基于FY3系列极轨卫星的中国东北三省秸秆焚烧热源点时空变化分析

吴 双，吴 英，徐作敏，孙 涛，裴宇航，程春香，陈 洁

（1.黑龙江省生态气象中心，哈尔滨150030；2.中国气象局公共气象服务中心，北京100081；3.国家卫星气象中心，北京100081）

中国为全世界公认的农业生产大国，在为全世界人民提供丰富农业资源保障的同时也产生大量的农田秸秆，秸秆产量高达8亿t/年［1］，其中焚烧秸秆量可达1.40×108t/年［2］。田间秸秆焚烧是中国生物质燃烧最重要的组成部分之一，秸秆焚烧排放的碳氧化物、氮氧化物、苯以及环芳烃等有害气体及颗粒产物对局地、区域乃至全球的空气质量产生重要影响［3-6］。大量有害物质的排放对大气环境、人体健康造成严峻的威胁，同时，秸秆焚烧导致的交通事故以及火灾对人民的生命财产安全造成巨大损失。东北三省粮食总产量占全国总产量比例高达19.3%［7］。由于东北三省特殊的气候条件，多为一季作物，且冬季积雪覆盖，不利于秸秆离田，所以东北地区的秸秆焚烧大多数出现在秋季作物收获后和春季备耕期间。张景源等［8］研究表明东北三省秸秆焚烧热源点占全国热源点总数的比例高达56.37%。

秸秆田间焚烧产生的一系列环境问题以及安全隐患引起了各级政府部门的广泛重视，并颁布了一系列相应的管理政策和惠农补助措施。各级政府部门也通过宣传科普、资金补助等方式充分调动农民积极性进行秸秆多样化处理。目前，东北三省方式主要包括生物质发电、生活燃料、秸秆饲料化、秸秆处理还田等［8］，效果较为显著，但是仍有部分地区由于交通条件限制、劳动力不足、农民对秸秆焚烧影响认识不够等因素，秸秆焚烧现象依旧严峻。东北三省由于积雪覆盖等客观条件影响，秸秆焚烧时间相对集中，且与供暖时间高度重合，导致大气污染现象严重［9］。因此客观利用高时空分辨率的气象卫星数据对东北三省秸秆焚烧热源点的时空分布进行监测分析，可为政府监督管理以及科学引导秸秆处理提供基础数据支撑。

传统的人工统计调查方法人力投入多、耗费时间长、无法及时准确地获取热源点的时空分布信息以及相应的面积信息［10-13］。近年来，随着卫星遥感的快速发展，特别是中国气象卫星的高速发展，为秸秆焚烧热源点提供了更为高效便捷的监测方法，同时可以更为精准地对其时空特征进行自上而下的监测分析［14-16］。卫星热源点监测的理论基础为维恩定律，当黑体温度升高时，最大辐射值向短波方向移动［17］。

国内外学者对此开展了大量的研究工作，主要利用的卫星遥感资料包括MODIS（中分辨率成像光谱仪）、AVHRR（甚高分辨率辐射仪）和VIRR（可见光红外辐射计）等。多数应用的数据为热源点自动提取数据集产品，东北三省以其高纬低寒的区域特征，在冬季地表温度极低，热源点自动判识数据容易产生误判热源点。本研究选取国家卫星气象中心人机交互判识热源点数据集，此数据为自动判识别与人工判识别相结合，人工去除误判热源点，较好地提高了热源点判识的准确性，在此基础上，以期能探究高时效、全覆盖的东北地区秸秆焚烧热源点变化规律，为政府监督管理以及科学引导秸秆处理提供理论依据和参考。

1 资料与方法

1.1 热源点数据来源

热源点数据来自国家卫星气象中心发布FYB、FY3C人机交互判识热源点数据集（http：//rsapp.nsmc.org.cn/uus/），时间范围为2015—2019年，数据属性信息包括卫星过境时间、热源点中心经纬度、土地利用类型信息。该数据为自动判识别与人工判识别相结合，经国家卫星气象中心技术人员逐日采用目视解译方法人工去除误判热源点及常规热源点。

1.2 研究方法

1.2.1 重心模型重心模型最早应用于人口空间分布特点研究，直接地反应热源点集中区域的迁移变化，逐渐被国内外学者应用于不同领域空间迁移变化分析［18，19］。模型表示为：

1.2.2 空间自相关分析空间自相关分为全局空间自相关和局部空间自相关2种计算方法，全局自相关用于判定区域内是否出现聚集或者异常值，局部自相关可以准确判定空间内聚集或异常值出现的位置［22］。

1）全局空间自相关选用Global Moran’sI，计算公式如下：

式中，n为东北三省县区总数；Xi、Xj分别为县i、j的秸秆热源点数；X为属性X的平均值；Wij是空间权重矩阵。I取值在［-1，1］。Global Moran’sI为介于［-1，1］的常数，越趋近于1表示相似区域空间聚集性越高，越趋近于-1表示相反区域空间聚集性越高。

2）局部空间自相关选用指标为Local Moran’sI，计算公式如下：

式中，Ii为局部空间自相关系数，其他参数同全局空间自相关。

2 结果与分析

2.1 2015—2019年东北三省秸秆焚烧热源点时空分布

2.1.1 2015—2019年东北三省秸秆焚烧热源点时间变化通过对FY3系列极轨卫星热源点监测结果分析可见，2015—2019年东北三省共监测到19 849个秸秆焚烧热源点，年均秸秆焚烧热源点3 969个。黑龙江、吉林、辽宁各省单独秸秆焚烧热源点变化趋势与东三省整体秸秆焚烧热源点变化趋势相同，5年热源点监测数量呈波动性的降低升高再降低升高的趋势（图1）。其中2017年为5年监测热源点数量峰值，监测到热源点个数为7 451个；2018年热源点监测数量最少，为1 941个；其他3年热源点监测个数均在3 000个以上。

图1 2015—2019年东北三省秸秆焚烧热源点年际变化

以月尺度分析东北三省秸秆焚烧热源点可见（图2），各月监测热源点数量差异十分明显。东北三省月均热源点为1 654个，其中10—11月以及次年的2—4月为秸秆焚烧热源点监测的主要时间节点，其中10—11月（秋收后）和2—4月（春播前）监测到的秸秆热源点数量分别为9 116个和9 802个，高达全年秸秆焚烧热源点总数的95%。秸秆焚烧热源点数量监测峰值出现在10月，5年累计监测到热源点4 817个。东北地区以其独特的气候特点，12月至次年2月大部分地区被积雪覆盖，所以春季整地前秸秆焚烧热源点呈由南向北推移的趋势，辽宁、吉林、黑龙江各省春季整地前秸秆焚烧热源点的峰值分别出现在2月、3月和4月。

图2 2015—2019年东北三省秸秆焚烧热源点月际变化

以季度为单位，对2015—2019年东北三省热源点数量进行统计（图3）。秋季（9—11月）秸秆焚烧热源点数量最多，约占全年热源点总数的46%，5年内以2017年为峰值分界点，2018年与2017年相比减少比重高达98%。由于东北地区的物候特点夏季（6—8月）农田热源点数量极少，介于0~33个，春季（3—5月）监测到秸秆焚烧热源点占全年监测的39%，峰值出现在2017年，其后以年均44%的速度降低。冬季（12月至次年2月）监测到热源点数量为全年热源点数量的14%，并呈不规则性波动。随着东北地区秋季秸秆禁烧政策的实施，东北三省秸秆焚烧热源点峰值由春秋两季双高峰逐渐向春季高峰转移，同时，积雪未覆盖的区域冬季秸秆焚烧热源点呈上升趋势。

图3 2015—2019年东北三省秸秆焚烧热源点季节变化

2.1.2 2015—2019东北三省秸秆焚烧热源点空间变化从空间分布上看，2015—2019年秸秆焚烧东北三省秸秆焚烧热源点主要集中在黑龙江省（图4）。5年内黑龙江共检测到秸秆焚烧热源点13 379个，占东北三省总热源点个数的67%；吉林省共监测热源点个数4 504个，占总热源点个数的23%；辽宁共监测到热源点1 966个，占总热源点个数的9.9%。各省内热源点分布情况总体上与各省主要粮食产区相一致。由于东北三省秸秆焚烧管控政策的不同，黑龙江省秸秆焚烧占东北三省整体秸秆焚烧比例呈逐年下降趋势，其他两省比例呈升高趋势。东北三省秸秆处理能力仍存在较大局限性，应进一步加强东北三省秸秆焚烧监管力度以及提高秸秆再回收利用能力。

图4 2015—2019年东北三省秸秆焚烧热源点空间分布

2.1.3 2015—2019年东北三省秸秆焚烧热源点重心转移特征对2015—2019年东北三省各县秸秆焚烧热源点进行重心分析。结果（图5）表明，2015—2019年，东北三省秸秆焚烧热源点重心主要集中在黑龙江省与吉林省接壤区域附近，并呈现由黑龙江境内向吉林境内转移趋势，其中2015—2016年，秸秆热源点重心分布在黑龙江省南部，2017年秸秆焚烧热源点重心转移至吉林省扶余县，2018年继续向吉林省西部迁移至乾安县，2019回迁至扶余县。结合东北三省热源点变化趋势可发现，秸秆焚烧热源点的重心随着黑龙江省热源点数占比的降低以及吉林省、辽宁省热源点数占比的增加呈现重心向吉林省偏移的趋势。

图5 2015—2019年东北三省秸秆焚烧热源点重心年际迁移情况

通过对年内逐月秸秆焚烧热源点重心分析可知，东北三省1—4月秸秆焚烧热源点重心随温度、积雪覆盖等情况呈现由南向北迁移变化，5—9月秸秆焚烧热源点较少，呈分散性分布，主要分布于黑龙江省内，10—12月由北向南迁移，种植制度、温度、作物类型、积雪覆盖等差异使得东北三省秸秆焚烧整体格局在空间上呈不断迂回的迁移格局（图6）。

图6 2015—2019年东北三省秸秆焚烧热源点重心月际迁移情况

2.2 2015—2019年东北三省秸秆焚烧热源点空间自相关分析

为进一步探索东北三省各县秸秆焚烧热源点全局空间相关性，运用空间自相关模型统计东北三省各县热源点数量。结果表明，2015—2019年东北三省5年综合后的县域秸秆焚烧热源点莫兰指数仅为0.27，空间集聚态势较弱。因此，东北三省空间自相关水平较低，并且逐年降低，空间集聚不断分化，热源点呈离散分布状态。

通过对东北三省县域秸秆焚烧热源点的局部自相关分析表明（图7），热源点高值聚集区主要分布在黑龙江省松嫩平原，并随着时间的推移向吉林省西部扩展，除2015年和2018年外，佳木斯、双鸭山、鸡西等地部分县也为热源点高值聚集区。热源点高值分散区主要分布在热源点高值聚集区域周边地区，覆盖区域较少。低值聚集区主要集中在辽宁省境内，低值分散区主要围绕低值聚集区周边区域，2018年以来，黑龙江省鹤岗、佳木斯、七台河以及吉林区域出现低值聚集区与低值分散区。

图7 2015年（a）、2016年（b）、2017年（c）、2018年（d）和2019年（e）东北三省秸秆焚烧热源点空间自相关分析

通过空间相关性分析表明，5年内田间秸秆焚烧热源点莫兰指数不断减小，集聚效应不断减弱；由于各地对秸秆焚烧管控力度不断加强，秸秆二次加工处理能力不断提高，秸秆焚烧热源点低值聚集区域不断扩展，但是主要农区由于秸秆数量巨大，深加工处理无法满足当地秸秆处理需求，秸秆焚烧热源点分布仍较为集中。

3 结论

1）2015—2019年中国东北三省秸秆焚烧热源点监测数量呈波动性的降低升高再降低升高的趋势，其中，2017年为5年监测热源点数量峰值，2018年热源点监测数量最少；春秋两季秸秆焚烧热源点监测数量占全年监测总数的比例分别高达46%和39%；空间上热源点主要分布于黑龙江省，但由于东北三省秸秆焚烧管控政策的不同，吉林、辽宁两省秸秆焚烧热源点监测比例呈升高趋势；黑龙江省占比逐年降低。

2）2015—2019年，东北三省秸秆焚烧热源点重心主要集中在黑龙江省与吉林省接壤区域附近，并呈现由黑龙江省向吉林省转移趋势。

3）通过空间相关性分析表明，5年内田间秸秆焚烧热源点莫兰指数不断减小，集聚效应不断减弱，秸秆焚烧热源点低值集中区域不断扩展，但是主要农区由于秸秆数量巨大，深加工处理无法满足当地秸秆处理需求，秸秆焚烧热源点分布仍较为集中。

4）东北三省是中国重要的粮食生产基地，农作物种植面积较大，尤其黑龙江省是保障国家粮食安全的压舱石，致使秸秆数量巨大，秸秆处理具有一定难度。因此东北三省在农田保有量不变的基础上应进一步加强秸秆深加工处理能力，同时根据不同区域不同时期污染物扩散能力推进秸秆局部控烧工作，管防结合，在有效处理农田秸秆的基础上保证空气质量达标。