吳 雙，吳 英，徐作敏，孫 濤，裴宇航，程春香，陳 潔

（1.黑龍江省生態(tài)氣象中心，哈爾濱150030；2.中國氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京100081；3.國家衛(wèi)星氣象中心，北京100081）

中國為全世界公認的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，在為全世界人民提供豐富農(nóng)業(yè)資源保障的同時也產(chǎn)生大量的農(nóng)田秸稈，秸稈產(chǎn)量高達8億t/年［1］，其中焚燒秸稈量可達1.40×108t/年［2］。田間秸稈焚燒是中國生物質(zhì)燃燒最重要的組成部分之一，秸稈焚燒排放的碳氧化物、氮氧化物、苯以及環(huán)芳烴等有害氣體及顆粒產(chǎn)物對局地、區(qū)域乃至全球的空氣質(zhì)量產(chǎn)生重要影響［3-6］。大量有害物質(zhì)的排放對大氣環(huán)境、人體健康造成嚴峻的威脅，同時，秸稈焚燒導(dǎo)致的交通事故以及火災(zāi)對人民的生命財產(chǎn)安全造成巨大損失。東北三省糧食總產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量比例高達19.3%［7］。由于東北三省特殊的氣候條件，多為一季作物，且冬季積雪覆蓋，不利于秸稈離田，所以東北地區(qū)的秸稈焚燒大多數(shù)出現(xiàn)在秋季作物收獲后和春季備耕期間。張景源等［8］研究表明東北三省秸稈焚燒熱源點占全國熱源點總數(shù)的比例高達56.37%。

秸稈田間焚燒產(chǎn)生的一系列環(huán)境問題以及安全隱患引起了各級政府部門的廣泛重視，并頒布了一系列相應(yīng)的管理政策和惠農(nóng)補助措施。各級政府部門也通過宣傳科普、資金補助等方式充分調(diào)動農(nóng)民積極性進行秸稈多樣化處理。目前，東北三省方式主要包括生物質(zhì)發(fā)電、生活燃料、秸稈飼料化、秸稈處理還田等［8］，效果較為顯著，但是仍有部分地區(qū)由于交通條件限制、勞動力不足、農(nóng)民對秸稈焚燒影響認識不夠等因素，秸稈焚燒現(xiàn)象依舊嚴峻。東北三省由于積雪覆蓋等客觀條件影響，秸稈焚燒時間相對集中，且與供暖時間高度重合，導(dǎo)致大氣污染現(xiàn)象嚴重［9］。因此客觀利用高時空分辨率的氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)對東北三省秸稈焚燒熱源點的時空分布進行監(jiān)測分析，可為政府監(jiān)督管理以及科學(xué)引導(dǎo)秸稈處理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

傳統(tǒng)的人工統(tǒng)計調(diào)查方法人力投入多、耗費時間長、無法及時準確地獲取熱源點的時空分布信息以及相應(yīng)的面積信息［10-13］。近年來，隨著衛(wèi)星遙感的快速發(fā)展，特別是中國氣象衛(wèi)星的高速發(fā)展，為秸稈焚燒熱源點提供了更為高效便捷的監(jiān)測方法，同時可以更為精準地對其時空特征進行自上而下的監(jiān)測分析［14-16］。衛(wèi)星熱源點監(jiān)測的理論基礎(chǔ)為維恩定律，當(dāng)黑體溫度升高時，最大輻射值向短波方向移動［17］。

國內(nèi)外學(xué)者對此開展了大量的研究工作，主要利用的衛(wèi)星遙感資料包括MODIS（中分辨率成像光譜儀）、AVHRR（甚高分辨率輻射儀）和VIRR（可見光紅外輻射計）等。多數(shù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)為熱源點自動提取數(shù)據(jù)集產(chǎn)品，東北三省以其高緯低寒的區(qū)域特征，在冬季地表溫度極低，熱源點自動判識數(shù)據(jù)容易產(chǎn)生誤判熱源點。本研究選取國家衛(wèi)星氣象中心人機交互判識熱源點數(shù)據(jù)集，此數(shù)據(jù)為自動判識別與人工判識別相結(jié)合，人工去除誤判熱源點，較好地提高了熱源點判識的準確性，在此基礎(chǔ)上，以期能探究高時效、全覆蓋的東北地區(qū)秸稈焚燒熱源點變化規(guī)律，為政府監(jiān)督管理以及科學(xué)引導(dǎo)秸稈處理提供理論依據(jù)和參考。

1 資料與方法

1.1 熱源點數(shù)據(jù)來源

熱源點數(shù)據(jù)來自國家衛(wèi)星氣象中心發(fā)布FYB、FY3C人機交互判識熱源點數(shù)據(jù)集（http：//rsapp.nsmc.org.cn/uus/），時間范圍為2015—2019年，數(shù)據(jù)屬性信息包括衛(wèi)星過境時間、熱源點中心經(jīng)緯度、土地利用類型信息。該數(shù)據(jù)為自動判識別與人工判識別相結(jié)合，經(jīng)國家衛(wèi)星氣象中心技術(shù)人員逐日采用目視解譯方法人工去除誤判熱源點及常規(guī)熱源點。

1.2 研究方法

1.2.1 重心模型重心模型最早應(yīng)用于人口空間分布特點研究，直接地反應(yīng)熱源點集中區(qū)域的遷移變化，逐漸被國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用于不同領(lǐng)域空間遷移變化分析［18，19］。模型表示為：

1.2.2 空間自相關(guān)分析空間自相關(guān)分為全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)2種計算方法，全局自相關(guān)用于判定區(qū)域內(nèi)是否出現(xiàn)聚集或者異常值，局部自相關(guān)可以準確判定空間內(nèi)聚集或異常值出現(xiàn)的位置［22］。

1）全局空間自相關(guān)選用Global Moran’sI，計算公式如下：

式中，n為東北三省縣區(qū)總數(shù)；Xi、Xj分別為縣i、j的秸稈熱源點數(shù)；X為屬性X的平均值；Wij是空間權(quán)重矩陣。I取值在［-1，1］。Global Moran’sI為介于［-1，1］的常數(shù)，越趨近于1表示相似區(qū)域空間聚集性越高，越趨近于-1表示相反區(qū)域空間聚集性越高。

2）局部空間自相關(guān)選用指標為Local Moran’sI，計算公式如下：

式中，Ii為局部空間自相關(guān)系數(shù)，其他參數(shù)同全局空間自相關(guān)。

2 結(jié)果與分析

2.1 2015—2019年東北三省秸稈焚燒熱源點時空分布

2.1.1 2015—2019年東北三省秸稈焚燒熱源點時間變化通過對FY3系列極軌衛(wèi)星熱源點監(jiān)測結(jié)果分析可見，2015—2019年東北三省共監(jiān)測到19 849個秸稈焚燒熱源點，年均秸稈焚燒熱源點3 969個。黑龍江、吉林、遼寧各省單獨秸稈焚燒熱源點變化趨勢與東三省整體秸稈焚燒熱源點變化趨勢相同，5年熱源點監(jiān)測數(shù)量呈波動性的降低升高再降低升高的趨勢（圖1）。其中2017年為5年監(jiān)測熱源點數(shù)量峰值，監(jiān)測到熱源點個數(shù)為7 451個；2018年熱源點監(jiān)測數(shù)量最少，為1 941個；其他3年熱源點監(jiān)測個數(shù)均在3 000個以上。

圖1 2015—2019年東北三省秸稈焚燒熱源點年際變化

以月尺度分析東北三省秸稈焚燒熱源點可見（圖2），各月監(jiān)測熱源點數(shù)量差異十分明顯。東北三省月均熱源點為1 654個，其中10—11月以及次年的2—4月為秸稈焚燒熱源點監(jiān)測的主要時間節(jié)點，其中10—11月（秋收后）和2—4月（春播前）監(jiān)測到的秸稈熱源點數(shù)量分別為9 116個和9 802個，高達全年秸稈焚燒熱源點總數(shù)的95%。秸稈焚燒熱源點數(shù)量監(jiān)測峰值出現(xiàn)在10月，5年累計監(jiān)測到熱源點4 817個。東北地區(qū)以其獨特的氣候特點，12月至次年2月大部分地區(qū)被積雪覆蓋，所以春季整地前秸稈焚燒熱源點呈由南向北推移的趨勢，遼寧、吉林、黑龍江各省春季整地前秸稈焚燒熱源點的峰值分別出現(xiàn)在2月、3月和4月。

圖2 2015—2019年東北三省秸稈焚燒熱源點月際變化

以季度為單位，對2015—2019年東北三省熱源點數(shù)量進行統(tǒng)計（圖3）。秋季（9—11月）秸稈焚燒熱源點數(shù)量最多，約占全年熱源點總數(shù)的46%，5年內(nèi)以2017年為峰值分界點，2018年與2017年相比減少比重高達98%。由于東北地區(qū)的物候特點夏季（6—8月）農(nóng)田熱源點數(shù)量極少，介于0~33個，春季（3—5月）監(jiān)測到秸稈焚燒熱源點占全年監(jiān)測的39%，峰值出現(xiàn)在2017年，其后以年均44%的速度降低。冬季（12月至次年2月）監(jiān)測到熱源點數(shù)量為全年熱源點數(shù)量的14%，并呈不規(guī)則性波動。隨著東北地區(qū)秋季秸稈禁燒政策的實施，東北三省秸稈焚燒熱源點峰值由春秋兩季雙高峰逐漸向春季高峰轉(zhuǎn)移，同時，積雪未覆蓋的區(qū)域冬季秸稈焚燒熱源點呈上升趨勢。

圖3 2015—2019年東北三省秸稈焚燒熱源點季節(jié)變化

2.1.2 2015—2019東北三省秸稈焚燒熱源點空間變化從空間分布上看，2015—2019年秸稈焚燒東北三省秸稈焚燒熱源點主要集中在黑龍江?。▓D4）。5年內(nèi)黑龍江共檢測到秸稈焚燒熱源點13 379個，占東北三省總熱源點個數(shù)的67%；吉林省共監(jiān)測熱源點個數(shù)4 504個，占總熱源點個數(shù)的23%；遼寧共監(jiān)測到熱源點1 966個，占總熱源點個數(shù)的9.9%。各省內(nèi)熱源點分布情況總體上與各省主要糧食產(chǎn)區(qū)相一致。由于東北三省秸稈焚燒管控政策的不同，黑龍江省秸稈焚燒占東北三省整體秸稈焚燒比例呈逐年下降趨勢，其他兩省比例呈升高趨勢。東北三省秸稈處理能力仍存在較大局限性，應(yīng)進一步加強東北三省秸稈焚燒監(jiān)管力度以及提高秸稈再回收利用能力。

圖4 2015—2019年東北三省秸稈焚燒熱源點空間分布

2.1.3 2015—2019年東北三省秸稈焚燒熱源點重心轉(zhuǎn)移特征對2015—2019年東北三省各縣秸稈焚燒熱源點進行重心分析。結(jié)果（圖5）表明，2015—2019年，東北三省秸稈焚燒熱源點重心主要集中在黑龍江省與吉林省接壤區(qū)域附近，并呈現(xiàn)由黑龍江境內(nèi)向吉林境內(nèi)轉(zhuǎn)移趨勢，其中2015—2016年，秸稈熱源點重心分布在黑龍江省南部，2017年秸稈焚燒熱源點重心轉(zhuǎn)移至吉林省扶余縣，2018年繼續(xù)向吉林省西部遷移至乾安縣，2019回遷至扶余縣。結(jié)合東北三省熱源點變化趨勢可發(fā)現(xiàn)，秸稈焚燒熱源點的重心隨著黑龍江省熱源點數(shù)占比的降低以及吉林省、遼寧省熱源點數(shù)占比的增加呈現(xiàn)重心向吉林省偏移的趨勢。

圖5 2015—2019年東北三省秸稈焚燒熱源點重心年際遷移情況

通過對年內(nèi)逐月秸稈焚燒熱源點重心分析可知，東北三省1—4月秸稈焚燒熱源點重心隨溫度、積雪覆蓋等情況呈現(xiàn)由南向北遷移變化，5—9月秸稈焚燒熱源點較少，呈分散性分布，主要分布于黑龍江省內(nèi)，10—12月由北向南遷移，種植制度、溫度、作物類型、積雪覆蓋等差異使得東北三省秸稈焚燒整體格局在空間上呈不斷迂回的遷移格局（圖6）。

圖6 2015—2019年東北三省秸稈焚燒熱源點重心月際遷移情況

2.2 2015—2019年東北三省秸稈焚燒熱源點空間自相關(guān)分析

為進一步探索東北三省各縣秸稈焚燒熱源點全局空間相關(guān)性，運用空間自相關(guān)模型統(tǒng)計東北三省各縣熱源點數(shù)量。結(jié)果表明，2015—2019年東北三省5年綜合后的縣域秸稈焚燒熱源點莫蘭指數(shù)僅為0.27，空間集聚態(tài)勢較弱。因此，東北三省空間自相關(guān)水平較低，并且逐年降低，空間集聚不斷分化，熱源點呈離散分布狀態(tài)。

通過對東北三省縣域秸稈焚燒熱源點的局部自相關(guān)分析表明（圖7），熱源點高值聚集區(qū)主要分布在黑龍江省松嫩平原，并隨著時間的推移向吉林省西部擴展，除2015年和2018年外，佳木斯、雙鴨山、雞西等地部分縣也為熱源點高值聚集區(qū)。熱源點高值分散區(qū)主要分布在熱源點高值聚集區(qū)域周邊地區(qū)，覆蓋區(qū)域較少。低值聚集區(qū)主要集中在遼寧省境內(nèi)，低值分散區(qū)主要圍繞低值聚集區(qū)周邊區(qū)域，2018年以來，黑龍江省鶴崗、佳木斯、七臺河以及吉林區(qū)域出現(xiàn)低值聚集區(qū)與低值分散區(qū)。

圖7 2015年（a）、2016年（b）、2017年（c）、2018年（d）和2019年（e）東北三省秸稈焚燒熱源點空間自相關(guān)分析

通過空間相關(guān)性分析表明，5年內(nèi)田間秸稈焚燒熱源點莫蘭指數(shù)不斷減小，集聚效應(yīng)不斷減弱；由于各地對秸稈焚燒管控力度不斷加強，秸稈二次加工處理能力不斷提高，秸稈焚燒熱源點低值聚集區(qū)域不斷擴展，但是主要農(nóng)區(qū)由于秸稈數(shù)量巨大，深加工處理無法滿足當(dāng)?shù)亟斩捥幚硇枨?，秸稈焚燒熱源點分布仍較為集中。

3 結(jié)論

1）2015—2019年中國東北三省秸稈焚燒熱源點監(jiān)測數(shù)量呈波動性的降低升高再降低升高的趨勢，其中，2017年為5年監(jiān)測熱源點數(shù)量峰值，2018年熱源點監(jiān)測數(shù)量最少；春秋兩季秸稈焚燒熱源點監(jiān)測數(shù)量占全年監(jiān)測總數(shù)的比例分別高達46%和39%；空間上熱源點主要分布于黑龍江省，但由于東北三省秸稈焚燒管控政策的不同，吉林、遼寧兩省秸稈焚燒熱源點監(jiān)測比例呈升高趨勢；黑龍江省占比逐年降低。

2）2015—2019年，東北三省秸稈焚燒熱源點重心主要集中在黑龍江省與吉林省接壤區(qū)域附近，并呈現(xiàn)由黑龍江省向吉林省轉(zhuǎn)移趨勢。

3）通過空間相關(guān)性分析表明，5年內(nèi)田間秸稈焚燒熱源點莫蘭指數(shù)不斷減小，集聚效應(yīng)不斷減弱，秸稈焚燒熱源點低值集中區(qū)域不斷擴展，但是主要農(nóng)區(qū)由于秸稈數(shù)量巨大，深加工處理無法滿足當(dāng)?shù)亟斩捥幚硇枨?，秸稈焚燒熱源點分布仍較為集中。

4）東北三省是中國重要的糧食生產(chǎn)基地，農(nóng)作物種植面積較大，尤其黑龍江省是保障國家糧食安全的壓艙石，致使秸稈數(shù)量巨大，秸稈處理具有一定難度。因此東北三省在農(nóng)田保有量不變的基礎(chǔ)上應(yīng)進一步加強秸稈深加工處理能力，同時根據(jù)不同區(qū)域不同時期污染物擴散能力推進秸稈局部控?zé)ぷ鳎芊澜Y(jié)合，在有效處理農(nóng)田秸稈的基礎(chǔ)上保證空氣質(zhì)量達標。