中国地区生物质燃烧释放的含碳痕量气体

环　境　科　学　学　报

ACTASCIENTIAECIRCUMSTANTIAE

Vol.18,No.4July,1998

中国地区生物质燃烧释放的含碳痕量气体3

庄亚辉　曹美秋　王效科　冯宗炜

(中国科学院生态环境研究中心,北京　100085)

摘要　为了研究中国地区生物质燃烧不同阶段释放的各种痕量气体排放比与排放因子,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;然后对典型乔木、灌木与草的地上部分生物质进行规模不同的燃烧实验,测得痕量气体的排放比和排放因子.根据全国森林生态系统碳贮量的估计及火灾统计资料,初步测算了中国地区生物质向大气中释放含碳痕量气体量.关键词　生物质燃烧;森林火灾;痕量气体;排放因子.

1　引言

生物质燃烧不仅对人类文明发展和进步起过重要的作用,它还是当今全球变化以及生物地球化学循环研究中的一个重要环节,它又将是人类未来持续发展的能源.生物质燃烧对全球二氧化碳排放的贡献占40%,一氧化碳的排放占32%,甲烷占10%,非甲烷烃占24%,对流层臭氧占38%.另外它对NH3、NOx、N2O、COS及氯甲烷排放的贡献分别占12%、21%、6%、6%、22%[1].虽然IPCC(政府间气候变化专门小组)粗略假设生物质燃烧与光合作用是平衡

的,因此规定生物质燃烧不是二氧化碳的主要源,但事实上人类活动导致的森林火灾与森林砍伐使碳循环严重偏离平衡,至今还有未知碳汇,因此在科研工作中不能按IPCC的假设去简

化,还是要考虑各种源汇的.

生物质燃烧虽然是自然界自古以来就存在的现象,但直至1980年P.J.Crutzen等[2]指出生物质燃烧对全球变化有重要贡献后,才引起广泛的国际合作.近年来Crutzen的工作[3]又表明生物质燃烧不仅是碳源,而且是重要的碳汇.由于生物质燃烧通常不完全,一部分生物质的碳以黑炭的形式长期留存在土壤和沉积物中.因此生物质燃烧的研究工作不断深入.当前国际上的研究,一方面是大规模航测和遥测热带草原与雨林生物质燃烧和寒带森林大火,另一方面是细致研究不同种生物质在不同燃烧阶段(起燃、焰燃与闷烧)和不同燃烧状况(开放、封闭、半封闭)下形成各种污染物的机理与其排放因子及排放比值,为计算机模拟提供必要的基础数据、机理和验证机会,并且将数据格式化后建立数据库和绘出高分辨率经纬网格排放图.生物质燃烧形式可分为薪柴与秸秆的燃烧、收获后农业废弃物的焚烧、开垦荒原时的烧荒、及森林火灾等.烧炭也是一种特殊形式的生物质燃烧.对亚非拉的发展中国家与热带国家而言,生物质燃烧占很大比例.对中国来说,秸秆及薪柴燃烧是生物质燃烧的主要方式.它对全球变化也有很大贡献,但国内很少有人研究.Graedel等[4]对已有的各种全球排放清单包括CO2、CO、CH4与N2O的数据库,就其可靠性进行分析评述.Hao[5]发表了亚、非、拉美热带地区

生物质燃烧的5°×5°网格图,但未包括温带的中国等国.中国幅员广阔,生物质资源丰富,其人类活动影响颇大,加上其生物质燃烧方式与热带国家以及欧美发达国家均不同,至今无人研究

3国家自然科学基金资助课题(编号40392702).动态燃烧室的建造得到瑞典国际开放署的赞助

338环　　境　　科　　学　　学　　报18卷

其生物质燃烧特征.约8.6亿人生活用能源有一半左右靠秸杆与薪柴.目前秸秆中除一部分作工业原料、饲料、肥料还田外,50%-60%用作燃料,其消耗的绝对量变化不大,但其燃烧排放

的组分对大气污染的贡献不容忽视.

生物质燃烧过程可分为3个阶段:起燃干馏阶段(ignition&pyrolysisstage),焰燃阶段(flamingstage)和闷烧阶段(smolderingstage).不同阶段的燃烧效率不同,因此释放的痕量气体多寡也不同.燃烧情况还取决于生物质的种类、器官部位、成熟程度、粉碎程度、生物质的含水量、以及燃烧工况,如空气过剩度、燃烧温度、空/燃混合情况等.正是这种复杂性使生物质燃烧的研究方法不断改进与完善[6].从目前国内外研究现状来看,用于估计和测定痕量气体排放的参数主要有5个,即燃烧面积、生物量、燃烧效率,排放因子和排放比.按研究尺度、研究方法技术可分为5种:微型燃烧实验(Microcombustion)、受控环境燃烧实验(ControlledEnviron2mentalCombustion)、地面采样实验(Ground-BasedSampling)、空中采样实验(AirborneSam2pling)、卫星遥感技术(SatelliteTechnologyorRemoteSensing).这5种技术各有优缺点,互为补充.它们都可以用来估计排放比(EmissionRatio),这说明,我们有可能利用排放比(简写ER),将不同尺度上的研究结合起来,以便得到更精确的关于生物质燃烧排放气体量的估计,作出创新结果[7].

在生物质燃烧方面,我们对中国地区的秸秆与薪柴燃烧释放的痕量气体进行了研究[8,9],并对我国森林火灾也作了初步调研,为今后地面采样工作垫定基础[10—12].羰基硫是影响气候变化和生态变化的痕量气体,由于它在大气中的寿命较长,它的浓度在大气气态硫化物中占第二位.国内外COS排放通量的研究中,有些作者只是根据大气中COS平均寿命及硫平衡推算出来的.我们直接测定了不同COS源的释放通量或排放因子,为中国地区提供依据[13,14].2　研究方法2.1　碳贮量测定方法

碳贮量估计是将生态学调查资料和森林普查资料结合起来进行的.根据现有的按优势种类型统计和按省份统计的森林面积和蓄积量资料,分别估计中国森林生态系统的碳贮量及其构成.在估算中,我们将上述两类生态学调查资料进行归并.首先根据森林普查的蓄积量资料,利用下式计算出各优势种森林生态系统类型或各地带的森林生态系统的乔木层的碳贮量(Pc):

Pc=V・D・R・Cc式中,V是某一优势种森林类型或省市的森林蓄积量,D是树干密度(密度资料来源于中国林科院林业工业研究所),R是树干生物量占乔木层生物量的比例,Cc是植物中碳含量.然后再根据乔木层生物量与总生物量的比值,估算出各优势种森林类型或各省市的森林的总生物质碳贮量.总生物质碳贮量与乔木层碳贮量之差是林下层的碳贮量.再根据枯落物量与总生物量的比值可以获得枯落物的碳贮量.2.2　生物质燃烧释放的痕量气体的实验测定方法

从中国科学院北京森林生态定位研究站(40°07′N,117°11′E)采集了9种植物样品.其中树木样品有4种:辽东栎和白桦为落叶阔叶树种,油松和华北落叶松为针叶树种;灌木植物3种:华北绣线菊、毛榛子和胡枝子;草本植物两种:臭蒿和燕麦草.树木和灌木样品分枝和叶分别采集.并收集了桦木林和辽东栎林林下的枯枝落叶物.

4期庄亚辉等:中国地区生物质燃烧释放的含碳痕量气体

339

动态燃烧实验系统由燃烧室、样品点燃器、电子秤、燃气采集系统以及数据采集器和电脑组成.CO2与CO连续分析用NDIR分析仪.烟气中的CH4、CO、和CO2分析,则用2307型催化转化气相色谱分析仪,该气相色谱仪带有一个氢火焰离子化检测器(FID)和镍转化炉,所用

μ色谱柱是3m长的60目碳分子筛.进样时,用250L的定量进样管经六通阀进样.标气为5500ppmCO2,470ppmCO和80ppmCH4混合标气.从测定的烟气浓度和本底浓度之差值,

可算排放比.经统计分析,得出排放比和排放因子的平均值和标准偏差,并用t检验法评价各

植物枝和叶之间排放比和排放因子的差异,用最短差异法(SSR)进行了不同植物间排放比和排放因子差异显著性评价.在实验中,我们记录了起燃冒烟阶段时间、焰燃阶段时间和闷烧阶段时间,用以评价燃烧过程对排放比和排放因子的影响.静态燃烧测定装置见文献[13].COS的采集需预富集,用10cm长,内径3—4mm的玻璃管,内装60—80目Tenax2GC大约200mg,用来浓集COS.分析时将Tenax2GC样品捕集管从液氮中取出,放入SP2501气相色谱进样口中,在200C°COS被解析直接进入色谱分离柱(1.8m×4mm(ID)),分离后,在双火焰光度鉴定器上检出COS,硫特征光谱滤光片为394nm.同时用2.0%COS/N2(克分子比)标准气(美国

μScottSpecialtyGasesInc.)标定色谱峰,经计算得到COS的测定值.标气进样量1L.3　结果与讨论

3.1　不同植物质燃烧所释放的CO2、CO和CH4的差异研究

表1给出了几种植物枝、叶、凋落物的CO2、CO和CH4排放因子平均值和标准偏差.所有

样品的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)%,最大最小值范围分别为32.73%—92.28%,3.57%—15.32%和0.08—1.63%.

表1　CO2、CO和CH4排放因子的均值和标准偏差

Table1　EmissionfactorsofCO2,COandCH4(averagevaluesandstandarddeviations)

植物辽东栎

器官树枝

树叶凋落物树枝树叶凋落物树枝树叶树枝树叶树枝树叶树枝树叶树枝树叶

测定数

783773786633334333

CO2,%54.60±19.9263.08±15.3167.32±11.8456.02±23.8160.59±3.5857.78±10.5968.31±22.2263.77±16.3658.86±14.9843.93±11.5172.08±17.6053.59±1.5163.45±24.5852.72±4.7774.36±18.5751.75±0.3050.63±2.9754.94±6.67

CO,%6.99±3.6510.27±1.988.28±2.547.09±2.1710.39±0.469.11±1.408.33±3.658.12±2.327.06±1.838.96±1.527.45±2.099.26±0.076.36±3.127.44±1.104.97±1.988.22±0.4313.90±1.7310.72±1.57

CH4,%0.79±0.710.65±0.150.44±0.190.84±0.461.03±0.050.74±0.230.78±0.600.52±0.250.75±0.390.95±0.090.64±0.330.95±0.020.59±0.570.77±0.170.43±0.400.93±0.041.13±0.121.41±0.15

白桦

油松华北落叶松华北绣线菊毛榛胡枝子臭蒿

燕麦草

　　对于落叶阔叶树种辽东栎和白桦,树叶的CO2和CO排放因子比树枝的大,这是由于这两

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种树枝在未完全燃烧时,就会发生熄火,因而有较多的碳遗留在植物残体中.对油松、落叶松、绣线菊、毛榛和胡枝等树叶的CO2排放因子比树枝的小,这是由于树叶有较多的碳在点燃阶

段就被氧化,这也形成了这些树叶有较大的CO排放因子.

值得一提的是油松的CO2排放因子最大,这是因为油松枝中含有油份,易于燃烧和油松在点燃期间释放的CO较少;落叶松的排放因子最小,这是由于落叶松叶在燃烧时放出的CO量较大.凋落物的排放因子比白桦和落叶松大.几种林木植物的CO排放因子非常接近.值得注意的是两种草本植物(臭蒿和燕麦草)有较高的CO和CH4排放因子,因为草本植物燃烧时焰燃阶段比较短.

我们根据燃烧过程中能够起焰燃烧的情况和不能焰燃的情况,分别计算各种含碳气体的

ΔCH4/ΔCO2、ΔCH4/ΔCO的排放比,均排放比和排放因子(表2),从中可以看出ΔCO/ΔCO2、

为能够焰燃的小于不能焰燃的.至于CO2的排放因子,焰燃的大于不能焰燃的,而对于CO和CH4的排放因子,则不能焰燃的大于能焰燃的.这是因为在完全燃烧时,生成较多的CO2,而

在不完全燃烧时,CO和CH4释放量较大.燃烧越不完全,以CH4形式释放的碳越多.

表2　不同燃烧形式的排放比与排放因子

Table2　Emissionratiosandfactorsunderdifferentstagesofcombustion燃烧形式

排放比排放比排放比排放因子排放因子排放因子

焰燃燃烧无焰燃烧

(不能焰燃)

总体焰燃燃烧无焰燃烧(不能焰燃)

总体

样本数

493887493887

ΔCO/ΔCO2

0.124±0.0670.202±0.0440.158±0.07066.03±17.7951.35±7.5859.62±16.01

ΔCH4/ΔCO2

0.012±0.0100.020±0.0070.015±0.0107.13±2.2910.23±2.008.48±2.66

ΔCH4/ΔCO

0.081±0.0350.097±0.0230.088±0.0320.63±0.410.98±0.250.78±0.39

　　如果将我们实验测得的3种含碳气体的排放比和排放子与国外温带的测定结果比较,我

们测定的排放比的平均值介于两个文献值之间(表3),可以看出,我们测得的平均值落在全

表3　含碳气体排放比和排放因子的比较

Table3　Comparisonofouremissionsratiosandfactorswithotherauthors’values

本文测定值,%

平均值(±s.d.)

ΔCO/ΔCO2　　　

排放比ΔCH4/ΔCO2

ΔCH4/ΔCO　　　　　　　　CO2排放因子　CO　　　　　CH415.80±6.991.53±0.978.80±3.1759.68.50.78

文献中温带排放值,%文献[5]

14.71.05

全球排放范围,%

文献[7]

4.7—250.3—2.20.3—2382—912.2—9.10.05—0.5

范围

4.1—30.01.0—4.12.2—15.632.7—92.33.6—15.30.08—1.6

文献[15]

17(11—25)

2.2(1.0—3.4)

球的测定值范围内.但是我们测得的ΔCO/ΔCO2及ΔCH4/ΔCO2最大值比全球的大,这是由于

我们测定整个燃烧过程的排放量,包括有较长时间的不完全燃烧阶段.3.2　中国地区森林火灾释放的痕量气体

根据1950—1992年统计,中国地区的森林火灾累积达632994次,年平均16212次.火灾

4期庄亚辉等:中国地区生物质燃烧释放的含碳痕量气体

341

次数最多的一年为1955年,达57153次;最少的为1953年,为2338次.1950—1992年间,中国森林火灾累积受害面积为36.31×106ha,是中国森林总面积的29%,多年平均受灾面积为94.6×104ha/a.年受灾面积最大的为1956年,计79.8×104ha/a,最小的为1990年,计1.36×104ha/a.

由于我们至今只测定了暖温带典型树种的排放比,其它气候带的排放采用国外现有的各气候带的排放比,并结合我们测定的林木和林下植物以及枯落物的CO和CH4对CO2的排放比,得出不同气候带的乔木层、林下植物和枯落物的CO和CH4对CO2的排放比(表4).在全国各省市自治区的碳贮量估算基础上,测算了各省市单位森林面积受灾后向大气中释放的CO2、CO和CH4,然后估算了中国森林火灾从1950—1992年累积向大气释放的这3种气体总量和多年平均释放量.由于篇幅限制,本文未列出,读者可参考文献[7].

表4　估计森林火灾释放的含碳气体时采用的排放比

Table4　Emissionratiosadoptedduringestimationofforestfireemissions

ΔCO/ΔCO2,%

乔木层

　　寒温带　　暖温带　　亚热带　　热带林下植物枯落物

10.1±1.316.1±7.0612.07.9±2.915.5±7.2214.6±4.89

ΔCH4/ΔCO2,%

1.15±0.401.56±1.041.200.83±0.31.59±0.8681.02±0.516

Coferetal.

[16]

资料来源

本文测定的林木植物的56个样品平均值

取热带与暖温带的平均值

Kauffmanetal.

[17]

本文测定的林下植物的25个样品平均值本文测定的林木植物的6个样品平均值

3.3　薪柴燃烧向大气释放的痕量气体

中国是一个农业大国,80%的人口以农业为主.生物质燃料在农村能源构成中占有比较重要的位置.1992年中国农村消耗的能源总量为56979万t标煤,作物秸杆和薪柴分别相当于13550万t标煤和11029万t标煤,在整个中国农村能源中分别占23.8%和19.4%.在研究森林生态系统释放的痕量气体时,薪柴燃烧的作用应该予以评价.用类似于前面估算森林火灾释放的含碳气体的方法,取用表4的排放比数值,得出中国农村薪柴燃烧向大气释放的气体量(表5).

表5　中国薪柴燃烧向大气释放的主要含碳气体量(1992年)

3

Table5　Carbon2containingTraceGasesfromfuelwoodCombustion(1992)

省份

薪材消费量,

Tg(C)

CO22.014.830.232.711.310.66

含碳气体释放量,

Tg(C)CO0.240.580.040.430.210.07

CH40.020.060.010.040.020.01

省份

薪材消费量,

Tg(C)

CO22.416.428.284.251.506.34

含碳气体释放量,

Tg(C)CO0.380.760.990.510.180.75

CH40.040.080.100.050.020.08

安徽福建北京河北山西内蒙古

2.425.820.283.261.580.80

河南湖北湖南广东广西四川

2.917.749.985.131.817.64

342环　　境　　科　　学　　学　　报18卷

续表5

省份

薪材消费量,

Tg(C)

CO22.291.501.511.014.424.181.68

含碳气体释放量,

Tg(C)CO0.230.150.150.120.530.500.26

CH40.030.020.020.010.050.050.03

省份

薪材消费量,

Tg(C)

CO24.546.842.130.670.030.400

含碳气体释放量,

Tg(C)CO0.540.810.340.1100.060

CH40.050.080.030.0100.010

辽宁吉林黑龙江江苏浙江江西山东

2.751.801.811.215.335.032.02

贵州云南陕西甘肃宁夏新疆

5.468.242.570.800.030.48

天津<0.01　　总计

　86.9

　72.2　　8.93　　0.91

　　3:上海、西藏、青海和海南缺少统计资料

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CARBON2CONTAININGTRACEBIOMASSBURNINGINCHINA

GASESEMITTEDDURING

ZhuangYahui,CaoMeiqiu,WangXiaoke,FengZongwei

(ResearchCenterforEco2EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085)

ABSTRACT　Dynamicandstaticcombustionsystems,whicharecomposedofcombustionbed,ignitiondevice,electronicbalance,temperatureandflowratesensors,samplingdevice,NDIR,FID/GC,ECD/GC,andFPD/GCanalyzers,dataloggerandcomputer,wereusedforthestudyofbiomasscombustione2missions.Samplesoftheabove2groundcomponentsoftypicalChinesetree,shrub,grass,andcropspecieswerecollectedandburnedunderflamingandsmoulderingstagesaswellasinflowingandclosedsystems.TheemissionfactorsofCO,CO2,CH4,COSandemissionratiosofCO/CO2andCH4/CO2weredeter2mined.Meanwhile,acomprehensiveinvestigationonthecarbonpoolofvegetationinChinawasper2formed.TheChineseforestandcropbiomassinventoryhasbeenestablished,includingthecomponentandlayerbiomassof16mainforesttypesand4eco2climaticregionsaswellasthemajorcropsinChina.Toreducestatisticaluncertaintyinbiomassestimation,allforestswereclassifiedintoyoung,middle2aged,premature,matureandovermaturecategories.Basedonthevegetationcarbonpoolinventoryandoure2missionfactors,wemadeapreliminaryestimationofthespatialdistributionoftracegasemissionsfromfuelwood,cropresiduesandforestfirewasmade.

Keywords　biomassburning,forestfire,tracegases,emissionfactor.

1997205226收到原稿1998201206收到修改稿