基于新空氣質量標準的全國大氣環境承載力評價

盧亞靈，蔣洪強，劉年磊，程 曦，冶偉峰

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

基于新空氣質量標準的全國大氣環境承載力評價

盧亞靈1，蔣洪強1，劉年磊1，程 曦1，冶偉峰2

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

隨著中國環境問題特別是大氣環境問題的凸顯，環境承載能力研究成為國內各界關注的熱點。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法，對全國330個地級城市進行大氣環境承載力評價。評價結果表明，有70%的城市大氣環境超載，大氣環境承載形勢嚴峻。超載最嚴重地區為京津冀及周邊區域，長三角地區、中部大部分地區。PM2.5為大多數重點城市超載的首要污染物。通過對比大氣環境承載指數與污染物排放總量、污染排放強度、人口、第二產業、地形、氣象等因素的相關關系發現，不同地區主要影響因素不同，應該采取分區域、季節等差別化手段控制污染物排放，提高環境承載能力。

承載力；大氣環境；空氣質量標準；相關系數；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，中國經濟發展過度依賴高資源消耗、高污染排放的粗放型發展方式，導致環境污染和生態破壞問題突出，資源環境越來越成為經濟社會發展的制約瓶頸，深刻影響著國內現代化進程。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“建立資源環境承載能力監測預警機制，對水土資源、環境容量和海洋資源超載區域實行限制性措施”。該工作已成為全面深化改革的一項創新性工作[1]。環境承載能力作為資源環境承載能力的重要組成部分，對于轉變經濟發展方式、優化國土空間格局、推進可持續發展具有重大意義[2]。

承載力最初被引進區域系統，是在生態學中的應用，其含義是在某種環境條件下，某種生物個體可存活的最大數量的潛力[3]。后來承載力概念又逐漸應用到自然-社會系統中的人口、資源利用、環境方面[4]。環境領域，承載力是指在一定時期、一定狀態或條件下、一定的區域范圍內，在維持區域環境系統結構不發生質的變化、環境功能不遭受破壞的前提下，區域環境系統所能承受的人類各種社會經濟活動的能力[5]。大氣環境承載力是環境承載力的一個子概念。根據相關研究，大氣環境承載力可定義為在某一時期，某一區域，在某種狀態下環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，國內就有學者對大氣環境承載力進行研究，把環境單元大氣所能承納的污染物最大排放量作為大氣環境承載力[7]。通過在知網查詢得知，大氣環境承載力研究主要應用于環境影響評價[8]和區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境相關指數，主要是從大氣環境、污染控制、社會經濟等方面構建指標體系，通過指數加權得出大氣環境承載力[10-11]。第二類是以環境容量[12]或大氣污染物排放量與環境容量比較[13-15]衡量承載力。第三類是通過大氣環境質量監測數據與相關閾值(一般是環境質量標準)比較[9,16]作為承載力的指數。這3類方法各有優缺點，有不同的適用范圍。指數方法計算方法簡單，但指數體系構建沒有統一標準，且與目前環保部門的質量總量雙控難以掛鉤；環境容量方法可與環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；環境質量標準方法可以準確反映環境空氣質量狀態與閾值的關系，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種方法進行大氣環境承載力評價具有較大可操作性。鑒于新的《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)比1996版趨嚴，依據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保要求。為彌補環境質量標準方法的不足，結合污染排放、社會經濟、地形、氣象等要素進行超載成因分析，并提出針對性建議。

1 評價方法與數據

1.1評價指標體系

主要根據城市大氣環境質量監測要素確定評價指標體系。由于新的《環境空氣質量標準》(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，相應城市的大氣環境承載力評價指標也包括這6項；其余256個城市只監測評價SO2、NO2、PM103個指標，大氣環境承載力評價指標只包括這3項。見圖1。

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

1.2評價方法

環境超載倍數評價是目前比較流行的一種環境承載水平評價方法。超載倍數是指污染物質量濃度與該區域環境承載量閾值的比較值，環境承載量閾值是理論最佳值或預期要達到的目標值(用環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境承載力評價，可以從評價結果清晰地看出某地區的環境質量現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測預警。

1)單指標大氣環境承載力評價

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境超標量，以各項污染物的二級標準限值來表征環境系統所能承受人類各種社會經濟活動的閾值，不同城市各項污染指標的環境超載倍數計算公式如下：

R氣ij=Cij/Si-1

(1)

式中：R氣ij為城市j的某種污染物i的超載倍數即污染物i的環境承載力指數；Cij為其年均質量濃度監測值；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的大氣綜合環境承載力指數，其值為6項大氣污染物超載倍數的最大值。

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/環境容量-1)表征大氣環境承載指數，然后將大氣環境承載指數劃分為嚴重超載(>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境承載力綜合指標劃分為5個等級。本研究將承載狀態劃分為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數據來源

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

2 結果與討論

2.1評價結果

2.1.1 綜合評價結果

根據上述評價方法，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境為超載，空氣質量形勢嚴峻。超載最嚴重地區分布在京津冀及其周邊山東、河南等地，長三角地區、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、內蒙古、新疆個別城市不超載。包括北部灣在內的南部沿海、甘肅和陜西南部、東北三省和內蒙古北部一些城市不超載，但為臨界狀態，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個城市的大氣環境承載統計情況如表1所示。330個地級城市中，大氣環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個城市都在國內西南或南部，且均為旅游城市，區域內工業和人口都相對較少。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為主。

表1 大氣環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不超載的城市只有海口和拉薩，臨界超載的城市為舟山，其他71個城市全部超載；PM10不超載的城市為海口，處于臨界狀態的城市為舟山、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不超載的城市為海口、舟山、拉薩、泰州、惠州、鹽城、大連、滄州、麗水、張家口、淮安，臨界狀態的城市有18個，其他45個城市超載。PM2.5、PM10、NO2不超載的城市絕大多數位于東部沿海和西南的拉薩。SO2、CO、O3超載城市個數相對較少。

對于只監測評價了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。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。SO2超載城市共21個，超載城市主要分布在中北部地區，尤以山東、河南、山西為最。

表3 256個一般城市各污染物環境承載力統計與排名

2.2超載影響因素分析

影響大氣環境超載的因素很多，包括人為因素和自然因素。從這兩個角度構建指標體系，與綜合承載指數進行相關系數計算，分析不同因素對大氣環境承載的影響。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)、其他重要社會經濟指標(年末總人口、第二產業增加值)，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，不同地區自然條件、社會經濟發展水平和大氣污染差異較大，因此根據七大地理分區，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(東北地區包括遼寧、吉林、黑龍江和內蒙古東部，華北地區包括河北、山西、北京、天津和內蒙古中部，華中地區包括湖北、湖南、河南，華東地區包括江蘇、浙江、安徽、福建、江西、山東、上海和臺灣，華南地區包括廣東、廣西、海南、香港和澳門特區，西南地區包括四川、云南、貴州、重慶、西藏自治區，西北地區包括寧夏回族自治區 、新疆維吾爾自治區、青海、陜西、甘肅)，分別進行研究。

表4為不同地區大氣環境承載指數與其他因素的相關系數。

表4 不同區域大氣環境承載指數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、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/所在區域國土面積；起伏度通過計算某一DEM柵格數據一定鄰域范圍內最大高程與最小高程的差值得到；氣象數據為各城市所在氣象站點1981—2010年累年均值數據。

從表4可以看出，東北地區大氣環境承載指數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較大，與總人口的相關性也較大。以上數據表明，東北地區NOx、煙粉塵排放量的增長和人口過多因素是多數城市超載的原因。華北地區承載指數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，與第二產業增加值相關性也較大；與地形呈顯著負相關。可見，華北地區超載城市與其過多的人口和第二產業相關。與自然環境也有相關性，地形起伏大的地區(華北北部，如內蒙古東部城市和張家口、承德等)承載指數相對較小，反之，地形起伏小的地區承載指數較大；高壓控制地區大氣相對穩定，不利于污染物擴散，承載指數也相對較大。華中地區與污染排放總量和污染排放強度呈顯著正相關，與第二產業增加值呈顯著正相關。表明華中地區超載城市大多是由于第二產業的發展和過多的污染物排放導致。華東地區主要與煙粉塵排放顯著正相關。可見華東地區主要是顆粒物超標導致大多數城市超載。華南地區主要是與NOx排放呈顯著正相關。由此可知，華南地區主要是人為排放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。西南地區與第二產業增加值呈顯著正相關。西北地區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小節的分析可知，地形和氣象等自然因素對國內部分地區影響較為顯著。華北地區的大氣承載指數對地形地貌較為敏感，高起伏度地區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境超載。華北地區需要在地形平坦和復雜地區平衡產業和人口等布局，淘汰或搬遷平坦地區的重污染產業，減少污染排放和積累。華北地區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。

人為因素是大氣環境超載更為重要的因素。華中和西南地區與第二產業相關性較大，因此應優化產業結構與布局，淘汰高能耗重污染行業。華北和東北地區城市對人口更敏感，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。大多數區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大部分地區大氣污染超標的主要原因之一。東北、華中、華東地區應重點針對高能耗、重污染產業進行調整，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、華南地區應該控制機動車和工業NOx排放，特別是在冬春季降水量較少的季節，減少NOx等PM2.5、O3的前體物，改善城市空氣質量。

3 結論

中國大氣環境承載形勢嚴峻，大部分城市大氣環境超載。超載城市超過70%。超載最嚴重地區為京津冀及周邊地區，長三角地區、中部大部分地區及西北的新疆、甘肅等超載也較嚴重。西南地區、南部的海南等大部分城市空氣質量較好，大氣環境不超載。超載嚴重的污染物為顆粒物，PM2.5為大多數重點城市的首要污染物，西部地區部分城市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、海口、拉薩、舟山等城市大氣環境綜合承載形勢最好。喀什、和田、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大氣環境具有一定影響，但是人為活動是國內大氣環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、大氣環境承載指數具有一定相關性。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，分區域、分季節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

環保公益性行業科研專項經費(201209037)

盧亞靈(1984-)，女，河北石家莊人，碩士，助理研究員。

蔣洪強