论文部分内容阅读
近年来,随着气候变暖和人为活动加剧,森林火灾的频率和面积显著增加,已成为全球影响广泛的自然灾害之一。森林火灾能够释放大量的气态和颗粒态污染物,对大气环境、生态,以及人体健康造成严重影响。其中,林火烟气中的高浓度CO2和NOx会降低植物叶片气孔导度,对植物地上部分的光合作用和地下根系的生理活动均产生影响。同时,烟气中固体颗粒物可以促进光化学反应、影响光散射和吸收、加剧雾霾形成,危害人体健康。此外,森林火灾释放大量挥发性有机物,其中非甲烷总烃(NMHCs)有较高的光化学活性,是形成光化学烟雾的重要前体物,在光照下对环境和人类健康危害极大。福建省是中国森林覆盖率最高的省份,也是林火高发地区。卫星遥感数据显示全省年均林火热点近1000次,且95%以上由人为活动引起。高频率林火可积累释放大量烟气污染物,对区域大气环境和人类健康的影响十分显著。因此,研究福建地区森林生物质燃烧污染物的排放特性并分析其未来时空分布规律,对于揭示福建地区乃至我国南方亚热带地区森林火灾对于大气环境和人类健康的影响具有重要意义。鉴于此,本研究针对目前国内缺少对亚热带林火释放污染物排放特性及未来时空变化趋势研究的现状,通过自主研发的可控密闭森林生物质燃烧烟气分析系统,实测福建地区8种主要优势树种,杉木(Cunninghamia lanceolata Hook)、马尾松(Pinus massoniana)、油杉(Keteleeria fortunei(Murr.)Carr)、湿地松(Pinus elliottii)、桉树(Eucalyptus robusta Smith)、樟树(Cinnamomum camphora(L.)Presl)、闽楠(Phoebe bournei(Hemsl.)Yang)和相思(Acacia confusa Merr.)的叶、枝在不同燃烧状态下释放的CO、CO2和NOx等无机气体、颗粒态污染物(PM2.5)及NMHCs等有机污染物的排放因子。同时,结合福建省地形、气象、土壤质地、基础设施和社会经济因子,基于地理加权回归(GWR)模型预测福建省未来20年(2020-2039)由林火释放的CO、CO2、NOx、PM2.5及NMHCs等大气污染物的时空分布情况。主要研究结论如下:(1)树种及燃烧状态的差异对不同无机气态污染物和PM2.5的排放特性均有影响。其中,燃烧状态对所有无机气体和PM2.5等污染物排放因子的影响最为显著。阴燃状态下,不同树种叶、枝的CO排放强度均高于明燃,而CO2则在明燃状态下排放强度较高。不同树种枝、叶在阴燃条件下PM2.5的排放强度均高于明燃。(2)8种乔木树种叶在阴燃和明燃条件下,CO、CO2、NOx和PM2.5等无机污染物的平均排放因子分别为251.69±23.293 g/kg和135.803±16.665 g/kg、969.900±76.422 g/kg和1272.532±85.195g/kg、1.716±0.197 g/kg和2.130±0.426 g/kg、20.230±4.865 g/kg和9.584±3.604g/kg;枝的各类污染物在不同燃烧状态下的平均排放因子分别为243.165±21.171 g/kg和131.747±16.472 g/kg、944.346±66.568g/kg和1269.243±102.786 g/kg、0.752±0.164 g/kg和1.015±0.171g/kg、18.294±4.918 g/kg和9.613±2.650g/kg。乔木叶在阴燃和明燃状态下各类无机污染物的排放强度均高于枝。(3)8种乔木树种叶、枝在不同燃烧状态下共可释放48种NMHCs。其中包含烷烃19种,烯烃15种,芳香烃14种。不同树种叶在阴燃和明燃条件下,NMHCs的总平均排放因子分别为9.92g/kg和7.86 g/kg。枝在阴燃和明燃条件下,NMHCs的总平均排放因子分别为14.07g/kg和6.48 g/kg。阴燃条件下,树木的叶和枝对于NMHCs的平均排放强度均高于明燃。(4)高程、坡度、坡向、月平均温度、月平均相对湿度、植被覆盖度、公路网格密度、铁路网格密度、河流网格密度、人口密度、GDP、粉砂土百分含量、沙土百分含量和黏土百分含量等14个因素与福建省林火密度显著相关,并且各因素与林火密度之间存在显著的空间异质性。模型R2为0.83,变异系数(CV值)小于0.001,表明GWR模型对于福建地区林火密度驱动因子的拟合优度很高。(5)未来20年(20202039),福建省林火密度重心呈现由西向西北迁移的趋势,并且闽南地区林火密度逐渐增加。林火密度的年增加速率约为13%。未来20年,福建省森林火灾过火面积约为1813.14km2,年均面积约81.39km2。预计森林生物质烧毁量约1.06×104kt,年均烧毁量超过500kt。(6)20202039年内,福建省林火预计释放各类大气污染物共1.39×104kt,年均释放量131.98kt。其中,CO、CO2、NOx、PM2.5和NMHCs的排放量依次为2008.89 kt、11677.66 kt、15.22 kt、172.68 kt和12.25kt。此外,针叶树种和阔叶树种大气污染物排放总量分别为1.12×104kt和2.73×103kt,所占比例分别为71.94%和28.06%。污染物空间分布情况显示,福建中部地区是林火释放大气污染物的集中区域,未来20年内,污染物的空间分布呈放射状扩散趋势,闽西北和闽南地区的污染物排放强度将显著增加。