1 引言
正如Lighty等所指出：露天生物质燃烧在短期内排放大量的颗粒物(PM2.5)以及气态前体物，可以明显地影响一个城市、地区的大气质量和能见度。Watson and Chow以及董树屏等研究表明，这种来源的颗粒物粒径小、化学组成和形貌独特，Lighty等认为其对源地附近居民的身体健康存在威胁，郑晓燕等，强调它是一种特殊而且重要的污染源。影响程度取决于天气形势、火点位置以及燃烧秸秆量、燃烧状态等。
根据Hays等的报道，生物质燃烧过程中积聚模态粒子数量激增。Watson and Chow也发现源地空气中PMi（空气动力学直径小于1微米的颗粒物）质量浓度占颗粒物总排放量的比例超过80%。邵龙义等和董树屏等指出：燃烧来源的典型粒子在扫描电镜下，飞灰（硅铝酸盐粒子）呈球形，碳黑组成的烟尘集合体呈链状。医学研究证明，超细粒子（粒径<0.1微米数量、颗粒物表面积、PAHs、以及颗粒物中的有机碳，更能决定空气污染的健康影响，在质量浓度达标的情况下，仍然可以对人体健康产生负面影响。
北京所处的华北地区6月中旬是麦收和秋播时节，为抢农时，农民采取最经济和便捷的方法将麦秸就地焚烧。尽管明令禁止，秸秆焚烧现象仍然存在，卫星遥感影像上经常可以看到大片的火点。段风魁等[71发现北京市6月份人气颗粒物中，生物质燃烧的示踪物一水溶性钾的浓度高出非收割时间3倍左右，郑晓燕等指出春耕、麦收、秋收和秋季落叶时节的生物质燃烧都使得大气颗粒物中的有机碳和水溶性钾大量增加。杭维绮等对南京市、金文刚等对云南玉溪市的研究也表明农田秸秆焚烧造成城市空气质量下降，尤其是大气颗粒物污染加重。
农作物秸秆其实也是一种很好的资源，如果可以其中回收经
秸秆粉碎机粉碎然后再经过
秸秆压块机、
秸秆颗粒机、饲料颗粒机压制成生物质燃料饲料供燃烧和牲畜食用不是也是一个两全其美的方法么，而且，如果拿到外面销售老百姓也可以增加收入。
本文介绍了2006年6月20日北京市受麦秸焚烧传输的污染过程，以期了解生物质
燃烧排放污染物对下风向城市的大气质量影响及其空气污染特征量值，从而为制定和正确
评价农田秸秆焚烧相关政策提供依据。
2、污染监测情况与天气／气象条件
2.1污染监测
北京市空气质量自动监测网，由24个遍布全市城区、远郊区城关镇和乡村对照环境的自动监测站点组成，承担大气污染常规业务监测，常规监测项目有：大气可吸入颗粒物(PMio)，S02，CO，NO/N02/NOx，03。PMio采用美国热电(TE)．安普(R&P)公司生产的R&P 1400a系列大气颗粒物监测仪，该仪器原理是利用锥形元件震荡频率和膜上颗粒物负载之间的线性关系，测量出颗粒物的质量变化，工作流量设定为1L。气态污染物测量使用美国热电公司生产的紫外脉冲荧光法S02分析仪，气体滤波相关红外吸收法CO分析仪，紫外光度法03分析仪和化学发光法NO。分析仪。
颗粒物分粒径观测实验内容包括：二台R&P1400a系列大气颗粒物监测仪测量大气细粒子的质量浓度，分别采用1微米、2.5微米切割装置，一台R&P 8400．S型颗粒物硫酸盐监测仪、一台R&P8400-N型颗粒物硝酸盐监测仪以及一台R&P5400型有机碳／总碳分析仪，同步测量大气PM2.5组分的质量浓度。同时，美国TSI公司生产的APS3321型粒子计数器对0.3-20微米大气粒子进行分粒径计数。
监测仪器在质量保证／质量控制程序下运行。
2.2气象条件
2006年6月19-21日，北京市高空一直受冷槽控制，天气以晴到多云为主。19日中层1500m受冷槽影响，北风明显，20-21日处于暖脊控制之下，气温上升、风速减弱；相应地，地面气压形势场由低压后部转受南部高压影响，从20日02时起，地面至几百米吹西南风。从观象台的地面风观测结果来看，20-21日我市地方性风的特征也很明显，在后半夜（03-08时）出现了山风(N)。20-21日地面风速与风向变化见图1，可见午后至前半夜（21-02时），两南风持续且大多数时间风速较火，在2-3 m．s.';后半夜山风形成，风向逐渐转为偏西、偏北，风速小于1 m．s_。因此从是否有利于污染物扩散角度来讲，午后一前半夜有利于污染输送扩散，后半夜容易造成污染物汇聚累积、浓度上升。
3、监测结果分析
3.1污染的时空演变
2006年6月20日根据群众举报和卫星遥感火点监测，京冀交界处有大面积麦秸焚烧。北京市空气质量自动监测网记录了污染物的传输过程。图2a是从西南向东北方向监测点位空间分布图示，图2b是各地带／区域PM10浓度随时间的演化曲线。可见：良乡-大兴地带（图2a中“1”）19时PM10浓度陡然上升，20时超过600Ug．m-3;稍向北的丰台镇．亦庄地带（图2a中“2”）21-22时陡现峰值，浓度也达到了600um．m-3;由车公庄、前门、天坛、奥体中心等7个站点代表的城市建成区（图2a中“3”）21时浓度快速攀升，峰值宽缓，最高值出现在00-02时，浓度在550ug．m-3左右。西部山前的石景山一丰台云冈地区(“6”)在22时也出现了一个明显的浓度峰，但很快下降；东北部的顺义站点(“4”) 00时PM10浓度达到了一个小的高峰，270ug．m-3，而远北部的怀柔一密云地带(“5”) JL乎没有明显的峰值，22时前后浓度达到了100ug．m-3。
从14 -02时，地面一直吹较强的西南风，最南端的良乡．大兴地带异常高值持续时间为Shrs，因此可以推断：麦秸焚烧源地的焚烧时间约为Shrs。从图2a可见，明显受到烟流影响的地域仅在垂直于风向的一个较小的范围内，而且随着烟流向下^风向扩散，污染物浓度降低，4hrs后对约150km以外的地区影响已经较轻。
图3是使用美国国家海洋和大气局(NOAA)空气资源实验窒(ARL)提供的混合单质点拉格朗日积分轨迹模型( HYSPLIT)，计算的市区(39.93N，116.28E)污染物10h后向轨迹。20日14:00UTC（北京时间22时）是市区污染浓度快速上升的时刻，由此回溯10小时，1500m高度轨迹源地指向城区东部的通州，100-800m高度污染物的源地在北纬39.50-39.60、东经115.60-116.20之间的京，冀交界处，自动监测网所代表的污染是京冀交界处的麦秸焚烧输送的贡献。
传输到北京市的污染物在后半夜转北风的气象条件下，由于汇聚作用很难消散，在东北部至市区在大气中长时间存留，直至21日午后由于热力作用，被混合、扩散。除了PM10，其他气态污染物在后半夜浓度上升的现象也很明显，比如市区车公庄站的NO和．CH4（见图4），午后至前半夜西南风较强时段浓度水平处于低谷，之后随着风速减小呈上升趋势，至后半夜出现了浓度峰。说明了后半夜气象条件是所有污染物浓度变化共同的制约因素。
3.2市区大气PM2.5的化学组成
在位于市区车公庄西路的监测中心实验室，进行了颗粒物及组分的观测。采用在线监测设备测量了颗粒物的主要盐类组成，硫酸盐和硝酸盐，数据的时间分辨率为th，热光法分析得到了PM2.5中有机碳和黑炭的分析数据，时间分辨率为3h。
在污染输送过程中，粒子尺度细小，PMi所占质量浓度比例迅速增加，PM1/PM10由16时的20-30%上升到21时的60-70%，PMi小时浓度占PM2.5和PMio的比例最高分别达90%和68%。PM2.5/PM10亦有相同趋势。图5是污染过程中粒子尺度谱分布的变化情况，可以看到1um以下粒子从19时开始数浓度迅速增加，最高值达到了约100个-cm-3.
麦秸燃烧排放的颗粒物的主要组分是有机碳、炭黑、可溶性无机盐类以及不可溶无机物，曹国良等采用的排放因子为：BC 0.69, OC 3.3。本研究中观测到的有机碳(OC)和黑炭(EC)浓度变化也呈现出颗粒物很好的一致性，00时测得的浓度分别达到了42和32 ug.m-3。OC/EC低于上述排放因子比例，在1.1.1.7之间，午后．前半夜稍高，后半夜稍低。
图6所示为PM2.5及其主要组成盐类和有机碳、无机碳质量浓度变化。可见，硫酸盐和硝酸盐浓度变化迥然不同。在20日18时和21日12时，二者浓度比较接近，然而在输送持续的前半夜，硝酸盐是硫酸盐浓度的2-5倍。硝酸盐类浓度的变化趋势与PM2.5基本一致，硫酸盐浓度变化在21时-02时十分平缓，比较明显的上升是在03时以后，与气态的S02浓度变化（见图4）呈现极一致的趋势，原因有待进一步研究，而颗粒物中的硝酸盐类异常高，这也许是京冀交界处农田施用大量的硝酸盐类化肥，通过麦秸富集所致。
从浓度量值上看，麦秸焚烧除了硝酸盐、有机碳和黑炭，也贡献了大量粒径细小的飞灰、土壤尘等粒子。
4、麦秸燃烧的污染贡献
为了进一步确定此次农田秸秆焚烧对北京市空气污染的物种和浓度贡献，利用统计软件S-pluss，采用了相关分析和因子分析方法对数据进行了统计分析。
污染物间的完全相关系数，包含了一切影响带来的相关性。这里“一切影响”主要是指污染源排放和气象条件的组合影响。非采暖期北京市大气污染物主要来源有机动车排放、工业排放和建筑施工排放，以及天然源排放（指农田和森林的碳氢类排放）。燃煤过程主要排放S02、CO、NOx、PMio;机动车尾气排放CO、碳氢类、NOx; PM10来自建筑施工、交通扬尘，以及二次污染过程。～般而言，在短时间内污染源变化缓慢，而气象条件变化相对迅速，所以是气象条件主导了污染物浓度变化，从而使得几乎所有大气污染物浓度变化之间存在显著的相关性，比如，2006年6月19日至20日。
利用S-pluss对数据进行了正态分布检验(Kolmogorov-Smirnov Test)，发现各项污染物浓度监测数据不符合正态分布的假设，因此计算了Spearman秩相关系数(p)。2006年6月19日13时-20日12时，SO，、CO、NO、PMlo、CH4、非甲烷碳氢(NMHC)两两之间p在0,60—0.99之间（在0.01信度水平），NOz是二次污染物，与其他污染物p在0.45～0.73（在0.05信度水平）。6月20日-21日发生麦秸焚烧污染输送时，各污染物间的相关系数发生了明显的变化（表1）：
首先，S07与其他污染物的相关性变得不显著；其次，CO与N02、PMio. CH4.NMHC，NO与CH4. NMHC，CH4与NMHC之间存在显著的正相关关系（0.01信度水平）。而且，CO和NO，的相关系数由0.59变为0.70;第三，PMio与一次污染物S02和NO不再有显著的相关性，p由0.82变为0.35以下。说明污染物来源发生了明显的变化，CO、PM10、碳氢类以及氮氧化合物类有了共同的、新的来源。
露天麦秸燃烧主要排放CO、C02、碳氢化合物、可吸入颗粒物以及NOx。根据文献记载的农田麦秸焚烧排放因子(g-kg'1)来看，排放的CO最多(56-76)，其次是颗粒物（PM2.5 4-5，美国AP-42参考值为6-11，），再次为有机碳和NOx。所以，CO和颗粒物可以作为麦秸焚烧输送的代表性污染物。由于燃烧排放的NO很快被氧化为N02，所以在燃烧源地下风向测到的是N02，NMHC中包含了麦秸燃烧排放的有机碳的信息。故而，CO与N02. PMio以及NMHC之间相关性显著。
因子分析的优点在于用少数几个组合变量（尤其是不可观测的）来解释许多变量之间的协方差关系，按照相关性的大小分组，每组变量代表一个基本结构，反映问题的一个方面，即本文中影响污染物浓度变化的一个因素（公因子），比如污染输送，本地排放，气象条件变化等等。本地污染排放相对均匀地分布在整个时段内，因此其变化可以忽略。因子分析方法选用了最大可能性估计(mle)，因子旋转选用了方差极大正交选转(varmax)，结果如图7所示。
第一、第二和第三公因子载荷平方和分别是：3.25，1.87和1.19。公因子1载荷主要来自'CH4和NO，代表了气象条件变化，公因子2载荷主要来自N02和CO，代表了麦秸焚烧输送来源：公因子3载荷主要是S07，还无法认定其来源含义，可能反映了特殊的化学过程。从公因子负载平方和来看，气象条件变化对于污染物浓度变化影响是首要的，而麦秸燃烧污染输送占次要地位。
此分析提示，突发性的农田秸秆焚烧可以在短时间、有限范围内明显地影响空气中污染物的浓度，但是扩散到下游的污染物浓度变化仍然取决于当地的气象条件：在不利的气象条件下，污染物可能滞留较长的时间，严重地影响当地的空气质量。
若以NO为参照物，按照PMio/NO变化定量评价麦秸焚烧PMio输送贡献，则在此过程中，对于市区站点PM10的小时浓度贡献在0—400ug·m-3。，平均值为220ug．m-3；农田秸秆焚烧作为一种区域污染输送来源，对城市的空气污染影响程度值得关注。在不利扩散的气象条件下，禁止秸秆焚烧非常必要。
5、结论
本文利用一次由于农田麦秸焚烧引发的大气污染的监测结果，分析了污染的时空分布特征和化学组成特征；应用相关分析和囚子分析方法对污染员献进行评价，得出以下结论：
(1)后向轨迹模拟证明：此次农田麦秸焚烧的源地位于西南部北京．河北交界地区，在适当的输送气流条件下，很快被带到下游地区。而地面一低层天气形势是决定污染输送的重要条件。
(2)麦秸焚烧对于源地附近空气质量影响很大，具有响应迅速、影响剧烈的特点。但是影响范围有限：此次过程中烟流扩散4小时以后150公里以外地区的峰值浓度已经衰减为约1/6。
(3)相关分析表明此次秸秆焚烧对北京市大气输送了PMio. CO、N02和NMHC等污染物。
(4)在此次过程中，北京市的气象条件变化（地方性风场），是主导了污染物浓度变化的首要公因子，而麦秸燃烧污染输送是影响了各种污染物浓度变化的第二公因子。
(5)麦秸燃烧输送的颗粒物中，1um以下的粒子比例很大，这种粒子在大气中的存留期较长。细粒子组成中硝酸盐很多，可能与源地麦秸中此类物质含量有关。
农田秸秆焚烧作为一种区域污染输送来源，对城市的空气污染影响程度值得关注。在不利扩散的气象条件下，禁止秸秆焚烧非常必要。颗粒物的其它化学成分，异常高的硝酸盐和S02的特殊变化值得进一步深入研究，从而为北京市及周边地区生物质燃烧污染控制政策的制定提供更全面的依据。
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