秸秆焚烧遥感监测及空气污染防治对策

2022-03-26 08:42:14 | 浏览次数：

摘要：采用文献阅读研究法，对国内近十余年秸秆焚烧的监测研究进行综合分析。在阐述秸秆焚燒、遥感卫星监测原理的基础上，揭示污染物对空气质量的影响，并提出秸秆焚烧造成空气污染的防治对策，最后对未来无人机遥感监测平台在秸秆焚烧监测中的应用潜力进行了展望。

关键词：秸秆焚烧；遥感监测；空气污染；防治对策

中图分类号：X87；S19 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）20-3841-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.20.013

Abstract： Using the literature reading methods， the domestic research of straw burning in recent ten years was synthetically analyzed. On the basis of elaborating the theory of remote sensing satellite monitoring， the impact of pollutant to air quality was exposed， and countermeasures of straw burning was put forward. Finally the application potential of high precision data source and the platform of UAV remote sensing was proposed in monitoring straw burning in future.

Key words： straw burning； remote sensing monitoring； air pollution； countermeasures of prevention and control

随着中国社会经济发展，农村普遍推广电气化，农民在燃料方面减少了对秸秆的依赖。因此，每逢夏秋两季，便出现大面积秸秆露天焚烧现象。秸秆焚烧作为生物质燃烧的一种，已成为全球关注的问题，不仅造成了生物质资源的浪费，也严重影响大气质量，威胁人类健康。据统计，中国2015年秸秆资源量为10.4亿t，主要用于肥料、饲料、基料、燃料和原料，综合利用率为80.1%，这意味着中国每年有近2亿t秸秆进行焚烧处理[1]。为监测全国秸秆焚烧火点数量及其分布，原国家环保总局利用卫星遥感技术，监控全国秸秆焚烧态势，并采取了系列政策规定，如《大气污染防治行动计划》、《大气污染防治法》等[1，2]。现国家环境部门基于环境遥感卫星对地面秸秆焚烧进行全年实时监测，获得数据报表发布于互联网上，以期起到警示督促作用。目前，中国遥感监测中心对利用遥感技术监测秸秆焚烧火点进行深入研究，并取得了一定成效。

1 遥感技术监测秸秆焚烧的基本原理及方法

遥感技术于20世纪60年代兴起，凭借获取信息范围广、实时高效且成图迅速的优势，在农林业、海洋、地质等领域得到广泛应用。现阶段，在秸秆焚烧监测方面，卫星遥感技术发挥着重要作用，通过获取的遥感影像对热异常源及焚烧火点进行识别提取，并逐步取代地面监测的传统方式，为高效监测秸秆焚烧提供支持。

1.1 卫星遥感技术

卫星遥感技术不受区域尺度限制，不仅能监视区域火情火势，还能动态监测全国尺度焚烧状况。在秸秆焚烧监测过程中，焚烧火点分布的不确定性以及云层覆盖时有存在，因此，对遥感卫星空间、时间及光谱分辨率等性能指标有着较高要求。

中分辨率成像光谱仪MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer）是Terra和Aqua卫星上装载的传感器，组成部件有横向扫描镜、光收集器件、一组线性探测器阵列和位于4个焦平面上的光谱干涉滤色镜，最大空间分辨率为250 m，在0.4～14.5 μm之间有36个观测通道，其多通道数据可为分析火势分布、烟云走向、火烧趋势提供基础支持[3]。MODIS具有对高温敏感的第7波段，可使火点监测精度得到提高，是秸秆焚烧监测的主要数据源。中国以MODIS作为数据源监测秸秆焚烧火点的研究相对较早。段卫虎等[3]、胡梅等[4]利用MODIS数据分别对森林火点、秸秆焚烧火点进行识别监测，验证了MODIS数据用于火点监测的可行性，表明火点监测中阈值确定与地区背景具有一定关系。

资源三号（ZY-3）卫星是中国第一颗自主的民用高分辨率立体测绘卫星，在2012年1月升空，搭载有MUX和TLC遥感器，空间分辨率分别达5.8和2.1 m。高分辨率能够有效减少焚烧火点的漏判和误判，因此ZY-3是秸秆焚烧监测的理想数据源之一。冯登超等[5]以ZY-3遥感影像作为数据源，对秸秆焚烧火点进行监测，并与MODIS监测结果进行对比分析，表明ZY-3凭借其高空间分辨率的优势，能够获取更精确的结果。

除MODIS和ZY-3数据外，马建行等[6]以松嫩平原为研究区，以Landsat 8卫星影像作为数据源，对秸秆焚烧与未焚烧区域分别进行提取，最终得到燃烧指数与秸秆焚烧程度的相关性；冯登超等[7]基于Google Earth数据，以县级秸秆焚烧火点为出发点，表明将Google Earth数据与多种卫星遥感数据相结合监测秸秆焚烧，速度更快且效率更高。

1.2 秸秆焚烧火点提取方法

采用不同的秸秆焚烧火点提取方法，遥感监测精度则不同。为避免非秸秆焚烧火点的干扰，应合理设计火点提取流程（图1），其中，注重与其他地物的比较甄别，能够有效提高精度。常用火点提取方法主要有以下几种。

1）物体热辐射和维恩定律[2，3]。考虑秸秆焚烧具有地表火的特点，利用MODIS数据，基于斯蒂芬-波尔兹曼定律、维恩位移定律及普朗克辐射公式，在实际遥感监测中利用中红外波段对地面温度异常点强吸收的特点，从正常地表温度环境中提取高温火点进行识别，以达到秸秆焚烧火点提取的目的。

2）亮温和遥感探火原理。利用遥感技术对地面异常热源进行识别监测时，将热红外通道辐射率转换为亮温，用以间接表示地表真实温度。杨珊荣等[8]采用亮温和遥感探火技术，利用MODIS数据对秸秆焚烧火点进行辨认，研究结果表明监测精度可满足要求，并指出调整阈值、改进模型是提高火点识别算法精度的核心，但很大程度上仍受主观因素的影响，应结合更多的实测数据进行辅助识别。

2 秸秆焚烧对空气质量的影响及防治对策

秸秆焚烧释放的大量气态污染物及颗粒物，对空气质量、碳循环、土壤结构等有着重要影响，是空气污染主要来源之一。近十余年，中国相关学者在秸秆焚烧引起空气污染方面做了较多的研究分析和实证调查。

2.1 秸秆焚烧对空气质量的影响

空气质量指数用来评价SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO和悬浮颗粒物等污染物，秸秆焚烧释放的气态和气溶胶颗粒物影响着空气质量的变化趋势。

贾宏群[9]基于环境监测部门数据，得出在秸秆焚烧时，大气中SO2、NO2、可吸入颗粒物三项污染指数均达到高峰，超出平均水平数倍；何立环等[10]以长江三角洲区域的一次污染天气为研究背景，分析了秸秆焚烧与空气污染的相关性，结果表明秸秆焚烧活动严重加剧空气污染；吴建兰等[11]通过对南通市6年内秸秆焚烧对空气质量影响情况进行统计，分析秸秆焚烧在大气扩散有利和无利条件下的差异，表明秸秆焚烧在大气扩散不利条件下会加剧PM10质量浓度，从而造成轻度污染天数对全年污染天数的贡献超过30%；苏继峰等[12]收集统计年鉴等信息，估算并制作了因秸秆焚烧造成的大气污染物排放清单，将秸秆焚烧排放源应用到空气质量模式中，对空气质量数值模拟有着积极意义。

2.2 污染物的输送与分布

由于垂直逆温层和稳定的中性层结等大气条件的影响，致使污染物不易扩散，气流流通和风向变化会将局地秸秆焚烧排放的污染物输送到周边城市乃至全国各地，从而扩大污染面。轨迹分析方法被应用于空气污染物的输送与分布研究中，它能准确反映污染物的输送情况，将此方法应用于分析秸秆焚烧排放污染物输送途径的案例有很多，尹聪等[13]利用气团后向轨迹分析方法，以南京地区因秸秆焚烧造成的空气污染事件为背景，剖析其具体影响因素，結果表明逆温层不利于污染物的垂直扩散，且受相对湿度的影响；朱佳雷等[14]根据南京气团向后轨迹进行分析，针对2008年江苏某次重霾事件，结果揭示事发当地及外省秸秆焚烧排放物对空间污染的贡献率分别为32.4%和33.3%；苏继峰[15]以南京及周边地区空气污染事件为背景，研究并分析秸秆焚烧对空气质量所产生的影响，表明秸秆焚烧产生的污染物在扩散过程中受限于地形和天气情况；王书肖等[16]建立的中国秸秆焚烧大气污染物排放清单中，可以看出主要排放有PM2.5、BC、OC、SO2、NMVOC、CO、CO2、NOx等，并以NOx为例制作了排放强度图，结果表明污染物的排放主要集中于华东及华北地区，且中国生物质焚烧排放的污染物分布不均，排放形式以可吸入颗粒物为主。

2.3 防治对策

根本防治秸秆焚烧的核心是为大量秸秆寻找出路。然而，中国秸秆综合利用率仍然很低。张燕[17]对照国内外秸秆用作肥料、饲料、燃料、纤维、原料所产生的生态、经济及社会效益，指出中国秸秆资源现有利用方式存在缺陷。

为了达到经济和环境双重效益，秸秆的多元有效利用是解决问题的关键。中国的秸秆综合利用以及防治焚烧对策，主要集中于秸秆还田、秸秆能源化以及鼓励政策的制定。

1）秸秆还田。秸秆还田是秸秆综合利用方式中最方便、成本最低的选择，适当的秸秆还田能够对土壤质量、作物产量、土壤氮素有效性产生积极影响，且不易造成空气污染。吴志鹏等[18]阐述了秸秆还田的好处，表明秸秆还田具有增加土壤养分、净化土壤环境、改善土壤物理性状等优点，使得作物产量和品质得到提升，并建议机械化秸秆还田，以实现秸秆还田产业化和企业化经营；窦森等[19]基于现行秸秆还田难以推广的现状，提出秸秆深还的技术模式，即“富集深还”和“翻压深还”，研究证实其是一种行之有效的办法。

2）秸秆能源化。目前，中国秸秆回收利用未成体系，应积极倡导政府主导、企业参与、上下合力，构建秸秆良性循环利用产业链。周良[20]通过对国内外秸秆利用现状的研究，提出秸秆能源化的可行性，如将秸秆用于气化、制沼、制取醇类，以及利用物理法、化学法对秸秆进行处理利用等。徐玉宏[21]分析了秸秆焚烧引发的环境及社会问题，认为秸秆可用作燃料、轻工、纺织及建材原料，从而促进经济和环境的双赢。

3）政策制度的制定。在鼓励政策方面，贾秀飞等[22]认为经济激励型政策下不可直接给予补贴，应将秸秆综合利用专项资金转化为对农民回收秸秆的变相补贴。如秸秆粉碎机补贴、秸秆压块机补贴等。马涛[23]认为中国秸秆禁烧行政成本过大，且法律依据尚有欠缺，在执法同时有必要积极引导农民自愿参与。因此，中国应建设秸秆综合利用、专项补贴、总量控制、责任追究等明确制度。未来秸秆焚烧防治政策的制定可在税收上为秸秆综合利用等相关产业给予适当优惠，不可一味注重“命令与控制型工具”，应控制型政策工具和环境自愿型政策并举，亦可在农户自愿参与的基础上进行帮扶和政策倾斜。

3 小结与展望

3.1 小结

以阐述卫星遥感监测秸秆焚烧的原理为基础，对秸秆焚烧造成空气污染及防治对策进行分析，得出如下结论。

1）卫星遥感技术监测秸秆焚烧火点具有较成熟的理论性和科学性，其中卫星红外遥感探测火点时具有较高的灵敏度。

2）秸秆焚烧释放的污染物不仅影响当地空气质量，也会被输送至周边城市乃至全国各地，输送途径由大气层结稳定度、风速、垂直逆温层等大气条件共同决定。

3）秸秆焚烧防治的核心是解决秸秆利用问题。如利用秸秆还田技术能够增加土壤有机质含量，并对土壤物理及生物性状进行改进，属当前主流防治对策。目前该技术推广困难的主要原因体现在对成本、技术和硬件设施方面要求较高。

综上所属，在利用遥感卫星技术快速准确监测秸秆焚烧的同时，有关部门还应向农民普及秸秆焚烧的危害与秸秆有效利用的好处，并扩展秸秆利用的产业链和降低秸秆还田的技术成本等，积极开发秸秆在其他方面的相关应用。同时，应积极发展科学技术以提高秸秆综合利用率。

3.2 展望

中国是典型的农业欠发达国家，人多地阔，秸秆资源丰富。利用卫星遥感技术大面积宏观监测秸秆焚烧状况，可有效反映秸秆焚烧的轻重程度及分布区域，有助于根据不同纬度下作物成熟时间制定相应的监测任务，辅助并敦促秸秆焚烧严重地区的地方政府进行自纠自治。同时，由于恶劣天气、地表及云雪覆盖、噪点等制约因素的存在，有必要提升卫星携带传感器的性能指标，以满足现实需求。

随着遥感技术的不断发展，无人机遥感技术日渐成熟。无人机遥感平台是卫星遥感的辅助，使用成本低、响应快、空间分辨率高且定位精度高，适于高低空及小尺度遥感数据的获取，能满足火点、火情拍摄和监测的需要。20世纪90年代，中国开始利用无人机技术完成气象情报监测、药用植物资源监测、海洋监测与测绘等任务，并获得较好的监测效果，這表明无人机在秸秆焚烧遥感监测中也具有极大发展潜力，未来研究可尝试利用无人机遥感技术进行区域尺度的秸秆焚烧火势的实时监控和监测。

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