張軻，許學(xué)慧，李海港

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院, 內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤質(zhì)量與養(yǎng)分資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

近年來(lái)，隨著城市化、工業(yè)化步伐的加快，交通運(yùn)輸現(xiàn)代化的迅速發(fā)展，空氣污染已經(jīng)成為城市發(fā)展中一個(gè)突出的問(wèn)題[1]。受污染的空氣不僅對(duì)城市環(huán)境造成嚴(yán)重影響，還直接危及人類(lèi)健康。如前幾年頻發(fā)的重污染天氣，使人們的身心健康受到影響。

目前，關(guān)于經(jīng)濟(jì)、城市發(fā)展與環(huán)境質(zhì)量關(guān)系的研究基本運(yùn)用環(huán)境庫(kù)茲涅茨曲線(EKC)理論[2-3]，該理論于1991年由Grossman等[4]提出，環(huán)境污染先隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)而惡化，發(fā)展到一定程度會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展會(huì)促使環(huán)境污染減輕。國(guó)內(nèi)外許多研究都對(duì)EKC理論進(jìn)行了驗(yàn)證或分析，但研究結(jié)果并不一致，也有學(xué)者對(duì)EKC理論和實(shí)證研究提出了質(zhì)疑[5-6]。呼和浩特市地處我國(guó)內(nèi)蒙古北部，是除天津市、石家莊市和濟(jì)南市以外距離首都北京市最近的省會(huì)城市，在承接北京非首都功能產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移改革中發(fā)揮著十分重要的作用，研究呼和浩特市和北京市空氣污染的時(shí)空分布特征，對(duì)揭示其空氣污染原因、改善空氣質(zhì)量、防止空氣污染的進(jìn)一步加劇具有十分重要意義。

環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(ambient air quality index，AQI)是目前在國(guó)際上被廣泛應(yīng)用，簡(jiǎn)單而直觀的大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，能夠有效反映空氣總體質(zhì)量，可用于空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)以及污染控制和管理[7]。污染物排放量是影響空氣質(zhì)量的根本因素[8]，燃煤、機(jī)動(dòng)車(chē)、工地與道路揚(yáng)塵、工業(yè)污染源等城市污染源都排放出大量污染物，最終直接影響城市的空氣質(zhì)量。筆者以2014—2019年中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站發(fā)布的二氧化硫 (SO2)、二氧化氮 (NO2)、一氧化碳(CO)、臭氧(O3)、細(xì)顆粒物(PM2.5)和可吸入顆粒物(PM10) 6項(xiàng)空氣污染物濃度數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，依據(jù)GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[9]和 HJ 633—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》[10]，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)北京市和呼和浩特市的空氣質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析，以期揭示影響2市環(huán)境空氣質(zhì)量的關(guān)鍵因子，為有效防控城市空氣污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

以中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站和中國(guó)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)發(fā)布的北京市和呼和浩特市市區(qū)空氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，統(tǒng)計(jì) 2個(gè)城市 2014—2019年的SO2、NO2、PM10、PM2.5濃度月均值，并統(tǒng)計(jì) CO 濃度日均值第95百分位數(shù)以及O3日最大8 h濃度的第90 百分位數(shù)。O3空氣污染物濃度為8 h滑動(dòng)平均值。

1.2 分析方法

1.2.1 AQI

AQI是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無(wú)量綱指數(shù)。針對(duì)單項(xiàng)污染物還規(guī)定了空氣質(zhì)量分指數(shù)(individual air quality index，IAQI)[10]，其計(jì)算公式如下：

式中：IAQIp為污染物p的空氣質(zhì)量分指數(shù)；Cp為污染物p的質(zhì)量濃度；BPHi為與Cp相近的污染物濃度限值的高位值；BPLo為與Cp相近的污染物濃度限值的低位值；IAOIHi為與BPHi對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)；IAOILo為與 BPLo對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)。AQI計(jì)算公式如下：

利用AQI可以直觀地評(píng)價(jià)大氣環(huán)境質(zhì)量狀況，并指導(dǎo)空氣污染的控制和管理。以SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O36種空氣污染物作為評(píng)價(jià)因子，空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照GB 3095—2012和HJ 633—2012?？諝赓|(zhì)量級(jí)別如表1所示，AQI越大、級(jí)別越高說(shuō)明污染情況越嚴(yán)重，對(duì)人體的健康危害越大[10]。

表1 空氣質(zhì)量級(jí)別及相關(guān)信息[10]Table 1 Air quality levels and related information

1.2.2 數(shù)據(jù)分析

采用Excel和SPSS 23軟件對(duì)6種空氣污染物的月均濃度和年均濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和相關(guān)性分析。季節(jié)分布按2市氣候特征的時(shí)間尺度進(jìn)行劃分，即冬季為12月—次年2月，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣質(zhì)量基本情況

圖1為北京市和呼和浩特市 2014—2019年AQI逐月變化。從圖1可以看出，北京市的AQI要比呼和浩特市高，最高可達(dá)187，最低為58。其中，空氣質(zhì)量達(dá)到二級(jí)（良）的為30個(gè)月，占總月數(shù)的41.7%；達(dá)到三級(jí)（輕度污染）的為37個(gè)月，占總月數(shù)的51.4%；達(dá)到四級(jí)（中度污染）的為5個(gè)月，占總月數(shù)的6.9%。呼和浩特市AQI最高可達(dá)136，最低為51。其中，空氣質(zhì)量達(dá)到二級(jí)（良）的為63個(gè)月，占總月數(shù)的87.5%；達(dá)到三級(jí)（輕度污染）的為9個(gè)月，占總月數(shù)的12.5%。呼和浩特市空氣質(zhì)量達(dá)到二級(jí)（良）的月數(shù)顯著高于北京市，且未出現(xiàn)中度或更嚴(yán)重的污染，說(shuō)明整體而言呼和浩特市的空氣質(zhì)量?jī)?yōu)于北京市。有效控制2市的AQI，提高空氣質(zhì)量，需從污染源頭限制污染物排放。根據(jù)李霞[11]的研究結(jié)果推測(cè)2市大氣污染來(lái)源主要有3方面：1）生活污染源，包括飲食或取暖時(shí)燃料燃燒向大氣排放有害氣體和煙霧；2）工業(yè)污染源，包括火力發(fā)電、鋼鐵和有色金屬冶煉以及各種化學(xué)工業(yè)造成的污染；3）交通污染源，包括汽車(chē)、飛機(jī)、火車(chē)、船舶等交通工具的尾氣排放。

圖1 2014—2019年北京市和呼和浩特市AQI逐月變化Fig.1 Monthly changes of the air quality indexes from 2014 to 2019 in Beijing and Hohhot

2.2 首要污染物對(duì)AQI的貢獻(xiàn)率

AQI大于50時(shí)，IAQI最大的污染物為首要污染物[10]。如圖2所示，北京市AQI貢獻(xiàn)最大的污染物是PM2.5，貢獻(xiàn)率為82%；其次是O3，貢獻(xiàn)率為12%；NO2排第三，貢獻(xiàn)率為4%；貢獻(xiàn)率最小的是PM10，為2%。呼和浩特市AQI貢獻(xiàn)最大的污染物是PM10，貢獻(xiàn)率為63%；其次是PM2.5，貢獻(xiàn)率為18%；O3排第三，貢獻(xiàn)率為14%；貢獻(xiàn)率最小的是NO2，為5%。PM2.5和PM10分別是北京市和呼和浩特市空氣中的主要污染物。呼和浩特市與北京市相比，大風(fēng)天氣較多且距離冬季風(fēng)源地較近，大風(fēng)引起的揚(yáng)塵顆粒較大，會(huì)造成空氣中PM10濃度的大幅增加；而北京市機(jī)動(dòng)車(chē)保有量較大，大量汽車(chē)尾氣的排放導(dǎo)致空氣中PM2.5的濃度較高[12]。顆粒物污染在我國(guó)已經(jīng)成為影響空氣質(zhì)量、氣候變化和人類(lèi)健康的嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題[13]。其中大氣顆粒物對(duì)人群神經(jīng)系統(tǒng)具有潛在威脅，并且小粒徑顆粒物具有較高的健康危害[14]。

圖2 北京市和呼和浩特市主要污染物對(duì)AQI的貢獻(xiàn)Fig.2 Contribution of different major pollutants to the air quality index in Beijing and Hohhot

2.3 首要污染物的季節(jié)貢獻(xiàn)

為了進(jìn)一步分析2市空氣質(zhì)量變化特征，對(duì)2014—2019年2市空氣中首要污染物的季節(jié)濃度對(duì)年均濃度的貢獻(xiàn)率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，2市除了O3夏季貢獻(xiàn)率高，冬季貢獻(xiàn)率低外，PM2.5、NO2、PM10均為冬季貢獻(xiàn)率最大，春秋季貢獻(xiàn)率低于冬季，夏季最低。呼和浩特市 PM2.5、NO2、PM10冬季貢獻(xiàn)率分別為 37.8%、29.7%和 28.8%，北京市分別為 30.3%、29.5%和27.6%。2市空氣中污染物濃度具有相似的季節(jié)變化特征，即夏季污染輕，冬季污染重。這可能和冬季采暖期煤等化石燃料燃燒有關(guān)。李明珠等[15]的研究結(jié)果表明，夏季魯東地區(qū)輸送對(duì)濟(jì)南都市圈城市的PM2.5貢獻(xiàn)最大，達(dá) 24%；冬季來(lái)自京津冀方向的傳輸增多，貢獻(xiàn)率最高可達(dá)24%，可以解釋污染物質(zhì)輸送來(lái)源。

圖3 2014—2019年北京市和呼和浩特市首要污染物季節(jié)貢獻(xiàn)Fig.3 Seasonal contribution of major pollutants from 2014 to 2019 in Beijing and Hohhot

2.4 污染物濃度年際變化特征

北京市和呼和浩特市2014—2019年空氣污染物濃度年均值見(jiàn)表2和表3。從表2和表3可以看出，2014—2019年北京市和呼和浩特市PM2.5、CO、NO2、PM10、SO25種污染物濃度年均值均呈下降趨勢(shì)。其中北京市PM10濃度年均值分別比上一年減少了13.7%、3.7%、12.8%、9.5%和-1.4%；PM2.5分別減少了5.4%、9.0%、21.5%、13.7%和5.1%；SO2分別減少了38.3%、23.5%、20.5%、23.6%和9.9%。呼和浩特市PM10濃度年均值分別比上一年減少了10.4%、10.0%、0%、16.8%和-7.0%；PM2.5分別減少了2.8%、6.0%、-6.8%、25.2%和19.0%；SO2分別減少了26.0%、17.7%、-2.1%、33.1%和17.2%。2014—2019年，北京市空氣中PM2.5濃度年均值均比呼和浩特市高，而呼和浩特市空氣中SO2濃度年均值均比北京市高。2市空氣中NO2濃度年均值變化幅度不大但均為降低趨勢(shì)。2014年2市空氣中CO濃度年均值相差相對(duì)較大，呼和浩特市高于北京市，通過(guò)近6年的治理，2市空氣中CO濃度年均值都呈下降趨勢(shì)。2市空氣中O3濃度年均值變化趨勢(shì)與其他指標(biāo)不同，其中北京市O3濃度年均值近些年保持在同一水平，而呼和浩特市O3濃度年均值由2014年的0.067 mg/m3增加到2019年的0.097 mg/m3，呈緩慢增加的趨勢(shì)。城市中O3污染主要由NOx、CO和VOCs等前體物在合適的氣象條件下反應(yīng)生成的[16]，研究表明O3與其前體物(VOCs與NOx)的敏感性關(guān)系決定了不同地區(qū)O3生成的控制型，而不同地區(qū)的前體物排放特征不同，區(qū)域源貢獻(xiàn)也有所差異[17]。2市的NO2年均濃度均有所降低，初步判斷2市屬于VOCs控制型，對(duì)VOCs有更高的敏感性，通過(guò)VOCs組分的研究表明，控制VOCs排放時(shí)應(yīng)重點(diǎn)控制含乙烯、二甲苯、三甲苯較多的污染源[18]。

表2 2014—2019年北京市空氣污染物濃度年均值比較Table 2 Comparison of annual mean mass concentration in Beijing from 2014 to 2019 mg/m3

表3 2014—2019年呼和浩特市空氣污染物濃度年均值比較Table 3 Comparison of annual mean mass concentration in Hohhot from 2014 to 2019 mg/m3

2.5 人口、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與空氣污染物濃度變化趨勢(shì)的相關(guān)性

經(jīng)濟(jì)與環(huán)境共同協(xié)調(diào)發(fā)展是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基本要求和重要途徑[19]。經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境污染之間的矛盾已經(jīng)成為近幾十年以來(lái)中國(guó)社會(huì)發(fā)展中最突出的問(wèn)題[20]。為了揭示城市人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)空氣質(zhì)量的影響，從2019年《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》[21]和2市統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)收集人口和部分經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖4），并分析了2市各經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和6種空氣污染物之間的相關(guān)性（表4和表5）。從圖4可以看出，隨著2市的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、常住人口、能源消耗總量、機(jī)動(dòng)車(chē)保有量呈逐年增加的趨勢(shì)。而長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)顯示除O3外其他各項(xiàng)空氣污染物濃度均呈持續(xù)下降趨勢(shì)，這體現(xiàn)出2市大氣污染治理的成效。從表4和表5可以看出，除O3外其他污染物濃度均與各經(jīng)濟(jì)指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，且個(gè)別污染物濃度與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到顯著相關(guān)或極顯著相關(guān)。呼和浩特市機(jī)動(dòng)車(chē)保有量與O3濃度呈極顯著相關(guān)，這和康婷婷等[22]的研究結(jié)果基本一致，控制機(jī)動(dòng)車(chē)及工業(yè)源的VOCs排放是控制O3生成的有效治理途徑，所以呼和浩特市防治O3污染可以采取車(chē)輛限行和控制機(jī)動(dòng)車(chē)保有量等措施。北京市NO2濃度與國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值呈極顯著相關(guān)，與機(jī)動(dòng)車(chē)保有量和能源消耗量呈顯著相關(guān)，PM2.5和CO濃度均與國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值和能源消耗總量呈極顯著相關(guān)，與機(jī)動(dòng)車(chē)保有量呈顯著相關(guān)；呼和浩特市PM10、SO2濃度與機(jī)動(dòng)車(chē)保有量、能源消耗總量呈極顯著相關(guān)。與其他空氣質(zhì)量指標(biāo)相比，北京市的PM2.5濃度和呼和浩特的PM10濃度與更多的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)呈顯著相關(guān)，這說(shuō)明經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中影響2市空氣質(zhì)量的關(guān)鍵因子不同，北京市以PM2.5貢獻(xiàn)為主，呼和浩特市以PM10貢獻(xiàn)為主。此外，呼和浩特市SO2濃度與多項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)呈極顯著相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)都較高，而北京市SO2濃度與各經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相關(guān)性不大，這與2市的燃料結(jié)構(gòu)有關(guān)，呼和浩特市冬季采暖期較長(zhǎng)，是北方典型的煤煙污染城市之一，因此呼和浩特在發(fā)展經(jīng)濟(jì)同時(shí)要注重燃料結(jié)構(gòu)調(diào)整，提倡清潔能源的推廣使用。如果不加以管控，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、常住人口、機(jī)動(dòng)車(chē)保有量和能源消耗量增加會(huì)導(dǎo)致大氣污染物濃度上升。

圖4 北京市和呼和浩特市國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、常住人口、能源消耗總量、機(jī)動(dòng)車(chē)保有量變化趨勢(shì)Fig.4 The change trend of GDP, resident population, total energy consumption, motor vehicle ownership of the Beijing and Hohhot

表4 2014—2019年北京市各經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與污染物濃度相關(guān)性Table 4 Correlation between economic indicators and pollutants in Beijing from 2014 to 2019

表5 2014—2019年呼和浩特市各經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與污染物濃度相關(guān)性Table 5 Correlation between economic indicators and pollutants in Hohhot from 2014 to 2019

3 討論

通過(guò)對(duì)北京市和呼和浩特市空氣環(huán)境長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，2市的首要污染物為PM2.5、PM10和O3，該結(jié)果與徐麗娜等[23]的研究結(jié)果相似。北京市和呼和浩特市的空氣污染均以顆粒物污染貢獻(xiàn)最多，應(yīng)注重源頭治理。顆粒物污染源首先為道路揚(yáng)塵/機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣混合污染源，其次分別為施工揚(yáng)塵源、燃煤源、冶煉塵/生物質(zhì)燃燒混合污染源[24]。PM2.5污染源除了主要的顆粒物排放外，還包括次級(jí)氣溶膠體 (包括 SO2、NOx、VOCs)的排放[25]，其中需注意隨著我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，尾氣排放對(duì)大氣PM2.5的污染貢獻(xiàn)率逐步增加[26]。北京市PM10和PM2.5污染主要來(lái)源于燃煤源、交通和二次源以及生物質(zhì)源的貢獻(xiàn)[27]。同時(shí)2市空氣中污染物濃度除O3外具有相似的季節(jié)變化特征，表現(xiàn)為O3濃度夏季高，冬季低，而其他污染物則相反，這與于洲等[28-30]的研究結(jié)果相似。北京市和呼和浩特市空氣中SO2濃度季節(jié)特征表現(xiàn)為冬季供暖季較高，這是由于煤炭燃燒加劇了大氣污染[31]。邱雪等[32]對(duì)西北地區(qū)PM10濃度的研究結(jié)果具有和本研究相似的季節(jié)變化特征，即冬春季較高，秋季次之，夏季最低。朱姍姍[29]對(duì)邯鄲市空氣中污染物濃度年際變化趨勢(shì)的研究結(jié)果顯示，NO2和CO年際波動(dòng)幅度不大且相似。而本研究中北京和呼和浩特2市空氣中NO2和CO濃度均呈逐年降低的趨勢(shì)，其中北京市CO濃度由2014年的 1.274 mg/m3降到2019年的0.706 mg/m3，呼和浩特市 CO濃度由 2014年的1.907 mg/m3降到2019年的1.017 mg/m3，年際變化幅度較大；2市空氣中NO2濃度的年際變化幅度較小。機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放是空氣中NO2和CO的主要貢獻(xiàn)者，據(jù)此可以推測(cè)北京市和呼和浩特市空氣中2種污染物不受同源機(jī)動(dòng)車(chē)排放影響。

20世紀(jì)50年代以來(lái)，空氣污染備受關(guān)注。大量研究[33-35]表明空氣污染物對(duì)人體健康存在不良影響。城市每日AQI的預(yù)報(bào)可以提供一些健康危害預(yù)警信息，如研究[36]發(fā)現(xiàn)，AQI過(guò)高會(huì)顯著增加哮喘疾病發(fā)病的風(fēng)險(xiǎn)。北京、呼和浩特2市空氣中PM2.5和PM10污染分別是影響2市空氣質(zhì)量的主要因素，對(duì)城市居民健康可能會(huì)造成長(zhǎng)期慢性的影響。與此同時(shí)，城市經(jīng)濟(jì)和人口的快速增長(zhǎng)導(dǎo)致了越來(lái)越多的空氣受到污染[37-38]。因此，合理解決經(jīng)濟(jì)、人口和空氣環(huán)境的矛盾對(duì)城市的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

4 結(jié)論與建議

（1）呼和浩特市空氣質(zhì)量?jī)?yōu)于北京市，同一城市不同季節(jié)的空氣質(zhì)量相差較大，首要污染物濃度在不同季節(jié)相差也較大，但2市表現(xiàn)出相似的季節(jié)變化特征：PM10、PM2.5、NO2、SO2和 CO冬季污染重，夏季污染輕；而O3夏季污染重，冬季污染輕。

（2）影響北京市空氣質(zhì)量的主要因素為PM2.5，影響呼和浩特市空氣質(zhì)量的主要因素為PM10。

（3）2014—2019年，北京市和呼和浩特市除O3濃度無(wú)顯著變化外，PM10、PM2.5、NO2、SO2和CO等污染物濃度均呈逐年下降的趨勢(shì)。

（4）從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和污染物濃度變化的相關(guān)性可以看出，城市高質(zhì)量發(fā)展越來(lái)越受到城市空氣質(zhì)量的約束，改善城市經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)在空氣污染防治中具有極大作用。

針對(duì)北京市和呼和浩特市的污染特征，建議采取以下防治措施：1）冬季污染嚴(yán)重，多是取暖、熱水供應(yīng)等化石燃料燃燒造成的，因此應(yīng)減少熱能發(fā)電，改變能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展清潔能源，從而減少燃煤燃燒等造成的空氣污染。2）相關(guān)政府部門(mén)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)涉污企業(yè)“三廢”和其他有機(jī)污染物排放的監(jiān)控。3）針對(duì)汽車(chē)尾氣污染問(wèn)題，推動(dòng)綠色環(huán)保的清潔能源汽車(chē)的投入與使用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。