科研进展

科研进展

我国大气PM2.5污染防治需兼顾NOx深度减排和农业氨减排

发布时间:2022-05-26 发布人:唐静月 浏览次数:476

近日,中国农业大学张福锁院士团队在大气环境科学领域权威学术期刊Atmospheric Chemistry and Physics在线发表了题为“Trends in secondary inorganic aerosol pollution in China and its responses to emission controls of precursors in wintertime”的研究论文。该研究综合利用国家监测数据和大气传输模型探究了PM2.5、主要二次无机化学组分及其前体物的历史变化特征,并且定量了大气氨和酸性气体控制对二次无机气溶胶及PM2.5污染治理的有效性。
 

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文章导读|Introduction

    2018年国务院印发《打赢蓝天保卫战三年行动计划》,首次把农业氨减排提上议程。相比之下,我们国家对酸性气体(二氧化硫和氮氧化物)排放控制有近20年历史,做出了巨大的努力。近10年全国空气质量得到明显的改善,但2019年国家监测数据显示全国337个城市中仍有53%的城市PM2.5浓度超标。在这一背景下,我国大气PM2.5进一步削减是否需要加强氨排放控制以及如何权衡酸碱排放控制力度是需要探究的重点问题。基于此,本研究采用meta分析、近地面实测、卫星遥感观测和模型模拟等多方法,系统揭示过去20年我国大气二次无机气溶胶的污染特征及对前体物减排的响应,主要回答两个问题:

1)过去20年霾天和非霾天大气PM2.5、主要二次无机化学组分及其前体物对政策的响应如何?

2)氨减排和酸性气体减排对我国主要空气污染地区无机二次气溶胶污染防控的有效性如何?

 

文章框架|Framework
 

1. PM2.5及二次无机气溶污染防控策略的研究框架

 

主要结果|Results

 

1. 近二十年PM2.5、主要二次无机化学组分及其前体物的历史变化趋势

中国在过去20年,尤其是近5年间大气防控政策执行力度加大,使得我国PM2.5浓度明显下降。但基于全国1498个监测点数据和meta分析结果显示,2015-2019年全国站点PM2.5绝对浓度依旧很高,74%的监测点年均浓度仍高于35 ug/m3,说明大气污染治理仍面临巨大挑战;进一步分析发现二次无机气溶胶在过去20年三个时期(基于政策执行力度划分;2000-2012, 2013-2016, 2017-2019)的变化有所差异。SO42-离子浓度明显下降,但是NH4+NO3-没有明显变化,其浓度仍处于高位。同时这三种离子浓度的年际变化与各自前体物(SO2NO2NH3)气体浓度呈现相同趋势,说明进一步降低PM2.5及二次无机气溶胶浓度要开展氨减排和加强酸性气体排放的控制。
 

2. PM2.5, SO42-, NO3-NH4+在过去三个历史时期(2000-20122013-20162016-2019)雾霾天与非雾霾天的变化及差异

3. 2015-2019年期间PM2.5, SO2 NO2的空间分布及历史变化

2. 酸性气体及氨控制对二次无机气溶胶污染防控的有效性

    为进一步验证氨减排和控制酸性气体排放对二次无机气溶胶治理的有效性,我们通过大气化学模型,围绕不同强度的大气政策执行期,选择3个典型代表年份2010(代表2000-2012),20142013-2016),20172017-2019)年进行了不同情景的减排模拟。发现在3个典型年份中随着酸性气体减排强度的增加,50%农业氨减排带来的PM2.5削减有效性呈下降趋势。即如果继续执行当前的酸减排强度,即使达到氨减排上限,二次气溶胶及PM2.5控制效果也会有所降低;但若进一步加强酸性气体控制(以新冠疫情期间的酸性气体减排量为案例),50%的氨减排效果在2017年基础上则会大幅增强,且二次无机气溶胶和PM2.5浓度在京津冀、长三角、珠三角和川渝这4个典型污染区域均大幅减少。此外,针对2017年的敏感性分析,我们发现50%的酸性气体(SO2NOx)减排效果比50%氨减排效果更好。基于以上模型和前文监测分析结果表面,在采取氨减排的同时,需要进一步加强酸性气体排放控制,尤其考虑对NOx排放控制大幅削减的二次无机气溶胶及PM2.5污染。
 

4. 不同历史时期有无50%控氨的二次无机气溶胶浓度变化(基于政策执行力度划分的三个历史时期:2000-2012, 2013-2016, 2017-2019 2010 20142017分别代表三个历史时期的典型年份,2020年疫情防控期间作为污染物控制的极端情况)。

 

5. 50%控氨和50%控酸(SO2NOx)下PM2.5及二次无机气溶胶浓度的变化。

3. 酸性气体控制和氨减排的挑战、限制因素和未来的发力点

为进一步有效控制二次无机气溶胶及PM2.5污染,我国仍需继续开展酸性气体与氨协同控制策略。但是酸性气体和氨控制面临着不同挑战。在过去的20年,中国政府出台了一系列酸性气体控制政策并设定了明确减排目标。此外,在酸性气体防控技术上也取得了很大成就,尤其是末端尾气处理技术。截至到2018年,发电厂末端尾气处理技术覆盖率已经超过90%。然而在当前生产结构及模式下却很难对酸性气体大幅度减排。在低碳政策的背景下,能源结构调整将为酸性气体深度减排提供新的可能。氨排放的主要来源是农业生产,当前中国农业生产模式仍然以小农户为主导,且农业生产的管理者不愿在没有任何收益的情况下投资于相关基础措施及技术。因此,有效且可行的氨减排技术需要进一步扶持和发展。

针对大气污染治理的迫切性和酸氨减排的挑战,我们提出未来需要进一步开展的工作:
(1)明确不同区域氨及酸性气体的减排目标,提出适合本地化的防控策略。
(2)酸性气体的控制对无机二次气溶胶的控制依然有效,我们仍需深度减排。尤其在低碳政策背景下,能源结构调整对酸性气体控制带来环境收益需要进一步评估。
(3)我们需要发展围绕整个食物生产链条的可行性氨减排措施。例如:源头上我们需要减少不合理的氮素投入(例如:氮肥减量, 低蛋白饲料);管理过程上推行新技术(例如:脲酶抑制剂型控释肥料,畜禽粪尿覆盖存放);农业系统上构建循环农业模式(例如:种养一体化)。

 

该论文第一作者为中国农业大学中荷农业绿色发展交叉创新型人才培养项目(AGD计划)博士生孟凡磊,浙江大学博士生张逸博为共同第一作者,中国农业大学许稳副教授和浙江大学俞绍才教授为共同通讯作者。

 

原文链接:https://acp.copernicus.org/articles/22/6291/2022/