中国东北强烈生物质燃烧的影响：空气污染、污染物间的增强比及健康风险

《Atmospheric Pollution Research》：Impact of strong biomass burning in Northeast China: air pollution, enhancement ratio among pollutants, and health risk

　　

**• 强作物焚烧显著增加PM2.5、CO、NO2和O3浓度**
**• 火羽烟从过渡态向NOx饱和型O3生成机制发生季节性转变**
**• 火灾源PM2.5和O3每年导致约423人死亡**

**引言**

生物燃烧是大气污染物和温室气体的主要来源。它通过排放痕量气体和气溶胶，显著恶化空气质量、改变辐射强迫，并对气候变化做出贡献（Aguilera et al., 2021; Andreae, 2019; Ehret et al., 2025; Jaffe et al., 2020）。生物燃烧的环境影响并不局限于燃烧区域，因为排放到大气中的污染物可以传输数千公里远（Schneider et al., 2024）。生物燃烧向大气中释放大量空气污染物，包括一氧化碳（CO）、挥发性有机化合物（VOCs）、二氧化氮（NO2）以及粒径小于2.5微米的颗粒物（PM2.5）（Jaffe et al., 2020; Jaffe et al., 2022; Schneider et al., 2021）。除气态污染物外，生物燃烧还从根本上改变大气气溶胶的化学组成，富集碳质物质、水溶性无机离子和二羧酸，影响气溶胶吸湿性和成云过程（Agarwal et al., 2024; Alang et al., 2024a）。在火羽烟传输过程中，化学过程将排放的前体物转化为二次物种，尤其是臭氧（O3）和二次有机气溶胶（SOA）（Jaffe & Wigder, 2012; Schneider et al., 2024; Vakkari et al., 2014）。

生物燃烧对地表O3的影响取决于O3生成效率，而O3生成效率随燃料类型、大气条件和地理位置而变化。O3前体物的排放，特别是CO、NOx和VOCs，强烈依赖于燃烧条件：明火燃烧通常排放更多NOx，而阴燃释放更多VOCs和CO（Andreae, 2019）。O3生成也随纬度显著变化。在热带地区，生物燃烧期间的O3混合比可达非火灾日的2-10倍，这由高温度、强日照和丰富的VOCs排放驱动（Bourgeois et al., 2021; Jaffe & Wigder, 2012）。相比之下，北方森林火灾对O3的增强作用很小（约2 ppb），或在某些情况下无显著影响，这归因于低温条件下NOx迅速被捕获为过氧乙酰硝酸酯（PAN）（Alvarado et al., 2010; Jaffe & Wigder, 2012; Schneider et al., 2024; Wentworth et al., 2018）。

标准化增强比（NERs）为表征火羽烟动态和评估生物燃烧对空气质量的影响提供了有效度量（Jaffe et al., 2022; Laing et al., 2017）。污染物的NERs可以区分受火灾影响的空气团与背景条件。例如，火羽烟中ΔPM2.5/ΔCO比值通常比城市背景值高2-10倍（McClure & Jaffe, 2018b），而ΔNO2/ΔCO比值在不同火灾类型间变化很大：北方森林火灾显示较低的比值（0.48 ± 0.18），属于阴燃特征，而草原火灾则显示较高的比值（3.6-6.2），属于明火燃烧特征（van der Velde et al., 2021）。NERs也作为二次污染物形成效率的度量。ΔO3/ΔCO比值广泛用于追踪火羽烟中的光化学演化，从新鲜羽烟中的接近零值增加到老化羽烟中的0.5–0.7 ppb/ppb（Jaffe & Wigder, 2012; Palmo et al., 2025）。Jaffe和Wigder（2012）证明ΔO3/ΔCO比值随纬度显著变化：热带火灾产生0.4-0.9的比值，而北方火灾仅产生0.03-0.2的比值。尽管飞机和地面测量已广泛表征了森林火灾的NERs，但农业火灾的NERs仍然稀少，限制了对农作物残留焚烧排放特征和O3生成的理解。此外，控制不同纬度O3生成的机制仍不清楚（Jaffe & Wigder, 2012; Lee & Jaffe, 2024b; Palmo et al., 2025），需要进一步研究中高纬度地区生物燃烧对O3形成的影响。

地表PM2.5、CO、NO2和O3与不良健康结果相关，因此在全球范围内受到监管和监测。尽管数十年的排放控制改善了空气质量，但日益增加的野火活动威胁到某些地区的这一进展（McClure & Jaffe, 2018a, 2018b）。急性暴露于火灾衍生的PM2.5每年导致约99,000例全因死亡，造成显著的心血管和呼吸系统疾病负担（Chowdhury et al., 2025）。值得注意的是，O3相关的健康效应即使在低于当前空气质量标准的浓度下也会发生（Di et al., 2017），且年MDA8 O3的微小增加（约5 ppb）已被证明与预期寿命的可测量降低相关（Li et al., 2016）。因此，量化生物燃烧对O3的影响仍然具有挑战性，且火灾诱导O3的健康影响不容忽视。

以往研究使用地面测量、卫星观测、模型和排放清单调查生物燃烧的影响（Jaffe et al., 2020; Jaffe et al., 2022; Jaffe & Wigder, 2012; Palmo et al., 2025; Schneider et al., 2021; Schneider et al., 2024; Xue et al., 2025）。然而，准确地将污染物增强归因于火灾排放仍然具有挑战性，特别是对于O3，其变异性强烈受非线性光化学和气象调制。此外，大多数研究集中在森林野火上，而农业火灾相对缺乏探索。这一知识差距部分原因是农业火灾通常规模小、持续时间短且空间分散，使得卫星难以探测，且在排放清单和化学传输模型中代表性不足。此外，作物特定的排放因子通常不可用或被全球平均值替代，进一步增加了农业火灾估计的不确定性（Travis et al., 2023; Wiedinmyer et al., 2023）。有限的研究已表明热带和亚热带火灾中农作物残留焚烧是污染的重要来源。在东南亚、印度-恒河平原和长三角地区，农业火灾通过增加PM2.5浓度和促进光化学O3生成而显著恶化空气质量（Choi & Ying, 2025; Lan et al., 2022; Kumari et al., 2018; Li et al., 2018; Kulkarni et al., 2020）。这些研究表明，农业火灾可以影响多种污染物，并通过大气传输影响下风向地区。

中国东北地区包括辽宁、吉林和黑龙江省，约占中国总活动火灾的25%（Yin et al., 2021）。作为中国最大的粮食产区，它占全国农作物残留焚烧排放的78–88%（Lv et al., 2024）。该地区的植被火灾表现出明显的时空模式，主要发生在春季和秋季，占卫星数据年度火辐射功率的80%以上（Huang et al., 2024）。全球范围内，大多数研究分别调查了PM2.5、CO、NOx或O3的火灾相关增强。对于中国东北地区，火灾对空气质量影响的观测证据仅限于PM2.5和CO（Li et al., 2019）。特定作物火灾对NO2和O3浓度的影响以及相关的健康负担在很大程度上仍未量化。鉴于中国东北地区人口老龄化速度迅速，这一空白对于制定健康保护型污染控制策略尤为令人担忧（Silver et al., 2025）。

本文结合中分辨率成像光谱仪（MODIS）火灾观测、地表空气质量数据、ERA5气象数据、HYSPLIT后向轨迹和OMI HCHO和NO2反演数据，研究2014-2020年春秋火灾季中国东北地区18个城市121个监测站的强烈生物燃烧影响。本研究旨在：(1) 量化与火灾相关的地表PM2.5、CO、NO2和O3增强；(2) 以排放特征（PM2.5、CO、NO2）的变异性表征NERs，使用ΔO3/ΔCO和ΔO3/ΔNO2评估O3生成效率，并利用卫星反演的甲醛与NO2比值（FNR）独立诊断季节性O3生成机制；(3) 估计中国东北地区归因于生物燃烧相关空气污染的短期健康影响。

在第2节中描述数据和方法，包括表征中国东北地表空气污染物的季节变异性与长期趋势作为背景信息（补充材料S1）。然后在第3.1节中表征中国东北的火灾活动；第3.2节中量化生物燃烧对地表PM2.5、CO、NO2和O3的影响；第3.3节中分析火灾相关的污染物增强比。第3.4节进一步使用OMI反演的FNR评估季节性O3生成机制及其与观测到的O3增强的关系。第3.5节评估与火灾相关空气污染有关的短期健康负担。第4节讨论和第5节结论分别呈现讨论和结论。

**研究区域和研究期**

本研究重点关注生物燃烧活跃的中国东北地区（Li et al., 2019）。我们使用来自中国东北18个城市121个站点的空气质量数据（图1）。18个城市的地理空间信息列于补充材料表S1中。

基于2014-2020年研究区域（115-137°E, 38-55°N；图2a）MODIS月火辐射功率的时间变化，3月、4月、5月、9月、10月和11月以大规模持续性火灾为特征。

**火灾活动和受影响日的识别**

图2a展示了2014-2020年中国东北（115–137°E, 38–55°N）总火辐射功率（FRP）的气候态日变化。对于每一天，将研究区域内所有检测到的火灾的FRP值求和，然后对七年间同一天历日期进行平均。生物燃烧主要发生在松嫩平原、小兴安岭、阿穆尔州、三江平原和辽河平原（图2b和2c）。观察到FRP存在大年际变化（图2d）。

**PM2.5、CO和NO2**

中国东北农业火灾产生异常强烈的地表PM2.5、CO和NO2增强，PM2.5显示最大相对增加（106%），其次是NO2（36%）和CO（20%）。这三种污染物的增强均显著高于通常在可比纬度报道的森林野火增强值（Schneider et al., 2021）。这种差异由两个因素驱动。中国东北的露天焚烧排放现已以农业火灾为主，而非

**结论**

中国东北是火灾活动频繁的地区，特别是在春夏季的农田上。东北地表PM2.5、CO、NO2和O3浓度表现出明显的季节性，PM2.5、CO和NO2在冬季达到峰值，而O3在春季达到峰值。在2014–2020年期间，PM2.5（?4.42 μg m?3 yr?1）、CO（?31.7 ppb yr?1）和NO2（?1.15 ppb yr?1）存在显著下降趋势，但O3（0.80 ppb yr?1）存在并发的上升趋势。

在此背景下，本研究

**CRediT作者贡献声明**

Zhe Jiang：写作 – 审阅与编辑，监督，资源，经费获取。Huilin Chen：写作 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，经费获取。Xun Zhang：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，监督，方法论，调查研究，形式分析，概念化。Jane Liu：监督，资源，项目管理，经费获取，概念化。Jing Ming Chen：写作 – 审阅与编辑，监督，

**未引用参考文献**

Chen et al., 2021a; Jones et al., 2009; Juncosa Calahorrano et al., 2021; O'Dell et al., 2021; Ye et al., 2022。

**数据可用性**

HYSPLIT模型可从NOAA空气质量实验室获得（https://www.ready.noaa.gov/HYSPLIT.php）。NCEP/NCAR再分析气象数据可从NOAA物理科学实验室获得（https://www.ready.noaa.gov/data/archives/reanalysis/; https://downloads.psl.noaa.gov/Datasets/ncep.reanalysis.dailyavgs/surface/）。ERA5单层逐时数据从Copernicus气候变化服务气候数据存储库获得（//cds.climate.copernicus.eu/datasets/reanalysis-era5-single-levels。

**利益冲突声明**

? 作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**

本研究由中国国家自然科学基金（项目编号42277082）支持。感谢NOAA空气质量实验室（ARL）提供HYSPLIT模型，以及负责MODIS、MOPITT和OMI产品的NASA团队。

Xun Zhang | Jane Liu | Zhe Jiang | Huilin Chen | Xin Tong | Yongguang Zhang | Jing Ming Chen