农作物秸秆在收获季节集中焚烧，产生大量的气体及气溶胶组分，严重降低城市的空气质量^{[1, 2, 3]}，使灰霾天气发生的几率增加，对全球大气环境、 全球气候系统及生态系统都产生重要影响^{[4, 5, 6]}. 秸秆焚烧排放大气颗粒物的主要组分为碳质颗粒与无机水溶性离子，碳质颗粒主要由有机碳(OC)和元素碳(EC)组成^[7,8]. OC与EC是碳质气溶胶重要物质成分，对太阳辐射产生负和正的强迫作用，OC主要散射太阳辐射，降低大气层温度，EC吸收太阳辐射从而使大气层升温^[9]. 水溶性离子是气溶胶的重要组成部分，与吸湿性有机物可以成为云凝结核，从而直接消弱太阳辐射^[10].

生物质燃烧排放的烟尘总伴随着高浓度的OC，EC为有机质不完全燃烧的产物^[11]，OC/EC的比值关系可以确定燃烧过程中阴燃、 明燃的主次^[12]，不同燃烧源碳质组分的组成(OC/EC)有较大的差别: 石化燃料燃烧排放颗粒物中OC/EC值一般小于0.4^[13]，生物质燃烧主要释放有机碳组分，OC/EC比值介于9.4~21.6，大气气溶胶中的OC/EC值约为2.8~6.2^{[14, 15, 16, 17]}. 生物质燃烧释放的颗粒物中富含K,颗粒物中水溶性K离子是指示生物质燃烧最经典的方法^[18]，通过它可对污染源进行定性定量研究^[19]. 近年来，对秸秆焚烧过程中的碳质颗粒及无机水溶性离子的研究主要侧重于明燃条件，阴燃以及阴、 明燃两种燃烧状态下详细对比却鲜有报道. 本研究通过自制的生物质焚烧装置，对秸秆在阴燃、 明燃两种燃烧条件下排放的OC、 EC以及主要的无机水溶性离子进行测定，分析OC、 EC及无机水溶性离子在两种燃烧状态下排放特征，以及OC、 EC与PM之间的排放规律，探讨秸秆露天焚烧过程中真实状况，以期为大气环境控制与空气污染控制提供可靠的资料及科学依据. 1 材料与方法 1.1 实验装置

采用自制实验室生物质焚烧装置来模拟农作物秸秆露天焚烧，使燃烧条件处于可控制的状态下. 装置包含3个部分，分别为燃烧装置、 降温装置和采样装置(如图 1). 燃烧装置包括升降台、 烟尘收集罩底盘、 电热炉、 烟尘收集罩、 可调变压器及热电偶温度计. 烟尘收集罩底盘位于升降台上，电热炉放置在烟尘收集罩底盘上. 燃烧过程中，升降台托住收集罩底盘与烟尘收集罩密合，电热炉在收集罩膛内使秸秆焚烧. 真空泵的抽速为4 L ·s^-1，排放出的烟尘随着真空泵的作用依次通过装有冷却液的烟尘收集罩、 置于冷却槽中的U型管，这两次冷却作用使烟尘迅速降温，最后温度保持在40℃以下被分级采样器收集.

图 1

Fig. 1

1.升降台; 2.烟尘收集罩底盘; 3.电热炉; 4.热电偶温度计; 5.可调变压器; 6.烟尘收集罩; 7.管道的中部; 8.冷却槽; 9.大气分级采样器; 10.真空泵; 11.管道; 12.冷却液; 13.上端口; 14.下端口; 15.底板; 16.升降板; 17.弹簧; 18.调节旋钮 图 1 燃烧装置示意 Fig. 1 Combustion device

选取6种稻草作为实验样品，分别为浙江临海市的内2优6号与杨两优6号、 安徽舒城县的Ⅱ优279与宁粳1号、 江苏邳州市的红粮166(邳州1号)与Ⅱ优728(邳州2号)，测定各类秸秆的含水量，在实验室用密封袋封装好. 燃烧实验前，除去秸秆上的杂物、 灰尘并在室内自然风干，剪成6 cm长度小段. 将制备好的秸秆样品放置在电热炉上，调节可调变压器控制电热炉电压，从而达到不同的温度要求. 经过多次实验总结，电压调至220 V，秸秆样品取3 g左右，秸秆处于明显的明燃状态，出现火焰; 电压调节至175 V，秸秆样品均取1 g左右，秸秆处于明显的阴燃状态，出现火星但无火焰. 大气采集器在每次焚烧开始时立即开启采样，明燃焚烧保持采样10 min,阴燃焚烧保持采样15 min. 采样所用的玻璃纤维滤膜在使用前于500℃马弗炉内灼烧2 h，冷却后置于干燥器中在室温下平衡24 h，再称量使用，采样后的滤膜同样在室温下平衡24 h后再称重，每种秸秆样品均进行2次平行燃烧实验. 1.3 样品分析

使用Model 2001A热/光碳分析仪(DRI，美国)测定样品中的OC、 EC. 截取一定面积的已采样玻璃纤维滤膜，放入热光炉中，采用Improve A-glass协议程序升温，第一阶段在纯氦气环境下按一定温度梯度(150℃-300℃-450℃-550℃)升温加热，使滤膜上的有机物气化，第二阶段在通入含2％氧气的氦气环境下进行，按一定温度梯度(600℃-800℃-900℃)继续加热样品，测出OC₁、 OC₂、 OC₃、 OC₄、 EC₁、 EC₂、 EC₃. 用FID检测，在测定过程中用633 nm的激光全程照射样品，准确界定OC碳化形成的焦化碳(POC). 样品测试完毕后，OC定义为OC₁+OC₂+OC₃+OC₄+POC; EC定义为EC₁+EC₂+EC₃-POC. 在实验期间，每天对仪器进行检漏，当样品炉压力在15 s内变化不超过0.01 psi视为不漏气，每天进样分析前高温烘烤样品炉10 min除尽残留杂质气体，使用He/CH₄进行校准，保证初始和最终FID信号漂移在±3以内、 校准峰面积相对偏差在5%以内，每隔一周进行流量平衡校准. 每个膜样品进2次平行样分析，每分析10个样品抽取第一个进行重复分析，确保前后两次测量误差在10%以内进行后续样品膜分析，同时做样品空白.

对8种水溶性离子(K⁺、 NH⁺₄、 Na⁺、 Mg²⁺、 Ca²⁺、 Cl^-、 NO^-₃、 SO^2-₄)进行测定，截取阴明燃采样滤膜八分之一张，剪碎后置于15 mL聚丙烯具盖离心管中，加10 mL去离子水，超声振荡提取30 min. 将提取液经离心机离心(3000 r ·min^-1)2 min，用孔径为0.22 μm的亲水性滤膜过滤，通过ISC 2000/ISC 3000(Dionex，美国)离子色谱测定分析. 阴离子分析柱型号为ASRS-4 mm，淋洗液为KOH溶液(25 mmol ·L^-1); 阳离子分析柱型号为CSRS-4 mm，淋洗液为甲磺酸水溶液(32 mmol ·L^-1). 淋洗液流量为1 mL ·min^-1，进样量20 μL. 每天仪器开启后走基线至少60 min进行平衡校准，进样前先注射一针去离子水以除尽残留的杂质，每分析10个样品抽取第一个进行重复分析，确保前后两次测量误差在10%以内进行后续样品膜分析，同时做样品空白.

2 结果与讨论 2.1 阴燃、 明燃烟尘中EF_PM、 EF_OC、 EF_EC

生物质燃烧排放的烟尘中一般含有较高溶度的OC，EC是有机质不完全燃烧的产物^[11]，本研究是通过燃烧实验测得燃料消耗量和颗粒物排放量来获得排放因子. 稻草阴燃、 明燃中PM、 OC、 EC排放情况如表 1所示，明燃时6种稻草EF_PM、 EF_OC、 EF_EC均值分别为(13.46±2.71)、 (6.37±1.86)、 (1.07±0.30)g ·kg^-1. 阴燃条件下稻草EF_PM、 EF_OC、 EF_EC均值分别为(80.43±14.22)、 (37.63±6.26)、 (4.98±1.42)g ·kg^-1. 表 2列举出相关文献中稻草排放因子，本研究中稻草明燃时EF_OC与Hays等^[23]研究结果接近，明燃时的EF_PM、 EF_EC高出文献数值，而阴燃条件下EF_OC、 EF_PM与EF_EC数值则高出文献值数倍，研究中对阴燃的定义为: 秸秆燃烧时出现火星但无火焰. 阴燃、 明燃是描述燃烧的两种极端状态，对这两种状态的定义没有统一的标准. 因此燃烧条件、 燃料用量，以及颗粒物的采样过程等因素可能是造成本研究与表 2中数据差别较大的原因.

表 1(Table 1)

表 1 稻草阴燃、 明燃烟尘中 EFEC、 EFOC、 EFPM /g ·kg-1 Table 1 EFOC，EFEC，EFPMfor rice straws in flaming and smoldering/g ·kg-1 稻草品种 明燃 阴燃 EFPM EFOC EFEC EFPM EFOC EFEC 内2优6号 10.77±1.36 4.96±0.26 0.89±0.30 99.17±0.81 43.15±6.81 6.45±0.87 邳州1号 13.64±0.30 6.28±0.13 1.34±0.21 80.57±7.89 39.18±4.38 5.53±0.81 邳州2号 16.61±0.54 7.19±0.76 1.31±0.01 88.65±11.72 40.83±4.58 5.65±1.51 Ⅱ优279 11.08±1.56 5.55±0.86 0.84±0.21 56.22±4.45 28.57±2.14 2.93±0.17 杨两优6号 11.84±0.93 5.51±1.27 0.88±0.02 80.02±2.95 37.45±3.06 5.16±0.32 宁粳1号 16.83±7.71 8.7±3.96 1.15±0.55 77.92±19.07 36.62±8.80 4.18±1.65 均值 13.46±2.71 6.37±1.86 1.07±0.30 80.43±14.22 37.63±6.26 4.98±1.42

表 1 稻草阴燃、 明燃烟尘中 EFEC、 EFOC、 EFPM /g ·kg-1 Table 1 EFOC，EFEC，EFPMfor rice straws in flaming and smoldering/g ·kg-1

表 2(Table 2)

表 2 稻草排放因子 [20, 21, 22, 23, 24, 25, 26]/g ·kg-1 Table 2 Emission factors of rice straws during burning/g ·kg-1 项目 EFPM EFEC EFOC Na+ NH+4 K+ Ca2+ Mg2+ Cl- NO-3 SO2-4 文献 5.3 0.86 [17] 3.49 [18] 0.5 0.94 0.021 0.21 0.48 0.016 0.94 0.008 0.12 [19] 明燃 0.17±0.04 8.94±0.42 [20] 0.49±0.22 10.53±4.87 0.03±0.05 0.44±0.2 0.64±0.38 0.04±0.02 0.83±0.42 0.03±0.02 0.18±0.06 [21] 0.065 0.01 0.538 0.049 0.004 0.68 0.029 0.161 [22] 6.28±1.59 0.49±0.21 2.01±0.67 0.077±0.035 0.003±0.008 0.715±0.533 0.061±0.029 0.006±0.005 0.855±0.491 0.047±0.076 0.182±0.072 [23] 13.46±2.71 1.07±0.30 6.37±1.86 0.101±0.033 0.176±0.088 0.118±0.051 0.022±0.013 0.113±0.056 0.246±0.150 0.070±0.076 0.090±0.051 本研究 阴燃 0.37±0.11 8.77±4.81 0.05±0.06 0.27±0.18 0.82±0.65 0.05±0.03 1.14±0.59 0.02±0.01 0.22±0.12 [21] 80.43±14.22 4.98±1.42 37.63±6.26 0.280±0.070 0.407±0.304 0.053±0.031 0.050±0.071 0.331±0.091 0.301±0.274 0.128±0.137 0.163±0.097 本研究

表 2 稻草排放因子 [20, 21, 22, 23, 24, 25, 26]/g ·kg-1 Table 2 Emission factors of rice straws during burning/g ·kg-1

不同种类的稻草在阴燃、 明燃条件下EF_PM、 EF_OC、 EF_EC变化情况如图 2所示，明燃时同一种秸秆的EF_PM、 EF_OC与EF_EC相应曲线同时升高或降低，三者变化趋势相似，宁粳1号的EF_OC为最高，同时其EF_PM、 EF_EC也相应较高，内2优6号的EF_OC较低，其EF_PM、 EF_EC也较低. 图 2(b)所示为6种稻草阴燃时EF_PM、 EF_OC、 EF_EC曲线图，三者仍保持一致的变化趋势，与明燃状况相似，阴燃中Ⅱ优279的EF_PM、 EF_OC、 EF_EC均为最低，内2优6号的EF_PM、 EF_OC、 EF_EC均为最高. 这种情况可能是因为某种稻草燃烧时排放OC含量较多，同时转化为EC的量也较多，从而导致同一种稻草EF_PM、 EF_OC与EF_EC具有一致的变化趋势.

图 2

Fig. 2

图 2 稻草阴燃、 明燃中EFPM、 EFOC、 EFEC Fig. 2 EFPM，EFOC，EFEC for rice straws in flaming and smoldering

Ortiz等^[27]测定了西班牙3种谷物秸秆在不同燃烧状态下的颗粒物排放因子,发现秸秆阴燃烧状态下的排放因子均值约是明火燃烧状态的12倍，Liousse等^[20]研究结果表明,对于典型秸秆而言,闷火燃烧的排放因子是明火燃烧的3倍左右，使用1 a与15 a两种炉龄的炉子对4种农作物秸秆进行燃烧实验，两种不同年份的煤炉排放因子相差可达到2倍左右^[22]，由此可见，炉子的老化对燃烧性能的影响不能忽略，不同的燃烧状态以及燃烧装置条件对排放因子的影响较大. 本研究中阴燃、 明燃时稻草排放的OC、 EC占PM的质量分数均值如表 3所示，明燃中OC占PM的47.28%，EC占PM的7.94%，Cao等^[26]研究中明燃时OC占PM质量分数为32.01%，EC占7.80%. 虽然稻草阴燃排放OC、 EC是明燃时的数倍，但阴燃中OC、 EC占PM中的比例与明燃时相近，分别为46.79%、 6.2%. PM、 OC、 EC各自在阴燃、 明燃下的比值如图 2(c)所示，阴燃时PM的排放约是明燃时的6倍，OC约为6倍，EC约为5倍，其中内2优6号的PM、 OC与EC的阴、 明燃排放比均为最高，宁粳1号的排放比相对较低. 同一品种秸秆的PM、 OC、 EC在阴燃、 明燃两种燃烧状态下的3条比值线的走势接近，具有一致的趋势.

表 3(Table 3)

表 3 稻草 PM中各组分的质量分数 /% Table 3 Average chemical composition in PM/% 项目 OC EC Na+ K+ Mg2+ Ca2+ NH+4 Cl- NO-3 SO2-4 总量 明燃 47.28 7.94 0.83 1 0.89 0.17 1.42 2.16 0.52 0.85 63.06 阴燃 46.79 6.2 0.35 0.07 0.41 0.06 0.5 0.36 0.21 0.19 55.14

表 3 稻草 PM中各组分的质量分数 /% Table 3 Average chemical composition in PM/%

2.3 稻草燃烧烟尘中PM及OC/EC特征分析

石化燃料(煤、 石油、 天然气)燃烧排放颗粒物中OC/EC值一般小于0.4^[13]，大气气溶胶中的OC/EC比值介于2.8~6.2^{[14, 15, 16, 17]}. 生物质燃烧中OC/EC较高，不同种类的生物质燃烧源的OC/EC值存在差别: 温热带松柏在阴燃、 明燃条件下OC/EC范围为3~78，均值为35，落叶在两种燃烧条件下OC/EC范围为9~43，均值为23.6，草原植被在阴、 明燃时OC/EC范围为19~44，均值为31^{[28, 29, 30]}，森林火灾释放出颗粒中的OC/EC比值范围为5~713，最小的值是在明燃阶段，最高值是在阴燃阶段^[31]. Hays等^[23]研究表明，稻草在明燃条件下，OC/EC的平均比值为31(16~58)，阴燃条件下比值则为23(11~40). 本研究中稻草燃烧时OC/EC比值范围为4.69~9.75，明燃状态下OC/EC均值约为6(4.69~7.57)，阴燃状态下OC/EC均值为7.8(6.69~9.75)，同一种秸秆阴燃的比值均高于明燃时的比值，这与其他研究者的OC/EC为2.0~6.2^{[32, 33, 34]}接近. 与树木类燃烧相比较可得稻草在阴燃、 明燃中OC/EC比值的变化范围明显较小，且数值小于草原植被燃烧.

如表 4所示，OC/PM的数值在阴燃、 明燃条件下两者接近，可以猜测稻草燃烧时排放的OC在PM中的所占的比例不受燃烧状态的影响. 类似的研究显示明燃中EC/PM_2.5为0.058~0.116，阴燃中比值为0.047~0.053，明燃状态下EC/PM_2.5含有较高的比值，可能是因为明燃具有较高的温度，从而使更多的有机物转化成EC^[35]. 本研究中EC/PM在阴燃、 明燃中对比较明显，明燃下的比值范围为0.08~0.11，阴燃下的比值范围为0.06~0.08，因此可以从EC与PM的比值中初步判断燃烧状态的趋势.

表 4(Table 4)

表 4 稻草阴燃、 明燃中PM、 EC、 OC比值 Table 4 Relationship between PM，OC and EC for rice straws in flaming and smoldering 稻草品种 明燃 阴燃 OC/EC OC/PM EC/PM (OC+EC)/PM OC/EC OC/PM EC/PM (OC+EC)/PM 内2优6号 5.57 0.53 0.09 0.54 6.69 0.5 0.07 0.5 邳州1号 4.69 0.52 0.11 0.56 7.08 0.55 0.08 0.55 邳州2号 5.49 0.49 0.09 0.51 7.23 0.52 0.07 0.52 Ⅱ优279 6.61 0.56 0.09 0.58 9.75 0.57 0.06 0.56 杨两优6号 6.26 0.53 0.08 0.54 7.26 0.53 0.07 0.53 宁粳1号 7.57 0.6 0.08 0.59 8.76 0.54 0.06 0.52 均值 5.96 0.54 0.09 0.55 7.80 0.53 0.07 0.53

表 4 稻草阴燃、 明燃中PM、 EC、 OC比值 Table 4 Relationship between PM，OC and EC for rice straws in flaming and smoldering

Turpin等^[36]通过研究OC与EC之间的关系，可以区分碳质气溶胶的来源，若EC和OC之间的相关性好，则表明OC、 EC来自相同的污染源. 本研究中秸秆两种燃烧排放的OC与EC相关性如图 2(d)所示，相关系数达到0.97，在0.01水平上相关性显著，说明Turpin关于碳质气溶胶来源分析对稻草燃烧阴燃、 明燃两种条件均可以运用，是否对来源其他种类秸秆阴明燃两种条件下排放烟尘中的OC、 EC都适合，则还需要更多的实验来证明. 2.4 阴燃、 明燃烟尘中水溶性离子排放分析

6种稻草阴燃、 明燃烟尘中水溶性离子的排放因子如表 5所示. 3种阴离子Cl^-、 NO^-₃、 SO^2-₄被测定，排放因子数值变化范围从低于检测限到(0.824±0.373)g ·kg^-1. 在阴燃、 明燃两种条件下，3种阴离子中，Cl^-排放因子均较高，SO^2-₄排放因子次之. 明燃下稻草中Cl^-排放因子均值为(0.264±0.150)g ·kg^-1，这与文献^{[23, 24]}中结论相似. 阴燃下Cl^-的排放因子均值为(0.301±0.274)g ·kg^-1. 测定的5种阳离子包括K⁺、 NH⁺₄、 Na⁺、 Mg²⁺、 Ca²⁺，排放因子数值变化范围从低于检出限到(0.937±0.262)g ·kg^-1. 在明燃条件下，稻草中NH⁺₄排放因子最高，均值为(0.176±0.088)g ·kg^-1，K⁺排放因子次之，均值为(0.118±0.051)g ·kg^-1，Mg²⁺与Na⁺的排放因子较低，均值分别为(0.113±0.056)g ·kg^-1，(0.101±0.033)g ·kg^-1，Ca²⁺排放因子最低，为(0.022±0.013)g ·kg^-1. 当稻草处于阴燃状态时，NH⁺₄排放因子最高，为(0.407±0.304)g ·kg^-1，Mg²⁺与Na⁺的排放因子均值分别为(0.331±0.091)g ·kg^-1、 (0.280±0.070) g ·kg^-1，K⁺排放因子变化较大，阴燃时低至(0.053±0.031)g ·kg^-1，与Ca²⁺排放因子(0.050±0.071)g ·kg^-1接近.

表 5(Table 5)

表 5 阴燃、 明燃中水溶性离子的排放因子 /g ·kg-1 Table 5 Emission factors of water-soluble ions in flaming and smoldering/g ·kg-1 稻草品种 项目 K+ NH+4 Na+ Mg2+ Ca2+ Cl- NO-3 SO2-4 内2优6号 明燃 0.090±0 0.106±0.043 0.110±0.014 0.170±0.008 0.158±0.012 0.037±0.015 阴燃 0.035±0.007 0.131±0.029 0.275±0.007 0.205±0.026 0.054±0.040 0.100±0.042 0.305±0.094 邳州1号 明燃 0.180±0.014 0.267±0.060 0.140±0.014 0.190±0.045 0.044 0.401±0.073 0.043 0.106±0.041 阴燃 0.105±0.021 0.596±0.049 0.405±0.035 0.429±0.112 0.172 0.317±0.071 0.090 0.234 邳州2号 明燃 0.205±0.064 0.326±0.056 0.160±0.007 0.138±0.004 0.018±0.003 0.526±0.059 0.011 0.121±0.008 阴燃 0.070±0.014 0.937±0.262 0.280±0.028 0.390±0.034 0.015 0.824±0.373 0.055 0.093±0.025 Ⅱ优279 明燃 0.100±0 0.157±0.072 0.070±0 0.042±0.017 0.012 0.189±0.003 0.104 阴燃 0.035±0.007 0.253±0.148 0.215±0.049 0.365±0.234 0.005 0.189±0.040 0.089±0.088 杨两优6号 明燃 0.085±0.007 0.112±0.042 0.090±0 0.084±0.045 0.013±0.004 0.161±0.033 0.121±0.001 阴燃 0.020±0 0.226±0.103 0.215±0.007 0.231±0.103 0.104±0.066 0.361±0.228 0.160±0.074 宁粳1号 明燃 0.145±0.035 0.175±0.018 0.100±0.014 0.092±0.055 0.025±0.010 0.311±0.004 0.155 0.198±0.062 阴燃 0.055±0.007 0.290±0.176 0.290±0.099 0.370±0.216 0.190±0.020 0.184±0.040 0.054±0.019

表 5 阴燃、 明燃中水溶性离子的排放因子 /g ·kg-1 Table 5 Emission factors of water-soluble ions in flaming and smoldering/g ·kg-1

稻草阴燃、 明燃中各种离子在PM中的所占质量分数均值如表 3所示，Cao等^[26]研究得出明燃时K⁺在PM中的质量分数为11.39%，Cl^-为13.61%，Park等^[37]研究发现，稻草焚烧时细颗粒物中K⁺所占质量分数为1.77%，Cl^-占2.96%. 本研究中明燃时Cl^-在PM中的比值相对较低，为2.16%，K⁺所占的质量分数为1%，Ca²⁺所占质量分数最少，为0.17%，阴燃时由于PM的排放升高数倍，使得水溶性离子在PM中的比例均降低，K⁺仅占0.07%的比例，Cl^-占0.36%. 8种水溶性离子中，K⁺、 NH⁺₄、 Na⁺、 Mg²⁺、 Cl^-、 SO²⁺₄这6种离子的测定值均高于检出限，利用SPSS软件分析得出这6种离子的相关性. 如表 6所示，明燃条件下NH⁺₄、 Na⁺、 Cl^-与K⁺、 Na⁺、 Cl^-与NH⁺₄，以及Na⁺与Cl^-均呈现显著的正相关性，说明阳离子主要以氯化物的形式存在，阴燃条件下离子间的相关性无明燃时显著，仅在Na⁺与K⁺、 Cl^-与NH⁺₄间有较为显著的正相关性，因此燃烧条件不一样，无机水溶性离子的存在形式也不一样.

表 6(Table 6)

表 6 阴燃、 明燃中水溶性离子的相关性 1) Table 6 Correlation among water-soluble ions in flaming and smoldering 项目 离子 K+ NH+4 Na+ Mg2+ Cl- SO2-4 K+ 1 0.973 ** 0.855* 0.45 0.992 ** 0.353 NH+4 1 0.831* 0.38 0.979 ** 0.255 明燃 Na+ 1 0.764 0.866* -0.046 Mg2+ 1 0.41 -0.428 Cl- 1 0.346 SO2-4 1 K+ 1 0.69 0.927 ** 0.793 0.513 0.079 NH+4 1 0.431 0.669 0.961 ** -0.259 阴燃 Na+ 1 0.553 0.23 0.358 Mg2+ 1 0.554 -0.485 Cl- 1 -0.327 SO2-4 1 1) **为在0.01水平上显著相关; *为在0.05水平上显著相关

表 6 阴燃、 明燃中水溶性离子的相关性 1) Table 6 Correlation among water-soluble ions in flaming and smoldering

8种离子在两种燃烧状态下总体上未呈现出如OC/EC所有的变化规律. 图 3为稻草在阴燃、 明燃条件下Cl^-的排放因子，两种燃烧状态下邳州2号的Cl^-排放因子均较高，内2优6号排放值均最低，且Cl^-的排放受稻草品种的影响较大，不同型号的稻草Cl^-排放因子差异明显，阴燃时最高值约是最低值的8倍.

图 3

Fig. 3

图 3 阴燃、 明燃中Cl-的排放因子 Fig. 3 Emission factors of Cl- in flaming and smoldering

图 4为稻草在阴燃、 明燃条件下K⁺的排放因子，在多种农作物秸秆中(麦秸、 稻草、 棉花秸秆、 玉米秸秆)麦秸中K⁺排放因子最高^[25],生物质燃烧的水溶性K被称为示踪元素，通过它可以对污染源进行定性定量研究^[19]. 阴燃、 明燃条件下，稻草中K⁺的排放受品种的影响较大，明燃条件下邳州2号的K⁺排放因子最高，阴燃状态下邳州1号排放出的K⁺最高. 杨两优2号在阴燃、 明燃下水溶性K⁺排放都为最低，从图 4中可以得出，两种燃烧条件下K⁺排放呈现出显著的特征，阴燃条件下稻草中的K⁺排放均低于明燃中的排放.

图 4

Fig. 4

图 4 阴燃、 明燃中K+的排放因子 Fig. 4 Emission factors of K+in flaming and smoldering

图 5为稻草在阴燃、 明燃条件下Na⁺的排放因子,明燃时邳州1号Na⁺排放因子较高，阴燃时稻草中的邳州2号Na⁺排放因子较高. 在两种燃烧条件下Na⁺排放也呈现出显著的特征，即无论秸秆的种类，阴燃状态下Na⁺排放因子均高于明燃时的排放，Zhang等^[24]测定稻草在阴燃、 明燃时Na⁺的排放因子，均值分别为(0.05±0.06)g ·kg^-1、 (0.03±0.05)g ·kg^-1. 本研究中稻草中Na⁺在阴燃条件下的排放为明然条件下的2.8倍，而K⁺在明燃下的排放是阴燃下的2.2倍，产生这种变化原因可能受到当地土壤成分以及施用的化肥的影响，但不同的燃烧状态是导致这种现象的主要原因，水溶性K⁺与Na⁺这种排放特征可以对水稻燃烧状态做出初步判定，但这种规律性的变化对其他种类秸秆是否适合还需进一步研究.

图 5

Fig. 5

图 5 阴燃、 明燃中Na+的排放因子 Fig. 5 Emission factors of Na+ in flaming and smoldering

对稻草中OC/Na⁺、 K⁺/Na⁺、 Cl^-/Na⁺进行分析，明燃中各比值分别为60、 1.2、 2.5; 阴燃中各个比值则分别为138、 0.18、 1.0. Lin等^[38]对莲雾农业残留物焚烧烟尘中的颗粒物进行研究，细颗粒物中OC/Na⁺、 K⁺/Na⁺、 Cl^-/Na⁺的比值分别为318、 10.2、 10.5，松叶、 樱桃树叶、 银杏树叶、 枫叶焚烧细颗粒物中K⁺/Na⁺比值分别为37、 2.4、 83、 27，Cl^-/Na⁺的比值分别为22、 6.8、 65和33^[37]，可以发现5种树木类的K⁺/Na⁺、 Cl^-/Na⁺的数值均远高于稻草中的比值. 因此在生物质焚烧烟尘中可以通过K⁺、 Na⁺、 Cl^-等离子之间的关系将稻草与上述树木类焚烧区分开来.

3 结论

(1)6种稻草在阴燃、 明燃条件下焚烧，阴燃时EF_PM、 EF_OC、 EF_EC以及OC/EC比值均高于明燃下的数值，与草原植被、 森林大火、 松柏、 落叶焚烧相比，稻草燃烧中的OC/EC比值明显较小，且变化范围不大. OC/PM几乎不受燃烧状态的影响，EC/PM在两种燃烧状态下呈现出不同的比值范围，可以根据EC/PM比值初步判断燃烧状态的趋势. 阴燃、 明燃中秸秆燃烧排放的OC、 EC线性相关系数达到0.96，在0.01水平上相关性显著.

(2)8种水溶性离子中，Cl^-在阴燃、 明燃下含量均较高，阳离子中NH⁺₄含量较高，明燃条件下离子间的相关性比阴燃时显著，且燃烧状态不同，水溶性离子的存在形式不一样. 6种稻草中Na⁺、 K⁺的排放因子受燃烧状态的影响呈现出规律性变化，Na⁺在阴燃条件下排放因子均大于明燃时排放，K⁺在阴燃时排放均小于明燃时的排放. 稻草焚烧中K⁺/Na⁺、 Cl^-/Na⁺比值与部分树木类焚烧有显著的区别，可以通过K⁺、 Na⁺、 Cl^-等离子之间的关系将稻草与这些树木类焚烧区分开来.