1 引言
正如Lighty等所指出：露天生物質(zhì)燃燒在短期內(nèi)排放大量的顆粒物(PM2.5)以及氣態(tài)前體物，可以明顯地影響一個城市、地區(qū)的大氣質(zhì)量和能見度。Watson and Chow以及董樹屏等研究表明，這種來源的顆粒物粒徑小、化學(xué)組成和形貌獨特，Lighty等認為其對源地附近居民的身體健康存在威脅，鄭曉燕等，強調(diào)它是一種特殊而且重要的污染源。影響程度取決于天氣形勢、火點位置以及燃燒秸稈量、燃燒狀態(tài)等。
根據(jù)Hays等的報道，生物質(zhì)燃燒過程中積聚模態(tài)粒子數(shù)量激增。Watson and Chow也發(fā)現(xiàn)源地空氣中PMi（空氣動力學(xué)直徑小于1微米的顆粒物）質(zhì)量濃度占顆粒物總排放量的比例超過80%。邵龍義等和董樹屏等指出：燃燒來源的典型粒子在掃描電鏡下，飛灰（硅鋁酸鹽粒子）呈球形，碳黑組成的煙塵集合體呈鏈狀。醫(yī)學(xué)研究證明，超細粒子（粒徑<0.1微米數(shù)量、顆粒物表面積、PAHs、以及顆粒物中的有機碳，更能決定空氣污染的健康影響，在質(zhì)量濃度達標的情況下，仍然可以對人體健康產(chǎn)生負面影響。
北京所處的華北地區(qū)6月中旬是麥收和秋播時節(jié)，為搶農(nóng)時，農(nóng)民采取最經(jīng)濟和便捷的方法將麥秸就地焚燒。盡管明令禁止，秸稈焚燒現(xiàn)象仍然存在，衛(wèi)星遙感影像上經(jīng)常可以看到大片的火點。段風(fēng)魁等[71發(fā)現(xiàn)北京市6月份人氣顆粒物中，生物質(zhì)燃燒的示蹤物一水溶性鉀的濃度高出非收割時間3倍左右，鄭曉燕等指出春耕、麥收、秋收和秋季落葉時節(jié)的生物質(zhì)燃燒都使得大氣顆粒物中的有機碳和水溶性鉀大量增加。杭維綺等對南京市、金文剛等對云南玉溪市的研究也表明農(nóng)田秸稈焚燒造成城市空氣質(zhì)量下降，尤其是大氣顆粒物污染加重。
農(nóng)作物秸稈其實也是一種很好的資源，如果可以其中回收經(jīng)
秸稈粉碎機粉碎然后再經(jīng)過
秸稈壓塊機、
秸稈顆粒機、飼料顆粒機壓制成生物質(zhì)燃料飼料供燃燒和牲畜食用不是也是一個兩全其美的方法么，而且，如果拿到外面銷售老百姓也可以增加收入。
本文介紹了2006年6月20日北京市受麥秸焚燒傳輸?shù)奈廴具^程，以期了解生物質(zhì)
燃燒排放污染物對下風(fēng)向城市的大氣質(zhì)量影響及其空氣污染特征量值，從而為制定和正確
評價農(nóng)田秸稈焚燒相關(guān)政策提供依據(jù)。
2、污染監(jiān)測情況與天氣／氣象條件
2.1污染監(jiān)測
北京市空氣質(zhì)量自動監(jiān)測網(wǎng)，由24個遍布全市城區(qū)、遠郊區(qū)城關(guān)鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村對照環(huán)境的自動監(jiān)測站點組成，承擔(dān)大氣污染常規(guī)業(yè)務(wù)監(jiān)測，常規(guī)監(jiān)測項目有：大氣可吸入顆粒物(PMio)，S02，CO，NO/N02/NOx，03。PMio采用美國熱電(TE)．安普(R&P)公司生產(chǎn)的R&P 1400a系列大氣顆粒物監(jiān)測儀，該儀器原理是利用錐形元件震蕩頻率和膜上顆粒物負載之間的線性關(guān)系，測量出顆粒物的質(zhì)量變化，工作流量設(shè)定為1L。氣態(tài)污染物測量使用美國熱電公司生產(chǎn)的紫外脈沖熒光法S02分析儀，氣體濾波相關(guān)紅外吸收法CO分析儀，紫外光度法03分析儀和化學(xué)發(fā)光法NO。分析儀。
顆粒物分粒徑觀測實驗內(nèi)容包括：二臺R&P1400a系列大氣顆粒物監(jiān)測儀測量大氣細粒子的質(zhì)量濃度，分別采用1微米、2.5微米切割裝置，一臺R&P 8400．S型顆粒物硫酸鹽監(jiān)測儀、一臺R&P8400-N型顆粒物硝酸鹽監(jiān)測儀以及一臺R&P5400型有機碳／總碳分析儀，同步測量大氣PM2.5組分的質(zhì)量濃度。同時，美國TSI公司生產(chǎn)的APS3321型粒子計數(shù)器對0.3-20微米大氣粒子進行分粒徑計數(shù)。
監(jiān)測儀器在質(zhì)量保證／質(zhì)量控制程序下運行。
2.2氣象條件
2006年6月19-21日，北京市高空一直受冷槽控制，天氣以晴到多云為主。19日中層1500m受冷槽影響，北風(fēng)明顯，20-21日處于暖脊控制之下，氣溫上升、風(fēng)速減弱；相應(yīng)地，地面氣壓形勢場由低壓后部轉(zhuǎn)受南部高壓影響，從20日02時起，地面至幾百米吹西南風(fēng)。從觀象臺的地面風(fēng)觀測結(jié)果來看，20-21日我市地方性風(fēng)的特征也很明顯，在后半夜（03-08時）出現(xiàn)了山風(fēng)(N)。20-21日地面風(fēng)速與風(fēng)向變化見圖1，可見午后至前半夜（21-02時），兩南風(fēng)持續(xù)且大多數(shù)時間風(fēng)速較火，在2-3 m．s.';后半夜山風(fēng)形成，風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)為偏西、偏北，風(fēng)速小于1 m．s_。因此從是否有利于污染物擴散角度來講，午后一前半夜有利于污染輸送擴散，后半夜容易造成污染物匯聚累積、濃度上升。
3、監(jiān)測結(jié)果分析
3.1污染的時空演變
2006年6月20日根據(jù)群眾舉報和衛(wèi)星遙感火點監(jiān)測，京冀交界處有大面積麥秸焚燒。北京市空氣質(zhì)量自動監(jiān)測網(wǎng)記錄了污染物的傳輸過程。圖2a是從西南向東北方向監(jiān)測點位空間分布圖示，圖2b是各地帶／區(qū)域PM10濃度隨時間的演化曲線。可見：良鄉(xiāng)-大興地帶（圖2a中“1”）19時PM10濃度陡然上升，20時超過600Ug．m-3;稍向北的豐臺鎮(zhèn)．亦莊地帶（圖2a中“2”）21-22時陡現(xiàn)峰值，濃度也達到了600um．m-3;由車公莊、前門、天壇、奧體中心等7個站點代表的城市建成區(qū)（圖2a中“3”）21時濃度快速攀升，峰值寬緩，最高值出現(xiàn)在00-02時，濃度在550ug．m-3左右。西部山前的石景山一豐臺云岡地區(qū)(“6”)在22時也出現(xiàn)了一個明顯的濃度峰，但很快下降；東北部的順義站點(“4”) 00時PM10濃度達到了一個小的高峰，270ug．m-3，而遠北部的懷柔一密云地帶(“5”) JL乎沒有明顯的峰值，22時前后濃度達到了100ug．m-3。
從14 -02時，地面一直吹較強的西南風(fēng)，最南端的良鄉(xiāng)．大興地帶異常高值持續(xù)時間為Shrs，因此可以推斷：麥秸焚燒源地的焚燒時間約為Shrs。從圖2a可見，明顯受到煙流影響的地域僅在垂直于風(fēng)向的一個較小的范圍內(nèi)，而且隨著煙流向下^風(fēng)向擴散，污染物濃度降低，4hrs后對約150km以外的地區(qū)影響已經(jīng)較輕。
圖3是使用美國國家海洋和大氣局(NOAA)空氣資源實驗窒(ARL)提供的混合單質(zhì)點拉格朗日積分軌跡模型( HYSPLIT)，計算的市區(qū)(39.93N，116.28E)污染物10h后向軌跡。20日14:00UTC（北京時間22時）是市區(qū)污染濃度快速上升的時刻，由此回溯10小時，1500m高度軌跡源地指向城區(qū)東部的通州，100-800m高度污染物的源地在北緯39.50-39.60、東經(jīng)115.60-116.20之間的京，冀交界處，自動監(jiān)測網(wǎng)所代表的污染是京冀交界處的麥秸焚燒輸送的貢獻。
傳輸?shù)奖本┦械奈廴疚镌诤蟀胍罐D(zhuǎn)北風(fēng)的氣象條件下，由于匯聚作用很難消散，在東北部至市區(qū)在大氣中長時間存留，直至21日午后由于熱力作用，被混合、擴散。除了PM10，其他氣態(tài)污染物在后半夜?jié)舛壬仙默F(xiàn)象也很明顯，比如市區(qū)車公莊站的NO和．CH4（見圖4），午后至前半夜西南風(fēng)較強時段濃度水平處于低谷，之后隨著風(fēng)速減小呈上升趨勢，至后半夜出現(xiàn)了濃度峰。說明了后半夜氣象條件是所有污染物濃度變化共同的制約因素。
3.2市區(qū)大氣PM2.5的化學(xué)組成
在位于市區(qū)車公莊西路的監(jiān)測中心實驗室，進行了顆粒物及組分的觀測。采用在線監(jiān)測設(shè)備測量了顆粒物的主要鹽類組成，硫酸鹽和硝酸鹽，數(shù)據(jù)的時間分辨率為th，熱光法分析得到了PM2.5中有機碳和黑炭的分析數(shù)據(jù)，時間分辨率為3h。
在污染輸送過程中，粒子尺度細小，PMi所占質(zhì)量濃度比例迅速增加，PM1/PM10由16時的20-30%上升到21時的60-70%，PMi小時濃度占PM2.5和PMio的比例最高分別達90%和68%。PM2.5/PM10亦有相同趨勢。圖5是污染過程中粒子尺度譜分布的變化情況，可以看到1um以下粒子從19時開始數(shù)濃度迅速增加，最高值達到了約100個-cm-3.
麥秸燃燒排放的顆粒物的主要組分是有機碳、炭黑、可溶性無機鹽類以及不可溶無機物，曹國良等采用的排放因子為：BC 0.69, OC 3.3。本研究中觀測到的有機碳(OC)和黑炭(EC)濃度變化也呈現(xiàn)出顆粒物很好的一致性，00時測得的濃度分別達到了42和32 ug.m-3。OC/EC低于上述排放因子比例，在1.1.1.7之間，午后．前半夜稍高，后半夜稍低。
圖6所示為PM2.5及其主要組成鹽類和有機碳、無機碳質(zhì)量濃度變化。可見，硫酸鹽和硝酸鹽濃度變化迥然不同。在20日18時和21日12時，二者濃度比較接近，然而在輸送持續(xù)的前半夜，硝酸鹽是硫酸鹽濃度的2-5倍。硝酸鹽類濃度的變化趨勢與PM2.5基本一致，硫酸鹽濃度變化在21時-02時十分平緩，比較明顯的上升是在03時以后，與氣態(tài)的S02濃度變化（見圖4）呈現(xiàn)極一致的趨勢，原因有待進一步研究，而顆粒物中的硝酸鹽類異常高，這也許是京冀交界處農(nóng)田施用大量的硝酸鹽類化肥，通過麥秸富集所致。
從濃度量值上看，麥秸焚燒除了硝酸鹽、有機碳和黑炭，也貢獻了大量粒徑細小的飛灰、土壤塵等粒子。
4、麥秸燃燒的污染貢獻
為了進一步確定此次農(nóng)田秸稈焚燒對北京市空氣污染的物種和濃度貢獻，利用統(tǒng)計軟件S-pluss，采用了相關(guān)分析和因子分析方法對數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析。
污染物間的完全相關(guān)系數(shù)，包含了一切影響帶來的相關(guān)性。這里“一切影響”主要是指污染源排放和氣象條件的組合影響。非采暖期北京市大氣污染物主要來源有機動車排放、工業(yè)排放和建筑施工排放，以及天然源排放（指農(nóng)田和森林的碳氫類排放）。燃煤過程主要排放S02、CO、NOx、PMio;機動車尾氣排放CO、碳氫類、NOx; PM10來自建筑施工、交通揚塵，以及二次污染過程。～般而言，在短時間內(nèi)污染源變化緩慢，而氣象條件變化相對迅速，所以是氣象條件主導(dǎo)了污染物濃度變化，從而使得幾乎所有大氣污染物濃度變化之間存在顯著的相關(guān)性，比如，2006年6月19日至20日。
利用S-pluss對數(shù)據(jù)進行了正態(tài)分布檢驗(Kolmogorov-Smirnov Test)，發(fā)現(xiàn)各項污染物濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布的假設(shè)，因此計算了Spearman秩相關(guān)系數(shù)(p)。2006年6月19日13時-20日12時，SO，、CO、NO、PMlo、CH4、非甲烷碳氫(NMHC)兩兩之間p在0,60—0.99之間（在0.01信度水平），NOz是二次污染物，與其他污染物p在0.45～0.73（在0.05信度水平）。6月20日-21日發(fā)生麥秸焚燒污染輸送時，各污染物間的相關(guān)系數(shù)發(fā)生了明顯的變化（表1）：
首先，S07與其他污染物的相關(guān)性變得不顯著；其次，CO與N02、PMio. CH4.NMHC，NO與CH4. NMHC，CH4與NMHC之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（0.01信度水平）。而且，CO和NO，的相關(guān)系數(shù)由0.59變?yōu)?.70;第三，PMio與一次污染物S02和NO不再有顯著的相關(guān)性，p由0.82變?yōu)?.35以下。說明污染物來源發(fā)生了明顯的變化，CO、PM10、碳氫類以及氮氧化合物類有了共同的、新的來源。
露天麥秸燃燒主要排放CO、C02、碳氫化合物、可吸入顆粒物以及NOx。根據(jù)文獻記載的農(nóng)田麥秸焚燒排放因子(g-kg'1)來看，排放的CO最多(56-76)，其次是顆粒物（PM2.5 4-5，美國AP-42參考值為6-11，），再次為有機碳和NOx。所以，CO和顆粒物可以作為麥秸焚燒輸送的代表性污染物。由于燃燒排放的NO很快被氧化為N02，所以在燃燒源地下風(fēng)向測到的是N02，NMHC中包含了麥秸燃燒排放的有機碳的信息。故而，CO與N02. PMio以及NMHC之間相關(guān)性顯著。
因子分析的優(yōu)點在于用少數(shù)幾個組合變量（尤其是不可觀測的）來解釋許多變量之間的協(xié)方差關(guān)系，按照相關(guān)性的大小分組，每組變量代表一個基本結(jié)構(gòu)，反映問題的一個方面，即本文中影響污染物濃度變化的一個因素（公因子），比如污染輸送，本地排放，氣象條件變化等等。本地污染排放相對均勻地分布在整個時段內(nèi)，因此其變化可以忽略。因子分析方法選用了最大可能性估計(mle)，因子旋轉(zhuǎn)選用了方差極大正交選轉(zhuǎn)(varmax)，結(jié)果如圖7所示。
第一、第二和第三公因子載荷平方和分別是：3.25，1.87和1.19。公因子1載荷主要來自'CH4和NO，代表了氣象條件變化，公因子2載荷主要來自N02和CO，代表了麥秸焚燒輸送來源：公因子3載荷主要是S07，還無法認定其來源含義，可能反映了特殊的化學(xué)過程。從公因子負載平方和來看，氣象條件變化對于污染物濃度變化影響是首要的，而麥秸燃燒污染輸送占次要地位。
此分析提示，突發(fā)性的農(nóng)田秸稈焚燒可以在短時間、有限范圍內(nèi)明顯地影響空氣中污染物的濃度，但是擴散到下游的污染物濃度變化仍然取決于當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件：在不利的氣象條件下，污染物可能滯留較長的時間，嚴重地影響當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量。
若以NO為參照物，按照PMio/NO變化定量評價麥秸焚燒PMio輸送貢獻，則在此過程中，對于市區(qū)站點PM10的小時濃度貢獻在0—400ug·m-3。，平均值為220ug．m-3；農(nóng)田秸稈焚燒作為一種區(qū)域污染輸送來源，對城市的空氣污染影響程度值得關(guān)注。在不利擴散的氣象條件下，禁止秸稈焚燒非常必要。
5、結(jié)論
本文利用一次由于農(nóng)田麥秸焚燒引發(fā)的大氣污染的監(jiān)測結(jié)果，分析了污染的時空分布特征和化學(xué)組成特征；應(yīng)用相關(guān)分析和囚子分析方法對污染員獻進行評價，得出以下結(jié)論：
(1)后向軌跡模擬證明：此次農(nóng)田麥秸焚燒的源地位于西南部北京．河北交界地區(qū)，在適當(dāng)?shù)妮斔蜌饬鳁l件下，很快被帶到下游地區(qū)。而地面一低層天氣形勢是決定污染輸送的重要條件。
(2)麥秸焚燒對于源地附近空氣質(zhì)量影響很大，具有響應(yīng)迅速、影響劇烈的特點。但是影響范圍有限：此次過程中煙流擴散4小時以后150公里以外地區(qū)的峰值濃度已經(jīng)衰減為約1/6。
(3)相關(guān)分析表明此次秸稈焚燒對北京市大氣輸送了PMio. CO、N02和NMHC等污染物。
(4)在此次過程中，北京市的氣象條件變化（地方性風(fēng)場），是主導(dǎo)了污染物濃度變化的首要公因子，而麥秸燃燒污染輸送是影響了各種污染物濃度變化的第二公因子。
(5)麥秸燃燒輸送的顆粒物中，1um以下的粒子比例很大，這種粒子在大氣中的存留期較長。細粒子組成中硝酸鹽很多，可能與源地麥秸中此類物質(zhì)含量有關(guān)。
農(nóng)田秸稈焚燒作為一種區(qū)域污染輸送來源，對城市的空氣污染影響程度值得關(guān)注。在不利擴散的氣象條件下，禁止秸稈焚燒非常必要。顆粒物的其它化學(xué)成分，異常高的硝酸鹽和S02的特殊變化值得進一步深入研究，從而為北京市及周邊地區(qū)生物質(zhì)燃燒污染控制政策的制定提供更全面的依據(jù)。
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顆粒機、
秸稈壓塊機、飼料顆粒機等專業(yè)處理農(nóng)作物秸稈的機械設(shè)備。
