山西省氣溶膠污染特征與農業(yè)活動的關系

程 榮，段永紅

（山西農業(yè)大學資源環(huán)境學院，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核、太陽輻射的吸收體和散射體，并參與各種化學循環(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]。氣溶膠光學厚度（AOD，Aerosol Optical Depth）表示介質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，其產品包含種類豐富的氣溶膠時空變化信息，是監(jiān)測區(qū)域AOD時空分布的有效手段之一[7]。

國內外學者對于氣溶膠的變化特征進行了較多的研究[8-12]，也展開了對自然和社會因素的影響分析，研究表明，AOD與溫度、相對濕度及降水密切相關，溫度越高、相對濕度越大，越有利于氣溶膠粒子的形成，而降水則會對氣溶膠粒子起到沖刷的作用，社會因素的影響因地而異[13-16]。氣溶膠同時具有較強的生態(tài)效應，與農業(yè)活動關系密切，有研究表明，當太陽輻射減弱20%時，冬小麥潛在產量將下降10.2%[17]。山西省作為農業(yè)大省，2017年糧食產量1 354萬t，糧食播種面積達317.2萬hm2，農業(yè)生產過程中化肥施用和秸稈焚燒等會向環(huán)境中排放較多的污染物，而大氣環(huán)境的污染也會影響糧食產量。

本研究利用MODIS的氣溶膠產品分析山西省2005—2017年的氣溶膠變化特征，并結合農業(yè)統(tǒng)計資料分析氣溶膠變化特征與農業(yè)活動之間的關系，旨在為山西省大氣環(huán)境治理以及指導農業(yè)生產活動提供科學依據(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、河南和內蒙古，介于東經 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，地貌類型復雜多樣，有山地、丘陵、高原、盆地、臺地等，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品是MODIS AOD產品。本研究所使用的AOD產品數(shù)據(jù)來自于NASA 官網（http://ladsweb.nascom.nasa.gov/）發(fā)布的MOD04數(shù)據(jù)，空間分辨率為3 km，時間分辨率為1 d[19]。選取時間序列為2005年3月1日至2018年2月28日的每日產品。

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

表2 2016年山西省各地級市農業(yè)影響因子

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用ENVI和ArcGIS對2005—2017年的影像進行幾何校正、鑲嵌及真值轉換等預處理，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，再計算季、年平均值。

2 結果與分析

2.1 AOD年度變化與農業(yè)活動的關系

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、糧食產量和農業(yè)產值的關系。從圖1～3可以看出，年際AOD值在0.62～0.87波動，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%，遠小于AOD的降幅（28.8%）。

由圖2可知，2005—2008年糧食產量在AOD波動變化的影響下一直保持穩(wěn)定的態(tài)勢，2009年AOD微增，而糧食產量減產86萬t，之后糧食產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%，同期農業(yè)產值的增長幅度為90.4%；2012—2017年AOD的下降幅度為28.8%，而農業(yè)產值增加了88億元，增長幅度為11.3%。

2.2 AOD空間變化與農業(yè)活動的關系

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的山地地區(qū)。從地級市來看，各地區(qū)的AOD由高到低依次是運城（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值與第一產業(yè)地區(qū)生產總值、農業(yè)產值、糧食播種面積、糧食產量及化肥施用量呈極顯著的正相關關系。AOD值最高的運城市5個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。山西省運城、臨汾、忻州和晉中一帶糧食種植面積較大，生物質秸稈資源數(shù)量豐富，且人們有焚燒秸稈的習慣，所以其對應的AOD值較高。山西省AOD的分布與各農業(yè)影響因子分布具有良好的一致性。

表3 山西省AOD與農業(yè)各影響因子的相關性

3 結論與討論

本研究結果表明，在年際變化上，AOD值與各農業(yè)影響因子呈微弱的負相關關系。說明氣溶膠污染不僅會對環(huán)境產生污染，也會進而對農作物的產量產生影響。氣溶膠粒子通過對大氣中的可見光進行散射和吸收作用來減少到達地面的太陽輻射，進而影響糧食種植面積、降低糧食產量及農業(yè)產值。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量。王力[21]的研究也證實了氣溶膠可以通過減少農作物受到的輻射進而降低氣溫等綜合作用導致農作物減產，使得農作物全生育期推遲，但這種影響并不顯著，因為在一定范圍內，氣溶膠引起的降溫有增產效應，從而能夠彌補太陽輻射缺失造成的農作物減產。所以從長時間序列上分析，山西省農業(yè)生產活動總體趨于穩(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山地的分布特征，這與王雁等[22]的研究結果相一致。運城、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)律為東西兩側山地排放量少、中部地塹盆地因農業(yè)經濟發(fā)達而排放量高，這與本研究中山西省AOD的空間分布呈現(xiàn)良好的一致性，證明山西省農作物露天秸稈焚燒是大氣污染的主要來源。

本研究從時間和空間尺度上分析了2005—2017年山西省AOD與農業(yè)影響因子的關系，這在目前的研究中并不多見。實際上，還有眾多農業(yè)影響因子會對AOD產生影響。此外，基于統(tǒng)計資料收集的難度，本研究只統(tǒng)計了各地級市的部分農業(yè)影響因子。因此，未來要重點研究更小尺度、更多影響因子之間的關系，以更全面深入地分析AOD與農業(yè)活動的關系。