廣西秸稈露天焚燒源排放清單及時空分布研究*

劉慧琳 莫招育,3# 覃 紋 穆奕君 黃炯麗 陳志明楊俊超 李宏姣 張達標 吳 影 段 煉

(1.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境保護科學(xué)研究院，廣西 南寧 530022；2.廣西西江流域生態(tài)環(huán)境與一體化發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 南寧 530022；3.復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，上海 200433；4.南寧師范大學(xué)自然資源與測繪學(xué)院，廣西 南寧 530001；5.南寧師范大學(xué)健康地理教育與信息中心，廣西 南寧 530001)

廣西是全國蔗糖的主產(chǎn)區(qū)，2017—2018年榨季，全區(qū)甘蔗種植面積7 576 km2，進廠原料蔗量為5 083.2萬t，食糖總產(chǎn)量為602.5萬t，占全國總產(chǎn)糖量的58.4%。目前，廣西食糖產(chǎn)量僅次于巴西和印度，成為世界上第三大食糖主產(chǎn)區(qū)。2020—2021年榨季，廣西甘蔗種植面積預(yù)計增加至7 767～7 800 km2，主要分布在11個地市的49個縣(區(qū)、市)，其中崇左市、南寧市和來賓市種植面積較大。

甘蔗的大量種植，產(chǎn)生了大量的甘蔗秸稈。秸稈露天焚燒對社會生活環(huán)境的影響巨大，一是污染空氣環(huán)境，危害人體健康；二是破壞土壤結(jié)構(gòu)，破壞土壤生態(tài)平衡；三是容易引發(fā)火災(zāi)，威脅群眾的生命財產(chǎn)安全；四是會引發(fā)交通事故，影響道路交通和航空安全[1-2]。減少秸稈焚燒最好的辦法就是綜合利用，《廣西大氣污染防治攻堅三年作戰(zhàn)方案(2018—2020年)》中要求推進秸稈肥料化、飼料化、燃料化、基料化和原料化利用，2020年綜合利用率達到85%左右。目前廣西秸稈綜合利用率還達不到該目標要求(若將秸稈直接還田計算在內(nèi)能達到要求，但直接還田也會焚燒)，特別是甘蔗秸稈，如來賓市80%以上的甘蔗秸稈都是以焚燒的方式處理，對來賓市環(huán)境空氣造成了不良影響。來賓市大量甘蔗秸稈焚燒疊加不利氣象因素，2019年1月造成了連續(xù)9 d輕度以上污染，2021年1月污染天高達15 d，其中中度污染5 d，重度污染1 d，幾乎每年榨季都會集中出現(xiàn)污染天。

國內(nèi)外學(xué)者對秸稈處理方式[3]、露天焚燒污染物的成分[4]、污染物排放量估算[5]187,[6-7],[8]3280、污染程度及其受氣象條件和傳輸影響等[9-11]做了很多研究，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析秸稈焚燒情況也多見報道[12-15]，且國內(nèi)研究多集中在北方地區(qū)[16-18]，廣西僅對秸稈露天焚燒部分污染物排放量進行估算[19]，分析了一次污染過程的影響[20-21]。廣西以甘蔗秸稈焚燒為主，具有典型代表性。因此，本研究以廣西為例，計算2019年秸稈露天焚燒污染物排放清單，分析污染物濃度時間分布和焚燒火點空間分布特征，以期為秸稈禁燒管控提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來源

1.1.1 研究時間和區(qū)域

本研究以廣西14個地市(南寧市、柳州市、桂林市、梧州市、北海市、欽州市、防城港市、貴港市、玉林市、百色市、賀州市、河池市、來賓市、崇左市)作為研究區(qū)域。

根據(jù)廣西農(nóng)作物種植特征，清單核算農(nóng)作物主要包括甘蔗、水稻、玉米和木薯，其他農(nóng)作物產(chǎn)量很少，不列入統(tǒng)計，清單基準年為2019年。大氣污染物濃度和火點數(shù)據(jù)主要分析時間段為2020年10月至2021年3月。

1.1.2 數(shù)據(jù)來源

農(nóng)作物產(chǎn)品產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自《廣西統(tǒng)計年鑒2020》；大氣污染物濃度數(shù)據(jù)來自真氣網(wǎng)；南寧市氣象數(shù)據(jù)和元素碳(EC)、有機碳(OC)數(shù)據(jù)來自廣西壯族自治區(qū)環(huán)境保護科學(xué)研究院大氣科學(xué)研究觀測站。主要儀器設(shè)備為自動輻射氣象站(CAMS620-HM)、多波段OC/EC分析儀(DRI 2015)。秸稈焚燒火點數(shù)據(jù)來自Aqua、H8、NOAA20、NPP和Terra衛(wèi)星。

1.2 秸稈焚燒排放量計算方法

秸稈焚燒會產(chǎn)生大量的CO、CO2、顆粒物、NOx、SO2、NH3等大氣污染物。本研究主要分析CO、可吸入顆粒物(PM10)、細顆粒物(PM2.5)、NOx、SO2、黑碳(BC)、OC、揮發(fā)性有機物(VOCs)和NH3這9種污染物。根據(jù)《生物質(zhì)燃燒源大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南(試行)》，秸稈露天焚燒排放量采用以下公式計算：

E=A×EF

(1)

A=P×N×R×η

(2)

式中：E為污染物排放量，t；A為秸稈露天焚燒量，t；EF為排放因子；P為農(nóng)作物產(chǎn)量，t；N為草谷比(秸稈干物質(zhì)量與農(nóng)作物產(chǎn)量比值)；R為秸稈露天焚燒比例，%；η為燃燒率。

廣西各城市農(nóng)作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)見表1。廣西主要農(nóng)作物為甘蔗，甘蔗主要種植區(qū)為崇左市、來賓市、南寧市和柳州市。

表1 不同城市主要農(nóng)作物產(chǎn)量Table 1 Output of main crops in different cities 萬t

本研究結(jié)合廣西各城市主要農(nóng)作物種植類型、產(chǎn)量、草谷比等信息估算各城市秸稈露天焚燒秸稈消耗量。草谷比、秸稈露天焚燒比例和燃燒率參考《城市大氣污染物排放清單編制技術(shù)手冊》[22]和相關(guān)文獻資料[23-24],[25]351-356取值，具體參數(shù)取值見表2。本研究農(nóng)作物秸稈燃燒選用的排放因子參考《城市大氣污染源排放清單編制技術(shù)手冊》，各排放因子見表3。

表2 各類農(nóng)作物草谷比、秸稈露天焚燒比例及燃燒率1)Table 2 Grass-grain ratio,proportion of straw open burning and burning ratio of various crops

表3 各類農(nóng)作物秸稈燃燒排放因子1)Table 3 Burning emission coefficient of various crop straw

1.3 清單質(zhì)量控制

質(zhì)量控制程序包括對數(shù)據(jù)收集和處理過程、相關(guān)計算過程等進行一般性質(zhì)量檢查，清單編制審核流程分為過程審核、結(jié)果審核和輸出審核三大過程，主要包括估算方法是否合理、公式是否有誤、統(tǒng)計數(shù)據(jù)是否異常、排放因子選擇是否合理、類似城市是否具有可比性。清單使用《生物質(zhì)燃燒源大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南(試行)》中估算方法，方法合理；統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自《廣西統(tǒng)計年鑒2020》，數(shù)據(jù)準確；排放因子參考《城市大氣污染源排放清單編制技術(shù)手冊》，有一定指導(dǎo)意義。

1.4 污染物時空分布特征

為評估甘蔗秸稈的露天焚燒影響，根據(jù)甘蔗季節(jié)性耕作規(guī)律，每年10月開始砍摘，甘蔗秸稈不會馬上焚燒，2月完成收成，至3月焚燒結(jié)束開始新一輪耕作，砍摘的甘蔗送去企業(yè)榨糖或售賣。因此定義每年10月至次年3月為甘蔗榨季，期間產(chǎn)生的甘蔗秸稈會進行大量焚燒，本研究的時空分布特征主要針對甘蔗榨季。由于其他農(nóng)作物種植較少，不是廣西主要經(jīng)濟作物，本研究不考慮其他農(nóng)作物的耕作時間分布。

根據(jù)廣西甘蔗種植面積，結(jié)合甘蔗產(chǎn)品產(chǎn)量，確定主要研究區(qū)域，選取南寧市、柳州市、來賓市和崇左市進行污染特征分析。秸稈焚燒火點數(shù)量和位置用于秸稈主要焚燒區(qū)域的空間分布判斷。

2 結(jié)果與討論

2.1 秸稈露天焚燒源排放清單

2.1.1 秸稈露天焚燒源排放清單結(jié)果

廣西秸稈露天焚燒大氣污染物SO2、NOx、CO、PM10、PM2.5、BC、OC、VOCs和NH3排放量分別為1.1萬、5.1萬、80.7萬、14.8萬、14.5萬、1.9萬、8.3萬、15.9萬、1.0萬t(見表4)。不同農(nóng)作物中，甘蔗秸稈焚燒污染物排放貢獻最大，甘蔗秸稈焚燒的污染物排放占比為82.1%～87.8%，其次是水稻秸稈焚燒，占比為6.5%～12.9%。

表4 2019年廣西秸稈露天焚燒污染物排放清單Table 4 Emission list of pollutants from open field straw burning in Guangxi in 2019 t

2.1.2 秸稈露天焚燒源排放空間分布特征

從排放量貢獻分布來看，崇左市、來賓市、南寧市和柳州市秸稈焚燒產(chǎn)生的污染物貢獻較大，分別占全區(qū)排放量的27.8%、23.1%、17.5%和9.0%。將排放清單結(jié)果中秸稈焚燒特征污染物PM2.5和CO年排放量進行反距離權(quán)重(IDW)插值分析，了解區(qū)域分布特征。由圖1可以看出，污染物排放量主要集中在崇左市、來賓市和南寧市，與甘蔗秸稈產(chǎn)量有關(guān)。

圖1 廣西主要大氣污染物排放量IDW插值結(jié)果Fig.1 IDW interpolation result of main air pollutant emission in Guangxi

對照衛(wèi)星監(jiān)控火點數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，甘蔗秸稈焚燒較嚴重的地區(qū)多為清單結(jié)果排放量較大的城市(見表5)。2020年10月至2021年3月衛(wèi)星監(jiān)控到的火點數(shù)來看，2020—2021榨季，南寧市、貴港市、來賓市和崇左市秸稈焚燒火點較多，與甘蔗主產(chǎn)區(qū)分布相關(guān)，貴港市火點較多還與城市秸稈禁燒管控工作水平有關(guān)，占研究區(qū)火點總數(shù)比例分別為14.4%、14.2%、13.7%和12.1%，合計占比達54.4%，為秸稈焚燒主要區(qū)域城市。對比2020年12月和2021年2月的衛(wèi)星火點分布(見圖2)，來賓市、崇左市和南寧市等位于在甘蔗主要種植區(qū)的火點數(shù)大量增加，進一步證明是受甘蔗秸稈焚燒的影響。

表5 2020年10月至2021年3月各市衛(wèi)星監(jiān)控火點數(shù)Table 5 The number of fire points monitored by satellite in each city from October 2020 to March 2021

圖2 2020年12月與2021年2月衛(wèi)星監(jiān)控火點分布區(qū)域?qū)Ρ菷ig.2 Comparison of the distribution of fire points monitored by satellite in December 2020 and February 2021

2.1.3 秸稈露天焚燒源排放時間分布特征

結(jié)合衛(wèi)星監(jiān)控火點數(shù)據(jù)可判斷廣西秸稈焚燒的主要時間段，結(jié)果見表6。2019年12月，衛(wèi)星監(jiān)控火點數(shù)占到全年的40.2%，10—12月合計占比達到68.7%，為秸稈焚燒重點月份。2020年10月至2021年3月，廣西衛(wèi)星監(jiān)控火點總數(shù)為3 635，主要集中在2021年1、2月，為秸稈焚燒重點月份。由此可見，秸稈焚燒較為集中的時段為11月至次年2月。這與以水稻、玉米和高粱等農(nóng)作物為主的黑龍江等地區(qū)火點時間分布特征不一致(火點主要集中在每年3—4月和10—11月[8]3282)。不同年份焚燒的重點時段不同，一是受氣象條件影響，2020年12月和2021年3月降雨較多，受云層影響衛(wèi)星監(jiān)控不到火點或者受降雨影響無法焚燒，因此火點數(shù)較少；二是受環(huán)境管理的影響，2020年底為“十三五”大氣污染防治收官之年，為保障環(huán)境空氣質(zhì)量，秸稈禁燒管理較為嚴格，因此秸稈焚燒火點較少，農(nóng)民積壓未燒的秸稈在2021年初大量焚燒，導(dǎo)致火點數(shù)大幅反彈。

表6 廣西衛(wèi)星監(jiān)控火點數(shù)Table 6 The number of fire points monitored by satellite in Guangxi

2.2 秸稈露天焚燒污染排放清單校驗

2.2.1 污染物濃度空間分布校驗

對照大氣污染物濃度分布情況來看，2021年1月，廣西秸稈焚燒與污染物排放均較嚴重，選取該月進行3種主要污染物濃度IDW插值分析，結(jié)果見圖3。PM2.5濃度高值分布在來賓市，與秸稈焚燒排放量較匹配，且來賓市周邊甘蔗種植區(qū)離環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站點較近，所以來賓市受秸稈焚燒影響最大。NO2濃度高值分布在南寧市和貴港市，除受秸稈焚燒排放影響外，還受機動車排放影響，這兩個城市是廣西機動車保有量最高的兩個城市。CO濃度分布與排放量分布較為不匹配，主要由于CO來源復(fù)雜，燃燒排放都會帶來CO，但百色市有大量冶煉企業(yè)，桂林市和梧州市受餐飲企業(yè)及燃煤源影響較大，所以上述3個城市的CO濃度較高。

圖3 廣西2021年1月主要污染物質(zhì)量濃度IDW插值Fig.3 IDW interpolation result of major pollutant concentrations in January in 2021

2.2.2 污染物濃度時間分布校驗

以秸稈焚燒嚴重的4個主要城市(南寧市、來賓市、崇左市、柳州市)為代表，進行污染物濃度時間分布校驗。月度變化規(guī)律分析選取2019年1月至2021年3月數(shù)據(jù)，涵蓋了2019—2020年和2020—2021年甘蔗榨季。從大氣污染物濃度月變化規(guī)律來看，PM2.5、NO2和CO在榨季濃度較高，與前面分析的火點數(shù)時間變化特征相似(見圖4)。利用南寧市的觀測站點數(shù)據(jù)，綜合分析氣象因素對秸稈焚燒影響。榨季降雨量偏少，風(fēng)速較小，尤其是2021年1月，由于干燥，特別適合秸稈焚燒，火點明顯增多，污染物濃度明顯升高。研究表明，生物質(zhì)焚燒會產(chǎn)生大量的EC和OC，尤其是露天焚燒，OC/EC(質(zhì)量比，下同)在生物質(zhì)露天焚燒時比封閉式焚燒更大[26]。以南寧市為例，由圖5可以看出，OC和EC濃度在2020年11月和2021年1月有大幅增長，與CO濃度變化趨勢一致，說明具有同源性。榨季OC和EC濃度分別較非榨季高60.2%和53.2%，說明受到秸稈焚燒的影響。從OC/EC來看，2020年11月至2021年3月有增高趨勢，人為源影響加大，榨季OC/EC為3.5，非榨季期間OC/EC為3.2，榨季比非榨季高，說明受到秸稈焚燒的一定影響。4個城市中，來賓市1月污染較重，PM2.5濃度明顯高于其他城市，CO濃度與PM2.5濃度的變化也較同步，說明受秸稈焚燒影響更大；柳州市CO濃度與來賓市相當甚至更高，柳州市為廣西重工業(yè)城市，城區(qū)內(nèi)布局有柳州鋼鐵集團等大型企業(yè)，說明除受秸稈焚燒影響外還受工業(yè)源燃燒排放的疊加影響；而南寧市NO2濃度普遍較高，南寧市為廣西機動車保有量第一的城市，可能還受到機動車尾氣排放影響。

圖4 主要城市大氣污染物質(zhì)量濃度月度變化規(guī)律Fig.4 Monthly variation law of atmospheric pollutant concentration in main cities

圖5 南寧市OC、EC質(zhì)量濃度和OC/EC月度變化Fig.5 Monthly variations of OC,EC concentration and OC/EC in Nanning

進一步驗證污染濃度變化受秸稈焚燒的影響，選取2021年1—3月數(shù)據(jù)分析主要城市污染物小時變化規(guī)律，結(jié)果見圖6。來賓市和崇左市PM2.5濃度小時變化波動較大，尤其是在10：00左右有個高峰，21：00左右來賓市PM2.5濃度上升幅度較大，柳州市夜間到凌晨有緩慢升高趨勢，而南寧市總體變化較緩和。4個城市NO2濃度變化趨勢一致，與早晚高峰有關(guān)，18：00左右NO2開始升高，22：00左右達到峰值，1：00左右開始下降；對比來看，南寧市NO2較高，崇左市NO2較低，這與機動車保有量有關(guān)。4個城市CO濃度變化趨勢相似，均為9：00左右有個小高峰，夜間明顯升高，來賓市和柳州市CO波動較大，柳州市CO總體較高，與工業(yè)城市產(chǎn)業(yè)特征有關(guān)。綜合分析，來賓市和崇左市PM2.5濃度變化趨勢與NO2和CO一致，PM2.5濃度突增時段均伴隨著高CO濃度，來賓市22：00和崇左市9:00左右尤為明顯，該時段秸稈露天焚燒特征明顯，與現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)情況相符。南寧市和柳州市PM2.5濃度變化趨勢與NO2和CO也一致，除了秸稈焚燒影響外，南寧市疊加了早晚高峰機動車尾氣源的排放影響(NO2濃度較高)，柳州市疊加了工業(yè)源的排放影響(CO濃度較高)，且夜間CO濃度突升，受秸稈焚燒影響也較大。

圖6 主要城市大氣污染物質(zhì)量濃度小時變化規(guī)律Fig.6 The hourly variation rule of air pollutant concentration in main cities

2.2.3 排放清單結(jié)果對比

通過本研究與其他研究中廣西排放清單對比進行核驗，結(jié)果見表7。與2016年廣西大氣污染源清單結(jié)果對比，本研究排放量較大，主要與秸稈露天焚燒比例設(shè)定有關(guān)，2016年排放清單中甘蔗秸稈露天焚燒比例為12%～25%，2019年將露天焚燒比例調(diào)整到25%～80%。本研究排放量小于陸炳等[5]189對于2007年廣西的研究，主要是他們的結(jié)果涵蓋了森林火災(zāi)、秸稈薪柴燃料等，本研究僅包含秸稈露天焚燒；雖田賀忠等[25]354對于2007年廣西的研究也包含了森林火災(zāi)、秸稈薪柴燃料等，但排放量總體低于前者，主要是其設(shè)定的露天焚燒比例較小。本研究排放量大于2010年的結(jié)果，主要是后者未統(tǒng)計甘蔗秸稈，而甘蔗是廣西重要的農(nóng)作物。本研究與2015年排放結(jié)果也具有可比性，NOx排放量均為5萬t左右，PM2.5超過10萬t。因此，本研究排放清單結(jié)果基本符合廣西實際情況，具有參考意義。

2.2.4 排放清單不確定性分析

秸稈露天焚燒污染物排放清單存在一定的不確定性，主要由于秸稈的焚燒量沒有常規(guī)統(tǒng)計口徑，且較難監(jiān)控，所以在計算過程中利用秸稈產(chǎn)生量和露天焚燒比例等推算，而露天焚燒比例也是參考其他文獻獲得，不同地方、不同作物存在較大差異。本研究根據(jù)實際調(diào)研情況調(diào)整了甘蔗秸稈露天焚燒比例，調(diào)研發(fā)現(xiàn)，來賓市甘蔗秸稈80%為露天焚燒處理；南寧市和柳州市的甘蔗產(chǎn)區(qū)焚燒也很嚴重，但管控力度比來賓市大，露天焚燒比例略低于南寧市；崇左市甘蔗種植面積雖最大，但是其氣候條件更利于秸稈腐熟還田，露天焚燒比例可調(diào)低；其他甘蔗種植少的城市露天焚燒面積較小。露天焚燒比例的估算結(jié)合了秸稈禁燒管控經(jīng)驗，具體比例還帶有不確定性。此外，甘蔗秸稈焚燒排放因子未做本地化測試，選取其他秸稈參數(shù)進行計算，帶有一定不確定性，未來可在這方面進行進一步測試研究。

3 結(jié) 論

(1) 廣西2019年秸稈露天焚燒大氣污染物SO2、NOx、CO、PM10、PM2.5、BC、OC、VOCs和NH3排放量分別為1.1萬、5.1萬、80.7萬、14.8萬、14.5萬、1.9萬、8.3萬、15.9萬、1.0萬t。甘蔗秸稈焚燒污染物排放貢獻最大，各污染物排放占比為82.1%～87.8%。崇左市、來賓市、南寧市和柳州市秸稈焚燒產(chǎn)生的污染物貢獻較大。

(2) 每年11月至次年2月是廣西甘蔗秸稈焚燒主要時段，氣象條件利于焚燒，PM2.5、NO2和CO等特征污染物明顯升高，環(huán)境空氣質(zhì)量受影響較大。主要焚燒區(qū)域為南寧市、貴港市、來賓市和崇左市，與甘蔗種植主產(chǎn)區(qū)及秸稈焚燒管控有關(guān)，來賓市和崇左市受甘蔗秸稈焚燒影響較大，PM2.5濃度變化趨勢與NO2和CO一致，PM2.5濃度突增時段均伴隨著高CO濃度，來賓市22：00和崇左市9：00左右尤為明顯，該時段秸稈露天焚燒特征明顯。