东北农业大学崔嵩团队ACP|2001-2020年东北地区高空间分辨率秸秆露天焚烧温室气体排放清单

文摘   2024-12-21 08:09   北京  

文章信息

第一作者:宋梓菡

通讯作者:崔嵩 教授

通讯单位:东北农业大学

https://doi.org/10.5194/acp-24-13101-2024

成果简介

近日,东北农业大学崔嵩教授团队联合加拿大环境与气候变化部、中国科学院烟台海岸带研究所、西安交通大学及中国科学院大气物理研究所在大气环境领域权威期刊《Atmospheric Chemistry and Physics上发表了题为“Development of a high-spatial-resolution annual emission inventory of greenhouse gases from open straw burning in Northeast China from 2001 to 2020”的研究论文。该研究提出了一种考虑作物物候变化的秸秆露天焚烧火点提取和分类新方法,并基于优化的火灾辐射功率(FRP)算法,建立了2001-2020年东北地区高空间分辨率秸秆露天焚烧温室气体排放清单。该研究不仅优化了秸秆露天焚烧温室气体排放清单构建方法,还对政策效果进行了系统评估,对制定更科学的碳减排政策和加强空气质量管理具有重要的学术价值和实际意义。

研究进展

在全球主要粮食产区,露天焚烧是一种常见的秸秆处理方式。然而,该方式会在短期内排放大量的温室气体(如CO2、CH4、N2O)和大气污染物,从而对气候变化、空气质量和公众健康产生严重危害。传统的排放清单主要基于粮食产量、草谷比、焚烧比例及效率等参数构建,存在较大不确定性,尤其在时空分辨率方面难以满足精确性要求。卫星遥感技术的发展为秸秆露天焚烧火点的监测提供了新途径,显著提升了排放清单的时空分辨率,但该技术在捕捉小范围、短时段火点时仍存在局限性。此外,由于当前秸秆露天焚烧火点的提取和分类未能充分考虑作物类型及物候变化,这进一步增加了排放清单的不确定性。

作为我国主要的粮食生产区,东北地区的粮食作物种植面积大、秸秆产量高且处理难度大。2013-2017年间,该地区秸秆露天焚烧活动显著增加,与全国其他地区同期焚烧活动普遍减少的趋势形成了鲜明对比,反映了东北地区在秸秆管理和焚烧控制方面正面临着独特挑战。据此,我们提出了一种考虑作物物候变化的秸秆露天焚烧火点提取和分类新方法(图1),并通过将火点与优化的火灾辐射功率(FRP)算法相结合,建立了2001-2020年东北地区高空间分辨率秸秆露天焚烧温室气体排放清单。 

1 考虑作物物候变化的秸秆露天焚烧火点提取和分类流程
2001-2020年间,东北地区共记录了156,044个秸秆露天焚烧火点,主要集中在三江平原北部、松嫩平原东部、辽河平原东部及靠近内蒙古自治区的零星地区(图2)。20年间,传统的火点提取方法共高估了7,190个火点,这表明考虑作物物候变化的秸秆露天焚烧火点提取和分类对于提高排放清单准确性至关重要。在第I阶段(2003-2012年),东北地区年均火点数为3,732个,秋季火点多于春季;在第II阶段(2013-2017年),年均火点数激增至18,177个,占20年间火点总数的58.2%,且2016年后春季火点超过秋季;在第III阶段(2018-2020年),年均火点数下降至8,788个,较第II阶段减少了51.7%,春季火点占比显著上升,达93.8%(图2)。东北地区秸秆露天焚烧的主要季节从秋季逐渐转向春季可能与两方面因素有关:一是秋收后政府实施的禁烧政策有效遏制了秋季秸秆焚烧;二是农民对春季焚烧秸秆能够促进土壤解冻作用的认识逐步增强。

图2 (a)2020年东北地区耕地的空间分布、(b)2001-2020年东北地区秸秆露天焚烧火点的空间分布和(c)火点的季节分布及基于传统火点提取方法高估的火点
在第I阶段,玉米和水稻秸秆的秋季焚烧集中于10月上旬至11月中旬(DOY:270-320),而春季焚烧时间则逐渐延长,从2003年的3月中旬至4月下旬(DOY:70-120)延长至2012年的3月上旬至5月中旬(DOY:60-140);在第Ⅱ阶段,春季焚烧时间进一步延长,分布在2月上旬至5月中旬(DOY:30-140);在第Ⅲ阶段,春季焚烧时间仍集中于2月上旬至5月中旬(图3)。对于大豆秸秆,第Ⅰ阶段春季焚烧时间集中于3月中旬至4月下旬(DOY:70-120),秋季则集中于10月上旬至11月中旬(DOY:270-320)。然而,在2013-2020年期间,大豆秸秆春季焚烧时间明显提前,分布在2月上旬至4月下旬(DOY:30-120),秋季焚烧时间则稳定在10月上旬至11月中旬(图3)。相比之下,小麦秸秆的焚烧时间未呈现明显变化,这可能与其火点数量较少有关(图3)。

图3 (a)玉米、(b)水稻、(c)大豆和(d)小麦秸秆焚烧时间的频率分布
2001-2020年间,东北地区秸秆露天焚烧CO2、CH4和N2O的累计排放量分别为198 Tg、557 Gg和15.7 Gg,CO2-eq的累计排放量为218 Tg(图4)。在第Ⅰ阶段,东北地区温室气体排放量的时空分布与火点分布高度一致。然而,在第Ⅱ阶段和第Ⅲ阶段,松嫩平原东部和辽河平原东部的温室气体排放量并未随着火点数量的增加而同比例增长。这种差异可归因于当地农户焚烧时间较分散,导致火点数量增加但排放量相对较低。相比之下,三江平原北部和松嫩平原北部的部分国营农场火点数量与排放量则更具同步性。

图4 2001-2020年东北地区秸秆露天焚烧CO2、CH4、N2O和CO2-eq排放量的空间分布

2001-2020年间,东北地区的粮食作物播种面积大幅增加,秸秆产量也随之快速增长,到2020年已达到143 Tg,较2001年增长了142%。秸秆产量的增长加重了秸秆处理的压力,导致秸秆露天焚烧活动的增加和温室气体排放量的上升,特别是在2003-2012年间,秸秆产量与温室气体排放量呈显著正相关(p<0.01)(图5)。另一方面,自2013年以来,东北地区农村居民煤炭消费的快速增长与秸秆露天焚烧温室气体排放量也呈显著正相关(p<0.01)。这表明商业能源消费的增加降低了农村家庭对秸秆作为燃料的需求,从而间接推动了秸秆露天焚烧活动的增加(图5)。自2013年起,东北地区开始实施秸秆露天焚烧的管控政策,但温室气体排放量直到2018年才出现明显下降(图5),这主要与政策的覆盖范围逐步扩大有关。初期政策主要针对秋冬季节及重点区域,随后逐渐扩展至全年和整个地区(以黑龙江为例)。随着政策执行力度的增强,不仅有效减少了温室气体排放量,还改变了秸秆焚烧的季节性分布,使焚烧高峰期从秋季转移至春季。

图5 2001-2020年(a)东北地区、(b)黑龙江省、(c)吉林省和(d)辽宁省的年CO2-eq排放量、秸秆产量、农村居民煤炭消费量以及秸秆禁烧政策

作者介绍

崔嵩,东北农业大学教授、博士生导师,国家级青年人才、农业农村部神农青年英才、黑龙江省杰出青年基金获得者、东农学者计划“杰出学者”,农业环境污染过程模拟与调控学科团队负责人,主要从事农业生态系统减污降碳关键过程与调控机制、污染物环境行为与生态效应领域研究工作。现任东北农业大学国际持久性有毒物质联合研究中心主任、松花江流域生态环境保护研究中心主任,兼任中国颗粒学会气溶胶专业委员会副主任等职务。先后主持国家自然科学基金等科研项目30项;发表学术论文150余篇,其中SCI/EI收录130余篇,ESI高被引论文5篇;第一完成人获黑龙江省科学技术奖一等奖等科研及教学奖励9项。

通讯邮箱:cuisong-bq@neau.edu.cn

宋梓菡,东北农业大学水利与土木工程学院农业水土工程专业2020级博士研究生。主要研究方向:农田生态系统碳排放清单编制及动态评估。目前以第一(第二)作者在Atmospheric Chemistry and Physics等SCI期刊发表论文4篇。

通讯邮箱:songzihan@neau.edu.cn

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