赵志平,齐永青,汉瑞英,肖能文,李俊生,*

1 中国环境科学研究院,环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012 2 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心, 石家庄 050022

土壤风蚀是风力作用导致表土物质脱离原空间位置的过程[1—2],其主要危害包括沙漠化[3—4]和各种风沙灾害[5—6]。土壤扬尘源是裸露地面的颗粒物在自然或人力的作用下形成的扬尘[7],其中土壤风蚀导致的扬尘源是细颗粒物的主要来源[8]。裸露地面的颗粒物进入大气中造成大气污染,导致PM10和PM2.5超标[9]。目前灰霾污染已是影响我国城市空气质量的主要因素[10],成为影响人们生活幸福感的重要因素之一[11]。虽然我国空气质量在逐年改善,大气颗粒物仍是影响我国很多城市空气质量的首要污染物,其中土壤扬尘是造成城市颗粒物污染严重的重要因素之一[12]。

随着大气污染问题日益突出,近年来国内很多地区开展了土壤扬尘源颗粒物排放清单编制工作[13—18]。2015年全国风蚀扬尘总悬浮颗粒物(TSP)、PM10和PM2.5的年排放量分别为2.27×107t、6.77×106t和1.17×106t[19]。京津冀地区是土壤风蚀扬尘高发区,其中北京市西北和东南地区土壤风蚀扬尘PM2.5排放因子较高[8],天津市北辰区PM10和PM2.5的最大排放源是工地[20],河北省土壤扬尘源PM2.5排放量为39699 t,农田扬尘排放占85.3%[21],此外2013年石家庄市土壤扬尘TSP、PM10和PM2.5的排放量分别为12569 t、3771 t和947 t[22]。未来气候变化情景下,河北坝上地区土壤风蚀扬尘年排放速率分别增高25%、54%、35%和54%[23]。综上所述,目前关于京津冀地区土壤扬尘颗粒物排放量研究只有零星报道,且缺乏多年变化状况研究。整体上近20年来京津冀地区土壤扬尘颗粒物排放量变化及其主要影响因素仍然未知。

京津冀地区是我国大气污染严重区域,并且容易受到来自内蒙的沙尘天气影响[24—25]。根据生态环境部发布的空气质量状况,2019年京津冀及周边地区优良天数只有53.1%,低于全国82.0%的平均水平[26]。因此,土壤扬尘颗粒物排放量变化研究对于改善京津冀地区空气质量具有重要意义。本研究收集2000—2019年京津冀地区气候、土壤、植被覆盖等数据,估算近20年来京津冀地区土壤扬尘颗粒物排放量及其变化,揭示其年际变化的影响因素,以期为生态环境管理部门提出相应措施、降低京津冀地区土壤扬尘颗粒物排放量、协同改善空气质量提供科学支撑。

1数据和方法1.1研究区概况

京津冀位于我国北方地区,东临大海、西倚太行山,北为燕山,南部为华北平原,地理上界于北纬36°05′—42°40′,东经113°27′—119°50′之间,总面积约21.8×104km2,行政区划包括北京市、天津市和河北省[27]。气候上该区属于暖温带半湿润大陆性季风气候,四季分明。年平均温度8—12.5℃,年降水量600—1000 mm。主要土壤质地类型有壤土、壤砂土、砂土、轻粘土、砂质粘壤土等。该区北部植被结构复杂,种类繁多,南部平原区大多数以耕地和城市人工植被为主[28]。该区人类活动强度日益增大[29],使得灰霾天气频发[26],困扰着京津冀地区环境保护工作。

1.2 数据

本研究用到的气象数据来自于国家气象科学数据中心(网址http://data.cma.cn/),包括2000—2019年京津冀及周边地区气象站点年平均温度、年降水量、年平均风速,其中年平均温度和年降水量数据利用Anusplin软件插值成1 km空间栅格数据,年平均风速数据利用反距离加权插值成1 km空间栅格数据。土壤质地数据[30]来源于黑河计划数据管理中心(网址http://westdc.westgis.ac.cn)(图1)。2000—2019年归一化植被指数(NDVI)数据来源于MODIS MOD13A2产品,空间分辨率1 km,通过对每16天NDVI求均值得到NDVI年均值。2000、2005、2010和2015年土地利用状况数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(网址http://www.resdc.cn/),空间分辨率1 km。

图1 京津冀地区土壤质地类型Fig.1 Soil texture types in the Beijing-Tianjin-Hebei region

1.3 方法

本文研究对象为土壤扬尘源排放量,以期为生态环境管理部门提出相应措施、协同改善空气质量提供科学参考,因此本研究采用生态环境部2015年发布的《扬尘源颗粒物排放清单编制技术指南(试行)》[7]中土壤扬尘源排放量计算公式：

WSi=ESi×AS

(1)

式中,WSi为土壤扬尘中PMi(空气动力学粒径在0—iμm间的颗粒物,下同)总排放量,t/a；
AS为土壤扬尘源的面积,m2；
ESi为土壤扬尘源的PMi排放系数,t m-2a-1,计算公式如下：

ESi=Di×C×(1-η)×10-4

(2)

式中,Di为PMi的起尘因子,t 10-4m-2a-1；
C为气候因子,表征气象因素对土壤扬尘的影响；
η为污染控制技术对扬尘的去除效率,%,本研究设定η=0。Di计算公式如下：

Di=ki×Iwe×f×L×V

(3)

式中,ki为PMi在土壤扬尘中的百分含量,推荐值TSP为1、PM10为0.30、PM2.5为0.05；
Iwe为土壤风蚀指数,推荐值见表1；
f为地面粗糙因子,取值为0.5；
L为无屏蔽宽度因子,本研究取L=1.0。V为植被覆盖因子,是指裸露土壤面积占总计算面积的比例,本研究利用NDVI数据来代替,该数据来源于MODIS MOD13A2产品。

气候因子C计算公式如下：

C=0.504×u3/PE2

(4)

式中,u为年平均风速,m/s；
PE为桑氏威特降水—蒸发指数,计算公式如下：

PE=1.099×P/(0.5949+0.1189×T)

(5)

式中,P为年降水量,mm；
T为年平均温度,℃。

表1 土壤风蚀指数参考值/(t hm-2 a-1)

图2 2000—2019年京津冀地区风速变化 Fig.2 Changes of wind speed in the Beijing-Tianjin-Hebei region from 2000 to 2019

2.1 气候因子变化

2.1.1风速

2000—2019年京津冀地区年平均风速均值为2.54 m/s(图2)。总体上2000—2019年京津冀地区年平均风速具有略微上升趋势,但上升速率非常小为0.52×10-2m/s a-1,且达到一定的显著水平(P<0.1)。

2.1.2温度和降水

2000—2019年京津冀地区年平均温度均值为9.77℃,其中2008年平均温度最高为12.81℃,2010年平均温度最低为6.92℃,近20年京津冀地区年平均温度呈现升高趋势(图3),升高速率约为0.04℃/a,但未达到显著水平(P>0.05)。年降水量也呈现增加趋势,增加速率约为4.12 mm/a,且达到一定显著水平(P<0.1)。2000—2019年京津冀地区年降水量均值为502.23 mm,其中2016年降水量最多为632.50 mm,2002年最低为396.40 mm。

2.1.3气候因子和桑氏威特蒸发指数

气候因子是土壤扬尘源颗粒物排放系数计算的重要因子。2000—2019年京津冀地区气候因子呈现下降趋势(图4),但未达到显著水平(P>0.05)。其中2002年最大为1.51×10-4,2012最小为0.46×10-4。桑氏威特蒸发指数由年平均温度和年降水量计算得到,是构成气候因子的重要参数。2000—2019年京津冀地区桑氏威特蒸发指数呈现上升趋势,但未达到显著水平(P>0.05)。

2.2 植被覆盖变化

2000—2019年京津冀地区植被NDVI均值为0.38,2000年最低为0.34,2017年最高为0.40。2000—2019年京津冀地区植被NDVI年均值呈现极显著增加趋势(P<0.01),增加速率为0.21×10-2/a(图5),与NDVI均值相比约为5.53%/10a,虽然反映了近20年来该地区植被生长状况整体呈现变好趋势,但变化幅度较小。

图3 2000—2019年京津冀地区年平均温度和年降水量变化Fig.3 Annual temperature and precipitation in Beijing-Tianjin-Hebei region during 2000—2019

图4 2000—2019年京津冀地区气候因子和桑氏威特指数变化Fig.4 Changes in climate factor and Thornthwaite index in the Beijing-Tianjin-Hebei region from 2000 to 2019

图5 2000—2019年京津冀地区植被NDVI变化 Fig.5 Changes of vegetation NDVI in the Beijing-Tianjin-Hebei region from 2000 to 2019

2.3 土壤扬尘源排放系数变化

空间上2019年京津冀地区土壤扬尘源TSP排放系数均值约为2.30 t km-2a-1,其中最大为23.95 t km-2a-1,最小为0.03 t km-2a-1。TSP排放系数最高地区主要分布在河北省西南部地区,包括保定市西南部、石家庄市西部、邢台市中西部和邯郸市西北部地区(图6)。TSP排放系数较高地区主要分布在天津市南部、沧州市东北部以及张家口市局部地区。TSP排放系数较低地区主要分布在京津冀北部地区。2019年京津冀地区土壤扬尘源PM10和PM2.5排放系数分布格局与TSP一致。

图6 2019年京津冀地区土壤扬尘源总悬浮颗粒物(TSP)排放系数Fig.6 TSP emission coefficient of soil dust source in the Beijing-Tianjin-Hebei region in 2019

2000—2019年京津冀地区土壤扬尘源TSP排放系数均值为1.79 t km-2a-1,其中PM10占8.99%,PM2.5占0.25%。近20年TSP排放系数具有下降趋势(图7),但未达到显著水平(P>0.05)。其中2002年最高为3.27 t km-2a-1,2003年最低为1.01 t km-2a-1。相关分析显示,近20年土壤扬尘源TSP排放系数变化与气候因子呈现极显著正相关(P<0.01),与植被NDVI指数呈现负相关,但未达到显著水平(P>0.05),表明京津冀地区土壤扬尘源TSP排放系数变化与气候因子有关,而气候因子与温度和降水具有极显著相关关系(P<0.01)。2000—2019年京津冀地区土壤扬尘源PM10和PM2.5排放系数变化过程与TSP一致。

2.4 土壤扬尘源排放量空间格局

2000—2019年京津冀地区土壤扬尘源TSP、PM10和PM2.5排放系数均值分别为1.79、0.16、0.45×10-2t km-2a-1(表2)。沧州市土壤扬尘源TSP、PM10和PM2.5排放系数均值最高为3.17、0.29、0.80×10-2t km-2a-1,其次是天津市和石家庄市,分别为2.96、0.27、0.75×10-2、2.62、0.24、0.66×10-2t km-2a-1。承德市土壤扬尘源TSP、PM10和PM2.5排放系数均值最低为0.60、0.05、0.15×10-2t km-2a-1,其次是秦皇岛市0.71、0.06、0.18×10-2t km-2a-1。

2000—2019年京津冀地区土壤扬尘源TSP、PM10和PM2.5排放总量均值分别为3.81×105t/a、0.34×105t/a、0.96×103t/a。其中张家口市土壤扬尘源TSP排放量均值最大为0.73×105t/a,占京津冀地区总量的19.18%,其次是保定市和沧州市分别为0.49×105t/a和0.44×105t/a,分别占12.98%和11.63%。秦皇岛市土壤扬尘源TSP排放量均值最小为0.06×105t/a,占京津冀地区总量的1.44%,其次是廊坊市和唐山市分别为0.12×105t/a和0.15×105t/a,分别占京津冀地区总量的3.27%和4.00%。

2000—2019年承德市、秦皇岛市、邢台市和邯郸市土壤扬尘源TSP、PM10和PM2.5排放系数具有上升趋势,但未达到显著水平(P>0.05)。其余地区均具有下降趋势,其中北京市、衡水市土壤扬尘源TSP、PM10和PM2.5排放系数下降趋势达到极显著水平(P<0.01),天津市、廊坊市和保定市下降趋势达到显著水平(P<0.05)。上述土壤扬尘源TSP、PM10和PM2.5排放系数显著下降区域的排放量仅占京津冀总量的35.63%,京津冀大部分区域土壤扬尘源颗粒物排放状况未得到有效遏制。

本研究利用2000、2005、2010和2015年京津冀地区4期土地利用空间状况数据来统计2000—2019年京津冀地区土壤扬尘源TSP排放量,结果显示耕地排放量最大为2.29×105t/a(图8),占京津冀地区总量的59.83%,是抑制土壤扬尘源颗粒物排放的重点关注对象,其次为草地为0.60×105t/a,占15.66%。林地和居民地土壤扬尘源TSP排放量分别为0.42×105t/a和0.36×105t/a,分别占11.04%和9.50%。水体排放量为0.14×105t/a,占3.64%。裸地排放量最低为0.13×104t/a,占京津冀地区总量的0.33%。

表2 2000—2019年京津冀各市土壤扬尘源TSP、PM10和PM2.5排放量

图7 2000—2019年京津冀地区土壤扬尘源TSP、PM10和PM2.5排放系数变化Fig.7 Changes in the emission coefficient of TSP,PM10 and PM2.5 of soil dust sources in the Beijing-Tianjin-Hebei region from 2000 to 2019

图8 2000—2019年京津冀地区各土地利用类型土壤扬尘源TSP、PM10和PM2.5排放量Fig.8 Emissions of TSP, PM10 and PM2.5 from soil dust sources of various land use types in the Beijing-Tianjin-Hebei region from 2000 to 2019

2021年3月初以来,京津冀地区遭遇多场沙尘暴袭击,是扬尘污染严重区。本研究参考生态环境部2015年发布的《扬尘源颗粒物排放清单编制技术指南(试行)》[7],估算京津冀地区年度土壤扬尘颗粒物排放。该方法中用到的变量均为年值,因此不能用于季节土壤扬尘颗粒物排放计算,否则会出现较大误差。与以往京津冀地区研究结果比较发现,本研究2000—2019年北京市土壤扬尘PM2.5排放系数均值为0.45×10-2t km-2a-1,其中2017年为0.44×10-2t km-2a-1,以往学者认为2017年北京市土壤扬尘PM2.5排放系数为0.18 t km-2a-1,与本研究相比存在一定低估[8]。此外,还有研究认为2015年河北省各地级市中承德市、廊坊市、唐山市、秦皇岛市土壤扬尘颗粒物排放系数较低,沧州市、邢台市和邯郸市土壤扬尘颗粒物排放系数较高[21]。本研究结果与之相比土壤扬尘颗粒物排放系数空间格局大体一致,即沧州市、石家庄市土壤扬尘颗粒物排放系数较高,承德市、秦皇岛市、唐山市土壤扬尘颗粒物排放系数较低。2013年石家庄市土壤扬尘TSP排放为12569 t、PM10为3771 t、PM2.5为947 t[22],转换后平均排放系数分别为0.87、0.26、0.07 t km-2a-1,分别为本研究(2.62、0.24、0.07×10-1t km-2a-1)的0.33倍、1.08倍和10倍,相比本研究TSP存在一定低估、PM10接近、PM2.5存在一定高估。总体上本研究中京津冀地区土壤扬尘颗粒物排放量估算相对合理。

本研究发现2000—2019年土壤扬尘源TSP排放系数变化与气候因子呈现极显著正相关(图9,P<0.01),因此京津冀地区土壤扬尘源TSP排放系数变化主要与气候因子有关。2000—2019年京津冀地区植被NDVI呈现极显著上升趋势,反映了近20年来该地区植被生长状况整体呈现变好,但由于上升幅度较小,仅为5.53%/10a,与土壤扬尘源TSP排放系数变化呈现一定显著水平负相关(图9,P<0.1),因此植被覆盖是土壤扬尘源TSP排放系数变化的次要因素。进一步分析发现气候因子中年降水量与土壤扬尘源TSP排放系数变化具有极显著负相关关系(图9,P<0.01),而年平均风速和年平均温度与土壤扬尘源TSP排放系数变化相关性不显著(P>0.05),表明京津冀地区土壤扬尘源TSP排放系数变化主要受年降水量影响。

图9 2000—2019年京津冀地区土壤扬尘源总悬浮颗粒物(TSP)排放系数与气候因子、覆盖因子、年降水量相关性Fig.9 Correlations of Total Suspended Particulate (TSP) emission coefficient and climate factor, coverage factor, and annual precipitation in the Beijing-Tianjin-Hebei region from 2000 to 2019

本研究假设京津冀地区土壤扬尘源可能影响的高度为100 m,同时利用2019年各市土壤扬尘源排放系数计算得到土壤扬尘源PM10和PM2.5在空气中含量,并与2019年京津冀各地区发布的环境质量公报结果进行对比。结果显示土壤扬尘源排放颗粒对PM10影响较大,对PM2.5影响较小(表3)。2019年邢台市PM10观测值115 μg/m3,其中土壤扬尘源排放颗粒物含量占比最高为12.66%。石家庄市和天津市PM10观测值分别为118 μg/m3和76 μg/m3,其中土壤扬尘源排放颗粒物含量占比也较高分别为11.09%和10.30%。沧州市和邯郸市PM10观测值分别为89 μg/m3和124 μg/m3,其中土壤扬尘源排放颗粒物含量占比分别为8.63%和8.02%。上述地区应关注土壤扬尘源颗粒物排放对空气质量影响。秦皇岛市和承德市土壤扬尘源排放颗粒物含量占PM10观测值比例分别为2.55%和2.99%,可能与当地植被覆盖状况较好有关。

表3 2019年京津冀各市土壤扬尘源排放颗粒物含量占比

本研究估算了2000—2019年京津冀地区土壤扬尘源排放,从长时间尺度上阐明该地区土壤扬尘颗粒物排放空间格局和变化过程,发现京津冀大部分区域土壤扬尘源颗粒物排放状况未得到有效遏制。人为翻动表土会导致严重的土壤风蚀发生,人类扰动会导致土壤风蚀加剧。本研究中耕地扬尘源TSP排放量最大占京津冀地区总量的59.83%,是抑制土壤扬尘源颗粒物排放的重点关注对象,其次为草地占15.66%。该结果可为京津冀地区各市相关管理部门制定降低大气颗粒物含量、减少土壤扬尘颗粒物排放措施的依据。同时相关部门可以引入空气质量模型分析土壤扬尘源对大气环境空气质量的影响,以探索适合京津冀地区实际情况的土壤扬尘防治策略。主要包括京津冀地区沙尘抑制生态屏障协同建设,统筹协调退耕还林还草和自然植被恢复工作,以及沙尘天气动态监测和预警系统建设[31]。由于气候因子和土壤质地数据来源和分辨率的差异,本研究结果与前人的结果存在一定差异,下一步工作应该加强土壤扬尘颗粒物排放研究的细致对比分析工作,同时搜集实测数据,结合其他源的排放清单,同颗粒物源解析结果进行比较验证。

(1)2000—2019年京津冀地区土壤扬尘源TSP排放系数均值为1.79 t km-2a-1,其中PM10占8.99%,PM2.5占0.25%。近20年土壤扬尘源TSP排放系数具有下降趋势,PM10和PM2.5排放系数变化过程与TSP一致。上述变化主要受气候因子影响,其次受植被覆盖度影响。进一步分析发现近20年来京津冀地区土壤扬尘源TSP排放系数变化主要受年降水量影响。

(2)2000—2019年沧州市土壤扬尘源TSP、PM10和PM2.5排放系数均值最高,其次是天津市和石家庄市。张家口市土壤扬尘源TSP排放量均值最大占京津冀地区总量的19.18%,其次是保定市和沧州市分别占12.98%和11.63%。北京市、衡水市、天津市、廊坊市和保定市土壤扬尘源TSP、PM10和PM2.5排放系数显著下降,然而上述区域土壤扬尘排放量仅占京津冀总量的35.63%,京津冀大部分区域土壤扬尘源颗粒物排放状况未得到有效遏制。耕地土壤扬尘排放量最大占京津冀地区总量的59.83%,是抑制土壤扬尘源颗粒物排放的重点关注对象,其次为草地占15.66%。林地和居民地分别占11.04%和9.50%。

(3)2019年邢台市土壤扬尘源PM10排放占观测值比例最高为12.66%,石家庄市和天津市占比也较高分别为11.09%和10.30%,沧州市和邯郸市占比分别为8.63%和8.02%。上述地区环境管理部门均应关注土壤扬尘源颗粒物排放对空气质量的影响。秦皇岛市和承德市土壤扬尘源排放颗粒物含量占PM10观测值比例分别为2.55%和2.99%,可能与当地植被覆盖状况较好有关。

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