山西省气溶胶污染特征与农业活动的关系

程 荣，段永红

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

大气气溶胶是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。它们能作为水滴和冰晶的凝结核、太阳辐射的吸收体和散射体，并参与各种化学循环，是大气的重要组成部分，雾、烟、霾等都是天然或人为原因造成的大气气溶胶[1-2]。气溶胶光学厚度（AOD，Aerosol Optical Depth）表示介质在垂直方向上的积分，是表征大气浑浊度的重要的物理量之一，通常情况下，AOD值越高表明大气浑浊度越高[3-6]。目前，AOD的获取方法主要以地基监测和卫星遥感为主。使用较多的是MODIS（中分辨率成像光谱仪）卫星，其产品包含种类丰富的气溶胶时空变化信息，是监测区域AOD时空分布的有效手段之一[7]。

国内外学者对于气溶胶的变化特征进行了较多的研究[8-12]，也展开了对自然和社会因素的影响分析，研究表明，AOD与温度、相对湿度及降水密切相关，温度越高、相对湿度越大，越有利于气溶胶粒子的形成，而降水则会对气溶胶粒子起到冲刷的作用，社会因素的影响因地而异[13-16]。气溶胶同时具有较强的生态效应，与农业活动关系密切，有研究表明，当太阳辐射减弱20%时，冬小麦潜在产量将下降10.2%[17]。山西省作为农业大省，2017年粮食产量1 354万t，粮食播种面积达317.2万hm2，农业生产过程中化肥施用和秸秆焚烧等会向环境中排放较多的污染物，而大气环境的污染也会影响粮食产量。

本研究利用MODIS的气溶胶产品分析山西省2005—2017年的气溶胶变化特征，并结合农业统计资料分析气溶胶变化特征与农业活动之间的关系，旨在为山西省大气环境治理以及指导农业生产活动提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

山西省位于我国内陆，坐落在黄河中游东岸，背靠黄土高原，毗邻河北、陕西、河南和内蒙古，介于东经 110°14′～114°33′、北纬 34°34′～40°44′，全省面积约为15.67万km2[18]。山西省地处华北西部的黄土高原东翼，地貌类型复杂多样，有山地、丘陵、高原、盆地、台地等，境域地势高低起伏异常显著。2017年粮食播种面积为317.2万hm2，主要种植玉米、小麦、谷子等粮食作物。

表1 2005—2017年山西省农业影响因子

1.2 数据来源

目前使用最广泛的气溶胶产品是MODIS AOD产品。本研究所使用的AOD产品数据来自于NASA 官网（http://ladsweb.nascom.nasa.gov/）发布的MOD04数据，空间分辨率为3 km，时间分辨率为1 d[19]。选取时间序列为2005年3月1日至2018年2月28日的每日产品。

统计数据来自2005—2017年《山西省统计年鉴》，统计因子如表1、2所示。

表2 2016年山西省各地级市农业影响因子

1.3 数据处理

利用ENVI和ArcGIS对2005—2017年的影像进行几何校正、镶嵌及真值转换等预处理，提取得到每天的AOD值，并将每天的AOD数据最大值合成月值，再计算季、年平均值。

2 结果与分析

2.1 AOD年度变化与农业活动的关系

图1～3展示的是2005—2017年年际AOD变化情况及其与粮食播种面积、粮食产量和农业产值的关系。从图1～3可以看出，年际AOD值在0.62～0.87波动，多年平均AOD值最高值出现在2012年，最低值出现在2017年。

由图1可知，2005—2008年AOD呈现先增加后减少的态势，而粮食产量则相反，呈先减少后增加的趋势；2008年之后二者都呈现增加的趋势，而AOD的增长幅度（22.9%）要大于粮食播种面积的增长幅度（5%），且AOD在2012年达到峰值后，粮食播种面积在2013年比2012年减少了2.3万hm2；2012年后，AOD呈显著下降的趋势，粮食播种面积呈小幅下降趋势，但下降幅度不大，仅为2.9%，远小于AOD的降幅（28.8%）。

由图2可知，2005—2008年粮食产量在AOD波动变化的影响下一直保持稳定的态势，2009年AOD微增，而粮食产量减产86万t，之后粮食产量一直呈增加的趋势，特别是在2012年之后，一直保持较高的产量水平。

从图3可以看出，2006—2009年AOD的下降幅度为11.7%，同期农业产值的增长幅度为90.4%；2012—2017年AOD的下降幅度为28.8%，而农业产值增加了88亿元，增长幅度为11.3%。

2.2 AOD空间变化与农业活动的关系

从图4可以看出，AOD的空间分布具有明显的特征：由西南向东北递减，且中部地堑盆地高于两侧的山地地区。从地级市来看，各地区的AOD由高到低依次是运城（1.29）＞临汾（1.23）＞太原、晋中（0.91）＞吕梁（0.89）＞晋城（0.85）＞忻州（0.73）＞朔州（0.50）＞大同（0.47）。

由图4和表3可知，各地区AOD值与第一产业地区生产总值、农业产值、粮食播种面积、粮食产量及化肥施用量呈极显著的正相关关系。AOD值最高的运城市5个影响因子的值均高于其他地区，而影响因子值较低的大同、朔州、阳泉等地的AOD值也普遍较低。山西省运城、临汾、忻州和晋中一带粮食种植面积较大，生物质秸秆资源数量丰富，且人们有焚烧秸秆的习惯，所以其对应的AOD值较高。山西省AOD的分布与各农业影响因子分布具有良好的一致性。

表3 山西省AOD与农业各影响因子的相关性

3 结论与讨论

本研究结果表明，在年际变化上，AOD值与各农业影响因子呈微弱的负相关关系。说明气溶胶污染不仅会对环境产生污染，也会进而对农作物的产量产生影响。气溶胶粒子通过对大气中的可见光进行散射和吸收作用来减少到达地面的太阳辐射，进而影响粮食种植面积、降低粮食产量及农业产值。赵俊芳等[20]研究表明，气溶胶污染通过引起的酸性沉降、昼夜温差减小以及影响作物的光合有效辐射等而影响作物的产量。王力[21]的研究也证实了气溶胶可以通过减少农作物受到的辐射进而降低气温等综合作用导致农作物减产，使得农作物全生育期推迟，但这种影响并不显著，因为在一定范围内，气溶胶引起的降温有增产效应，从而能够弥补太阳辐射缺失造成的农作物减产。所以从长时间序列上分析，山西省农业生产活动总体趋于稳定。

本研究还表明，在空间变化上，山西省AOD值呈现西南高东北低、中部地堑盆地高于东西两侧山地的分布特征，这与王雁等[22]的研究结果相一致。运城、临汾、忻州和晋中一带粮食种植面积较大，这与杨海蓉等[23]研究的生物质秸秆资源数量丰富区吻合，而秸秆焚烧是山西省大气污染的主要因素。曹国良等[24]研究表明，山西省的农作物秸秆露天焚烧比例为20%～30%，与全国其他地区相比，处于较高的水平。李炜等[25]研究得出，山西省农作物秸秆露天焚烧释放的总碳量平均每年为1.64×106t，且空间排放规律为东西两侧山地排放量少、中部地堑盆地因农业经济发达而排放量高，这与本研究中山西省AOD的空间分布呈现良好的一致性，证明山西省农作物露天秸秆焚烧是大气污染的主要来源。

本研究从时间和空间尺度上分析了2005—2017年山西省AOD与农业影响因子的关系，这在目前的研究中并不多见。实际上，还有众多农业影响因子会对AOD产生影响。此外，基于统计资料收集的难度，本研究只统计了各地级市的部分农业影响因子。因此，未来要重点研究更小尺度、更多影响因子之间的关系，以更全面深入地分析AOD与农业活动的关系。