2007年中国大陆地区生物质燃烧排放污染物清单

陆 炳,孔少飞,韩 斌,王秀艳,白志鹏(南开大学环境科学与工程学院,国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室,天津 300071)

2007年中国大陆地区生物质燃烧排放污染物清单

陆 炳,孔少飞,韩 斌,王秀艳,白志鹏*(南开大学环境科学与工程学院,国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室,天津 300071)

采用排放因子法计算了中国 2007年间 CH4、SO2、NOx、NH3、EC、OC、NMVOC、CO、CO2、TSP、PM10、PM2.5的排放总量,建立了生物质燃烧污染物排放清单,计算了各污染物总排放量的空间分布及不同生物质燃烧类型对各污染物总排放量的贡献率,重点完善了各省市生物质燃烧排放不同粒径颗粒物清单.结果显示,2007年我国大陆生物质燃烧排放CH4、SO2、NOx、NH3、OC、EC、NMVOC、CO、CO2、TSP、PM10、PM2.5排放总量分别分为 3332.7, 335.3, 951.3, 7754.9, 783.7, 267.7, 6049.6, 76579.6, 743743.7, 7677.8, 6668.9, 4043.7kt.四川、安徽、广西、山东、河南、江苏等地区生物质燃烧各污染物排放量较高,北京、天津、海南、宁夏、青海和西藏等省区各污染物排放量较少.不同地区排放污染物的主要生物质类型存在较大的差异,单位面积排放强度和人均排放量区域间差异显著.人类活动是生物质燃烧排放污染物的主要影响因素,秸秆和薪柴燃烧是污染物排放量最大的2种生物质,其对各种污染物的贡献率为93.8%~98.7%.

生物质；排放清单；秸秆露天焚烧；污染物

生物质燃烧产生大量的气态及颗粒态组分,均可对全球气候系统、大气环境以及生态系统产生重要影响[1-2].Levine等[3]认为,生物质燃烧对全球温室气体和含碳颗粒物排放具有重要的贡献,是推动全球气候变化的重要因素.秦世广等[4]对欧亚大陆生物质燃烧气团的输送研究表明,其严重影响了我国低层大气的组分.此外,生物质燃烧还会影响氮和碳的生物地球化学循环、水的流失和蒸发、区域降雨的变化以及土地的吸收和反射,从而影响到生态系统的其他成份[5-6].

在我国广大农村地区,秸秆和薪柴作为炊事及采暖用燃料非常普遍.此外,秸秆露天焚烧的现象在我国非常严重,据统计,2000~2003年全国秸秆被露天焚烧的总量约1.32~1.39亿t[7].可见,我国生物质燃烧排放的气态和颗粒态污染物的总量非常可观.因此,建立我国生物质燃烧污染物排放清单的意义在于为区域空气质量和气候变化等模型研究提供精确基础数据,制定相关大气污染控制对策提供科学依据.作者根据我国2007年各种生物质利用情况最新的统计资料,结合国内外生物质燃烧污染物排放因子的最新研究成果,建立 2007年我国生物质燃烧污染物排放清单,分析了污染物的地区分布特征,研究不同生物质燃烧类型污染物排放量,为相关模型研究和政策制定提供实时基础数据.

1 资料和方法

以2007年为基准年,给出中国大陆31个省、市、自治区(未包括港、澳、台)燃烧生物质排放的 CH4、SO2、NOx、NH3、EC、OC、NMVOC、CO、CO2、TSP、PM10、PM2.5等污染物的排放清单.我国生物质的燃烧主要分为2类:开放式燃烧,包括森林火灾、草原火灾以及季节性的废弃秸秆的露天焚烧;居室内生物燃料的燃烧,主要包括秸秆和薪柴的燃烧.居民室内作为燃料燃烧的秸秆、薪柴数据来自中国能源统计年鉴[8].

1.1 各区域生物质燃烧排放污染物总量计算

依据查阅相关统计资料和文献获得的基础数据和排放因子,分省区计算各个区域排放的污染物总量.计算公式见式(1).

式中:iQ为i类污染物排放量,t; jM为第j种生物质的燃烧量,t;EFi,j为第j种物质燃烧后i类污染物的排放因子,g/kg.

1.2 秸秆露天焚烧生物质燃烧量

秸秆露天焚烧的生物量用式(2)进行计算.

式中:M 为秸秆焚烧量;P为作物产量;N为谷草比;B为焚烧比例;F为燃烧效率.

作物产量数据来自中国统计年鉴[9].谷草比采用刘刚等[10]估算我国生物质能源总量时采用的参数(表1).我国目前还没有秸秆露天燃烧比例的统计资料,因此研究者均采用各自估计或进行抽样调查得到的数据.Hao[11]、Streets[12]和曹国良等[13]估计为 17%~25%.王书肖等[14]结合分层抽样及相应的统计方法将我国秸秆露天焚烧比例分成6个不同的区域,燃烧比例在11%~33%.本研究采用王书肖等[14]的研究结果.De Zarate等[15]的研究中,通过对32个谷类秸秆样本的实地测量,测得平均的燃烧效率为 80%.张鹤峰等[16]对我国水稻、小麦和玉米等3种作物秸秆的燃烧率进行测试,得到结果为92%~93%.本研究取92.5%进行计算.

表1 各种作物秸秆干物质量与作物产量的比值Table 1 Ratios of dry residue to production

1.3 草原/森林火灾生物质燃烧量

草原和森林火灾燃烧的生物量采用式(3)进行计算.

式中:M为火灾燃烧生物量;A为火场燃烧面积;D为生物量载量;F为燃烧效率.

方精云等[17]利用国家第 3次森林资源清查资料,计算得到我国不同森林类型的平均生物量为 16.28~187.16t/hm2;中国林业科学研究院森林环境与保护研究所利用1995～1996森林普查统计的结果为 55~348t/hm2[18].由于西藏自治区的地理位置比较特殊,本研究中西藏自治区采用文献[18]的研究结果,即 121t/hm2;其他地区采用李高飞等[19]研究我国不同气候带各类型森林的生物量的数据,寒温带林到热带林生物量范围为91.9~273.0t/hm2.草原生物荷载量数据来自孟有达[20]对我国各类草原生物量的统计数据,通过综合计算采用 1.8t/hm2.森林大火的燃烧效率取0.33[21],草原大火的燃烧效率取0.95[22].森林火灾过火面积来自中国林业统计年鉴[23],草原火灾过火面积来自全国草原监测报告[24].

1.4 排放因子的确定

关于排放源清单方面的论文往往借鉴国外的排放因子.由于国外的排放因子是根据当地的具体状况测定或计算得到的,与我国的实际情况可能会有较大的出入,因而建立的排放清单存在很大的不确定性.近几年来,我国学者对生物质燃烧进行了深入的研究,获得了一批符合我国实际情况的排放因子,为有效建立生物质燃烧排放污染物的清单提供了可靠的保障.本研究优先选择我国学者实测得到的排放因子;在没有实测数据时,则优先选择经济发展、环境和气候与我国较为相似的国家的排放因子;最后选择欧美一些发达国家的排放因子.文中作为燃料燃烧的秸秆和.薪柴EC、OC和SO2的排放因子来自印度[25],NH3采用 Andreae等[26]计算的多个学者实测数据的平均值.森林火灾和草原火灾由于国内几乎没有相关的研究,因此所有污染物的排放因子均采用国外学者综合全球不同地区实测数据的结果.其余的排放因子采用我国学者或国外学者对我国生物质进行试验得到的结果.每种污染物的排放因子详见表2.

表2 不同生物质燃烧污染物的排放因子 (g/kg)Table 2 Emission factors of different pollutants from biomass burning (g/kg)

2 结果与讨论

2.1 2007年中国大陆地区生物质燃烧主要大气污染物排放量

根据2007年我国秸秆、薪柴消耗量和森林、草原火灾资料,结合排放因子,计算得到 2007年全国31个省市生物质燃烧排放的各类污染物的排放总量(表 3).我国 2007年主要生物质燃烧排放气态污染物的 CH4、SO2、NOx、NH3、MNVOC、CO、CO2总量分别分为3332.7,335.3,951.3,774.9,6049.6,76579.6,743743.7kt. 颗粒态物质 TSP、PM10和 PM2.5的排放量分别为 7677.8,6668.9,4043.7kt.OC和EC的排放量分别为783.7,267.7kt.由于各个省区所处的地理位置和气候条件不同,经济发展水平和人口密度存在的巨大差异以及生物质资源分布的不均衡,使得不同区域各类污染物排放的总量差异很大.四川、安徽、广西、山东、河南、江苏等省份的排放量最高,其次为河北、山西、黑龙江、湖南、湖北等省区.这些地区都是一些人口密度大,煤炭、天然气等资源较缺乏的地区,薪柴和秸秆的消耗量非常大,且这些区域也是我国粮食生产的主要产区,秸秆露天焚烧的现象非常严重.排放量较低的区域分别为北京、天津、海南、宁夏、青海和西藏等省区.北京、天津等市由于城市化程度较高,薪柴秸秆的消耗量较少,因而排放量也较低.海南、宁夏、青海、西藏等地区人口密度低,排放总量也较低.上海市由于没有相关统计资料没有进行计算.

表3 我国各地区生物质燃烧污染物排放清单(kt/a)Table 3 Provincial inventories of pollutions from biomass burning (kt/a)

图1给出了我国2007年各地区生物质燃烧TSP排放强度及人均排放差异(其他污染物的分布格局与TSP的分布类似).由图1可见,各地区由于人口密度、能源的利用方式不同,人均排放量也发生较大的差异.人均排放量大于10kg的有山西、广西、黑龙江和重庆等四个地区;而人均排放量最低的地区分别是浙江、广东和北京,尤其是北京,人均TSP的排放量不足1kg.单位面积排放强度排在前三位的分别是天津、安徽和江苏,其排放量分别为 4511,4118,4029kg/km2;此外,重庆、山东、河南、山西、广西和河北等地区的排放量都大于 2000kg/km2.排放强度最低的三个地区分别是新疆、青海和西藏,其排放量分别只有89,31,6kg/km2.

2.2 不同种类生物质燃烧对主要大气污染物排放的贡献

不同生物质的消耗量差距很大,且不同生物质燃烧对同一污染物的排放因子存在较大的差异,因此其对污染物排放总量的贡献率也不同.如图 2 所示,燃料秸秆对 CH4、SO2、NH3、EC、NMVOC、CO、CO2、TSP以及 PM10的排放量贡献率最大,其贡献率分别为 65.9%、44.3%、53.9%、47.8%、51.9%、64.7%、39.6%、46.0%和47.7%.对NOx、OC和PM2.5等污染物贡献率最大的为秸秆露天焚烧,其对 3种污染物的贡献率分别为58.1%、61.5%、36.5%.森林火灾和草原火灾对各类污染物的贡献率都非常低,森林火灾排污染物放量对总排放量贡献最大的污染物为 OC,为 6.1%.草原火灾对各种污染物排放总量的贡献率都在 0.1%以下.由此可见,人类活动是生物质燃烧排放污染物的主要影响因素.

图1 2007年中国大陆不同地区生物质燃烧TSP人均排放量和TSP排放强度Fig.1 Emission per capita emission and intensity of different regions of TSP in 2007for Chinese continent region

图2 不同生物质燃烧类型对污染物排放总量的贡献率Fig.2 Contribution of different biomass burning type to total pollutants emission

2.3 生物质燃烧EC、OC排放特征

碳质颗粒物是生物质燃烧排放颗粒物的重要组成部分,由于其能够改变大气的辐射性质,影响全球和区域的辐射平衡,对区域和全球气候变化过程中起了重要的作用,对于人体健康也有不可忽视的危害,因而成为研究者们关注的热点[34-37].图 3给出了各个地区不同类型生物质燃烧EC和OC的排放量.从图3可以看到,不同省份生物质燃烧排放EC的量为0.27~22.77kt,排放量最大的省份为四川.四川、安徽、广西、山东、河南、江苏、黑龙江、河北、湖北、辽宁、吉林、陕西、山西、内蒙、重庆、新疆、甘肃、浙江、天津、青海、宁夏等省份燃料秸秆的燃烧是排放EC的主要生物质,年排放量在 0.52~16.14kt,占各省总排放量的43.7%~70.9%;广东、贵州、云南、江西、福建、海南等南方地区EC的最大排放源来自于薪柴的燃烧,排放量为 0.60~5.03kt,占各省总排放量的 41.8%~69.7%;森林火灾和草原火灾在所有地区对 EC贡献都很低,其中森林火灾对EC贡献率最大的是云南省,其值为 6.5%;草原火灾贡献率最大的为青海省,仅为0.1%.值得注意的是,秸秆露天焚烧在安徽、山东、江苏、河南、河北以及湖南等地EC的排放量为3.12~5.32kt,以河南最为严重,应引起有关部门重视.

图3 各地区各类生物质燃烧EC和OC的排放量Fig.3 Amounts of EC and OC emitted from different types of biomass burning in each province

不同省份生物质燃烧 OC的排放量为1.02~62.36kt,排放量最大的省份为安徽.大多数省份,如河南、安徽、山东、江苏、广西、湖南、黑龙江、河北、广东、吉林、辽宁、内蒙古、陕西、山西、云南、新疆、江西、甘肃、浙江、福建、海南、宁夏、青海、北京、西藏等秸秆露天焚烧是主要的 OC排放源,年排放量为 0.77~41.81kt,贡献率在36.8%~75.7%,以河南的排放量最高.而四川、湖北、重庆、天津等地区的最大贡献源来自燃料秸秆的燃烧,其 OC年排放量为2.16~27.56kt,占各省总排放量的 42.6%~59.1%.此外,贵州省薪柴对 OC的贡献率也较高,达34.9%,其他地区都低于 20%.森林火灾对 OC的贡献率比对 EC的贡献率也要高许多,贡献率最高的云南省达16.4%.

可见,我国生物质燃烧排放 EC的主要来源为生物燃料的燃烧,而 OC则主要来自于生物质野外燃烧.部分省份如河南、安徽、山东及江苏等省份秸秆的露天焚烧现象仍很严重,是大气中碳质颗粒物的一个重要污染源.

2.4 与其他排放清单的比较及不确定分析

从表4中可以看出,多数污染物排放量的计算结果与曹国良[38],Yan等[22]的研究结果较为接近,各污染物的排放总量相差在0.5~2倍之间,而Streets等[12]的研究结果显著的低于其他3位研究者的结果,这主要由于Streets等在清单中没有考虑秸秆的露天焚烧排放、森林和草原火灾的排放.

年际间各类生物质燃烧的总量的变化不大,2007年室内燃烧的秸秆和.薪柴分别是 2000年的 1.17、1.29倍,而秸秆露天焚烧生物质燃烧总量几乎一致.2007年森林火灾和草原火灾燃烧生物质的总量比2000年都有所减少,尤其是草原火灾燃烧的生物量下降了25倍,但占污染物排放总量的比例较小,对实际的排放总量影响很小.因此,造成清单中排放污染物总量变化的主要来自于居室内生物燃料的燃烧.此外,与曹国良等[38]、Yan等[22]大多采用国外研究者的排放因子不同,本研究中采用了大量近年来我国学者实测的排放因子,这些排放因子与国外学者的研究有较大的差异,这是造成一些污染物的排放总量发生变化的重要因素.

本文采用了Streets等[12]在其TRACE-P排放清单中评价排放量估算的不确定度的方法进行评估,结果如表5所示.本文中污染排放的不确定度在 69%~209%之间,小于 Streets等[12]100%~400%的不确定度.本研究中采用了大量的本土实测的排放因子及使用了最新的调查研究结果,大大降低了排放清单的不确定度.

表4 不同排放清单的比较(×104t/a)Table 4 Comparison of the different inventory (×104t/a)

表5 95%置信度下各污染物排放的不确定度(%)Table 5 Uncertainty in emission estimates under ±95% confidence intervals (%)

3 结论

3.1 2007年我国大陆生物质燃烧排放 CH4、SO2、NOx、NH3、OC、EC、NMVOC、CO、CO2、TSP、PM10、PM2.5总量分别为 3332.7, 335.3,951.3, 7754.9, 783.7, 267.7, 6049.6, 76579.6,743743.7, 7677.8, 6668.9, 4043.7kt,其中排放量最大的2种物质分别为CO2、CO.

3.2 四川、安徽、广西、山东、河南、江苏等省份的生物质燃烧污染物排放总量最高,北京、天津、海南、宁夏、青海和西藏等省区较少.单位面积排放强度较高的地区从东北一直延伸到西南地区,呈带状分布;人均排放量较高的区域无明显的集中趋势,东南沿海一带人均排放量较低.

3.3 燃料秸秆、薪柴及秸秆露天焚烧等人为活动是生物质燃烧排放污染物的主要源类.

3.4 福建、江西、广东、海南、贵州、云南等南方地区EC的最大排放源来自于薪柴的燃烧外,其他地区EC的最大贡献源为燃料 秸秆燃烧排放;天津、湖北、重庆、四川等地区 OC的最大贡献源来自燃料秸秆的燃烧,其他地区均来自秸秆的露天焚烧.

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Inventory of atmospheric pollutants discharged from biomass burning in China continent in 2007.

LU Bing, KONG Shao-fei, HAN Bin, WANG Xiu-yan, BAI Zhi-peng*(State Environmental Protection Key Laboratory of Urban Ambient Air Particulate Matter Pollution and Control, College of Environmental Science and Engineering, Nankai University,Tianjin 300071, China). China Environmental Science, 2011,31(2)：186~194

In the present work, the total amounts of CH4, SO2, NOx, NH3, EC, OC, NMVOC, CO, CO2, TSP, PM10,PM2.5discharged from biomass burning in Chinese continent region were calculated with biomass consumption combined with emission factors. Spatial distribution of the pollutants and mass contribution of each type of biomass combustion were given. In general , in the year 2007 , the total emissions of CH4, SO2, NOx, NH3, EC, OC, NMVOC, CO, CO2, TSP,PM10, PM2.5was 3332.7, 335.3, 951.3, 7754.9, 783.7, 267.7, 6049.6, 76579.6, 743743.7, 7677.8, 6668.9, 4043.7kt,respectively. Sichuan, Anhui, Guangxi, Shandong, Henan and Jiangsu held high emission amounts while in Beijing,Tianjin, Hainan, Ningxia, Qinghai and Tibet, the pollutants amount was low. Straw and firewood burning were main emission sources, which share 93.8%~98.7% of the total emission. The main substances emitting pollutants differed in different regions as well as the emission intensity per unit area and per capita.

biomass；emission inventory；open burning；pollutant

X823

A

1000-6923(2010)02-0186-09

2010-05-28

我国大气颗粒物环境基准的预研究;2006-2007年度国家环保公益性行业科研专项(200709048)

* 责任作者, 教授, zbai@nankai.edu.cn

陆 炳(1986-),男,广西河池人,南开大学环境科学与工程学院硕士研究生,主要从事生物质燃烧颗粒物排放特征研究.