生物质燃烧释放烟气颗粒物会对大气环境、生态系统及人体健康造成非常严重的影响(Alves et al., 2011；Gao et al., 2016；Jin et al., 2018；Mehmood et al., 2018)，全球每年约有10亿t生物质燃烧并向大气环境中排放大量颗粒物污染物(Popovicheva et al., 2014)，其中森林火灾在生物质燃烧颗粒物排放中的贡献高达42%。随着全球气候变暖和人类活动加剧，林火发生的频率和面积将不断增加(Hoelzemann et al., 2004)。福建地处亚热带地区，受人为活动和气候因素影响，其林火多呈高频率低强度特征，过火可燃物多为林下地表枯落物和部分乔灌木低矮枝和皮干(黄捷，2015；靳全锋等, 2017)。杉木(Cunninghamia laceolata)具有速生、丰产、材性好、用途广等特性，是我国南方最重要的人工林树种(俞新妥，2000)，根据全国第8次森林资源清查结果，福建省杉木的种植面积和蓄积量分别占全省总量的46.5%和51.6%。杉木林地表可燃物总负荷量相对较大，分布较疏松，保水能力差，较易发生森林火灾(倪荣新等，2015)。此外，福建长期采用控制烧除等方式进行林地清理，这导致大量杉木林下可燃物被燃烧消耗。

林下可燃物燃烧产生的烟气包括大量气态污染物(CO、CO₂、NO_x、C_xH_y)和不同粒径颗粒物(PM₁₀、PM_2.5、PM₁)(Levine et al., 1991；Damoah et al., 2004；Fernandes et al., 2011)。其中PM_2.5占生物质燃烧释放颗粒物的80%~90%(Obernberger et al., 2007)，可富集很多有机物和离子，并进行远距离、长时间的漂浮。另一方面，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，也含有很多植物营养元素(K、Na、Ca、P、Mg等)，且多以离子形态存在，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(Émeline et al., 2014)。因此，了解杉木林下枯落物燃烧释放烟气、颗粒物的成分特性，对进一步揭示林火及火后林地清理对森林生态系统的影响具有重要意义。

本研究以福建杉木人工林枯落物的叶、枝、皮、干4种主要组分为对象，通过室内模拟燃烧，分析不同燃烧状态下释放气体和颗粒物的特性，并对烟气中PM_2.5进行采集，测定其内部化学组成，以深入揭示杉木枯落物燃烧释放特性。

本研究选择位于福建三明莘口林场(117°28′E，26°10′N)的杉木林作为采样地，样地属于武夷山东伸支脉，平均海拔205 m，属中亚热带季风气候，年均气温19.1 ℃，≥10 ℃年积温6 677.9~5 240.2 ℃，年均降水量1 749 mm，年均蒸发量1 585.0 mm，相对湿度81.0%，无霜期300天左右。为保证样品采集背景值一致，选择同一区域中龄林林地作为采样地，林地坡度23.5°，密度为2 390株·hm^-2，郁闭度0.80，平均胸径为10.8 cm，平均树高为8.7 m。林下植被覆盖度约为90%以上，林下枯枝落叶层现存量为4.04 t ·hm^-2。

收集散落在杉木林下未分解的枯枝落叶，并自然风干以排除含水率对燃烧过程的影响。杉木林的枯落物主要由叶、枝、皮、干和其他组分组成，其中落叶所占的比例较大，约占54.5%；其次为落枝，约占19.6%；再次为皮和干，约仅占枯落物总量的6.7%和3.2%，其他枯落物成分约占16.0%。

由于秋季是福建森林火灾频发期，所以采样时间为秋季，在同一杉木林内选择4个不同方位区域进行采样，每个采样地各取3份，每个枯落物样本参与模拟燃烧试验的重复样本数为12份，自然风干后称量15 g装入牛皮纸袋中，以用于燃烧试验。此外，考虑到枯落物组分甚至同一枯落物组分的粗细大小均会影响燃烧效率及排放特征，同时考虑到室内模拟试验受限于燃烧箱体积，为便于枯落物完全燃烧，树枝均选择直径约为1 cm粗细并剪切为5 cm长短，树干也均砍切至直径约为1 cm粗细和5 cm长短。此外，还将杉木枯落物的叶、枝、皮、干分别粉碎后烘干，用锡箔纸包好，用于燃烧前的元素成分测定。

本试验设立主要流程如下：将收集的杉木不同枯落物组分(枝、叶、皮、干)的样品分别经过自然风干、去尘、称质量等预处理后，于自行设计的模拟燃烧装置(图 1)(王文辉等，2017)中进行模拟燃烧试验，并运用Testo350(德图升级型烟气分析仪)和TSI8533颗粒物分析仪(美国)进行实时测定不同可燃物在不同燃烧状态下(阴燃、明燃)的气体和PM_2.5的排放特征，同时利用颗粒物采样器提取PM_2.5，进行进一步的成分分析(鞠园华等，2018)。

图 1 生物质燃烧装置示意 Fig. 1 Biomass burning device schematic diagram

对于阴燃和明燃这2种极端燃烧状态的描述还没有统一的定义与标准。有文献定义阴燃是燃烧时出现火星但无火焰并持续冒烟；明燃是出现明显火焰(洪蕾等，2015)。本研究实际模拟试验是密闭式的，同时定速通过空气泵向燃烧箱输送空气，能保证燃烧箱内氧气含量恒定和保证充分燃烧及烟气的均匀混合，且试验装置的烟气管道较粗，利于烟气的流通和冷却。此外，本研究通过多次预试验发现，一般温度为180 ℃左右时会持续冒浓烟，而温度达到270 ℃左右时会出现明显的有焰燃烧状态；并参考其他学者的研究，采用校正燃烧效率表征燃烧状态(Mcmeeking et al., 2009)，其定义是CO₂与CO和CO₂之和的比[MCE=C_CO2/(C_CO2+C_CO)](C为浓度值)，一般认为MCE达到0.86~0.99即为明燃，MCE为0.65~0.85则为阴燃。MCE是很多研究中用以表征燃烧状况的有效参数(Akagi et al., 2011；沈国锋，2012)。由于燃料燃烧释放出来的碳主要是以CO₂和CO的形式存在，其他形式的碳相较于CO₂和CO中的碳是痕量的，因此校正燃烧效率和实际燃烧效率比较接近，可用于表征燃烧状态。

清理样品并自然风干，称量后进行燃烧试验。样品添加后立即打开颗粒物采样器采集PM_2.5，同时打开烟气分析仪与颗粒物分析仪进行实时监测。每次进行试验前均需对仪器进行校准，烟气分析仪灵敏度是CO₂为0.1 mL ·L^-1、CO为1 μL ·L^-1和NO_x为1 μL ·L^-1；颗粒物分析仪测定PM_2.5的灵敏度是0.001 mg ·m^-3。

1) 气体与PM_2.5排放因子计算方法    排放因子，即单位质量燃料在燃烧所产生的污染物的质量(单位通常是g ·kg^-1或mg ·kg^-1)。目前关于排放因子测定的方法各有不同，如地面监测和空中采样的方法(Kaufman et al., 1998)、气溶胶烟雾箱测定污染物浓度(张鹤丰，2009)、燃烧室模拟燃烧等(Hays et al., 2005)。本研究中关于排放因子的计算，采用碳守恒的方法来计算排放因子(沈国锋，2012)。该方法是假设燃料中的碳排放主要以气态CO₂、CO、总碳氢(THC)和颗粒物形态的碳形式存在，其他形式不作考虑，根据元素守恒原则，分别计算CO₂、CO、NO_x、C_xH_y和PM_2.5的排放因子。

2) PM_2.5成分测定方法    元素碳与有机碳的测定需要将颗粒物采集到无机石英滤膜上，经过元素分析仪直接测定样品中总碳(total carbon, TC)和有机碳(organic carban, OC)的质量浓度，元素碳(element corbon, EC)可用公式(C_EC=C_TC-C_OC)计算得到(史美鲜，2014)。水溶性阴阳离子和无机元素的测定需要将颗粒物采集到Teflon膜(规格PM_2.5，47 mm)上，分别使用离子色谱仪(ICS1100型，Dionex，美国)和ICP-MS(电感耦合等离子体质谱)技术测定水溶性阴阳离子和无机元素的组成和含量(鞠园华等，2018)。

杉木枯落物的工业分析包括水分、挥发成分、固定碳和灰分。水分和灰分可反映出枯落物中无机质的数量，挥发分和固定碳分析则能初步反映枯落物中有机质的数量与性质。

杉木枯落物各组分的工业分析与元素分析结果如表 1所示。杉木枯落物各组分的含水率变化在7.03%~16.53%，挥发分在62.00%~78.50%，固定碳在8.02%~17.33%，灰分差异较大，变化在0.48%~7.20%，其中杉木叶的灰分显著高于其他组分。各类杉木枯落物的低位热值变化在15~17 MJ ·kg^-1之间，叶的低位热值较高。

表 1 杉木枯落物的工业分析与元素分析(均值±标准差) Tab.1 Analysis of Chinese fir litter compositions(mean ±SD)

表 1 杉木枯落物的工业分析与元素分析(均值±标准差) Tab.1 Analysis of Chinese fir litter compositions(mean ±SD) 项目Items 指标Index 树叶Leaves 树枝Branch 树皮Bark 树干Bole 工业分析 Industry analysis (%) 水分Moisture content 9.67±2.52 14.33±2.26 10.83±1.89 12.65±0.15 挥发成分Volatile 68.00±4.36 75.17±2.08 75.50±1.32 70.83±2.26 固定碳Fixed carbon 16.33±6.11 8.17±1.04 12.34±1.18 16.02±2.34 灰分Ash 6.00±1.00 2.33±0.58 1.33±0.58 0.50±0.01 元素分析 Elemental analysis (%) S 0.09±0.01 0.06±0.01 0.06±0.01 0.16±0.01 C 44.55±0.04 44.27±0.02 43.78±0.03 45.79±0.01 H 5.30±0.02 5.09±0.02 4.79±0.01 5.10±0.04 N 0.96±0.01 0.52±0.01 0.54±0.01 0.19±0.01 O 33.44±3.51 33.39±2.75 38.68±2.36 35.63±0.15 低位热值Low calorific value/(MJ·kg-1) 16.93 16.40 15.34 16.58

元素分析包括C、H、S、N、O元素的测定。其中，C元素含量是计算CO₂排放因子的关键因素。C元素含量最高，含量范围是43.75%~45.80%；其次是O元素，含量范围是29.93%~41.04%；N和S元素含量较低，均低于1%。

1) 杉木枯落物不同组分燃烧污染物排放因子    排放因子是研究污染物排放量及评价对环境影响的基础。表 2为杉木枯落物燃烧时各种气体和PM_2.5的排放因子，由枯落叶、枝、皮、干排放因子及质量组成加权得到。结果表明，杉木枯落物燃烧污染物均为CO₂排放因子最大，明燃高于阴燃，分别为1 095.45±19.07和1 001.66±17.93 g ·kg^-1。其次是CO、C_xH_y、PM_2.5和NO_x，这4种污染物的平均排放因子均为阴燃高于明燃。

表 2 杉木枯落物燃烧释放污染物的排放因子(均值±标准差) Tab.2 The emission factors of pollutants in different groups of fir litter burning(mean ±SD)

表 2 杉木枯落物燃烧释放污染物的排放因子(均值±标准差) Tab.2 The emission factors of pollutants in different groups of fir litter burning(mean ±SD) (g ·kg-1) 燃烧状态Combustion state CO CO2 NOx CxHy PM2.5 阴燃Smodering 190.77±11.19 1 001.66±17.93 1.83±0.12 25.98±1.83 10.98±1.74 明燃Flaming 156.95±11.96 1 095.45±19.07 0.90±0.15 21.49±1.76 6.20±1.61

2) 不同燃烧状态时污染物排放对比    污染物排放受燃烧状态影响明显，燃烧效率则是表征燃烧状态的重要参数。本研究模拟试验过程中通过温度和压力控制燃烧状态，一般阴燃时MCE的数值范围为0.70~0.85，明燃时的MCE数值范围为0.83~0.98。阴燃的燃烧程度低，污染物排放强度也较高。

图 2为杉木枯落物各组分在不同燃烧状态下各气体及PM_2.5的排放因子对比。结果表明，在阴燃时，杉木叶、枝、皮、干污染物排放因子存在显著差异。CO排放因子范围是202.3~358.8 g ·kg^-1，不同组分之间相互差异显著，相同条件下树干排放CO的强度最高；CO₂排放因子范围是1 001.4~1 364.5 g ·kg^-1，其中树干燃烧显著低于其他组分；NO_x和C_xH_y的排放因子均值分别为1.39、33.75 g ·kg^-1；PM_2.5排放因子变化范围较大，为5.11~38.37 g ·kg^-1，杉木皮的平均排放因子且显著高于其他组分。在明燃时，叶、枝、皮、干燃烧排放的各污染物均存在显著差异。其中，叶排放CO₂和NO_x的强度最高，枝排放C_xH_y的强度显著高于其他，CO和PM_2.5由杉木皮燃烧排放最高。

图 2 杉木枯落物不同组分阴燃/明燃气体及PM2.5的排放因子比较 Fig. 2 Comparison of EF(emission factors)of different groups in different burning status smoke and PM2.5 from Chinese fir litters 不同大写字母代表同一枯落物组分不同燃烧状态之间的差异性(P＜0.05)，不同小写字母代表不同枯落物组分之间的差异性(P＜0.05) The different burning status by different capital letters mean significant at P < 0.05 level, the different components of litter by different lowercase letters mean significant at P < 0.05 level.

此外，除CO₂外，其他污染物排放多数存在显著差异。杉木枯落物各组分燃烧CO排放因子均为阴燃时高于明燃；阴燃状态下，CO₂排放因子均低于明燃，但不同组分之间差异较小；NO_x排放因子均为阴燃时高于明燃，且不同组分之间具有显著差异。C_xH_y排放因子多为阴燃时显著高于明燃，但枝是明燃高于阴燃。PM_2.5排放因子均为阴燃时显著高于明燃，叶、枝、皮、干的PM_2.5排放因子阴燃时分别是明燃的1.7、1.9、2.0、2.9倍。

1) 碳质组分    对4种杉木枯落物组分进行室内模拟燃烧并采集PM_2.5，分析其碳质组分质量分数(表 3)和排放因子(图 3)。结果表明，杉木枯落物在阴燃和明燃时排放的总碳(TC)质量分数范围分别为54.95%~59.44%和52.97%~56.84%，即阴燃时大于明燃；叶、枝、皮、干之间有差异，但差异不显著。碳质组分(OC、EC)的排放因子受燃烧状态的影响显著，OC的排放因子均值阴燃和明燃时分别为7.12、3.02 g ·kg^-1，阴燃是明燃的2.4倍；EC的排放因子均值阴燃和明燃时分别为1.79、1.05 g ·kg^-1。

表 3 杉木枯落物不同燃烧状态下PM_2.5中TC、OC和EC的质量分数(均值±标准差) Tab.3 Mass fraction of OC and EC in PM_2.5 under different status(Mean ±SD)

表 3 杉木枯落物不同燃烧状态下PM2.5中TC、OC和EC的质量分数(均值±标准差) Tab.3 Mass fraction of OC and EC in PM2.5 under different status(Mean ±SD) % 枯落物 Litter 阴燃Smoldering 明燃Flaming TC OC EC TC OC EC 树叶Leaves 54.95±0.74b 46.10±1.76b 8.85±2.50b 52.79±1.10b 40.79±0.74b 12.00±0.37c 树枝Branch 59.06±0.98a 44.36±1.70b 14.70±0.72a 56.84±1.53a 39.45±2.29b 17.39±0.76a 树皮Bark 59.44±1.69a 46.62±3.80b 12.82±2.11ab 53.72±0.98ab 39.07±1.95b 14.65±0.98b 树干Bole 57.84±0.73a 47.35±1.14a 10.49±1.87ab 55.00±0.95ab 42.61±1.21a 12.39±2.17b ①不同小写字母代表不同枯落物组分之间的差异性(P＜0.05) The different components of litter by different lowercase letters mean significant at P＜0.05 levels

图 3 杉木枯落物不同燃烧状态下PM2.5中TC、OC和EC的排放因子(EF) Fig. 3 TC, OC, EC emissions factor of Chinese fir litters burning under different status (EF)

杉木枯落物燃烧颗粒物中OC、EC、PM_2.5排放因子的比值如图 4。4种枯落物组分OC/EC的值如图 4a，阴燃时变化范围3.02~5.21，明燃时比值变化范围2.27~3.44，均值分别为4.09和2.94。阴燃时OC/EC比值明显大于明燃，表明OC/EC的比值可作为区分阴燃和明燃状态的重要指标。

图 4 杉木枯落物不同燃烧状态下OC/EC、OC/PM2.5、EC/PM2.5排放因子比较 Fig. 4 Comarison of the OC/EC, OC/PM2.5, EC/PM2.5 ratio for burning of Chinese fir litters under different status

此外，OC、EC在PM_2.5中的比例也受燃烧状态的明显影响，如图 4b。OC/PM_2.5、EC/PM_2.5的值在阴燃时分别为0.44~0.47和0.09~0.15，明燃时分别为0.39~0.43和0.12~0.17。结果表明OC/PM_2.5阴燃时大于明燃，EC/PM_2.5明燃时大于阴燃。因此，OC、EC与PM_2.5的比值关系也可用作区分燃烧状态的参考依据，但这种规律是否适合其他可燃物还需进一步研究。

2) 水溶性离子    表 4为杉木枯落物燃烧排放PM_2.5中水溶性离子的排放因子，表明6种阳离子(Li⁺、Na⁺、NH₄⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺)5种阴离子(F^-、Cl^-、NO₂^-、SO₄^2-、NO₃^-)排放因子范围为从低于检测限到1.763 g ·kg^-1。其中，Cl^-和K⁺是所有水溶性离子中贡献最大的离子，阴燃时排放因子平均值分别为0.793、0.661 g ·kg^-1，明燃时分别为0.281、0.158 g ·kg^-1。阴燃时Ca²⁺、SO₄^2-排放因子次之，因此，Cl^-、K⁺、Ca²⁺和SO₄^2-是杉木枯落物阴燃时主要的水溶性离子；明燃时Cl^-、K⁺、SO₄^2-、Na⁺是PM_2.5中主要的水溶性离子。

表 4 杉木枯落物不同组分燃烧排放PM_2.5中的水溶性离子的排放因子(均值±标准差) Tab.4 Emission factors of water-soluble ions PM_2.5 from Chinese fir litters burning(Mean±SD)

表 4 杉木枯落物不同组分燃烧排放PM2.5中的水溶性离子的排放因子(均值±标准差) Tab.4 Emission factors of water-soluble ions PM2.5 from Chinese fir litters burning(Mean±SD) g ·kg-1 离子 Water-soluble ions 阴燃Smoldering 明燃Flaming 树叶Leaves 树枝Branch 树皮Bark 树干Bole 树叶Leaves 树枝Branch 树皮Bark 树干Bole 阳离子 Cation Li+ 0.156±0.004 0.029±0.002 0.051±0.008 0.010±0.001 0.002±0.001 0.001±0.001 0.005±0.001 0.001±0.001 Na+ 0.159±0.017 0.252±0.043 0.143±0.038 0.013±0.003 0.035±0.004 0.070±0.007 0.043±0.003 0.004±0.003 NH4+ 0.311±0.094 0.047±0.002 0.210±0.011 0.049±0.012 0.070±0.002 0.009±0.001 0.022±0.006 0.030±0.001 K+ 1.607±0.099 0.687±0.012 0.311±0.037 0.038±0.007 0.347±0.007 0.105±0.004 0.504±0.026 0.169±0.003 Mg2+ 0.234±0.048 0.035±0.004 0.107±0.014 0.014±0.003 0.009±0.001 0.003±0.000 0.048±0.006 0.022±0.001 Ca2+ 0.856±0.033 0.152±0.012 0.465±0.012 0.077±0.003 0.020±0.004 0.007±0.002 0.100±0.005 0.007±0.001 阴离子 Anion F- 0.117±0.022 0.034±0.001 0.115±0.011 0.053±0.002 0.037±0.004 0.022±0.002 0.027±0.005 0.011±0.000 Cl- 0.587±0.048 0.197±0.019 1.758±0.005 0.628±0.008 0.241±0.026 0.117±0.004 0.113±0.054 0.161±0.014 NO2- 0.076±0.011 0.022±0.002 0.105±0.005 0.076±0.015 0.042±0.006 0.012±0.001 0.040±0.006 0.046±0.001 SO42- 0.180±0.008 0.109±0.011 0.298±0.028 0.091±0.008 0.073±0.004 0.040±0.002 0.125±0.004 0.027±0.001 NO3- 0.079±0.003 0.010±0.002 0.107±0.004 0.021±0.001 0.023±0.001 0.006±0.002 0.037±0.005 0.008±0.000 总和Total 4.36 1.57 3.67 1.07 0.90 0.39 1.56 0.49

此外，杉木叶、枝、皮、干阴燃时的总水溶性离子的排放因子分别为4.36、1.57、3.67、1.07 g ·kg^-1；明燃时分别为0.90、0.39、1.56、0.49 g ·kg^-1。杉木叶和皮燃烧排放PM_2.5中的总水溶性离子排放因子相对枝和干较大，表明杉木凋落叶和皮燃烧污染性大于枝和干。

3) 无机元素    杉木枯落物不同组分燃烧排放PM_2.5中的水溶性无机元素排放因子如表 5所示。结果表明，K、Ca、Na、Mg和P元素作为植物生长元素是杉木枯落物燃烧PM_2.5中的主要元素，这6种元素占总无机元素的96%以上，K是排放因子最高的元素，占总元素60%以上，阴燃时范围为6 902.5~20 407.7 μg ·kg^-1，明燃时范围为8 209.7~25 410.4 μg ·kg^-1；其次是Ca，占9.7%~28.6%，阴燃时排放因子范围为1 546.1~9 705.6 μg ·kg^-1，明燃时为1 094.1~7 627.0 μg ·kg^-1。重金属元素中，Zn和Cu在PM_2.5中的含量相对较高，阴燃时排放因子范围分别为265.9~967.4、8.2~142.3 μg ·kg^-1，明燃时分别为258.2~1 202.2、5.7~74.3 μg ·kg^-1。

表 5 杉木枯落物不同组分燃烧烟尘PM_2.5中的无机元素的排放因子 Tab.5 Emission factors of inorganic elements in different burning status PM_2.5 from Chinese fir litters

表 5 杉木枯落物不同组分燃烧烟尘PM2.5中的无机元素的排放因子 Tab.5 Emission factors of inorganic elements in different burning status PM2.5 from Chinese fir litters μg ·kg-1 无机元素 Inorganic elements 阴燃Smoldering 明燃Flaming 树叶 Leaves 树枝 Branch 树皮 Bark 树干 Bole 树叶 Leaves 树枝 Branch 树皮 Bark 树干 Bole K 20 407.7 15 531.4 6 902.5 9 769.8 2 5410.4 12 748.1 8 209.7 7 709.8 Ca 9 705.6 1 878.3 1 546.1 2 366.6 7 627.0 1 895.2 1 094.1 1 373.8 Na 632.8 567.9 455.2 1 266.4 749.4 944.9 668.6 1 610.1 Mg 1 700.9 282.1 241.1 293.3 1 420.2 109.7 402.9 140.3 P 168.8 122.8 214.6 153.4 108.1 52.1 99.2 129.0 Zn 799.7 603.0 265.9 967.4 1 202.2 538.5 258.2 996.9 Al 71.3 67.8 18.1 87.1 111.5 82.1 29.4 21.6 Cu 74.8 8.2 142.3 11.1 74.3 5.9 33.4 5.7 As 77.7 26.0 1.5 52.4 62.9 24.3 3.0 34.8 Ba 74.1 7.1 86.9 47.5 64.8 4.2 93.4 55.8 Cr 73.8 14.6 5.4 39.8 80.3 11.2 5.8 41.5 Fe 45.1 98.6 17.4 70.8 58.0 20.1 22.9 26.4 Mn 43.8 2.3 16.2 9.1 37.6 4.0 7.6 12.9 Cd 23.0 9.9 31.7 21.5 87.1 3.6 44.9 15.2 Li 20.6 7.9 2.0 3.4 18.3 9.6 78.2 37.5 Pb 17.5 37.2 1.8 23.2 18.0 29.4 2.4 21.9

4) PM_2.5中化学组分的比较    杉木枯落物各组分在不同燃烧状态下的PM_2.5化学组成如图 5所示。结果表明，碳组分(OC、EC)为PM_2.5中含量最大的组分，且不同枯落物组分燃烧时含量差异不大，其中OC含量为39%~47%，EC含量为9%~17%。其次为水溶性离子，占颗粒物的10%~33%，其含量受燃烧状态的影响较明显，叶、枝、皮均表现为阴燃大于明燃，杉木干阴燃和明燃时颗粒物中离子含量差异不大。无机元素所占比例极小，仅占颗粒物的0.04%~0.58%。因此，颗粒物中主要的化学组分为碳组分和水溶性离子。此外，颗粒物中还含有其他组分，如酸溶性离子元素、多环芳烃等有机物，占颗粒物的11%~36%，也是今后的研究方向。

图 5 杉木枯落物不同组分不同燃烧状态下PM2.5化学组分比较 Fig. 5 Comparison of chemical components in different burning status PM2.5 from Chinese fir litters

有学者研究表明，气态污染物的排放因子很大程度上受燃烧条件、试验装置和燃料类型等因素影响(祝斌等，2005；Alves et al., 2011；Gonçalves et al., 2011)。本研究表明，相同燃烧状态下，杉木枯落物不同组分污染物排放量存在一定差异；不同燃烧状态下，相同枯落物组分在各污染物的排放因子之间多存在显著差异。有学者探究了不同燃烧状态及燃料类型的排放差异原因，祝斌(2005)等认为燃烧状态对排放因子的影响主要是由于2种状态具有不同温度造成的，闷火燃烧排放远高于明火，与本研究结果一致；朱恒(2017)等也报道，由于阴燃温度较低，燃烧不充分，利于有机物的挥发冷凝，从而使PM_2.5的排放因子显著增大。此外，一般植物叶中的氮元素含量高于枝(Yang et al., 2005)，本研究中杉木叶的N元素高于枝、皮和干，且测定的杉木叶燃烧时NO_x排放因子与枝、皮和干相比较大，说明燃料本身的化学组成与热分解后的产物有较大相关性。

OC性质比较稳定，常温下不易发生化学反应，因此常被用作一次污染源的示踪物(Cao et al., 2003)。一次颗粒物约占颗粒物总质量的50%~60%，其中OC约占50%，EC约占10%(韦思业，2013；洪蕾等，2015)，本研究结果与上述大部分研究的结论相近。OC的排放因子在不同燃烧状态下差异显著，受燃烧状态的影响较大，EC的排放因子在2种燃烧状态下较为接近。OC/EC还可以用来判断有无二次污染，若OC/EC>2，表明存在二次有机碳，OC/EC＜2则二次有机碳可以忽略(Zhang et al. ，2008)。OC/EC均为阴燃高于明燃，OC/PM_2.5高于EC/PM_2.5，且阴燃时差异大于明燃，这与杨伟宗(2015)和黄柯等(2015)的研究结果相似。对比森林火灾的相关研究，Yan等(2008)研究发现林火排放烟气中OC/EC为5~32，森林火灾由于燃料的多样性以及采样条件的限制，其得到的OC/EC范围比较大。本研究中OC/EC介于2.27~5.21之间，该值可初步作为判定杉木枯落物燃烧的一个重要指标。

水溶性阴、阳离子是颗粒物重要的化学成分，它能反映颗粒物的形成机制，并影响颗粒物的表面性质(Wang et al., 2003)和酸碱性(Ye et al., 2003)。本研究表明杉木枯落物阴燃与明燃时PM_2.5中K⁺和Cl^-均为所有水溶性离子中贡献最大的离子，其次为Ca²⁺、SO₄^2-和Na⁺，这与刘刚等(2016)研究结果接近。水溶性元素是造成细胞氧化性损伤的主要原因，有些可导致人体肺细胞损伤(Moreno et al., 2004)。K、Ca、Na、Mg、P和Zn是本研究所测定水溶性元素的主要成分，而其余10种元素的含量相对较少，且目前大气中的Zn、Cu和As主要来自于冶炼厂和煤燃烧(王真真等，2016)；Al、Fe等为地壳来源类元素，主要来自于自然扬尘；Cr、Cd和Pb等主要来自垃圾焚烧、汽车尾气等人为污染(王申博等，2017)。PM_2.5的粒径小而比表面积大，除富集有毒的痕量重金属、水溶性离子、元素以及碳质成分，还含多种有机化合物等有害物质，仍需继续深入探究。

杉木枯落物各组分在同一燃烧状态时的CO、CO₂、NO_x、C_xH_y和PM_2.5等污染物排放之间存在显著差异。其中由于杉木叶的氮含量较高，燃烧时排放NO_x显著高于其他组分；相同枯落物类型在不同燃烧状态下各污染物的排放因子多数存在显著差异，除CO₂外，其他污染物排放阴燃显著高于明燃。因此，阴燃排放污染物相对较高，环境污染性大于明燃。

杉木枯落物燃烧烟气中PM_2.5主要由碳质组分、水溶性离子及少量无机元素等组成。碳质组分含量最大，占50%以上，且OC/EC与OC/PM_2.5的值阴燃时明显大于明燃，EC/PM_2.5明燃时大于阴燃，可作为区分阴燃和明燃状态的重要指标；其次为水溶性离子，占10%~33%，其排放因子差异较大，燃烧状态对PM_2.5中水溶性离子的含量整体表现为阴燃时排放强度高于明燃；水溶性无机元素仅占颗粒物的0.04%~0.58%，含量极少，K、Ca、Na、Mg、P和Zn是主要的水溶性无机元素。