盧亞靈，蔣洪強，劉年磊，程 曦，冶偉峰

1.環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院 國家環(huán)境保護環(huán)境規(guī)劃與政策模擬重點實驗室，北京 100012 2.中國人民大學環(huán)境學院，北京 100872

基于新空氣質量標準的全國大氣環(huán)境承載力評價

盧亞靈1，蔣洪強1，劉年磊1，程 曦1，冶偉峰2

1.環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院 國家環(huán)境保護環(huán)境規(guī)劃與政策模擬重點實驗室，北京 100012 2.中國人民大學環(huán)境學院，北京 100872

隨著中國環(huán)境問題特別是大氣環(huán)境問題的凸顯，環(huán)境承載能力研究成為國內(nèi)各界關注的熱點。采用大氣污染物年均質量濃度與新的空氣質量標準比較的方法即超標倍數(shù)法，對全國330個地級城市進行大氣環(huán)境承載力評價。評價結果表明，有70%的城市大氣環(huán)境超載，大氣環(huán)境承載形勢嚴峻。超載最嚴重地區(qū)為京津冀及周邊區(qū)域，長三角地區(qū)、中部大部分地區(qū)。PM2.5為大多數(shù)重點城市超載的首要污染物。通過對比大氣環(huán)境承載指數(shù)與污染物排放總量、污染排放強度、人口、第二產(chǎn)業(yè)、地形、氣象等因素的相關關系發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)主要影響因素不同，應該采取分區(qū)域、季節(jié)等差別化手段控制污染物排放，提高環(huán)境承載能力。

承載力；大氣環(huán)境；空氣質量標準；相關系數(shù)；全國

Abstract:With the outbreak of environmental problems in China, especially the atmospheric environmental problems, environmental carrying capacity has become the focus of our government departments and academics. The carrying capacity of 330 prefecture level cities in China was evaluated by comparing the average annual mass concentration of air pollutants with the new environmental quality standards. Evaluation result showed that 70% cities in China are overloaded. The most serious overloading areas include the Beijing-Tianjin-Hebei region and its surrounding areas, the Yangtze River Delta region, and most parts of the Central region. PM2.5is the primary pollutant of most cities. By comparing the correlation coefficients between atmospheric environment carrying index and pollutant emissions, unit land emissions intensity, population, the second industry, terrain and weather related factors, found that the main impact factors of different regions are different. There should be the regional and seasonal control measures of pollutant emissions to improve the environmental carrying capacity.

Keywords:carrying capacity;atmospheric environment;air quality standard;correlation coefficient;China

近幾十年來，中國經(jīng)濟發(fā)展過度依賴高資源消耗、高污染排放的粗放型發(fā)展方式，導致環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題突出，資源環(huán)境越來越成為經(jīng)濟社會發(fā)展的制約瓶頸，深刻影響著國內(nèi)現(xiàn)代化進程。黨的十八屆三中全會通過的《中共中央關于全面深化改革若干重大問題的決定》明確指出，要“建立資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預警機制，對水土資源、環(huán)境容量和海洋資源超載區(qū)域實行限制性措施”。該工作已成為全面深化改革的一項創(chuàng)新性工作[1]。環(huán)境承載能力作為資源環(huán)境承載能力的重要組成部分，對于轉變經(jīng)濟發(fā)展方式、優(yōu)化國土空間格局、推進可持續(xù)發(fā)展具有重大意義[2]。

承載力最初被引進區(qū)域系統(tǒng)，是在生態(tài)學中的應用，其含義是在某種環(huán)境條件下，某種生物個體可存活的最大數(shù)量的潛力[3]。后來承載力概念又逐漸應用到自然-社會系統(tǒng)中的人口、資源利用、環(huán)境方面[4]。環(huán)境領域，承載力是指在一定時期、一定狀態(tài)或條件下、一定的區(qū)域范圍內(nèi)，在維持區(qū)域環(huán)境系統(tǒng)結構不發(fā)生質的變化、環(huán)境功能不遭受破壞的前提下，區(qū)域環(huán)境系統(tǒng)所能承受的人類各種社會經(jīng)濟活動的能力[5]。大氣環(huán)境承載力是環(huán)境承載力的一個子概念。根據(jù)相關研究，大氣環(huán)境承載力可定義為在某一時期，某一區(qū)域，在某種狀態(tài)下環(huán)境對人類活動所排放的大氣污染物的最大可能負荷的支撐能力[6]。

20世紀90年代，國內(nèi)就有學者對大氣環(huán)境承載力進行研究，把環(huán)境單元大氣所能承納的污染物最大排放量作為大氣環(huán)境承載力[7]。通過在知網(wǎng)查詢得知，大氣環(huán)境承載力研究主要應用于環(huán)境影響評價[8]和區(qū)域尺度的承載力分析[9]。所用方法基本分為3類：第一類是構建與大氣環(huán)境相關指數(shù)，主要是從大氣環(huán)境、污染控制、社會經(jīng)濟等方面構建指標體系，通過指數(shù)加權得出大氣環(huán)境承載力[10-11]。第二類是以環(huán)境容量[12]或大氣污染物排放量與環(huán)境容量比較[13-15]衡量承載力。第三類是通過大氣環(huán)境質量監(jiān)測數(shù)據(jù)與相關閾值(一般是環(huán)境質量標準)比較[9,16]作為承載力的指數(shù)。這3類方法各有優(yōu)缺點，有不同的適用范圍。指數(shù)方法計算方法簡單，但指數(shù)體系構建沒有統(tǒng)一標準，且與目前環(huán)保部門的質量總量雙控難以掛鉤；環(huán)境容量方法可與環(huán)保部門的總量控制掛鉤，但是計算結果存在較大不確定性，且目前流行以PM2.5達標為約束的容量計算方法[17]難度較大，不適用于計算單元較多的情形；環(huán)境質量標準方法可以準確反映環(huán)境空氣質量狀態(tài)與閾值的關系，計算簡單，缺點是難以與總量控制掛鉤，但可以輔以其他方法分析污染物濃度受其他要素的影響[18-19]。

由于本研究的評價單元為330個地級市，故采用第3種方法進行大氣環(huán)境承載力評價具有較大可操作性。鑒于新的《環(huán)境空氣質量標準》(GB 3095—2012)比1996版趨嚴，依據(jù)前者進行全國范圍評價，不達標和超載城市會增多[20]，計算結果會更符合新形勢的環(huán)保要求。為彌補環(huán)境質量標準方法的不足，結合污染排放、社會經(jīng)濟、地形、氣象等要素進行超載成因分析，并提出針對性建議。

1 評價方法與數(shù)據(jù)

1.1評價指標體系

主要根據(jù)城市大氣環(huán)境質量監(jiān)測要素確定評價指標體系。由于新的《環(huán)境空氣質量標準》(GB 3095—2012)實施時間不同，2013年只有京津冀、長三角、珠三角區(qū)域及直轄市、省會城市和計劃單列市等74個重點城市實施新的標準，評價指標包括SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5，相應城市的大氣環(huán)境承載力評價指標也包括這6項；其余256個城市只監(jiān)測評價SO2、NO2、PM103個指標，大氣環(huán)境承載力評價指標只包括這3項。見圖1。

圖1 大氣環(huán)境承載力評價指標Fig.1 Evaluation index system of atmospheric environmental carrying capacity

1.2評價方法

環(huán)境超載倍數(shù)評價是目前比較流行的一種環(huán)境承載水平評價方法。超載倍數(shù)是指污染物質量濃度與該區(qū)域環(huán)境承載量閾值的比較值，環(huán)境承載量閾值是理論最佳值或預期要達到的目標值(用環(huán)境質量標準限值表示，這里用GB 3095—2012標準中的二級標準限值)。應用該種方法進行環(huán)境承載力評價，可以從評價結果清晰地看出某地區(qū)的環(huán)境質量現(xiàn)狀與理想值或目標值的差距，從而進行承載能力的綜合評估或監(jiān)測預警。

1)單指標大氣環(huán)境承載力評價

以各地級市主要大氣污染物的年均質量濃度(其中CO為24 h平均濃度的95百分位，O3為日最大8 h平均濃度的90百分位)與各項污染物的標準限值之差作為大氣環(huán)境超標量，以各項污染物的二級標準限值來表征環(huán)境系統(tǒng)所能承受人類各種社會經(jīng)濟活動的閾值，不同城市各項污染指標的環(huán)境超載倍數(shù)計算公式如下：

R氣ij=Cij/Si-1

(1)

式中：R氣ij為城市j的某種污染物i的超載倍數(shù)即污染物i的環(huán)境承載力指數(shù)；Cij為其年均質量濃度監(jiān)測值；Si為該污染物濃度二級標準限值。i=1,2,3,4,5,6，分別代表SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5(其中，74個重點城市為6種污染物指標，其余256個一般城市為SO2、NO2、PM103種污染物)。

2)大氣環(huán)境綜合承載力

R氣j=max(R氣ij)

(2)

式中：R氣j為城市j的大氣綜合環(huán)境承載力指數(shù)，其值為6項大氣污染物超載倍數(shù)的最大值。

3)閾值劃定

已有文獻鮮有專門針對承載力閾值確定的定量方法研究，大多是對其進行主觀判斷，如劉龍華等[14]以超載率(排放量/環(huán)境容量-1)表征大氣環(huán)境承載指數(shù)，然后將大氣環(huán)境承載指數(shù)劃分為嚴重超載(>1)、超載(1～0)、臨界超載(0～-0.4)、中等承載(-0.4～- 0.7)和高承載(<-0.7)5個等級。張靜等[16]采用等距離方法將大氣環(huán)境承載力綜合指標劃分為5個等級。本研究將承載狀態(tài)劃分為3個等級，分別為不超載、臨界超載、超載。“0”為超載臨界點，其已經(jīng)獲得學界認可；相關文獻和專家建議，不超載與臨界超載的閾值定為-0.2。

1.3數(shù)據(jù)來源

收集環(huán)保部門監(jiān)測的全國各地級市2013年SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5等主要污染物的年均質量濃度數(shù)據(jù)作為承載力評價的基礎數(shù)據(jù)。進一步分析超載成因的數(shù)據(jù)：各市SO2、NOx、煙粉塵排放數(shù)據(jù)來自環(huán)境統(tǒng)計；人口、第二產(chǎn)業(yè)增加值來自統(tǒng)計年鑒和政府工作報告、統(tǒng)計公報等；地形數(shù)據(jù)來自中科院地理所數(shù)據(jù)中心；氣象數(shù)據(jù)來自氣象部門的中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。

2 結果與討論

2.1評價結果

2.1.1 綜合評價結果

根據(jù)上述評價方法，分別對2013年74個重點城市的6種大氣污染物和256個一般城市的3種大氣污染物承載力進行評價，計算結果如圖2所示。評價結果表明，全國大部分城市大氣環(huán)境為超載，空氣質量形勢嚴峻。超載最嚴重地區(qū)分布在京津冀及其周邊山東、河南等地，長三角地區(qū)、北部的新疆、甘肅、吉林、遼寧，中部和南部的山西、陜西、湖北、湖南、貴州、重慶等省市也普遍超載。海南、云南空氣質量相對較好，大部分城市都不超載，廣東、四川、黑龍江、內(nèi)蒙古、新疆個別城市不超載。包括北部灣在內(nèi)的南部沿海、甘肅和陜西南部、東北三省和內(nèi)蒙古北部一些城市不超載，但為臨界狀態(tài)，需要引起重視，避免空氣質量惡化。

注：底圖源自國家測繪地理信息局標準地圖服務網(wǎng)站(http://bzdt.nasg.gov.cn:8080/)下載的1∶3 200萬中國地圖，審圖號為GS(2016)1569號，下載日期為2017-04-17。圖2 大氣環(huán)境承載力評價結果Fig.2 Evaluation results of atmospheric environmental bearing capacity in China

全國330個地級城市和74個重點城市及其他256個城市的大氣環(huán)境承載統(tǒng)計情況如表1所示。330個地級城市中，大氣環(huán)境承載力水平最好的10個城市為香格里拉、三亞、普洱、大理、烏蘭浩特、黑河、黃南、阿勒泰、梅州市、楚雄。香格里拉、三亞、普洱的承載力指數(shù)分別為-0.66、-0.57、-0.53，空氣質量形勢很好。這3個城市都在國內(nèi)西南或南部，且均為旅游城市，區(qū)域內(nèi)工業(yè)和人口都相對較少。其他7個城市也大多位于西部或南部。承載形勢很差的城市(承載力指數(shù)大于1)有59個，其中最差的10個城市為喀什、和田、邢臺、石家莊、邯鄲、保定、衡水、唐山、阿圖什、阿克蘇，這些城市集中在河北和新疆，有很大一部分以高能耗的重工業(yè)為主。

表1 大氣環(huán)境承載力評價綜合排名

2.1.2 單指標評價結果

對于74個監(jiān)測了SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.56個指標的重點城市(表2)，導致大部分城市大氣環(huán)境承載力超載嚴重的單指標分別為PM2.5、PM10、NO2，其中PM2.5為影響這些城市超載的首要污染物。PM2.5不超載的城市只有?？诤屠_，臨界超載的城市為舟山，其他71個城市全部超載；PM10不超載的城市為?？冢幱谂R界狀態(tài)的城市為舟山、珠海、惠州、深圳、廈門、拉薩、福州、東莞、中山、麗水，其他63個城市全部超載；NO2不超載的城市為?？凇⒅凵?、拉薩、泰州、惠州、鹽城、大連、滄州、麗水、張家口、淮安，臨界狀態(tài)的城市有18個，其他45個城市超載。PM2.5、PM10、NO2不超載的城市絕大多數(shù)位于東部沿海和西南的拉薩。SO2、CO、O3超載城市個數(shù)相對較少。

對于只監(jiān)測評價了SO2、NO2、PM10的256個城市(表3)，PM10超載城市最多，是影響這些城市超載的首要污染物，其次是NO2，SO2超載城市個數(shù)最少。PM10有64%的城市超載，21%的城市臨界超載。超載城市在全國各地區(qū)都有分布，超載最嚴重城市集中在新疆和山東，不超載和臨界的城市主要分布在西南、南部沿海和東北地區(qū)。NO2有35個城市超載，臨界城市有50個，不超載城市有171個，形勢最好的城市集中在西南地區(qū)。SO2超載城市共21個，超載城市主要分布在中北部地區(qū)，尤以山東、河南、山西為最。

表3 256個一般城市各污染物環(huán)境承載力統(tǒng)計與排名

2.2超載影響因素分析

影響大氣環(huán)境超載的因素很多，包括人為因素和自然因素。從這兩個角度構建指標體系，與綜合承載指數(shù)進行相關系數(shù)計算，分析不同因素對大氣環(huán)境承載的影響。人為因素指標選取污染排放總量(SO2、NOx、煙粉塵排放量)、單位國土面積污染物排放強度(SO2、NOx、煙粉塵排放強度)、其他重要社會經(jīng)濟指標(年末總人口、第二產(chǎn)業(yè)增加值)，自然因素包括地形(用起伏度表征)、氣象(年均氣壓、年均相對濕度、年均降水量、年均風速)等。由于中國幅員遼闊，不同地區(qū)自然條件、社會經(jīng)濟發(fā)展水平和大氣污染差異較大，因此根據(jù)七大地理分區(qū)，將以上330個城市劃分為東北、華北、華中、華東、華南、西南、西北七大分區(qū)(東北地區(qū)包括遼寧、吉林、黑龍江和內(nèi)蒙古東部，華北地區(qū)包括河北、山西、北京、天津和內(nèi)蒙古中部，華中地區(qū)包括湖北、湖南、河南，華東地區(qū)包括江蘇、浙江、安徽、福建、江西、山東、上海和臺灣，華南地區(qū)包括廣東、廣西、海南、香港和澳門特區(qū)，西南地區(qū)包括四川、云南、貴州、重慶、西藏自治區(qū)，西北地區(qū)包括寧夏回族自治區(qū) 、新疆維吾爾自治區(qū)、青海、陜西、甘肅)，分別進行研究。

表4為不同地區(qū)大氣環(huán)境承載指數(shù)與其他因素的相關系數(shù)。

表4 不同區(qū)域大氣環(huán)境承載指數(shù)與其他因素的相關性a

注：“*”表示相關性在0.05的水平顯著； “**”表示在0.01的水平顯著；“a”表示污染排放總量為工業(yè)、生活、機動車3種來源的污染物排放量；污染排放強度=污染物排放總量/所在區(qū)域國土面積；起伏度通過計算某一DEM柵格數(shù)據(jù)一定鄰域范圍內(nèi)最大高程與最小高程的差值得到；氣象數(shù)據(jù)為各城市所在氣象站點1981—2010年累年均值數(shù)據(jù)。

從表4可以看出，東北地區(qū)大氣環(huán)境承載指數(shù)主要與人為因素呈正相關，特別是與NOx和煙粉塵排放總量及其排放強度的相關系數(shù)較大，與總人口的相關性也較大。以上數(shù)據(jù)表明，東北地區(qū)NOx、煙粉塵排放量的增長和人口過多因素是多數(shù)城市超載的原因。華北地區(qū)承載指數(shù)與人為因素的總人口和自然因素中的氣象因素呈顯著正相關，與第二產(chǎn)業(yè)增加值相關性也較大；與地形呈顯著負相關?？梢姡A北地區(qū)超載城市與其過多的人口和第二產(chǎn)業(yè)相關。與自然環(huán)境也有相關性，地形起伏大的地區(qū)(華北北部，如內(nèi)蒙古東部城市和張家口、承德等)承載指數(shù)相對較小，反之，地形起伏小的地區(qū)承載指數(shù)較大；高壓控制地區(qū)大氣相對穩(wěn)定，不利于污染物擴散，承載指數(shù)也相對較大。華中地區(qū)與污染排放總量和污染排放強度呈顯著正相關，與第二產(chǎn)業(yè)增加值呈顯著正相關。表明華中地區(qū)超載城市大多是由于第二產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和過多的污染物排放導致。華東地區(qū)主要與煙粉塵排放顯著正相關。可見華東地區(qū)主要是顆粒物超標導致大多數(shù)城市超載。華南地區(qū)主要是與NOx排放呈顯著正相關。由此可知，華南地區(qū)主要是人為排放NOx較多導致部分城市顆粒物或者其他以NOx為前體物的污染物超載。西南地區(qū)與第二產(chǎn)業(yè)增加值呈顯著正相關。西北地區(qū)與各指標的相關性都較小。

2.3限制性措施建議

通過第2.2小節(jié)的分析可知，地形和氣象等自然因素對國內(nèi)部分地區(qū)影響較為顯著。華北地區(qū)的大氣承載指數(shù)對地形地貌較為敏感，高起伏度地區(qū)有利于大氣污染擴散，低起伏度的平坦地形在一定程度上加重了大氣污染和大氣環(huán)境超載。華北地區(qū)需要在地形平坦和復雜地區(qū)平衡產(chǎn)業(yè)和人口等布局，淘汰或搬遷平坦地區(qū)的重污染產(chǎn)業(yè)，減少污染排放和積累。華北地區(qū)對氣象條件中的氣壓、氣溫和相對濕度也較為敏感，因此在不利氣候條件下(高壓控制或氣溫、濕度過大)，應當減少污染物排放。華中、華東地區(qū)與濕度呈負相關，因此在降水量較少時應減少污染物排放。

人為因素是大氣環(huán)境超載更為重要的因素。華中和西南地區(qū)與第二產(chǎn)業(yè)相關性較大，因此應優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構與布局，淘汰高能耗重污染行業(yè)。華北和東北地區(qū)城市對人口更敏感，應控制大城市人口增長及與之相關的機動車、揚塵污染排放。大多數(shù)區(qū)域對污染物排放總量和排放強度敏感，因此應控制污染排放，降低單位國土面積的排放量。中國能源消費量大，以煤炭為主的不合理能源消費結構是國內(nèi)大部分地區(qū)大氣污染超標的主要原因之一。東北、華中、華東地區(qū)應重點針對高能耗、重污染產(chǎn)業(yè)進行調(diào)整，減少煤炭煙粉塵排放。

隨著各大城市機動車保有量的增加，很多城市特別是東部城市的空氣污染呈現(xiàn)復合型特征。機動車保有量的激增與較差的燃油品質，使NOx、VOCs等污染物排放量不斷增長，O3、PM2.5污染加劇，造成復合型污染。華中、華南地區(qū)應該控制機動車和工業(yè)NOx排放，特別是在冬春季降水量較少的季節(jié)，減少NOx等PM2.5、O3的前體物，改善城市空氣質量。

3 結論

中國大氣環(huán)境承載形勢嚴峻，大部分城市大氣環(huán)境超載。超載城市超過70%。超載最嚴重地區(qū)為京津冀及周邊地區(qū)，長三角地區(qū)、中部大部分地區(qū)及西北的新疆、甘肅等超載也較嚴重。西南地區(qū)、南部的海南等大部分城市空氣質量較好，大氣環(huán)境不超載。超載嚴重的污染物為顆粒物，PM2.5為大多數(shù)重點城市的首要污染物，西部地區(qū)部分城市PM10超載。NO2、O3等污染形勢也不容樂觀，前者主要是大城市超載嚴重，后者是南方城市超載嚴重。香格里拉、三亞、普洱、大理、烏蘭浩特、黑河、黃南、阿勒泰、梅州市、楚雄、?？凇⒗_、舟山等城市大氣環(huán)境綜合承載形勢最好?？κ病⒑吞?、邢臺、石家莊、邯鄲、保定、衡水、唐山、阿圖什、阿克蘇等城市承載形勢最差。

復雜的地形地貌和氣象條件對某些地區(qū)大氣環(huán)境具有一定影響，但是人為活動是國內(nèi)大氣環(huán)境普遍超載的主要原因。SO2、NOx、煙粉塵高排放量與高排放強度、大氣環(huán)境承載指數(shù)具有一定相關性。能源消費量大，以煤炭為主的不合理能源消費結構是大氣污染物排放量大的主要原因之一，隨著各大城市機動車保有量的增加，“大城市病”導致的復合污染也越來越嚴重。應該結合地形、氣象條件，分區(qū)域、分季節(jié)進行差異化的污染排放控制，降低城市大氣超載水平，提高環(huán)境承載能力。

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TheCarryingCapacityAssessmentoftheNationalAtmosphericEnvironmentBasedontheNewAirQualityStandards

LU Yaling1, JIANG Hongqiang1, LIU Nianlei1, CHENG Xi1, YE Weifeng2

1.State Environmental Protection Key Laboratory of Environmental Planning and Policy Simulation, Chinese Academy for Environmental Planning, Beijing 100012, China 2.School of Environment and Nature Resources,Renmin University of China, Beijing 100872, China

X823

A

1002-6002(2017)03- 0065- 08

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.03.10

2016-03-03;

2016-04-06

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費(201209037)

盧亞靈(1984-)，女，河北石家莊人，碩士，助理研究員。

蔣洪強