北京市與呼和浩特市空氣質量對比分析

張軻，許學慧，李海港

內蒙古農(nóng)業(yè)大學草原與資源環(huán)境學院, 內蒙古自治區(qū)土壤質量與養(yǎng)分資源重點實驗室

近年來，隨著城市化、工業(yè)化步伐的加快，交通運輸現(xiàn)代化的迅速發(fā)展，空氣污染已經(jīng)成為城市發(fā)展中一個突出的問題[1]。受污染的空氣不僅對城市環(huán)境造成嚴重影響，還直接危及人類健康。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，關于經(jīng)濟、城市發(fā)展與環(huán)境質量關系的研究基本運用環(huán)境庫茲涅茨曲線(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)濟增長而惡化，發(fā)展到一定程度會出現(xiàn)拐點，經(jīng)濟發(fā)展會促使環(huán)境污染減輕。國內外許多研究都對EKC理論進行了驗證或分析，但研究結果并不一致，也有學者對EKC理論和實證研究提出了質疑[5-6]。呼和浩特市地處我國內蒙古北部，是除天津市、石家莊市和濟南市以外距離首都北京市最近的省會城市，在承接北京非首都功能產(chǎn)業(yè)轉移改革中發(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空分布特征，對揭示其空氣污染原因、改善空氣質量、防止空氣污染的進一步加劇具有十分重要意義。

環(huán)境空氣質量指數(shù)(ambient air quality index，AQI)是目前在國際上被廣泛應用，簡單而直觀的大氣環(huán)境質量評價體系，能夠有效反映空氣總體質量，可用于空氣質量評價以及污染控制和管理[7]。污染物排放量是影響空氣質量的根本因素[8]，燃煤、機動車、工地與道路揚塵、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量。筆者以2014—2019年中國環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布的二氧化硫 (SO2)、二氧化氮 (NO2)、一氧化碳(CO)、臭氧(O3)、細顆粒物(PM2.5)和可吸入顆粒物(PM10) 6項空氣污染物濃度數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，依據(jù)GB 3095—2012《環(huán)境空氣質量標準》[9]和 HJ 633—2012《環(huán)境空氣質量指數(shù)(AQI)技術規(guī)定(試行)》[10]，利用數(shù)理統(tǒng)計分析方法對北京市和呼和浩特市的空氣質量進行對比分析，以期揭示影響2市環(huán)境空氣質量的關鍵因子，為有效防控城市空氣污染提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

以中國環(huán)境監(jiān)測總站和中國空氣質量在線監(jiān)測分析平臺發(fā)布的北京市和呼和浩特市市區(qū)空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，統(tǒng)計 2個城市 2014—2019年的SO2、NO2、PM10、PM2.5濃度月均值，并統(tǒng)計 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滑動平均值。

1.2 分析方法

1.2.1 AQI

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

式中：IAQIp為污染物p的空氣質量分指數(shù)；Cp為污染物p的質量濃度；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對應的空氣質量分指數(shù)；IAOILo為與 BPLo對應的空氣質量分指數(shù)。AQI計算公式如下：

利用AQI可以直觀地評價大氣環(huán)境質量狀況，并指導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價因子，空氣質量評價標準參照GB 3095—2012和HJ 633—2012?？諝赓|量級別如表1所示，AQI越大、級別越高說明污染情況越嚴重，對人體的健康危害越大[10]。

表1 空氣質量級別及相關信息[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6種空氣污染物的月均濃度和年均濃度進行數(shù)據(jù)處理和相關性分析。季節(jié)分布按2市氣候特征的時間尺度進行劃分，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 結果與分析

2.1 空氣質量基本情況

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187，最低為58。其中，空氣質量達到二級（良）的為30個月，占總月數(shù)的41.7%；達到三級（輕度污染）的為37個月，占總月數(shù)的51.4%；達到四級（中度污染）的為5個月，占總月數(shù)的6.9%。呼和浩特市AQI最高可達136，最低為51。其中，空氣質量達到二級（良）的為63個月，占總月數(shù)的87.5%；達到三級（輕度污染）的為9個月，占總月數(shù)的12.5%。呼和浩特市空氣質量達到二級（良）的月數(shù)顯著高于北京市，且未出現(xiàn)中度或更嚴重的污染，說明整體而言呼和浩特市的空氣質量優(yōu)于北京市。有效控制2市的AQI，提高空氣質量，需從污染源頭限制污染物排放。根據(jù)李霞[11]的研究結果推測2市大氣污染來源主要有3方面：1）生活污染源，包括飲食或取暖時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工業(yè)造成的污染；3）交通污染源，包括汽車、飛機、火車、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AQI的貢獻率

AQI大于50時，IAQI最大的污染物為首要污染物[10]。如圖2所示，北京市AQI貢獻最大的污染物是PM2.5，貢獻率為82%；其次是O3，貢獻率為12%；NO2排第三，貢獻率為4%；貢獻率最小的是PM10，為2%。呼和浩特市AQI貢獻最大的污染物是PM10，貢獻率為63%；其次是PM2.5，貢獻率為18%；O3排第三，貢獻率為14%；貢獻率最小的是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，大風天氣較多且距離冬季風源地較近，大風引起的揚塵顆粒較大，會造成空氣中PM10濃度的大幅增加；而北京市機動車保有量較大，大量汽車尾氣的排放導致空氣中PM2.5的濃度較高[12]。顆粒物污染在我國已經(jīng)成為影響空氣質量、氣候變化和人類健康的嚴重環(huán)境問題[13]。其中大氣顆粒物對人群神經(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AQI的貢獻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

為了進一步分析2市空氣質量變化特征，對2014—2019年2市空氣中首要污染物的季節(jié)濃度對年均濃度的貢獻率進行統(tǒng)計分析，結果如圖3所示。從圖3可以看出，2市除了O3夏季貢獻率高，冬季貢獻率低外，PM2.5、NO2、PM10均為冬季貢獻率最大，春秋季貢獻率低于冬季，夏季最低。呼和浩特市 PM2.5、NO2、PM10冬季貢獻率分別為 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。李明珠等[15]的研究結果表明，夏季魯東地區(qū)輸送對濟南都市圈城市的PM2.5貢獻最大，達 24%；冬季來自京津冀方向的傳輸增多，貢獻率最高可達24%，可以解釋污染物質輸送來源。

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。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。2014年2市空氣中CO濃度年均值相差相對較大，呼和浩特市高于北京市，通過近6年的治理，2市空氣中CO濃度年均值都呈下降趨勢。2市空氣中O3濃度年均值變化趨勢與其他指標不同，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。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生成的[16]，研究表明O3與其前體物(VOCs與NOx)的敏感性關系決定了不同地區(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VOCs有更高的敏感性，通過VOCs組分的研究表明，控制VOCs排放時應重點控制含乙烯、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)濟發(fā)展與空氣污染物濃度變化趨勢的相關性

經(jīng)濟與環(huán)境共同協(xié)調發(fā)展是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基本要求和重要途徑[19]。經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境污染之間的矛盾已經(jīng)成為近幾十年以來中國社會發(fā)展中最突出的問題[20]。為了揭示城市人口和經(jīng)濟發(fā)展對空氣質量的影響，從2019年《中國統(tǒng)計年鑒》[21]和2市統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)據(jù)收集人口和部分經(jīng)濟指標相關數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計（圖4），并分析了2市各經(jīng)濟指標和6種空氣污染物之間的相關性（表4和表5）。從圖4可以看出，隨著2市的經(jīng)濟快速發(fā)展，國內生產(chǎn)總值、常住人口、能源消耗總量、機動車保有量呈逐年增加的趨勢。而長期監(jiān)測的數(shù)據(jù)顯示除O3外其他各項空氣污染物濃度均呈持續(xù)下降趨勢，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)濟指標呈負相關，且個別污染物濃度與經(jīng)濟指標達到顯著相關或極顯著相關。呼和浩特市機動車保有量與O3濃度呈極顯著相關，這和康婷婷等[22]的研究結果基本一致，控制機動車及工業(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污染可以采取車輛限行和控制機動車保有量等措施。北京市NO2濃度與國內生產(chǎn)總值呈極顯著相關，與機動車保有量和能源消耗量呈顯著相關，PM2.5和CO濃度均與國內生產(chǎn)總值和能源消耗總量呈極顯著相關，與機動車保有量呈顯著相關；呼和浩特市PM10、SO2濃度與機動車保有量、能源消耗總量呈極顯著相關。與其他空氣質量指標相比，北京市的PM2.5濃度和呼和浩特的PM10濃度與更多的經(jīng)濟指標呈顯著相關，這說明經(jīng)濟社會發(fā)展中影響2市空氣質量的關鍵因子不同，北京市以PM2.5貢獻為主，呼和浩特市以PM10貢獻為主。此外，呼和浩特市SO2濃度與多項經(jīng)濟指標呈極顯著相關，且相關系數(shù)都較高，而北京市SO2濃度與各經(jīng)濟指標相關性不大，這與2市的燃料結構有關，呼和浩特市冬季采暖期較長，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)濟同時要注重燃料結構調整，提倡清潔能源的推廣使用。如果不加以管控，國內生產(chǎn)總值、常住人口、機動車保有量和能源消耗量增加會導致大氣污染物濃度上升。

圖4 北京市和呼和浩特市國內生產(chǎn)總值、常住人口、能源消耗總量、機動車保有量變化趨勢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)濟指標與污染物濃度相關性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)濟指標與污染物濃度相關性Table 5 Correlation between economic indicators and pollutants in Hohhot from 2014 to 2019

3 討論

通過對北京市和呼和浩特市空氣環(huán)境長期監(jiān)測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，2市的首要污染物為PM2.5、PM10和O3，該結果與徐麗娜等[23]的研究結果相似。北京市和呼和浩特市的空氣污染均以顆粒物污染貢獻最多，應注重源頭治理。顆粒物污染源首先為道路揚塵/機動車尾氣混合污染源，其次分別為施工揚塵源、燃煤源、冶煉塵/生物質燃燒混合污染源[24]。PM2.5污染源除了主要的顆粒物排放外，還包括次級氣溶膠體 (包括 SO2、NOx、VOCs)的排放[25]，其中需注意隨著我國機動車保有量呈快速增長趨勢，尾氣排放對大氣PM2.5的污染貢獻率逐步增加[26]。北京市PM10和PM2.5污染主要來源于燃煤源、交通和二次源以及生物質源的貢獻[27]。同時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]對西北地區(qū)PM10濃度的研究結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]對邯鄲市空氣中污染物濃度年際變化趨勢的研究結果顯示，NO2和CO年際波動幅度不大且相似。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，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。機動車尾氣排放是空氣中NO2和CO的主要貢獻者，據(jù)此可以推測北京市和呼和浩特市空氣中2種污染物不受同源機動車排放影響。

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

4 結論與建議

（1）呼和浩特市空氣質量優(yōu)于北京市，同一城市不同季節(jié)的空氣質量相差較大，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）影響北京市空氣質量的主要因素為PM2.5，影響呼和浩特市空氣質量的主要因素為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。

（4）從經(jīng)濟指標和污染物濃度變化的相關性可以看出，城市高質量發(fā)展越來越受到城市空氣質量的約束，改善城市經(jīng)濟結構在空氣污染防治中具有極大作用。

針對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）冬季污染嚴重，多是取暖、熱水供應等化石燃料燃燒造成的，因此應減少熱能發(fā)電，改變能源結構，發(fā)展清潔能源，從而減少燃煤燃燒等造成的空氣污染。2）相關政府部門應加強對涉污企業(yè)“三廢”和其他有機污染物排放的監(jiān)控。3）針對汽車尾氣污染問題，推動綠色環(huán)保的清潔能源汽車的投入與使用，實現(xiàn)節(jié)能減排。