基于FY3系列極軌衛星的中國東北三省秸稈焚燒熱源點時空變化分析

吳 雙，吳 英，徐作敏，孫 濤，裴宇航，程春香，陳 潔

（1.黑龍江省生態氣象中心，哈爾濱150030；2.中國氣象局公共氣象服務中心，北京100081；3.國家衛星氣象中心，北京100081）

中國為全世界公認的農業生產大國，在為全世界人民提供豐富農業資源保障的同時也產生大量的農田秸稈，秸稈產量高達8億t/年［1］，其中焚燒秸稈量可達1.40×108t/年［2］。田間秸稈焚燒是中國生物質燃燒最重要的組成部分之一，秸稈焚燒排放的碳氧化物、氮氧化物、苯以及環芳烴等有害氣體及顆粒產物對局地、區域乃至全球的空氣質量產生重要影響［3-6］。大量有害物質的排放對大氣環境、人體健康造成嚴峻的威脅，同時，秸稈焚燒導致的交通事故以及火災對人民的生命財產安全造成巨大損失。東北三省糧食總產量占全國總產量比例高達19.3%［7］。由于東北三省特殊的氣候條件，多為一季作物，且冬季積雪覆蓋，不利于秸稈離田，所以東北地區的秸稈焚燒大多數出現在秋季作物收獲后和春季備耕期間。張景源等［8］研究表明東北三省秸稈焚燒熱源點占全國熱源點總數的比例高達56.37%。

秸稈田間焚燒產生的一系列環境問題以及安全隱患引起了各級政府部門的廣泛重視，并頒布了一系列相應的管理政策和惠農補助措施。各級政府部門也通過宣傳科普、資金補助等方式充分調動農民積極性進行秸稈多樣化處理。目前，東北三省方式主要包括生物質發電、生活燃料、秸稈飼料化、秸稈處理還田等［8］，效果較為顯著，但是仍有部分地區由于交通條件限制、勞動力不足、農民對秸稈焚燒影響認識不夠等因素，秸稈焚燒現象依舊嚴峻。東北三省由于積雪覆蓋等客觀條件影響，秸稈焚燒時間相對集中，且與供暖時間高度重合，導致大氣污染現象嚴重［9］。因此客觀利用高時空分辨率的氣象衛星數據對東北三省秸稈焚燒熱源點的時空分布進行監測分析，可為政府監督管理以及科學引導秸稈處理提供基礎數據支撐。

傳統的人工統計調查方法人力投入多、耗費時間長、無法及時準確地獲取熱源點的時空分布信息以及相應的面積信息［10-13］。近年來，隨著衛星遙感的快速發展，特別是中國氣象衛星的高速發展，為秸稈焚燒熱源點提供了更為高效便捷的監測方法，同時可以更為精準地對其時空特征進行自上而下的監測分析［14-16］。衛星熱源點監測的理論基礎為維恩定律，當黑體溫度升高時，最大輻射值向短波方向移動［17］。

國內外學者對此開展了大量的研究工作，主要利用的衛星遙感資料包括MODIS（中分辨率成像光譜儀）、AVHRR（甚高分辨率輻射儀）和VIRR（可見光紅外輻射計）等。多數應用的數據為熱源點自動提取數據集產品，東北三省以其高緯低寒的區域特征，在冬季地表溫度極低，熱源點自動判識數據容易產生誤判熱源點。本研究選取國家衛星氣象中心人機交互判識熱源點數據集，此數據為自動判識別與人工判識別相結合，人工去除誤判熱源點，較好地提高了熱源點判識的準確性，在此基礎上，以期能探究高時效、全覆蓋的東北地區秸稈焚燒熱源點變化規律，為政府監督管理以及科學引導秸稈處理提供理論依據和參考。

1 資料與方法

1.1 熱源點數據來源

熱源點數據來自國家衛星氣象中心發布FYB、FY3C人機交互判識熱源點數據集（http：//rsapp.nsmc.org.cn/uus/），時間范圍為2015—2019年，數據屬性信息包括衛星過境時間、熱源點中心經緯度、土地利用類型信息。該數據為自動判識別與人工判識別相結合，經國家衛星氣象中心技術人員逐日采用目視解譯方法人工去除誤判熱源點及常規熱源點。

1.2 研究方法

1.2.1 重心模型重心模型最早應用于人口空間分布特點研究，直接地反應熱源點集中區域的遷移變化，逐漸被國內外學者應用于不同領域空間遷移變化分析［18，19］。模型表示為：

1.2.2 空間自相關分析空間自相關分為全局空間自相關和局部空間自相關2種計算方法，全局自相關用于判定區域內是否出現聚集或者異常值，局部自相關可以準確判定空間內聚集或異常值出現的位置［22］。

1）全局空間自相關選用Global Moran’sI，計算公式如下：

式中，n為東北三省縣區總數；Xi、Xj分別為縣i、j的秸稈熱源點數；X為屬性X的平均值；Wij是空間權重矩陣。I取值在［-1，1］。Global Moran’sI為介于［-1，1］的常數，越趨近于1表示相似區域空間聚集性越高，越趨近于-1表示相反區域空間聚集性越高。

2）局部空間自相關選用指標為Local Moran’sI，計算公式如下：

式中，Ii為局部空間自相關系數，其他參數同全局空間自相關。

2 結果與分析

2.1 2015—2019年東北三省秸稈焚燒熱源點時空分布

2.1.1 2015—2019年東北三省秸稈焚燒熱源點時間變化通過對FY3系列極軌衛星熱源點監測結果分析可見，2015—2019年東北三省共監測到19 849個秸稈焚燒熱源點，年均秸稈焚燒熱源點3 969個。黑龍江、吉林、遼寧各省單獨秸稈焚燒熱源點變化趨勢與東三省整體秸稈焚燒熱源點變化趨勢相同，5年熱源點監測數量呈波動性的降低升高再降低升高的趨勢（圖1）。其中2017年為5年監測熱源點數量峰值，監測到熱源點個數為7 451個；2018年熱源點監測數量最少，為1 941個；其他3年熱源點監測個數均在3 000個以上。

圖1 2015—2019年東北三省秸稈焚燒熱源點年際變化

以月尺度分析東北三省秸稈焚燒熱源點可見（圖2），各月監測熱源點數量差異十分明顯。東北三省月均熱源點為1 654個，其中10—11月以及次年的2—4月為秸稈焚燒熱源點監測的主要時間節點，其中10—11月（秋收后）和2—4月（春播前）監測到的秸稈熱源點數量分別為9 116個和9 802個，高達全年秸稈焚燒熱源點總數的95%。秸稈焚燒熱源點數量監測峰值出現在10月，5年累計監測到熱源點4 817個。東北地區以其獨特的氣候特點，12月至次年2月大部分地區被積雪覆蓋，所以春季整地前秸稈焚燒熱源點呈由南向北推移的趨勢，遼寧、吉林、黑龍江各省春季整地前秸稈焚燒熱源點的峰值分別出現在2月、3月和4月。

圖2 2015—2019年東北三省秸稈焚燒熱源點月際變化

以季度為單位，對2015—2019年東北三省熱源點數量進行統計（圖3）。秋季（9—11月）秸稈焚燒熱源點數量最多，約占全年熱源點總數的46%，5年內以2017年為峰值分界點，2018年與2017年相比減少比重高達98%。由于東北地區的物候特點夏季（6—8月）農田熱源點數量極少，介于0~33個，春季（3—5月）監測到秸稈焚燒熱源點占全年監測的39%，峰值出現在2017年，其后以年均44%的速度降低。冬季（12月至次年2月）監測到熱源點數量為全年熱源點數量的14%，并呈不規則性波動。隨著東北地區秋季秸稈禁燒政策的實施，東北三省秸稈焚燒熱源點峰值由春秋兩季雙高峰逐漸向春季高峰轉移，同時，積雪未覆蓋的區域冬季秸稈焚燒熱源點呈上升趨勢。

圖3 2015—2019年東北三省秸稈焚燒熱源點季節變化

2.1.2 2015—2019東北三省秸稈焚燒熱源點空間變化從空間分布上看，2015—2019年秸稈焚燒東北三省秸稈焚燒熱源點主要集中在黑龍江?。▓D4）。5年內黑龍江共檢測到秸稈焚燒熱源點13 379個，占東北三省總熱源點個數的67%；吉林省共監測熱源點個數4 504個，占總熱源點個數的23%；遼寧共監測到熱源點1 966個，占總熱源點個數的9.9%。各省內熱源點分布情況總體上與各省主要糧食產區相一致。由于東北三省秸稈焚燒管控政策的不同，黑龍江省秸稈焚燒占東北三省整體秸稈焚燒比例呈逐年下降趨勢，其他兩省比例呈升高趨勢。東北三省秸稈處理能力仍存在較大局限性，應進一步加強東北三省秸稈焚燒監管力度以及提高秸稈再回收利用能力。

圖4 2015—2019年東北三省秸稈焚燒熱源點空間分布

2.1.3 2015—2019年東北三省秸稈焚燒熱源點重心轉移特征對2015—2019年東北三省各縣秸稈焚燒熱源點進行重心分析。結果（圖5）表明，2015—2019年，東北三省秸稈焚燒熱源點重心主要集中在黑龍江省與吉林省接壤區域附近，并呈現由黑龍江境內向吉林境內轉移趨勢，其中2015—2016年，秸稈熱源點重心分布在黑龍江省南部，2017年秸稈焚燒熱源點重心轉移至吉林省扶余縣，2018年繼續向吉林省西部遷移至乾安縣，2019回遷至扶余縣。結合東北三省熱源點變化趨勢可發現，秸稈焚燒熱源點的重心隨著黑龍江省熱源點數占比的降低以及吉林省、遼寧省熱源點數占比的增加呈現重心向吉林省偏移的趨勢。

圖5 2015—2019年東北三省秸稈焚燒熱源點重心年際遷移情況

通過對年內逐月秸稈焚燒熱源點重心分析可知，東北三省1—4月秸稈焚燒熱源點重心隨溫度、積雪覆蓋等情況呈現由南向北遷移變化，5—9月秸稈焚燒熱源點較少，呈分散性分布，主要分布于黑龍江省內，10—12月由北向南遷移，種植制度、溫度、作物類型、積雪覆蓋等差異使得東北三省秸稈焚燒整體格局在空間上呈不斷迂回的遷移格局（圖6）。

圖6 2015—2019年東北三省秸稈焚燒熱源點重心月際遷移情況

2.2 2015—2019年東北三省秸稈焚燒熱源點空間自相關分析

為進一步探索東北三省各縣秸稈焚燒熱源點全局空間相關性，運用空間自相關模型統計東北三省各縣熱源點數量。結果表明，2015—2019年東北三省5年綜合后的縣域秸稈焚燒熱源點莫蘭指數僅為0.27，空間集聚態勢較弱。因此，東北三省空間自相關水平較低，并且逐年降低，空間集聚不斷分化，熱源點呈離散分布狀態。

通過對東北三省縣域秸稈焚燒熱源點的局部自相關分析表明（圖7），熱源點高值聚集區主要分布在黑龍江省松嫩平原，并隨著時間的推移向吉林省西部擴展，除2015年和2018年外，佳木斯、雙鴨山、雞西等地部分縣也為熱源點高值聚集區。熱源點高值分散區主要分布在熱源點高值聚集區域周邊地區，覆蓋區域較少。低值聚集區主要集中在遼寧省境內，低值分散區主要圍繞低值聚集區周邊區域，2018年以來，黑龍江省鶴崗、佳木斯、七臺河以及吉林區域出現低值聚集區與低值分散區。

圖7 2015年（a）、2016年（b）、2017年（c）、2018年（d）和2019年（e）東北三省秸稈焚燒熱源點空間自相關分析

通過空間相關性分析表明，5年內田間秸稈焚燒熱源點莫蘭指數不斷減小，集聚效應不斷減弱；由于各地對秸稈焚燒管控力度不斷加強，秸稈二次加工處理能力不斷提高，秸稈焚燒熱源點低值聚集區域不斷擴展，但是主要農區由于秸稈數量巨大，深加工處理無法滿足當地秸稈處理需求，秸稈焚燒熱源點分布仍較為集中。

3 結論

1）2015—2019年中國東北三省秸稈焚燒熱源點監測數量呈波動性的降低升高再降低升高的趨勢，其中，2017年為5年監測熱源點數量峰值，2018年熱源點監測數量最少；春秋兩季秸稈焚燒熱源點監測數量占全年監測總數的比例分別高達46%和39%；空間上熱源點主要分布于黑龍江省，但由于東北三省秸稈焚燒管控政策的不同，吉林、遼寧兩省秸稈焚燒熱源點監測比例呈升高趨勢；黑龍江省占比逐年降低。

2）2015—2019年，東北三省秸稈焚燒熱源點重心主要集中在黑龍江省與吉林省接壤區域附近，并呈現由黑龍江省向吉林省轉移趨勢。

3）通過空間相關性分析表明，5年內田間秸稈焚燒熱源點莫蘭指數不斷減小，集聚效應不斷減弱，秸稈焚燒熱源點低值集中區域不斷擴展，但是主要農區由于秸稈數量巨大，深加工處理無法滿足當地秸稈處理需求，秸稈焚燒熱源點分布仍較為集中。

4）東北三省是中國重要的糧食生產基地，農作物種植面積較大，尤其黑龍江省是保障國家糧食安全的壓艙石，致使秸稈數量巨大，秸稈處理具有一定難度。因此東北三省在農田保有量不變的基礎上應進一步加強秸稈深加工處理能力，同時根據不同區域不同時期污染物擴散能力推進秸稈局部控燒工作，管防結合，在有效處理農田秸稈的基礎上保證空氣質量達標。