江蘇省大氣污染物健康風(fēng)險評價

段培法，孫 雪，張 璇，劉子賀，張慶池，楊 瑩

(徐州市氣象局, 江蘇 徐州 221000)

引 言

大氣污染是全球普遍面臨的城市環(huán)境問題，在我國長江三角洲、珠江三角洲和京津冀等地區(qū)尤其嚴重。大氣污染能導(dǎo)致一系列的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，危害人體健康[1]。大氣污染的分布特征受多重因素的影響，其中，氣象條件是影響大氣污染物濃度變化的一個重要因素。氣象條件變化制約著污染物在大氣中的稀釋、擴散和轉(zhuǎn)移。研究表明，很多突發(fā)性的大氣污染現(xiàn)象與不利于污染物的擴散的氣象條件密切相關(guān)[2-4]。近年來，大氣污染愈演愈烈，嚴重威脅到人的身體健康和正常生活。大量環(huán)境流行病學(xué)研究表明，暴露人群患呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)疾病和早死率提高等多種疾病與長期暴露于大氣污染下有密切關(guān)聯(lián)[5-7]。同時，對人體健康的負作用隨著污染物質(zhì)量濃度的升高而更為顯著[8-9]。因此，大氣環(huán)境問題越來越受到政府及相關(guān)部門的關(guān)注。

環(huán)境健康風(fēng)險評價是以風(fēng)險度作為健康評價指標，將環(huán)境污染與人體健康聯(lián)系起來，定量描述暴露人群在被污染的環(huán)境中持續(xù)暴露時所受到危害的風(fēng)險[10]。目前環(huán)境健康風(fēng)險評價模型已被廣泛應(yīng)用于大氣污染、水污染和土壤污染評價中。自20世紀90年代以來，美國國家環(huán)境保護局(U.S.Environmental Protection Agency, USEPA)對環(huán)境污染及其對人體健康損害所涉及的研究方法進行了總結(jié)，制定并頒布了《美國暴露參數(shù)手冊》《暴露評估指南》等相關(guān)規(guī)范。英國、澳大利亞、愛爾蘭、荷蘭等國家結(jié)合本國的實際情況制定并頒布了相應(yīng)的規(guī)范手冊[11]。由于我國的暴露參數(shù)數(shù)據(jù)獲取有限，在環(huán)境健康風(fēng)險評價過程中多參考國外的暴露參數(shù)[12-14]。胡子梅等學(xué)者使用健康風(fēng)險評價模型研究上海市PM2.5對人體造成的健康風(fēng)險評價，結(jié)果表明[15]，健康風(fēng)險評價模型對于研究大氣污染對人群健康風(fēng)險具有十分重要的意義。

本研究利用美國國家環(huán)境保護局非致癌物健康風(fēng)險評估模型，從4個不同年齡段(<6歲，6～17歲，18～60歲，>60歲)分析江蘇省13個地級市2013至2017年不同地區(qū)、季節(jié)、年份，以及不同年齡和性別的SO2和NO2的健康風(fēng)險值。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

污染物濃度數(shù)據(jù)(SO2、NO2)來自國家環(huán)境監(jiān)測總站，研究時間段為2013年1月1日至2017年12月31日。污染物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)為24 h日平均值和逐時濃度值。

1.2 研究區(qū)概況

本研究選取江蘇省13個地級市110個國控監(jiān)測點，并根據(jù)《江蘇省統(tǒng)計年鑒(2017)》中各城市的常住人口、工業(yè)發(fā)展、城市化水平、環(huán)境保護、交通運輸、車輛保有量、生產(chǎn)總值和土地面積8個指標，將江蘇省分為4個不同城市類型(發(fā)達地區(qū)、重工業(yè)地區(qū)、沿海地區(qū)、內(nèi)陸地區(qū))，以探討大氣污染物對人體健康影響的空間分布差異(圖1)。

圖1 江蘇省不同區(qū)域類型分布圖

1.3 非致癌物的健康風(fēng)險模型

國際癌癥研究機構(gòu)和USEPA將污染物分為致癌物和非致癌物。其中作為非致癌物的SO2、NO2，通過呼吸系統(tǒng)進入人體的日暴露劑量，可通過公式(1)計算得到(由于不能定量地確定顆粒物中所含有機物(如多環(huán)芳烴)及其攜帶的重金屬砷和鉻等致癌性物質(zhì)的具體成分和含量[16]，在此不予討論):

(1)

其中，ADD為經(jīng)過呼吸道暴露污染物的劑量,C為環(huán)境中污染物質(zhì)量濃度(mg/m3),IR為呼吸速率(m3/a),EF為暴露頻率(d/a),ED為持續(xù)暴露時間(a),BW為體重(kg),ATF為平均暴露時間(d)。

其所造成的健康風(fēng)險值，可通過公式(2)進行計算：

Rij=(ADD×10-6)/(RfDij×70)

(2)

Rij為非致癌性污染物i暴露途徑j(luò)所引起的健康風(fēng)險(1/a),10-6為非致癌性污染物i的可接受風(fēng)險水平,ADD為非致癌性污染物i的日平均攝入劑量(mg/(kg·d)),RfDij為非致癌性污染物i的參考劑量(mg/(kg·d)),70為人類平均壽命。

1.4 健康風(fēng)險模型參數(shù)確定

基于暴露人群年齡、體重和呼吸速率的不同(參照中國人群暴露參數(shù)手冊和國家體育總局公布的國民體質(zhì)監(jiān)測公報中的平均值)，相應(yīng)其暴露水平和健康風(fēng)險水平也不相同。因而，在本研究中，將暴露人群按照年齡分為4組，并在各年齡組中按照性別再分為2組(見表1)。

表1 適合我國居民特點的呼吸速率(平均值)[17-20]

各種污染物的健康風(fēng)險需要一個衡量標準。USEPA推薦的最大可接受水平為1×10-4/a，而瑞典環(huán)境保護局、荷蘭建設(shè)和環(huán)境部推薦的最大可接受水平為1×10-6/a，由于后者更為嚴格，故本研究選取后者作為健康風(fēng)險評判的依據(jù)[21]。非致癌物暴露參考計量值依據(jù)USEPA公布的數(shù)據(jù)，SO2的RfD(吸入途徑)為0.023 mg/(kg·d)，NO2的RfD(吸入途徑)為0.029 mg/(kg·d)。

2 結(jié)果與討論

2.1 健康風(fēng)險的時間變化

2.1.1 健康風(fēng)險的年際變化

統(tǒng)計結(jié)果(表2)表明，江蘇省SO2和NO2污染下的健康風(fēng)險值在2013-2017年各個年齡段的暴露人群均有不同程度下降。江蘇省SO2健康風(fēng)險值的年際變化趨勢為逐年遞減，NO2的健康風(fēng)險變化為前4年逐年遞減，在2016-2017年急劇上升，這是因為江蘇省2017年NO2質(zhì)量濃度急劇增加，導(dǎo)致2017年暴露人群的健康風(fēng)險值相應(yīng)增加。研究區(qū)域在5年的研究期間內(nèi)，SO2和NO2的健康風(fēng)險值均未超過國際健康組織推薦的最大可接受風(fēng)險水平(1×10-6/a)。其中，在2013-2017年的變化趨勢中，江蘇省NO2污染下的健康風(fēng)險逐漸高于SO2污染下的健康風(fēng)險，風(fēng)險值差距逐年增加，因此，相對于SO2，政府應(yīng)該更加關(guān)注NO2的污染變化。

表2 2013-2017年江蘇省SO2和NO2的健康風(fēng)險 10-9/a

由SO2在2013-2017年江蘇省各區(qū)域健康風(fēng)險的變化趨勢(圖2)可看出，SO2的健康風(fēng)險值5年間各監(jiān)測站均有不同程度的降低。其中降低幅度最大的是北部重工業(yè)地區(qū)徐州市淮塔監(jiān)測站，其健康風(fēng)險值由2013年的8.29×10-9/a降低至2017年的2.81×10-9/a，該城市各監(jiān)測點的SO2健康風(fēng)險值在5年的研究期間內(nèi)平均降低4.01×10-9/a。主要原因是該地區(qū)隸屬蘇北重工業(yè)地區(qū)，大氣中SO2污染的基數(shù)大，自江蘇省加強環(huán)境管控力度后，SO2質(zhì)量濃度顯著降低，因而SO2污染下的健康風(fēng)險值降低最多。值得注意的是，該地區(qū)健康風(fēng)險值降低幅度最大僅表明其SO2污染改善情況最好，不等于其健康威脅最小。5年研究期間發(fā)現(xiàn)，江蘇省沿海地區(qū)的健康風(fēng)險威脅最小，健康風(fēng)險值低至1.84×10-9/a。

圖2 2013-2017年江蘇省SO2健康風(fēng)險值變化特征

圖3所示的是NO2在2013-2017年江蘇省各區(qū)域健康風(fēng)險的變化趨勢。由圖3可看出，2013-2016年NO2的健康風(fēng)險值在各監(jiān)測點均有不同程度的降低，2017年健康風(fēng)險值升高。其中降低幅度最大的是南部發(fā)達地區(qū)的蘇州市南門監(jiān)測站，其健康風(fēng)險值由2013年的9.50×10-9/a降低至2017年的6.97×10-9/a，與2013年相比，健康威脅降低了27%。究其原因，該地區(qū)隸屬南部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，人口密集，機動車保有量位居全省之首，汽車尾氣排放量顯著高于其他地區(qū)的，大氣NO2污染的基數(shù)大。自江蘇省加強環(huán)境管控力度后，各地區(qū)積極響應(yīng)政府號召，加強車輛出行管理，倡導(dǎo)節(jié)能減排、綠色出行，NO2質(zhì)量濃度顯著降低，因而其在NO2污染下的健康風(fēng)險值降低幅度最大。

圖3 2013-2017年江蘇省NO2健康風(fēng)險值變化特征

研究區(qū)域各監(jiān)測點在5年的研究期內(nèi)，其SO2和NO2的健康風(fēng)險值均未超過生態(tài)環(huán)境部提供的最大可接受水平(1×10-6/a)。

2.1.2 健康風(fēng)險的年內(nèi)變化

圖4展示了江蘇省SO2和NO2在連續(xù)一年的健康風(fēng)險變化。NO2的健康風(fēng)險威脅始終高于SO2的健康風(fēng)險威脅。從變化范圍看，SO2的健康風(fēng)險值浮動范圍相對較小，為1.02×10-9/a～6.13×10-9/a；NO2的健康風(fēng)險值浮動范圍相對較大，為2.32×10-9/a～18.26×10-9/a。NO2健康風(fēng)險值顯著高于SO2的健康風(fēng)險值，二者均呈現(xiàn)出9月低12月高的趨勢。在研究期間內(nèi)，SO2和NO2的逐日健康風(fēng)險值均未超過最大可接受水平(5×10-5/a)，也未超過國際健康組織推薦的最大可接受風(fēng)險水平(1×10-6/a)。

圖4 江蘇省SO2和NO2健康風(fēng)險值年內(nèi)變化圖

江蘇省SO2和NO2的健康風(fēng)險呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)分布特征。各季節(jié)健康風(fēng)險水平如表3所示。青壯年人(18～60歲)SO2和NO2春季健康風(fēng)險值分別約為4.26×10-9/a和5.39×10-9/a，夏季健康風(fēng)險值分別約為2.94×10-9/a和3.33×10-9/a，秋季健康風(fēng)險值分別約為3.20×10-9/a和4.89×10-9/a，冬季健康風(fēng)險值分別約為3.88×10-9/a和6.51×10-9/a。不同年齡段人群在各季節(jié)NO2污染下的健康風(fēng)險值均高于SO2污染下的健康風(fēng)險值，兩者在季節(jié)上均呈現(xiàn)出冬春季健康威脅高，夏秋季健康威脅低的分布特點。

表3 不同季節(jié)下各年齡段SO2和NO2的健康風(fēng)險值 10-9/a

圖5是江蘇省SO2和NO2污染下的健康風(fēng)險值在夏季和冬季的對比。夏季研究區(qū)域各監(jiān)測點的健康風(fēng)險值普遍較低，冬季研究區(qū)域各監(jiān)測點的健康風(fēng)險值普遍較高，其中北部重工業(yè)地區(qū)冬季的SO2和NO2健康威脅都較高，這主要是北部地區(qū)冬季燃煤向大氣中排放更多的氣態(tài)污染物，導(dǎo)致SO2和NO2污染嚴重，對暴露人群的健康威脅相應(yīng)增加。與SO2健康風(fēng)險分布不同的一點是,江蘇南部的發(fā)達地區(qū)NO2的健康威脅更高，這可能是由于南部發(fā)達地區(qū)冬季人為活動較多，機動車尾氣排放對NO2的貢獻率更高，加劇了該地區(qū)NO2的污染狀況，導(dǎo)致該區(qū)域健康風(fēng)險值較高。

圖5 冬季和夏季SO2和NO2污染下的健康風(fēng)險值對比

在整個研究期間內(nèi)，SO2和NO2各季節(jié)健康風(fēng)險值均未超過國際健康組織推薦的最大可接受風(fēng)險水平(1×10-6/a)。

2.2 健康風(fēng)險的空間變化

根據(jù)非致癌物健康風(fēng)險評價模型，將計算得到的江蘇省2013-2017年SO2和NO2健康風(fēng)險值進行克里金插值，得到SO2和NO2健康風(fēng)險的省級分布圖。在整個研究空間內(nèi)，SO2和NO2的健康風(fēng)險變化規(guī)律同其質(zhì)量濃度變化規(guī)律一致，污染物質(zhì)量濃度較高的地區(qū)，相應(yīng)的SO2和NO2的健康風(fēng)險值也高。另外，NO2健康風(fēng)險值整體分布高于SO2的健康風(fēng)險值(圖6)。江蘇省大氣污染源排放量信息分析結(jié)果表明[22]，NOx排放總量約是SO2排放總量的1.4倍。以上分析表明，NO2污染狀態(tài)下比SO2污染狀態(tài)下對暴露人群的健康危害更大。

圖6 江蘇省大氣污染物SO2和NO2質(zhì)量濃度及健康風(fēng)險空間分布

SO2的健康風(fēng)險和質(zhì)量濃度空間分布規(guī)律為北部重工業(yè)地區(qū)的>中部內(nèi)陸地區(qū)的>南部發(fā)達地區(qū)的>東部沿海地區(qū)的。由于大氣中SO2來源很廣，各地區(qū)工業(yè)企業(yè)、公司均會產(chǎn)生，因而在整個研究區(qū)域內(nèi)SO2的濃度變化幅度較小。另外，化石燃料的燃燒、有色金屬的冶煉及汽車尾氣的排放，對SO2質(zhì)量濃度升高具有較高的貢獻率。江蘇北部的重工業(yè)地區(qū)，大力發(fā)展工業(yè)，向大氣中排放的氣態(tài)污染物SO2相對更多。與SO2不同，NO2的健康風(fēng)險空間分布規(guī)律體現(xiàn)出南部發(fā)達地區(qū)的>中部內(nèi)陸地區(qū)的>北部重工業(yè)地區(qū)的>東部沿海地區(qū)的。相關(guān)研究表明[23-25],大氣中NO2的來源中本地交通源約占總來源的49%，本地工業(yè)污染源約占29%。而與NO2污染來源不同，通過對SO2源的解析發(fā)現(xiàn)，本地工業(yè)污染源占總來源的52%，本地交通源約占18%，這也很好地解釋了SO2和NO2質(zhì)量濃度和健康風(fēng)險值在空間上的差異。蘇北重工業(yè)地區(qū)的重工業(yè)企業(yè)較多，工廠排放廢氣對氣態(tài)污染物SO2貢獻率較高。相關(guān)研究表明[22],該地區(qū)的車輛保有量較少，對氣態(tài)污染物NO2的貢獻率相對較低。與之相反，南部發(fā)達地區(qū)車輛保有量占全省之首，是其他地區(qū)的2.3～3.5倍，汽車尾氣排放對NO2的貢獻率更高，發(fā)達地區(qū)的NO2健康風(fēng)險值也更高。

2013-2017年江蘇省SO2和NO2的健康風(fēng)險值統(tǒng)計結(jié)果(表4)可以看出，研究區(qū)域SO2和NO2的健康風(fēng)險值均未超過國際健康組織推薦的最大可接受水平(1×10-6/a)。在各年齡組中，江蘇省SO2和NO2健康風(fēng)險值在北部重工業(yè)地區(qū)和南部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)都相對較高，江蘇省應(yīng)加強措施，平衡經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護之間的關(guān)系，在經(jīng)濟平穩(wěn)發(fā)展的同時，加強城市環(huán)境綜合整治，加大大氣污染防控力度，以確保有效提高城市大氣環(huán)境質(zhì)量[26]。

表4 2013-2017年江蘇省各區(qū)域SO2和NO2的健康風(fēng)險 10-9/a

2.3 健康風(fēng)險的性別差異

大氣污染物暴露對不同性別人群的健康風(fēng)險值不同(圖7)。由圖7可看出，在小于18歲和大于60歲的健康風(fēng)險值在性別差異上體現(xiàn)不明顯。而在18～60歲年齡段，SO2和NO2的健康風(fēng)險值在性別上差異顯著。造成這一差異的主要原因是暴露參數(shù)不同，小于18歲和大于60歲的暴露人群主要是青少年、兒童及老人，此年齡段的男性和女性在呼吸速率和體重差異較小，而處于18～60歲的暴露人群主要是青壯年人，此年齡段的男性和女性在呼吸速率和體重上差異較大，暴露參數(shù)差異大，因而健康風(fēng)險差異較為明顯。18～60歲年齡段的男性健康風(fēng)險值高于女性的，主要是由于成年男性的呼吸速率和體重明顯高于女性的，呼吸速率與體重的比值男性的為0.303，女性的為0.270，男性暴露系數(shù)值較高。而大于60歲年齡段的女性呼吸速率與體重的比值為0.202，高于此階段的男性的0.194，因而其SO2和NO2的健康風(fēng)險值高于男性的。

圖7 不同性別下大氣污染物SO2(a)和NO2(b)健康風(fēng)險值的差異

2.4 健康風(fēng)險的年齡差異

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同年齡組中SO2和NO2污染對暴露人群的健康風(fēng)險也不相同(圖8)。由圖8可看出，隨著年齡的增大，大氣污染物對暴露人群的健康影響變小，年齡越小，大氣污染導(dǎo)致的健康風(fēng)險危害越大，且這種變化不隨時間的變化而變化，在逐日變化中始終保持這一規(guī)律。這種變化規(guī)律與不同年齡組暴露人群的體重和呼吸速率不同緊密相關(guān)。由于6歲以下年齡組的暴露人群呼吸速率小、體重輕，致使其暴露系數(shù)值高，SO2和NO2污染下的健康風(fēng)險值分別達到5.26×10-9/a和6.17×10-9/a，分別是6～17、18～60和>60年齡組健康風(fēng)險值的1.16、1.25和1.78倍。6～17歲和18～60年齡組的健康風(fēng)險值差異較小，主要是由于這兩對年齡組的暴露人群呼吸速率與體重的比值差異很小，分別為0.302和0.303，呼吸速率增長的比率與體重增長的比率較為一致。60歲以上暴露人群的健康風(fēng)險值最小，主要是隨著年齡的增長，該年齡組暴露人群的呼吸速率和體重均有不同程度的下降，其中呼吸速率下降的比率比體重的更大，導(dǎo)致暴露系數(shù)值較低，因而SO2和NO2污染對60歲以上暴露人群經(jīng)呼吸途徑產(chǎn)生的健康風(fēng)險值最小[27]。

圖8 不同年齡段大氣污染物SO2(a)和NO2(b)健康風(fēng)險值的差異

3 總 結(jié)

本文研究了2013-2017年江蘇省SO2和NO2的健康風(fēng)險，結(jié)果表明：江蘇省SO2和NO2健康風(fēng)險變化具有顯著的時空分布特征，且其健康風(fēng)險因暴露人群的年齡、性別而異。主要得到以下結(jié)論：

(1)江蘇省連續(xù)5年的SO2和NO2健康風(fēng)險研究表明,健康風(fēng)險具有顯著的時間特征。年際變化主要表現(xiàn)為江蘇省各地區(qū)在5年研究期的SO2和NO2健康風(fēng)險值均有不同程度的降低。年內(nèi)變化表現(xiàn)為冬春季的健康風(fēng)險顯著高于夏秋季的，SO2和NO2健康風(fēng)險的逐日濃度變化曲線基本相似，只是NO2增減幅度高于SO2的。

(2)江蘇省不同城市類型的SO2和NO2健康風(fēng)險具有顯著的空間特征。對2013-2017年健康風(fēng)險值對比發(fā)現(xiàn)，健康風(fēng)險的空間差異表現(xiàn)出與污染物濃度分布一致的規(guī)律。SO2的健康風(fēng)險值分布規(guī)律為北部重工業(yè)地區(qū)的>中部內(nèi)陸地區(qū)的>南部發(fā)達地區(qū)的>東部沿海地區(qū)的，NO2的健康風(fēng)險空間分布規(guī)律體現(xiàn)出南部發(fā)達地區(qū)的>中部內(nèi)陸地區(qū)的>北部重工業(yè)地區(qū)的>東部沿海地區(qū)的。

(3)SO2和NO2的健康風(fēng)險具有顯著的性別和年齡特征。將2013-2017年江蘇省不同性別SO2和NO2健康風(fēng)險值對比發(fā)現(xiàn)，各污染物暴露下，男性健康風(fēng)險威脅總體上高于女性的，且在不同年齡段的健康風(fēng)險值不同，隨著年齡的增長，健康風(fēng)險值逐漸減小。6歲以下兒童健康風(fēng)險值最大，呼吸速率占體重的比值最大，對大氣環(huán)境中的污染物更為敏感。