秸稈焚燒遙感監(jiān)測及空氣污染防治對策

姜海玲　楊勝杰　張秀華

摘要：采用文獻閱讀研究法，對國內(nèi)近十余年秸稈焚燒的監(jiān)測研究進行綜合分析。在闡述秸稈焚燒、遙感衛(wèi)星監(jiān)測原理的基礎上，揭示污染物對空氣質(zhì)量的影響，并提出秸稈焚燒造成空氣污染的防治對策，最后對未來無人機遙感監(jiān)測平臺在秸稈焚燒監(jiān)測中的應用潛力進行了展望。

關鍵詞：秸稈焚燒；遙感監(jiān)測；空氣污染；防治對策

中圖分類號：X87；S19 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）20-3841-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.20.013

Abstract： Using the literature reading methods， the domestic research of straw burning in recent ten years was synthetically analyzed. On the basis of elaborating the theory of remote sensing satellite monitoring， the impact of pollutant to air quality was exposed， and countermeasures of straw burning was put forward. Finally the application potential of high precision data source and the platform of UAV remote sensing was proposed in monitoring straw burning in future.

Key words： straw burning； remote sensing monitoring； air pollution； countermeasures of prevention and control

隨著中國社會經(jīng)濟發(fā)展，農(nóng)村普遍推廣電氣化，農(nóng)民在燃料方面減少了對秸稈的依賴。因此，每逢夏秋兩季，便出現(xiàn)大面積秸稈露天焚燒現(xiàn)象。秸稈焚燒作為生物質(zhì)燃燒的一種，已成為全球關注的問題，不僅造成了生物質(zhì)資源的浪費，也嚴重影響大氣質(zhì)量，威脅人類健康。據(jù)統(tǒng)計，中國2015年秸稈資源量為10.4億t，主要用于肥料、飼料、基料、燃料和原料，綜合利用率為80.1%，這意味著中國每年有近2億t秸稈進行焚燒處理[1]。為監(jiān)測全國秸稈焚燒火點數(shù)量及其分布，原國家環(huán)保總局利用衛(wèi)星遙感技術，監(jiān)控全國秸稈焚燒態(tài)勢，并采取了系列政策規(guī)定，如《大氣污染防治行動計劃》、《大氣污染防治法》等[1，2]。現(xiàn)國家環(huán)境部門基于環(huán)境遙感衛(wèi)星對地面秸稈焚燒進行全年實時監(jiān)測，獲得數(shù)據(jù)報表發(fā)布于互聯(lián)網(wǎng)上，以期起到警示督促作用。目前，中國遙感監(jiān)測中心對利用遙感技術監(jiān)測秸稈焚燒火點進行深入研究，并取得了一定成效。

1 遙感技術監(jiān)測秸稈焚燒的基本原理及方法

遙感技術于20世紀60年代興起，憑借獲取信息范圍廣、實時高效且成圖迅速的優(yōu)勢，在農(nóng)林業(yè)、海洋、地質(zhì)等領域得到廣泛應用?，F(xiàn)階段，在秸稈焚燒監(jiān)測方面，衛(wèi)星遙感技術發(fā)揮著重要作用，通過獲取的遙感影像對熱異常源及焚燒火點進行識別提取，并逐步取代地面監(jiān)測的傳統(tǒng)方式，為高效監(jiān)測秸稈焚燒提供支持。

1.1 衛(wèi)星遙感技術

衛(wèi)星遙感技術不受區(qū)域尺度限制，不僅能監(jiān)視區(qū)域火情火勢，還能動態(tài)監(jiān)測全國尺度焚燒狀況。在秸稈焚燒監(jiān)測過程中，焚燒火點分布的不確定性以及云層覆蓋時有存在，因此，對遙感衛(wèi)星空間、時間及光譜分辨率等性能指標有著較高要求。

中分辨率成像光譜儀MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer）是Terra和Aqua衛(wèi)星上裝載的傳感器，組成部件有橫向掃描鏡、光收集器件、一組線性探測器陣列和位于4個焦平面上的光譜干涉濾色鏡，最大空間分辨率為250 m，在0.4～14.5 μm之間有36個觀測通道，其多通道數(shù)據(jù)可為分析火勢分布、煙云走向、火燒趨勢提供基礎支持[3]。MODIS具有對高溫敏感的第7波段，可使火點監(jiān)測精度得到提高，是秸稈焚燒監(jiān)測的主要數(shù)據(jù)源。中國以MODIS作為數(shù)據(jù)源監(jiān)測秸稈焚燒火點的研究相對較早。段衛(wèi)虎等[3]、胡梅等[4]利用MODIS數(shù)據(jù)分別對森林火點、秸稈焚燒火點進行識別監(jiān)測，驗證了MODIS數(shù)據(jù)用于火點監(jiān)測的可行性，表明火點監(jiān)測中閾值確定與地區(qū)背景具有一定關系。

資源三號（ZY-3）衛(wèi)星是中國第一顆自主的民用高分辨率立體測繪衛(wèi)星，在2012年1月升空，搭載有MUX和TLC遙感器，空間分辨率分別達5.8和2.1 m。高分辨率能夠有效減少焚燒火點的漏判和誤判，因此ZY-3是秸稈焚燒監(jiān)測的理想數(shù)據(jù)源之一。馮登超等[5]以ZY-3遙感影像作為數(shù)據(jù)源，對秸稈焚燒火點進行監(jiān)測，并與MODIS監(jiān)測結果進行對比分析，表明ZY-3憑借其高空間分辨率的優(yōu)勢，能夠獲取更精確的結果。

除MODIS和ZY-3數(shù)據(jù)外，馬建行等[6]以松嫩平原為研究區(qū)，以Landsat 8衛(wèi)星影像作為數(shù)據(jù)源，對秸稈焚燒與未焚燒區(qū)域分別進行提取，最終得到燃燒指數(shù)與秸稈焚燒程度的相關性；馮登超等[7]基于Google Earth數(shù)據(jù)，以縣級秸稈焚燒火點為出發(fā)點，表明將Google Earth數(shù)據(jù)與多種衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)相結合監(jiān)測秸稈焚燒，速度更快且效率更高。

1.2 秸稈焚燒火點提取方法

采用不同的秸稈焚燒火點提取方法，遙感監(jiān)測精度則不同。為避免非秸稈焚燒火點的干擾，應合理設計火點提取流程（圖1），其中，注重與其他地物的比較甄別，能夠有效提高精度。常用火點提取方法主要有以下幾種。

1）物體熱輻射和維恩定律[2，3]?？紤]秸稈焚燒具有地表火的特點，利用MODIS數(shù)據(jù)，基于斯蒂芬-波爾茲曼定律、維恩位移定律及普朗克輻射公式，在實際遙感監(jiān)測中利用中紅外波段對地面溫度異常點強吸收的特點，從正常地表溫度環(huán)境中提取高溫火點進行識別，以達到秸稈焚燒火點提取的目的。endprint

2）亮溫和遙感探火原理。利用遙感技術對地面異常熱源進行識別監(jiān)測時，將熱紅外通道輻射率轉(zhuǎn)換為亮溫，用以間接表示地表真實溫度。楊珊榮等[8]采用亮溫和遙感探火技術，利用MODIS數(shù)據(jù)對秸稈焚燒火點進行辨認，研究結果表明監(jiān)測精度可滿足要求，并指出調(diào)整閾值、改進模型是提高火點識別算法精度的核心，但很大程度上仍受主觀因素的影響，應結合更多的實測數(shù)據(jù)進行輔助識別。

2 秸稈焚燒對空氣質(zhì)量的影響及防治對策

秸稈焚燒釋放的大量氣態(tài)污染物及顆粒物，對空氣質(zhì)量、碳循環(huán)、土壤結構等有著重要影響，是空氣污染主要來源之一。近十余年，中國相關學者在秸稈焚燒引起空氣污染方面做了較多的研究分析和實證調(diào)查。

2.1 秸稈焚燒對空氣質(zhì)量的影響

空氣質(zhì)量指數(shù)用來評價SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO和懸浮顆粒物等污染物，秸稈焚燒釋放的氣態(tài)和氣溶膠顆粒物影響著空氣質(zhì)量的變化趨勢。

賈宏群[9]基于環(huán)境監(jiān)測部門數(shù)據(jù)，得出在秸稈焚燒時，大氣中SO2、NO2、可吸入顆粒物三項污染指數(shù)均達到高峰，超出平均水平數(shù)倍；何立環(huán)等[10]以長江三角洲區(qū)域的一次污染天氣為研究背景，分析了秸稈焚燒與空氣污染的相關性，結果表明秸稈焚燒活動嚴重加劇空氣污染；吳建蘭等[11]通過對南通市6年內(nèi)秸稈焚燒對空氣質(zhì)量影響情況進行統(tǒng)計，分析秸稈焚燒在大氣擴散有利和無利條件下的差異，表明秸稈焚燒在大氣擴散不利條件下會加劇PM10質(zhì)量濃度，從而造成輕度污染天數(shù)對全年污染天數(shù)的貢獻超過30%；蘇繼峰等[12]收集統(tǒng)計年鑒等信息，估算并制作了因秸稈焚燒造成的大氣污染物排放清單，將秸稈焚燒排放源應用到空氣質(zhì)量模式中，對空氣質(zhì)量數(shù)值模擬有著積極意義。

2.2 污染物的輸送與分布

由于垂直逆溫層和穩(wěn)定的中性層結等大氣條件的影響，致使污染物不易擴散，氣流流通和風向變化會將局地秸稈焚燒排放的污染物輸送到周邊城市乃至全國各地，從而擴大污染面。軌跡分析方法被應用于空氣污染物的輸送與分布研究中，它能準確反映污染物的輸送情況，將此方法應用于分析秸稈焚燒排放污染物輸送途徑的案例有很多，尹聰?shù)萚13]利用氣團后向軌跡分析方法，以南京地區(qū)因秸稈焚燒造成的空氣污染事件為背景，剖析其具體影響因素，結果表明逆溫層不利于污染物的垂直擴散，且受相對濕度的影響；朱佳雷等[14]根據(jù)南京氣團向后軌跡進行分析，針對2008年江蘇某次重霾事件，結果揭示事發(fā)當?shù)丶巴馐〗斩挿贌欧盼飳臻g污染的貢獻率分別為32.4%和33.3%；蘇繼峰[15]以南京及周邊地區(qū)空氣污染事件為背景，研究并分析秸稈焚燒對空氣質(zhì)量所產(chǎn)生的影響，表明秸稈焚燒產(chǎn)生的污染物在擴散過程中受限于地形和天氣情況；王書肖等[16]建立的中國秸稈焚燒大氣污染物排放清單中，可以看出主要排放有PM2.5、BC、OC、SO2、NMVOC、CO、CO2、NOx等，并以NOx為例制作了排放強度圖，結果表明污染物的排放主要集中于華東及華北地區(qū)，且中國生物質(zhì)焚燒排放的污染物分布不均，排放形式以可吸入顆粒物為主。

2.3 防治對策

根本防治秸稈焚燒的核心是為大量秸稈尋找出路。然而，中國秸稈綜合利用率仍然很低。張燕[17]對照國內(nèi)外秸稈用作肥料、飼料、燃料、纖維、原料所產(chǎn)生的生態(tài)、經(jīng)濟及社會效益，指出中國秸稈資源現(xiàn)有利用方式存在缺陷。

為了達到經(jīng)濟和環(huán)境雙重效益，秸稈的多元有效利用是解決問題的關鍵。中國的秸稈綜合利用以及防治焚燒對策，主要集中于秸稈還田、秸稈能源化以及鼓勵政策的制定。

1）秸稈還田。秸稈還田是秸稈綜合利用方式中最方便、成本最低的選擇，適當?shù)慕斩掃€田能夠?qū)ν寥蕾|(zhì)量、作物產(chǎn)量、土壤氮素有效性產(chǎn)生積極影響，且不易造成空氣污染。吳志鵬等[18]闡述了秸稈還田的好處，表明秸稈還田具有增加土壤養(yǎng)分、凈化土壤環(huán)境、改善土壤物理性狀等優(yōu)點，使得作物產(chǎn)量和品質(zhì)得到提升，并建議機械化秸稈還田，以實現(xiàn)秸稈還田產(chǎn)業(yè)化和企業(yè)化經(jīng)營；竇森等[19]基于現(xiàn)行秸稈還田難以推廣的現(xiàn)狀，提出秸稈深還的技術模式，即“富集深還”和“翻壓深還”，研究證實其是一種行之有效的辦法。

2）秸稈能源化。目前，中國秸稈回收利用未成體系，應積極倡導政府主導、企業(yè)參與、上下合力，構建秸稈良性循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)鏈。周良[20]通過對國內(nèi)外秸稈利用現(xiàn)狀的研究，提出秸稈能源化的可行性，如將秸稈用于氣化、制沼、制取醇類，以及利用物理法、化學法對秸稈進行處理利用等。徐玉宏[21]分析了秸稈焚燒引發(fā)的環(huán)境及社會問題，認為秸稈可用作燃料、輕工、紡織及建材原料，從而促進經(jīng)濟和環(huán)境的雙贏。

3）政策制度的制定。在鼓勵政策方面，賈秀飛等[22]認為經(jīng)濟激勵型政策下不可直接給予補貼，應將秸稈綜合利用專項資金轉(zhuǎn)化為對農(nóng)民回收秸稈的變相補貼。如秸稈粉碎機補貼、秸稈壓塊機補貼等。馬濤[23]認為中國秸稈禁燒行政成本過大，且法律依據(jù)尚有欠缺，在執(zhí)法同時有必要積極引導農(nóng)民自愿參與。因此，中國應建設秸稈綜合利用、專項補貼、總量控制、責任追究等明確制度。未來秸稈焚燒防治政策的制定可在稅收上為秸稈綜合利用等相關產(chǎn)業(yè)給予適當優(yōu)惠，不可一味注重“命令與控制型工具”，應控制型政策工具和環(huán)境自愿型政策并舉，亦可在農(nóng)戶自愿參與的基礎上進行幫扶和政策傾斜。

3 小結與展望

3.1 小結

以闡述衛(wèi)星遙感監(jiān)測秸稈焚燒的原理為基礎，對秸稈焚燒造成空氣污染及防治對策進行分析，得出如下結論。

1）衛(wèi)星遙感技術監(jiān)測秸稈焚燒火點具有較成熟的理論性和科學性，其中衛(wèi)星紅外遙感探測火點時具有較高的靈敏度。

2）秸稈焚燒釋放的污染物不僅影響當?shù)乜諝赓|(zhì)量，也會被輸送至周邊城市乃至全國各地，輸送途徑由大氣層結穩(wěn)定度、風速、垂直逆溫層等大氣條件共同決定。

3）秸稈焚燒防治的核心是解決秸稈利用問題。如利用秸稈還田技術能夠增加土壤有機質(zhì)含量，并對土壤物理及生物性狀進行改進，屬當前主流防治對策。目前該技術推廣困難的主要原因體現(xiàn)在對成本、技術和硬件設施方面要求較高。endprint

綜上所屬，在利用遙感衛(wèi)星技術快速準確監(jiān)測秸稈焚燒的同時，有關部門還應向農(nóng)民普及秸稈焚燒的危害與秸稈有效利用的好處，并擴展秸稈利用的產(chǎn)業(yè)鏈和降低秸稈還田的技術成本等，積極開發(fā)秸稈在其他方面的相關應用。同時，應積極發(fā)展科學技術以提高秸稈綜合利用率。

3.2 展望

中國是典型的農(nóng)業(yè)欠發(fā)達國家，人多地闊，秸稈資源豐富。利用衛(wèi)星遙感技術大面積宏觀監(jiān)測秸稈焚燒狀況，可有效反映秸稈焚燒的輕重程度及分布區(qū)域，有助于根據(jù)不同緯度下作物成熟時間制定相應的監(jiān)測任務，輔助并敦促秸稈焚燒嚴重地區(qū)的地方政府進行自糾自治。同時，由于惡劣天氣、地表及云雪覆蓋、噪點等制約因素的存在，有必要提升衛(wèi)星攜帶傳感器的性能指標，以滿足現(xiàn)實需求。

隨著遙感技術的不斷發(fā)展，無人機遙感技術日漸成熟。無人機遙感平臺是衛(wèi)星遙感的輔助，使用成本低、響應快、空間分辨率高且定位精度高，適于高低空及小尺度遙感數(shù)據(jù)的獲取，能滿足火點、火情拍攝和監(jiān)測的需要。20世紀90年代，中國開始利用無人機技術完成氣象情報監(jiān)測、藥用植物資源監(jiān)測、海洋監(jiān)測與測繪等任務，并獲得較好的監(jiān)測效果，這表明無人機在秸稈焚燒遙感監(jiān)測中也具有極大發(fā)展?jié)摿Γ磥硌芯靠蓢L試利用無人機遙感技術進行區(qū)域尺度的秸稈焚燒火勢的實時監(jiān)控和監(jiān)測。

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