北京市农业大棚冬季燃煤散烧污染排放估算.docx

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1、 第卷第期 年月 环境科学研究 ， 张立坤，李令军，姜磊，等北京市农业大棚冬季燃煤散烧污染排放估算环境科学研究，（）： ， ， ， ，（）： 北京市农业大棚冬季燃煤散烧污染排放估算 张立坤 ，李令军 ，姜 磊 ，赵文慧 ，李 倩 北京市环境保护监测中心，北京 大气颗粒物监测技术北京市重点实验室，北京 摘要：选取北京农业种植的典型区域，使用高分辨率影像对年冬季、年夏季及年冬季的三期农业大棚进行了精 细化提取，分析了污染物空间分布特征在此基础上，通过现场调查的方式获取了蔬菜、瓜果、水果、花卉以及其他类五种不同种 植类别农业大棚的燃煤系数，估算了北京市典型区农业大棚的燃煤散烧量及污染物排放量结果表明

2、：以面积为衡量指标，北京 市农业大棚主要集中在城乡结合部，南部区域量多面广，而北部区域分布集中、规模较大，受城市扩张影响，农业大棚呈现重心向 外转移的变化趋势选取大兴、通州、昌平以及海淀个区作为典型区，通过实地调查发现其他类农业大棚燃煤系数最大，达到 （ ），瓜果、水果、蔬菜及花卉燃煤系数依次为、及 （ ）北京典型区农业大棚燃煤量为 ，全市农业大棚的燃煤总量约为 结合农业大棚活动水平与污染物排放因子估算年北京市农业大棚燃煤散 烧的。：，、。及：排放量分别为、及 将年冬季持续存在、夏季未被拆除的大棚 定义为长期持续性大棚，核算发现，长期持续性大棚。、：，、：及：排放量分别为、及 关键词：北京；农

3、业大棚；燃煤散烧；污染排放；遥感监测 中图分类号： 文章编号：（） 文献标志码： ： 一， 一， 一， ” ， ， ， ， ， ： ， ， （ ） ， ， ， ， ， ， ， （ ）， ， ， （ ）， ， ， ， ， ， ， ， ，； 收稿日期： 修订期： 基金项目：北京公益科技项目（） ， ， 作者简介：张立坤（一），女，北京人，工程师，硕士，主要从事环境 监测工作， 万方数据 ：； ； ； ； 第期 张立坤等：北京市农业大棚冬季燃煤散烧污染排放估算 农业大棚是设施农业的主要类型，它能够利用人 造设施改变气候条件，使作物在自然条件下不能生产 的地域或季节能够正常生产近年来，随着都市型现 代

4、农业的兴起，以大棚为主的设施农业正在逐步发展 起来根据北京市统计资料，年，北京市 设施农业播种面积增长 超过倍，占全部农作物播种 面积的 设施农业的发展促进了农业的产业 化与现代化，但是其反季节性的生产却给环境带来了 不利影响 农业大棚的特征呈现为规模较小、低矮连片，受 经济条件限制，高污染的燃煤散烧是大棚的主要供暖 方式燃煤散烧不仅直接排放大量的颗粒物，同时亦 会生成：、。、等气体，这些气态污染物是 的重要前体物，在大气中发生复杂的化学反应， 进一步生成二次：； 。，危害环境与人体健 康 燃煤污染的治理对于北京市空气质量改善有重 要作用，年源解析结果 显示：尽管经过多年 的煤烟治理，北京市，

5、本地来源中燃煤源贡献率 仍达到，成为仅次于机动车的第二大空气污 染源近年来，伴随工业源（电力、供热等行业）排放 逐步得到有效控制，散煤已经成为北京市下一阶段大 气污染控制的重点治理对象。等。 指出， 民用煤炭使用方式粗放，多未采取有效处理措施，颗 粒物排放量大，并且估算精准度低；潘涛等 。探究了 民用燃煤大气污染物排放清单的建立方法，介绍了排 放因子法中活动水平和排放因子两个重要因素的获 取途径及数据质量的控制和保证方法；刘源等 “” 通过实验室模拟民用燃煤燃烧的方式，获取了不同类 型民用燃煤（烟煤、无烟煤、蜂窝煤等）的污染物排放 因子，包括。、：。、和、多环芳烃、汞等 赵文慧等旧。通过对平原

6、区平房遥感解译的方法，利 用文献调研因子评估了民用散煤的大气污染物排放 研究综合利用遥感技术与实地调查的方法，探讨了农 业大棚燃煤散烧污染排放的估算方法精细化提取 了北京市典型区域的农业大棚，测定了不同种植类型 的燃煤系数，初步估算了北京市典型区域的农业大棚 的燃煤量及污染排物放量，对于促进北京市乃至区域 空气质量治理具有重要意义 材料与方法 研究区域 由于农业大棚呈分布零散、随机的特性，导致全 面调查难度极大该研究通过选取有代表性的典型 区，探讨农业大棚燃煤强度的测算方法，进而基于卫 星数据获取农业大棚的区域燃煤散烧活动水平，以全 面分析北京市农业大棚的燃煤散烧情况以北京市 政府发布的关于促

7、进设施农业发展的意见为参 考，选取设施农业的主要分布区域（包括大兴、通州、 昌平以及海淀个区）作为典型区（见图）根据统 计年鉴口 ，典型区的设施农业播种面积占北京市全 部设施农业的，基本涵盖了设施农业的重点 发展区域，并且范围涉及北部、南部以及城六区区域， 分布较为全面 量支国瑞等。针对农村生活能源使用情况开展入 村调查，发现煤炭仍居主导地位，并核算了农村散煤 燃烧的排放量，提出了相关政策启示 图研究区范围 东城区 西城区 受气候条件限制，冬季包括北京市在内的我国北 方农业大棚种植需要人为供暖，基于经济因素和设施 条件影响有相当一部分大棚采用燃煤散烧的方式采 暖当前对于燃煤散烧的治理开展了多样

8、的研 究旧。 ” ，但是研究内容多集中在采暖季居民供暖方 向，在农业燃煤散烧方面仍是空白，伴随着设施农业 的快速发展，农业燃煤散烧应该得到足够的重视该 万方数据 农业大棚精细化提取方法 农业大棚主要通过高分辨率卫星影像目视解译 的方式进行遥感提取，并配以设施统计数据及外业调 查校验完善遥感手段能够客观直接获取农业大棚 的供暖面积和区域分布，并且精度较高 数据来源：为有效探讨农业大棚的季节性变化， 区分临时搭建与长期布设的大棚，充分分析农业大棚 篇 么 剃 塑举 亩 里盛 哗 工， 环境科学研究 第卷 的时空特征，分别选取了年冬季（年 月）的高分一号影像、年夏季（年月）的 一影像以及年冬季（年一

9、月） 的影像进行解译，影像无云雪覆盖，影像 燃煤量估算 综合燃煤系数、活动水平及统计数据，构建农业 大棚燃煤量估算方法，流程及公式见图和式（） 范围、投影和坐标系等均符合要求 精细化提取方法：农业大棚的特征呈现为连片存 在，中间有细小间隔，逐个提取工作量大，难度高，因 此解译时将连片存在的大棚解译为同一图斑，此种方 式将给解译结果带来一定误差为提高解译精度，使 用面积系数对农业大棚解译结果进行修正农业大 棚面积系数的获取方式为随机选取一定量的农业大 棚图斑，对图斑内大棚进行逐个解译，达到精细化提 取的程度，将其与连片解译图斑面积的比例定义为农 业大棚面积系数 。 。 三 型一 （） 式中：为农

10、业大棚面积系数；。为精细化解译图斑 面积，；。为连片解译图斑面积，；为随机抽取 的图斑数 研究中根据解译结果在典型区随机抽取大、中、 兰面 基础地理数据准备 随机抽样 赢 数据预处理 外业调查 数据处理 活动水平燃煤系数测算统计年鉴 燃煤量估算 图燃煤量估算方法流程 燃煤量估算公式： 农业大棚 解译数据 小图斑共计个，以式（）计算得到北京市典型区 。 （） 农业大棚面积系数为 燃煤量估算 燃煤系数获取 农业大棚燃煤系数定义为单位面积农业大棚所 消耗的燃煤量，单位为（ ）由于农业大棚的 燃煤系数受到区域气候特征、种植类型等多种因素的 影响，为了能够客观精准地估算农业大棚的燃煤情 况，采用实地调查

11、方式分类采集测算北京市农业大棚 的燃煤系数 在调查中，根据遥感解译结果，进行随机抽样，使 调查点能够基本均匀覆盖典型区依据该原则，共选 取个调查点，调查内容包括农业大棚的位置、类 型、采暖方式、燃料使用量（）、供暖面积（）以及 燃煤天数（）、棚内温度（）等信息 燃煤系数测算公式： 卢。 （） 式中：届；为第种种植类别的农业大棚燃煤系数， （ ）；为抽样调查中第种种植类别的年燃 煤量，；为抽样调查中第种种植类别的供暖面 积，；为农业大棚类别，包含蔬菜、花卉、瓜果、水 果以及其他 万方数据 ；。 （） ； （） 式中：为第种种植类别的农业大棚面积，；。为 农业大棚总面积，；为燃煤比例，即燃煤大棚占

12、所 有农业大棚的比例，；为种植比例，即第种种植 类别的播种面积占全部播种面积的比例，；为第 种种植类别的农业大棚年燃煤量，；为农业大棚 年燃煤总量，其中，农业大棚总面积（。）获取方 式为遥感解译；燃煤系数（；）、燃煤比例（）获取方 式为实地调查；种植比例（；）测算的基础数据来自统 计年鉴 污染物排放量估算 使用排放因子法估算农业大棚冬季燃煤散烧的 污染物排放量，农业大棚燃煤排放多为直排，未采取 措施，不考虑去除率，污染物的排放量可直接使用燃 煤量乘以污染物的排放因子进行估算心 ”“ ： （） 式中：为第，种污染物的排放量，；为第种污 染物的排放因子， 颗粒物是导致北京灰霾天气，引起能见度下降的

13、 大棚蕊涵 删 豳 嘲 第期 张立坤等：北京市农业大棚冬季燃煤散烧污染排放估算 主要污染物口矧，：与：是燃煤排放的主要因 子，更是空气质量监测与评价的重要指标 。，核算 农业大棚的：，、。、：的污染排放量对北 京大气污染减排工作有重要意义根据文献， ，选取供暖的主要用煤类型块煤的排放因子进行 估算，其中。为 、 为 、 。为 、为 ， 结果与分析 北京市典型区农业大棚分布特征 北京市典型区农业大棚空间分布特征 农业大棚散煤燃烧的污染排放特征与农业大棚 的空间分布息息相关，通过空间分布分析完成污染源 的定位及污染源发展趋势的预测，能够促进农业大棚 散煤燃烧的控制与监管 年冬季影像遥感解译结果显示

14、，北京市典 型区农业大棚面积为 ，使用大棚面积系数 修正后获取的实际种植面积为 典型区的 设置围绕农业较发达的城乡结合区域分南北两个方 向扩展，探究典型区农业大棚的空间分布特征显示， 南部区域的大兴区与通州区农业大棚面积大、分布 广，面积分别达到及 ，共计 ， 是北部昌平区与海淀区农业大棚总面积的倍 农业大棚在南部区域应用更广，但是在北部区域分布 集中、规模较大，利用率相对更高昌平区冬季作物 种植采用大棚形式比例最高，大棚面积占农田总面积 比例达到，大兴区与通州区分别为及 ，具体如图所示农业大棚多集中在近郊地 区，导致伴随大棚生产排放的大气污染物围绕中心城 区形成一条农业燃煤污染带 大兴区及海

15、淀区农业大棚集约化程度较低，大棚 平均斑块面积低于典型区平均水平，破碎程度显著 其中，大兴区特点最为显著，大棚数量多，总面积大， 但是平均斑块面积小，仅为 高度的斑 块破碎化在一定程度上反映出大棚经营规模小、生产 成本低、生产主体多，可能带来燃煤来源复杂、清洁能 源推广工作难以实施、燃煤监管难度大等问题，见表 昌平区及通州区则以规模型的大棚种植区为主， 平均斑块面积远远大于其余个区县，分别达到 及 ，具体情况见图 表 农业大棚分类遥感解译标识 分类 遥感影像 实地调查 盈 零散大棚 图北京市典型区农业大棚平均斑块面积 典型区 图北京市典型区农业大棚面积分布与占农田比例 六环路是北京城区与新城连

16、通的重要通道，也是 城市边缘与乡村的交错地区以六环路为界线探讨 农业大棚的分布，发现其分布特征及变化趋势与城市 发展息息相关典型区农业大棚在六环内分布较少， 但是规模普遍较大六环外农业大棚面积占到典型 区总面积的，这是由于近年来城市快速扩张， 城市边缘外扩，内部建设用地不断侵占农田，导致六 环内农业用地逐步减少，大棚分布随之外迁六环外 的农业大棚普遍规模小，以散户种植模式为主，集约 化、规模化水平仍较低，斑块面积远小于六环内，具体 万方数据 统计结果见表 环境科学研究 第卷 表六环内、外农业大棚情况统计结果 从变化趋势看，农业大棚的发展重心逐渐向外转 移年，农业大棚整体呈现增长态势，年 增长率

17、为，但六环内大棚却同比减少 六环外农业大棚面积高于六环内而且呈增长趋 势，年增长速度达到 ，体现出六环外农业大 棚的发展优势与良好发展趋势此外，六环外农业大 棚占比亦有小幅度提高，从年的升至 年的，农业大棚逐步向六环外转移 图 北京市典型区长期性与临时性农业大棚分布情况 长期性与临时性农业大棚分布特征 农业大棚布设的目的在于自然气候条件不能满 足作物生长所需时通过人为方式改变光热条件保障 作物正常生长，因为在北京地区气温存在显著季节性 变化特征规模化的农业大棚能够形成规律的年度 种植模式，大棚利用程度高，能够长期存在；而随着自 然条件、市场需求以及散户种植意愿的变化，会出现 临时搭建大棚以满足

18、种植需求的现象两种大棚冬 季采暖方式的差异导致其对大气环境的影响具有不 同特征，通过对比年冬季、年夏季、年 冬季农业大棚解译数据对长期性大棚和临时性大棚 姜 娶 垣 晕 爿 北京市典型区长期性与临时性农业大棚面积分布 进行了区分将三期影像均存在的大棚定义为长期 性大棚冬季持续存在，夏季被拆除的季节性大棚定 义为临时性大棚，具体情况见图 高大兴区的长期性大棚平均斑块面积达到 长期性大棚是农业大棚存在的主要形式，占典型 区农业大棚面积的分布特征与农业大棚整 体情况一致，按面积排序为大兴区通州区 昌平区海淀区其中，昌平区长期性大棚占该区农 业大棚面积比例最大，达到；海淀区最小，为 全部区县均以长期性

19、大棚为主要存在形式， 其中，昌平区已经形成成熟的大棚水果产业链，固定 的种植模式导致长期性大棚占主导地位，具体情况见 图 临时性大棚的破碎化程度大于长期性大棚大 兴区本身存在较大规模的长期性大棚，但是受到新增 与临时搭建的小型零散冬季大棚影响，整体破碎度较 万方数据 ，超出该区全部大棚平均斑块面积的倍昌 平区农业大棚的集约化、规模化程度最高，长期性大 棚平均斑块面积达到 长期性大棚位置 固定，规模较大，对大气环境存在持续影响临时性 大棚数量多、面积小、分布零散，具有随机性、不确定 性，管控难度大 北京市农业大棚燃煤量估算 不同种植类型农业大棚燃煤系数 采用实地调查的方式获取农业大棚燃煤系数，在

20、 个解译大棚点位中，随机选取个调查点开 展调查，调查点的分布情况如图所示 如图所示，在抽样的调查点中，共有个大棚 第期 张立坤等：北京市农业大棚冬季燃煤散烧污染排放估算 （？ ）葡薹籁垛毯肇 蔬菜 花卉 瓜果 水果 其他 种植类别 图 不同种植类型农业大棚燃煤系数 图调查点位分布 具有冬季采暖设备，采暖率为在采暖大棚中， 的大棚仍通过采暖炉等燃煤设备进行供暖，这种 水平，结合实地调查获取的燃煤系数，使用式（）（） （）计算得到农业大棚燃煤量，结果如表所示 表北京市典型区农业大棚燃煤量估算结果 高耗能、高污染的传统大棚采暖方式与北京市节能减 排、雾霾治理的目标背道而驰。 北京市典型区农业大棚燃煤

21、总量为 ， 图农业大棚采暖方式调查结果 从类别看蔬菜和瓜果类农业大棚是农业燃煤的主要 来源，占典型区农业大棚燃煤总量的从空间 上看，南部大棚分布更广，燃煤量更大，大兴区及通州 区农业大棚燃煤量分别达到 及 ， 按种植类别对燃煤供暖大棚的年度燃煤量及供 是北部昌平区及海淀区的倍从影响看，长期性 大棚的燃煤总量为 ，临时性大棚燃煤总量 暖面积进行统计分析，种植类别的区分以统计年鉴为 为 依据，主要包括蔬菜、花卉、瓜果、水果及其他五大类 使用式（）计算不同种植类别的燃煤系数，得到结 果：其他类型农业大棚（主要为鸭苗）燃煤系数最大， 为 （ ），主要是由于本地调查中其他类型 以养殖大棚为主，养殖大棚对

22、于温度的要求较高，耗 煤量大瓜果燃煤系数仅次于其他大棚，约为 （ ）；水果及蔬菜燃煤系数接近，分别为及 （ ），花卉的燃煤系数最低，为 （ ）燃煤系数的差别主要与种植种类对温度 的需求相关，维持高温环境耗煤量大（见图） 北京市农业大棚燃煤量估算 以种植比例为权重计算各类别农业大棚的活动 万方数据 根据统计年鉴数据，典型区农业大棚播种面积占 北京市农业大棚面积的，假定典型区的燃煤 使用情况能够代表全市平均水平，以此推算全市农业 大棚的燃煤散烧总量约为 年北京 市煤炭消费总量预计为 ，其中民用散煤量 约为 ，农业大棚对全市散煤的贡献约为 虽然农业大棚的燃煤量在民用散煤中占比较 低，但是在北京市逐步

23、推进无煤化治理的背景下，仍 是需要面对与解决的问题之一 北京市农业大棚污染物排放量估算 结合燃煤量的估算和排放因子的调研，使用 式（）估算年北京市农业大棚燃煤散烧排放的 环境科学研究 第卷 ，、：、，及分别为、及 的一种有效方式 其中，长期性大棚的：，、。及： 排放量分别为、及 ，即北京 市农业大棚燃煤散烧长期持续的污染物排放保持在 此水平之上，并且随年度变化有不同程度增长影响 农业大棚污染物排放的因素主要有三方面，分别是农 业大棚的种植规模、种植结构以及供暖方式 农业大棚的污染物排放量与种植规模呈现较好 的一致性典型区中，位于南部大兴区及通州区大气 污染排放水平较高，其中大兴区各项污染物量最

24、高， 。、：，、。及：排放量分别达到、 、及 位于城六区的海淀区农业大 棚种植面积小，各项污染物排放水平均较低，。 种瞰类！ 图 典型区不同种植类型农业大棚 燃煤散烧污染物排放量 ：，、。及：排放量分别仅为、 及 （见图） 蚓 疆 霉 臻 从环境管理角度而言，改变供暖方式是减轻农业 大棚对大气环境影响的根本方法对于燃煤量较大 的农业大棚，一方面可以通过改进供暖方式，采用天 然气、电暖、太阳能等清洁能源来彻底减少其燃煤量； 另一方面对于短期内难以改变供暖方式的大棚，需要 提高燃煤品质并鼓励集中供暖，降低污染排放强度 ！ 。 二 行染物 图典型区农业大棚燃煤散烧污染物排放量 假设改用蜂窝煤进行取暖

25、 ，北京市农业大棚散煤 燃烧的污染物排放量将大幅度降低，。、：，年排 放量仅为及 ，不到采用块煤排放量的 结论 ）遥感解译结果显示年北京市典型区农 业大棚面积为 农业大棚在南部区域面广 量大，北部区域分布集中、规模大农业大棚现状主 各区县颗粒物的排放量明显大于气态污染物，区 县间排放差异更加显著，并且种植结构的变化将间接 影响农业大棚的污染物排放水平如图所示，在 当前的种植结构下，污染物排放量最大的种植类型为 蔬菜，典型区蔬菜大棚。、：，、，及：排放量 分别为、及 瓜果类燃煤系 数较大且分布较广，污染排放量仅次于蔬菜大棚近 年来，由于蔬菜种植效益较低，并且输出渠道较为单 一，大棚蔬菜种植正在逐

26、年下降；而花卉、草莓、食用 菌等特色作物种植迅速发展，种植结构的调整将会影 响散煤燃烧的污染物排放假设未来北京市农业大 棚仅种植瓜果类农产品，则典型区农业大棚。、 ：，、。及：排放量将变为、 及 ，超出现有污染排放水平；但若改为水果 或花卉类的种植，则污染物排放量会有所降低因 此，合理调整农业大棚的种植结构也是减少污染排放 万方数据 要分布在六环以外区域，并且受到城市扩张影响，显 现重心逐渐向外转移的变化趋势 ）北京市农业大棚以长期性大棚为主，面积占 比达到长期性大棚生产方式成熟，供暖方式 固定，污染具有持续性，变化不确定性小，是治理管控 的重要内容临时性大棚与长期性大棚相比，数量 多、面积小

27、、分布零散、管控难度更大 ）采用实地调查的方式测算了不同种植类别的 燃煤系数，其他类型农业大棚（主要为鸭苗）燃煤系 数最大，为 （ ），瓜果、水果及蔬菜燃煤系 数依次为、及 （ ），花卉的燃煤系 数最低，为 （ ） ）结合遥感手段与实地调查方式，估算了北京 市典型区农业大棚燃煤散烧量，达到 ，主 要来源于蔬菜与瓜果种植类型，燃煤量分别为 及 全市农业大棚的燃煤散烧总量约 第期 张立坤等：北京市农业大棚冬季燃煤散烧污染排放估算 为 ，（）： ）结合农业大棚活动水平与污染物排放因子估 算年北京市农业大棚燃煤散烧排放的。、 ：，、。及：排放量分别为、及 北京市环境保护局北京市 来源解析正式发布 北京：北京市环境保护局， ： ， 钟连红，刘晓，李志凯，等北京军民生活用煤大气污染控制思 其中，长期性大棚的小：，、，及 路与对策环境保护，（）： 排放量分别达到、及 通过 控制农业大棚种植规模，调整农业大棚种植结构可以 一定程度上减少污染物的排放，改变农业大棚的供暖 方式是减轻农业大棚对大气环