生物质燃烧对大气气溶胶和雾霾的影响

生物质燃烧包括森林和草原大火以及农业废弃物的燃烧，其中农业废弃物能够占到总量的60%［30］。随着经济迅速发展，越来越多的农业废弃物被露天燃烧。在农业收获季节，每年大约5.182×107 t废弃物被直接露天燃烧，占总量40%。特别在中国中东部包括山东、江苏、河南与河北等，这些农业大省同时又是经济发达地区。泰山坐落于山东，仅山东就约有1.798×107 t秸秆被直接露天燃烧，是燃烧最多的省份。生物质燃烧可向大气中释放大量的颗粒物和气态化合物［31，32］，特别是农业废弃物。水溶性K+是生物质燃烧的很好指示物［33］。气溶胶中的K+可以来源于生物质燃烧、扬尘、海盐，而元素Al和Na+则分别是扬尘和海盐的指示物。Na、K和Al在海盐和地壳中的含量为：Na 31%、K 1.1%、Al 0%和Na 2.6%、K 2.9%、Al 7.7%［34］。可以看出，K+在海盐中低于Na+，在地壳中低于Al，因此如果气溶胶来源于海盐和地壳的贡献，那么气溶胶中Na+和Al的增加都将比K+的增加显著。从图27-4可以看出，K+在夏季采样期间会有突然增加的现象，比Na+和Al增加明显，说明大气颗粒物的增加主要源于生物质燃烧。

气溶胶中总的K+离子用表示，其表达式为=++，其中 表示海盐来源，表示地壳来源，表示生物质燃烧来源。同样，气溶胶中Na+离子仅来源于海盐和地壳，总量的表达式为=+；气溶胶中的Al仅来源于地壳，因此和可以通过地壳中K+／Al及Na+／Al的比值，还有海水中K+／Na+的比值获得，即

其中K+／Na+为0.037，而沙尘中K+／Al及Na+／Al的比值，则因采样区域土壤类型的不同，会有不同的背景值。现在我们采用2种方法估算。

图27-4　泰山顶部PM 2.5中K+、Na+和Al的日变化（2006.3.14—2006.6.30）（彩图见下载文件包，网址见14页脚注）

（1）利用气溶胶样品中K+／Al和Na+／Al的最小值，计算沙尘中K+和Na+的背景值，然后利用计算生物质燃烧对K+的贡献，即2006年泰山PM 2.5样品中K+／Al和Na+／Al的最小值为0.152和0.240，因此

（2）利用泰山附近土壤样品中K+／Al及Na+／Al的比值（0.107和0.031），计算沙尘对K+和Na+的贡献，即

用上述2种方法获得泰山PM2.5中非常接近（见图27-5）。用气溶胶最小K+／Al及Na+／Al比值获得泰山春季和夏季的浓度分别为0.40和4.30μg·m-3，而用土壤K+／Al及Na+／Al比值获得的浓度分别为0.32和4.30μg·m-3。泰山夏季PM 2.5中高浓度的，表明生物质燃烧对泰山顶部空气的质量有影响。

图27-5　泰山顶部PM2.5中由生物质燃烧产生的钾离子（K+）浓度（彩图见下载文件包，网址见14页脚注）(www.xing528.com)

图27-6　根据MODIS全球火点图所得可能影响泰山的区域火点图（彩图见下载文件包，网址见14页脚注）

（a）3月1—29日；（b）4月1—9日；（c）5月1—29日；（d）6月1—29日；（e）6月1—9日；（f）6月10—19日。

根据MODIS全球火点图^[3]得到的可能影响泰山的区域火点图，进一步证实了生物质燃烧对空气质量影响的变化规律，见图27-6（a）—（f）。泰山周边区域的火点，从5月份开始增加［图27-6（c）］，火点数在6月达到峰值（图27-6d），6月1—9日火点主要分布在南方区域［图27-6（e）］，之后（6月10—19日）逐步朝北方迁移［图27-6（f）］，这与在此期间中国水稻、小麦的收割时节吻合。生物质燃烧、矿尘以及其他来源对泰山PM 2.5的质量浓度贡献见图27-7。

图27-7　泰山顶部PM 2.5各种来源贡献值的日变化（彩图见下载文件包，网址见14页脚注）

通过对小麦和水稻秸秆燃烧排放的PM 2.5中K+含量的分析获得K+在秸秆燃烧释放颗粒物中的百分含量分别为9.56±11.8（wt%）^[4]和11.38±8.49（wt%）［36，37］作为计算依据。也就是说，生物质燃烧对大气PM2.5的贡献可以用PM2.5=／0.095 6计算，沙尘源对PM2.5的贡献按照Al／0.08计算，据此计算出生物质燃烧对泰山PM 2.5的贡献，春季为7.56%，夏季则升至36.71%，6月12日生物质燃烧对PM2.5的贡献达到81.58%。不同采样点气溶胶中K+的浓度分布见表27-8。可以看出，泰山气溶胶中K+浓度是各采样点中最高的，且表现出强烈的季节波动，春季日均为0.48μg·m-3，而夏季升至4.41μg·m-3。同时，K+与涉及生物质燃烧的其他化学组分（例如BC、C2 O24-）高度相关（表27-9）。所有上述讨论都表明，生物质燃烧是泰山所在地的中国中东部边界层气溶胶的重要来源。

表27-8　泰山顶部和其他采样点钾离子（K+）浓度

表27-9　泰山顶部夏季气溶胶PM2.5中钾离子（K+）和其他有关离子的相关系数