“十三五”甘肅省降塵時空變化趨勢及影響因素

孔凡彬，成 丹，張 強

甘肅省環(huán)境監(jiān)測中心站，甘肅 蘭州 730020

大氣降塵是指在空氣環(huán)境條件下，靠重力自然沉降的顆粒物[1]，其來源可以分為自然來源和人為來源。由于大氣降塵具有易沉降等特性，其攜帶的污染物易造成近源污染；在風(fēng)力較強的時候，大氣沉降也能遷移較遠的距離而造成遠源污染。大氣降塵中的不同成分不但會對陸地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響(如遮蓋植物葉面影響光合作用和呼吸作用，改變土壤酸堿度[2])，也會對海域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響(如一些海區(qū)的實例研究表明，赤潮的暴發(fā)可能與粉塵輸送大量的Fe2+有關(guān)[3])。

2018年10月，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了“2+26”城市降塵監(jiān)測結(jié)果，這是降塵監(jiān)測信息首次全面公開。2019年生態(tài)環(huán)境部開始實施重點區(qū)域降塵考核，在《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)中對總懸浮顆粒物也有具體的限值要求。其實國外對粉塵的科學(xué)觀測至少已經(jīng)歷了200年[4]，中國降塵現(xiàn)象的記載可追溯至公元前1150年[5]，在歷史文獻中被記為“雨黃土” “黃霧”等[6]。甘肅省降塵監(jiān)測工作的開展遠早于PM2.5和PM10等污染物的監(jiān)測。目前全省14個市(州)共設(shè)置58個監(jiān)測點，監(jiān)測方法采用《環(huán)境空氣 降塵的測定 重量法》(GB/T 15265—1994)。降塵與工地、道路、堆場等塵源的對應(yīng)關(guān)系非常明確，可以直接反映城市揚塵管理水平；同時甘肅省作為一個易受沙塵侵害的省份，開展環(huán)境空氣中降塵的研究對于大氣環(huán)境質(zhì)量評價、城市污染狀況評價、城市精細化管理水平的提升有著極其重要的意義。筆者研究“十三五”期間甘肅省降塵時空變化狀況，初步分析甘肅省降塵變化趨勢，以期為進一步做好“十四五”時期甘肅省生態(tài)環(huán)境保護工作提供參考。

1 甘肅省降塵區(qū)域劃分

根據(jù)甘肅省的地理位置、地形、地貌、水分、熱量狀況，將甘肅省分為6個氣候區(qū)：河西干旱區(qū)(包括甘肅省黃土高原以西祁連山以北地區(qū))，降水稀少、降水變率大；中部半干旱區(qū)(包括蘭州、白銀、定西、臨夏等地大部和隴東慶陽地區(qū)北部)，年降水量為250～500 mm；隴東南半濕潤區(qū)(包括天水、平?jīng)龅貐^(qū)大部和慶陽地區(qū)南部以及隴南地區(qū)西部)，年降水量為450～600 mm；隴南西秦嶺濕潤區(qū)(隴南地區(qū)東半部)，年降水量為700～800 mm；祁連山地半干旱寒冷區(qū)(包括河西三地區(qū)的南半部)，降水量呈現(xiàn)出祁連山東部多、西部少的特征；甘南高原濕潤寒冷區(qū)(包括甘南、臨夏西南部和定西岷縣)，年降水量為500～750 mm[7]。

目前甘肅省降塵監(jiān)測點位均位于14個市(州)的主城區(qū)。降塵與月降水量、相對濕度、溫度、風(fēng)速等氣候條件有關(guān)，根據(jù)降塵監(jiān)測點位實際設(shè)置情況，結(jié)合甘肅省氣候區(qū)劃，大致可將甘肅省降塵劃分為5個區(qū)域。Ⅰ區(qū)為河西走廊的河西干旱區(qū)，包括武威、金昌、張掖、酒泉和嘉峪關(guān)5個市；Ⅱ區(qū)為中部半干旱區(qū)，包括蘭州、白銀、定西3個市；Ⅲ區(qū)為隴東南半濕潤區(qū)，包括天水、平?jīng)?、慶陽3個市；Ⅳ區(qū)為隴南西秦嶺濕潤區(qū)，主要為隴南市；Ⅴ區(qū)為甘南高原濕潤寒冷區(qū)，包括甘南、臨夏2個州[8]。甘肅省降塵區(qū)域劃分見圖1。降塵監(jiān)測區(qū)域面積情況見表1。

注：底圖源自自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/)的1∶6 000 000中國 分省地圖-甘肅省。審圖號為GS(2019)3333號。下載日期為2021年8月2日。圖1 甘肅省降塵區(qū)域劃分Fig.1 Division of dustfall areas in Gansu Province

表1 甘肅省降塵監(jiān)測區(qū)域面積Table 1 Acreage of dustfall monitoring areas in Gansu Province km2

2 “十三五”期間降塵變化情況

2.1 “十三五”期間甘肅省降塵總體情況

按前述區(qū)域劃分，“十三五”期間河西干旱區(qū)(Ⅰ區(qū))降塵月均值為9.34～13.82 t/(km2·月)，年均值為142.44 t/(km2·a)；中部半干旱區(qū)(Ⅱ區(qū))降塵月均值為13.54～17.02 t/(km2·月)，年均值為180.00 t/(km2·a)；隴東南半濕潤區(qū)(Ⅲ區(qū))降塵月均值為8.53～13.12 t/(km2·月)，年均值為133.80 t/(km2·a)；隴南西秦嶺濕潤區(qū)(Ⅳ區(qū))降塵月均值為7.70～8.81 t/(km2·月)，年均值為98.64 t/(km2·a)；甘南高原濕潤寒冷區(qū)(Ⅴ區(qū))降塵月均值為4.60～6.58 t/(km2·月)，年均值為69.36 t/(km2·a)?！笆濉逼陂g甘肅省降塵統(tǒng)計情況見表2。

表2 “十三五”期間甘肅省降塵統(tǒng)計情況Table 2 Statistics of dustfall in Gansu Province during the 13th Five-Year Plan period

數(shù)據(jù)顯示，中部半干旱區(qū)降塵年均值最高，河西干旱區(qū)次之，甘南高原濕潤寒冷區(qū)最低。這一結(jié)論與甘肅省所處地理位置、地形地貌、氣候區(qū)劃情況符合。甘肅省地理坐標(biāo)為32°36′～42°48′N，92°20′～108°43′E，地勢自西南向東北傾斜。河西干旱區(qū)(Ⅰ區(qū))位于河西走廊，地近騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠，是蒙古高原中西部或內(nèi)蒙古西部阿拉善高原的西北沙塵通道[9]，該區(qū)氣候干旱，降水稀少且分布極不均勻，平均年降水量只有150 mm左右，因此該區(qū)受沙塵天氣影響嚴(yán)重，該地區(qū)常年平均風(fēng)速全省最高，為2～5 m/s，其降塵年均值在5個區(qū)中排名第二。中部半干旱區(qū)(Ⅱ區(qū))位于隴中黃土高原地區(qū)，黃土厚度為100～200 m，其中蘭州的九州臺是中國黃土高原上黃土堆積最厚的地方，黃土堆積厚度達318.2 m[10]，這與該區(qū)降塵年均值最高正好相吻合。隴東南半濕潤區(qū)(Ⅲ區(qū))位于隴東黃土高原地區(qū)，其中慶陽位于甘肅省東部，“十三五”期間其降水量年均值為1 330 mm左右，僅低于平?jīng)?1 462 mm左右)，但由于慶陽受到蒙古國南部和內(nèi)蒙古中西部偏西沙塵天氣的影響更為嚴(yán)重，在14個市(州)中，慶陽降塵年均值最大。2018年慶陽降塵年均值達最大值，該情況與慶陽PM10數(shù)據(jù)情況相吻合(“十三五”期間慶陽PM10濃度分別為59、64、76、66、60 μg/m3)。通過以上數(shù)據(jù)分析可以看出，不同地區(qū)降塵不僅受沙塵天氣影響，還與該地區(qū)氣候條件有關(guān)，主要影響因素有風(fēng)速、降水量等；同時還與該地區(qū)的地形地貌有關(guān)，如蘭州市區(qū)南北群山對峙，為典型盆地地區(qū)，常年平均風(fēng)速為0.85 m/s，“十三五”期間年均降水量為914 mm左右，排在14個市(州)的第五位，這些條件導(dǎo)致其成為中國黃土高原上黃土堆積最厚的地方。

2.2 “十三五”期間甘肅省降塵變化情況

2.2.1 降塵月度變化情況

甘肅省2016年降塵月均值范圍為10.33～17.29 t/(km2·月)，2017年降塵月均值范圍為9.10～15.01 t/(km2·月)，2018年降塵月均值范圍為8.68～17.04 t/(km2·月)，2019年降塵月均值范圍為7.76～13.59 t/(km2·月)，2020年降塵月均值范圍為8.41～13.60 t/(km2·月)。甘肅省降塵月變化情況見圖2。從圖中可以看出，“十三五”期間甘肅省降塵月均值在7、8、9月較小，在1、3、5月較大，季節(jié)性特征明顯。每年降塵在春季達到最大值，在夏季和秋季達到最小值。這與全省遭遇沙塵天氣影響情況相吻合，每年春季正是沙塵天氣暴發(fā)的高峰期[11]，而夏末秋初正是沙塵天氣的低谷期。由此可知沙塵天氣是影響甘肅省降塵峰值變化的主要原因。

圖2 “十三五”期間甘肅省降塵月變化情況Fig.2 Monthly changes of dustfall in Gansu Provinceduring the 13th Five-Year Plan period

2.2.2 降塵年度變化情況

“十三五”期間，甘肅省降塵年均值范圍為119.71～161.19 t/(km2·a)，最小值出現(xiàn)在2019年，最大值出現(xiàn)在2016年，2020年降塵年均值比2016年下降了24.30%。

2020年各市(州)降塵較2016年降塵第一四分位數(shù)、中位數(shù)、第三四分位數(shù)都有下降趨勢，2018年降塵出現(xiàn)離散點，慶陽市出現(xiàn)2016—2020年間最大降塵現(xiàn)象，主要是該地受沙塵天氣影響較大?！笆濉逼陂g甘肅省市(州)降塵箱式圖見圖3。

圖3 “十三五”期間甘肅省各市(州)降塵箱式圖Fig.3 Box plot of dustfall in Gansu Provinceduring the 13th Five-Year Plan period

按降塵區(qū)域劃分統(tǒng)計，“十三五”期間中部半干旱區(qū)(Ⅱ區(qū))降塵年均值最大，河西干旱區(qū)(Ⅰ區(qū))降塵年均值次之，甘南高原濕潤寒冷區(qū)(Ⅴ區(qū))降塵年均值最小。2020年和2016年比較，降塵年均值河西干旱區(qū)(Ⅰ區(qū))下降了26.48%，中部半干旱區(qū)(Ⅱ區(qū))下降了19.80%，隴東南半濕潤區(qū)(Ⅲ區(qū))下降了34.98%，隴南西秦嶺濕潤區(qū)(Ⅳ區(qū))下降了2.16%，甘南高原濕潤寒冷區(qū)(Ⅴ區(qū))下降了17.20%。降塵下降幅度最大的區(qū)域為隴東南半濕潤區(qū)(Ⅲ區(qū))，下降幅度最小的區(qū)域為隴南西秦嶺濕潤區(qū)(Ⅳ區(qū))。“十三五”期間甘肅省降塵區(qū)域情況統(tǒng)計見表3，降塵區(qū)域變化情況見圖4。

表3 “十三五”期間甘肅省降塵區(qū)域情況統(tǒng)計Table 3 Statistics of dustfall areas in Gansu Province during the 13th Five-Year Plan period t/(km2·a)

圖4 “十三五”期間甘肅省降塵區(qū)域變化情況Fig.4 Changes of dustfall areas in Gansu Provinceduring the 13th Five-Year Plan period

植被覆蓋指數(shù)可評價區(qū)域植被覆蓋的程度，用評價區(qū)域單位面積歸一化植被指數(shù)(NDVI)表示。筆者采用MOD13的NDVI數(shù)據(jù)。

2020年和2016年比較，植被覆蓋指數(shù)河西干旱區(qū)(Ⅰ區(qū))下降了10.41%，中部半干旱區(qū)(Ⅱ區(qū))上升了18.69%，隴東南半濕潤區(qū)(Ⅲ區(qū))上升了5.32%，隴南西秦嶺濕潤區(qū)(Ⅳ區(qū))上升了1.41%，甘南高原濕潤寒冷區(qū)(Ⅴ區(qū))下降了7.72%，全省植被覆蓋指數(shù)上升了2.03%。降塵區(qū)域植被覆蓋指數(shù)變化情況見表4。值得注意的是，河西干旱區(qū)(Ⅰ區(qū))和甘南高原濕潤寒冷區(qū)(Ⅴ區(qū))在“十三五”期間的植被覆蓋指數(shù)呈波動下降，降塵年均值也下降。一種可能是自然源沙塵強度減小引起降塵年均值下降，另一種可能是“十三五”時期隨著城市環(huán)境保護精細化管理水平不斷提高，人為來源減小引起降塵年均值下降。慶陽位于隴東南半濕潤區(qū)(Ⅲ區(qū))，該區(qū)“十三五”期間降塵下降了34.98%，慶陽降塵僅下降了0.09%，同區(qū)的天水和平?jīng)鼋祲m分別下降了48.71%和28.43%，而慶陽的植被覆蓋指數(shù)卻是3個市中增幅最大的(天水上升了5.32%，平?jīng)錾仙?.65%，慶陽上升了5.95%)。根據(jù)慶陽所處地理位置可以看出，慶陽受沙塵天氣影響更為嚴(yán)重，導(dǎo)致其降塵下降幅度最小。

表4 “十三五”期間降塵區(qū)域植被覆蓋指數(shù)變化情況統(tǒng)計Table 4 Statistics of vegetation cover index changes in dustfall areas during the 13th Five-Year Plan period

降塵人為來源中，揚塵對粗顆粒物貢獻較大，經(jīng)過除塵器除塵后排放到空氣中的塵對細顆粒物貢獻較大[12]?！笆濉睍r期，習(xí)近平生態(tài)文明思想成為引領(lǐng)甘肅省發(fā)展的重要理念，全省全面優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，分區(qū)分類對資源能源利用進行管控，持續(xù)推進能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和煤炭資源的清潔利用，自2018年以來，全省累計完成43臺1 516.5萬kW火電機組超低排放改造，完成13 065臺57 219蒸噸燃煤鍋爐綜合整治。全省不斷建立健全大氣環(huán)境管理機制，持續(xù)推廣蘭州大氣污染防治經(jīng)驗，開展城市大氣環(huán)境綜合整治，全面推進城市網(wǎng)格化管理模式，建立城市大氣污染防治部門聯(lián)動工作機制，對重點地區(qū)、重點區(qū)域、重點時段、重點污染源實行集中監(jiān)管。各個市(州)不斷強化城市揚塵污染控制，規(guī)范施工揚塵，推進建筑工地綠色施工，強化堆場、料場揚塵防治，加強城市裸地揚塵污染治理，不斷提高城市精細化管理水平。城市精細化管理水平的提高，是降低甘肅省降塵人為來源的主要因素。

降塵年均值與植被覆蓋指數(shù)呈明顯負相關(guān)性，2019年全省植被覆蓋指數(shù)達到最大值，同期全省降塵年均值達到最小值。2020年降雨量減少，導(dǎo)致全省植被覆蓋指數(shù)下降，降塵年均值相應(yīng)上升。影響降塵的自然來源中，沙塵天氣是主要影響因素，城市所處地理位置、地形、地貌、風(fēng)速、降水等氣候條件也對降塵有影響；人為來源中，降塵的變化可以體現(xiàn)一個城市的精細化管理水平。

3 降塵變化趨勢分析

3.1 “十三五”期間甘肅省降塵趨勢分析

“十三五”期間的降塵變化趨勢，除2020年同比稍有上升外，其他年份呈現(xiàn)逐年遞減的情況。降塵年均值變化見圖5?！笆濉逼陂g，5個區(qū)域降塵與植被覆蓋指數(shù)相關(guān)系數(shù)為-0.634，當(dāng)a=0.01時，P值為0.001，P值明顯小于0.01，表明降塵與植被覆蓋指數(shù)負相關(guān)性顯著。“十三五”期間降塵與植被覆蓋指數(shù)相關(guān)性見表5。

圖5 “十三五”期間降塵年均值變化Fig.5 Annual changes of dustfall duringthe 13th Five-Year Plan period

表5 “十三五”期間降塵與植被覆蓋指數(shù)相關(guān)性Table 5 Correlation between dustfall and vegetationcover index during the 13th Five-Year Plan period

3.2 Spearman秩相關(guān)系數(shù)分析

秩相關(guān)系數(shù)(Rs)是反映等級相關(guān)程度的統(tǒng)計分析指標(biāo)。將Rs的絕對值同Spearman秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表中的臨界值(Wp)進行比較，若Rs≥Wp，則表明變化趨勢有顯著意義；若Rs

表6 “十三五”期間各降塵區(qū)域及全省Spearman秩相關(guān)系數(shù)趨勢分析Table 6 Trend of Spearman rank correlation coefficient in dustfall areas and the whole province during the 13th Five-Year Plan period

由表6可見，河西干旱區(qū)(Ⅰ區(qū))、中部半干旱區(qū)(Ⅱ區(qū))、隴東南半濕潤區(qū)(Ⅲ區(qū))及全省降塵有顯著下降趨勢，降塵明顯減輕；隴東南半濕潤區(qū)(Ⅲ區(qū))植被覆蓋指數(shù)有顯著上升趨勢；其他區(qū)域降塵及植被覆蓋指數(shù)無顯著變化。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

“十三五”期間，甘肅省降塵總體呈下降趨勢，植被覆蓋指數(shù)與降塵呈明顯負相關(guān)性。自然來源中沙塵天氣是影響甘肅省降塵的主要因素，同時降塵還受地理位置、地形地貌和風(fēng)速、降水量等氣候條件的影響。城市環(huán)境保護精細化管理水平的提高可減少降塵人為來源。

4.2 建議

降塵數(shù)據(jù)是生態(tài)環(huán)境保護的一項基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但目前公眾對降塵的關(guān)注程度還不高，監(jiān)測點位設(shè)置也不足。建議今后加強降塵監(jiān)測，根據(jù)不同地區(qū)地理位置，結(jié)合氣候特征，科學(xué)、合理布設(shè)監(jiān)測點位，設(shè)置降塵背景監(jiān)測點，形成科學(xué)、系統(tǒng)的降塵監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，以便更加科學(xué)地分析降塵自然來源和人為來源造成的影響。同時加強對降塵監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和源解析研究，充分利用降塵數(shù)據(jù)為生態(tài)環(huán)境保護工作及城市環(huán)境保護精細化管理水平的提升提供科學(xué)參考。