卫星遥感技术在秸秆焚烧监测业务中的应用

农村秸秆焚烧常造成灰烬飞扬,烟雾迷漫,形成空气污染.常规的秸秆焚烧监测难度较大.本文介绍了河南省利用卫星遥感技术开展秸秆焚烧监测业务、服务的方法,包括卫星遥感技术监测秸秆焚烧火点的基本原理,以及秸秆焚烧火点遥感监测业务服务的流程、相关业务服务系统的组成及服务方式等.     

卫星遥感技术在秸秆焚烧监测业务中的应用

农村秸秆焚烧常造成灰烬飞扬，烟雾迷漫，形成空气污染。常规的秸秆焚烧监测难度较大。本文介绍了河南省利用卫星遥感技术开展秸秆焚烧监测业务、服务的方法，包括卫星遥感技术监测秸秆焚烧火点的基本原理，以及秸秆焚烧火点遥感监测业务服务的流程、相关业务服务系统的组成及服务方式等。     

Effects of different long-term crop straw management practices on ammonia volatilization from subtropical calcareous agricultural soil

长期秸秆还田或秸秆焚烧会显著影响土壤肥力及土壤氮素循环,但该措施对土壤氨挥发的影响仍尚不明确。本研究利用秸秆还田长期定位试验小区,研究了无秸秆配施(CK),配施100%或50%秸秆(SI1, SI2)和配施50%秸秆焚烧(SI2B)对土壤氨挥发的影响。结果表明:氨挥发在小麦季持续38天,而玉米季持续7–10天。秸秆还田显著影响混施基肥期的土壤氨挥发而非表施追肥期。与CK相比, SI1和SI2分别降低了35.1%和16.1%的年累积氨排放,可能因为秸秆的高C/N比及较高的微生物活性促进了无机氮的固定降低土壤NH4+的浓度。SI2B比SI2增加了29.9%的氨排放。因此,长期合理的秸秆还田可为石灰性旱地土壤氨挥发减排提供选择和依据。     

秸秆的综合利用技术

秸秆当作废物燃烧,不仅浪费资源,而且污染环境,其形成的持续烟雾,干扰运输秩序、带来火灾隐患。因此,近几年来我们总结了一些既能减少环境污染,又能产生良好经济效益的秸秆综合利用技术。秸秆做肥料:在目前的经济和技术条件下,还田做肥料仍是秸秆消化的主要渠道。其方式主要有:     

河南省获嘉县农田水分供需特征及秸秆覆盖效果分析

秸秆覆盖可以减少土壤表面水分蒸发,提高水分利用效率.以不覆盖处理为对照,2005年10月至2007年10月在获嘉县农场对冬小麦和夏玉米生育期间进行了秸秆覆盖处理对比观测.结果表明,秸秆覆盖后近地层气象要素发生了改变,覆盖后近地层空气温度升高,水汽压降低,地表土壤温度下降;秸秆覆盖有明显的保墒、蓄水作用,提高了土壤水分利用率;同时秸秆覆盖对提高冬小麦的成穗数,增加冬小麦和玉米的千粒重有明显作用.试验期间,推广田冬小麦增产幅度为8.7%,夏玉米增产幅度为8.9%.     

京津冀周边秸秆燃烧对PM2.5无机组分影响

华北平原是我国主要农作物产区,田间秸秆焚烧现象普遍存在,选取秋收季节（2014年10月）分析了秸秆燃烧的排放特征,利用区域化学传输模型WRF-Chem模拟研究了燃烧排放对气态前体物及其氧化产物的影响,以及最终导致的PM_2.5中硫酸盐、硝酸盐和铵盐的变化。研究表明:2014年秋收季节,河南和山东等省份的秸秆燃烧排放会在东南风的输送作用下影响京津冀地区;秸秆燃烧排放大量挥发性有机物（VOCs）,导致火点源及周边地区大气中主要氧化剂浓度上升,提升了区域大气氧化能力;当携带大量VOCs的秸秆燃烧烟羽与以化石燃料排放为主的城市气团相混合时,大气氧化性增强会加速城市地区人为源排放的NO_x和SO₂等气态前体物的氧化过程,提高硫酸盐和硝酸盐的形成速率、促进二次无机气溶胶的生成。     

卫星遥感在秸秆焚烧监测中的应用

通过对MODIS光谱特征的分析，提出了一种综合运用3S技术进行秸秆焚烧动态监测的资料处理流程和量化判识指标。通过在关中地区2004年麦秸秆焚烧监测中的应用，效果良好，为政府部门迅速、准确地了解全省秸秆焚烧情况，提高预警能力和监督检查的效率提供了科学依据。     

秸秆的综合利用技术

秸秆当作废物燃烧,不仅浪费资源,而且污染环境,其形成的持续烟雾,干扰运输秩序、带来火灾隐患.因此,近几年来我们总结了一些既能减少环境污染,又能产生良好经济效益的秸秆综合利用技术.     

秸秆燃烧对北京秋季气溶胶浓度和短波辐射影响的模拟研究

利用地面细颗粒物（PM2.5）浓度和气象常规观测资料、地基 AERONET观测资料、GFED生物质燃烧排放清单和大气化学—天气耦合模式WRF-Chem,模拟研究了华北地区2014年10月气象要素和大气污染物的时空演变,重点关注北京10月7～11日的一次重霾事件及其天气形势、边界层气象特征、输送路径、PM2.5及其化学成分浓度变化等特征,以及秸秆燃烧对华北和北京地区细颗粒物浓度和地面短波辐射的影响。与观测资料的对比结果显示,模式可以很好地模拟北京地区地面气象要素和PM2.5质量浓度,考虑秸秆燃烧排放源可以明显改进北京PM2.5浓度模拟的准确性,但在重度污染情况下,模式总体上低估气溶胶光学厚度和高估地面短波辐射。10月7～11日北京地区重霾事件主要是不利气象条件下人为污染物累积和区域输送造成,也受到华北地区南部秸秆燃烧的影响。河南北部、河北南部和山东西部大面积秸秆燃烧释放的气态污染物和颗粒物在南风的作用下输送至北京,秸秆燃烧对北京地区地面PM2.5、有机碳（OC）、硝酸盐、铵盐、硫酸盐和黑碳（BC）的平均贡献率分别为24.6%、36.8%、23.2%、22.6%、7.1%和19.8%,秸秆燃烧产生的气溶胶可以导致北京地面平均短波辐射最大减小超过20 W m－2,约占总气溶胶导致地表短波辐射变化的24%。     

静止气象卫星秸秆焚烧监测灵敏度分析研究

近年来秸秆焚烧状况日趋严重,给生态环境带来了极大的破坏。因为秸秆焚烧具有非常强的季节性、区域性,火点分布零散,发生时间具有随机性的特点,所以要求卫星有着极高的时空分辨率来满足观测要求。风云四号作为我国新一代静止气象卫星于2016年12月发射,具有高时空分辨率的优势,相关研究及应用尚未大范围开展推广,为了推进风云四号卫星数据的应用与分析,此次研究以Himawari-8数据,结合风云三号覆盖黑龙江的过境时间,进行秸秆焚烧面积信息提取及火点监测,并与风三监测结果进行比较,分析Himawari-8的可靠性与稳定性。结果表明:Himawari-8和FY3监测火点信息基本吻合,Himawari-8监测不到FY3监测到的最小火点面积0.02hm^2,亮温在302 K左右,说明Himawari-8在0.02-0.38 hm^2范围以下对秸秆焚烧火点的监测敏感度不够。     

秸秆燃烧排放对北京及其周边地区PM2.5浓度影响的数值模拟

采用卫星监测的火点燃烧排放数据,利用区域化学传输模式WRF-Chem模拟分析了2017年5月华北地区细颗粒物(PM2.5)质量浓度分布,通过生物质燃烧排放源(华北区域以秸秆燃烧为主)开关的敏感性试验定量计算了燃烧排放对北京及其周边地区PM2.5质量浓度的影响。卫星监测结果显示,2017年5月华北地区有大量的秸秆焚烧现象,对该地区空气质量造成一定影响的燃烧天数为20 d,占全月总日数的65%左右。数值模拟结果表明:该地区秸秆燃烧排放导致PM2.5浓度升高的区域集中在华北平原农作物产区,其分布位置与卫星监测的火点分布吻合。秸秆燃烧导致这些地区PM2.5浓度月平均值上升幅度普遍超过3 μg/m~3,高值区超过了11 μg/m~3,上升比例可达10%以上;此外,来自华北平原及长三角地区的燃烧排放对北京(特别是东南部地区)污染物浓度的影响是不容忽视的,其中河南、山东、天津等地的秸秆燃烧在合适风场的作用下会严重影响北京,可导致丰台及通州等地PM2.5小时浓度上升超过17 μg/m~3,上升幅度超过40%。     

小麦干旱综合防御技术应用效果分析

将黄淮平原农业干旱监测预警与综合防御技术在泰安进行推广,综合运用深耕、秸秆翻压还田、秸秆覆盖、药剂拌种、有限灌溉、喷施防旱剂和小麦干热风制剂等技术,并进行了应用对比分析,结果表明,该技术具有明显的抗旱增产效果,每亩麦田可增收节支27元左右,效益显著。     

小麦秸秆还田量对晋南地区裸地土壤—大气间甲烷、二氧化碳、氧化亚氮和一氧化氮交换的影响

采用静态暗箱采样—气相色谱/化学发光分析相结合的方法,对晋南地区盐碱地不同小麦秸秆还田量裸地土壤夏、秋季(2008年6～10月)的甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、氧化亚氮(N2O)和一氧化氮(NO)交换通量进行了原位观测。结果表明:观测期内,秸秆全还田(FS)、秸秆一半还田(HS)和秸秆不还田(NS)处理土壤—大气间CH4、CO2、N2O和NO平均交换通量分别为-0.8±2.7、-1.4±2.3、-6.5±1.8μg(C).m-2.h-1(CH4),267.1±23.1、212.0±17.8、188.5±13.6mg(C).m-2.h-1(CO2),20.7±3.0、16.3±2.3、14.7±1.7μg(N).m-2.h-1(N2O),3.9±0.5、3.4±0.5、3.0±0.4μg(N).m-2.h-1(NO)。交换通量表现出明显的季节变化趋势,灌溉、降雨和温度变化是影响该趋势的主要因素。相对于NS处理,FS和HS处理降低了累积CH4吸收量(66%和59%),增加了累积CO2(42%和12%)、N2O(41%和9%)和NO(30%和13%)排放量,因此,秸秆还田促进了农田土壤总的温室气体排放。计算得到FS和HS处理小麦秸秆的CO2、N2O、NO排放系数分别为73.4%±1.6%和43.3%±1.0%(CO2)、0.37%±0.01%和0.17%±0.00%(N2O)、0.06%±0.00%和0.05%±0.00%(NO),FS处理的排放系数显著高于HS处理,且均低于同一实验地种植玉米、施肥农田的小麦秸秆排放系数(N2O和NO排放系数分别为2.32%和0.42%)。可见,在采用排放因子方法估算还田秸秆CO2、N2O和NO排放量时,应考虑秸秆还田量、农作物种植和施肥因素的影响。     

秸秆焚烧对区域城市空气质量影响的模拟分析

利用融合火点排放源、人为源和生物源的WRF-Chem(Weather Research and Forecasting Model coupled with Chemistry)模式,模拟2015年9月30日08:00(北京时间)起的72 h发生在淮河流域的一次农作物秸秆大面积露天焚烧过程,研究了农作物秸秆焚烧释放的气态污染物和颗粒物对区域城市空气质量的影响。通过有无火点两组试验分析了此次秸秆焚烧对流域内河南、山东、江苏和安徽四省83座城市CO、PM10(空气动力学当量直径小于等于10μm的颗粒物,即可吸入颗粒物)、PM2.5(空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物,即细颗粒物)和O3浓度的定量影响,结果表明:(1)融合NCAR-FINN(Fire Inventory from NCAR)火点排放资料的WRF-Chem模式较好地再现了此次秸秆焚烧及火点烟羽扩散过程。同时结合EDGAR-HTAP(Emission Database for Global Atmospheric Research on Hemispheric Transport of Air Pollution)人为源和MEGAN(Model of Emission of Gases and Aerosols from Nature)生物源的WRF-FIRE(考虑火点排放试验)对流域内城市大气污染物的模拟效果较为理想,尤其对秸秆焚烧释放的污染物CO、PM10和PM2.5和产生的二次污染物O3浓度的模拟。(2)秸秆焚烧所释放的污染物造成流域内城市一次污染物CO、PM10和PM2.5浓度的增加,火点中心和下风向城市增幅最为明显,最大小时浓度增幅达到3倍标准差。气态污染物CO和相比PM10粒径更小的PM2.5可随风扩散至更远的地区,对城市浓度影响更大。(3)此外,秸秆焚烧也使得火点中心城市和下风向城市二次污染物O3浓度增加,但小时浓度增幅极值区分布在火点下风向烟羽末端太阳光照充足的地区,最大小时浓度增幅接近3倍标准差。秸秆焚烧对区域城市空气质量的影响存在明显的空间分布差异且对城市各大气污染成分的影响也不相同。     

基于观测的污染气体区域排放特征

利用2006年9月—2007年8月河北省固城生态与农业气象试验基地 (固城站) 反应性气体观测数据获得了CO与NO_x,CO与SO₂,SO₂与NO_x体积分数比的变化特征,并将观测得到的体积分数比与从INTEX-B等排放源资料得到的排放比进行比较研究。当风向来自北方向 (北京) 时,固城站的CO和NO_x体积分数显著高于其他方向,而来自南方向 (保定、石家庄) 时,SO₂体积分数显著高于其他方向。固城站观测到的CO与SO₂,CO与NO_x体积分数比分别为43.7和31.6,较排放比高出2~12倍。分析表明:排放源清单对CO排放低估了大约2倍以上,生物质燃料燃烧,尤其是收获季节大规模秸秆燃烧排放可能是重要的且被低估了的源。从观测数据估计得到秸秆燃烧期比平时CO大约多排放了90%±30%,忽略秸秆燃烧期额外排放对CO排放强度估计有重要影响。未来排放源清单编制和使用需要更加关注我国农业区秸秆燃烧排放对排放强度的影响。     

基于AVHRR的地市级火情监测分析与应用

以DVB-S下发的气象卫星AVHRR遥感资料为基础,根据下垫面性质把鹤壁分成不同火点判识子区,通过对卫星火点监测资料和实际火点资料统计对比分析,确定每一子区不同时次的精细门槛值,并利用1∶5×104大比例尺行政数据集对火点进行精确定位,在鹤壁地区2004和2005年秸秆焚烧监测应用中取得了良好效果,为政府部门及时准确掌握全市秸秆焚烧情况,提高火情监测能力和监督检查效率提供了重要科学依据。     

CALIOP对一次秸秆焚烧后气溶胶光学特性的探测分析

采用星载激光雷达(Cloud-Aerosol LIdar with Orthogonal Polarization,CALIOP)资料研究了2008年6月2日华东秸秆焚烧排放气溶胶的光学特性,并与2006~2008年统计结果进行了对比。结果表明:1)CALIOP能够有效探测到气溶胶层,探测结果符合生物质燃烧气溶胶的典型特征;气溶胶分布及廓线特点可以由火点分布及大气环流形势做出解释。2)个例中气溶胶光学特性廓线与该地区2006~2008年全年平均和夏季平均都存在一定差异。个例中后向散射系数廓线的峰值显示出气溶胶垂直分布结构,对应高度上的退偏振率比平均偏大而双波长比则偏小,表明秸秆焚烧源气溶胶层由大量非球形的细粒子组成。3)个例中气溶胶粒子谱特征与3年夏季平均接近而与3年平均差别很大,显示出个例的季节特征。更多个例的统计分析和地基观测的验证有助于了解秸秆焚烧源气溶胶的普遍规律。     

农业干旱综合防御技术的应用效果分析

利用黄淮平原农业干旱监测预警与综合防御技术,通过示范,将深耕、秸秆翻压还田、药剂拌种、秸秆覆盖、有限灌溉、喷施防旱剂和防御小麦干热风制剂等技术在濮阳市进行综合推广。2006-2007年4个农作物种植季节推广应用结果表明：该项技术具有明显的节水、防旱和增产效果,能使小麦增产6．4％-7．2％,玉米增产6．7％～11．6％,同时还可减少灌溉1～2次,经济效益显著,适宜在黄淮平原及干旱、半干旱地区推广应用。     

大气CO2浓度升高和秸秆还田对稻麦轮作农田N2O排放的影响

随着大气CO2浓度的逐渐升高,CO2的施肥效应很可能对陆地生态系统的N2O地气交换过程产生一定的影响。在江苏北部的中国稻麦轮作FACE (Free-Air Carbon Dioxide Enrichment) 实验平台上,采用静态箱暗箱-色谱法,研究了一个稻麦轮作周期（2005年6月中旬至2006年6月中旬）3种小麦秸秆还田水平处理(全还田、半还田和不还田)和CO2浓度升高200 μmol·mol-1对稻麦轮作农田N2O排放的影响。结果表明,就当地传统农田管理方式下的砂性土壤稻麦轮作农田N2O排放而言,所采用的观测方法未能检测到显著的秸秆还田效应和大气CO2浓度升高效应。     

烟幕的形成条件及危害

近几年来 ,在秋收和夏收之后 ,广大农民对小麦、玉米的秸秆普遍采取焚烧的办法 ,来节省时间和人力 ,致使空气中形成烟幕。虽然此情况只是季节性的 ,但观测资料表明 ,烟幕出现的月数有明显增加的趋势。烟幕不仅对城乡居民的生活和健康带来危害 ,也对气象观测带来一定影响。1　烟幕的形成与气象条件的关系大气的层结状态是形成烟幕的因素之一。大气处于不稳定状态时 ,垂直运动强烈 ,有利于烟的扩散 ;大气处于稳定状态时 ,空气的垂直运动受到抑制 ,不利于烟的扩散。逆温是大气稳定度的一项重要指标。近地面层逆温形成后 ,地面秸秆燃烧产生的烟…