < 0.05)。

3 结论与讨论

排放因子是森林火灾中释放的某种含碳气体的量与燃烧过程中损失的总碳量的比值，是估算森林火灾含碳气体以及其他有毒气体释放量所必需的参数。从理论上说，排放因子法的估算较为可靠，排放比法估算的误差较大，但在研究森林火灾排放的多种气体量时应用排放比估算温室气体释放量的报道较为普遍(Levine et al., 1995)。这是因为排放因子一般只能在实验室中取得，而排放比可以比较容易的在野外和大规模的火灾发生时进行测定。不同植物排放因子产生差异的原因主要是由于植物本身的理化性质及C、N、S等元素含量的差异，导致其在燃烧反应中释放出的各种痕量气体的量不同；而且由于试验方法和试验区域不同，造成有焰燃烧持续的时间和可燃物燃烧效率等因素的差异(胡海清等，1998)。本文计算出15种森林可燃物类型地被物燃烧5种气体(CO₂，CO，C_xH_y，NO和SO₂)的排放因子，分别为2.59~3.40，0.17~0.65，0.001 4~0.025，0.002 9~0.011，0.007 7~0.026，与Clements等(1984)的研究结果较为相近，CO₂，CO和C_xH_y(以CH₄计)的排放因子分别为：2.96，0.42和0.013。与我国学者庄亚辉等(1998)的研究结果有所差异，他测得植物枝、叶、凋落物CO₂，CO和CH₄排放因子的平均值分别为59.62%±16.0%，8.48%±2.66%和0.78%±0.39%，小于本研究结果。原因是本研究中各种痕量气体的释放量数值均由烟气分析仪实测所得，排放因子(EF)的计算方法是某种含碳气体的量/燃烧物质燃烧过程中损失的总碳量(Ward et al., 1982)，而庄亚辉等(1998)采用某种含碳气体中的碳量/燃烧物质燃烧过程中损失的总碳量来计算排放因子(EF)，与本文的计算方法不同。

在对森林火灾气体释放量的研究中，胡海清等(2008)通过控制试验，用烟气浓度计算了小兴安岭林区凉水林场10种乔木和9种灌木可燃物燃烧过程中CO₂，CO，C_xH_y，SO₂和NO气体释放量，分别为(1 149.06±6.31)，(282.93±2.40)，(15.18±0.21)，(5.03±0.03)和(7.46±0.13)mg·g^-1。郭福涛等(2006)采用外业调查和室内控制环境试验相结合的方法，对黑龙江省大兴安岭地区12种林型的乔木、灌木层、草本层燃烧过程中释放的CO₂，CO，C_xH_y，SO₂和NO含量进行了测定，分别为1 019.66，211.68，9.42，4.36，8.31 mg·g^-1。与本研究结果较为相近(表 2)。小兴安岭林区不同森林可燃物类型地被物层的气体释放量在未分解层和半分解层差别很大，未分解层为白桦林最大，云冷杉红松林最小，而在半分解层为枫桦红松林最大，落叶松林最小。5种气体(CO₂，CO，C_xH_y，NO和SO₂)释放量相关性为：NO的释放量和CO₂，CO，C_xH_y，SO₂相关性不显著，其他4种气体之间均存在显著相关。与李玉昆等(2006)测定大兴安岭林区兴安落叶松林、樟子松林和杨桦林中的草本、枯枝和半分解层气体释放量相关性结果一致。

目前，国外森林火灾释放痕量气体的测定，主要是含碳气体，已经从室内环境转向空中直接采样、火灾中实测数据试验。而我国此项研究尚处于初级阶段，另外，为正确理解森林火灾对全球碳平衡影响的研究，需要利用多种渠道和方法建立林火灾的监测和数据库，研究森林火灾的发生规律和影响程度，以提高基础资料的可靠性。