浙江2001-2016年露天生物质燃烧排放污染物时空格局.doc

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1、浙江2001-2016年露天生物质燃烧排放污染物时空格局摘要：生物质露天燃烧排放烟气颗粒物对大气环境、生态系统和人类健康有重要影响。该研究基于MODIS-MCD64A1数据提取20012016年浙江省森林、灌丛、草地火灾面积和作物秸秆火点数据，结合植被类型、生物质密度和燃烧效率，运用排放因子法，估算16年间浙江区域露天生物质燃烧排放污染物总量。结果表明，20012016年浙江区域露天生物质燃烧总量为58.78mt，其中乔木、灌木、草本、水稻、小麦、玉米、豆类和油菜燃烧总量分别为202.18kt、10.43kt、300.10t、46.66mt、1.94mt、2.45mt、3.45mt和4.06m

2、t。森林和秸秆火次数分别为1783次和23257次，森林火灾多集中在浙江南部区域，秸秆火多集中在浙江北部区域。森林和草地火灾次数主要集中在3月和10月，作物秸秆火点主要集中在5、7和8月份，占全年75%以上。各污染物CO2、CO、NOx、VOCs、PM2.5、TC、OC和EC排放总量分别为667.20、26.40、1.13、4.92、5.12、2.85、2.59和0.23mt。该研究揭示了浙江地区生物质露天燃烧排放污染物的时空变化，为深入揭示生物质燃烧对区域环境影响提供数据支持。1引言(Introduction)生物质燃烧排放大量污染物，显著影响大气环境和人类健康(Zhang et al.，2

3、017；靳全锋等，2017a)。露天生物质燃烧是生物质燃烧重要组成部分，主要由森林、灌丛、草地、沼泽和秸秆火组成(Qiu et al.，2016；Wu et al.，2018)，是排放污染性气体和颗粒物重要来源，研究显示全球每年有8600Tg生物质燃烧(Levine et al.，1991)，每年有25Pg碳排放来源于生物质燃烧(Soares et al.，2009)，有40%的CO、35%的颗粒物和20%的NOx来源于生物质燃烧(Langmann et al.，2009)。研究显示美国每年有39%的CO和20%的PM2.5来源于生物质燃烧(Urbanski et al.，2009)，欧洲露天

4、燃烧排放是生物质排放主要来源，巴塞罗纳每年有3%的PM10和5%的PM2.5来源于秸秆露天焚烧(Reche et al.，2012；GarciaHurtado et al.，2014)。Yan等(2006)研究显示中国每年有509.0mt生物质燃烧，排放NOx、SO2、CO、CO2、CH4、NMHC、PM和BC总量分别为1.09、0.17、59.30、946.63、2.20、3.03、3.62和0.43mt(田贺忠等，2011)。生物质燃烧排放大量污染性气体(CO2、CO、NOx、SO2、VOCs、烃类和醛类)和颗粒物(TSP、PM10、PM2.5和PM1)，显著影响空气质量(Zha et a

5、l.，2013；Zong et al.，2016)。CO2、CH4、N2O和颗粒物加快长波辐射吸收，促进气候变暖(Sun et al.，2016)；PM2.5、EC、NOx和VOCs大量排放促进太阳光吸收、散射、环境光化学烟雾及阴霾的形成，降低区域空气质量和能见度(Cheng et al.，2014)；卤代烃大量排放破坏O3层，增强区域紫外线(Li et al.，2018)。生物质燃烧释放的烟气严重影响人类健康，大量CO、NOx和VOCs等严重刺激眼、鼻、咽喉及皮肤，损伤肺粘膜而引发哮喘，甚至引起白血病和癌症(Udeigwe et al.，2015)。此外，烟气中大量NOx、SO2和HCOOH

6、等沉降，影响土壤pH和土壤理化性质(Sinha et al.，2003)。因此，解析生物质燃烧烟气排放对大气环境评估具有重要意义。浙江是我国主要生物质产区，森林覆盖率高达59.07%。每年有6.85mt秸秆和7.43mt林木资源燃烧，释放31.73kt的PM2.5(靳全锋等，2017b；2017c)。研究显示浙江区域每年有600余次森林火灾，过火面积为6.0103hm2；生物质燃烧排放大量污染性气体和颗粒物(靳全锋等，2017b)。因此，合理估算浙江区域露天生物质燃烧排放对大气环境评估至关重要。鉴于此，本研究以20012016年MODIS影像数据为研究对象，运用排放因子法，估算浙江区域露天生物

7、质燃烧排放污染物时空格局。主要研究目标为：估测出20012016年浙江地区生物质燃烧总量。估算浙江地区露天生物质燃烧排放污染物总量；分析浙江露天生物质排放污染物时空格局，本研究可为相关大气模型研究和大气环境污染评价提供基础性科学依据。2材料与方法(Datasandmethods)2.1研究区概况浙江省位于中国东南部，东经1180112310，北纬27063111，区域面积为1.02105km2。全省地貌类型复杂，地势西南向东北倾斜，南部多丘陵；浙南、浙北、浙西、浙东和浙中分别是山地、平原、山地丘陵、滨海岛屿和丘陵盆地等5种地貌类型.该区域地处亚热带季风气候区，冬季寒冷干燥、夏季雨热同期、四季分

8、明、光照充足.平均气温为1518，最低和最高温度分别为-17.4-2.2和33.042.9；平均年降水量为11002000mm.该区域乔木杉木林、松木林、青冈等主要树种占林分总面积80%以上；农作物主要以水稻、小麦、玉米、豆类和油菜为主要粮食作物。Jin等(2018)研究显示浙江作物和林火高发区，20002014年共发生秸秆火2万余次，年均超1500次，森林火灾近万次，年均超600次，且该区域林火90%以上受人为因素影响(靳全锋等，2017b；2017c)。2.2森林和草地火灾面积计算森林和草地火灾面积数据基于MODIS-MCD64A1火灾面积产品。MCD64Al产品是空间分辨率为500m，月

9、尺度产品，能精准检测区域森林草地火灾。目前MODIS火点受自然因素影响，成功监测率为90%左右，但通过滤除噪声、耀斑及云的干扰，不同区域和季节草地成功监测率高达100%(Zhou et al.，2006)，因此，本研究使用MCD64A1产品与中国行政区划图(1：100万)和中国植被覆盖图是空间分辨率为1km的产品进行叠加分析，获取燃烧区域植被类型和燃烧面积。2.3森林和草原密度时空分布浙江区域森林生物质密度基于Ni等(2001)研究成果，运用克里金差值法得到浙江区域森林生物质密度图详见图2a，草地生物量密度基于Piao等(2007)研究成果，运用生长季NDVI平均值与地上生物量关系模型，绘制浙

10、江区域草地地上生物量空间分布(图2b)。2.4燃烧效率根据浙江省统计年鉴(20022017年)，获取浙江各市秸秆产量数据，参照国家发展改革委办公厅发布谷草比，计算各区域秸秆产量.查阅文献秸秆露天焚烧比例参照Jin等(2018)研究成果，根据Akagi等(2011)、Kato等(2011)、Wu等(2018)、Zhang等(2008)、Zhou等(2017)、Huang等(2012)、Shen等(2010)、Mundo等(2013)和Guerette等(2017)研究结果认为水稻、小麦、玉米、豆类、油菜、草本、灌丛、温带针叶乔木、针叶落叶乔木、阔叶常绿乔木和阔叶落叶乔木平均露天燃烧效率分别为0.

11、89、0.86、0.92、0.68、0.82、0.80、0.77、0.48、0.34、0.34、0.29和0.29。2.5排放因子排放因子是精确估测各类排放物总量的重要前提，因此本研究基于国内外学者研究成果，针对不同植被类型选用不同排放因子，提高估测精度。本研究同时对众多研究结果取平均值作为不同植被类型排放因子(表1)。2.6森林和草地燃烧量计算3结果与讨论(Resultsanddiscussion)3.1浙江省露天生物质燃烧量本研究基于浙江区域MODISMCD64A1数据监测森林、灌丛、草地火灾面积数据及生物质密度和统计年鉴数据，分别统计浙江20012016年植被类型露天燃烧总量，并计算年燃

12、烧量(表2)。结果显示不同植被类型露天燃烧总量存在差异，浙江区域16年总燃烧生物质量为58.78mt(3.67mta-1)，其中乔木、灌木、草本、水稻、小麦玉米、豆类和油菜露天燃烧量分别为202.18kt、10.43kt、300.1t、46.66mt、1.94mt、2.45mt、3.45mt和4.06mt，年均分别为12.64kt、0.65kt、18.76t、2.92mt、121.37kt、153.04kt、215.49kt和253.99kt.靳全锋等(2017b)研究显示浙江每年露天焚烧水稻、小麦、豆类和油菜分别为2.07mt、101.0kt、175.4kt和280.8kt，该研究结果与本研

13、究较为接近。3.2浙江火点空间分布格局基于20012016年MODISMCD64A1森林和秸秆火点数据，运用ArcGIS10.2在GWS84投影下分别绘制为1km1km网格，将森林和秸秆火灾次数运用核密度原理，绘制16年火点密度图(图3)。20012016年浙江区域发生森林和秸秆火点分别为1783次和23257次，年均111次和1454次，不同植被类型火点空间分布不均衡，森林火灾多集中在浙江南部区域，秸秆火多集中在浙江北部区域；南方多林火北方多秸秆火主要受浙江植被分布影响，浙江北部地势较为平坦，以农作物种植为主，在作物收获季节多以焚烧为主，南方多丘陵地带，以森林为主要植被类型，由于人类活动导致

14、林火在南方频繁发生。3.3浙江火点时间分布格局图4显示20012016年浙江区域森林和草地火灾年季波动较大.2004、2008和2011年林火和草地火灾次数皆达到极大值，森林火灾次数分别为137、365和252次；草地火灾分别为22、49和26次；20012016年浙江省秸秆火次数总体呈先增加后降低趋势，该研究结果与Jin等(2018)和Li等(2016)研究结果一致。图5显示浙江区域森林和草地火灾次数月变化存在差异，呈双峰分布，火点峰值(3月)高于峰值(10月)。时间上林火在2、3、4和10月份火灾发生比率分别为20.96%、31.88%、15.03%和13.07%；草地火在2、3、4和10

15、月份火灾发生比率18.48%、21.33%、12.80%和19.43%；作物火点在5、7和8月份火灾发生比率25.40%、25.36%和24.78%.2、3和4月浙江区域处于春季，上一年度死亡生物质积累较多，春季气温回暖快且降水少，使得地表温度升高较快，加速凋落物及地表可燃物水分蒸发，有利于林火形成，同时4月林火主要受到传统习俗影响较大，清明节前后祭奠先人，上坟时通过稻草、草本、凋落物、灌丛等森林可燃物引发林火发生(Qiu et al.，2016；Wu et al.，2018)；10月为秋季，草本植物大量死亡，且降水少，空气湿度低和风速大，加快可燃物干燥，降低植被含水率，促进林火形成与发展；夏

16、季浙江区域雨热同期，植被处于生长季节，含水量极高，冬季浙江为低温多雨区域，不利于林火发生.5、7和8月集中全年秸秆火76%，研究显示秸秆火点主要受到区域焚烧习惯、当地人口、当地经济水平和地方政策等因素影响，尽管政府出台一系列秸秆禁烧政策，仍有较多秸秆在收获或播种季节被燃烧，且收获季节有更多秸秆就地焚烧，研究显示秸秆露天焚烧与农村人口、区域经济水平和秸秆产量呈显著正相关；因此显示森林和草地火灾主要为自然因素影响，秸秆火灾主要为人文因素影响较大，人为活动也是引发林火的主要影响因子(Wu et al.，2018；Zhou et al.，2018)。3.4浙江露天生物质燃烧排放污染物空间分布格局生物质燃烧排放大量污染物，显著影响大气环境和人类健康，本研究根据浙江区域M