福建省2000～2010年林火排放污染物时空动态变化

靳全锋,王文辉,马祥庆,杨淑妍,郭福涛*

(1福建农林大学林学院,福建 福州 350002；2.福建农林大学海峡两岸水土保持协同创新中心,福建 福州 350002)

福建省2000～2010年林火排放污染物时空动态变化

靳全锋1,2,王文辉1,2,马祥庆1,2,杨淑妍1,2,郭福涛1,2*

(1福建农林大学林学院,福建 福州 350002；2.福建农林大学海峡两岸水土保持协同创新中心,福建 福州 350002)

基于2000～2010年福建地区卫星火点数据,结合林业统计年鉴,估算各区域林火燃烧生物量.并运用排放因子法,估算11a间福建地区林火排放污染物总量.结果表明,2000～2010年福建地区林火年变化呈先增加后降低趋势.福建地区森林可燃物总燃烧量分别为6.57m t,污染物CO2、CO、NOx、VO Cs、CH4、PM2.5、TC、OC和EC排放总量分别为:1.64m t、98.19kt、1.43kt、8.70kt、9.43kt、10.12kt、5.35kt、4.66kt和689.59t. 此外,各污染物排放在时间和空间上不均衡,各污染物最大的排放量多集中在南平西南部、三明西北以及南平、三明、宁德和福州交汇区域;除厦门外,CO2、CO、NOx、CH4、VO Cs、PM2.5、OC、EC和TC在福建省其他地区均呈增长趋势.林火释放PM2.5与工业粉尘的排放比变化趋势表明总体呈上升趋势,说明福建省森林火灾对当地空气质量的影响正在逐渐加强.

福建；林火；污染物；时空变化

生物质燃烧产生大量颗粒物和气态污染物,对全球大气环境、气候变化、生态系统和人类健康有显著影响[1].森林火灾是生物质燃烧的一个重要组成部分,研究显示[2-4],2000年全球有35.2Mhm2面积生物质燃烧,其中森林燃烧面积是3.36～3.5Mhm2,有2814Tg[5]的森林资源被烧毁.森林火灾排放大量污染性气体(CO2、CO、CH4、NOx、SO2和VO Cs等)和颗粒物(TSP、PM10、 PM2.5、PM1、OC和EC等)显著影响空气质量和人类健康[6].国外关于森林火灾污染物排放的研究已经开展,且随着3S技术的发展,利用卫星火点数据估算区域森林火灾的烟气排放逐渐成为主流研究方法[3,7-9].

中国森林资源丰富同时也是森林火灾频发的国家.研究显示[10]中国大陆1950～1992年,平均每年有8500hm2森林资源被燃烧.目前关于我国森林火灾烟气排放研究也已展开,并取得一定进展[11-14],但目前研究区域主要集中在中国北方林区[11-13,45],研究的时间尺度较短[14-15],且研究烟气成分单一,多以含碳气体为主[11-13,15-16].此外,根据对加利福尼亚地区3场森林火灾的野外观测表明[17]:小面积、小强度林火释放污染浓度物浓度比大面积、高强度林火高,两倍以上,并认为小强度森林火灾对大气环境产生更大影响.福建位于我国东亚热带气候区,区域森林覆盖率高,由于人为生产经营活动等原因导致森林火灾频发,年均森林火灾发生超过1000次[18],且火灾多具有强度低、面积小、频率高、时间短[42]等特点,这极大增加了探讨福建林火对大气环境影响的意义. 然而,目前关于福建森林火灾发生特点研究还较少,尤其关于森林火灾的烟气排放问题更是鲜有报道.

鉴于此,本文综合国内外文献及中国林业统计年鉴对福建地区过去11a间的森林火灾排放污染物的时空变化趋势进行分析.在估测2000～2010年福建各区域不同林型燃烧总量,并估算福建各区域林火燃烧各类污染物的排放总量基础,分析福建林火排放各类污染物的时空变化.本研究可为相关大气模型研究和大气环境污染评价提供科学依据.

1 资料与方法

1.1 研究区概况

福建位于中国东南部,土地面积124000km2,占中国国土面积1.3%.福建处于亚热带季风气候区,年平均降水在1400～2000mm,年平均气温17～21℃,截至到目前森林覆盖率69.95%.福建是森林火灾高发区,Guo等[19]研究表明2000～2010年共发生森林火灾2万余次,年森林火灾在1000次以上,且超过95%的森林火灾由于人类活动引起.福建林火次数和频率在时间上不均衡.主要集中在1～3月以及11～12月.林火频繁发时段主要受人为因素(烧荒、烧炭、烧杂)和季节气候变化剧烈,常出现高温不利天气,有利于焚风效应形成,促进林火频繁发生[18-19,38].

1.2 数据来源

森林火灾面积数据来自中国林业统计年鉴[20],卫星火点数据来源于MODIS林火数据产品,MODIS林火产品[21],植被类型图数据来源于中国科学院寒区、旱区环境工程研究所(http://westdc.westgis.ac.cn/).本研究使用1km空间分辨率的每日尺度MOD14A1产品.研究提取了2000～2010年福建地区卫星火点数据并与植被类型图(1km空间分辨率)进行叠加,提取森林火点数据(包含了每个火点地理坐标和时间).森林密度运用Ni和Michel等[22-23]估算中国森林资源森林密度的平均值作为参数(见表1). 森林资源的燃烧效率采用参考文献[23],乔木的燃烧效率25%,灌木的燃烧效率68%进行计算.

表1 生物质密度和燃烧效率Table 1 Biomass densities and burning efficiencies for different forest type

1.3 森林燃烧量计算

森林燃烧用公式(1)进行计算.

式中:BB为森林燃烧总量,t;A为森林燃烧面积,km2;D为单位面积森林密度,t/km2;η为森林燃烧效率.

1.4 森林燃烧排放污染物计算

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[9-10,23,29-37],计算排放的污染物总量.计算公式为[24].

式中:Ei,j为i类污染物排放量,t;BBj为第j种林型的燃烧量,t;ji.EF为第j种林型燃烧后i类污染物的排放因子,g/kg.

1.5 烟气排放量变化趋势及显著性分析

Mann—Kandell趋势检验法[25]是一种非参数统计检验方法. 该方法优点不需要遵循一定分布,不受少量异常值的干扰,更适用于时间序列变化的数据趋势检验,被广泛运用于时间序列上水文、温度和气候等趋势变化,且计算也比较简单.

1.6 排放因子的确定

针对不同林型选用不同的排放因子是精确估测各类排放物总量的重要前提.本文综合国内外学者研究结果,目前关于国内不同林型生物质燃烧的排放因子的实际测试还相对较少,导致排放因子等级相对较低,优先选择国内外相同树种的排放因子,同时对众多研究结果取平均值作为本研究的林火排放因子(表2).

表2 不同林型林火排放因子Table 2 Emission factors fromdifferent forest type

2 结果与讨论

2.1 林火点出现次数、面积、燃烧区生物量和燃烧总量时间变化

图1 2000～2010年福建林火点出现次数、面积、燃烧区生物量和燃烧生物量年变化Fig.1 Temporal change of forest fire point, total fire area, burning zone biomass and biomass burned in Fujian during 2000～2010

图1显示,2000～2010年福建森林火点出现次数、林火总面积、燃烧区生物量和燃烧生物量分别为:11132次、2.19×105hm2、24.44mt和6.11mt;年均发生林火点出现次数、林火面积、燃烧区生物量和生物量分别为1012次、1.99×104hm2、2.22mt和555.39kt;年际变化看出,福建林火点出现次数、林火面积、燃烧区生物量和燃烧生物质量在2000～2008年呈现逐步上升趋势,2008～2010年呈下降趋势.目前MODIS火点受自然因素影响,成功监测率为90%左右,但通过滤除噪声、耀斑及云的干扰,不同区域和季节林火成功监测率高达100%[41].Guo等[35]研究2000～2008年福建林火驱动因子,表明9a共发生林火13185次,平均每年发生林火出现次数1465次,略高于本研究平均林火点出现次数,由于本研究仅计算林火点出现次数,而Guo等研究火灾次数是由林火、草原火和作物火3部分组成. Zheng等[18]研究1951～1998年福建林火等级系统中显示,平均每年发生林火1000次,该研究与本研究结果较一致.Yan等[10]估算中国大陆生物质燃烧污染物排放中表明,2000年福建有2.26mt森林燃烧,本研究结果(2.22mt)与Yan等研究结果相近.

2.2 林火密度、面积、燃烧区生物量和燃烧生物量空间分布

林火数据来源于福建2000～2010年卫星火点数据解译,数据包括火点地理坐标、起火时间等其他信息.运用ARCGIS点密度原理以2000～2010年总林火次数为基础,绘制林火密度区域分布图.图2a显示,南平西南部、三明西北以及南平、三明、宁德和福州交汇区域林火密度较大,其他区域相对较低;显然各区域林火总量差异很大,表明林火发生在空间上是不均匀.本研究结果与Guo等[19]研究规律是一致.

图2 2000～2010年福建林火密度、面积、燃烧区生物量和燃烧生物量区域分布Fig.2 Regional distribution of forest fire density、total fire area、total biomass and biomass burning in Fujian during 2000～2010

根据林业统计年鉴计算出年平均林火面积,根据林火分布位置和时间估算出不同区域2000～2010年林火总面积如图2b所示,不同区域林火面积差异很大,南平、三明、龙岩、漳州、厦门、泉州、莆田、福州和宁德地区11a林火总面积分别是:1.44×104,6.82×104,5.91×103, 1.93×104,517.0,8.74×103,4.54×103,1.80×103,1.41× 104hm2.

图2c显示,各燃烧区域森林可燃物载量差异很大,林型所占比例存在显著差异;2000～2010年福建林火发生区森林可燃物载量为24.44mt,其中温带针叶、温带阔叶常绿乔木、温带阔叶落叶乔木和阔叶落叶灌木总量分别为15.53mt、8.74mt、56.94kt和1.03mt;各林型年均量为1.41mt、0.79mt、5.18kt和93.41kt. Yan等[10]研究表明2000年福建森林可燃物总载量为2.26mt,与本研究年平均森林载量结果一致. 南平林火发生区森林可燃物载量为7.49mt,主要是温带针叶和温带阔叶常绿乔木总量分别为4.32mt和3.12mt,温带阔叶落叶乔木和阔叶落叶灌木仅占总量的0.59%;三明森林载量为8.45mt,温带针叶和温带阔叶常绿乔木总量在三明区域的比例较高,占森林总载量的99.8%,其它生物量仅占0.2%;其它区域龙岩、漳州、厦门、泉州、莆田、福州和宁德燃烧森林载量分别为:2.68mt、1.63mt、54.83k t、0.86mt、0.55mt、1.40mt和1.32mt.其中温带针叶和温带阔叶常绿乔木分别占其区域总载量的99.5%、98.5%、100%、99.6%、99.2%、99.0%和97.2%.综合表明,福建林火主要发生在温带针叶和温带阔叶常绿乔木2种林型.通过火点、林火面积、林密度及燃烧效率估算出各区域燃烧生物量(图2d),结果显示三明燃烧生物量最高为2.11mt,占福建区域燃烧生物质总量的55.1%,南平、漳州和宁德分别占区域燃烧生物量的11.1%、10.6%和8.6%,其它5个区域占比不足15%.

2.3 林火排放污染物总量的时空变化趋势

2000～2010年福建林火排放CO2、CO、NOx、 CH4、VO Cs、PM2.5、OC、EC和TC等污染物在时间变化趋势见图3. 2000～2010年福建林火排放污染性气体随时间变化呈先增加后降低的趋势,本研究结果与Lu等[24]研究结果一致. 但不同林型火灾排放各污染性气体有所不同,温带针叶和阔叶常绿乔木燃烧排放各污染物的量和趋势基本一致;阔叶落叶乔木和灌木燃烧排放污染物量低于温带针叶和阔叶常绿乔木燃烧排放污染物的量;灌木火灾排放各污染略高于阔叶落叶乔木燃烧排放污染物的量.

运用Mann-Kandell趋势显著性检验分析福建地区污染物总量.图4为2000～2010年福建林火释放各污染物的动态变化,显示林火释放各污染物在时间和空间上不均衡分布. Mann-Kandell趋势显著性检验结果表明CO2、CO、NOx、CH4、VO Cs、PM2.5、OC、EC和TC在福州、龙岩、宁德和南平呈增长趋势,三明、泉州和漳州呈显著增长趋势,厦门呈下降趋势;本研结果与郭怀文[39]和赵辉等[38]研究三明地区林火碳排放趋势较为一致.CO2、VO Cs、PM2.5和OC在莆田呈显著增长趋势,CO、NOx、CH4、EC和TC在莆田呈增长趋势.

图3 2000～2010年福建地区林火排放污染物时间变化Fig.3 Temporal change of the total emissions of pollutants fromforest burning in Fujian during 2000～2010

图4 2000～2010年福建地区林火排放污染物趋势检验Fig.4 Trend test of the total emissions of pollutants fromforest burning in Fujian during 2000～2010

图5 2000～2010年福建森林火灾排放气体污染物总量(t/km2)区域分布Fig.5 Spatial distribution of the total emissions of gaseous pollutants (t/km2) fromforest burning in Fujian during 2000～2010

图6 2000～2010年福建森林火灾排放颗粒物总量(t/km2)区域分布Fig.6 Spatial distribution of the total emissions of particulate matter (t/km2) fromforest burning in Fujian during 2000～2010

2.4 林火排放污染物的空间分布

林火排放受内、外因素共同作用而不断发生变化,运用大量静态数据,并不能反映林火排放动态变化,估算污染物排放通过改变方法逐渐逼近真实值,不可能成为真实值,以往研究表明运用平均值是减少误差的常用估算方法[43-44].估算林火污染物排放分别运用林火每年平均面积、平均生物质密度和平均排放因子等共同估算污染物排放总量,如图5、6显示,各区域污染物排放总量差异很大,各污染物分布有所不同,2000～2010年福建各区域森林火灾排放污染物CO2、CO、NO x、VO Cs、CH4、PM2.5、TC、OC和EC总量分别为:1.64mt、98.19kt、1.43kt、8.70kt、9.43kt、10.12kt、5.35kt、4.66kt和6.90kt,年均排放量分别为:148.66kt、8.93kt、130.37t、790.65t、856.95t、920.32t、486.69t、424t和62.69t;南平由于森林火灾产生污染物总量为594.08kt,主要污染物CO2、CO、NO x、CH4、VO Cs、PM2.5、OC、EC和TC分别为:547.38kt、33.33kt、501t、3.04kt、2.90kt、3.36kt、1.57kt、215t和1.79kt;其它区域三明、龙岩、漳州、厦门、泉州、莆田、福州和宁德林火释放污染物总量分别为:2.85mt、173.62kt、553.53kt、15.49kt、262.28kt、183.71kt、58.89kt和455.68kt;CO2排放在三明、龙岩、漳州、厦门、泉州、莆田、福州和宁德等占区域污染物总量比率分别为92.19%、92.39%、92.15%、92.49%、92.35%、92.21%、92.27%和92.14%;郭怀文等[39]研究三明地区林火CO2排放占其它污染型气态91.33%,研究结果与本研究结果相近.其他CO、NOx、CH4、VO Cs、PM2.5、OC、EC和TC等8种污染物在各区域占比不足8%.根据空气质量标准将污染物划分为5个等级.

如图5所示,气态污染物CO2、CO、NOx和VO Cs排放区域和面积较为一致,且皆集中在火密度较高区域(见图2a火点密度图)南平西南部、三明西北以及南平、三明、宁德和福州交汇区域林火密度较大,其他区域相对较少;图5 (CH4)显示林火排放CH4影响区域面积较大,CH4排放总量大于3.56t区域占福建面积的一半以上.颗粒物PM2.5、OC和TC排放高低和林火发密度有密切正相关,而EC排放范围较广.林火主要受自然因素和社会经济因素共同影响.研究显示[19,36-37],森林火灾受CGDP、人口密度、居民点、公路密度、日照长度、日最高气温、降水量、相对湿度、坡度、坡向和高程等因子影响.

2.5 林火排放颗粒物与工业粉尘排放比变化

工业粉尘是指工业生产中产生直径介于1～100µm的固体颗粒物. 根据中国统计年鉴查到2000～2010年的工业粉尘排放情况. 查询结果显示2002～2005年福建工业粉尘排放随时间变化呈上升趋势;2007～2010年工业粉尘排放随时间变化呈下降趋势,与Liu等[40]研究结果一致.图7显示2000～2010年,福建林火排放PM2.5与年工业粉尘排放比率分别为0.29%、0.28%、0.29%、0.51%、2.70%、1.32%、2.05%、4.81%、8.61%、3.39%和3.40%,平均排放比率呈先增加趋势,说明森林火灾导致的大气污染物对当地空气质量影响在逐年加强.

图7 2000～2010年福建地区森林火排放PM2.5占工业粉尘排放比率变化Fig.7 Change of the ratio of PM2.5emission fromforest burning to the emission of industrial particulate matters in Fujian during 2000～2010

3 结论

3.1 福建2000～2010年森林生物质总产量为24.44mt,温带针叶、温带阔叶常绿乔木、温带阔叶落叶乔木和灌木总产量分别为15.53mt、8.74mt、56.94kt和1027.6kt.

3.2 福建2000～2010年各区域森林火灾排放各污染物CO2、CO、NOx、VO Cs、CH4、PM2.5、TC、OC和EC总产量分别为:1.64mt、98.19kt、1.43kt、8.70kt、9.43kt、10.12kt、5.35kt、4.66kt和689.59t,年均排放量分别为:148.66kt、8.93kt、130.37t、790.65t、856.95t、920.32t、486.69t、424t和62.69t.

3.3 2000～2010年福建森林火灾排放各污染物的动态变化,显示森林燃烧释放各污染物在时间和空间上不均衡分布,CO2、CO、NOx、CH4、VOC s、PM2.5、OC、EC和TC在福州、龙岩、宁德和南平呈增长趋势,三明、泉州和漳州呈显著增长趋势,厦门呈下降趋势;CO2、VO Cs、PM2.5和OC在莆田呈显著增长趋势,CO、NOx、CH4、EC和TC在莆田呈增长趋势.

3.4 2000～2010年福建林火排放PM2.5与工业粉尘排放比率总体呈增加趋势,说明森林火灾导致的大气污染物对当地空气质量影响在逐年加强.

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Temporal and spatial dynamics of pollutants emission fromforest fires in Fujian during 2000—2010.

JIN Quan-feng1,2, WANG Wen-hui1,2, MA Xiang-qing1,2, YANG Shu-yan1,2, GUO Fu-tao1,2*
(1.Forestry College, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China；2.Co-innovation Center for Soil and Water Conservation in Red Soil Region of the Cross-straits, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China). China Environmental Science, 2017,37(2)：476～485

This study investigated the fire frequencies,biomass burned and the emissions of pollutants fromforest fires in Fujian Province during 2000～2010. The results showed that the fire regime changes in Fujian during 2000～2010, firstly increased and then decreased. The total combustion of forest fuel amount were 6.57mt, and the pollutants of CO2, CO, NOx, VOC s, CH4, PM2.5, TC, OC and EC emissions were: 1.64mt、98.19kt、1.43kt、8.70kt、9.43kt、10.12kt、5.35kt、4.66kt and 689.59t, respectively. In addition, the pollutants were imbalance in time and space. The pollutant emissions were more concentrated in the southwest of Nanping, northwest of Sanming and the transitional zone between Nanping, Sanming, Ningde and Fuzhou. CO2, CO, NOx, CH4, VOC s, PM2.5, OC and EC, and TC showed increasing trends in the entire Fujian except for X iamen. The overall trend of the ratio of PM2.5released fromforest fires and industrial dusts also showed increasing trend, which explained that the influence of forest fires on local air quality in Fujian was enhanced significantly. The study of spatial-temporal variation of forest fires released pollutants in Fujian province could provide data to support for further investigations on the importance of the forest fire with respect to regional environment.

Fujian；forest fires；pollutants；temporal and spatial variations

X51

A

1000-6923(2017)02-0476-10

靳全锋(1988-),男,安徽阜阳人,福建农林大学林学院硕士研究生,主要研究方向为林火生态.

2016-06-13

国家自然科学基金资助项目(31400552);福建省自然科学基金资助项目(2015J05049);福建农林大学校杰出青年基金资助项目(xjq201613);福建农林大学校国际科技合作与交流资助项目(KXB16008A)

* 责任作者, 副教授, guofutao@126.com