李松波,高家驥,田深圳,關(guān)瑩瑩
(1. 沈陽(yáng)大學(xué)師范學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110044;2. 遼寧師范大學(xué)人居環(huán)境研究中心,遼寧 大連 116029;3. 大連工業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,遼寧 大連 116000;4. 中央美術(shù)學(xué)院設(shè)計(jì)學(xué)院,北京 100105;5. 遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,遼寧 大連 116029)
2021年六五環(huán)境日中國(guó)主題為“人與自然和諧共生”,旨在堅(jiān)定打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的信心和決心。其中PM2.5是威脅人類健康、降低能見(jiàn)度、影響區(qū)域和全球氣候的重要污染物。中國(guó)作為中等收入國(guó)家,居民所承受的室外空氣污染負(fù)擔(dān)更重。因此,分析人口基數(shù)龐大的中國(guó)PM2.5污染分布和發(fā)展趨勢(shì),探討影響因素的空間異質(zhì)性,對(duì)個(gè)體和政府了解PM2.5污染現(xiàn)狀和制定治理措施有一定意義。
國(guó)內(nèi)外對(duì)細(xì)顆粒污染物(PM2.5)研究時(shí)序多選用 1 年數(shù)據(jù)進(jìn)行季節(jié)、月度分析[1-3],或?qū)Ρ冗B續(xù)幾年同一時(shí)段的 PM2.5數(shù)值變化[4-5],分析其中化學(xué)成分、對(duì)人體健康的影響,解析污染來(lái)源[6-8],進(jìn)而選取相關(guān)因子,探索其影響機(jī)理機(jī)制[9-10]。除基本時(shí)序選擇,學(xué)者們對(duì)特殊時(shí)段,如COVID-19期間、農(nóng)業(yè)耕種期、政策計(jì)劃實(shí)施前后、中國(guó)北方冬季取暖以及 APEC 會(huì)議期間等也有針對(duì)性研究[11-14]。研究對(duì)象主要集中在經(jīng)濟(jì)區(qū)、城市群、城市、農(nóng)村[15-18]等不同層級(jí)。此外,對(duì)PM2.5排放量有抑制和提升作用的綠地、濕地、道路等小尺度區(qū)域[19-22],也是學(xué)者們研究對(duì)象。在不同時(shí)段的不同地域,污染物數(shù)值的影響特征不盡相同,為促進(jìn)區(qū)域內(nèi)自然環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量、良性發(fā)展,學(xué)者們選取數(shù)據(jù)從統(tǒng)計(jì)年鑒、問(wèn)卷調(diào)查、遙感反演和大數(shù)據(jù)獲取逐漸擴(kuò)展來(lái)源[23-25],利用小波預(yù)測(cè)、LUR 模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、iLME+Geoi-RF模型、GEOS-Chem以及各種模型方法結(jié)合研究高污染發(fā)生的機(jī)理機(jī)制、來(lái)源特征、治理措施評(píng)估等問(wèn)題[26-31]。
綜上,國(guó)內(nèi)外研究中較少對(duì)大尺度、長(zhǎng)時(shí)序的PM2.5濃度數(shù)據(jù)研究,多以省、城市群或某重點(diǎn)地區(qū)為對(duì)象,中國(guó)地級(jí)市整體研究較少,阻礙了對(duì)PM2.5濃度時(shí)空變化的全面了解。本文通過(guò)ArcGIS、GeoDa等軟件,根據(jù)世界衛(wèi)生組織規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值,指導(dǎo)性地探索相對(duì)嚴(yán)格的中國(guó)地級(jí)市PM2.5年均濃度的時(shí)空分布特征,并采用地理探測(cè)器探討了其形成影響因素的空間異質(zhì)性,為空氣污染治理,建設(shè)人與自然和諧共生的宜居城市提供建議。
1.1.1 行政區(qū)劃地圖 保持研究時(shí)序內(nèi)地級(jí)市一致性以及數(shù)據(jù)的可獲取性,確定研究區(qū)域?yàn)橹袊?guó)283個(gè)地級(jí)市,區(qū)劃圖基于標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)系統(tǒng)(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/)進(jìn)行繪制。
1.1.2 PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)值 中國(guó) PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自于達(dá)爾豪斯大學(xué)大氣成分分析組(Atmospheric Composition Analysis Group(http://fizz.phys.dal.ca/~atmos/martin/?page_id=140)),由 NASA MODIS、MISR 和SeaWIFS產(chǎn)品的氣溶膠光學(xué)深度(AOD)反演與GEOS-Chem化學(xué)傳輸模型相結(jié)合來(lái)估算地表細(xì)顆粒物(PM2.5),利用地表PM2.5與AOD之間的地球物理關(guān)系模擬地表PM2.5濃度,最后使用地理加權(quán)回歸(GWR)進(jìn)行校準(zhǔn),最后經(jīng)柵格處理,匹配283地級(jí)市矢量地圖,利用ArcGIS 10.2中的制圖和空間分析工具,對(duì)PM2.5濃度變化的時(shí)空格局進(jìn)行可視化顯示。
1.1.3 社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù) 影響因子:統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)源自《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》等(https://navi.cnki.net/knavi/yearbooks/index,https://data.stats.gov.cn/);夜間燈光數(shù)據(jù)(https://www.ngdc.noaa.gov/eog/dmsp.html);地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/sources/index?pid=302&ptitle=DEM%20%E6%95%B0%E5%AD%97%E9%AB%98%E7%A8%8B%E6%95%B0%E6%8D%AE&rootid=1)和國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://data.cma.cn/data/cdcindex/cid/0b9164954813c573.html)。
1.2.1 全局自相關(guān) 全局空間自相關(guān)是對(duì)地理要素屬性值在整個(gè)區(qū)域的空間特征描述,本文選用GeoDa軟件單變量Moran’s I分析測(cè)量中國(guó)地級(jí)市PM2.5年均值的總體空間關(guān)聯(lián)程度指數(shù)[32],見(jiàn)式(1~3)。
式(1~3)中:n 為研究區(qū)域數(shù)量;xi、xj分別代表城市i、城市j的PM2.5年均值;Wij則表示空間權(quán)重矩陣W中的元素, S2為觀測(cè)值方差。 zscore表示標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù),見(jiàn)式(4)。
式(4)中:E (I)表示Moran’s I的期望值;VAR(I)為方差;z得分反映中國(guó)地級(jí)市PM2.5數(shù)據(jù)集的離散程度,見(jiàn)表1。
表1 不同置信度下的p值和z得分
全局Moran’s I值在 [-1, 1]之間,如果Moran’s I>0,表明存在正的空間自相關(guān),即高值(或低值)區(qū)域在空間內(nèi)呈顯著聚集;如果Moran’s I<0, 則呈離散趨勢(shì),且絕對(duì)值越大,集聚(離散)效應(yīng)越強(qiáng)。
1.2.2 局部空間自相關(guān) 全局自相關(guān)僅對(duì)考察對(duì)象整體狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,無(wú)法體現(xiàn)各區(qū)域與其周邊鄰近區(qū)域內(nèi)部具體的關(guān)聯(lián)程度,為了直觀反應(yīng)局部研究對(duì)象的空間相關(guān)性,利用局部自相關(guān)方法對(duì)中國(guó)地級(jí)市細(xì)顆粒物污染情況進(jìn)行分析[33]。本文采用ArcGIS聚類和異常值分析(Anselin Local Moran’s I),根據(jù)輸出字段分為顯著性高-高值聚類(H-H)、低-低值聚類(L-L)、由低值圍繞的異常值 (H-L)、被高值圍繞的異常值(L-H) 以及不顯著(NO)集聚特征5類。
1.2.3 地理探測(cè)器 產(chǎn)生空間分異性的原因是多樣的,地理探測(cè)器可以用于檢驗(yàn)空間分異性,揭示某一屬性值在不同類型之間存在差異[32]。探測(cè)地級(jí)市間PM2.5數(shù)值是否存在空間異質(zhì)性,據(jù)此確定地理探測(cè)器的因子影響力(q值),見(jiàn)式(5)。
式(5)中,Ni為探測(cè)的單元數(shù),N為全域單元數(shù),是所探測(cè)要素和全域Y值的方差。q為因子的影響力值,取值范圍為[0,1],q值越大,解釋力越強(qiáng),PM2.5受該因子影響力越大。其中交互作用探測(cè)能夠識(shí)別不同風(fēng)險(xiǎn)因子之間的交互作用。
2005年世界衛(wèi)生組織(WHO)發(fā)布《空氣質(zhì)量準(zhǔn)則》,研究得出較理想、健康危險(xiǎn)小的高標(biāo)準(zhǔn)濃度設(shè)定[34]。本文節(jié)選了 2003、2006、2009、2012、2015和2018年6年的PM2.5年均值,利用ArcGIS10.2進(jìn)行空間可視化,參考世界衛(wèi)生組織設(shè)定準(zhǔn)則值,見(jiàn)表2,探索中國(guó)空氣PM2.5標(biāo)準(zhǔn)的空間分布格局,見(jiàn)圖1。
表2 WHO《空氣質(zhì)量準(zhǔn)則》中PM2.5年平均濃度值設(shè)定 μg·m?3
圖1 中國(guó)地級(jí)市PM2.5年均濃度分布格局
2003年中國(guó)PM2.5年均濃度空間分布圖中,僅云南省麗江市達(dá)到規(guī)定準(zhǔn)則值以下。大部分地級(jí)市處于IT-1的年平均濃度狀態(tài),占據(jù)所有測(cè)量對(duì)象的59.01%。2006年P(guān)M2.5年均值高于35 μg/m3地級(jí)市明顯增多,達(dá)到全國(guó)地級(jí)市總數(shù)的71.02%。云南省PM2.5濃度有所上升,且無(wú)AQG狀態(tài)地級(jí)市。雖然北方有燃煤污染,但是與呼倫貝爾市相連的黑龍江省黑河市、伊春市、鶴崗市和雙鴨山市,出現(xiàn)小范圍年均濃度小于10 μg/m3的地級(jí)市集聚現(xiàn)象。2009年齊齊哈爾市取代雙鴨山市,達(dá)到PM2.5年均濃度最優(yōu)范圍值,污染低的城市數(shù)量不變的同時(shí),年均濃度大于35 μg/m3的地級(jí)市有所減少,僅占全國(guó)的69.25%,2012年與此保持一致,有87個(gè)地級(jí)市處于IT-1狀態(tài),達(dá)到空氣質(zhì)量準(zhǔn)則值城市仍分布于內(nèi)蒙古自治區(qū)和黑龍江省。
2015年起PM2.5年均濃度空間分布有明顯變化,雖然AQG水平城市僅有呼倫貝爾市,但全國(guó)呈現(xiàn)出高數(shù)值城市大量減少,地級(jí)市大部分處在過(guò)渡時(shí)期目標(biāo)?2之上狀態(tài)。2013年中國(guó)的霧霾事件引起了大量關(guān)注,國(guó)家高度重視大氣污染防治工作,同年發(fā)布《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》并確定了10項(xiàng)具體措施。隨著產(chǎn)業(yè)升級(jí)、政府管制、居民意識(shí)等不同污染防治行動(dòng)實(shí)施,使得污染城市大幅度減少。麗江市在2018年恢復(fù)至AQG水平,并且此水平城市增至4個(gè)。此外,IT-1從2015年的53.35%跌至40.76%,全國(guó)僅有不足一半的地級(jí)市具有長(zhǎng)期暴露增加15%死亡風(fēng)險(xiǎn),大量地級(jí)市年均濃度處于 10~35 μg/m3之間。
在分析空間分布格局基礎(chǔ)之上,為進(jìn)一步探究我國(guó)地級(jí)市PM2.5空間分布是否具有相關(guān)性特征,采用GeoDa測(cè)量中國(guó)283個(gè)地級(jí)市PM2.5年均值的全局集聚程度,見(jiàn)圖2。
圖2 全局Moran`s I散點(diǎn)圖
研究時(shí)序范圍內(nèi)p值通過(guò)99%置信度檢驗(yàn),全局Moran’s I指數(shù)均為正,z得分大于2.58,呈現(xiàn)明顯的集聚現(xiàn)象,見(jiàn)表3。
表3 PM2.5年均濃度值 Moran’s I和z得分
從2003~2018年數(shù)值整體從0.597升至0.669,呈現(xiàn)下降-上升-下降-上升的“W”走勢(shì),均分布在[-1,1]之間,表明中國(guó)PM2.5地級(jí)市空間分布并非隨機(jī),高污染地區(qū)與高污染城市相鄰,低污染與低污染城市相鄰,且對(duì)相鄰地區(qū)有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。
2009 年前,Moran’s I指數(shù)在 0.600 以下,PM2.5存在明顯的空間正相關(guān)溢出效應(yīng)。2011年1月1日開(kāi)始,環(huán)保部發(fā)布的《環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測(cè)定重量法》開(kāi)始實(shí)施。并在2012年環(huán)保部公布了《空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)第一階段監(jiān)測(cè)實(shí)施方案》,自2013年中國(guó)74個(gè)城市先后完成PM2.5“國(guó)控點(diǎn)”監(jiān)測(cè)的試運(yùn)行[35]。隨著《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》的實(shí)施和居民意識(shí)提高、政府治理力度加大,污染的集聚程度有所下降,2018年P(guān)M2.5污染數(shù)值整體降低,空間再次呈現(xiàn)強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。
采用Anselin Local Moran’s I方法繪制研究區(qū)域的局部集聚模式,見(jiàn)圖3。
圖3 中國(guó)PM2.5聚類和異常值分布
高-高型主要分布于四川、河北、天津、山東、河南、安徽、江蘇等省的大部分城市,并且長(zhǎng)期為細(xì)顆粒物污染的高值區(qū)域。2003~2006年高-高型城市數(shù)量減少,此后不斷增多,至2009年有87個(gè)城市,為研究時(shí)序內(nèi)分布最多的1年,見(jiàn)表4。
表4 集聚類型結(jié)果統(tǒng)計(jì)
2009~2018 年高-高型城市逐漸減少,2018年僅有70個(gè)城市。低-低型城市以東北地區(qū)、內(nèi)蒙古-寧夏-甘肅南北一線、云南和福建為主要分布區(qū),除2012年數(shù)量最多,其余年份低-低型城市數(shù)量較為平均。時(shí)序范圍內(nèi)中國(guó)唯一被高值圍繞的異常值——低-高型城市出現(xiàn)在河北的張家口市。不顯著型城市最多,可以占據(jù)所有城市的一半左右,以2012年為轉(zhuǎn)折點(diǎn),城市數(shù)量減少至138個(gè)后遞增,大體呈現(xiàn)出U型。
中國(guó)高值集聚區(qū)整體分布于四川盆地、華北平原和長(zhǎng)江中下游人居活動(dòng)強(qiáng)、污染嚴(yán)重的地區(qū)。四川盆地雖然受靜、穩(wěn)等不利疏散的氣象條件影響,但從2015年后PM2.5年均值數(shù)值降低,不再有高值城市在此集聚。與云南、福建等地不同,黑龍江長(zhǎng)期分布低值集聚區(qū),雖冬季爆竹煙花、燃煤取暖和工業(yè)排放產(chǎn)生大量污染物,但是城市化水平低、地勢(shì)平坦、綠化覆蓋率高,成為東北地區(qū)低-低型城市分布的主要原因。唯一的低-高型城市,張家口常年風(fēng)速較大,污染物疏散快,不易集聚。優(yōu)秀的自然條件加之人文條件,與周圍省會(huì)城市相比,成為PM2.5年均值較低的城市。
根據(jù)已有研究,PM2.5濃度值受人口、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、自然條件、政策等多種因素影響,包括污染排放,能源使用,個(gè)人特征,城市化水平,技術(shù)進(jìn)步,創(chuàng)新產(chǎn)出等人文因素[36-39],以及地形,氣象因素等自然條件[23,40-41]。
以2018年為例,整理可獲取變量,選取建成區(qū)綠化覆蓋率、年平均氣溫、年均降水、平均坡度為自然因素;人均地區(qū)生產(chǎn)總值、城鎮(zhèn)化率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)高級(jí)化、第三產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員比重、第二產(chǎn)業(yè)占GDP的比重、萬(wàn)人擁有公共汽(電)車營(yíng)運(yùn)車輛數(shù)、公路客運(yùn)量、公路貨運(yùn)量影響城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程中PM2.5的排放和控制;科教支出占公共總預(yù)算比重、萬(wàn)人高等教育在校數(shù)衡量科技進(jìn)步、創(chuàng)新對(duì)PM2.5的影響;人口自然增長(zhǎng)率、居民活動(dòng)強(qiáng)度為城市居民個(gè)體特征的影響因子。PM2.5為因變量(Y),16個(gè)自變量,見(jiàn)表5,應(yīng)用地理探測(cè)器測(cè)算影響因素空間異質(zhì)性,探究自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、人口因素4種變量類型對(duì)PM2.5的影響。
表5 驅(qū)動(dòng)因子探測(cè)結(jié)果
地理探測(cè)器結(jié)果q值越大,解釋力越強(qiáng),空間分異性越明顯,反之越弱。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化處理,利用自然間斷法對(duì)數(shù)據(jù)重新劃分為5個(gè)等級(jí)。由表5可知,引起PM2.5年均濃度空間變化的影響因素由大到小為:城市氣溫>平均坡度>科教投入>第二產(chǎn)業(yè)占GDP的比重>人口增長(zhǎng)情況>公路客運(yùn)量>城市綠化水平>居民活動(dòng)強(qiáng)度>公路貨運(yùn)量>產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)高級(jí)化>城鎮(zhèn)化水平>第三產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員比重>城市降水>教育水平>經(jīng)濟(jì)實(shí)力>公共服務(wù)。
其中,城市氣溫(0.257736)解釋力在 25% 以上,是影響地級(jí)市PM2.5空間變化差異的主導(dǎo)影響因素;其次,平均坡度(0.155005)、科教投入(0.148931)、第二產(chǎn)業(yè)占GDP的比重(0.122924)的決定力q值較大,解釋力均在10%以上,說(shuō)明區(qū)域內(nèi)氣溫、地形起伏程度、第二產(chǎn)業(yè)是影響PM2.5空間變化的次要因素。且城市降水、經(jīng)濟(jì)實(shí)力、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)高級(jí)化、教育水平、公共服務(wù)、公路客運(yùn)量、公路貨運(yùn)量、居民活動(dòng)強(qiáng)度均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(p>0.05),表明年均降水量、第二產(chǎn)業(yè)與第三產(chǎn)業(yè)比值的單個(gè)因子影響力很小,而PM2.5空間變化基本不受萬(wàn)人擁有公共汽(電)車營(yíng)運(yùn)車輛數(shù)、人均地區(qū)生產(chǎn)總值、夜間居民活動(dòng)強(qiáng)度、公路貨運(yùn)量和公路客運(yùn)量的影響。
生態(tài)探測(cè)器用來(lái)對(duì)比不同的影響因子在影響城市PM2.5濃度是否有顯著的差異、以及哪種因子對(duì)PM2.5分布更具有制約力。已知PM2.5影響因素是由多種因素共同作用形成的,因此對(duì)兩兩因素交互作用的分析十分必要。由交互探測(cè)結(jié)果可知,所有影響因子的兩兩交互作用的結(jié)果均為非線性增強(qiáng)和雙因子增強(qiáng),交互作用中解釋力最強(qiáng)的模式前三依次為年平均氣溫和平均坡度(0.490841)、科教支出占公共總預(yù)算比重和平均坡度(0.370895)、第二產(chǎn)業(yè)占 GDP 的比重和平均氣溫(0.358306),此外,年平均氣溫與其他影響因子交互作用下產(chǎn)生的最大交互值次數(shù)最多,單因子q值在因子探測(cè)處于最高水平,因此地級(jí)市的年均氣溫在本研究所有影響因子中是更全面、決定力最大的單影響因子。
選取中國(guó)地級(jí)市PM2.5濃度值數(shù)據(jù),結(jié)合空間分析方法分析區(qū)域內(nèi)PM2.5的時(shí)空分異特征,運(yùn)用地理探測(cè)器測(cè)度影響因子,探究不同因素的解釋力。
(1)對(duì)照世界衛(wèi)生組織(WHO)發(fā)布的《空氣質(zhì)量準(zhǔn)則》濃度限值,中國(guó)地級(jí)市PM2.5年均濃度值達(dá)到該準(zhǔn)則標(biāo)準(zhǔn)有4個(gè)地級(jí)市。絕大部分地級(jí)市在IT-3目標(biāo)值以上,但是隨著國(guó)家政策出臺(tái),工業(yè)企業(yè)治理達(dá)標(biāo),民間環(huán)保宣傳,中國(guó)地級(jí)市PM2.5年均濃度值大于35 μg/m3比重在研究范圍內(nèi),由71.02%降至40.76%。
(2)中國(guó)地級(jí)市 PM2.5Moran’s I數(shù)值整體從0.597升至0.669,多數(shù)分布于第一象限和第三象限。表明PM2.5空間分布并非隨機(jī),高污染地區(qū)與高污染城市相鄰,低污染與低污染城市相鄰,而且在我國(guó)2013年出臺(tái)政策,治理力度加大前后,分別呈現(xiàn)強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。
(3)地級(jí)市PM2.5低-低型集聚模式分布于中國(guó)東南、西南、西北和東北地區(qū),中心高值集聚區(qū)分布于四川盆地、華北平原和長(zhǎng)江中下游地區(qū)的人居活動(dòng)強(qiáng)、污染嚴(yán)重地區(qū)。唯一異常值城市(低-高型)出現(xiàn)在河北的張家口市。
(4)地理探測(cè)器影響因素分析結(jié)果顯示,城市氣溫、地形起伏程度和政府科研、教育支出額是影響PM2.5濃度的重要因子。PM2.5空間分異受到自然因素影響最大,其次為人口因素、社會(huì)因素和經(jīng)濟(jì)因素。因子交互探測(cè)結(jié)果說(shuō)明因子之間的影響具有一定的交叉性,其中平均氣溫是對(duì)PM2.5空間格局演變產(chǎn)生影響的重要因子。
中國(guó)地級(jí)市PM2.5有較強(qiáng)的空間相關(guān)性,華北平原以及長(zhǎng)江中下游地區(qū)的主要地級(jí)市依舊為細(xì)顆粒物污染排放的重心,政策出臺(tái)以及民眾意識(shí)使影響污染物數(shù)值變化的重要因素。影響污染濃度的因素除法制管制外,其中自然因素占據(jù)首要位置,PM2.5的時(shí)空演變會(huì)隨著各種因素的變化而變化,不僅需要加強(qiáng)城市間的協(xié)同發(fā)展,還應(yīng)細(xì)化影響因素研究,有針對(duì)性強(qiáng)化大氣環(huán)境質(zhì)量。