張恒，王柏杰，王飛

內蒙古農(nóng)業(yè)大學林學院

農(nóng)作物秸稈是農(nóng)作物生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要生物資源。近些年，由于生物質燃燒向大氣中排放大量的氣態(tài)污染物和顆粒態(tài)污染物，已經(jīng)被視為大氣污染物的重要來源[1]。作為農(nóng)業(yè)大國，中國年均秸稈產(chǎn)量可達6×108t[2]，農(nóng)作物秸稈資源過剩問題日益顯著，焚燒秸稈帶來的資源浪費和環(huán)境污染問題引起了廣泛關注[3]。

秸稈燃燒過程會向大氣釋放大量的CO、NOx、PM2.5及其他污染物[4]。這些煙氣污染物聯(lián)合作用可導致霧霾的形成[5]。過量的CO2會導致全球氣候變暖。CO與血紅蛋白結合速度高于O2，從而導致人體血液O2供應不足，對人體健康產(chǎn)生極大危害。NOx是光化學煙霧的引發(fā)劑，進入大氣后經(jīng)過一系列化學反應會形成酸雨，嚴重破壞生態(tài)環(huán)境，影響植物生長，也會引發(fā)人體肺部疾病[6]。

國內外許多學者已對農(nóng)作物秸稈釋放煙氣污染物排放特性及化學成分進行了研究，并取得一定成果。如鞠園華等[7]揭示了農(nóng)作物秸稈在陰燃和明燃狀態(tài)下PM2.5的排放特性差異。Viana等[8]對水稻在燃燒期與非燃燒期顆粒態(tài)污染物的化學組成進行對比分析。Sahai等[9]對小麥燃燒釋放有機碳、元素碳等排放因子進行了測定。唐喜斌等[10]對秸稈燃燒釋放氣態(tài)及顆粒態(tài)污染物進行了排放特征研究。楊夏捷等[11]對亞熱帶地區(qū)和華南主產(chǎn)區(qū)主要農(nóng)作物秸稈燃燒釋放煙氣污染物（CO、CO2、NOx、CxHy和PM2.5）進行分析。Cheng等[12]對水稻燃燒釋放顆粒態(tài)污染物進行了分析。張鶴豐[13]通過室內模擬燃燒試驗對主要農(nóng)作物秸稈燃燒煙氣污染物進行了排放特征分析。王艷等[14]研究了秸稈燃燒在陰燃和明燃狀態(tài)下CO、CO2、NOx、CxHy和PM2.5的排放特性差異，揭示了含水率對污染物排放因子的影響。Zhang等[15]測定了稻草燃燒有機碳和元素碳等排放因子。也有學者研究分析了秸稈種類、燃燒狀態(tài)和含水率對PM2.5排放因子和氣態(tài)污染物排放特性的影響[16-17]。分析秸稈不同燃燒狀態(tài)下煙氣污染物排放因子對研究秸稈真實燃燒情況及污染物理化性質有重要意義[18]。

目前，國內關于秸稈燃燒排放污染物的研究主要集中在我國中東部及南方地區(qū)[4]，北方地區(qū)相對較少。根據(jù)《內蒙古自治區(qū)“十三五”秸稈綜合利用實施方案》，內蒙古各類農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量達3.5×107t，其中玉米秸稈為2.9×107t，葵花秸稈為1.2×106t。鑒于此，筆者基于自主設計的燃燒裝置，對內蒙古自治區(qū)由西至東13個地區(qū)2種主要農(nóng)作物秸稈進行實驗室模擬燃燒試驗。同時，實時測定燃燒過程中CO、CO2、NOx、CxHy和 PM2.5排放因子并對其進行標準化計算，定量對比2種秸稈在陰燃和明燃狀態(tài)下各污染物的排放因子，并分析其排放特征，以期為估算生物質對PM2.5的貢獻以及內蒙古空氣質量分析提供更為準確的基礎數(shù)據(jù)，對秸稈燃燒導致的大氣環(huán)境污染研究有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于內蒙古自治區(qū)（97°12′E～126°04′E，37°24′N～53°23′N）。全區(qū)總面積 1.18×106km2，占中國土地面積的12.3%。內蒙古自治區(qū)地勢較高，平均海拔高度1 000 m，屬于高原型地貌，所處緯度較高，高原面積大，距離海洋較遠，邊沿有山脈阻隔，氣候以溫帶大陸性季風氣候為主，具有降水量少而不勻、風大、寒暑變化劇烈的特點。內蒙古自治區(qū)日照充足，光能資源非常豐富，大部分地區(qū)年日照時數(shù)大于2 700 h，為農(nóng)作物生長提供了充足的光照環(huán)境，農(nóng)牧業(yè)相對發(fā)達。

1.2 樣品采集

于2018年，以葵花秸稈、玉米秸稈為對象進行樣品采集，采樣點分布如圖1所示。樣品采自內蒙古自治區(qū)阿拉善盟阿拉善左旗、烏海市、巴彥淖爾市五原縣、包頭市、鄂爾多斯市鄂托克前旗、呼和浩特市土默特左旗及托克托縣、烏蘭察布市察哈爾右翼中旗、錫林郭勒盟錫林浩特市、赤峰市林西縣及敖漢旗、通遼市科爾沁左翼后旗、烏蘭浩特市13地，葵花秸稈、玉米秸稈樣品收集總量分別為1 678.2和1552.4 g。將自然晾干的秸稈剪切處理成10 cm長度，然后依次在天平上稱重（精度0.1 g），并將每個地區(qū)樣本分為3組燃燒樣本。

圖1 采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling sites

1.3 試驗流程及分析方法

將稱好的秸稈樣品放入100 ℃烘箱中烘干8 h，將烘干的秸稈樣品在干燥器中恢復至常溫，然后將稱量好的秸稈樣品放入自制的燃燒箱（圖2）中進行燃燒試驗，同時運用煙氣分析儀（Testo350，德倫儀器國際貿易有限公司，德國）和顆粒物分析儀（TSI8533，TSI Incorporated，Shoreview，美國）實時測定可燃物在不同燃燒狀態(tài)下樣本CO、CO2、NOx、CxHy和PM2.5的排放因子。

圖2 燃燒裝置示意Fig.2 Schematic of combustion device

1.3.1 氣體和顆粒物采樣

燃燒裝置由電熱板、煙氣流通管道、空氣壓縮機、煙氣分析儀、顆粒物分析儀和電動采樣泵、排氣閥等部分組成（圖2）。為了盡量模擬真實情況，開始燃燒試驗前，調節(jié)溫度控制器和變壓器控制燃燒箱溫度，從而滿足陰燃和明燃條件，將陰燃溫度控制在180 ℃左右，明燃溫度控制在270 ℃以上，并通過校正燃燒效率（modified combution efficiency，MCE）來表征燃燒狀態(tài)，計算公式如下：

1.3.2 氣體分析方法

每次試驗之前用標準氣體對煙氣分析儀進行校準，使用校準過的儀器確定燃燒室內污染物的背景濃度并記錄。采用煙氣分析儀對農(nóng)作物秸稈燃燒排放的CO、CO2、NOx和CxHy4種氣態(tài)污染物濃度進行實時監(jiān)測，記錄間隔為 5 s，CO、CO2、NOx和CxHy的測量精度均為1 mg/m3。

1.3.3 顆粒物分析方法

每次試驗之前用標準氣體對顆粒物分析儀進行校準，使用校準過的儀器對PM2.5濃度進行實時監(jiān)測，記錄間隔為5 s，測量精度為0.001 mg/m3。為保證顆粒物濃度測量的準確性，試驗過程中將儀器連接的煙氣導引通道的長度適當增大，為使PM2.5采樣口的溫度接近于室溫，在實驗室內采用溫度控制器進行溫度調節(jié)。

1.4 排放因子計算

排放因子（EF）指單位質量燃料在燃燒時所產(chǎn)生污染物的質量。排放因子的測定方法有很多種，如地面檢測和空中采樣方法[22]、實驗室模擬燃燒[23]、氣溶膠煙霧箱測定法[13]等。本研究采用碳守恒的方法來計算排放因子[21]。其基本假設是燃料中的碳排放主要以氣態(tài)CO2、CO、總碳氫（THC）和顆粒物形態(tài)的碳存在，根據(jù)元素守恒原則，分別計算CO2、CO、NOx、CxHy和PM2.5的排放因子。設定一個不完全燃燒系數(shù)PIC：

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007軟件進行排放因子的計算，利用SPSS 25.0數(shù)據(jù)分析軟件進行方差分析（ANOVA），以確定研究區(qū)內物污染排放因子的顯著差異，利用Origin Pro 9.1軟件和Excel 2007軟件作圖。

2 結果與討論

2.1 明燃狀態(tài)下秸稈燃燒釋放污染物

明燃狀態(tài)下各污染物平均排放因子如表1所示。從表1可以看出，明燃狀態(tài)下葵花秸稈燃燒CO、CO2、NOx、CxHy和 PM2.5的排放因子分別為（278.35±61.1）、（1 376.73±324.97）、（2.58±1.59）、（110.26±48.23）和（0.77±0.81）g/kg，玉米秸稈分別為（267.42±109.53）、（1 327.75±169.22）、（1.25±0.56）、（48.38±31.41） 和 （1.27±0.97） g/kg。 葵 花 的 CO2、CO、NOx和CxHy排放因子大于玉米，玉米的PM2.5排放因子大于葵花。

表1 明燃狀態(tài)下污染物排放因子Table 1 Emission factors of pollutants in flaming g/kg

不同地區(qū)明燃狀態(tài)下污染物排放因子比較如圖3所示。從圖3可以看出，鄂托克前旗和阿拉善左旗的CO排放因子顯著高于其他地區(qū)，察哈爾右翼中旗CO2排放因子顯著高于其他地區(qū)，其余各地區(qū)葵花和玉米的排放因子沒有顯著性差異。

圖3 不同地區(qū)明燃狀態(tài)下污染物排放因子比較Fig.3 Comparison of emission factors of carbonaceous substances in flaming in different areas

葵花的NOx排放因子普遍大于玉米，林西縣的排放因子最高，科爾沁左翼后旗排放因子最低。由于NOx會引發(fā)酸雨，對人體和農(nóng)作物造成嚴重危害，因此可以初步認為林西縣秸稈燃燒對氣候環(huán)境污染貢獻率較高，包頭市的貢獻率較低。

葵花的CxHy排放因子普遍大于玉米，葵花排放因子中，錫林浩特市最高，包頭市最低，玉米的排放因子中，阿拉善左旗最高，是土默特左旗的11.9倍。CxHy在紫外線下會引發(fā)光污染[14]，因此可以初步認為錫林浩特市和阿拉善左旗秸稈燃燒對光污染貢獻率較高，土默特左旗和烏蘭浩特市的貢獻率較低。

13個地區(qū)葵花的PM2.5排放因子有顯著性差異，其中敖漢旗葵花的排放因子顯著高于其他地區(qū)，五原縣最低，敖漢旗是五原縣的12.7倍。

2.2 陰燃狀態(tài)下秸稈燃燒釋放污染物

陰燃狀態(tài)下污染物排放因子如表2所示。從表2可以看出，在陰燃狀態(tài)下不同地區(qū)葵花秸稈燃燒 CO、CO2、NOx、CxHy和 PM2.5的排放因子分別為（411.06±91.49）、（918.72±208.26）、（3.81±2.30）、（166.69±71.88）和（1.16±1.22）g/kg，玉米秸稈分別為（371.95±154.38）、（1 029.75±212.85）、（1.33±0.84）、（67.28±41.81）和（1.61±1.05）g/kg。與明燃狀態(tài)不同，葵花CO、NOx和CxHy的排放因子大于玉米，玉米CO2和PM2.5的排放因子大于葵花。

表2 陰燃狀態(tài)下污染物排放因子Table 2 Emission factors of pollutants in smoldering g/kg

不同地區(qū)陰燃狀態(tài)下污染物排放因子比較如圖4所示。從圖4可以看出，各地區(qū)葵花和玉米排放因子具有顯著差異，與明燃狀態(tài)相似，阿拉善左旗玉米的CO排放因子均顯著高于其他地區(qū)，察哈爾右翼中旗葵花的CO2排放因子顯著高于其他地區(qū)。

圖4 不同地區(qū)陰燃狀態(tài)下污染物排放因子比較Fig.4 Emission factors of pollutants under different combustion conditions in different areas

葵花的NOx排放因子顯著高于玉米，這與明燃狀態(tài)相似，林西縣和烏蘭浩特市NOx排放因子均顯著高于其他地區(qū)，在陰燃狀態(tài)下秸稈燃燒對氣候環(huán)境污染貢獻率較高。

葵花的CxHy排放因子錫林浩特市最高，包頭市最低，錫林浩特市葵花的CxHy排放因子是包頭市的5.6倍，阿拉善左旗玉米的CxHy排放因子是察哈爾右翼中旗的20倍，與明燃狀態(tài)相似，錫林浩特市和阿拉善左旗在不同燃燒狀態(tài)秸稈燃燒對光污染貢獻率都較高。

13個地區(qū)葵花的PM2.5排放因子差異顯著，其中阿拉善左旗玉米和敖漢旗葵花排放因子顯著高于其他地區(qū)。

2.3 污染物排放因子比較

如表3所示，不同燃燒狀態(tài)下CO、CO2、NOx和CxHy排放因子有明顯差別。陰燃狀態(tài)下CO排放因子為（284.60±79.88）～（569.80±165.72）g/kg，明燃狀態(tài)下為（162.66±15.94）～（381.65±81.74）g/kg；陰燃狀態(tài)下 CO2排放因子為（725.10±107.71）～（1 409.43±82.32）g/kg，明燃狀態(tài)下為（1 094.96±182.04）～（1 866.22±377.83）g/kg。這是由于陰燃狀態(tài)下燃燒不充分所致。王俊芳[24]研究表明，生物質秸稈陰燃時，CO排放因子大于CO2，而明燃狀態(tài)則相反。陰燃狀態(tài)下NOx排放因子為（0.86±0.57）～（5.20±2.59）g/kg，明燃狀態(tài)下為（0.67±0.40）～（3.51±1.75）g/kg；陰燃狀態(tài)下 CxHy排放因子為（49.20±5.53）～（195.97±123.83）g/kg，明燃狀態(tài)下為（35.44±26.02）～（131.97±83.56）g/kg。綜上，CO2排放因子明燃大于陰燃，CO、NOx和CxHy排放因子均表現(xiàn)為陰燃大于明燃，陰燃狀態(tài)更容易產(chǎn)生氣態(tài)污染物，這與鞠園華等[7]研究結果相近。

表3 不同燃燒狀態(tài)下各地區(qū)污染物排放因子Table 3 Average emission factors of carbonaceous substances under different combustion conditions in different areas g/kg

明燃和陰燃狀態(tài)下PM2.5排放因子分別為（0.23±0.11）～（3.26±0.16）和（0.53±0.35）～（2.91±1.69）g/kg。其中，玉米在明燃和陰燃狀態(tài)下的排放因子為（1.27±0.97）和（1.61±1.05）g/kg；葵花的排放因子為（0.77±0.81）和（1.16±1.22）g/kg，無論葵花還是玉米的燃燒均表現(xiàn)為陰燃大于明燃。朱恒等[25]認為，由于陰燃燃燒不充分溫度較低，有利于有機物的揮發(fā)冷凝，從而使PM2.5的排放因子顯著增大，這與本研究結果相符。由于陰燃燃燒溫度低，不完全燃燒導致CO排放增多，從而導致PM2.5排放因子增多。

各地區(qū)樣品在不同燃燒狀態(tài)下污染物排放因子具有顯著規(guī)律，阿拉善左旗CO排放因子最高，察哈爾右翼中旗CO2排放因子最高，林西縣NOx排放因子最高，錫林浩特市CxHy排放因子最高，敖漢旗PM2.5排放因子最高，污染物排放因子在不同地區(qū)之間的差異主要與采樣點環(huán)境、土壤養(yǎng)分含量和樣品品種有關。

在實驗室模擬環(huán)境下，葵花秸稈和玉米秸稈在露天燃燒時，CO的平均排放因子分別為（344.71±66.36）和（319.69±52.27）g/kg；CO2的平均排放因子分別為（1 147.73±229.01）和（1 178.75±149.00）g/kg；NOx的平均排放因子分別為（3.20±0.62）和（1.29±0.04）g/kg。本研究結果與孫劍峰[26]研究結果相近，雖然地理位置、樣品品種、生長環(huán)境等因素會影響氣態(tài)污染物排放因子，但只要試驗方法基本相似，試驗結果都會控制在科學差值范圍內。因此，在估算農(nóng)作物秸稈燃燒釋放煙氣污染物CO、CO2、NOx、CxHy和PM2.5的排放清單時，可以參考本研究所得的排放因子。

3 結論

（1）在不同燃燒狀態(tài)下，2種農(nóng)作物秸稈PM2.5排放因子有明顯差異，明燃和陰燃狀態(tài)下分別為（0.23±0.11）～（3.26±0.16）和（0.53±0.35）～（2.91±1.69）g/kg，表現(xiàn)為陰燃大于明燃，秸稈燃燒PM2.5排放因子受地理環(huán)境、生長環(huán)境和樣品品種影響較小，受燃燒狀態(tài)影響較大。

（2）在明燃和陰燃狀態(tài)下，2種農(nóng)作物秸稈CO2排放因子分別為（1 094.96±182.04）～（1 866.22±377.83）和（725.10±107.71）～（1 409.43±82.32）g/kg，表現(xiàn)為明燃大于陰燃，CO、NOx、CxHy和PM2.5排放因子均表現(xiàn)為陰燃大于明燃。

（3）在明燃狀態(tài)下，葵花秸稈 CO2、CO、NOx和CxHy的排放因子大于玉米，玉米秸稈PM2.5的排放因子大于葵花；與明燃狀態(tài)不同，陰燃狀態(tài)下葵花秸稈的CO、NOx和CxHy排放因子大于玉米，玉米秸稈的CO2和PM2.5排放因子大于葵花。