福建省2000～2010年林火排放污染物時空動態變化

靳全鋒,王文輝,馬祥慶,楊淑妍,郭福濤*

(1福建農林大學林學院,福建 福州 350002；2.福建農林大學海峽兩岸水土保持協同創新中心,福建 福州 350002)

福建省2000～2010年林火排放污染物時空動態變化

靳全鋒1,2,王文輝1,2,馬祥慶1,2,楊淑妍1,2,郭福濤1,2*

(1福建農林大學林學院,福建 福州 350002；2.福建農林大學海峽兩岸水土保持協同創新中心,福建 福州 350002)

基于2000～2010年福建地區衛星火點數據,結合林業統計年鑒,估算各區域林火燃燒生物量.并運用排放因子法,估算11a間福建地區林火排放污染物總量.結果表明,2000～2010年福建地區林火年變化呈先增加后降低趨勢.福建地區森林可燃物總燃燒量分別為6.57m t,污染物CO2、CO、NOx、VO Cs、CH4、PM2.5、TC、OC和EC排放總量分別為:1.64m t、98.19kt、1.43kt、8.70kt、9.43kt、10.12kt、5.35kt、4.66kt和689.59t. 此外,各污染物排放在時間和空間上不均衡,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、寧德和福州交匯區域;除廈門外,CO2、CO、NOx、CH4、VO Cs、PM2.5、OC、EC和TC在福建省其他地區均呈增長趨勢.林火釋放PM2.5與工業粉塵的排放比變化趨勢表明總體呈上升趨勢,說明福建省森林火災對當地空氣質量的影響正在逐漸加強.

福建；林火；污染物；時空變化

生物質燃燒產生大量顆粒物和氣態污染物,對全球大氣環境、氣候變化、生態系統和人類健康有顯著影響[1].森林火災是生物質燃燒的一個重要組成部分,研究顯示[2-4],2000年全球有35.2Mhm2面積生物質燃燒,其中森林燃燒面積是3.36～3.5Mhm2,有2814Tg[5]的森林資源被燒毀.森林火災排放大量污染性氣體(CO2、CO、CH4、NOx、SO2和VO Cs等)和顆粒物(TSP、PM10、 PM2.5、PM1、OC和EC等)顯著影響空氣質量和人類健康[6].國外關于森林火災污染物排放的研究已經開展,且隨著3S技術的發展,利用衛星火點數據估算區域森林火災的煙氣排放逐漸成為主流研究方法[3,7-9].

中國森林資源豐富同時也是森林火災頻發的國家.研究顯示[10]中國大陸1950～1992年,平均每年有8500hm2森林資源被燃燒.目前關于我國森林火災煙氣排放研究也已展開,并取得一定進展[11-14],但目前研究區域主要集中在中國北方林區[11-13,45],研究的時間尺度較短[14-15],且研究煙氣成分單一,多以含碳氣體為主[11-13,15-16].此外,根據對加利福尼亞地區3場森林火災的野外觀測表明[17]:小面積、小強度林火釋放污染濃度物濃度比大面積、高強度林火高,兩倍以上,并認為小強度森林火災對大氣環境產生更大影響.福建位于我國東亞熱帶氣候區,區域森林覆蓋率高,由于人為生產經營活動等原因導致森林火災頻發,年均森林火災發生超過1000次[18],且火災多具有強度低、面積小、頻率高、時間短[42]等特點,這極大增加了探討福建林火對大氣環境影響的意義. 然而,目前關于福建森林火災發生特點研究還較少,尤其關于森林火災的煙氣排放問題更是鮮有報道.

鑒于此,本文綜合國內外文獻及中國林業統計年鑒對福建地區過去11a間的森林火災排放污染物的時空變化趨勢進行分析.在估測2000～2010年福建各區域不同林型燃燒總量,并估算福建各區域林火燃燒各類污染物的排放總量基礎,分析福建林火排放各類污染物的時空變化.本研究可為相關大氣模型研究和大氣環境污染評價提供科學依據.

1 資料與方法

1.1 研究區概況

福建位于中國東南部,土地面積124000km2,占中國國土面積1.3%.福建處于亞熱帶季風氣候區,年平均降水在1400～2000mm,年平均氣溫17～21℃,截至到目前森林覆蓋率69.95%.福建是森林火災高發區,Guo等[19]研究表明2000～2010年共發生森林火災2萬余次,年森林火災在1000次以上,且超過95%的森林火災由于人類活動引起.福建林火次數和頻率在時間上不均衡.主要集中在1～3月以及11～12月.林火頻繁發時段主要受人為因素(燒荒、燒炭、燒雜)和季節氣候變化劇烈,常出現高溫不利天氣,有利于焚風效應形成,促進林火頻繁發生[18-19,38].

1.2 數據來源

森林火災面積數據來自中國林業統計年鑒[20],衛星火點數據來源于MODIS林火數據產品,MODIS林火產品[21],植被類型圖數據來源于中國科學院寒區、旱區環境工程研究所(http://westdc.westgis.ac.cn/).本研究使用1km空間分辨率的每日尺度MOD14A1產品.研究提取了2000～2010年福建地區衛星火點數據并與植被類型圖(1km空間分辨率)進行疊加,提取森林火點數據(包含了每個火點地理坐標和時間).森林密度運用Ni和Michel等[22-23]估算中國森林資源森林密度的平均值作為參數(見表1). 森林資源的燃燒效率采用參考文獻[23],喬木的燃燒效率25%,灌木的燃燒效率68%進行計算.

表1 生物質密度和燃燒效率Table 1 Biomass densities and burning efficiencies for different forest type

1.3 森林燃燒量計算

森林燃燒用公式(1)進行計算.

式中:BB為森林燃燒總量,t;A為森林燃燒面積,km2;D為單位面積森林密度,t/km2;η為森林燃燒效率.

1.4 森林燃燒排放污染物計算

依據查閱相關統計資料和文獻獲得的基礎數據和排放因子[9-10,23,29-37],計算排放的污染物總量.計算公式為[24].

式中:Ei,j為i類污染物排放量,t;BBj為第j種林型的燃燒量,t;ji.EF為第j種林型燃燒后i類污染物的排放因子,g/kg.

1.5 煙氣排放量變化趨勢及顯著性分析

Mann—Kandell趨勢檢驗法[25]是一種非參數統計檢驗方法. 該方法優點不需要遵循一定分布,不受少量異常值的干擾,更適用于時間序列變化的數據趨勢檢驗,被廣泛運用于時間序列上水文、溫度和氣候等趨勢變化,且計算也比較簡單.

1.6 排放因子的確定

針對不同林型選用不同的排放因子是精確估測各類排放物總量的重要前提.本文綜合國內外學者研究結果,目前關于國內不同林型生物質燃燒的排放因子的實際測試還相對較少,導致排放因子等級相對較低,優先選擇國內外相同樹種的排放因子,同時對眾多研究結果取平均值作為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 結果與討論

2.1 林火點出現次數、面積、燃燒區生物量和燃燒總量時間變化

圖1 2000～2010年福建林火點出現次數、面積、燃燒區生物量和燃燒生物量年變化Fig.1 Temporal change of forest fire point, total fire area, burning zone biomass and biomass burned in Fujian during 2000～2010

圖1顯示,2000～2010年福建森林火點出現次數、林火總面積、燃燒區生物量和燃燒生物量分別為:11132次、2.19×105hm2、24.44mt和6.11mt;年均發生林火點出現次數、林火面積、燃燒區生物量和生物量分別為1012次、1.99×104hm2、2.22mt和555.39kt;年際變化看出,福建林火點出現次數、林火面積、燃燒區生物量和燃燒生物質量在2000～2008年呈現逐步上升趨勢,2008～2010年呈下降趨勢.目前MODIS火點受自然因素影響,成功監測率為90%左右,但通過濾除噪聲、耀斑及云的干擾,不同區域和季節林火成功監測率高達100%[41].Guo等[35]研究2000～2008年福建林火驅動因子,表明9a共發生林火13185次,平均每年發生林火出現次數1465次,略高于本研究平均林火點出現次數,由于本研究僅計算林火點出現次數,而Guo等研究火災次數是由林火、草原火和作物火3部分組成. Zheng等[18]研究1951～1998年福建林火等級系統中顯示,平均每年發生林火1000次,該研究與本研究結果較一致.Yan等[10]估算中國大陸生物質燃燒污染物排放中表明,2000年福建有2.26mt森林燃燒,本研究結果(2.22mt)與Yan等研究結果相近.

2.2 林火密度、面積、燃燒區生物量和燃燒生物量空間分布

林火數據來源于福建2000～2010年衛星火點數據解譯,數據包括火點地理坐標、起火時間等其他信息.運用ARCGIS點密度原理以2000～2010年總林火次數為基礎,繪制林火密度區域分布圖.圖2a顯示,南平西南部、三明西北以及南平、三明、寧德和福州交匯區域林火密度較大,其他區域相對較低;顯然各區域林火總量差異很大,表明林火發生在空間上是不均勻.本研究結果與Guo等[19]研究規律是一致.

圖2 2000～2010年福建林火密度、面積、燃燒區生物量和燃燒生物量區域分布Fig.2 Regional distribution of forest fire density、total fire area、total biomass and biomass burning in Fujian during 2000～2010

根據林業統計年鑒計算出年平均林火面積,根據林火分布位置和時間估算出不同區域2000～2010年林火總面積如圖2b所示,不同區域林火面積差異很大,南平、三明、龍巖、漳州、廈門、泉州、莆田、福州和寧德地區11a林火總面積分別是: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.

圖2c顯示,各燃燒區域森林可燃物載量差異很大,林型所占比例存在顯著差異;2000～2010年福建林火發生區森林可燃物載量為24.44mt,其中溫帶針葉、溫帶闊葉常綠喬木、溫帶闊葉落葉喬木和闊葉落葉灌木總量分別為15.53mt、8.74mt、56.94kt和1.03mt;各林型年均量為1.41mt、0.79mt、5.18kt和93.41kt. Yan等[10]研究表明2000年福建森林可燃物總載量為2.26mt,與本研究年平均森林載量結果一致. 南平林火發生區森林可燃物載量為7.49mt,主要是溫帶針葉和溫帶闊葉常綠喬木總量分別為4.32mt和3.12mt,溫帶闊葉落葉喬木和闊葉落葉灌木僅占總量的0.59%;三明森林載量為8.45mt,溫帶針葉和溫帶闊葉常綠喬木總量在三明區域的比例較高,占森林總載量的99.8%,其它生物量僅占0.2%;其它區域龍巖、漳州、廈門、泉州、莆田、福州和寧德燃燒森林載量分別為:2.68mt、1.63mt、54.83k t、0.86mt、0.55mt、1.40mt和1.32mt.其中溫帶針葉和溫帶闊葉常綠喬木分別占其區域總載量的99.5%、98.5%、100%、99.6%、99.2%、99.0%和97.2%.綜合表明,福建林火主要發生在溫帶針葉和溫帶闊葉常綠喬木2種林型.通過火點、林火面積、林密度及燃燒效率估算出各區域燃燒生物量(圖2d),結果顯示三明燃燒生物量最高為2.11mt,占福建區域燃燒生物質總量的55.1%,南平、漳州和寧德分別占區域燃燒生物量的11.1%、10.6%和8.6%,其它5個區域占比不足15%.

2.3 林火排放污染物總量的時空變化趨勢

2000～2010年福建林火排放CO2、CO、NOx、 CH4、VO Cs、PM2.5、OC、EC和TC等污染物在時間變化趨勢見圖3. 2000～2010年福建林火排放污染性氣體隨時間變化呈先增加后降低的趨勢,本研究結果與Lu等[24]研究結果一致. 但不同林型火災排放各污染性氣體有所不同,溫帶針葉和闊葉常綠喬木燃燒排放各污染物的量和趨勢基本一致;闊葉落葉喬木和灌木燃燒排放污染物量低于溫帶針葉和闊葉常綠喬木燃燒排放污染物的量;灌木火災排放各污染略高于闊葉落葉喬木燃燒排放污染物的量.

運用Mann-Kandell趨勢顯著性檢驗分析福建地區污染物總量.圖4為2000～2010年福建林火釋放各污染物的動態變化,顯示林火釋放各污染物在時間和空間上不均衡分布. Mann-Kandell趨勢顯著性檢驗結果表明CO2、CO、NOx、CH4、VO Cs、PM2.5、OC、EC和TC在福州、龍巖、寧德和南平呈增長趨勢,三明、泉州和漳州呈顯著增長趨勢,廈門呈下降趨勢;本研結果與郭懷文[39]和趙輝等[38]研究三明地區林火碳排放趨勢較為一致.CO2、VO Cs、PM2.5和OC在莆田呈顯著增長趨勢,CO、NOx、CH4、EC和TC在莆田呈增長趨勢.

圖3 2000～2010年福建地區林火排放污染物時間變化Fig.3 Temporal change of the total emissions of pollutants fromforest burning in Fujian during 2000～2010

圖4 2000～2010年福建地區林火排放污染物趨勢檢驗Fig.4 Trend test of the total emissions of pollutants fromforest burning in Fujian during 2000～2010

圖5 2000～2010年福建森林火災排放氣體污染物總量(t/km2)區域分布Fig.5 Spatial distribution of the total emissions of gaseous pollutants (t/km2) fromforest burning in Fujian during 2000～2010

圖6 2000～2010年福建森林火災排放顆粒物總量(t/km2)區域分布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間分布

林火排放受內、外因素共同作用而不斷發生變化,運用大量靜態數據,并不能反映林火排放動態變化,估算污染物排放通過改變方法逐漸逼近真實值,不可能成為真實值,以往研究表明運用平均值是減少誤差的常用估算方法[43-44].估算林火污染物排放分別運用林火每年平均面積、平均生物質密度和平均排放因子等共同估算污染物排放總量,如圖5、6顯示,各區域污染物排放總量差異很大,各污染物分布有所不同,2000～2010年福建各區域森林火災排放污染物CO2、CO、NO x、VO Cs、CH4、PM2.5、TC、OC和EC總量分別為:1.64mt、98.19kt、1.43kt、8.70kt、9.43kt、10.12kt、5.35kt、4.66kt和6.90kt,年均排放量分別為:148.66kt、8.93kt、130.37t、790.65t、856.95t、920.32t、486.69t、424t和62.69t;南平由于森林火災產生污染物總量為594.08kt,主要污染物CO2、CO、NO x、CH4、VO Cs、PM2.5、OC、EC和TC分別為:547.38kt、33.33kt、501t、3.04kt、2.90kt、3.36kt、1.57kt、215t和1.79kt;其它區域三明、龍巖、漳州、廈門、泉州、莆田、福州和寧德林火釋放污染物總量分別為:2.85mt、173.62kt、553.53kt、15.49kt、262.28kt、183.71kt、58.89kt和455.68kt;CO2排放在三明、龍巖、漳州、廈門、泉州、莆田、福州和寧德等占區域污染物總量比率分別為92.19%、92.39%、92.15%、92.49%、92.35%、92.21%、92.27%和92.14%;郭懷文等[39]研究三明地區林火CO2排放占其它污染型氣態91.33%,研究結果與本研究結果相近.其他CO、NOx、CH4、VO Cs、PM2.5、OC、EC和TC等8種污染物在各區域占比不足8%.根據空氣質量標準將污染物劃分為5個等級.

如圖5所示,氣態污染物CO2、CO、NOx和VO Cs排放區域和面積較為一致,且皆集中在火密度較高區域(見圖2a火點密度圖)南平西南部、三明西北以及南平、三明、寧德和福州交匯區域林火密度較大,其他區域相對較少;圖5 (CH4)顯示林火排放CH4影響區域面積較大,CH4排放總量大于3.56t區域占福建面積的一半以上.顆粒物PM2.5、OC和TC排放高低和林火發密度有密切正相關,而EC排放范圍較廣.林火主要受自然因素和社會經濟因素共同影響.研究顯示[19,36-37],森林火災受CGDP、人口密度、居民點、公路密度、日照長度、日最高氣溫、降水量、相對濕度、坡度、坡向和高程等因子影響.

2.5 林火排放顆粒物與工業粉塵排放比變化

工業粉塵是指工業生產中產生直徑介于1～100μm的固體顆粒物. 根據中國統計年鑒查到2000～2010年的工業粉塵排放情況. 查詢結果顯示2002～2005年福建工業粉塵排放隨時間變化呈上升趨勢;2007～2010年工業粉塵排放隨時間變化呈下降趨勢,與Liu等[40]研究結果一致.圖7顯示2000～2010年,福建林火排放PM2.5與年工業粉塵排放比率分別為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趨勢,說明森林火災導致的大氣污染物對當地空氣質量影響在逐年加強.

圖7 2000～2010年福建地區森林火排放PM2.5占工業粉塵排放比率變化Fig.7 Change of the ratio of PM2.5emission fromforest burning to the emission of industrial particulate matters in Fujian during 2000～2010

3 結論

3.1 福建2000～2010年森林生物質總產量為24.44mt,溫帶針葉、溫帶闊葉常綠喬木、溫帶闊葉落葉喬木和灌木總產量分別為15.53mt、8.74mt、56.94kt和1027.6kt.

3.2 福建2000～2010年各區域森林火災排放各污染物CO2、CO、NOx、VO Cs、CH4、PM2.5、TC、OC和EC總產量分別為:1.64mt、98.19kt、1.43kt、8.70kt、9.43kt、10.12kt、5.35kt、4.66kt和689.59t,年均排放量分別為:148.66kt、8.93kt、130.37t、790.65t、856.95t、920.32t、486.69t、424t和62.69t.

3.3 2000～2010年福建森林火災排放各污染物的動態變化,顯示森林燃燒釋放各污染物在時間和空間上不均衡分布,CO2、CO、NOx、CH4、VOC s、PM2.5、OC、EC和TC在福州、龍巖、寧德和南平呈增長趨勢,三明、泉州和漳州呈顯著增長趨勢,廈門呈下降趨勢;CO2、VO Cs、PM2.5和OC在莆田呈顯著增長趨勢,CO、NOx、CH4、EC和TC在莆田呈增長趨勢.

3.4 2000～2010年福建林火排放PM2.5與工業粉塵排放比率總體呈增加趨勢,說明森林火災導致的大氣污染物對當地空氣質量影響在逐年加強.

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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

靳全鋒(1988-),男,安徽阜陽人,福建農林大學林學院碩士研究生,主要研究方向為林火生態.

2016-06-13

國家自然科學基金資助項目(31400552);福建省自然科學基金資助項目(2015J05049);福建農林大學校杰出青年基金資助項目(xjq201613);福建農林大學校國際科技合作與交流資助項目(KXB16008A)

* 責任作者, 副教授, guofutao@126.com