森林火灾产生的各种痕量气体作为影响温室效应的一种重要因子，越来越受到广大学者的关注(蒋延玲等, 2001; 康惠宁等, 1996; 刘国华等, 2000; 王效科等, 2001; 吴仲民等, 1998; 周玉荣等, 2000)。早在20世纪70年代后期, Crutzen等(1979)、Olson(1981)和Seiler等(1980)相继提出森林火灾释放的温室气体对全球变化的重要影响, 研究表明森林火灾不但释放CO₂, 而且释放很多的其他气体如CH₄, NO, SO₂, N₂O等。Goldammer(1989)首次成功地估算了热带森林由于森林火灾而产生的含碳温室气体量。Amiro(2001)应用遥感技术手段估测了加拿大西部北方森林火灾后CO₂通量。Isaev(2002)应用多光谱高分辨率卫星图像、大尺度航空摄影和从国家安全系统空间站获得的解密图像来评价俄罗斯森林火灾碳释放量。Zhang等(2003)应用SPOT卫星数据估算每月燃烧区域和森林火灾碳释放量。庄亚辉(1998)建立了动态与静态燃烧室以及CH₄, COS, CO, 及CO₂的采样、富集、分析方法。王效科(2001)用排放因子和排放比法, 得出中国森林火灾释放的CO, CO₂和CH₄的年平均值。曹国良等(2005)计算了中国大陆生物质燃烧所排放的SO₂, NH₃, CH₄, CO, CO₂等污染物的总量。田贺忠等(2002)对我国生物质燃烧排放的SO₂, NO_x进行了估算。

以上研究多是用遥感技术或查找资料并结合排放比法进行可燃物烟气释放量估算的, 而通过室内燃烧试验来确定气体排放因子并应用大尺度估算的研究开展甚少。为此, 本文以黑龙江省大兴安岭林区1980—2005年间火灾数据为基础, 通过野外调查和室内试验相结合, 应用排放因子法估算25年间森林火灾灌木、草本和地被物层释放的烟气总量, 旨在为大兴安岭森林火灾碳平衡及酸雨等灾害现象的研究提供基础数据。

1 研究地区概况

研究地点位于黑龙江省大兴安岭林区(50°10′—53°33′N, 121°12′—127°00′E; 面积为8.35 ×10⁶ hm²)。该区属寒温带季风气候, 年均气温-2~4 ℃, 最低气温-52.3 ℃, 最高气温39.0 ℃。年降水量350~500 mm, 降水集中于7—8月。相对湿度70%~75%, 积雪期达5个月, 林内雪深30~50 cm。土壤以棕色针叶林土和暗棕壤为主。全区山势比较平缓, 海拔在300~1 400 m左右, 15°以内的缓坡占80%以上。

大兴安岭林区属于寒带针叶林区, 森林类型以杜鹃(Rhododendron simsii)-落叶松(Larix gmelinii)林、杜香(Ledum palustre)-落叶松林、草类-落叶松林、杜鹃-樟子松林(Pinus sylvestris var. mongolica)、白桦(Betula platyphylla) -落叶松林、白桦-杜鹃林、蒙古栎(Quercus mongolica)-胡枝子(Lespediza bicolor)林、蒙古栎-白桦林为主。该区为我国森林火灾高发区, 年均森林过火面积居全国之首, 是我国森林火灾危害最严重的地区。

2 研究方法 2.1 样品采集及处理

外业调查于2005年5月和10月分2次在大兴安岭塔河林业局进行。选择有代表性的兴安落叶松林、樟子松林和白桦林, 采用机械布点法在每个林型设置3个20 m × 20 m的标准样地。在样地内按灌木分布均匀程度布设灌木小样方:灌木分布均匀度较差时采用5 m ×20 m的样方; 灌木分布较均匀时采用5 m ×10 m和2 m ×5 m的样方。按灌木种类收割样方内所有的灌木, 记录其鲜质量并取样。样地内按对角线选取3个1 m ×1 m的样方, 分别收集小样方内的草本、枯枝、落叶(针叶和阔叶分开)和半分解层的样品, 并记录其鲜质量。

2.2 生物量的测定

由于大兴安岭森林火灾以地表火为主, 地下火较少, 对林木根系的影响很小, 所以在研究过程中未对根系生物量进行测定。在小样方内对灌木、草本和地被物地上部分全部取样(不分器官), 室内样品粉碎和测量时也以整株进行。采集的样品经80 ℃烘干后, 磨粉、过60目筛备用; 另取备用小样15 g在105 ℃下连续烘干24 h至恒量, 分别计算各森林类型中灌木、草本和地被物的生物量。生物量计算过程中对比参照以往研究结论(周振宝, 2006)，对生物量计算结果进行方差分析，以减少估算误差。

2.3 全碳含量的测定

采用干烧法。取粉碎的0.2 g恒量样品，放入处理过的瓷舟(于>900 ℃下灼烧2 h以上)，通氧气使其充分燃烧生成CO₂，用Multic/N3000碳氮分析仪(德国耶拿公司)测定全碳含量，每次测3个平行样，测定结果取平均值，精度为(0.01±0.3)%。

2.4 气体排放因子测定

通常情况下森林火灾中(不包括火警)林内草本、枯枝落叶层几乎完全燃烧，林内灌木在轻度火烧以上也可以达到完全燃烧，由于本文是在大尺度上进行森林火灾燃烧气体释放量的估算，故将外业调查中每一样方内采集的灌木、草本和地被物进行混合并完全燃烧来测定不同林型的灌木、草本和地被物的气体释放量。取5 g样品进行室内完全燃烧试验并做3个重复。采用动态燃烧系统进行烟气释放量的测定。动态燃烧试验系统由燃烧室、恒温加热系统、电子秤、KM-9106综合烟气分析仪(英国KANE)、集烟罩(自行设计)、计算机和FIREWORKS烟气分析处理软件组成。运用该试验系统得出单位质量可燃物燃烧释放各气体的质量。运用下式求算出不同气体的排放因子(EF):

式中: M_i为燃烧产物中某种气体的质量(g); m_fuel为可燃物中碳量(g)。

2.5 排放气体总量的估算

参照Seiler等(1980)提出的火灾损失生物量估算模型

式中：A为火灾面积(hm²), B为某特定生态系统单位面积的有机物质(Mg·hm^-2), a为地上部分生物量占总整个系统生物量的比重, b为燃烧效率。根据植物的含碳量(C_c)，假设所有被烧掉的生物物质中的C都变成气体，则火烧造成的碳损失量(M_c)为：

最后，采用排放因子法计算森林火灾释放各气体的量。

2.6 数据分析

采取Excel2003软件完成灌木、草本和地被物层过火面积、生物量、燃烧消耗的生物量的推算。运用TableCurve 2D V5.0 Tvial软件对气体排放曲线进行拟合, 计算积分面积。采用SPSS12.0统计软件对数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA)。

3 结果与分析 3.1 不同林型过火面积

根据大兴安岭地区防火办公室提供的火灾资料结合地区林相图和实地调查，统计得出25年间大兴安岭地区不同林型不同强度林火过火面积(表 1)。单因素方差分析结果表明，尽管部分类型间的过火面积之间差异较大, 但总体上森林类型对林火面积的影响并不明显。

3.2 不同森林类型灌木、草本和地被物生物量

表 2显示各林型中，灌木层的生物量普遍小于草本及地被物层，森林可燃物较大部分分布在地被物上层和半分解层。灌木层生物量以草类-落叶松林最大，林下生物量最小的是杜香-落叶松林。杜鹃-落叶松林、白桦-落叶松林、白桦-杜鹃林3种林型地表层半分解物质生物量较大，此类林型发生大强度森林火灾可能性比较大，因此应对该类林型加强林火的监测，在条件允许的情况下应定期进行林内可燃物清理。

3.3 1980—2005年灌木、草本和地被物层损失生物量估算

通过各林型过火面积和灌木、草本及地被物生物量计算出大兴安岭地区1980—2005年间森林火灾灌木、草本和地被物层损失的生物量。表 3显示生物量损失最大的是白桦-落叶松林和白桦-杜鹃林，损失量分别为6.79×10⁶和6.72×10⁶ t。生物量损失最小的是杜鹃-落叶松林和草类-落叶松林，损失量分别为0.23×10⁶和0.19×10⁶ t。这主要取决于林型的过火面积。

3.4 不同森林类型灌木、草本和地被物层平均含碳率

表 4显示杜香-落叶松林、蒙古栎-胡枝子林林下灌木、草本和地被物层的平均含碳率最大，草类-落叶松林最小。试验结果表明大兴安岭地区主要林型灌木、草本和地被物层的平均含碳率为0.396~0.425之间，此前一些研究在大尺度估算火灾烟气释放时含碳率多采用0.45或0.50，从本研究看以往采用的值均大于大兴安岭地区的平均含碳率，因此误差可能会较大。

3.5 灌木、草本和地被物层森林火灾释放烟气的排放因子

由表 5可以看出, 在各森林类型的灌木、草本和地被物层中, CO₂排放因子最大的为A-灌木层和D-草、地被物层(草本-地被物层, 下同)，最小为E-灌木层和A-草、地被物层；CO排放因子最大的为B-灌木层和A-草、地被物层，最小为A-灌木层和D-草、地被物层；C_xH_y排放因子最大的为E-灌木层和A-草、地被物层，最小为A-灌木层和D-草、地被物层；NO排放因子最大的为G-灌木层和A-草、地被物层，最小的为F-灌木层和D-草、地被物层；SO₂排放因子最大的为B-灌木层和A-草、地被物层，最小的为F-灌木层和D-草、地被物层。可见在含碳气体的排放中A-灌木层和D-草、地被物层起到了重要的作用，在NO和SO₂气体的排放中A-草、地被物层和B-灌木层起到了重要的作用。

3.6 灌木、草本和地被物层燃烧释放烟气总量的估算

表 6显示大兴安岭25年森林火灾灌木、草本和地被物层共释放CO₂ 25.04×10⁶ t, CO 5.72×10⁶ t, C_xH_y 0.21×10⁶ t, NO 0.09×10⁶ t, SO₂ 0.24×10⁶ t。其中白桦-落叶松林、白桦-杜鹃林和蒙古栎-胡枝子林是气体释放量较多的林型, 约占总排放量的70%以上。这主要与其过火面积关系较大，但由于不同林型气体排放量因子不同也对总释放量产生重要的影响。

4 讨论

目前很多学者围绕着森林火灾碳释放展开研究，对不同尺度的森林燃烧碳释放进行估算, 其主要目的在于为研究森林碳平衡和全球气候变化等热点问题提供数据支持。王效科等(2001)研究得出中国森林火灾释放的CO₂, CO和CH₄年平均分别为8.96×10⁶, 1.12×10⁶和0.109×10⁶ t，其中黑龙江省所占比例分别为44.1%，43.5%和44%。本研究中大兴安岭森林火灾灌木、草本和地被物层年均释放CO₂, CO和CH₄量分别为1.00×10⁶, 0.23×10⁶, 0.008×10⁶ t, 若将乔木释放量近似等同于灌木和草本释放量，则与其研究结论略为接近。

森林燃烧除了释放大量的含碳气体外，还释放SO₂, NO等有毒气体，它们对人们的生产生活以及气候环境的影响也有着不可忽视的作用，但目前对此气体的研究还不够深入。曹国良等(2005)运用排放因子方法，对我国大陆生物质燃烧气体的排放做了大尺度的估算，认为我国生物质燃烧产生的SO₂和NO_x主要来源于秸秆燃烧，其贡献率达到97%和75%，而森林火灾的贡献率为1.08%和0.86%，其研究表明2000年黑龙江省SO₂和NO_x的释放量约为0.017×10⁶和0.093×10⁶ t，本文研究得出黑龙江省大兴安岭林区森林火灾SO₂和NO年释放量为0.009×10⁶和0.004×10⁶ t, 表明森林火灾释放的SO₂和NO的贡献率远大于上述研究结论。此外田贺忠等(2002)研究表明1998年黑龙江省秸秆燃烧释放SO₂和NO_x的量约为0.008×10⁶和0.02×10⁶ t, 其计算的SO₂释放量与本文计算的森林火灾灌草层释放量相当, 其释放量是非常大的。因此森林火灾在SO₂和NOx等气体的释放量上起到了重要的作用，这应引起人们高度的重视并对其进行深入的研究。