程 榮，段永紅

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

大氣氣溶膠是液態(tài)或固態(tài)微粒在空氣中的懸浮體系。它們能作為水滴和冰晶的凝結(jié)核、太陽輻射的吸收體和散射體，并參與各種化學(xué)循環(huán)，是大氣的重要組成部分，霧、煙、霾等都是天然或人為原因造成的大氣氣溶膠[1-2]。氣溶膠光學(xué)厚度（AOD，Aerosol Optical Depth）表示介質(zhì)在垂直方向上的積分，是表征大氣渾濁度的重要的物理量之一，通常情況下，AOD值越高表明大氣渾濁度越高[3-6]。目前，AOD的獲取方法主要以地基監(jiān)測和衛(wèi)星遙感為主。使用較多的是MODIS（中分辨率成像光譜儀）衛(wèi)星，其產(chǎn)品包含種類豐富的氣溶膠時(shí)空變化信息，是監(jiān)測區(qū)域AOD時(shí)空分布的有效手段之一[7]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于氣溶膠的變化特征進(jìn)行了較多的研究[8-12]，也展開了對(duì)自然和社會(huì)因素的影響分析，研究表明，AOD與溫度、相對(duì)濕度及降水密切相關(guān)，溫度越高、相對(duì)濕度越大，越有利于氣溶膠粒子的形成，而降水則會(huì)對(duì)氣溶膠粒子起到?jīng)_刷的作用，社會(huì)因素的影響因地而異[13-16]。氣溶膠同時(shí)具有較強(qiáng)的生態(tài)效應(yīng)，與農(nóng)業(yè)活動(dòng)關(guān)系密切，有研究表明，當(dāng)太陽輻射減弱20%時(shí)，冬小麥潛在產(chǎn)量將下降10.2%[17]。山西省作為農(nóng)業(yè)大省，2017年糧食產(chǎn)量1 354萬t，糧食播種面積達(dá)317.2萬hm2，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中化肥施用和秸稈焚燒等會(huì)向環(huán)境中排放較多的污染物，而大氣環(huán)境的污染也會(huì)影響糧食產(chǎn)量。

本研究利用MODIS的氣溶膠產(chǎn)品分析山西省2005—2017年的氣溶膠變化特征，并結(jié)合農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)資料分析氣溶膠變化特征與農(nóng)業(yè)活動(dòng)之間的關(guān)系，旨在為山西省大氣環(huán)境治理以及指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

山西省位于我國內(nèi)陸，坐落在黃河中游東岸，背靠黃土高原，毗鄰河北、陜西、河南和內(nèi)蒙古，介于東經(jīng) 110°14′～114°33′、北緯 34°34′～40°44′，全省面積約為15.67萬km2[18]。山西省地處華北西部的黃土高原東翼，地貌類型復(fù)雜多樣，有山地、丘陵、高原、盆地、臺(tái)地等，境域地勢高低起伏異常顯著。2017年糧食播種面積為317.2萬hm2，主要種植玉米、小麥、谷子等糧食作物。

表1 2005—2017年山西省農(nóng)業(yè)影響因子

1.2 數(shù)據(jù)來源

目前使用最廣泛的氣溶膠產(chǎn)品是MODIS AOD產(chǎn)品。本研究所使用的AOD產(chǎn)品數(shù)據(jù)來自于NASA 官網(wǎng)（http://ladsweb.nascom.nasa.gov/）發(fā)布的MOD04數(shù)據(jù)，空間分辨率為3 km，時(shí)間分辨率為1 d[19]。選取時(shí)間序列為2005年3月1日至2018年2月28日的每日產(chǎn)品。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來自2005—2017年《山西省統(tǒng)計(jì)年鑒》，統(tǒng)計(jì)因子如表1、2所示。

表2 2016年山西省各地級(jí)市農(nóng)業(yè)影響因子

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用ENVI和ArcGIS對(duì)2005—2017年的影像進(jìn)行幾何校正、鑲嵌及真值轉(zhuǎn)換等預(yù)處理，提取得到每天的AOD值，并將每天的AOD數(shù)據(jù)最大值合成月值，再計(jì)算季、年平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 AOD年度變化與農(nóng)業(yè)活動(dòng)的關(guān)系

圖1～3展示的是2005—2017年年際AOD變化情況及其與糧食播種面積、糧食產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的關(guān)系。從圖1～3可以看出，年際AOD值在0.62～0.87波動(dòng)，多年平均AOD值最高值出現(xiàn)在2012年，最低值出現(xiàn)在2017年。

由圖1可知，2005—2008年AOD呈現(xiàn)先增加后減少的態(tài)勢，而糧食產(chǎn)量則相反，呈先減少后增加的趨勢；2008年之后二者都呈現(xiàn)增加的趨勢，而AOD的增長幅度（22.9%）要大于糧食播種面積的增長幅度（5%），且AOD在2012年達(dá)到峰值后，糧食播種面積在2013年比2012年減少了2.3萬hm2；2012年后，AOD呈顯著下降的趨勢，糧食播種面積呈小幅下降趨勢，但下降幅度不大，僅為2.9%，遠(yuǎn)小于AOD的降幅（28.8%）。

由圖2可知，2005—2008年糧食產(chǎn)量在AOD波動(dòng)變化的影響下一直保持穩(wěn)定的態(tài)勢，2009年AOD微增，而糧食產(chǎn)量減產(chǎn)86萬t，之后糧食產(chǎn)量一直呈增加的趨勢，特別是在2012年之后，一直保持較高的產(chǎn)量水平。

從圖3可以看出，2006—2009年AOD的下降幅度為11.7%，同期農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的增長幅度為90.4%；2012—2017年AOD的下降幅度為28.8%，而農(nóng)業(yè)產(chǎn)值增加了88億元，增長幅度為11.3%。

2.2 AOD空間變化與農(nóng)業(yè)活動(dòng)的關(guān)系

從圖4可以看出，AOD的空間分布具有明顯的特征：由西南向東北遞減，且中部地塹盆地高于兩側(cè)的山地地區(qū)。從地級(jí)市來看，各地區(qū)的AOD由高到低依次是運(yùn)城（1.29）＞臨汾（1.23）＞太原、晉中（0.91）＞呂梁（0.89）＞晉城（0.85）＞忻州（0.73）＞朔州（0.50）＞大同（0.47）。

由圖4和表3可知，各地區(qū)AOD值與第一產(chǎn)業(yè)地區(qū)生產(chǎn)總值、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、糧食播種面積、糧食產(chǎn)量及化肥施用量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系。AOD值最高的運(yùn)城市5個(gè)影響因子的值均高于其他地區(qū)，而影響因子值較低的大同、朔州、陽泉等地的AOD值也普遍較低。山西省運(yùn)城、臨汾、忻州和晉中一帶糧食種植面積較大，生物質(zhì)秸稈資源數(shù)量豐富，且人們有焚燒秸稈的習(xí)慣，所以其對(duì)應(yīng)的AOD值較高。山西省AOD的分布與各農(nóng)業(yè)影響因子分布具有良好的一致性。

表3 山西省AOD與農(nóng)業(yè)各影響因子的相關(guān)性

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，在年際變化上，AOD值與各農(nóng)業(yè)影響因子呈微弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系。說明氣溶膠污染不僅會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，也會(huì)進(jìn)而對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量產(chǎn)生影響。氣溶膠粒子通過對(duì)大氣中的可見光進(jìn)行散射和吸收作用來減少到達(dá)地面的太陽輻射，進(jìn)而影響糧食種植面積、降低糧食產(chǎn)量及農(nóng)業(yè)產(chǎn)值。趙俊芳等[20]研究表明，氣溶膠污染通過引起的酸性沉降、晝夜溫差減小以及影響作物的光合有效輻射等而影響作物的產(chǎn)量。王力[21]的研究也證實(shí)了氣溶膠可以通過減少農(nóng)作物受到的輻射進(jìn)而降低氣溫等綜合作用導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)，使得農(nóng)作物全生育期推遲，但這種影響并不顯著，因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，氣溶膠引起的降溫有增產(chǎn)效應(yīng)，從而能夠彌補(bǔ)太陽輻射缺失造成的農(nóng)作物減產(chǎn)。所以從長時(shí)間序列上分析，山西省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)總體趨于穩(wěn)定。

本研究還表明，在空間變化上，山西省AOD值呈現(xiàn)西南高東北低、中部地塹盆地高于東西兩側(cè)山地的分布特征，這與王雁等[22]的研究結(jié)果相一致。運(yùn)城、臨汾、忻州和晉中一帶糧食種植面積較大，這與楊海蓉等[23]研究的生物質(zhì)秸稈資源數(shù)量豐富區(qū)吻合，而秸稈焚燒是山西省大氣污染的主要因素。曹國良等[24]研究表明，山西省的農(nóng)作物秸稈露天焚燒比例為20%～30%，與全國其他地區(qū)相比，處于較高的水平。李煒等[25]研究得出，山西省農(nóng)作物秸稈露天焚燒釋放的總碳量平均每年為1.64×106t，且空間排放規(guī)律為東西兩側(cè)山地排放量少、中部地塹盆地因農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)而排放量高，這與本研究中山西省AOD的空間分布呈現(xiàn)良好的一致性，證明山西省農(nóng)作物露天秸稈焚燒是大氣污染的主要來源。

本研究從時(shí)間和空間尺度上分析了2005—2017年山西省AOD與農(nóng)業(yè)影響因子的關(guān)系，這在目前的研究中并不多見。實(shí)際上，還有眾多農(nóng)業(yè)影響因子會(huì)對(duì)AOD產(chǎn)生影響。此外，基于統(tǒng)計(jì)資料收集的難度，本研究只統(tǒng)計(jì)了各地級(jí)市的部分農(nóng)業(yè)影響因子。因此，未來要重點(diǎn)研究更小尺度、更多影響因子之間的關(guān)系，以更全面深入地分析AOD與農(nóng)業(yè)活動(dòng)的關(guān)系。