郭文凱,劉 鎮(zhèn),劉文博,劉 曉,朱玉凡,陳 強(qiáng)*

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蘭州生物質(zhì)燃燒VOCs排放特征及其大氣環(huán)境影響

郭文凱1,劉 鎮(zhèn)1,劉文博2,劉 曉1,朱玉凡1,陳 強(qiáng)1*

(1.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,半干旱氣候變化教育部重點實驗室,甘肅 蘭州 730000；2.甘肅靜和源環(huán)?？萍加邢薰?甘肅 蘭州 730000)

生物質(zhì)燃燒；揮發(fā)性有機(jī)物；排放特征；臭氧生成潛勢；SOA生成潛勢

近年來,高濃度地面O3和PM2.5污染事件頻發(fā)[1-2],VOCs作為參與大氣光化學(xué)反應(yīng)的重要活性物種,是對流層O3和SOA的重要前體物[3-4].生物質(zhì)燃燒作為人為VOCs的重要來源之一,對區(qū)域VOCs總量有重要影響,人為源VOCs排放清單研究表明,我國生物質(zhì)燃燒源約占人為源總量的25%[5],四川省生物質(zhì)燃燒源是貢獻(xiàn)最大的子源,占比36%[6].

不同經(jīng)濟(jì)水平地區(qū)生物質(zhì)燃燒量差異較大[7],在條件相對落后的西北農(nóng)村,居民多以生物質(zhì)燃料作為能源,加之冬季采暖需要,生物質(zhì)燃燒造成的排放影響更是不容忽視,我國西部和北部省份中,生物質(zhì)燃燒源相比其他人為源對OFP總量的相對貢獻(xiàn)更大[8].生物質(zhì)燃燒源包含生物質(zhì)開放燃燒(秸稈露天燃燒、森林火災(zāi)和草原火災(zāi))、戶用生物質(zhì)爐具和生物質(zhì)鍋爐.目前,西北地區(qū)生物質(zhì)燃燒源的排放研究多集中在秸稈露天燃燒[9-10]和戶用生物質(zhì)爐具[11],建立清單過程中未區(qū)分不同經(jīng)濟(jì)水平地區(qū)的生物質(zhì)燃燒比例[12].綜上,本文以典型西北地區(qū)—蘭州市為例,通過入戶調(diào)查獲得不同經(jīng)濟(jì)水平地區(qū)的生物質(zhì)燃燒比例,結(jié)合統(tǒng)計年鑒等方式計算生物質(zhì)燃燒源活動水平,進(jìn)而采用排放因子法建立了2016年生物質(zhì)燃燒源10類子源的VOCs排放清單,并利用高分辨率的可見光紅外輻射成像儀(VIIRS)火點資料等作為時空表征數(shù)據(jù)對排放總量進(jìn)行時空分配,分析蘭州市生物質(zhì)燃燒源的排放特征,最后利用最大增量反應(yīng)活性(MIR)和氣溶膠生成系數(shù)(FAC)對O3和SOA的生成潛勢進(jìn)行了估算,分析其排放對區(qū)域大氣環(huán)境的影響,以期為區(qū)域O3和PM2.5治理對策的制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和依據(jù).

1 數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 VOCs排放定量表征方法

以2016年蘭州市117個鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道為研究區(qū)域.研究對象包含生物質(zhì)開放燃燒和戶用生物質(zhì)爐具,生物質(zhì)開放燃燒包含秸稈露天燃燒(小麥、玉米、油料和蔬菜)、森林和草原火災(zāi),戶用生物質(zhì)爐具包含秸稈炊事燃燒(小麥和玉米)、柴薪燃燒和煨炕.煨炕是西北經(jīng)濟(jì)水平相對落后的農(nóng)村地區(qū)特有的生物質(zhì)采暖爐具,不同于其他室內(nèi)生物質(zhì)燃燒源,煨炕的燃燒口位于室外,采取燃料陰燃的方式來加熱炕體[13].本文中煨炕的VOCs排放量及時空間分配均參考文獻(xiàn)[14].采用“自下而上”的方式估算生物質(zhì)燃燒源的VOCs排放總量,計算公式為:

式中:為生物質(zhì)燃燒源VOCs的年排放總量,t;為活動水平,t;EF為排放因子,g/kg;、和分別為地區(qū)、子源類型和燃料類型/森林類型/草地類型/秸稈類型(下文同).

本文依據(jù)生物質(zhì)人為燃燒指數(shù)()來區(qū)分不同地區(qū)的生物質(zhì)人為燃燒活動水平(式2),指數(shù)具體意義見文獻(xiàn)[14].

式中:為蔬菜產(chǎn)量,t;為小麥產(chǎn)量,t;為玉米產(chǎn)量,t;為油料產(chǎn)量,t.

1.1.1 活動水平的確定 秸稈露天燃燒、森林和草原火災(zāi)活動水平參考指南[15-16]計算,農(nóng)作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)()來自蘭州市統(tǒng)計年鑒[17]和各區(qū)(縣)統(tǒng)計年鑒,秸稈選擇蘭州市種植面積最廣的四類作物小麥、玉米、油料(胡麻和油菜)及蔬菜.小麥、玉米和油料的草谷比()為本地實測數(shù)據(jù)[18],蔬菜類草谷比參照薯類、甜菜等農(nóng)作物副產(chǎn)品比例,清單估算采用的作物草谷比數(shù)值具體如表1所示.

表1 清單估算采用的草谷比數(shù)值

秸稈露天焚燒比例()參考甘肅省平均比例9.2%[9],結(jié)合蘭州市實地調(diào)查對該比例予以調(diào)整,>100的富裕城郊,管控措施較嚴(yán),露天燃燒比例調(diào)整為5%;100>>1的一般經(jīng)濟(jì)水平鄉(xiāng)鎮(zhèn),秸稈再回收利用率低,露天燃燒比例調(diào)整為25%;<1的經(jīng)濟(jì)水平較低鄉(xiāng)鎮(zhèn),秸稈主要用途為畜禽飼料或能源燃料,露天燃燒比例調(diào)整為15%;蔬菜秸稈主要用作畜禽飼料或田間堆肥,露天燃燒比例調(diào)整為5%,燃燒率()選用90%[15].

蘭州屬于溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,森林以溫帶落葉闊葉林和寒帶針葉林為主,草原以溫性草甸草原和溫性荒漠性草原為主,溫帶森林、溫性草甸草原和溫性荒漠性草原的干物質(zhì)生物量()分別為157,1.579和0.344t/hm2,森林和草原的平均燃燒率()分別為0.5和0.8[15],火災(zāi)受害面積(AR)來源于中國統(tǒng)計年鑒2017[20],由于中國統(tǒng)計年鑒中僅給出了省級行政區(qū)域森林和草原火災(zāi)受害總面積,未給出更小區(qū)域不同植被類型的火災(zāi)受害面積,本文運用各省森林和草原火災(zāi)受害面積、VIIRS火點數(shù)據(jù)和植被區(qū)劃數(shù)據(jù)確定了蘭州市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同植被類型火災(zāi)受害面積,搭載于Suomi NPP衛(wèi)星上的重要傳感器VIIRS在環(huán)境監(jiān)測和災(zāi)害防范等領(lǐng)域具有非常廣泛的用途[21-22],亦可用于秸稈焚燒等火點的監(jiān)測[23],其火點數(shù)據(jù)在NASA-FIRMS[24]直接獲取,數(shù)據(jù)文件屬性包括火點位置、時間、亮度溫度等信息.以確定各鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同森林類型火災(zāi)受害面積為例說明本研究利用VIIRS火點數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分配的方法,根據(jù)土地利用類型及中國植被區(qū)劃數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心,http://www.resdc. cn),利用ArcGIS篩選出不同森林類型上的火點及數(shù)目,假定VIIRS傳感器I4波段探測的亮度溫度與森林火災(zāi)受害面積成正比,結(jié)合和蘭州市鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界矢量數(shù)據(jù),即可分配得到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同森林類型火災(zāi)受害面積.

蘭州市戶用生物質(zhì)爐具包括灶、火爐和煨炕,生物質(zhì)成型燃料和牲畜糞便在調(diào)查范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)使用,因此,秸稈和柴薪是重點關(guān)注的生物質(zhì)燃料,炊事秸稈和柴薪的燃燒量可通過式(3)、(4)進(jìn)行計算.

選取榆中縣夏官營鎮(zhèn)太平堡村、來紫堡鄉(xiāng)駱駝巷村、甘草店鎮(zhèn)克澇村、龍泉鄉(xiāng)騾子灘村、永登縣中堡鎮(zhèn)汪家村、紅古區(qū)花莊鎮(zhèn)煌興村和皋蘭縣黑石鎮(zhèn)黑石村作為典型樣本進(jìn)行入戶抽樣調(diào)查,調(diào)查內(nèi)容包括炊事秸稈占總秸稈產(chǎn)量的比例、炊事秸稈類型、柴薪燃燒戶數(shù)占有比例和每戶日均柴薪用量等;回收有效調(diào)查問卷55份.調(diào)查結(jié)果表明:炊事秸稈占秸稈總產(chǎn)量的比例在<1的地區(qū)約為30%,在100>>1的地區(qū)約為10%,炊事秸稈主要為玉米和小麥;柴薪爐具戶數(shù)在<1的地區(qū)約占調(diào)查總戶數(shù)的70%;在100>>1的地區(qū)約占總戶數(shù)20%,日均柴薪燃燒量約為4kg/d,>100的地區(qū)戶用生物質(zhì)爐具的活動水平為0.以調(diào)查得到的各農(nóng)村居民點平均活動水平代表所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)的活動水平,未調(diào)查鄉(xiāng)鎮(zhèn)的活動水平采用已調(diào)查的相近水平的鄉(xiāng)鎮(zhèn)平均活動水平代替.

1.1.2 排放因子及源成分譜 依據(jù)文獻(xiàn)[15-16],選取對應(yīng)的各子源VOCs排放因子(EF).源成分譜優(yōu)先選取國內(nèi)實測成分譜,對缺少本土研究或測量物種數(shù)較少的成分譜則參考SPECIATE 4.5數(shù)據(jù)庫及相關(guān)國外實測成分譜,其中,秸稈炊事燃燒和柴薪燃燒的成分譜采用國內(nèi)爐具的實測成分譜,目前未有實測的煨炕源成分譜,考慮其燃料及陰燃的特性,采用小麥秸稈陰燃狀態(tài)的成分譜代替煨炕源成分譜,成分譜的來源見表2.

表2 VOCs源成分譜來源

1.2 時空間分配方法

依據(jù)生物質(zhì)燃燒源各子源的時間排放特征表征數(shù)據(jù)[29],秸稈露天燃燒、森林火災(zāi)和草原火災(zāi)的燃燒時間分別以耕地、林地和草地上的近5a(2012~ 2016年)VIIRS火點時間為表征數(shù)據(jù),秸稈炊事燃燒和柴薪燃燒月變化特征較小,排放量全年平均分配到每個月.目前對于生物質(zhì)開放燃燒源的空間分配主要有基于MODIS火點[30-31]和土地類型面積[32]為空間特征表征數(shù)據(jù)的兩種分配方法.然而,MODIS等傳感器受空間分辨率、天氣條件和過境時間等因素影響,對于持續(xù)時間短、燃燒面積小的火點監(jiān)測數(shù)量偏少,而基于土地類型面積為權(quán)重參數(shù)的空間分配方法分辨率較低[32],單獨以土地類型面積或衛(wèi)星火點位置分配均與實際情況有一定的差異.因此,本文采用分辨率更高的VIIRS火點數(shù)據(jù)代替MODIS火點數(shù)據(jù),對于燃燒面積較小的秸稈露天燃燒源,分別給予耕地上的VIIRS火點和耕地面積一定的權(quán)重比例綜合作為空間特征表征數(shù)據(jù),本文將權(quán)重比例假定為50%;對于燃燒面積較大的森林和草原火災(zāi),分別以林地和草地上的VIIRS火點位置為空間特征表征數(shù)據(jù);秸稈炊事燃燒和柴薪燃燒以農(nóng)村居民點位置作為空間特征表征數(shù)據(jù).

1.3 OFP估算方法

最大增量反應(yīng)活性(MIR)法、OH消耗速率法和光化學(xué)臭氧產(chǎn)生潛力法(POCP)等方法是研究VOCs物種對O3生成影響的主要方法[33-34].MIR計算結(jié)果用OFP表示,OFP反映了VOC物種在最佳反應(yīng)條件下對O3生成貢獻(xiàn)[35],其廣泛用于評估VOCs在某一地區(qū)O3生成中的作用[36-37],利用MIR值計算OFP可表示為:

1.4 SOA生成潛勢估算方法

國內(nèi)外當(dāng)前定量估算SOA的主要方法包括OC/EC比值法、WSOC法、氣溶膠生成系數(shù)法(FAC)等,其中,Grosjean等[39-40]在綜合大量煙霧箱實驗和大氣化學(xué)動力學(xué)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出了一套氣溶膠生成系數(shù),在SOA生成潛勢的估算中取得了廣泛的應(yīng)用[41-42],本文采用該方法計算SOA生成潛勢,公式如下:

2 結(jié)果與討論

2.1 2016年蘭州市生物質(zhì)燃燒源VOCs排放總量

通過活動水平和排放因子計算各鄉(xiāng)鎮(zhèn)排放量,按區(qū)縣行政區(qū)劃相加得到蘭州市生物質(zhì)燃燒源VOCs排放總量,結(jié)果如圖1所示.

圖1 蘭州市2016年生物質(zhì)燃燒源VOCs排放總量

從圖1可以看出,蘭州市2016年生物質(zhì)燃燒源VOCs的總排放量為6626.2t,煨炕是排放量貢獻(xiàn)最大的子源,年排放量為4997.1t,貢獻(xiàn)率為75.4%,主要原因為煨炕仍為落后的農(nóng)村地區(qū)主要采暖方式,同時煨炕的陰燃方式增大了VOCs等不完全燃燒產(chǎn)物的排放因子.秸稈露天燃燒、秸稈炊事燃燒和柴薪燃燒的VOCs排放量分別為999.6, 444.0和184.4t,貢獻(xiàn)率分別為15.1%, 6.7%和2.8%,森林火災(zāi)和草原火災(zāi)對VOCs的總量貢獻(xiàn)小于1%.排放主要集中在周邊農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)且經(jīng)濟(jì)條件較為落后的地區(qū),榆中縣、永登縣和皋蘭縣的排放總量為5244.4t,為總量貢獻(xiàn)了79.1%,其他經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)區(qū)域僅貢獻(xiàn)了20.9%.

2.2 時間分布特征

蘭州市生物質(zhì)燃燒源月排放貢獻(xiàn)變化如圖2所示,秸稈露天燃燒主要受作物種植及收獲時間影響,高峰時間段為7月和8月,分別為全年的秸稈露天燃燒排放貢獻(xiàn)了17.4%和20.2%,7月中旬和8月正是蘭州市小麥和玉米的收割期,受北方地區(qū)季節(jié)性休耕的影響,1月份排放的貢獻(xiàn)僅為1.4%;煨炕的放集中在11月~次年4月,森林和草原火災(zāi)主要受氣溫、濕度等自然因素影響,其排放主要集中在最炎熱的7月,生物質(zhì)燃燒源時間排放特征同時受人類活動和自然因素影響,排放主要集中在采暖季及農(nóng)作物收割期.以11~3月作為采暖季,4~10月作為非采暖季,采暖季為全年的生物質(zhì)燃燒源排放貢獻(xiàn)了76.0%,煨炕為采暖季污染物排放貢獻(xiàn)了91.4%,非采暖為全年的生物質(zhì)燃燒源排放貢獻(xiàn)了24.0%,秸稈露天燃燒為非采暖季污染物排放貢獻(xiàn)了52.1%,因此,不同時間段生物質(zhì)燃燒源的管控對象應(yīng)予以區(qū)別,采暖季應(yīng)重點控制煨炕,非采暖季應(yīng)重點控制秸稈露天燃燒.

圖2 蘭州市生物質(zhì)燃燒源VOCs月排放貢獻(xiàn)百分比

2.3 空間分布特征

圖3 蘭州市生物質(zhì)燃燒源VOCs排放量1km×1km空間分布

蘭州市生物質(zhì)燃燒源VOCs排放量1km×1km空間分布(圖3),從3(a)可以看出,秸稈露天燃燒排放的高值區(qū)主要集中在榆中、皋蘭、新區(qū)和永登北部,排放高值區(qū)與農(nóng)作物的主要種植區(qū)域一致,同時,考慮了VIIRS火點位置作為空間表征數(shù)據(jù)后,部分地區(qū)點源排放特征明顯,以VIIRS火點和耕地類型按50%權(quán)重比例綜合作為空間分配因子能改善單因子分配引起的不足.從3(b)可以看出,戶用生物質(zhì)爐具的排放主要分布在榆中、七里河南部及新區(qū)北部,排放量的分布主要受各鄉(xiāng)鎮(zhèn)排放總量及農(nóng)村居民點分布的影響;從3(c)可以看出,蘭州市森林、草原資源較為匱乏,森林和草原火災(zāi)僅在覆蓋森林和草原的地區(qū)有排放,排放主要集中在榆中南部和永登北部地區(qū);從3(d)可以看出,生物質(zhì)燃燒排放的VOCs主要分布在榆中東南和東北部、永登中部和七里河南部,榆中是蘭州市主要的農(nóng)作物種植區(qū),而東南和東北部是經(jīng)濟(jì)水平落后鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要聚集區(qū),城區(qū)周邊秸稈產(chǎn)量少、經(jīng)濟(jì)水平高,排放量相對較小.污染物空間分布受秸稈產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)水平的影響,經(jīng)濟(jì)水平落后、秸稈產(chǎn)量大的地區(qū)排放量更大.

2.4 OFP分析

生物質(zhì)燃燒源各子源的OFP及單位質(zhì)量VOCs排放造成的OFP如圖4所示,蘭州市生物質(zhì)燃燒源排放的VOCs的OFP總量為13880.3t,其中,煨炕為OFP貢獻(xiàn)最大的子源,占比46.1%,其次為秸稈露天燃燒(玉米)、秸稈露天燃燒(其他)、秸稈露天燃燒(小麥)和柴薪燃燒,分別占OFP總量的20.7%, 8.0%, 7.2%和6.8%,森林火災(zāi)和草原火災(zāi)占OFP總量不足0.1%.單位質(zhì)量VOCs生成的OFP可以用來判斷該污染源的臭氧生成能力大小[37],秸稈露天燃燒(玉米)臭氧生成能力最大,為5.3t/t,其次為秸稈露天燃燒(其他)、柴薪燃燒、草原火災(zāi)和森林火災(zāi),生成能力分別為5.2, 5.1, 4.3和4.2t/t,煨炕臭氧生成能力最小,僅為1.3t/t.

圖4 生物質(zhì)燃燒子源OFP及臭氧生成能力

確定物種的OFP 排序可以更加精準(zhǔn)的制定針對O3的減排策略,蘭州市生物質(zhì)燃燒源OFP貢獻(xiàn)占比前10的物種(圖5)分別為乙酸(12.8%)、丙烯(9.3%)、2-丁酮(7.6%)、甲苯(5.8%)、甲醛(5.4%)、乙醛(4.3%)、間/對-二甲苯(3.5%)、1-丁烯(3.1%)、丙酸(2.5%)和異戊二烯(2.4%).其中,煨炕是乙酸、2-丁酮、甲苯、間/對-二甲苯和丙酸的最大貢獻(xiàn)子源,秸稈露天燃燒(玉米)是丙烯、1-丁烯和異戊二烯的最大貢獻(xiàn)子源.研究表明,生物質(zhì)燃燒排放的VOCs中含氧有機(jī)物(OVOCs)占比最大,乙酸是其中占比最大的物種[28,43-47],這導(dǎo)致乙酸成為了生物質(zhì)燃燒源OFP貢獻(xiàn)最大的物種.同時,隨著燃燒效率(MCE)的遞減,乙酸等OVOCs的排放因子增加[44-47],煨炕陰燃過程中燃燒效率較低,由于OVOCs相對其他組分MIR值較低,導(dǎo)致了煨炕相對其他子源臭氧生成能力較低,但是煨炕排放的VOCs總量大,仍然促使其成為了OFP貢獻(xiàn)最大的子源.因此,以降低區(qū)域O3濃度為目標(biāo)時,應(yīng)優(yōu)先管控煨炕和秸稈露天燃燒(玉米)兩類子源.

圖5 生物質(zhì)燃燒源OFP總量貢獻(xiàn)排名前10的物種

2.5 SOA生成潛勢分析

以單位質(zhì)量VOCs生成的SOA代表各子源的SOA生成能力,圖6顯示了各子源的SOA生成潛勢及SOA生成能力大小,通過氣溶膠生成系數(shù)(FAC)計算得出的蘭州市生物質(zhì)燃燒源SOA生成潛勢總量僅為8.5t,由于SOA生成潛勢估算方法的局限性,其估算的SOA結(jié)果往往偏低[41,48-49],各子源的SOA生成潛勢大小順序與OFP順序略有差異,煨炕是SOA生成潛勢貢獻(xiàn)最大的子源,占比46.5%,其次為秸稈露天燃燒(玉米)、秸稈露天燃燒(小麥)、秸稈炊事燃燒(小麥)和秸稈炊事燃燒(玉米),分別占SOA生成潛勢的31.2%,6.2%,5.5%和4.9%,森林火災(zāi)和草原火災(zāi)貢獻(xiàn)小于0.1%.從SOA生成能力來看,秸稈露天燃燒(玉米)SOA生成能力最大,其次為森林火災(zāi)和秸稈露天燃燒(小麥),秸稈露天燃燒(其他)SOA生成能力最小,各子源的SOA生成能力差異主要來源于源成分譜中的物種差異,Grosjean[39-40]的研究成果中,SOA前體物主要為芳香烴,當(dāng)成分譜中非芳香烴組分占比較大時,SOA生成能力相對較低.

圖6 生物質(zhì)燃燒子源SOA生成潛勢及SOA生成能力

SOA貢獻(xiàn)前10的物種如圖7所示,圖中,苯酚貢獻(xiàn)占比最大,1.2%的排放貢獻(xiàn)導(dǎo)致了24.1%的SOA貢獻(xiàn),其他SOA貢獻(xiàn)較高的物種有甲苯(15.4%)、-蒎烯(13.1%)、間/對-二甲苯(11.4%)、苯(7.2%)、鄰二甲苯(5.3%)、茚(3.8%)、1,2,4-三甲基苯(3.3%)、乙苯(2.7%)和1,2,3-三甲基苯(2.5%),甲苯和間/對-二甲苯對于OFP或SOA生成潛勢的貢獻(xiàn)率均在前10位.煨炕是苯酚、甲苯、間/對-二甲苯、鄰二甲苯和乙苯的最大貢獻(xiàn)子源,秸稈露天燃燒(玉米)是-蒎烯、1,2,4-三甲基苯和1,2,3-三甲基苯的最大貢獻(xiàn)子源,因此,以降低區(qū)域SOA濃度為目標(biāo)時,也應(yīng)重點予以關(guān)注煨炕和秸稈露天燃燒(玉米)兩類子源.

將不同物種對VOCs總量、OFP和SOA生成潛勢的貢獻(xiàn)按組分類型相加,得到不同組分對VOCs總量、OFP和SOA生成潛勢的相對貢獻(xiàn)率(圖8),各組分對VOCs總量的相對貢獻(xiàn)大小順序依次為:OVOCs>芳香烴>烷烴>烯烴>炔烴>其他有機(jī)物;各組分對OFP的相對貢獻(xiàn)大小順序為:OVOCs>烯烴>芳香烴>烷烴>炔烴>其他有機(jī)物;各組分對SOA生成潛勢的相對貢獻(xiàn)大小順序為:芳香烴>OVOCs>烯烴>烷烴>炔烴>其他有機(jī)物.其中,OVOCs以76.1%的排放貢獻(xiàn)造成了51.3%的OFP貢獻(xiàn)和22.3%的SOA生成潛勢貢獻(xiàn),芳香烴以11.3%的排放貢獻(xiàn)造成了19.8%的OFP貢獻(xiàn)和62.2%的SOA生成潛勢貢獻(xiàn),烯烴以5.6%的排放貢獻(xiàn)分別造成了25.6%的OFP貢獻(xiàn)和13.4%的SOA生成潛勢貢獻(xiàn),烷烴以5.8%的排放貢獻(xiàn)造成了2.9%的OFP貢獻(xiàn)和2.1%的SOA生成潛勢貢獻(xiàn),OVOCs對OFP的貢獻(xiàn)最大,芳香烴對SOA生成潛勢的貢獻(xiàn)最大,同時,烯烴由于較高的MIR值,其造成的OFP貢獻(xiàn)也不容忽視,生物質(zhì)燃燒源對OFP貢獻(xiàn)較大的組分是OVOCs和烯烴,對SOA生成潛勢貢獻(xiàn)較大的組分是芳香烴.

圖7 生物質(zhì)燃燒源SOA總量貢獻(xiàn)排名前10的物種

圖8 生物質(zhì)燃燒源VOCs組分對排放總量、OFP和SOA的相對貢獻(xiàn)率

2.6 不確定性分析

清單不確定性主要來自排放因子以及活動水平的確定.排放因子值主要來自指南,但是部分作物秸稈由于無實測排放因子,只能采用其他作物秸稈的平均值作為類比,排放因子的不確定性為清單帶來了較高的不確定性.活動水平的確定中,秸稈露天焚燒量是另一個重要的不確定性來源,作物產(chǎn)量、草谷比、露天焚燒比例的確定以及燃燒效率的選取均會帶來不確定性,不同類型秸稈收獲時期不同、再回收率不同,其焚燒比例也應(yīng)有所差別,本研究中小麥、玉米、油料作物露天焚燒比例相同,給清單結(jié)果帶來一定影響;戶用生物質(zhì)爐具活動水平是基于實際調(diào)查獲得的,具有較高的可信度.基于排放清單計算OFP和SOA生成潛勢,源成分譜、MIR和FAC的不確定性導(dǎo)致了OFP和SOA生成潛勢的不確定性,MIR和FAC應(yīng)選用最新的權(quán)威數(shù)據(jù),并且“生成潛勢”的計算過程未考慮實際大氣光化學(xué)反應(yīng)中諸多細(xì)節(jié).建議未來能實測西北地區(qū)生物質(zhì)燃燒源的排放因子和源成分譜,并建立更精確的方法評估VOCs對于大氣環(huán)境質(zhì)量的綜合影響,降低本文結(jié)果的不確定性.

3 結(jié)論

3.1 蘭州市2016年生物質(zhì)燃燒源的VOCs排放總量為6626.2t.排放高值區(qū)在榆中東南及東北部、永登中部和七里河南部,經(jīng)濟(jì)水平落后、秸稈產(chǎn)量大的地區(qū)污染物排放量更大;排放時間主要集中在采暖季(11月~3月)及農(nóng)作物收割期(7月~8月),煨炕為采暖季生物質(zhì)燃燒源排放貢獻(xiàn)了91.4%,秸稈露天燃燒為非采暖季生物質(zhì)燃燒源排放貢獻(xiàn)了52.1%,采暖季應(yīng)重點控制煨炕,非采暖季應(yīng)重點控制秸稈露天燃燒.

3.2 蘭州市生物質(zhì)燃燒源的OFP總量為13880.3t,煨炕是OFP貢獻(xiàn)最大的子源,占比46.1%, OVOCs是OFP貢獻(xiàn)最大的關(guān)鍵組分,占比51.4%,乙酸、丙烯、2-丁酮、甲苯、甲醛、乙醛、間/對-二甲苯、1-丁烯、丙酸和異戊二烯是OFP貢獻(xiàn)排名前10的物種,累計貢獻(xiàn)為56.8%.

3.3 煨炕是SOA生成潛勢貢獻(xiàn)最大的子源,占比46.5%,芳香烴為SOA生成潛勢貢獻(xiàn)最大的關(guān)鍵組分,占比62.2%,SOA生成潛勢貢獻(xiàn)排名前10的物種有苯酚、甲苯、-蒎烯、間/對-二甲苯、苯、鄰二甲苯、茚、1,2,4-三甲基苯、乙苯和1,2,3-三甲基苯,累計貢獻(xiàn)為86.2%.

3.4 生物質(zhì)燃燒源對OFP貢獻(xiàn)較大的組分是OVOCs和烯烴,對SOA生成潛勢貢獻(xiàn)較大的組分是芳香烴,以降低區(qū)域O3和SOA濃度為目標(biāo)時,應(yīng)優(yōu)先管控煨炕和秸稈露天燃燒(玉米)兩類子源.

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The characteristics of VOCs emission from biomass burning and its influence on atmospheric environment in Lanzhou City.

GUO Wen-kai1, LIU Zhen1, LIU Wen-bo2, LIU Xiao1, ZHU Yu-fan1, CHEN Qiang1*

(1.Key Laboratory for Semi-Arid Climate Change of the Ministry of Education, College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China；2.Gansu Jingheyuan Environmental Protection Technology Co. Ltd, Lanzhou 730000, China)., 2019,39(1)：40~49

The emission inventory of volatile organic compounds(VOCs) from biomass burning was established by using the emission factor approach in Lanzhou City in 2016. Besides, the temporal and spatial distribution of VOCs was analyzed. Then the ozone formation potential (OFP) and the secondary organic aerosols (SOA) formation potential were estimated to assess the influence of VOCs emission from biomass burning on the atmospheric environment. The results showed that the total emissons of VOCs emitted by biomass burning was 6626.2t in Lanzhou City in 2016. The emission areas of high value were concentrated in the northeast and southeast of Yuzhong, central Yongdeng and south of Qilihe. The emission amounts were greater in regions with poor economic levels and large crop yields. Emissions were mainly concentrated in the heating season (November to March) and the harvest time of crops (July to August). The total OFP of biomass burning was 13880.3t in Lanzhou City in 2016. The smoldering Chinese kangs was the largest source of OFP contribution, accounting for 46.1%. Oxygenated volatile organic compounds (OVOCs) contributed the most to the OFP, accounting for 51.4%. The top 10OFP species were acetic acid, propylene, 2-butanone, toluene, formaldehyde, acetaldehyde, m/p-xylene, 1-butene, propionic acid and isoprene. The smoldering Chinese kangs was also the largest contributor to SOA, accounting for 46.5%. The aromatic hydrocarbons were the key components of SOA contribution, accounting for 62.2%. The top 10species of SOA formation potential were phenol, toluene, alpha-pinene, m/p-xylene, benzene, 1-xylene, indene, 1,2,4-trimethylbenzene, ethylbenzene, and 1,2,3-trimethylbenzene. To reduce the concentrations of ozone and SOA in the region, smoldering Chinese kangs and crop residue burning (maize) should be given more attention.

biomass burning；volatile organic compounds；emission characteristics；ozone formation potential；SOA formation potential

X511

A

1000-6923(2019)01-0040-10

郭文凱(1993-),男,甘肅文縣人,蘭州大學(xué)碩士研究生,主要從事大氣環(huán)境化學(xué)研究.發(fā)表論文4篇.

2018-06-08

干旱半干旱教育部重點實驗室(蘭州大學(xué))中央高校基本科研業(yè)務(wù)費開放課題基金資助項目(lzujbky-2017-kb02)

* 責(zé)任作者, 教授, chenqqh@lzu.edu.cn