張淑平,韓立建,周偉奇,*,李偉峰

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京　100085 2 中國(guó)科學(xué)院研究生院, 北京　100049

?

城市規(guī)模對(duì)大氣污染物NO2和PM2.5濃度的影響

張淑平1,2,韓立建1,周偉奇1,*,李偉峰1

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100085 2 中國(guó)科學(xué)院研究生院, 北京100049

隨著我國(guó)城市的快速發(fā)展,城市的區(qū)域性大氣污染問題日益突出,尤其是大城市和超大城市的污染問題更加嚴(yán)重。那么城市規(guī)模的擴(kuò)大是否必然導(dǎo)致空氣污染的加??？控制城市人口規(guī)模是否是防治空氣污染的有效手段？這些問題成為空氣污染防治中政府、公眾和學(xué)者廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。采用2013年冬季全國(guó)114個(gè)重點(diǎn)城市兩種典型大氣污染物-NO2(傳統(tǒng))和PM2.5(新型)-濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),首先分析了這兩種大氣污染物的空間分布特征,進(jìn)而定量分析城市人口規(guī)模和大氣污染物濃度的關(guān)系。結(jié)果顯示：(1)僅有21%的城市NO2濃度達(dá)到WHO的城市年均濃度標(biāo)準(zhǔn)(40μg/m3),全部城市的PM2.5濃度高于WHO年均濃度標(biāo)準(zhǔn)(10 μg/m3);(2)大氣污染物的空間分布具有顯著的集聚特征和區(qū)域性特征,表現(xiàn)為：NO2呈較為分散的空間分布,而PM2.5的空間分布呈現(xiàn)“北高南低、內(nèi)陸高沿海低”的特征。NO2濃度高的區(qū)域主要分布在天津、河北東南部和山東中部地區(qū),PM2.5濃度高的區(qū)域主要分布于河北西南部和山東西部;(3)常住人口規(guī)模同冬季NO2和PM2.5濃度呈倒“U”型關(guān)系;在1000到1200萬的城市冬季平均NO2和PM2.5濃度最高(NO2：69.28μg/m3,PM2.5：119.58μg/m3)。(4)總?cè)丝诘陀?200萬的城市,冬季NO2濃度和PM2.5濃度隨著城市規(guī)模增加而顯著升高(NO2：r=0.44,P<0.01; PM2.5：r=0.43,P<0.01);總?cè)丝诟哂?200萬的城市,NO2濃度同城市規(guī)模呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=0.91,P<0.05),PM2.5濃度隨城市規(guī)模增加逐漸降低。(5)常住人口密度在1000人/ km2以下的重點(diǎn)城市,NO2和PM2.5濃度同城市人口密度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(NO2：r=0.23,P<0.05;PM2.5：r=0.36,P<0.01)。常住人口密度在1000人/km2以上的城市人口密度同NO2和PM2.5濃度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(NO2：r=-0.61,P<0.05;PM2.5：r=0.63,P<0.01)。以上研究結(jié)果可以為劃定不同大氣污染物的重點(diǎn)防治區(qū)域和制定聯(lián)合防治行動(dòng)計(jì)劃提供理論依據(jù),并為重點(diǎn)城市大氣污染治理和城市人口規(guī)模控制理論完善提供參考。

大氣污染;NO2;PM2.5;重點(diǎn)城市;空間格局;人口規(guī)模

改革開放以來,城市快速發(fā)展,不斷加劇的人為活動(dòng)給環(huán)境和城市發(fā)展帶來諸多問題,尤其是近年來所凸顯的城市大氣污染問題。2013年1月中國(guó)爆發(fā)的大范圍灰霾污染過程,74個(gè)城市發(fā)生677d次的重度及以上空氣污染[1]。大范圍和高強(qiáng)度的大氣污染對(duì)中國(guó)各城市的生態(tài)環(huán)境和人群健康帶來了強(qiáng)烈的負(fù)面影響,僅京津冀地區(qū)2013年1月份就因嚴(yán)重的空氣污染超額死亡2725人[1]。此外,大氣污染對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的時(shí)滯性影響,還有待研究。因此城市大氣污染問題因其危害的嚴(yán)重性、影響范圍的廣泛性和不可逃避性成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

隨著我國(guó)大氣污染特征的轉(zhuǎn)變,一些學(xué)者[2-3]提出了區(qū)域性大氣污染是中國(guó)所面臨的主要大氣污染問題,但現(xiàn)行的環(huán)境管理制度無法滿足區(qū)域性大氣污染問題治理的要求,亟需完善區(qū)域性大氣污染聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制,建立聯(lián)合防治行動(dòng)計(jì)劃。因此,研究重點(diǎn)城市主要污染物區(qū)域特征,規(guī)劃重點(diǎn)防治區(qū)域,可為制定聯(lián)合防治行動(dòng)計(jì)劃提供科學(xué)依據(jù)。此外,分析不同區(qū)域大氣污染的主要影響因素,還可為大氣污染治理提供更有針對(duì)性和高效的決策支持。

城市大氣污染的主要驅(qū)動(dòng)因子是人口數(shù)量[3],雖然也受到氣候和地形等自然因素影響,但根據(jù)近幾年的研究結(jié)果,沙塵的排放量正在逐年減少[4],氣候和地形的影響比重也在降低,人為因素已成為污染物濃度的主要影響因素。尤其是在大尺度的大氣污染問題研究中,人類活動(dòng)強(qiáng)度相比產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源消耗有著很強(qiáng)的代表性[5-6]。Lamsal[7]采用全球1505個(gè)城市的遙感反演NO2濃度數(shù)據(jù)和人口規(guī)模數(shù)據(jù),表明NO2濃度隨人口規(guī)模呈指數(shù)增加。Lijian[8]僅使用中國(guó)350個(gè)地級(jí)市的遙感反演PM2.5數(shù)據(jù)表明城市PM2.5濃度同人口規(guī)模有顯著的相關(guān)性。人口規(guī)模越大的城市因人為活動(dòng)強(qiáng)度的增大排放大量的污染物,大氣污染程度也更加嚴(yán)重。王小魯[9]根據(jù)中國(guó)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和可持續(xù)發(fā)展需求,預(yù)測(cè)了2020年中國(guó)城市的規(guī)模分布。北京市社會(huì)科學(xué)院[10]組織研究人員依據(jù)水資源量構(gòu)造出了北京適度人口規(guī)模的實(shí)證模型?？梢?目前在進(jìn)行城市人口容量界定時(shí)對(duì)大氣污染物濃度因素的考慮較少,主要研究的因素只有社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素[11]和資源承載力因素[12]。本文收集了中國(guó)114個(gè)重點(diǎn)地級(jí)市的冬季NO2和PM2.5數(shù)據(jù)以及常住人口規(guī)模數(shù)據(jù),研究污染物濃度隨城市人口規(guī)模增加的變化關(guān)系,不但可為尋求城市大氣污染控制新途徑提供參考,還可為城市規(guī)劃理論的完善提供依據(jù)。

1　數(shù)據(jù)和方法

1.1數(shù)據(jù)及預(yù)處理

NO2和PM2.5分別是中國(guó)傳統(tǒng)光化學(xué)煙霧和新型灰霾大氣污染物的代表,作為中國(guó)兩種主要的空氣污染物,可較好表征城市地區(qū)大氣污染程度。受到燃煤供暖和大氣風(fēng)場(chǎng)動(dòng)力結(jié)構(gòu)的影響,冬季目前是中國(guó)大氣污染最為嚴(yán)重的季節(jié)[13]。相比與一些學(xué)者使用的遙感數(shù)據(jù)[6]和實(shí)時(shí)發(fā)布數(shù)據(jù)具有時(shí)間連續(xù)性好、監(jiān)測(cè)范圍廣和接近人群暴露濃度等優(yōu)點(diǎn)[14]。在綜合考慮數(shù)據(jù)的可獲得性和時(shí)間序列完整性后,選取包含所有直轄市、省會(huì)城市、計(jì)劃單列市和“京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角”的所有地級(jí)城市的114個(gè)城市作為研究區(qū)。采用的NO2和PM2.5濃度數(shù)據(jù)為全國(guó)空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)發(fā)布的2013年12月到2014年2月空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。每個(gè)城市均有86d有數(shù)據(jù),4d無數(shù)據(jù),每個(gè)月平均有28d以上的數(shù)據(jù)。

城市常住人口數(shù)量是判斷城市人口規(guī)模的依據(jù),為了真實(shí)的判斷各城市實(shí)際居住人口數(shù)和避免不同人口計(jì)算方法帶來的誤差,本文直接采用各地級(jí)城市第六次人口普查數(shù)據(jù)中常住人口總量表征各城市的人口規(guī)模和人類活動(dòng)強(qiáng)度,數(shù)據(jù)來源為《中國(guó)2010年人口普查分縣資料》。

1.2方法

為定量分析中國(guó)冬季114個(gè)重點(diǎn)城市濃度分布的空間格局和人口規(guī)模同污染物濃度之間的關(guān)系,在去除無數(shù)據(jù)的天數(shù)后,對(duì)每個(gè)城市冬季的日濃度數(shù)據(jù)求算數(shù)平均值即為冬季平均日濃度。然后依據(jù)冬季平均日濃度,繪制各重點(diǎn)城市冬季NO2和PM2.5濃度空間分布圖。從而直觀和科學(xué)地了解大氣污染物的區(qū)域分布特點(diǎn)。

接下來考慮到城市之間經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的相互作用會(huì)影響排放結(jié)構(gòu),以及大氣污染物在城市之間的物理傳輸會(huì)使大氣污染物濃度受到相鄰城市影響,因此,本文對(duì)重點(diǎn)城市的大氣區(qū)域污染進(jìn)行聚類分析。GROUPING ANALYSIS工具是ArcGIS 10.1新開發(fā)的產(chǎn)品,它在進(jìn)行聚類分析時(shí)能夠綜合分析城市與其周邊一定范圍內(nèi)其它城市污染物濃度與距離的相互關(guān)系,在城市生態(tài)學(xué)研究中有很大應(yīng)用價(jià)值[15]。具體的操作過程為將NO2和PM2.5濃度分布矢量圖加載到GROUPING ANALYSIS工具中,選擇進(jìn)行分類的屬性值、分類方法、距離算法等。然后該工具根據(jù)各城市的污染物濃度以及城市的污染物濃度和距離進(jìn)行聚類分析。從而達(dá)到對(duì)城市大氣污染區(qū)域性特征量化的目的,得到中國(guó)各重點(diǎn)城市NO2和PM2.5污染區(qū)域分布圖。其中城市間距離計(jì)算采用K-nearest neighbors法,neighbor選擇數(shù)為8。

目前,國(guó)內(nèi)關(guān)于城市化對(duì)大氣污染物濃度影響的研究有很多,采用的方法有相關(guān)性、多元回歸、SEA空間計(jì)量以及協(xié)整檢驗(yàn)[16]等。由于研究方法的不同結(jié)果也會(huì)有一些差異。相關(guān)性分析雖然在影響因素的定量化研究中應(yīng)用有限,但是在定性研究中應(yīng)用廣泛,且研究結(jié)果相對(duì)比較可靠。因此本文采用相關(guān)性分析來研究城市規(guī)模與污染物濃度的關(guān)系。

2　結(jié)果分析

2.1全國(guó)冬季NO2和PM2.5空間分異特征

NO2是光化學(xué)煙霧的一種重要反應(yīng)物,PM2.5濃度升高是霧霾的主要成因,因此NO2和PM2.5濃度升高以及兩者相互作用形成的復(fù)合污染是各重點(diǎn)城市面臨的突出大氣污染問題。NO2主要來源是汽車排放和工廠排放等人類活動(dòng)有關(guān),PM2.5濃度變化同化石燃料燃燒、交通排放和氣象條件有關(guān)?？傊?人類活動(dòng)(包括化石燃料燃燒)是形成大氣污染的根本原因,兩種污染物分布的差異主要是污染物排放源的不同和城市間人類活動(dòng)強(qiáng)度的差異。

2.1.1全國(guó)冬季NO2污染水平空間分布特征

2013年冬季NO2濃度最低的城市是?？谑?18μg/m3),最高的是邢臺(tái)市(93μg/m3),基于WHO的城市年均達(dá)標(biāo)濃度(40μg/m3),僅有21%的城市達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。冬季NO2濃度超過66.49μg/m3的城市中有75%位于河北省西南部和山東省西部;處于54.54μg/m3和66.48μg/m3的城市中,有57.14%位于山東省西部和浙江省北部,因此冬季NO2濃度的空間分布具有明顯的區(qū)域特點(diǎn)(圖1)。

圖1　中國(guó)各重點(diǎn)城市冬季NO2濃度分布圖Fig.1　Mean concentration of NO2 in major cities of China during the winter of 2013

天津、河北東南部和山東中部地區(qū)是污染濃度最高的區(qū)域,各城市的平均濃度為76.5μg/m3。東北省會(huì)城市、京津冀北部和東南部、陜西和山西南部城市以及浙江地區(qū)、珠三角地區(qū)、長(zhǎng)株潭地區(qū)的城市屬于一組(圖2)。該組區(qū)域包含了73個(gè)重點(diǎn)城市,是面積最大的一組,冬季NO2平均值達(dá)到52.45μg/m3。江蘇省大部分城市屬于另一組,NO2濃度比浙江地區(qū)和山東地區(qū)要低,成為中部沿海污染最低的峽谷區(qū)。珠三角的個(gè)別城市地區(qū)如河源、惠州以及福建的福州和泉州是中國(guó)沿海地區(qū)污染濃度較低的地區(qū)。拉薩、貴陽、玉溪等城市是污染濃度最低的一組。

圖2　中國(guó)各重點(diǎn)城市冬季NO2濃度聚類分析圖Fig.2　Results of group analysisonmeanNO2concentration in major cities of China during the winter of 2013

2.1.2全國(guó)PM2.5污染水平空間分布特征

參照WHO年均濃度標(biāo)準(zhǔn)(10μg/m3),所有重點(diǎn)城市冬季平均值均未達(dá)標(biāo)。PM2.5濃度最低的是拉薩市,其濃度為26.99μg/m3。而濃度最高的邢臺(tái)市,達(dá)到242.78μg/m3,高出WHO年均達(dá)標(biāo)濃度24倍。超出中國(guó)空氣質(zhì)量年均濃度二級(jí)達(dá)標(biāo)值(35μg/m3)的城市占到總城市數(shù)量的98.25%。冬季PM2.5濃度超過149.17μg/m3的城市中有58.33%位于河北省西南部和山東省西部地區(qū),33%位于陜西南部地區(qū);濃度介于109.55μg/m3和149.16μg/m3的城市中有94.74%位于河北省東部、山東中部和江蘇西部地區(qū);冬季PM2.5濃度處在80.91—109.54μg/m3中47.62%位于江蘇省和浙江省東部沿海地區(qū);珠三角城市群中有80%的城市冬季PM2.5濃度處在57.33—80.90μg/m3。2013年冬季各重點(diǎn)城市PM2.5濃度分布有明顯“北高南低,內(nèi)陸高沿海低”的特點(diǎn)(圖3)。

圖3　中國(guó)各重點(diǎn)城市2013年冬季PM2.5濃度圖Fig.3　Mean concentration of PM2.5 in major cities of China during the winter of 2013

污染濃度最高的是河北西南部和山東西部地區(qū),各城市冬季平均值為173.92μg/m3(圖4);接下來是陜西中部地區(qū),平均濃度達(dá)到153.11μg/m3;京津冀魯南部地區(qū)、江蘇地區(qū)和浙江部分城市處在第三級(jí)污染水平,冬季平均PM2.5濃度在86.87—156.63μg/m3;東北重點(diǎn)城市、河北省北部、山西省南部、山東省東部是中國(guó)北方污染相對(duì)最低的一組城市,平均冬季日PM2.5濃度仍是世界衛(wèi)生組織標(biāo)準(zhǔn)(10μg/m3)的8倍;最后,中國(guó)南方各重點(diǎn)城市冬季PM2.5濃度為66.03μg/m3,是全國(guó)污染水平最低的一組城市,且與北方城市在地域上存在明顯的分界。

圖4　中國(guó)各重點(diǎn)城市2013年冬季PM2.5濃度聚類分析圖Fig.4　Results of group analysis on mean PM2.5 concentration in major cities of China during the winter of 2013

2.2人口規(guī)模同大氣污染物濃度的關(guān)系

截止2010年中國(guó)常住人口總數(shù)為13.71億人,城鎮(zhèn)人口6.66億人,占總?cè)丝?9.68%。拉薩市是人口最少的地級(jí)市,共55.94萬人。人口最多的是重慶市,共2884.62萬人。

2.2.1不同人口規(guī)模城市大氣污染物濃度

常住人口規(guī)模小于200萬人的城市冬季平均NO2濃度為42.14μg/m3;常住人口規(guī)模在400萬人到600萬人的城市冬季平均NO2濃度為48.69μg/m3;常住人口規(guī)模在800萬人到1000萬人的城市冬季平均NO2濃度為58.05μg/m3;常住人口規(guī)模在1000萬人到1200萬人的城市冬季平均NO2濃度為69.28μg/m3;人口規(guī)模大于1200萬人的城市冬季平均NO2濃度為55.38μg/m3。隨著人口規(guī)模的增加各城市冬季平均NO2濃度逐漸增加,但人口規(guī)模大于1200萬人的城市冬季平均NO2濃度低于人口規(guī)模在1000—1200萬人城市冬季平均NO2濃度(圖5)。常住人口規(guī)模小于200萬人的城市冬季平均PM2.5濃度為73.50μg/m3;常住人口規(guī)模在400萬人到600萬人的城市冬季平均PM2.5濃度為112.28μg/m3;常住人口規(guī)模在800萬人到1000萬人的城市冬季平均PM2.5濃度最高(119.58μg/m3);常住人口規(guī)模大于1200萬人的城市冬季平均PM2.5濃度為106.10μg/m3,低于人口規(guī)模在800萬人到1200萬人之間的兩組城市冬季平均PM2.5濃度(圖5)。

圖5　人口規(guī)模同大氣污染物濃度的關(guān)系Fig.5　Relationship between air pollutant concentration and the total population of permanent residents

圖6　人口規(guī)模同大氣污染物濃度的相關(guān)性Fig.6　Correlation between air pollutant concentration and the total population of permanent residents

2.2.2人口規(guī)模同大氣污染物濃度的相關(guān)性

常住人口總數(shù)在1200萬人以下的重點(diǎn)城市,NO2濃度同城市人口總數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖6),相關(guān)系數(shù)r=0.44(P<0.01)。冬季PM2.5濃度同城市的人口規(guī)模也呈顯著正相關(guān)(PM2.5：r=0.43,P<0.01)。人口總數(shù)在1200萬人以上的大城市如北京、天津、上海、重慶等,人口規(guī)模同NO2濃度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為r=-0.91(P<0.05)。總?cè)丝跀?shù)在1200萬人以上的城市人口規(guī)模同PM2.5濃度雖然無顯著負(fù)相關(guān),但仍能從上圖中看出其相對(duì)下降的變化趨勢(shì)。

圖7　人口密度同大氣污染物濃度的相關(guān)性Fig.7　Correlation between air pollutant concentration and the population density of permanent residents

2.2.3人口密度同大氣污染物濃度的相關(guān)性

常住人口密度在1000人/ km2以下的重點(diǎn)城市,NO2濃度同城市人口密度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖7),相關(guān)系數(shù)r=0.23(P<0.05)。冬季PM2.5濃度同城市的人口規(guī)模也呈顯著正相關(guān)(r=0.36,P<0.01)。常住人口密度在1000人/km2以上的城市人口密度同NO2濃度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為r=-0.61(P<0.01)。PM2.5濃度同人口密度也呈顯著負(fù)相關(guān)(r=0.63,P<0.01)。

3　分析和討論

冬季各重點(diǎn)城市污染物(尤其是PM2.5)濃度分布具有明顯的區(qū)域性特征。NO2和PM2.5的區(qū)域性分布既有差異性,又有相似性。NO2的重點(diǎn)防治區(qū)域?yàn)樘旖?、河北東南部和山東中部地區(qū),所以應(yīng)重點(diǎn)調(diào)整該地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),減少工業(yè)燃煤量和農(nóng)村用煤量[17];拉薩、貴陽、玉溪等城市污染濃度最低,主要是因?yàn)樵搮^(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和能源消耗相對(duì)較低[14]。PM2.5的重點(diǎn)防治區(qū)域?yàn)楹颖蔽髂喜亢蜕綎|西部,積極推進(jìn)大氣污染聯(lián)防聯(lián)控工作,重點(diǎn)控制燃煤、交通排放、工業(yè)排放[18- 20],完善區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)管體系,可以有效改善該地區(qū)的PM2.5污染;由于冬季供暖燃燒大量的煤,南方地區(qū)冬季PM2.5濃度明顯低于北方城市;另外,受到空氣濕度和降雨量影響,內(nèi)陸城市的PM2.5濃度高于沿海城市。河北省西南部和陜西省中部既是NO2濃度的高值區(qū)也是PM2.5濃度的高值區(qū),在該區(qū)域極易形成多種污染物復(fù)合污染的現(xiàn)象,需要進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和治理。同時(shí)從以上結(jié)果看出,NO2和PM2.5兩種污染物的區(qū)域分布特點(diǎn)有一些差異,需要針對(duì)不同的污染物分別設(shè)立聯(lián)防聯(lián)控單元。大氣污染的聯(lián)防聯(lián)控相比屬地特征的環(huán)境管理制度是我國(guó)大氣污染治理的重大進(jìn)步,而真正實(shí)現(xiàn)區(qū)域間的聯(lián)防聯(lián)控還需要進(jìn)一步了解大氣污染物在區(qū)域間的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律以及不同控制措施的影響范圍問題?？傊畬?shí)現(xiàn)區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控是環(huán)境工作者的一項(xiàng)艱巨但必須完成的任務(wù)。

城市人口規(guī)模的增大并不一定導(dǎo)致空氣質(zhì)量的降低。通常情況下,人口規(guī)模的增加就意味著人類活動(dòng)強(qiáng)度的增加和能源消耗的增加,城市地區(qū)的空氣質(zhì)量也會(huì)隨之降低。從本文的研究結(jié)果來看,當(dāng)人口規(guī)模小于1200萬人時(shí)城市污染物濃度隨城市規(guī)模的增加而升高,但當(dāng)人口規(guī)模達(dá)到1200萬人以后,污染物的濃度反而隨之降低。該變化趨勢(shì)同20世紀(jì)90年代G·Grossman和A·Kureger[21]就提出的Kuznets曲線相似,隨著城市發(fā)展環(huán)境污染越來越嚴(yán)重,但當(dāng)達(dá)到一定限值以后城市的發(fā)展反而能夠起到抑制污染的作用。這是因?yàn)榇笠?guī)模城市環(huán)保治理投入高,環(huán)保技術(shù)強(qiáng)且認(rèn)識(shí)比較早,人口集約化程度高,通過嚴(yán)格約束企業(yè)工業(yè)排放,增加集中供暖、改善汽車排放、減少低空排放、基建施工、道路揚(yáng)塵等措施,污染物濃度反而降低。而且大城市人口規(guī)模的增加有利于科學(xué)技術(shù)水平不斷提高和減少單位GDP工業(yè)污染排放強(qiáng)度,從而降低城市的大氣污染程度[22]。為不斷降低大氣污染水平,城市需要制定人口規(guī)劃,合理的人口規(guī)劃也可以有效的降低城市的大氣污染水平,但是盲目的人口規(guī)劃不僅起不到降低大氣污染物濃度的目的,甚至可能導(dǎo)致更嚴(yán)重的污染。大城市人口規(guī)模的增加能夠減少單位GDP工業(yè)污染排放強(qiáng)度[23],當(dāng)前中國(guó)一味通過行政手段阻礙人口向大城市集聚的政策并不一定利于現(xiàn)實(shí)既定的減排目標(biāo)。我國(guó)很大一部分中小城市的大氣污染程度仍隨人口規(guī)模增加而增加。如果這些中小城市不能及時(shí)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、提高能源利用效率和加大環(huán)保投入,繼續(xù)走“先二產(chǎn)后三產(chǎn)”發(fā)展路線,就很有可能造成新一輪的污染危機(jī)。因此形成完整的城市發(fā)展與污染控制理論體系,使更多的城市能處在倒“U”形曲線的下降階段是我國(guó)進(jìn)一步進(jìn)行大氣污染防治的重要工作。

4　結(jié)論

本文率先采用重點(diǎn)城市兩種典型大氣污染物-NO2(傳統(tǒng))和PM2.5(新型)-濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析了其空間分布特征,并進(jìn)一步定量解析了城市人口規(guī)模和污染物濃度的關(guān)系。得到了以下主要結(jié)論：

(1)各重點(diǎn)城市冬季NO2和PM2.5濃度的空間分布具有明顯的區(qū)域特點(diǎn)。其中NO2的空間分布相對(duì)比較分散,PM2.5的空間分布有明顯的“北高南低、內(nèi)陸高沿海低”趨勢(shì)。

(2)總體上城市人口規(guī)模越大,冬季NO2和PM2.5濃度越高;然而總?cè)丝谠?200萬人以上的城市,冬季NO2和PM2.5的濃度隨人口規(guī)模的增加而下降。

[1]張衍燊, 馬國(guó)霞, 於萬, 曹東. 2013年1月灰霾污染事件期間京津冀地區(qū)PM2.5污染的人體健康損害評(píng)估. 中華醫(yī)學(xué)雜志, 2013, 93(34): 2707- 2710.

[2]王金南, 寧淼, 孫亞梅. 區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控的理論與方法分析. 環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展, 2012, 37(5): 5- 10.

[3]徐中民, 程國(guó)棟, 邱國(guó)玉. 可持續(xù)性評(píng)價(jià)的ImPACTS等式. 地理學(xué)報(bào), 2005, 60(2): 198- 208.

[4]Zhu C W, Wang B, Qian W H. Why do dust storms decrease in northern China concurrently with the recent global warming? Geophysical Research Letters, 2008, 35(18): L18702.

[5]王立猛, 何康林. 基于STIRPAT模型的環(huán)境壓力空間差異分析——以能源消費(fèi)為例. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 28(5): 1032- 1037.

[6]Luís M A B, José L, Dirk H, Christian K, Geoffrey B W. Growth, innovation, scaling, and the pace of life in cities. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2007, 104(17): 7301- 7306.

[7]Lamsal L N, Martin R V, Parrish D, Krotkov N A. Scaling relationship for NO2pollution and urban population size: a satellite perspective. Environmental Science & Technology, 2013, 47(14): 7855- 7861.

[8]Han L J, Zhou W Q, Li W F, Li L. Impact of urbanization level on urban air quality: a case of fine particles (PM2.5) in Chinese cities. Environmental Pollution, 2014, 194: 163- 170.

[9]王小魯. 中國(guó)城市化路徑與城市規(guī)模的經(jīng)濟(jì)學(xué)分析. 經(jīng)濟(jì)研究, 2010, (10): 20- 33.

[10]北京社會(huì)科學(xué)院. 城市人口規(guī)模與容量的理論思考. 北京社會(huì)科學(xué), 2000, (1): 23- 20.

[11]俞燕山. 我國(guó)城鎮(zhèn)的合理規(guī)模及其效率研究. 經(jīng)濟(jì)地理, 2000, 20(2): 84- 89.

[12]許文雯. 基于水環(huán)境容量的無錫市區(qū)城市規(guī)模預(yù)測(cè)研究[D]. 南京: 南京大學(xué), 2012.

[13]何友江. 2002年我國(guó)城市大氣環(huán)境污染的區(qū)域性特征研究[D]. 南京: 南京信息工程大學(xué), 2005.

[14]郭曉茆. 對(duì)我國(guó)大氣污染自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)的思考. 中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè), 1990, (2): 63- 66.

[15]Juan C D, Raúl R, Jordi S. Supervised regionalization methods: a survey. International Regional Science Review, 2007, 30(3): 195- 220.

[16]李達(dá), 王春曉. 我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與大氣污染物排放的關(guān)系—基于分省面板數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)研究. 財(cái)經(jīng)科學(xué), 2007, (2): 43- 50.

[17]稂小洛, 曹國(guó)良, 黃學(xué)敏. 中國(guó)區(qū)域氮氧化物排放清單. 環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展, 2008, (6): 19- 22.

[18]田謐. 京津冀地區(qū)霾污染過程大氣PM2.5及前體物變化特征研究[D]. 北京: 北京化工大學(xué), 2013.

[19]魏文秀. 河北省霾時(shí)空分布特征分析. 氣象, 2010, 36(3): 77- 82.

[20]楊凌霄. 濟(jì)南市大氣PM2.5污染特征、來源解析及其對(duì)能見度的影響[D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué), 2008.

[21]Gene M G, Alan B K. Economic growth and the environment. The Quarterly Journal of Economics, 1995, 110(2): 353- 377.

[22]John A L, Craig A G. The environmental Kuznets curve: does one size fit all? Ecological Economics, 1999, 31(3): 409- 423.

[23]陸銘, 馮皓. 集聚與減排: 城市規(guī)模差距影響工業(yè)污染強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)研究. 世界經(jīng)濟(jì), 2014, (7): 86- 114.

Impact of urban population on concentrations of nitrogen dioxide (NO2) and fine particles (PM2.5) in China

ZHANG Shuping1,2, HAN Lijian1, ZHOU Weiqi1,*,LI Weifeng1

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

With the accelerated urbanization, air pollution at different areas and ways to reduce it in the major cities of China has been a growing concern. Recently, research on setting the largest cutoff for the increase in population and promoting the development of small-scale cities may effectively reduce air pollution in cities. While these measurements still need validation, our research addressed this issue in cities at different scales. Additionally, NO2and PM2.5, which represent traditional photochemical smog and new-type haze, respectively, are taken as indicators of urban air quality. We selected the real-time ground-measured air pollutant records, which are closer to the actual exposure concentrations experienced by urban inhabitants as compared to other ways of obtaining air pollution records (e.g., modeling and remote sensing). We examined the spatial patterns of NO2and PM2.5concentrations in 114 major cities in China during the winter of 2013—2014 with the real-time monitoring records that have seldom been applied at the national scale in previous researches. Then, we examined the spatial pattern of the two air pollutants, and the relationship between urban population size and the concentrations of the two air pollutants. We found that (1) only 21% (23 cities) of the cities that have NO2concentration beyond the air quality guideline of World Health Organization (AQG of WHO; 40 μg/m3), and no city was found with PM2.5concentration within the AQG of WHO (10 μg/m3). (2) The spatial distributions of the two pollutants had distinct regional characteristics; compared with NO2, PM2.5distribution has a distinctive and clear pattern, i.e., the northern part has higher concentrations than the southern part, and the inland part is higher than the eastern coast of China. Special prevention and control measures against heavy NO2pollution should be taken at Tianjin, the southeast of Hebei and the middle of Shandong. On the other hand, special prevention and control should be taken against heavy PM2.5pollution at the southwest of Hebei and the west of Shandong. (3) An inverse “U” type relationship between air pollutants and urban population is observed. Cities with population between 10—12 million have the highest NO2and PM2.5concentration of 69.28μg/m3and 119.58μg/m3, respectively. (4) Significant positive correlations were obtained between the urban population and the concentrations of NO2(r=0.35,P<0.01), and PM2.5(r=0.39,P<0.05) for the cities with population less than 12 million. Moreover, in the cities with population more than 12 million, the size of urban population had a significantly negative correlation with the concentration of NO2(r=0.58,P<0.05) and PM2.5. (5). While the positive correlation of NO2and PM2.5with the population density is significant for cities with population density less than 1000 persons per square kilometer (NO2:r=0.23,P<0.05; PM2.5:r=0.36,P<0.01), the negative correlation of NO2and PM2.5with the population density is significant for cities with population density more than 1000 persons per square kilometer (NO2:r=-0.61,P<0.05; PM2.5:r=0.63,P<0.01). The results of this study have provided important insights on areas with “traditional” and “new-type" air pollutants as well as the design for joint prevention and control unit. It also provides a theoretical basis for the opinion that many effective measures, except limiting the population of cities, should be explored and adapted to control air pollution.

air pollution; NO2; PM2.5; major cities; spatial pattern; urban size

自然科學(xué)基金青年基金(41301199);中國(guó)科學(xué)院“一三五”重點(diǎn)培養(yǎng)項(xiàng)目(YSW2013B04)

2015- 02- 05;

2016- 03- 21

Corresponding author.E-mail: wzhou@rcees.ac.cn

10.5846/stxb201502050292

張淑平,韓立建,周偉奇,李偉峰.城市規(guī)模對(duì)大氣污染物NO2和PM2.5濃度的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(16):5049- 5057.

Zhang S P, Han L J, Zhou W Q,Li W F.Impact of urban population on concentrations of nitrogen dioxide (NO2) and fine particles (PM2.5) in China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(16):5049- 5057.