黑龍江省秸稈露天焚燒污染物排放清單及時空分布

李莉莉,王 琨*,姜珺秋,劉 帆,普軼浩,劉 威,齊 虹,于 航

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黑龍江省秸稈露天焚燒污染物排放清單及時空分布

李莉莉1,2,王 琨1,2*,姜珺秋2,劉 帆2,普軼浩2,劉 威2,齊 虹1,2,于 航2

(1.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業大學環境學院,黑龍江 哈爾濱 150090)

以黑龍江省為例,采用排放因子法計算了2016年秸稈露天焚燒污染物排放清單,分析了污染物的時空分布特征.結果表明,黑龍江省秸稈露天焚燒各污染物排放量為: CO21314.09萬t、CO 41.92萬t、CH43.77 萬t、NMVOCs 8.35萬t、NH30.65萬t、BC 0.44萬t、OC 3.13萬t、SO20.50萬t、NO3.28萬t、PM108.81萬t、PM2.510.14萬t.在95%的置信區間確定了排放清單的不確定性,不確定性范圍為NO的±86%的低值到CO的±187%的高值.通過可靠性分析推斷,本文的排放清單是合理的.玉米和水稻秸稈露天焚燒對同種大氣污染物的貢獻高于其他作物秸稈.大氣污染物排放高值區位于黑龍江省西部和東部,污染物排放的時段在全年范圍內具有明顯的雙峰特征.秸稈露天焚燒率的下降能有效促進大氣污染物的減排,且農墾地區集約化和規模化的管理模式能有效控制秸稈露天焚燒.

秸稈露天焚燒；排放清單；時空分布；黑龍江省

秸稈露天焚燒會產生大量CO、CO2、NO、SO2、NH3和可吸入顆粒物等大氣污染物[1-2].作為糧食主產區,東北三省劃定了秸稈禁燒區.以黑龍江省[3]為例,在采取一系列經濟補貼、民事處罰等措施的同時,還積極推進秸稈資源化的利用.但環境保護部的秸稈焚燒監測報告[4]表明東北地區的火點數量仍居高不下,黑龍江省尤為突出.

我國的秸稈露天焚燒排放清單的編制基于自下而上和自上而下2類方法,考慮到自下而上清單編制的高成本和實施難度,目前主要以自上而下的方法為主.國內針對秸稈露天焚燒的清單研究大多從省級尺度計算了各省排放總量[5-7][8-10],未基于地級市的秸稈焚燒排放清單,且污染物時空分布的分辨率較低.

本文以黑龍江省為例,計算2016年秸稈露天焚燒污染物排放清單,分析污染物的時空分布和露天焚燒的原因,以期為后期空氣質量模擬提供更為準確的數據.

1 數據與方法

1.1 研究區域

本研究選取2016年作為基準年,將黑龍江省12個地級市(七臺河、伊春、佳木斯、雙鴨山、哈爾濱、大慶、牡丹江、綏化、雞西、鶴崗、黑河、齊齊哈爾)、1個地區(大興安嶺)及黑龍江農墾總局作為研究區域.

農作物包括糧食作物、棉花、油料作物、麻類和糖料作物.由《黑龍江省統計年鑒》(2017)[11]可知,2016年黑龍江省糧食產量已經占到農作物產量的99.26%,其中農墾總局的糧食產量已經占到農作物產量的92.28%,其它作物所占比例極少,且對計算參數研究較少,不確定性較大,因此進一步將研究對象鎖定為糧食作物,即谷類(水稻、小麥、玉米、谷子與高粱)、豆類與薯類.關注的污染物包括CO2、CO、CH4、NMVOCs、NH3、BC、OC、SO2、NO、PM10和PM2.5.

1.2 秸稈露天焚燒量的計算

《生物質燃燒源大氣污染物排放清單編制技術指南(試行)》(以下簡稱《指南》)[12]按照式(1)計算秸稈露天焚燒活動水平:

式中:為農作物產量,t;為草谷比;為秸稈露天焚燒比例;為燃燒效率.

糧食產量數據來自于《黑龍江省統計年鑒》(2017)[11],糧食作物的草谷比和秸稈的燃燒效率見表1文獻的推薦值.而秸稈露天焚燒比例與作物種類、各地經濟水平和居民生活習慣等多種因素有關,差異較大.根據《指南》建議:在有條件的情況下,最好采用抽樣調查的方法[12].因此本次研究的露天焚燒比例采用彭立群等[8]在黑龍江省570個樣本數下統計的不同作物露天焚燒比例,即平均值為22.6%.匯總各計算參數如表1所示.

結合黑龍江省實際情況,在2013年底農墾實現了玉米秸稈100%的還田利用,之后大力推動其他作物秸稈的還田和綜合利用[18].依據《黑龍江墾區經濟社會統計提要》(2015),黑龍江墾區秸稈還田面積與保護性耕作面積之和占糧食作物播種總面積的93%以上.除玉米秸稈100%還田利用,大豆秸稈也基本上做到了100%還田.水稻秸稈粉碎還田雖然難度較大、存在問題較多,但是整體推進較好,燒秸稈現象很少發生[19].根據《黑龍江省禁止野外焚燒秸稈改善大氣質量實施方案》[20]要求,墾區為秸稈禁燒區,需24h監管,確保全區域、全天候禁燒.且墾區進行了秸稈肥料化、基料化、飼料化、燃料化、原料化的利用,利用率達到90%以上,因此本次計算不考慮農墾的露天焚燒.

表1 活動水平計算參數

1.3 大氣污染物排放量的計算

表2 秸稈露天焚燒排放系數(g/kg)

《指南》推薦用下式計算生物質燃燒活動中污染物的排放量:

式中:E為大氣污染物的排放量,t;為不同的城市;為不同的秸稈種類;A秸稈的露天焚燒活動水平,t;EF是污染物的排放系數,g/kg.

排放系數是計算排放清單的重要參數,它不僅能表征污染物的排放強度,也可分析出樣本的排放特征.經查詢和對比文獻中已有的排放測試成果,整理出本文采用的排放系數,見表2.

1.4 污染物時間分布計算

秸稈露天焚燒與農作方式和作物成熟期有關,表現出明顯的季節性差異,受人為因素、天氣、經濟水平等多種因素影響.目前研究多采用作物成熟時間進行時間分配[31-33],黑龍江省位于中國最北端,屬于寒地一年一熟的耕作制度[34].

通過調研黑龍江省農作物成熟期,得到水稻、玉米、大豆、高粱和谷子于9月中旬至10月中旬成熟,小麥于7月初至8月底成熟,薯類于7月中旬至10月中旬成熟.一般成熟期之后7~10d收獲籽粒,再7~10d為其田間秸稈成熟期.由于11月之后黑龍江省要經歷12月至來年2月的積雪期,作物秸稈存在收割后不會立即燃燒的情況,因此,將水稻、玉米、谷子、高粱和豆類秸稈露天焚燒排放量在10月、11月、3月和4月進行分配,小麥在8月和9月進行分配,薯類在8月至10月進行分配.

1.5 污染物空間分布計算

目前一些研究采用耕地面積[35]或焚燒火點[36-37]作為秸稈露天焚燒的空間分配因子.然而,僅采用耕地面積只能反映出各柵格中的耕地數量,而不能反映柵格中秸稈露天焚燒污染物的排放量.例如某些耕地面積大的地區實施了秸稈禁燒政策,僅用耕地面積作為空間分配因子則與實際情況存在較大差異.而簡單地使用衛星火點數據也是不全面的,由于衛星火點監測自身的局限,無法完全覆蓋焚燒區域.考慮后期在空氣質量模型中的應用,本文將耕地面積和火點數據兩種分配因子復合進行網格化分配.耕地面積來自省國土資源部門,火點數據來自環境保護部公布的秸稈焚燒監測報告[4].依據公式(3)計算[33,37]:

式中:是不同的網格;是不同的城市;是不同的污染類型;是每個城市或柵格里污染物的排放量,t/a;FC是每個城市或網格中的火點數量;CA是每個城市或網格中的耕地面積.

2 結果與討論

2.1 秸稈露天焚燒污染物排放清單

2.1.1 露天焚燒量 由表3可見,黑龍江省2016年糧食作物秸稈產量為9142.66萬t,生物質能源潛力巨大.其中農墾總局、哈爾濱、綏化和齊齊哈爾的秸稈產量分別為全省秸稈總量的23.25%、16.18%、15.40%和13.46%,秸稈總量之和占全省的68.28%.

表3 秸稈露天焚燒量

各地市的秸稈露天焚燒量與耕地面積具有正相關性,為更好地對比各地級市的秸稈露天焚燒量,計算得到其單位面積秸稈露天焚燒量.哈爾濱、綏化和雞西計算得到的單位面積秸稈露天焚燒量較高,其中雞西市排名較為靠前是因為其農墾面積較大,而農墾面積單獨計入農墾系統.

2.1.2 排放清單 由表4可知,黑龍江省共排放污染物:CO21314.09萬t、CO 41.92 萬t、CH43.77 萬 t、NMVOCs 8.35萬t、NH30.65萬t、BC 0.44萬t、OC 3.13 萬t、SO20.50萬t、NO3.28 萬t、PM108.81萬t和PM2.510.14 萬t.哈爾濱、綏化、齊齊哈爾和佳木斯對污染物貢獻較大,分別占全省總量的20.95%、19.12%、17.27%和11.26%.

由公式(1)和(2),可知秸稈產量和排放系數的計算權重較大,因此各類秸稈露天焚燒所產生的污染物量之間存在較大區別.由圖1可知,水稻和玉米秸稈對同種污染物的貢獻率遠大于其他作物秸稈,分別為18.91%~47.50%和 41.39%~67.87%.

表4 2016年黑龍江省秸稈露天焚燒污染物排放清單(′104t)

圖1 各類秸稈露天焚燒對同種污染物的貢獻率

2.1.3 不確定性分析 秸稈露天焚燒清單結果的不確定性源于公式中各計算參數(草灰比、燃燒效率、露天焚燒比例和排放因子)[33,37].而本文在建立排放清單的過程中,這些參數均引用國內外文獻中的推薦值.而不同學者所提供的數值存在較大差異,主要是排放源測試結果與地區位置、測試及檢測條件等多種因素有關.而選取的參數數值不同將直接影響清單的計算結果[38].

本文選用蒙特卡洛模擬量化不確定性,基于活動水平和排放因子的概率密度分布,蒙特卡洛模擬運行100000次,以95%置信區間計算不確定性的范圍,得到各污染物的不確定范圍見表5.

與其他污染物相比,NO的不確定性較小,約在-77%~86%.NH3和CO排放的不確定度較高,分別為-128%~165%和-64%~187%.主要是由于NH3和CO的排放系數多采用國外文獻推薦值.為進一步降低清單的不確定性,草灰比、燃燒效率和露天焚燒比例等參數未來可進行實地調研.

表5 不確定性分析

2.1.4 清單可靠性分析 由表6可見,與其他學者清單進行對比,各類污染物排放量均未存在數量級差異.考慮到基準年的差異,可以推斷,本文所得到的排放清單是合理的.

2.2 秸稈露天焚燒污染物時空分布

2.2.1 時間分布特征 本文以PM2.5為例說明污染物在2016年的月變化規律,并與各月火點數進行對比,如圖2所示.

表6 黑龍江省秸稈露天焚燒污染物排放清單的可靠性分析(′104t)

注: -表示無此項.

由圖2可以看出,火點主要集中在2個時段:一是3月和4月,即每年開春耕地之前;二是10月和11月,即作物收獲之后;與火點變化類似,主要受黑龍江省的耕作制度的影響,較符合黑龍江省的實際耕作情況.

圖2 火點及PM2.5排放量月際變化

PM2.5濃度與氣象條件、燃煤和秸稈露天焚燒等多種因素有關.如圖3所示,全省各地級市PM2.5濃度在全年范圍內變化趨勢一致.10月中旬至4月中旬為黑龍江省采暖期,與秸稈露天焚燒時段完全重合.考慮黑龍江省氣象條件的季節性,在冬季風速較低且易形成逆溫層,10、11月的PM2.5濃度比12、1月濃度高,且在12月有一個明顯的下降趨勢,可見秸稈露天焚燒和采暖期的復合污染顯著強于僅燃煤采暖時的污染.而春季采暖期3月和4月PM2.5濃度低于2月,主要是由于春季平均風速逐漸升高,垂直方向湍流加劇,有利于污染物擴散.因此在冬季氣象條件不利時,對秸稈露天焚燒活動的有效管制尤為重要.

圖3 各市PM2.5濃度月際變化

2.2.2 空間分布特征 采用GIS軟件在 Lambert 投影下,在哈爾濱市(43.425°N~53.584°N, 121.174°E~ 135.162°E)區域范圍內建立分辨率為9km×9km的網格.以PM2.5為例,分析了污染物在黑龍江省的空間分布特征.通過式(3)進行空間分配,如圖4所示.

通過圖4(a)和(b)對比可以看出,黑龍江省火點位于耕地面積上,主要在黑龍江省西部和東部,耕地面積上發生秸稈露天焚燒比例較高.與耕地分布不同,火點具有更為顯著的點源特征.從圖4(c)來看,PM2.5排放的高值網格點位于哈爾濱西部、綏化、齊齊哈爾的南部和東北部、黑河西南部、佳木斯中部和雙鴨山市.這些地區耕地面積大,農作物殘留量大,且焚燒火點較為集中.在省中部和北部,包括大興安嶺、伊春、黑河中部、牡丹江市、哈爾濱的南部,這些地區林地面積大、土地使用面積大和耕地面積較小,因此污染物排放量較少.

同時由圖4(a)、(b)和圖3對比可以看出耕地和火點均較少的伊春、黑河和大興安嶺地區其PM2.5濃度值較低;雞西市和佳木斯東部耕地面積雖分布較大,但是火點數目較少,其PM2.5濃度也在省均值濃度以下,其中一個重要的原因是佳木斯和雞西市有較多墾區農場分布,隸屬農墾總局,均為規模化種植基地,服從農墾總局的統一監管,嚴格落實墾區全區域禁燒政策,其秸稈綜合利用率遠遠高于省內其他地區[40],如玉米秸稈實現了100%的綜合利用,包括還田(75%)、免耕原壟卡種(20%)和秸稈打包綜合利用(5%)3種方式[18].而哈爾濱、綏化、齊齊哈爾和大慶市的PM2.5濃度均高于省均值,這些地區耕地面積較大和火點較多.可見對秸稈露天焚燒活動的有效管制對改善當地空氣質量至關重要.

2.3 政策建議

根據黑龍江省在控制秸稈露天焚燒上的實際情況,分析了露天焚燒的原因并給出了相應的建議.

一是秸稈資源化效率低.根據本文估算公式如果秸稈露天焚燒率降低5%,黑龍江省秸稈露天焚燒排放的PM2.5能減少34%,約3.5萬t.可見降低秸稈露天焚燒率對污染物減排有很大推動作用,因此應加快構建秸稈資源化技術體系,推進秸稈資源的“五化”利用[41].

二是對秸稈分散處理模式不利于減少秸稈焚燒的發生.黑龍江省農墾系統對秸稈進行統收統管的集中管理的優勢已顯露,因此為解決秸稈焚燒的問題,東北糧食主產區可以借鑒墾區的管理經驗,以其作為農業樣板,推動其他地區農業向集約化和規模化發展[42-43].

農業部公布了《東北地區秸稈處理行動方案》(2017)[44],明確提出到2020年,努力使東北地區秸稈綜合利用率達80%及以上.具有巨大秸稈資源利用潛力的東北糧食主產區應積極推進秸稈從露天焚燒到資源化利用的方式轉變.

3 結論

3.1 采用排放因子法計算得到了黑龍江省2016年秸稈產量和秸稈露天焚燒量,進而得到秸稈露天焚燒污染物排放清單.水稻和玉米秸稈對同種污染物的貢獻率遠大于其他作物秸稈,分別為18.91%~ 47.50%和41.39%~67.87%.通過與相關文獻的清單結果對比,本文所得到的清單是合理的.

3.2 黑龍江省秸稈露天焚燒時段具有明顯的雙峰特征:一是3月和4月;二是10月和11月.與火點變化類似,較符合黑龍江省的實際耕作情況.污染物排放的高值網格點位于火點和耕地分布均密集的黑龍江省西部和東部.反之,低值區位于耕地和火點均較少的省中部和北部.

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Emission inventory and the temporal and spatial distribution of pollutant for open field straw burning in Heilongjiang province.

LI Li-li1,2, WANG Kun1,2*, JIANG Jun-qiu2, LIU Fan2, PU Yi-hao2, LIU Wei2, QI Hong1,2, YU Hang2

(1.State Key Laboratory of Urban Water Resources and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China；2.School of Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)., 2018,38(9)：3280~3287

An emission inventory of open field straw burning was established on the method of emission factors over the Heilongjiang Province for the year of 2016 in this paper. The temporal and spatial distribution characteristics of emission pollutants were also comprehensive analyzed in this study. Our results showed that the total emissions of CO2, CO, CH4, NMVOCs, NH3, BC, OC, SO2, NO, PM10and PM2.5were 1.314×107, 4.192×105, 3.77×104, 8.35×104, 6.5×103, 4.4×103, 3.13×104, 5.0×103, 3.28×104, 8.81×104and 1.014×105t, respectively. Further uncertainty analysis for 95% confidence intervals revealed that the uncertainties ranged from a low value of ±86% for NOto a high value of ±187% for CO. The reliability analysis also demonstrated that the compiled emission inventory is reasonable. The spatial distribution of higher values for emission pollutants was located in the western and eastern regions of Heilongjiang Province. Temporally, two obviously emission peaks for emitted pollutants from straw burning were presented throughout the year. The decline of open field straw burning would effectively promote the reduction of regional total emission of atmospheric pollutants, and the mode of intensive farming and large-scale management over the reclamation area in Heilongjiang Province can effectively control the regional open field straw burning.

open field straw burning；emission inventory；temporal and spatial distribution；Heilongjiang province

X51

A

1000-6923(2018)09-3280-08

李莉莉(1995-),女,河南周口人,哈爾濱工業大學碩士研究生,主要研究方向為大氣污染物排放清單.

2018-01-31

國家重點實驗室探索課題(2016TS08)

* 責任作者, 教授, Wang02kun@126.com