广西秸秆露天焚烧源排放清单及时空分布研究*

刘慧琳 莫招育,3# 覃 纹 穆奕君 黄炯丽 陈志明杨俊超 李宏姣 张达标 吴 影 段 炼

(1.广西壮族自治区环境保护科学研究院，广西 南宁 530022；2.广西西江流域生态环境与一体化发展协同创新中心，广西 南宁 530022；3.复旦大学环境科学与工程系，上海 200433；4.南宁师范大学自然资源与测绘学院，广西 南宁 530001；5.南宁师范大学健康地理教育与信息中心，广西 南宁 530001)

广西是全国蔗糖的主产区，2017—2018年榨季，全区甘蔗种植面积7 576 km2，进厂原料蔗量为5 083.2万t，食糖总产量为602.5万t，占全国总产糖量的58.4%。目前，广西食糖产量仅次于巴西和印度，成为世界上第三大食糖主产区。2020—2021年榨季，广西甘蔗种植面积预计增加至7 767～7 800 km2，主要分布在11个地市的49个县(区、市)，其中崇左市、南宁市和来宾市种植面积较大。

甘蔗的大量种植，产生了大量的甘蔗秸秆。秸秆露天焚烧对社会生活环境的影响巨大，一是污染空气环境，危害人体健康；二是破坏土壤结构，破坏土壤生态平衡；三是容易引发火灾，威胁群众的生命财产安全；四是会引发交通事故，影响道路交通和航空安全[1-2]。减少秸秆焚烧最好的办法就是综合利用，《广西大气污染防治攻坚三年作战方案(2018—2020年)》中要求推进秸秆肥料化、饲料化、燃料化、基料化和原料化利用，2020年综合利用率达到85%左右。目前广西秸秆综合利用率还达不到该目标要求(若将秸秆直接还田计算在内能达到要求，但直接还田也会焚烧)，特别是甘蔗秸秆，如来宾市80%以上的甘蔗秸秆都是以焚烧的方式处理，对来宾市环境空气造成了不良影响。来宾市大量甘蔗秸秆焚烧叠加不利气象因素，2019年1月造成了连续9 d轻度以上污染，2021年1月污染天高达15 d，其中中度污染5 d，重度污染1 d，几乎每年榨季都会集中出现污染天。

国内外学者对秸秆处理方式[3]、露天焚烧污染物的成分[4]、污染物排放量估算[5]187,[6-7],[8]3280、污染程度及其受气象条件和传输影响等[9-11]做了很多研究，利用卫星遥感数据分析秸秆焚烧情况也多见报道[12-15]，且国内研究多集中在北方地区[16-18]，广西仅对秸秆露天焚烧部分污染物排放量进行估算[19]，分析了一次污染过程的影响[20-21]。广西以甘蔗秸秆焚烧为主，具有典型代表性。因此，本研究以广西为例，计算2019年秸秆露天焚烧污染物排放清单，分析污染物浓度时间分布和焚烧火点空间分布特征，以期为秸秆禁烧管控提供参考依据。

1 数据与方法

1.1 研究区域和数据来源

1.1.1 研究时间和区域

本研究以广西14个地市(南宁市、柳州市、桂林市、梧州市、北海市、钦州市、防城港市、贵港市、玉林市、百色市、贺州市、河池市、来宾市、崇左市)作为研究区域。

根据广西农作物种植特征，清单核算农作物主要包括甘蔗、水稻、玉米和木薯，其他农作物产量很少，不列入统计，清单基准年为2019年。大气污染物浓度和火点数据主要分析时间段为2020年10月至2021年3月。

1.1.2 数据来源

农作物产品产量数据来自《广西统计年鉴2020》；大气污染物浓度数据来自真气网；南宁市气象数据和元素碳(EC)、有机碳(OC)数据来自广西壮族自治区环境保护科学研究院大气科学研究观测站。主要仪器设备为自动辐射气象站(CAMS620-HM)、多波段OC/EC分析仪(DRI 2015)。秸秆焚烧火点数据来自Aqua、H8、NOAA20、NPP和Terra卫星。

1.2 秸秆焚烧排放量计算方法

秸秆焚烧会产生大量的CO、CO2、颗粒物、NOx、SO2、NH3等大气污染物。本研究主要分析CO、可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)、NOx、SO2、黑碳(BC)、OC、挥发性有机物(VOCs)和NH3这9种污染物。根据《生物质燃烧源大气污染物排放清单编制技术指南(试行)》，秸秆露天焚烧排放量采用以下公式计算：

E=A×EF

(1)

A=P×N×R×η

(2)

式中：E为污染物排放量，t；A为秸秆露天焚烧量，t；EF为排放因子；P为农作物产量，t；N为草谷比(秸秆干物质量与农作物产量比值)；R为秸秆露天焚烧比例，%；η为燃烧率。

广西各城市农作物产量数据见表1。广西主要农作物为甘蔗，甘蔗主要种植区为崇左市、来宾市、南宁市和柳州市。

表1 不同城市主要农作物产量Table 1 Output of main crops in different cities 万t

本研究结合广西各城市主要农作物种植类型、产量、草谷比等信息估算各城市秸秆露天焚烧秸秆消耗量。草谷比、秸秆露天焚烧比例和燃烧率参考《城市大气污染物排放清单编制技术手册》[22]和相关文献资料[23-24],[25]351-356取值，具体参数取值见表2。本研究农作物秸秆燃烧选用的排放因子参考《城市大气污染源排放清单编制技术手册》，各排放因子见表3。

表2 各类农作物草谷比、秸秆露天焚烧比例及燃烧率1)Table 2 Grass-grain ratio,proportion of straw open burning and burning ratio of various crops

表3 各类农作物秸秆燃烧排放因子1)Table 3 Burning emission coefficient of various crop straw

1.3 清单质量控制

质量控制程序包括对数据收集和处理过程、相关计算过程等进行一般性质量检查，清单编制审核流程分为过程审核、结果审核和输出审核三大过程，主要包括估算方法是否合理、公式是否有误、统计数据是否异常、排放因子选择是否合理、类似城市是否具有可比性。清单使用《生物质燃烧源大气污染物排放清单编制技术指南(试行)》中估算方法，方法合理；统计数据来自《广西统计年鉴2020》，数据准确；排放因子参考《城市大气污染源排放清单编制技术手册》，有一定指导意义。

1.4 污染物时空分布特征

为评估甘蔗秸秆的露天焚烧影响，根据甘蔗季节性耕作规律，每年10月开始砍摘，甘蔗秸秆不会马上焚烧，2月完成收成，至3月焚烧结束开始新一轮耕作，砍摘的甘蔗送去企业榨糖或售卖。因此定义每年10月至次年3月为甘蔗榨季，期间产生的甘蔗秸秆会进行大量焚烧，本研究的时空分布特征主要针对甘蔗榨季。由于其他农作物种植较少，不是广西主要经济作物，本研究不考虑其他农作物的耕作时间分布。

根据广西甘蔗种植面积，结合甘蔗产品产量，确定主要研究区域，选取南宁市、柳州市、来宾市和崇左市进行污染特征分析。秸秆焚烧火点数量和位置用于秸秆主要焚烧区域的空间分布判断。

2 结果与讨论

2.1 秸秆露天焚烧源排放清单

2.1.1 秸秆露天焚烧源排放清单结果

广西秸秆露天焚烧大气污染物SO2、NOx、CO、PM10、PM2.5、BC、OC、VOCs和NH3排放量分别为1.1万、5.1万、80.7万、14.8万、14.5万、1.9万、8.3万、15.9万、1.0万t(见表4)。不同农作物中，甘蔗秸秆焚烧污染物排放贡献最大，甘蔗秸秆焚烧的污染物排放占比为82.1%～87.8%，其次是水稻秸秆焚烧，占比为6.5%～12.9%。

表4 2019年广西秸秆露天焚烧污染物排放清单Table 4 Emission list of pollutants from open field straw burning in Guangxi in 2019 t

2.1.2 秸秆露天焚烧源排放空间分布特征

从排放量贡献分布来看，崇左市、来宾市、南宁市和柳州市秸秆焚烧产生的污染物贡献较大，分别占全区排放量的27.8%、23.1%、17.5%和9.0%。将排放清单结果中秸秆焚烧特征污染物PM2.5和CO年排放量进行反距离权重(IDW)插值分析，了解区域分布特征。由图1可以看出，污染物排放量主要集中在崇左市、来宾市和南宁市，与甘蔗秸秆产量有关。

图1 广西主要大气污染物排放量IDW插值结果Fig.1 IDW interpolation result of main air pollutant emission in Guangxi

对照卫星监控火点数据可以发现，甘蔗秸秆焚烧较严重的地区多为清单结果排放量较大的城市(见表5)。2020年10月至2021年3月卫星监控到的火点数来看，2020—2021榨季，南宁市、贵港市、来宾市和崇左市秸秆焚烧火点较多，与甘蔗主产区分布相关，贵港市火点较多还与城市秸秆禁烧管控工作水平有关，占研究区火点总数比例分别为14.4%、14.2%、13.7%和12.1%，合计占比达54.4%，为秸秆焚烧主要区域城市。对比2020年12月和2021年2月的卫星火点分布(见图2)，来宾市、崇左市和南宁市等位于在甘蔗主要种植区的火点数大量增加，进一步证明是受甘蔗秸秆焚烧的影响。

表5 2020年10月至2021年3月各市卫星监控火点数Table 5 The number of fire points monitored by satellite in each city from October 2020 to March 2021

图2 2020年12月与2021年2月卫星监控火点分布区域对比Fig.2 Comparison of the distribution of fire points monitored by satellite in December 2020 and February 2021

2.1.3 秸秆露天焚烧源排放时间分布特征

结合卫星监控火点数据可判断广西秸秆焚烧的主要时间段，结果见表6。2019年12月，卫星监控火点数占到全年的40.2%，10—12月合计占比达到68.7%，为秸秆焚烧重点月份。2020年10月至2021年3月，广西卫星监控火点总数为3 635，主要集中在2021年1、2月，为秸秆焚烧重点月份。由此可见，秸秆焚烧较为集中的时段为11月至次年2月。这与以水稻、玉米和高粱等农作物为主的黑龙江等地区火点时间分布特征不一致(火点主要集中在每年3—4月和10—11月[8]3282)。不同年份焚烧的重点时段不同，一是受气象条件影响，2020年12月和2021年3月降雨较多，受云层影响卫星监控不到火点或者受降雨影响无法焚烧，因此火点数较少；二是受环境管理的影响，2020年底为“十三五”大气污染防治收官之年，为保障环境空气质量，秸秆禁烧管理较为严格，因此秸秆焚烧火点较少，农民积压未烧的秸秆在2021年初大量焚烧，导致火点数大幅反弹。

表6 广西卫星监控火点数Table 6 The number of fire points monitored by satellite in Guangxi

2.2 秸秆露天焚烧污染排放清单校验

2.2.1 污染物浓度空间分布校验

对照大气污染物浓度分布情况来看，2021年1月，广西秸秆焚烧与污染物排放均较严重，选取该月进行3种主要污染物浓度IDW插值分析，结果见图3。PM2.5浓度高值分布在来宾市，与秸秆焚烧排放量较匹配，且来宾市周边甘蔗种植区离环境空气质量监测站点较近，所以来宾市受秸秆焚烧影响最大。NO2浓度高值分布在南宁市和贵港市，除受秸秆焚烧排放影响外，还受机动车排放影响，这两个城市是广西机动车保有量最高的两个城市。CO浓度分布与排放量分布较为不匹配，主要由于CO来源复杂，燃烧排放都会带来CO，但百色市有大量冶炼企业，桂林市和梧州市受餐饮企业及燃煤源影响较大，所以上述3个城市的CO浓度较高。

图3 广西2021年1月主要污染物质量浓度IDW插值Fig.3 IDW interpolation result of major pollutant concentrations in January in 2021

2.2.2 污染物浓度时间分布校验

以秸秆焚烧严重的4个主要城市(南宁市、来宾市、崇左市、柳州市)为代表，进行污染物浓度时间分布校验。月度变化规律分析选取2019年1月至2021年3月数据，涵盖了2019—2020年和2020—2021年甘蔗榨季。从大气污染物浓度月变化规律来看，PM2.5、NO2和CO在榨季浓度较高，与前面分析的火点数时间变化特征相似(见图4)。利用南宁市的观测站点数据，综合分析气象因素对秸秆焚烧影响。榨季降雨量偏少，风速较小，尤其是2021年1月，由于干燥，特别适合秸秆焚烧，火点明显增多，污染物浓度明显升高。研究表明，生物质焚烧会产生大量的EC和OC，尤其是露天焚烧，OC/EC(质量比，下同)在生物质露天焚烧时比封闭式焚烧更大[26]。以南宁市为例，由图5可以看出，OC和EC浓度在2020年11月和2021年1月有大幅增长，与CO浓度变化趋势一致，说明具有同源性。榨季OC和EC浓度分别较非榨季高60.2%和53.2%，说明受到秸秆焚烧的影响。从OC/EC来看，2020年11月至2021年3月有增高趋势，人为源影响加大，榨季OC/EC为3.5，非榨季期间OC/EC为3.2，榨季比非榨季高，说明受到秸秆焚烧的一定影响。4个城市中，来宾市1月污染较重，PM2.5浓度明显高于其他城市，CO浓度与PM2.5浓度的变化也较同步，说明受秸秆焚烧影响更大；柳州市CO浓度与来宾市相当甚至更高，柳州市为广西重工业城市，城区内布局有柳州钢铁集团等大型企业，说明除受秸秆焚烧影响外还受工业源燃烧排放的叠加影响；而南宁市NO2浓度普遍较高，南宁市为广西机动车保有量第一的城市，可能还受到机动车尾气排放影响。

图4 主要城市大气污染物质量浓度月度变化规律Fig.4 Monthly variation law of atmospheric pollutant concentration in main cities

图5 南宁市OC、EC质量浓度和OC/EC月度变化Fig.5 Monthly variations of OC,EC concentration and OC/EC in Nanning

进一步验证污染浓度变化受秸秆焚烧的影响，选取2021年1—3月数据分析主要城市污染物小时变化规律，结果见图6。来宾市和崇左市PM2.5浓度小时变化波动较大，尤其是在10：00左右有个高峰，21：00左右来宾市PM2.5浓度上升幅度较大，柳州市夜间到凌晨有缓慢升高趋势，而南宁市总体变化较缓和。4个城市NO2浓度变化趋势一致，与早晚高峰有关，18：00左右NO2开始升高，22：00左右达到峰值，1：00左右开始下降；对比来看，南宁市NO2较高，崇左市NO2较低，这与机动车保有量有关。4个城市CO浓度变化趋势相似，均为9：00左右有个小高峰，夜间明显升高，来宾市和柳州市CO波动较大，柳州市CO总体较高，与工业城市产业特征有关。综合分析，来宾市和崇左市PM2.5浓度变化趋势与NO2和CO一致，PM2.5浓度突增时段均伴随着高CO浓度，来宾市22：00和崇左市9:00左右尤为明显，该时段秸秆露天焚烧特征明显，与现场调研发现情况相符。南宁市和柳州市PM2.5浓度变化趋势与NO2和CO也一致，除了秸秆焚烧影响外，南宁市叠加了早晚高峰机动车尾气源的排放影响(NO2浓度较高)，柳州市叠加了工业源的排放影响(CO浓度较高)，且夜间CO浓度突升，受秸秆焚烧影响也较大。

图6 主要城市大气污染物质量浓度小时变化规律Fig.6 The hourly variation rule of air pollutant concentration in main cities

2.2.3 排放清单结果对比

通过本研究与其他研究中广西排放清单对比进行核验，结果见表7。与2016年广西大气污染源清单结果对比，本研究排放量较大，主要与秸秆露天焚烧比例设定有关，2016年排放清单中甘蔗秸秆露天焚烧比例为12%～25%，2019年将露天焚烧比例调整到25%～80%。本研究排放量小于陆炳等[5]189对于2007年广西的研究，主要是他们的结果涵盖了森林火灾、秸秆薪柴燃料等，本研究仅包含秸秆露天焚烧；虽田贺忠等[25]354对于2007年广西的研究也包含了森林火灾、秸秆薪柴燃料等，但排放量总体低于前者，主要是其设定的露天焚烧比例较小。本研究排放量大于2010年的结果，主要是后者未统计甘蔗秸秆，而甘蔗是广西重要的农作物。本研究与2015年排放结果也具有可比性，NOx排放量均为5万t左右，PM2.5超过10万t。因此，本研究排放清单结果基本符合广西实际情况，具有参考意义。

2.2.4 排放清单不确定性分析

秸秆露天焚烧污染物排放清单存在一定的不确定性，主要由于秸秆的焚烧量没有常规统计口径，且较难监控，所以在计算过程中利用秸秆产生量和露天焚烧比例等推算，而露天焚烧比例也是参考其他文献获得，不同地方、不同作物存在较大差异。本研究根据实际调研情况调整了甘蔗秸秆露天焚烧比例，调研发现，来宾市甘蔗秸秆80%为露天焚烧处理；南宁市和柳州市的甘蔗产区焚烧也很严重，但管控力度比来宾市大，露天焚烧比例略低于南宁市；崇左市甘蔗种植面积虽最大，但是其气候条件更利于秸秆腐熟还田，露天焚烧比例可调低；其他甘蔗种植少的城市露天焚烧面积较小。露天焚烧比例的估算结合了秸秆禁烧管控经验，具体比例还带有不确定性。此外，甘蔗秸秆焚烧排放因子未做本地化测试，选取其他秸秆参数进行计算，带有一定不确定性，未来可在这方面进行进一步测试研究。

3 结 论

(1) 广西2019年秸秆露天焚烧大气污染物SO2、NOx、CO、PM10、PM2.5、BC、OC、VOCs和NH3排放量分别为1.1万、5.1万、80.7万、14.8万、14.5万、1.9万、8.3万、15.9万、1.0万t。甘蔗秸秆焚烧污染物排放贡献最大，各污染物排放占比为82.1%～87.8%。崇左市、来宾市、南宁市和柳州市秸秆焚烧产生的污染物贡献较大。

(2) 每年11月至次年2月是广西甘蔗秸秆焚烧主要时段，气象条件利于焚烧，PM2.5、NO2和CO等特征污染物明显升高，环境空气质量受影响较大。主要焚烧区域为南宁市、贵港市、来宾市和崇左市，与甘蔗种植主产区及秸秆焚烧管控有关，来宾市和崇左市受甘蔗秸秆焚烧影响较大，PM2.5浓度变化趋势与NO2和CO一致，PM2.5浓度突增时段均伴随着高CO浓度，来宾市22：00和崇左市9：00左右尤为明显，该时段秸秆露天焚烧特征明显。