北京市道路綠地消減PM2.5總量及其健康效益評估

童明坤,高吉喜,田美榮,嵇 萍（1.中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 10087；.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學(xué)研究所,江蘇 南京 1004）

北京市道路綠地消減PM2.5總量及其健康效益評估

童明坤1,2,高吉喜2*,田美榮2,嵇 萍2（1.中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100872；2.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學(xué)研究所,江蘇 南京 210042）

以交通污染嚴(yán)重的北京市建成區(qū)為研究區(qū),在前人實地觀測的基礎(chǔ)上,利用泊松回歸相對風(fēng)險度模型與環(huán)境健康價值評估方法,定量評估了北京市道路綠地消減PM2.5總量及其健康效益.結(jié)果表明：北京市建成區(qū)道路綠地年消減 PM2.5總量為1.09t；對降低人群健康風(fēng)險作用較為顯著,可減少受危害總數(shù)約3024例,其中早逝18例、呼吸系統(tǒng)疾病住院53例、心血管疾病住院25例、兒科門診324例、內(nèi)科門診761例、急性支氣管炎1134例、慢性支氣管炎264例、哮喘445例；帶來的健康經(jīng)濟效益為1.98億元.建議加強道路綠地建設(shè),豐富植被層次結(jié)構(gòu),以積極應(yīng)對城市交通空氣污染.

道路綠地；PM2.5；消減總量；健康效益；北京市

目前PM2.5已成為國內(nèi)一些大中型城市大氣的首要污染物［1］.PM2.5具有粒徑小、含有大量有毒有害物質(zhì)且在大氣中停留時間長、輸送距離遠(yuǎn)等特點［2］,可導(dǎo)致心肺病等多種疾病的發(fā)生［3-4］.研究發(fā)現(xiàn),PM2.5濃度每升高10μg/m3,全死因死亡率、心肺病死亡率和肺癌死亡率的危險性將分別增加4%、6%和8%［5］.

目前對PM2.5的研究主要集中于對PM2.5本身的研究（包括組成成分［6］、來源［7］、傳播途徑［8］、毒理特性［9］等）、對 PM2.5污染狀況與特征的研究［10］及對 PM2.5濃度模擬預(yù)測的研究［11］.植被對PM2.5具有較強的消減作用,但其消減量與健康效益方面研究較少.樹木可通過吸收［12-13］、表面吸附［14］等方式直接影響大氣中的顆粒物濃度.在局部尺度上,城市綠地內(nèi)部的顆粒物濃度比邊緣低［15］.國內(nèi)外對城市植被消減 PM10做了相關(guān)量化評估. Nowak［16］估測出美國城市植被每年吸附PM10總量為214 900t. Powe［17］估算了英國植物每年吸收 85695～596916t PM10和 7715～11215tSO2,減少死亡人數(shù) 5～7人,減少呼吸系統(tǒng)疾病入院4～6例.

機動車是 PM2.5的主要來源之一,其尾氣中PM2.5占較大比重［18］.據(jù)《2013年北京市環(huán)境狀況公報》，交通環(huán)境的PM2.5年平均濃度值高于全市平均水平 14%,污染較為嚴(yán)重.基于此,本文在歸納分析北京市道路綠地消減PM2.5功能實測成果基礎(chǔ)上,采用泊松回歸相對風(fēng)險度模型與環(huán)境健康價值評估方法,定量評估了建成區(qū)道路綠地消減 PM2.5總量及其健康效益,為北京市綠地資源建設(shè)與大氣顆粒物污染治理提供依據(jù).

1　研究方法

1.1研究區(qū)概況

北京市位于華北平原的西北部,屬典型暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候.截至 2013年末,全市常住人口 2114.8萬,其中城鎮(zhèn)常住人口 1825.1萬［19］,建成區(qū)面積 1306.5km2［20］.受地理位置和能源消費等影響,北京市空氣質(zhì)量較差,在世界衛(wèi)生組織2011年公布的全球91個國家1100個城市中空氣質(zhì)量排名第 1036位［21］.交通污染是北京市大氣污染的主要來源之一.截至 2013年末,全市城市道路里程 6295km,面積 9611hm2,機動車保有量543.7萬輛,公路旅客周轉(zhuǎn)量136億次［19］,城市道路空氣污染物排放量巨大,造成的空氣污染形勢十分嚴(yán)峻.

1.2評估方法

1.2.1道路綠地消減 PM2.5總量估算 植被對PM2.5的消減作用分為直接和間接2種方式，直接方式主要指植物葉片、枝干等暴露于大氣中的器官或某些特殊的局部結(jié)構(gòu)對PM2.5的阻滯和吸收作用，間接方式指植被對PM2.5沉降適宜環(huán)境的營造作用［22-23］.由于城市道路綠地植物是以群落形式存在的，不同類型樹木間阻滯吸附顆粒物作用差異較大［24］，因此，基于北京市道路綠地群落結(jié)構(gòu)特征和在無風(fēng)條件下的研究結(jié)果［25-26］得出北京市道路綠地年消減PM2.5總量，計算公式如下：

式中,TM為北京市建成區(qū)道路綠地年消減PM2.5總量,μg；Mi為第 i種綠地類型每天 PM2.5消減量,μg；Si為第i種綠地類型面積,m2；Hi為第i種綠地類型消減PM2.5的有效高度,m；Ci為第i種綠地類型在無風(fēng)條件下PM2.5消減值,μg/m3；D為消除PM2.5的有效時間,d；i為綠地結(jié)構(gòu)類型.

1.2.2健康效益評估 結(jié)合流行病學(xué)研究得到的污染物濃度與健康效應(yīng)之間的暴露-反應(yīng)關(guān)系,采用泊松回歸相對風(fēng)險度模型評價PM2.5濃度變化引起的各健康終端健康風(fēng)險變化量,并根據(jù)環(huán)境健康價值評估理論,將健康風(fēng)險變化量貨幣化以評估道路綠地消減 PM2.5的健康效益［27］,評估模型如下：

式中：L為道路綠地消減 PM2.5健康效益總和,萬元；Li為健康終端i對應(yīng)的健康效益,萬元；ΔEi為健康終端 i的健康風(fēng)險變化量；Lpi為健康終端 i的單位健康風(fēng)險變化對應(yīng)的價值；P為常住居民數(shù)量,萬人；β為暴露—反應(yīng)關(guān)系系數(shù)；ΔC為道路綠地消減作用引起的 PM2.5濃度變化量,μg/ （m3?d）；Ei為實際濃度下健康終端i的健康效應(yīng)；n為健康終端數(shù).

道路綠地消減作用引起的PM2.5日濃度變化量ΔC的計算參照Nowak等［14］、王蕾等［28］的研究方法,計算公式為：

式中：ΔC為道路綠地消除作用引起的PM2.5濃度變化量,μg/（m3?d）；TM為北京市建成區(qū)道路綠地年消減 PM2.5總量,μg；CA為北京市建成區(qū)面積,m2；BL為有效高度,m；D為有效時間,d.

1.3數(shù)據(jù)處理

1.3.1道路綠地不同群落類型面積 根據(jù)北京市園林綠化局統(tǒng)計信息［29］,北京市綠地面積為6.7萬hm2,其中道路綠地面積1.25萬hm2,占全部綠地的 18.66%.道路綠地組成結(jié)構(gòu)呈多樣化,包括喬木、灌木、草地、喬_灌、喬_草、灌_草與喬_灌_草共7種類型,主要以喬_灌_草為主,其次為灌_草,純灌木結(jié)構(gòu)類型面積最少（表1）.

表1　北京市道路綠地不同結(jié)構(gòu)類型面積及比例Table 1　Areas and percentages of different structure types of road green space in Beijing

1.3.2道路綠地不同結(jié)構(gòu)類型 PM2.5消減值植被對PM2.5吸收作用的大小與所處區(qū)域的氣象條件、時空特征有很大關(guān)系［30-31］.實地觀測發(fā)現(xiàn),植被對PM2.5的消除作用受PM2.5濃度變化的影響,當(dāng)大氣中 PM2.5濃度較高時,部分植被消減PM2.5作用觀測值出現(xiàn)負(fù)值現(xiàn)象［32］,但這并不與植被對細(xì)顆粒物的吸附、凈化作用產(chǎn)生矛盾,而與風(fēng)速、溫度、濕度等因素具有相關(guān)性［33］.因此,為了客觀體現(xiàn)植被對 PM2.5的消減作用,不考慮少數(shù)植被 PM2.5消減值呈負(fù)值的情況,據(jù)《2013年北京市環(huán)境狀況公報》,北京市空氣中細(xì)顆粒物（PM2.5）年平均濃度值為89.5μg/m3,參考李新宇等［25］、王月容等［26］在無風(fēng)條件下對四環(huán)道路綠地姚家園北路、六郎莊北路、藍(lán)靛廠橋南不同綠地類型進行的 PM2.5濃度檢測結(jié)果,選取PM2.5＜115μg/m3條件下道路綠地類型對PM2.5的消減效果,總結(jié)出不同道路綠地類型對 PM2.5的消減值,見表 2.考慮到郁閉度較低的單層群落結(jié)構(gòu)透氣性好、空氣對流作用強,有利于細(xì)顆粒物的擴散,因此計算出的喬木、灌木對PM2.5的消減值較大.據(jù)殷杉等［34］對上海交通綠化帶凈化大氣懸浮顆粒物效益的研究結(jié)果：郁閉度較高的多復(fù)層群落結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于郁閉度較低的單層群落結(jié)構(gòu),羅曼［35］對武漢市不同群落結(jié)構(gòu)綠地消減大氣污染物效應(yīng)研究結(jié)果：喬灌草型結(jié)構(gòu)綠地對PM2.5的消減作用最大,草坪最弱.因此分別用喬_草、灌_草的 PM2.5消減值代替喬木和灌木的PM2.5消減值,以減小計算誤差.

1.3.3道路綠地消減 PM2.5的有效時間與有效高度 由于冬季大多數(shù)綠色植物葉片已經(jīng)干枯,在自然狀態(tài)下不具有吸附PM2.5等細(xì)顆粒物的能力［36］,且降水與PM2.5成分有顯著的負(fù)相關(guān)性［37］,可有效降低PM2.5濃度,因此把春夏秋3季非降雨日數(shù)作為道路綠地消減 PM2.5的有效時間.據(jù)《2014北京統(tǒng)計年鑒》［19］,北京市春夏秋3季降雨日數(shù)為66d,則道路綠地消減PM2.5的有效時間D為207d.

表2　北京市道路綠地不同結(jié)構(gòu)類型對PM2.5的消減值Table 1　The value of PM2.5 removal of different structure types of road green space in Beijing

表3　主要健康終端的PM2.5污染暴露-反應(yīng)系數(shù)和基準(zhǔn)發(fā)生率Table 1　Concentration-response （CR） coefficients for mortality and morbidity and reference incidence rates of different health terminals used in this study

Erisman等［38］在森林植被區(qū)域按照空氣動力學(xué)梯度法估算PM2.5沉降速率時發(fā)現(xiàn)27m處的PM2.5濃度顯著高于 21m處,而該地區(qū)的森林冠層高度在20m左右.因此取不同道路綠地類型的高度加上1m作為消減PM2.5的有效高度.

1.3.4暴露-反應(yīng)系數(shù)和基準(zhǔn)發(fā)生率 綜合考慮流行病學(xué)研究現(xiàn)狀及數(shù)據(jù)的可獲取性,本研究選取4個與PM2.5污染相關(guān)的人體健康效應(yīng)終點分別為早逝、住院、門診和患病.其中,早逝包括急性死亡、呼吸系統(tǒng)疾病死亡（慢性）與心血管疾病死亡（慢性）；住院包括呼吸系統(tǒng)疾病與心血管疾病,為避免重復(fù)計算,呼吸系統(tǒng)疾病不包括急性支氣管炎、慢性支氣管炎和哮喘；門診包括兒科與內(nèi)科；患病包括急性支氣管炎、慢性支氣管炎和哮喘.依據(jù)北京市實際情況,綜合前人對中國地區(qū)PM2.5健康效益評估的研究成果提取出各健康終端暴露-反應(yīng)系數(shù),基準(zhǔn)發(fā)生率參照謝元博等［39］研究結(jié)果,見表3.

1.3.5健康終端的單位經(jīng)濟損失 目前國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的環(huán)境健康價值評估方法,主要采用支付意愿法、人力資本法和疾病成本法,評估方法不同造成結(jié)果不一.北京大學(xué)環(huán)境與經(jīng)濟研究所2010年對北京居民的支付意愿進行調(diào)查分析出其VSL（統(tǒng)計意義上的生命價值）為168萬元［43］,按照北京地區(qū)人均GDP增長率和人均可支配收入轉(zhuǎn)換后其值接近謝元博等［39］研究結(jié)果中的高損害成本.因此采用此損害成本并結(jié)合黃德生等［27］的研究結(jié)果總結(jié)出北京地區(qū)2012年不同健康終端的單位經(jīng)濟損失價值,見表5.

表4　北京地區(qū)2012年相關(guān)健康終端的單位經(jīng)濟損失價值（萬元/例）Table 1　Unit damage costs of related health terminals in Beijing area in year 2012 （ten thousand RMB/case）

2　結(jié)果與討論

2.1道路綠地消減PM2.5總量

圖1　不同類型道路綠地PM2.5消減量Fig.4　The amount of PM2.5removal of different structure types of urban road green space

計算結(jié)果表明,北京市建成區(qū)道路綠地年消減 PM2.5總量為 1.09t,日平均降低PM2.5濃度為0.37μg/m3.從不同道路綠地類型來看,喬_灌_草型綠地 PM2.5年消減量最大,為880.63kg,占總消減量的 81%；灌_草、喬木、喬_灌型綠地 PM2.5年消減量大體相當(dāng),灌木、草地、喬_草型綠地PM2.5年消減量最?。▓D 1）.這主要與不同類型道路綠地的面積與 PM2.5消減能力有關(guān).喬_灌_草型綠地面積最大,占道路綠地總面積的65.52%（表 1）,且其PM2.5消減能力也最強（圖 1）, 故PM2.5年消減量最大.灌木型綠地雖然PM2.5消減能力較強,但其面積最小,僅占道路綠地總面積的0.35%,導(dǎo)致PM2.5年消減量最小.上述說明,就消減 PM2.5而言,城市道路綠地宜以喬_灌_草型結(jié)構(gòu)為主.由圖1知,北京市道路綠地植被類型構(gòu)建較為合理.

2.2道路綠地消減PM2.5的健康風(fēng)險變化量

在運用泊松回歸模型對道路綠地消減PM2.5引起的健康風(fēng)險變化量進行評價時,為了避免重復(fù)計算,評價過程中將不同健康終點的次日影響人數(shù)減去前一日受影響人數(shù),作為逐日累積的健康受損人數(shù).計算結(jié)果顯示,道路綠地消減 PM2.5功能對北京市居民健康影響較為顯著,可減少受危害總數(shù)約3024例,其中早逝18例、呼吸系統(tǒng)疾病住院53例、心血管疾病住院25例、兒科門診324例、內(nèi)科門診761例、急性支氣管炎1134例、慢性支氣管炎264例、哮喘445例.

2.3道路綠地消減PM2.5的健康經(jīng)濟效益

根據(jù)環(huán)境健康價值評估理論,將健康風(fēng)險變化量貨幣化后得,北京市建成區(qū)道路綠地年消減PM2.5的健康效益為 1.98億元.其中,喬_灌_草型綠地消減PM2.5的健康效益最大,為1.6億元,占道路綠地總健康效益的81%,灌木型綠地效益最小, 為30.82萬元,僅占道路綠地總健康效益的0.2%.就不同類型道路綠地單位面積消減PM2.5的健康效益來看,喬_灌_草型綠地最大,草地最?。▓D 2）.目前北京市道路綠地中草地面積較大,僅次于喬_灌_草型與灌_草型綠地,占道路綠地總面積的9.21%,而灌木型與喬_草型綠地面積較小,僅占道路綠地總面積的0.35%與1.32%（表1）.因此適當(dāng)縮小草地面積,提高道路綠地層次結(jié)構(gòu),有助于降低PM2.5濃度,改善空氣質(zhì)量.

圖2　不同類型道路綠地消減PM2.5的健康效益Fig.4　The health benefits of PM2.5removal of different structure types of urban road green space

2.4討論

已有學(xué)者對北京市園林植物吸附大氣污染物及其健康效益進行了研究.Yang等［44］利用城市森林影響模型對北京城市森林進行了研究,發(fā)現(xiàn)其消減 PM10的量最大,為 772t/a；王蕾等估算了2003年北京市園林植物吸附30415～38019t PM10和3057～3821t SO2,健康效益為2.8～3.5億元［45］.由于 PM2.5粒徑小,沉降速率低,所以植被對其的消減量相對較小.本研究結(jié)果若簡單按照面積比例關(guān)系換算可得,北京市建成區(qū)綠地年消減PM2.5總量為5.8t,健康效益經(jīng)濟價值為9.5億元.這與 Nowak等［14］的研究結(jié)果相近,其估算美國10個城市植被年消減PM2.5總量為4.7～64.5t,健康效益經(jīng)濟價值為110～6010萬美元.

本文以環(huán)境經(jīng)濟學(xué)方法算出的北京市建成區(qū)道路綠地年消減PM2.5的健康效益為1.98億元,遠(yuǎn)低于北京市2013年30.62億元的綠化投資［27］,但這不足以說明綠化投資回報效益低,主要原因是：（1）本研究僅估算了北京市建成區(qū)道路綠地的健康效益,且由于評估的各項指標(biāo)難以嚴(yán)格準(zhǔn)確量化及可借鑒的相關(guān)研究成果較少,在不同類型道路綠地消減 PM2.5能力、各健康終端暴露-反應(yīng)關(guān)系與健康終端的單位經(jīng)濟損失價值的提取上相對保守；（2）城市綠地具有固碳釋氧、消減噪聲、調(diào)蓄雨水、維持生境等多種生態(tài)服務(wù)功能并具有很高的經(jīng)濟價值,例如張彪等［46-47］估算了北京市建成區(qū)綠地夏季降溫經(jīng)濟價值為6.4億元、北京市城市綠地調(diào)蓄雨水徑流功能經(jīng)濟價值為13.44億元.將類此城市綠地生態(tài)服務(wù)經(jīng)濟價值累加求和,其值將遠(yuǎn)大于城市綠化投資.

北京市 PM2.5源解析結(jié)果表明,機動車尾氣是主要的排放源之一［48］.據(jù)《2013北京區(qū)縣統(tǒng)計年鑒》,北京市民用汽車保有量巨大,保有汽車最多的是朝陽區(qū),為91.7萬輛；保有汽車最少的是延慶縣,為5.3萬輛.如此龐大的機動車數(shù)量會導(dǎo)致大量的 PM2.5排放,造成大氣嚴(yán)重污染.道路綠地有助于消減 PM2.5,為居民帶來較為顯著的健康效益,但北京各區(qū)縣道路綠地面積相差較大.通州區(qū)道路綠地較多,民用汽車較少,而民用汽車最多的朝陽區(qū),其道路面積相對不足.因此,建議北京市合理協(xié)調(diào)與加大各區(qū)縣道路綠地建設(shè)以積極應(yīng)對交通PM2.5污染.

需要說明的是,不同類型道路綠地消減PM2.5能力值的準(zhǔn)確性受觀測時間、觀測位置與氣象條件等多種因素影響,即便同一類型綠地變化也很大,所以很難嚴(yán)格準(zhǔn)確量化,在以后的研究中需要開展更多的實地觀測進行完善修正.健康效益評估方面,由于 PM2.5對健康的影響機制尚未完全清晰,本研究選用的前人研究出的暴露-反應(yīng)系數(shù)及健康終端單位經(jīng)濟損失存在不確定性因素.因此本研究存在一些誤差,今后在評估過程中需盡量采用最新的相關(guān)研究成果,以使結(jié)果更加準(zhǔn)確.

3　結(jié)論

3.1收集分析了北京市道路綠地不同結(jié)構(gòu)類型的 PM2.5消除作用值,結(jié)合北京市園林局統(tǒng)計的綠地數(shù)據(jù),運用泊松回歸模型與環(huán)境健康價值評估方法,計算出建成區(qū)道路綠地年消減 PM2.5總量為 1.09t； 對降低人群健康風(fēng)險作用較為顯著,可減少受危害總數(shù)約3024例,其中早逝18例、呼吸系統(tǒng)疾病住院 53例、心血管疾病住院 25例、兒科門診324例、內(nèi)科門診761例、急性支氣管炎1134例、慢性支氣管炎264例、哮喘445例；帶來的健康效益為1.98億元.

3.2北京市建成區(qū)道路綠地不同類型年消減PM2.5總量與健康效益差異較大,主要與綠地面積和組成結(jié)構(gòu)有關(guān).喬_灌_草型綠地消減 PM2.5能力最強且面積最大,故其在道路綠地消減PM2.5功能上發(fā)揮著主要作用.建議城市道路綠地建設(shè)宜以喬_灌_草型綠地為主,注重豐富綠地層次結(jié)構(gòu).

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Subduction of PM2.5by road green space in Beijing and its health benefit evaluation.

TONG Ming-kun1,2, GAO Ji-xi2*, TIAN Mei-rong2, JI Ping2（1.School of Environmental and Natural Resources, Renmin University of China, Beijing 100872, China；2.Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China）.

China Environmental Science, 2015,35（9）：2861～2867

Taking Beijing urban area with serious traffic pollution as a case study and based on prior field observation, we estimate the total amount of PM2.5removed annually by road green space and its health benefits by using the poisson regression model and environmental health evaluation method. The results showed that the road green space in Beijing urban area remove 1.09 tons PM2.5annually, which reduced the population health risk significantly, he road green space reduced the total number of 3024 cases of harmful diseases, including 18 cases of premature deaths, 53 and 25 cases of hospital admissions for respiratory and cardiovascular diseases, 324 and 761 cases of pediatric and internal outpatients respectively, 1134 and 264 cases of acute bronchitis and chronic bronchitis, 445 cases of asthma respectively. Consequently, it obtains economic benefit of 198 million Yuan for health-related economic benefits. Thus, we suggest strengthening the construction of road green space and enriching vegetation hierarchy to cope with urban traffic air pollution actively.

road green space；PM2.5；reduction amount；health benefit；Beijing

X503.1

A

1000-6923（2015）09-2861-07

2015-02-05

環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項（201409055）

*責(zé)任作者, 研究員, gaojx168@163.com

童明坤（1989-）,男,河南信陽人,中國人民大學(xué)碩士研究生,主要從事區(qū)域生態(tài)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)經(jīng)濟研究.發(fā)表論文2篇.