基于实测的中国中东部地区秸秆焚烧大气污染物排放特征研究

Agricultural crop residue combustion, due to which regional air pollution will aggravate in a short time, is an important contributor to air pollution in Asian region. As one of the areas worst hit by agricultural crop residue combustion, Central and east China is also the area where haze pollution happens frequently. Thus, study on emission characteristics of agricultural crop residue combustion in this area is really imminent, as it is listed as an important source of primary PM2.5 and precursors of secondary PM2.5. International data of emission factors are not suitable for China and considerable uncertainty exists in the estimation of emission inventories. Therefore, experimental measurements should be taken to establish emission factors database for China status. In this study, representative types of crop straw in China will be chosen for experiments. Air pollutants emitted from flaming, transition, and smoldering phase will be detected in real-time and the main factors affecting the emissions will be investigated. The database of weighted average emission factors of air pollutants from agricultural crop residue combustion (e.g. CO, CO2, CH4, NOX, PM2.5 and main components) will be established. Based on activity data, high-resolution emission inventory will be calculated for Central and east China. The characteristic tracers for agricultural crop residue combustion emissions will also be explored for further evaluation of the impact on regional air quality. The main purpose of this study is to provide fundational data and evidence for the improvement of air quality and the protection of human health in Central and east China.

秸秆焚烧是亚洲地区空气污染的重要贡献者，短时间内会突然加剧局部地区的空气污染程度。我国中东部是秸秆焚烧的重灾区，也是霾污染频发的区域，对该区域一次PM2.5和二次PM2.5前体物重要排放源之一的秸秆焚烧源的排放特征研究迫在眉睫。国外的秸秆焚烧排放因子不适用于我国，现有的污染物排放清单存在极大的不确定性，迫切需要通过实测建立我国主要作物秸秆焚烧的大气污染物排放因子库。本项目选择代表性作物秸秆，考虑排放的重要影响因素，对明火、混合过渡和焖烧三种燃烧状态下排放的大气污染物进行实时测量，建立秸秆焚烧大气污染物（CO、CO2、CH4、NOX、PM2.5及其主要组分）加权平均排放因子库；结合活动水平数据，建立中东部地区秸秆焚烧大气污染物高时空分辨率排放清单；探索秸秆焚烧烟气的特征成分谱，进一步评估秸秆焚烧对区域环境空气质量的影响，最终为改善中东部地区的大气环境、保障民众健康提供基础数据和依据。

本项目立足于我国中东部地区环境空气质量差、颗粒物浓度高和污染来源复杂等宏观背景，基于源排放测试，针对秸秆露天焚烧这一重要污染源，系统开展了排放特征及其环境影响研究。利用自行设计的露天焚烧稀释采样系统，选择中东部地区小麦、玉米、棉花和花生等典型农作物开展秸秆样品采集和排放测试，获取不同燃烧状态下典型气态污染物实时排放数据和PM2.5滤膜样品，分析采集样品的组分，结合燃烧量，构建不同秸秆露天焚烧典型大气污染物（CO、CO2、CH4、NOX、PM2.5及其重要组分OC、EC）的排放因子数据库。4种秸秆露天焚烧CO、SO2、NOX和CH4平均排放因子分别在7.39~92.4 g/kg、0.11~0.89 g/kg、0.72~3.86 g/kg和0.2~5.45 g/kg之间，PM2.5平均排放因子在1.48~13.29g/kg之间。OC和EC的质量分别占PM2.5全部质量的27.7%~54.3%和4.4%~17.1%，是PM2.5的主要组成成分。污染物排放主要来自混合燃烧阶段，焖烧状态排放污染物浓度相对较高。随着含水率升高，焖烧过程显著增强，CO、CH4、PM2.5和OC的排放因子升高，其中PM2.5排放量增高主要是由OC排放量增高导致。利用本研究建立的排放因子数据库和文献调研结果，结合露天焚烧活动水平调研数据，估算了2010~2015年我国中东部地区省份秸秆露天焚烧导致的PM2.5、OC、EC、NOX、CH4、CO、CO2等7种大气污染物排放量，并对中东部地区秸秆露天焚烧的时空分布特征进行了分析。2015年，各种污染物的排放量分别为PM2.5 69.41万吨、OC 33.46万吨、EC 25.31万吨、NOX 14.50万吨、CH4 14.36万吨、CO 229.15万吨和CO2 8072.70万吨。通过采集秸秆焚烧卫星遥感数据发现，我国中东部地区各省市2013~2016年连续四年来秸秆露天焚烧火点数整体上呈减少趋势。整个中东部地区全年的秸秆露天焚烧火点总数也在逐年减少，且下降率也在逐年增大。反映了我国禁止秸秆焚烧政策得到了严格执行并取得了显著效果。对典型区域空气质量指数和大气污染物浓度与秸秆露天焚烧火点开展相关性分析，结果表明，秸秆露天焚烧会短时间造成局部环境空气质量恶化，但需进一步量化其对环境空气污染物浓度的贡献。