空氣污染與呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率的關(guān)系分析

汪 鋒，劉 辛

(重慶大學(xué) 經(jīng)濟與工商管理學(xué)院，重慶 400044)

中國的城市化和工業(yè)化進(jìn)程不可避免地伴隨著環(huán)境污染。目前中國許多城市正在遭受嚴(yán)重的霧霾污染。國家生態(tài)環(huán)境部通報2018年全國338個城市中有262個PM2.5平均濃度超標(biāo)，空氣質(zhì)量超標(biāo)天數(shù)比例高達(dá)21%?？諝赓|(zhì)量的下降對居民健康和生活質(zhì)量造成嚴(yán)重威脅，世界衛(wèi)生組織估計2016年的空氣污染導(dǎo)致全世界420萬人過早死亡[1]。大量醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)認(rèn)為空氣污染不僅會直接導(dǎo)致癌癥、心血管疾病和呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)病率升高，而且與人口死亡率升高直接相關(guān)[2-9]。中國嚴(yán)重的空氣污染引起了國內(nèi)學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，基于中國數(shù)據(jù)研究空氣污染健康風(fēng)險的實證研究也日益豐富[10-14]。

中國政府高度關(guān)注空氣污染治理問題，2018年8月全國人大修訂了《中華人民共和國大氣污染防治法》，國務(wù)院分別于2018年和2013年發(fā)布了《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》和《大氣污染防治行動計劃》，并在全國范圍內(nèi)建設(shè)“國家環(huán)境空氣質(zhì)量檢測網(wǎng)”，能夠?qū)崟r監(jiān)測和預(yù)報各城市的空氣質(zhì)量?；诙嗄攴e累的城市空氣污染監(jiān)測數(shù)據(jù)，筆者使用2013年1月至2018年12月重慶市某醫(yī)院54 337個呼吸系統(tǒng)疾病確診病例的微觀數(shù)據(jù)，通過假設(shè)該醫(yī)院服務(wù)社區(qū)的人口規(guī)模在短期內(nèi)沒有顯著的變化，使用多種呼吸系統(tǒng)疾病確診量作為呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率的代理變量，與中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部公布的城市空氣質(zhì)量月度報告中的重慶各類空氣污染物的月度濃度指標(biāo)進(jìn)行匹配，定量分析城市空氣質(zhì)量與各類呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率之間的統(tǒng)計關(guān)系。

本文的研究一方面提供了最新的基于中國西部特大城市重慶市空氣污染暴露健康風(fēng)險的實證證據(jù)；另一方面，由于“國家環(huán)境空氣質(zhì)量檢測網(wǎng)”提供了不同種類空氣污染物濃度的詳細(xì)數(shù)據(jù)，因此能夠細(xì)致地評估不同種類空氣污染物帶來的負(fù)外部性和社會福利損失，為有針對性地制定環(huán)境政策和公共衛(wèi)生政策提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)信息。

1 數(shù)據(jù)與樣本

1.1 呼吸系統(tǒng)疾病確診病例微觀數(shù)據(jù)

本文中使用的呼吸系統(tǒng)疾病微觀數(shù)據(jù)來源于重慶市某醫(yī)院2013年1月至2018年12月確診的呼吸系統(tǒng)疾病確診病例，包括支氣管哮喘、慢性支氣管炎、上呼吸系統(tǒng)感染、社區(qū)獲得性肺炎、細(xì)菌性肺炎、肺氣腫、慢性阻塞性肺疾病、肺惡性腫瘤。此外，作為一個對照組，非呼吸系統(tǒng)疾病急性心肌梗死疾病確診病例也納入了實證研究的微觀數(shù)據(jù)之中。

所獲取呼吸系統(tǒng)疾病微觀數(shù)據(jù)的醫(yī)院為重慶市主城區(qū)區(qū)域性中心醫(yī)院，6年的觀測樣本期間內(nèi)獲得了該醫(yī)院45 380個被調(diào)查種類疾病確診病例的詳細(xì)資料。重慶市2013年至2018年年均常住人口增長率為0.87%，增長較為緩慢，因此假設(shè)該醫(yī)院服務(wù)社區(qū)的人口規(guī)模在樣本期內(nèi)沒有顯著的變化，使用某類呼吸系統(tǒng)疾病確診量作為該呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率的代理變量。由于該醫(yī)院信息系統(tǒng)的限制，部分時間段內(nèi)的呼吸系統(tǒng)疾病確診病例資料無法獲取。所使用的呼吸系統(tǒng)疾病確診病例時間分布如表1所示。

表1 重慶市某醫(yī)院呼吸系統(tǒng)疾病確診病例數(shù)(2013—2018)

續(xù)表1

1.2 空氣污染觀測數(shù)據(jù)

隨著城市霧霾污染在中國引起公眾的高度關(guān)注，中國政府推出了新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)、《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 663—2013)，從2013年起將大氣中的細(xì)顆粒物(PM2.5)質(zhì)量濃度(μg/m3)、可吸入顆粒物(PM10)質(zhì)量濃度(μg/m3)、二氧化硫(SO2)質(zhì)量濃度(μg/m3)、二氧化氮(NO2)質(zhì)量濃度(μg/m3)、一氧化碳日均值第95百分位(CO-95per)質(zhì)量濃度(mg/m3)、臭氧日最大8小時第90百分位(O3-8H-90per)質(zhì)量濃度(μg/m3)納入日常大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測范圍，并測算城市環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)。

中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部通過其官方網(wǎng)站(http:∥www.mee.gov.cn/)提供了全國各城市的“全國空氣質(zhì)量實時發(fā)布”“城市空氣質(zhì)量狀況月報”等官方權(quán)威空氣質(zhì)量地面監(jiān)測數(shù)據(jù)。這一數(shù)據(jù)來源于中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部下屬的中國環(huán)境監(jiān)測總站在全國范圍內(nèi)建設(shè)的“國家環(huán)境空氣質(zhì)量檢測網(wǎng)”，包括全國338個地級以上城市(含地、州、盟所在城市)設(shè)置的監(jiān)測點位1 436個(其中含135個清潔對照點)。

2014年12月以后“城市空氣質(zhì)量狀況月報”報告了各大城市PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3月均濃度數(shù)據(jù)，2014年12月之前雖然沒有具體空氣污染物的月均濃度數(shù)據(jù)，但報告了各大城市的環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)，可以視為空氣污染程度的綜合觀測變量。環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)是描述城市環(huán)境空氣質(zhì)量綜合狀況的無量綱指數(shù)，它綜合考慮了SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3六項空氣污染物的污染程度，環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)數(shù)值越大表明綜合污染程度越重。其計算方法為首先計算各空氣污染物的單項指數(shù)，計算公式為

(1)

式中：Ci為污染物i的濃度值，Si為污染物i的日均值大氣環(huán)境二級標(biāo)準(zhǔn)。

將上述六項空氣污染物的單項指標(biāo)進(jìn)行加總即可得到環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)

(2)

式中：Isum為環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)，Ii污染物i的單項指數(shù)，i包括全部六項空氣污染物指標(biāo)，即SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO和O3。

與目前在中國霧霾問題研究中被大量使用的衛(wèi)星空間觀測數(shù)據(jù)[15]相比，中國環(huán)境監(jiān)測總站地面監(jiān)測數(shù)據(jù)具有兩大優(yōu)勢：第一，地面監(jiān)測數(shù)據(jù)可以獲得不同類型空氣污染物的觀測數(shù)據(jù)，從而獲得空氣污染物結(jié)構(gòu)變化，及其與特定呼吸系統(tǒng)疾病關(guān)系的信息；第二，目前公布和使用的衛(wèi)星空間觀測數(shù)據(jù)存在一定的時滯，無法獲得最新的城市空氣質(zhì)量情況。

使用2013年至2018年“城市空氣質(zhì)量狀況月報”中的重慶市空氣質(zhì)量月度環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)和2014年12月至2018年12月重慶市PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3月均濃度數(shù)據(jù)來衡量重慶市的空氣質(zhì)量情況。文中所使用的重慶市某醫(yī)院呼吸系統(tǒng)疾病月度確診量數(shù)據(jù)和城市空氣質(zhì)量月度數(shù)據(jù)的變量定義及其描述性統(tǒng)計如表2所示。

表2 變量描述性統(tǒng)計

2 實證分析

為了準(zhǔn)確地評估各類空氣污染物與呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率之間的關(guān)系，實證分析分為兩步。第一步使用統(tǒng)計學(xué)相關(guān)性分析，尋找變量之間的統(tǒng)計學(xué)規(guī)律；第二步根據(jù)呼吸系統(tǒng)疾病確診量的數(shù)據(jù)特征，使用計數(shù)數(shù)據(jù)泊松回歸模型定量衡量城市空氣污染對呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率的影響。

2.1 相關(guān)性分析

樣本相關(guān)系數(shù)是最為常用的衡量2個變量之間線性相關(guān)程度的統(tǒng)計指標(biāo)，如式(3)所示。

(3)

式中：分子為X和Y之間的樣本協(xié)方差，分母為變量X和Y各自的標(biāo)準(zhǔn)差的乘積。使用相關(guān)性分析對各類呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率與空氣污染物濃度的實證結(jié)果如表3所示。

表3 空氣污染與呼吸系統(tǒng)疾病確診量的相關(guān)系數(shù)

續(xù)表3

從表3可以發(fā)現(xiàn)，空氣污染物濃度與多種呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率存在顯著的正相關(guān)關(guān)系?？諝馕廴炯又貢r，不僅各類急性呼吸系統(tǒng)疾病確診量會增加，慢性呼吸系統(tǒng)疾病就醫(yī)確診的數(shù)量也會增加，空氣污染是呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)生或病情加重的重要誘因。

具體而言，支氣管哮喘、慢性支氣管炎、社區(qū)獲得性肺炎、細(xì)菌性肺炎、肺氣腫、慢性阻塞性肺疾病、肺惡性腫瘤病患者確診量在空氣污染加重的月份會增加。但上呼吸系統(tǒng)感染和作為對照組的急性心肌梗死在所研究的時間段和樣本中，與空氣污染之間不存在統(tǒng)計意義上的相關(guān)關(guān)系。

臭氧污染主要由人為排放的氮氧化物和揮發(fā)性有機物在高溫、日照充足、空氣干燥條件下轉(zhuǎn)化形成。從重慶市的月度空氣污染數(shù)據(jù)來看，臭氧日最大8小時第90百分位濃度(O3-8H-90per)與其他空氣污染物月均濃度之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與各類呼吸系統(tǒng)疾病確診量也存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此不構(gòu)成呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病的誘因。

2.2 回歸分析

呼吸系統(tǒng)疾病確診量是典型的計數(shù)數(shù)據(jù)(count type)，只能取非負(fù)整數(shù)，為了對這類數(shù)據(jù)建模，采用考慮計數(shù)數(shù)據(jù)特性的泊松概率分布(Poisson probability distribution)，構(gòu)建泊松回歸模型(Poisson regression model, PRM)進(jìn)行估計。

泊松回歸模型對空氣污染與呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率之間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，具體的模型形式為

yt=E(yt)+ut=λt+ut，

(4)

其中，

λt=E(yt|Xt)=eBX=eβ0+β1pollutiont+β2tempt+β3sunt，

(5)

(6)

式中：被解釋變量yt為所調(diào)查醫(yī)院某類呼吸系統(tǒng)疾病月度確診數(shù)量；λt為泊松分布的參數(shù)被解釋變量yt的條件均值；X為決定λt的解釋變量向量，假設(shè)與呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率相關(guān)的因素包括空氣污染程度pollutiont，以及氣候因素控制變量月平均氣溫tempt和日照時數(shù)sunt?？刂谱兞吭缕骄鶜鉁睾腿照諘r數(shù)的數(shù)據(jù)來源于歷年《重慶市統(tǒng)計年鑒》和中國氣象局主辦的中國天氣網(wǎng)(www.weather.com.cn)。根據(jù)相關(guān)系性分析的結(jié)果，回歸分析中不包括上呼吸系統(tǒng)感染、急性心肌梗死兩類與空氣污染在月度數(shù)據(jù)中不相關(guān)的疾病，同時不使用空氣污染中的臭氧日最大8小時第90百分位濃度數(shù)據(jù)。

上述泊松回歸模型的參數(shù)為非線性，可以通過極大似然估計方法(maximum likelihood estimate, MLE)對該非線性回歸模型進(jìn)行估計。重慶市PM2.5月均濃度對呼吸系統(tǒng)疾病確診量影響的估計結(jié)果如表4所示。

表4使用計數(shù)數(shù)據(jù)泊松回歸模型的極大似然估計結(jié)果表明，PM2.5月均質(zhì)量濃度增加1 μg/m3，當(dāng)月支氣管哮喘平均確診病例數(shù)量將提高約1.1%，慢性支氣管炎平均確診病例數(shù)量將提高約0.8%，上呼吸系統(tǒng)感染平均確診病例數(shù)量將提高約0.2%，社區(qū)獲得性肺炎平均確診病例數(shù)量將提高約0.7%，肺氣腫平均確診病例數(shù)量將提高約0.5%，慢性阻塞性肺疾病平均確診病例數(shù)量將提高約1%。上述實證結(jié)論表明PM2.5污染是呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病的重要誘因，帶來較大的公共衛(wèi)生風(fēng)險。但在所考察的樣本區(qū)間，PM2.5污染與細(xì)菌性肺炎、肺惡性腫瘤平均確診數(shù)量與無關(guān)。除了肺惡性腫瘤以外，表4中的似然比例統(tǒng)計量在所有的回歸結(jié)果中概率值均很低，表明模型中的解釋變量能夠很好的解釋被解釋變量各類呼吸系統(tǒng)疾病確診量的變化。

表4 PM2.5月均濃度對呼吸系統(tǒng)疾病確診量影響的極大似然估計結(jié)果

表5報告了本文中涉及的所有空氣污染物對呼吸系統(tǒng)疾病確診量泊松回歸模型的極大似然估計系數(shù)，以及系數(shù)等于零的概率值，在估計過程中使用了氣候因素控制變量月平均氣溫tempt和日照時數(shù)sunt。從表5的估計結(jié)果來看，PM2.5、PM10、SO2、CO污染以及空氣污染綜合指數(shù)與支氣管哮喘、慢性支氣管炎、上呼吸系統(tǒng)感染、社區(qū)獲得性肺炎、肺氣腫和慢性阻塞性肺疾病確診量之間的極大似然估計系數(shù)為正，且顯著的異于0，表明空氣污染增加會帶來上述呼吸系統(tǒng)疾病的確診量的增加。NO2污染與社區(qū)獲得性肺炎、細(xì)菌性肺炎和肺惡性腫瘤以外的其他呼吸系統(tǒng)疾病確診量之間也存在上述關(guān)系。雖然細(xì)菌性肺炎確診量與單獨某項空氣污染物月均濃度無關(guān)，但月度空氣污染綜合指數(shù)能夠解釋細(xì)菌性肺炎確診量的變化，表明空氣污染是細(xì)菌性肺炎的致病原因之一。與上述研究結(jié)論不同，表3顯示上呼吸系統(tǒng)感染與各種空氣污染物濃度之間不存在相關(guān)關(guān)系，但表5的泊松回歸模型極大似然估計結(jié)果表明空氣污染暴露將增加罹患上呼吸系統(tǒng)感染的風(fēng)險。表3顯示肺惡性腫瘤確診量與各種空氣污染物濃度之間存在正相關(guān)關(guān)系，但表5的泊松回歸模型極大似然估計結(jié)果表明空氣污染暴露與罹患肺惡性腫瘤的風(fēng)險無關(guān)。

表5 空氣污染對呼吸系統(tǒng)疾病確診量的極大似然估計結(jié)果

續(xù)表5

續(xù)表5

3 結(jié) 論

定量評估了空氣污染與各類呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率之間統(tǒng)計關(guān)系，得到的主要結(jié)論如下：

1)空氣污染是呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病的重要誘因之一，PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO污染以及空氣污染綜合指數(shù)與支氣管哮喘、慢性支氣管炎、上呼吸系統(tǒng)感染、肺炎、肺氣腫和慢性阻塞性肺疾病之間存在明確的統(tǒng)計相關(guān)性，空氣污染加重會顯著地增加罹患上述呼吸系統(tǒng)疾病的可能性。

2)肺惡性腫瘤、急性心肌梗死兩種疾病與各類空氣污染濃度之間不存在統(tǒng)計意義上的聯(lián)系，在本文的研究樣本區(qū)間內(nèi)，空氣污染不會增加上述兩種疾病的確診病例數(shù)量。

3)以PM2.5為例，重慶市PM2.5月均質(zhì)量濃度增加1 μg/m3，支氣管哮喘、慢性支氣管炎、上呼吸系統(tǒng)感染、社區(qū)獲得性肺炎、肺氣腫、慢性阻塞性肺疾病平均確診病例數(shù)量將提高約0.2%～1.1%。

基于重慶市某醫(yī)院四萬五千多個呼吸系統(tǒng)疾病確診病例微觀數(shù)據(jù)的實證研究表明空氣污染與罹患呼吸系統(tǒng)疾病的風(fēng)險高度相關(guān)，考慮到中國2018年全年高達(dá)6萬億的醫(yī)療衛(wèi)生費用支出，大力治理空氣污染，降低空氣中的污染物濃度將減少大量的呼吸系統(tǒng)疾病治療費用支出，帶來顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。