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.廣西壯族自治區環境保護科學研究院，廣西 南寧 530022；2.廣西西江流域生態環境與一體化發展協同創新中心，廣西 南寧 530022；3.復旦大學環境科學與工程系，上海 200433；4.南寧師范大學自然資源與測繪學院，廣西 南寧 530001；5.南寧師范大學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區，2017—2018年榨季，全區甘蔗種植面積7 576 km2，進廠原料蔗量為5 083.2萬t，食糖總產量為602.5萬t，占全國總產糖量的58.4%。目前，廣西食糖產量僅次于巴西和印度，成為世界上第三大食糖主產區。2020—2021年榨季，廣西甘蔗種植面積預計增加至7 767～7 800 km2，主要分布在11個地市的49個縣(區、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，產生了大量的甘蔗秸稈。秸稈露天焚燒對社會生活環境的影響巨大，一是污染空氣環境，危害人體健康；二是破壞土壤結構，破壞土壤生態平衡；三是容易引發火災，威脅群眾的生命財產安全；四是會引發交通事故，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污染天。

國內外學者對秸稈處理方式[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，利用衛星遙感數據分析秸稈焚燒情況也多見報道[12-15]，且國內研究多集中在北方地區[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。

1 數據與方法

1.1 研究區域和數據來源

1.1.1 研究時間和區域

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)作為研究區域。

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

1.1.2 數據來源

農作物產品產量數據來自《廣西統計年鑒2020》；大氣污染物濃度數據來自真氣網；南寧市氣象數據和元素碳(EC)、有機碳(OC)數據來自廣西壯族自治區環境保護科學研究院大氣科學研究觀測站。主要儀器設備為自動輻射氣象站(CAMS620-HM)、多波段OC/EC分析儀(DRI 2015)。秸稈焚燒火點數據來自Aqua、H8、NOAA20、NPP和Terra衛星。

1.2 秸稈焚燒排放量計算方法

秸稈焚燒會產生大量的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、揮發性有機物(VOCs)和NH3這9種污染物。根據《生物質燃燒源大氣污染物排放清單編制技術指南(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為農作物產量，t；N為草谷比(秸稈干物質量與農作物產量比值)；R為秸稈露天焚燒比例，%；η為燃燒率。

廣西各城市農作物產量數據見表1。廣西主要農作物為甘蔗，甘蔗主要種植區為崇左市、來賓市、南寧市和柳州市。

表1 不同城市主要農作物產量Table 1 Output of main crops in different cities 萬t

本研究結合廣西各城市主要農作物種植類型、產量、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手冊》[22]和相關文獻資料[23-24],[25]351-356取值，具體參數取值見表2。本研究農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手冊》，各排放因子見表3。

表2 各類農作物草谷比、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 清單質量控制

質量控制程序包括對數據收集和處理過程、相關計算過程等進行一般性質量檢查，清單編制審核流程分為過程審核、結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、統計數據是否異常、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《生物質燃燒源大氣污染物排放清單編制技術指南(試行)》中估算方法，方法合理；統計數據來自《廣西統計年鑒2020》，數據準確；排放因子參考《城市大氣污染源排放清單編制技術手冊》，有一定指導意義。

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，根據甘蔗季節性耕作規律，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月焚燒結束開始新一輪耕作，砍摘的甘蔗送去企業榨糖或售賣。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。由于其他農作物種植較少，不是廣西主要經濟作物，本研究不考慮其他農作物的耕作時間分布。

根據廣西甘蔗種植面積，結合甘蔗產品產量，確定主要研究區域，選取南寧市、柳州市、來賓市和崇左市進行污染特征分析。秸稈焚燒火點數量和位置用于秸稈主要焚燒區域的空間分布判斷。

2 結果與討論

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生的污染物貢獻較大，分別占全區排放量的27.8%、23.1%、17.5%和9.0%。將排放清單結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重(IDW)插值分析，了解區域分布特征。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，與甘蔗秸稈產量有關。

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

對照衛星監控火點數據可以發現，甘蔗秸稈焚燒較嚴重的地區多為清單結果排放量較大的城市(見表5)。2020年10月至2021年3月衛星監控到的火點數來看，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，與甘蔗主產區分布相關，貴港市火點較多還與城市秸稈禁燒管控工作水平有關，占研究區火點總數比例分別為14.4%、14.2%、13.7%和12.1%，合計占比達54.4%，為秸稈焚燒主要區域城市。對比2020年12月和2021年2月的衛星火點分布(見圖2)，來賓市、崇左市和南寧市等位于在甘蔗主要種植區的火點數大量增加，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月各市衛星監控火點數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月衛星監控火點分布區域對比Fig.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

結合衛星監控火點數據可判斷廣西秸稈焚燒的主要時間段，結果見表6。2019年12月，衛星監控火點數占到全年的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，廣西衛星監控火點總數為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、玉米和高粱等農作物為主的黑龍江等地區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，受云層影響衛星監控不到火點或者受降雨影響無法焚燒，因此火點數較少；二是受環境管理的影響，2020年底為“十三五”大氣污染防治收官之年，為保障環境空氣質量，秸稈禁燒管理較為嚴格，因此秸稈焚燒火點較少，農民積壓未燒的秸稈在2021年初大量焚燒，導致火點數大幅反彈。

表6 廣西衛星監控火點數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離環境空氣質量監測站點較近，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來源復雜，燃燒排放都會帶來CO，但百色市有大量冶煉企業，桂林市和梧州市受餐飲企業及燃煤源影響較大，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。月度變化規律分析選取2019年1月至2021年3月數據，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律來看，PM2.5、NO2和CO在榨季濃度較高，與前面分析的火點數時間變化特征相似(見圖4)。利用南寧市的觀測站點數據，綜合分析氣象因素對秸稈焚燒影響。榨季降雨量偏少，風速較小，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，生物質焚燒會產生大量的EC和OC，尤其是露天焚燒，OC/EC(質量比，下同)在生物質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城市，城區內布局有柳州鋼鐵集團等大型企業，說明除受秸稈焚燒影響外還受工業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量濃度月度變化規律Fig.4 Monthly variation law of atmospheric pollutant concentration in main cities

圖5 南寧市OC、EC質量濃度和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月數據分析主要城市污染物小時變化規律，結果見圖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，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。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，與工業城市產業特征有關。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，與現場調研發現情況相符。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量濃度小時變化規律Fig.6 The hourly variation rule of air pollutant concentration in main cities

2.2.3 排放清單結果對比

通過本研究與其他研究中廣西排放清單對比進行核驗，結果見表7。與2016年廣西大氣污染源清單結果對比，本研究排放量較大，主要與秸稈露天焚燒比例設定有關，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，主要是他們的結果涵蓋了森林火災、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、秸稈薪柴燃料等，但排放量總體低于前者，主要是其設定的露天焚燒比例較小。本研究排放量大于2010年的結果，主要是后者未統計甘蔗秸稈，而甘蔗是廣西重要的農作物。本研究與2015年排放結果也具有可比性，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統計口徑，且較難監控，所以在計算過程中利用秸稈產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。本研究根據實際調研情況調整了甘蔗秸稈露天焚燒比例，調研發現，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區焚燒也很嚴重，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合了秸稈禁燒管控經驗，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 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，環境空氣質量受影響較大。主要焚燒區域為南寧市、貴港市、來賓市和崇左市，與甘蔗種植主產區及秸稈焚燒管控有關，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。