东北黑土地区农业生产人为源气溶胶排放模型研究

Aerosol emission inventories are one of the major sources of uncertainties in modeling studies of regional haze and climate change. As the Nation's bread basket, Northeastern China has experienced drastic land conversion from wetland/grassland to croplands over the past 50 years, which results in reduced soil moisture and organic matters over this region. Because of the short growing season of major crops, and high utilization of farming machinery, the exposed croplands are unusually vulnerable to soil loss caused by human disturbances during field operations。Most previous works over this region, however, focused on urban aerosol sources, leaving large uncertainties unexplored in cropland aerosol emissions. This work proposes to determine localized emission factors through field measurements; develop a new cropland aerosol emission model based on analysis of the field measurements; and build a high-resolution emission inventory of cropland anthropogenic aerosol emission over the Northeastern China. Accurate estimation of typical cropland aerosol emissions not only provides key inputs to regional and national modeling simulations, but also constitutes an integral component in assessing the response of agricultural ecosystems to climate change.

气溶胶的排放清单是当今区域灰霾和气候变化模型研究中的最大不确定性因素之一。东北地区是我国重要粮食生产基地，近50年以来，东北地区大量的湿地和草地被开垦为农田，导致土壤湿度降低，土壤有机质减少。由于东北地区作物的生育期短（120天左右），土壤裸露时间长，农业生产机械化程度高，农业耕种过程中土壤气溶胶排放的潜力会大幅增加。然而，该地区气溶胶排放的研究多关注于城市排放，对于农业人为源的气溶胶排放研究还很少。本项目拟通过田间实验，获取农业生产操作环节的排放系数；改进国外农田气溶胶排放估算方法，开发东北地区农业人为源气溶胶排放模型；结合农业统计数据和排放模型，建立本地区高精度的农业土壤气溶胶源排放清单。精确估算我国特色地区的农田气溶胶排放，不仅可为本地区和全国模型研究提供必要参数，也是评估农业生态系统对气候变化响应的重要组成部分。

农业耕作是区域大气矿物颗粒物排放的重要排放源之一。以东北典型黑土区为对象，我们首先对于不同耕作环节、不同生产方式和作物类型下农田的排放系数进行田间测定，获取了一套适用于黑土区的排放系数；其次我们改进国外田间气溶胶排放估算方法，开发东北地区农业人为源气溶胶排放模型；最后，我们比较了本地化的排放系数和国际现有排放系数之间的差异，依据国际上的及实测的排放系数，结合作物耕作面积和信息，编制了东北县级农业耕作排放清单，深入分析了该区域的排放状况。.整地、播种和收割环节的PM10排放系数分别为107 ± 27 mg m-2, 17 ± 5 mg m-2 和26 mg m-2 （土壤湿度小于15%-干旱条件），而湿润条件下（15%-20%），整地和播种的排放系数平均值分别为31 mg m-2和10 mg m-2。整地和播种的排放系数与表层土壤湿度呈负指数相关性。评估的东北地区农业耕作PM10和PM2.5排放总量分别为35.1和9.8 kilotons yr-1，其中黑龙江省占约45%。时空分布显示大部分的PM排放发生在4月，5月和10月，分布在东北地区的中部平原，主要是旱作作物区。未来需要去评估农业耕作PM排放对区域空气质量模型模拟的影响。.以东北地区省、市和县统计资料为依据，搜集不同作物的县级耕作面积，调查不同作物耕作的主要耕作方式和作物历，采用我们测定的本地化排放系数，编制县级水平的颗粒物排放清单（包含总量、空间分布和时间分布）。整个东北地区农业耕作和收获排放颗粒物总量为306.1 ton/yr，其中黑龙江省占50%。空间分布上，主要的农业耕作颗粒物排放分布在东北地区的中部。从县级水平的颗粒物排放量月变化来看，5月份占70%，4月、9月、10月和11月占月25%。由于整个东北地区，玉米的种植面积很大，因此由玉米田耕作产生的颗粒物排放是主要的排放来源。.通过实测的排放系数、CARB和EEA方法计算2013年东北地区农业耕作PM10总排放量分别为3.51万吨、19.6万吨和0.85万吨，这说明采用国外现有的排放系数和实测系数所评估出的排放总量差异很大。在省级尺度上，黑龙江省排放量最大，占整个东北地区农业耕作PM10排放总量的46%，辽宁省由于农业面积小而排放量最小。东北地区农业耕作PM排放的月份变化规律，其中4月和5月份分别贡献全年总排放量的56%和19%，这说明春季耕作是农业源