近20年來京津冀地區土壤風蝕揚塵顆粒物排放變化

趙志平,齊永青,漢瑞英,肖能文,李俊生,*

1 中國環境科學研究院,環境基準與風險評估國家重點實驗室, 北京 100012 2 中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心, 石家莊 050022

土壤風蝕是風力作用導致表土物質脫離原空間位置的過程[1—2],其主要危害包括沙漠化[3—4]和各種風沙災害[5—6]。土壤揚塵源是裸露地面的顆粒物在自然或人力的作用下形成的揚塵[7],其中土壤風蝕導致的揚塵源是細顆粒物的主要來源[8]。裸露地面的顆粒物進入大氣中造成大氣污染,導致PM10和PM2.5超標[9]。目前灰霾污染已是影響我國城市空氣質量的主要因素[10],成為影響人們生活幸福感的重要因素之一[11]。雖然我國空氣質量在逐年改善,大氣顆粒物仍是影響我國很多城市空氣質量的首要污染物,其中土壤揚塵是造成城市顆粒物污染嚴重的重要因素之一[12]。

隨著大氣污染問題日益突出,近年來國內很多地區開展了土壤揚塵源顆粒物排放清單編制工作[13—18]。2015年全國風蝕揚塵總懸浮顆粒物(TSP)、PM10和PM2.5的年排放量分別為2.27×107t、6.77×106t和1.17×106t[19]。京津冀地區是土壤風蝕揚塵高發區,其中北京市西北和東南地區土壤風蝕揚塵PM2.5排放因子較高[8],天津市北辰區PM10和PM2.5的最大排放源是工地[20],河北省土壤揚塵源PM2.5排放量為39699 t,農田揚塵排放占85.3%[21],此外2013年石家莊市土壤揚塵TSP、PM10和PM2.5的排放量分別為12569 t、3771 t和947 t[22]。未來氣候變化情景下,河北壩上地區土壤風蝕揚塵年排放速率分別增高25%、54%、35%和54%[23]。綜上所述,目前關于京津冀地區土壤揚塵顆粒物排放量研究只有零星報道,且缺乏多年變化狀況研究。整體上近20年來京津冀地區土壤揚塵顆粒物排放量變化及其主要影響因素仍然未知。

京津冀地區是我國大氣污染嚴重區域,并且容易受到來自內蒙的沙塵天氣影響[24—25]。根據生態環境部發布的空氣質量狀況,2019年京津冀及周邊地區優良天數只有53.1%,低于全國82.0%的平均水平[26]。因此,土壤揚塵顆粒物排放量變化研究對于改善京津冀地區空氣質量具有重要意義。本研究收集2000—2019年京津冀地區氣候、土壤、植被覆蓋等數據,估算近20年來京津冀地區土壤揚塵顆粒物排放量及其變化,揭示其年際變化的影響因素,以期為生態環境管理部門提出相應措施、降低京津冀地區土壤揚塵顆粒物排放量、協同改善空氣質量提供科學支撐。

1數據和方法1.1研究區概況

京津冀位于我國北方地區,東臨大海、西倚太行山,北為燕山,南部為華北平原,地理上界于北緯36°05′—42°40′,東經113°27′—119°50′之間,總面積約21.8×104km2,行政區劃包括北京市、天津市和河北省[27]。氣候上該區屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,四季分明。年平均溫度8—12.5℃,年降水量600—1000 mm。主要土壤質地類型有壤土、壤砂土、砂土、輕粘土、砂質粘壤土等。該區北部植被結構復雜,種類繁多,南部平原區大多數以耕地和城市人工植被為主[28]。該區人類活動強度日益增大[29],使得灰霾天氣頻發[26],困擾著京津冀地區環境保護工作。

1.2 數據

本研究用到的氣象數據來自于國家氣象科學數據中心(網址http://data.cma.cn/),包括2000—2019年京津冀及周邊地區氣象站點年平均溫度、年降水量、年平均風速,其中年平均溫度和年降水量數據利用Anusplin軟件插值成1 km空間柵格數據,年平均風速數據利用反距離加權插值成1 km空間柵格數據。土壤質地數據[30]來源于黑河計劃數據管理中心(網址http://westdc.westgis.ac.cn)(圖1)。2000—2019年歸一化植被指數(NDVI)數據來源于MODIS MOD13A2產品,空間分辨率1 km,通過對每16天NDVI求均值得到NDVI年均值。2000、2005、2010和2015年土地利用狀況數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心(網址http://www.resdc.cn/),空間分辨率1 km。

圖1 京津冀地區土壤質地類型Fig.1 Soil texture types in the Beijing-Tianjin-Hebei region

1.3 方法

本文研究對象為土壤揚塵源排放量,以期為生態環境管理部門提出相應措施、協同改善空氣質量提供科學參考,因此本研究采用生態環境部2015年發布的《揚塵源顆粒物排放清單編制技術指南(試行)》[7]中土壤揚塵源排放量計算公式：

WSi=ESi×AS

(1)

式中,WSi為土壤揚塵中PMi(空氣動力學粒徑在0—iμm間的顆粒物,下同)總排放量,t/a；AS為土壤揚塵源的面積,m2；ESi為土壤揚塵源的PMi排放系數,t m-2a-1,計算公式如下：

ESi=Di×C×(1-η)×10-4

(2)

式中,Di為PMi的起塵因子,t 10-4m-2a-1；C為氣候因子,表征氣象因素對土壤揚塵的影響；η為污染控制技術對揚塵的去除效率,%,本研究設定η=0。Di計算公式如下：

Di=ki×Iwe×f×L×V

(3)

式中,ki為PMi在土壤揚塵中的百分含量,推薦值TSP為1、PM10為0.30、PM2.5為0.05；Iwe為土壤風蝕指數,推薦值見表1；f為地面粗糙因子,取值為0.5；L為無屏蔽寬度因子,本研究取L=1.0。V為植被覆蓋因子,是指裸露土壤面積占總計算面積的比例,本研究利用NDVI數據來代替,該數據來源于MODIS MOD13A2產品。

氣候因子C計算公式如下：

C=0.504×u3/PE2

(4)

式中,u為年平均風速,m/s；PE為桑氏威特降水—蒸發指數,計算公式如下：

PE=1.099×P/(0.5949+0.1189×T)

(5)

式中,P為年降水量,mm；T為年平均溫度,℃。

表1 土壤風蝕指數參考值/(t hm-2 a-1)

圖2 2000—2019年京津冀地區風速變化 Fig.2 Changes of wind speed in the Beijing-Tianjin-Hebei region from 2000 to 2019

2 結果

2.1 氣候因子變化

2.1.1風速

2000—2019年京津冀地區年平均風速均值為2.54 m/s(圖2)。總體上2000—2019年京津冀地區年平均風速具有略微上升趨勢,但上升速率非常小為0.52×10-2m/s a-1,且達到一定的顯著水平(P<0.1)。

2.1.2溫度和降水

2000—2019年京津冀地區年平均溫度均值為9.77℃,其中2008年平均溫度最高為12.81℃,2010年平均溫度最低為6.92℃,近20年京津冀地區年平均溫度呈現升高趨勢(圖3),升高速率約為0.04℃/a,但未達到顯著水平(P>0.05)。年降水量也呈現增加趨勢,增加速率約為4.12 mm/a,且達到一定顯著水平(P<0.1)。2000—2019年京津冀地區年降水量均值為502.23 mm,其中2016年降水量最多為632.50 mm,2002年最低為396.40 mm。

2.1.3氣候因子和桑氏威特蒸發指數

氣候因子是土壤揚塵源顆粒物排放系數計算的重要因子。2000—2019年京津冀地區氣候因子呈現下降趨勢(圖4),但未達到顯著水平(P>0.05)。其中2002年最大為1.51×10-4,2012最小為0.46×10-4。桑氏威特蒸發指數由年平均溫度和年降水量計算得到,是構成氣候因子的重要參數。2000—2019年京津冀地區桑氏威特蒸發指數呈現上升趨勢,但未達到顯著水平(P>0.05)。

2.2 植被覆蓋變化

2000—2019年京津冀地區植被NDVI均值為0.38,2000年最低為0.34,2017年最高為0.40。2000—2019年京津冀地區植被NDVI年均值呈現極顯著增加趨勢(P<0.01),增加速率為0.21×10-2/a(圖5),與NDVI均值相比約為5.53%/10a,雖然反映了近20年來該地區植被生長狀況整體呈現變好趨勢,但變化幅度較小。

圖3 2000—2019年京津冀地區年平均溫度和年降水量變化Fig.3 Annual temperature and precipitation in Beijing-Tianjin-Hebei region during 2000—2019

圖4 2000—2019年京津冀地區氣候因子和桑氏威特指數變化Fig.4 Changes in climate factor and Thornthwaite index in the Beijing-Tianjin-Hebei region from 2000 to 2019

圖5 2000—2019年京津冀地區植被NDVI變化 Fig.5 Changes of vegetation NDVI in the Beijing-Tianjin-Hebei region from 2000 to 2019

2.3 土壤揚塵源排放系數變化

空間上2019年京津冀地區土壤揚塵源TSP排放系數均值約為2.30 t km-2a-1,其中最大為23.95 t km-2a-1,最小為0.03 t km-2a-1。TSP排放系數最高地區主要分布在河北省西南部地區,包括保定市西南部、石家莊市西部、邢臺市中西部和邯鄲市西北部地區(圖6)。TSP排放系數較高地區主要分布在天津市南部、滄州市東北部以及張家口市局部地區。TSP排放系數較低地區主要分布在京津冀北部地區。2019年京津冀地區土壤揚塵源PM10和PM2.5排放系數分布格局與TSP一致。

圖6 2019年京津冀地區土壤揚塵源總懸浮顆粒物(TSP)排放系數Fig.6 TSP emission coefficient of soil dust source in the Beijing-Tianjin-Hebei region in 2019

2000—2019年京津冀地區土壤揚塵源TSP排放系數均值為1.79 t km-2a-1,其中PM10占8.99%,PM2.5占0.25%。近20年TSP排放系數具有下降趨勢(圖7),但未達到顯著水平(P>0.05)。其中2002年最高為3.27 t km-2a-1,2003年最低為1.01 t km-2a-1。相關分析顯示,近20年土壤揚塵源TSP排放系數變化與氣候因子呈現極顯著正相關(P<0.01),與植被NDVI指數呈現負相關,但未達到顯著水平(P>0.05),表明京津冀地區土壤揚塵源TSP排放系數變化與氣候因子有關,而氣候因子與溫度和降水具有極顯著相關關系(P<0.01)。2000—2019年京津冀地區土壤揚塵源PM10和PM2.5排放系數變化過程與TSP一致。

2.4 土壤揚塵源排放量空間格局

2000—2019年京津冀地區土壤揚塵源TSP、PM10和PM2.5排放系數均值分別為1.79、0.16、0.45×10-2t km-2a-1(表2)。滄州市土壤揚塵源TSP、PM10和PM2.5排放系數均值最高為3.17、0.29、0.80×10-2t km-2a-1,其次是天津市和石家莊市,分別為2.96、0.27、0.75×10-2、2.62、0.24、0.66×10-2t km-2a-1。承德市土壤揚塵源TSP、PM10和PM2.5排放系數均值最低為0.60、0.05、0.15×10-2t km-2a-1,其次是秦皇島市0.71、0.06、0.18×10-2t km-2a-1。

2000—2019年京津冀地區土壤揚塵源TSP、PM10和PM2.5排放總量均值分別為3.81×105t/a、0.34×105t/a、0.96×103t/a。其中張家口市土壤揚塵源TSP排放量均值最大為0.73×105t/a,占京津冀地區總量的19.18%,其次是保定市和滄州市分別為0.49×105t/a和0.44×105t/a,分別占12.98%和11.63%。秦皇島市土壤揚塵源TSP排放量均值最小為0.06×105t/a,占京津冀地區總量的1.44%,其次是廊坊市和唐山市分別為0.12×105t/a和0.15×105t/a,分別占京津冀地區總量的3.27%和4.00%。

2000—2019年承德市、秦皇島市、邢臺市和邯鄲市土壤揚塵源TSP、PM10和PM2.5排放系數具有上升趨勢,但未達到顯著水平(P>0.05)。其余地區均具有下降趨勢,其中北京市、衡水市土壤揚塵源TSP、PM10和PM2.5排放系數下降趨勢達到極顯著水平(P<0.01),天津市、廊坊市和保定市下降趨勢達到顯著水平(P<0.05)。上述土壤揚塵源TSP、PM10和PM2.5排放系數顯著下降區域的排放量僅占京津冀總量的35.63%,京津冀大部分區域土壤揚塵源顆粒物排放狀況未得到有效遏制。

本研究利用2000、2005、2010和2015年京津冀地區4期土地利用空間狀況數據來統計2000—2019年京津冀地區土壤揚塵源TSP排放量,結果顯示耕地排放量最大為2.29×105t/a(圖8),占京津冀地區總量的59.83%,是抑制土壤揚塵源顆粒物排放的重點關注對象,其次為草地為0.60×105t/a,占15.66%。林地和居民地土壤揚塵源TSP排放量分別為0.42×105t/a和0.36×105t/a,分別占11.04%和9.50%。水體排放量為0.14×105t/a,占3.64%。裸地排放量最低為0.13×104t/a,占京津冀地區總量的0.33%。

表2 2000—2019年京津冀各市土壤揚塵源TSP、PM10和PM2.5排放量

圖7 2000—2019年京津冀地區土壤揚塵源TSP、PM10和PM2.5排放系數變化Fig.7 Changes in the emission coefficient of TSP,PM10 and PM2.5 of soil dust sources in the Beijing-Tianjin-Hebei region from 2000 to 2019

圖8 2000—2019年京津冀地區各土地利用類型土壤揚塵源TSP、PM10和PM2.5排放量Fig.8 Emissions of TSP, PM10 and PM2.5 from soil dust sources of various land use types in the Beijing-Tianjin-Hebei region from 2000 to 2019

3 討論

2021年3月初以來,京津冀地區遭遇多場沙塵暴襲擊,是揚塵污染嚴重區。本研究參考生態環境部2015年發布的《揚塵源顆粒物排放清單編制技術指南(試行)》[7],估算京津冀地區年度土壤揚塵顆粒物排放。該方法中用到的變量均為年值,因此不能用于季節土壤揚塵顆粒物排放計算,否則會出現較大誤差。與以往京津冀地區研究結果比較發現,本研究2000—2019年北京市土壤揚塵PM2.5排放系數均值為0.45×10-2t km-2a-1,其中2017年為0.44×10-2t km-2a-1,以往學者認為2017年北京市土壤揚塵PM2.5排放系數為0.18 t km-2a-1,與本研究相比存在一定低估[8]。此外,還有研究認為2015年河北省各地級市中承德市、廊坊市、唐山市、秦皇島市土壤揚塵顆粒物排放系數較低,滄州市、邢臺市和邯鄲市土壤揚塵顆粒物排放系數較高[21]。本研究結果與之相比土壤揚塵顆粒物排放系數空間格局大體一致,即滄州市、石家莊市土壤揚塵顆粒物排放系數較高,承德市、秦皇島市、唐山市土壤揚塵顆粒物排放系數較低。2013年石家莊市土壤揚塵TSP排放為12569 t、PM10為3771 t、PM2.5為947 t[22],轉換后平均排放系數分別為0.87、0.26、0.07 t km-2a-1,分別為本研究(2.62、0.24、0.07×10-1t km-2a-1)的0.33倍、1.08倍和10倍,相比本研究TSP存在一定低估、PM10接近、PM2.5存在一定高估。總體上本研究中京津冀地區土壤揚塵顆粒物排放量估算相對合理。

本研究發現2000—2019年土壤揚塵源TSP排放系數變化與氣候因子呈現極顯著正相關(圖9,P<0.01),因此京津冀地區土壤揚塵源TSP排放系數變化主要與氣候因子有關。2000—2019年京津冀地區植被NDVI呈現極顯著上升趨勢,反映了近20年來該地區植被生長狀況整體呈現變好,但由于上升幅度較小,僅為5.53%/10a,與土壤揚塵源TSP排放系數變化呈現一定顯著水平負相關(圖9,P<0.1),因此植被覆蓋是土壤揚塵源TSP排放系數變化的次要因素。進一步分析發現氣候因子中年降水量與土壤揚塵源TSP排放系數變化具有極顯著負相關關系(圖9,P<0.01),而年平均風速和年平均溫度與土壤揚塵源TSP排放系數變化相關性不顯著(P>0.05),表明京津冀地區土壤揚塵源TSP排放系數變化主要受年降水量影響。

圖9 2000—2019年京津冀地區土壤揚塵源總懸浮顆粒物(TSP)排放系數與氣候因子、覆蓋因子、年降水量相關性Fig.9 Correlations of Total Suspended Particulate (TSP) emission coefficient and climate factor, coverage factor, and annual precipitation in the Beijing-Tianjin-Hebei region from 2000 to 2019

本研究假設京津冀地區土壤揚塵源可能影響的高度為100 m,同時利用2019年各市土壤揚塵源排放系數計算得到土壤揚塵源PM10和PM2.5在空氣中含量,并與2019年京津冀各地區發布的環境質量公報結果進行對比。結果顯示土壤揚塵源排放顆粒對PM10影響較大,對PM2.5影響較小(表3)。2019年邢臺市PM10觀測值115 μg/m3,其中土壤揚塵源排放顆粒物含量占比最高為12.66%。石家莊市和天津市PM10觀測值分別為118 μg/m3和76 μg/m3,其中土壤揚塵源排放顆粒物含量占比也較高分別為11.09%和10.30%。滄州市和邯鄲市PM10觀測值分別為89 μg/m3和124 μg/m3,其中土壤揚塵源排放顆粒物含量占比分別為8.63%和8.02%。上述地區應關注土壤揚塵源顆粒物排放對空氣質量影響。秦皇島市和承德市土壤揚塵源排放顆粒物含量占PM10觀測值比例分別為2.55%和2.99%,可能與當地植被覆蓋狀況較好有關。

表3 2019年京津冀各市土壤揚塵源排放顆粒物含量占比

本研究估算了2000—2019年京津冀地區土壤揚塵源排放,從長時間尺度上闡明該地區土壤揚塵顆粒物排放空間格局和變化過程,發現京津冀大部分區域土壤揚塵源顆粒物排放狀況未得到有效遏制。人為翻動表土會導致嚴重的土壤風蝕發生,人類擾動會導致土壤風蝕加劇。本研究中耕地揚塵源TSP排放量最大占京津冀地區總量的59.83%,是抑制土壤揚塵源顆粒物排放的重點關注對象,其次為草地占15.66%。該結果可為京津冀地區各市相關管理部門制定降低大氣顆粒物含量、減少土壤揚塵顆粒物排放措施的依據。同時相關部門可以引入空氣質量模型分析土壤揚塵源對大氣環境空氣質量的影響,以探索適合京津冀地區實際情況的土壤揚塵防治策略。主要包括京津冀地區沙塵抑制生態屏障協同建設,統籌協調退耕還林還草和自然植被恢復工作,以及沙塵天氣動態監測和預警系統建設[31]。由于氣候因子和土壤質地數據來源和分辨率的差異,本研究結果與前人的結果存在一定差異,下一步工作應該加強土壤揚塵顆粒物排放研究的細致對比分析工作,同時搜集實測數據,結合其他源的排放清單,同顆粒物源解析結果進行比較驗證。

4 結論

(1)2000—2019年京津冀地區土壤揚塵源TSP排放系數均值為1.79 t km-2a-1,其中PM10占8.99%,PM2.5占0.25%。近20年土壤揚塵源TSP排放系數具有下降趨勢,PM10和PM2.5排放系數變化過程與TSP一致。上述變化主要受氣候因子影響,其次受植被覆蓋度影響。進一步分析發現近20年來京津冀地區土壤揚塵源TSP排放系數變化主要受年降水量影響。

(2)2000—2019年滄州市土壤揚塵源TSP、PM10和PM2.5排放系數均值最高,其次是天津市和石家莊市。張家口市土壤揚塵源TSP排放量均值最大占京津冀地區總量的19.18%,其次是保定市和滄州市分別占12.98%和11.63%。北京市、衡水市、天津市、廊坊市和保定市土壤揚塵源TSP、PM10和PM2.5排放系數顯著下降,然而上述區域土壤揚塵排放量僅占京津冀總量的35.63%,京津冀大部分區域土壤揚塵源顆粒物排放狀況未得到有效遏制。耕地土壤揚塵排放量最大占京津冀地區總量的59.83%,是抑制土壤揚塵源顆粒物排放的重點關注對象,其次為草地占15.66%。林地和居民地分別占11.04%和9.50%。

(3)2019年邢臺市土壤揚塵源PM10排放占觀測值比例最高為12.66%,石家莊市和天津市占比也較高分別為11.09%和10.30%,滄州市和邯鄲市占比分別為8.63%和8.02%。上述地區環境管理部門均應關注土壤揚塵源顆粒物排放對空氣質量的影響。秦皇島市和承德市土壤揚塵源排放顆粒物含量占PM10觀測值比例分別為2.55%和2.99%,可能與當地植被覆蓋狀況較好有關。