蘭州市沙塵顆粒物污染與兒童呼吸系統疾病日門診人次的關聯性研究*

王金玉 李 盛 董繼元 王宇紅 李 普 李守禹 馬漢平 蘇利民 李守凱 王 輝 賈 清

【提 要】 目的 探討蘭州市沙塵天氣顆粒物污染對兒童呼吸系統健康的影響。方法 收集2015-2016年沙塵天氣高發期(3～5月)蘭州市兒童呼吸系統疾病門診逐日資料和同期氣象環境資料，采用分布滯后非線性模型(distributed lag non-linear model,DLNM)分析沙塵天氣PM10和PM2.5濃度與兒童呼吸系統疾病日門診人次的暴露-反應關系，并按年齡層建立模型。結果 2015-2016年3～5月，與非沙塵天氣比較，沙塵天氣日均相對濕度明顯下降，PM10、PM2.5日均濃度顯著上升(P<0.05)；SO2和NO2的日均濃度，日均氣溫，日均風速比較差異無統計學意義(P>0.05)。沙塵天氣PM10和PM2.5濃度上升與兒童呼吸系統疾病門診人次的增加相關，呈滯后效應，滯后期2周，且PM2.5效應大于PM10效應。沙塵天氣PM10累計效應在兒童全體、0～5歲、6～14歲兒童均以滯后0-14d最大，RR(95CI%)值分別是1.0055(1.001～1.0102)、1.0061(1.0012～1.0109)、1.0055(0.9967～1.0143)。PM2.5效應在兒童全體和0～5歲兒童均以滯后0-14d最大，RR (95CI%)值分別是1.0182(1.0037～1.033)、1.0210(1.0059～1.0364)，6～14歲兒童滯后當天效應最大，RR (95CI%)值是 1.0113(1.0007～1.0221)。結論 蘭州市沙塵天氣顆粒物污染可增加兒童呼吸系統疾病門診人次，呈滯后效應，0～5歲兒童是敏感人群。

呼吸系統疾病是影響我國居民健康的重要疾病,位于多地區居民疾病譜前4位[1-4],在兒童中更是高居首位[5-7]。影響兒童呼吸系統疾病發生的因素是多方面的,大氣污染是其中之一[8]。大氣污染是人為因素和自然因素復雜作用的結果。蘭州市位于我國西部,是我國重要的工業基地之一,現代工業的快速發展在推動經濟發展的同時也導致了嚴重的大氣污染,蘭州市曾被列為世界十大污染城市之一,可吸入顆粒物(PM10)是首要污染物。自2012 年蘭州市大力開展大氣防污治污工作以來,環境空氣中PM10濃度不斷下降,空氣質量明顯好轉,2013年蘭州空氣質量排在全國74個重點城市的第36位,成為全國環境空氣質量改善最快的城市[9]。然而,蘭州市大氣污染現狀仍不容樂觀,其中沙塵天氣是環境大氣污染的主要原因之一[10]。

沙塵天氣是一種強災害天氣,我國的沙塵天氣多發于以民豐至和田為中心的南疆盆地和以民勤至吉蘭泰為中心的河西地區[11],春季(3～5月)是高發時期[12]。由于蘭州市特殊的地理氣象特點,使其成為西北沙塵氣溶膠的重要沉降區和污染區,沙塵天氣發生時,大氣中不同粒徑顆粒物濃度明顯升高[13-14]。兒童是沙塵污染的敏感人群[15],沙塵污染與兒童肺功能下降及哮喘日急診量增加相關[16-17],造成兒童呼吸系統健康急性損傷。因此,本研究以兒童呼吸系統急性健康損傷為切入點,收集2015-2016 年沙塵天氣高發期(3～5月)蘭州市四城區縣級及以上醫院兒童呼吸系統疾病逐日門診資料與同期氣象環境資料,采用分布滯后非線性模型(DLNM)分析沙塵天氣顆粒物污染對兒童呼吸系統日門診人次的影響及其年齡別差異,以期為促進區域兒童健康提供科學依據。

資料與方法

1.門診資料 2015-2016年3～5月蘭州市四城區縣級及以上醫院兒童呼吸系統疾病逐日門診資料來源于甘肅省衛生系統疾控進醫院信息平臺,由蘭州市疾病預防控制中心收集。呼吸系統疾病統計是根據國際疾病分類標準第10版(ICD-10)進行分類,編碼為J00～J99。根據我國兒童的發育特點和活動方式,一般將0～14歲青少年定義為兒童,相關教育行政主管部門將學齡期兒童劃分為學齡前(0～5歲)和學齡后(6～14歲),國內的相關研究均采用上述年齡段的劃分方式,故本研究按年齡進行人群分層[18-19]分為學齡前兒童(0～5歲)和學齡期兒童(6～14歲)。

2.氣象資料 2015-2016年3～5月蘭州市逐日氣象資料來源于蘭州氣象局,包括日均氣溫、日均相對濕度、日均風速。

3.大氣污染資料 2015-2016年3～5月蘭州市大氣污染逐日資料來源于蘭州市環境保護局,包括PM2.5、PM10、SO2及NO2日均濃度。

4.沙塵天氣情況 2015-2016年3～5月蘭州市共出現沙塵天氣33天。其中,2015年發生日期分別在3月2～4日、13～17日,4月1～3日、14～17日,5月17～18日和27日;2016年發生日期分別3月4～9日、12日、18～20日和31日,4月1日,5月1日、4日和11日。數據來自蘭州市氣象局。

式中:Yi—第i天發病人數;timet-時間變量(1,2,3,…,l) 觀察日t對應的時間變量,df=7/年;NS(time)—時間變量的自然三次樣條基函數(nature cubic spline);humi—第i天日均濕度,df=3;humi—第i天日均濕度,df=3;windi—第i天日均風速,df=3;wj—觀變量回歸系數;stratajt—對應變量產生影響的分層啞變量,星期啞變量、月份啞變量等處理星期,月份效應等;Tt,l1—由DLNM得到的滯后l天的溫度矩陣;β—Tt,l1溫度矩陣的回歸系數;l1為平均氣溫的最大滯后天數,此處設為14天,用自然三次樣條函數擬合平均氣溫,并用多項式函數擬合其滯后天數

PM2.5t,l2—由DLNM得到的滯后l天的矩陣;γ—PM2.5t,l2矩陣的回歸系數;l2為PM2.5的最大滯后天數,設為14天,用線性函數擬合PM2.5,并用自然三次樣條函數擬合其滯后天數,據赤池信息量準則(Akaike information criterion,AIC)確定樣條函數對應的df,l—滯后天數,最大滯后14d。ξ—殘差。

參照相關研究,選取的最大滯后時間為14 d[24],設定PM10、PM2.5參照水平為0μg/m3,計算PM10、PM2.5濃度每升高10μg/m3對呼吸系統疾病日門診人次的滯后效應和累積效應的相對危險度(RR)。同時分析年齡組分層后,PM10、PM2.5對呼吸系統疾病日門診人次的影響。統計學分析的檢驗水準為0.05。

一般認為,不同于氣溫、濕度等影響因素(可能同時存在保護作用和危險因素),空氣污染物應該主要是危險因素,能夠危害健康,因此其所對應的不同滯后天數的RR值應該呈現在污染剛開始時大于1,其后下降,效應消失的總體趨勢。而在這一總體趨勢中,可能出現先上升后下降,或者持續下降等多種情況。據此認為,單純從數理模型上,最大滯后天數可判定為:在某濃度下,比較不同滯后天數的RR值,直至某一天的RR值 95%CI包含 1,即認為至該天為止,RR值下降至無意義,因此該日為此濃度的最大滯后天數。在實際操作中,除了上述符合專業知識的前提,還綜合考慮 AIC 值和殘差最小,不斷調整,從而得到最終模型。故本研究采用AIC選擇最優模型,AIC值越小,模型擬合優度越高。建立模型后用偏自相關函數(PACF)的殘差自相關考察殘差序列是否呈隨機平穩白噪聲分布以檢驗模型的擬合優度。本研究報道的均為模型擬合效果有統計學意義的數據[20-23]。

結 果

1．一般情況

(1)氣象環境資料 由表1可見,2015-2016年3～5月,與非沙塵天氣比較,沙塵天氣日均相對濕度明顯下降,PM10、PM2.5日均濃度顯著上升(P<0.05),其中PM10日均濃度是國家二級標準的1.61倍;SO2和NO2日均濃度,日均氣溫,日均風速比較差異無統計學意義(P>0.05)。

(2)兒童資料 2015-2016年3～5月,蘭州市四城區縣級及以上醫院共接診呼吸系統疾病兒童81757人次,其中0～5歲、6～14歲者分別有44684人次、37073人次;沙塵天氣、非沙塵天氣分別有16804人次、64953人次。由表2可見,與非沙塵天氣比較,沙塵天氣0～14歲、0～5歲、6～14歲兒童呼吸系統疾病日均門診人次均顯著增加(P<0.05)。

2．同天氣情況PM10、PM2.5濃度變化對兒童呼吸系統疾病日門診人次的影響

圖1顯示不同天氣情況下PM10、PM2.5濃度變化與兒童呼吸系統日門診人次呈非線性關系關系,大氣環境中高濃度PM10、PM2.5水平顯著增加兒童呼吸系統疾病發病風險,且PM2.5效應大于PM10效應。

非沙塵天氣PM10和PM2.5效應均在滯后2天最大,之后迅速下降;不同年齡兒童在整個滯后期的PM10和PM2.5效應均無統計學意義(圖2、圖3)。

沙塵天氣PM10和PM2.5滯后效應持續2周。對全年齡段兒童,PM10和PM2.5效應在滯后當天出現,之后略有下降至滯后11d又呈上升趨勢,在滯后11d～14d有統計學意義,并在滯后14d達最大(圖2、圖3)。對0～5歲兒童,PM10和PM2.5效應在滯后2d出現,之后下降至滯后11d又呈上升趨勢,在滯后11d～14d有統計學意義,并在滯后14d達最大(圖2、圖3)。對6～14歲兒童,PM10和PM2.5效應在滯后當天出現,其中PM2.5效應有統計學意義,之后迅速下降,效應在滯后期無統計學意義(圖2、圖3)。

3．沙塵天氣PM10、PM2.5在滯后0～14d對兒童呼吸系統疾病日門診人次的累積效應

圖4、圖5顯示沙塵天氣兒童呼吸系統疾病日門診人次隨著PM10、PM2.5濃度的上升而增加。由表2可知,PM10濃度每升高10μg/m3對全年齡段兒童、0～5歲兒童呼吸系統疾病日門診人次的累積效應均在滯后0～13d、0～14d有統計學意義,且均于0～14d達到最大值,RR(95CI%)值分別為1.0055(1.001～1.0102) 和 1.0061(1.0012～1.0109)。 PM2.5的累積效應對全年齡段兒童在滯后0～13d、0～14d有統計學意義,對0～5歲兒童在滯后0～12d至0～14d有統計學意義,且均于0～14d達到最大值,RR(95CI%)值分別為1.0182(1.0037～1.033)和1.0210(1.0059～1.0364)。PM10、PM2.5對6～14歲兒童在整個滯后期內的累積風險效應均無統計學意義。PM2.5在不同滯后時間的累積效應均高于PM10,0～5歲兒童更為敏感。

表1 不同天氣情況氣象環境資料描述性統計

*:與非沙塵天氣比較，P<0.05。

表2 不同天氣情況兒童呼吸系統疾病日均門診人次描述性統計

*：P<0.05。

圖1 不同天氣情況PM10,PM2.5在滯后0～14d與兒童呼吸系統疾病日門診人次風險關聯三維圖

圖2 不同天氣情況PM10在滯后0～14d對不同年齡兒童呼吸系統疾病日門診人次的發病風險

圖3 不同天氣情況PM2.5在滯后0～14d對不同年齡兒童呼吸系統疾病日門診人次的發病風險

圖4 沙塵天氣PM10日均濃度與兒童呼吸系統疾病日門診人次的暴露-反應關系

滯后(d)PM10PM2.50～14歲0～5歲6～14歲0～14歲0～5歲6～14歲01.0004(0.9988～1.002)1.0001(0.9984～1.0017)1.0021(0.999～1.0052)1.0006(0.9955～1.0059)0.9988(0.9934～1.0042)1.0113(1.0007～1.0221)0～11.0005(0.9989～1.002)1.0004(0.9987～1.0021)1.0012(0.9981～1.0044)1.0007(0.9957～1.0058)0.9998(0.9945～1.005)1.0081(0.9979～1.0184)0～21.0005(0.9987～1.0023)1.0006(0.9988～1.0025)1.0003(0.9968～1.0038)1.001(0.9955～1.0065)1.001(0.9953～1.0067)1.0031(0.9919～1.0144)0～31.0006(0.9987～1.0024)1.0007(0.9988～1.0027)0.9998(0.9962～1.0035)1.0015(0.9957～1.0072)1.0017(0.9958～1.0077)1.0004(0.9887～1.0122)0～41.0007(0.9986～1.0028)1.0008(0.9986～1.003)0.9998(0.9957～1.0039)1.0019(0.9954～1.0084)1.0022(0.9955～1.0089)0.9994(0.9864～1.0127)0～51.0008(0.9984～1.0031)1.0009(0.9984～1.0033)1.0000(0.9953～1.0046)1.0022(0.995～1.0095)1.0024(0.9949～1.0099)0.9998(0.9852～1.0146)0～61.0009(0.9984～1.0034)1.001(0.9983～1.0036)1.0003(0.9953～1.0052)1.0024(0.9948～1.0102)1.0026(0.9946～1.0106)1.001(0.9855～1.0168)0～71.0011(0.9984～1.0037)1.0012(0.9984～1.004)1.0007(0.9955～1.0059)1.0028(0.9948～1.0109)1.0029(0.9945～1.0113)1.0028(0.9864～1.0194)0～81.0013(0.9985～1.0041)1.0015(0.9985～1.0044)1.0012(0.9957～1.0068)1.0034(0.9949～1.0121)1.0035(0.9947～1.0125)1.0048(0.9874～1.0225)0～91.0017(0.9986～1.0047)1.0019(0.9987～1.0051)1.0018(0.9958～1.0078)1.0045(0.9953～1.0137)1.0046(0.9951～1.0142)1.0068(0.9881～1.0258)0～101.0021(0.9989～1.0054)1.0024(0.999～1.0058)1.0024(0.996～1.0089)1.0059(0.9961～1.0159)1.0064(0.9961～1.0167)1.0085(0.9885～1.029)0～111.0027(0.9993～1.0063)1.0031(0.9994～1.0068)1.0031(0.9963～1.0101)1.008(0.9975～1.0187)1.0088(0.9978～1.0198)1.0099(0.9885～1.0317)0～121.0035(0.9998～1.0073)1.0039(0.9999～1.0079)1.0039(0.9965～1.0113)1.0107(0.9994～1.0222)1.012(1.0002～1.0239)1.0106(0.9878～1.034)0～131.0044(1.0004～1.0085)1.0049(1.0006～1.0092)1.0047(0.9967～1.0126)1.0141(1.0016～1.0268)1.0161(1.003～1.0292)1.0108(0.9857～1.0364)0～141.0055(1.001～1.0102)1.0061(1.0012～1.0109)1.0055(0.9967～1.0143)1.0182(1.0037～1.033)1.0210(1.0059～1.0364)1.0102(0.9815～1.0397)

圖5 沙塵天氣PM2.5日均濃度與兒童呼吸系統疾病日門診人次的暴露-反應關系

討 論

蘭州市是河西沙塵的主要影響區,河西地區年均沙塵事件與蘭州市年均沙塵事件表現出顯著的相關性[25]。沙塵天氣對蘭州市大氣重要污染物影響不同,對SO2和NO2質量濃度影響不大,但對不同粒徑顆粒物濃度變化均有一定的貢獻,尤其是對PM10質量濃度影響非常大,沙塵對春季PM10質量濃度的貢獻率在18.4%～43.1%[26-27]。本次研究結果也發現,沙塵天氣PM10、PM2.5日均濃度較非沙塵天氣顯著上升,其中PM10日均濃度是國家二級標準的1.61倍。而SO2和NO2日均濃度無明顯差異。說明沙塵天氣主要導致蘭州市大氣顆粒物污染,尤其是可吸入顆粒物污染。

沙塵天氣影響蘭州市大氣環境質量,造成嚴重的顆粒物污染。而顆粒物污染是影響兒童呼吸系統健康的危險因素[28]。本研究初步分析結果顯示,沙塵天氣蘭州市兒童呼吸系統疾病日均門診人次顯著高于非沙塵天氣,與劉曉丹等[29]的研究結果一致,說明沙塵天氣可能對兒童呼吸系統疾病日門診人次的增多有影響。

然而,上述分析尚未控制混雜因素,同時沙塵天氣主要造成蘭州市顆粒物污染,因此本研究采用了DLMN模型,控制氣象等混雜因素,就不同天氣情況PM10、PM2.5濃度變化對兒童呼吸系統日門診人次的影響進行了更科學、深入的分析。結果顯示,大氣環境中高濃度PM10、PM2.5水平造成兒童呼吸系統疾病門診人次增加,且PM2.5效應大于PM10效應,均表現為滯后效應;其中非沙塵天氣PM10、PM2.5效應在滯后2天達到最大,與我國上海、北京、廣州等多地區相關研究報道相近[30-33],提示蘭州市大氣顆粒物污染有增加兒童呼吸系統疾病門診人次的風險,且有滯后效應。但蘭州市沙塵天氣PM10和PM2.5效應與上述研究結論并不一致,與長春市沙塵天氣的健康效應的研究結論也有差別[31],主要表現在效應滯后期的不同。蘭州市沙塵天氣PM10和PM2.5效應的滯后期較長,持續2周;同時,沙塵天氣PM10和PM2.5效應又有不同,PM10效應滯后當天出現,而PM2.5效應在滯后2天出現。究其原因,沙塵顆粒物主要通過炎性作用、氧化應激、免疫毒性、DNA 損傷等造成對人體的損傷[34-36],而沙塵天氣主要導致大氣中PM10濃度急劇升高[27],引起兒童呼吸系統的急性損傷[37],在滯后當天就出現效應。而后隨著沙塵天氣的減弱、消退或離境,PM10濃度急劇下降,效應也隨之下降。但PM2.5由于其粒徑較小,可長期懸浮于空氣中。李鴻濤等[38]發現,沙塵天氣發生時蘭州市生物氣溶膠中總微生物濃度顯著增加,微生物主要附著粒徑在1.1～2.1μm的顆粒物上。這些細顆粒物可到達末端支氣管,但在體內繁殖達到一定數量才能出現臨床癥狀,從而出現滯后效應,表現為在滯后2天出現效應。 至于滯后效應長達2周,可能因2015～2016年蘭州市發生連續沙塵天氣,而連續沙塵天氣的發生使大氣中顆粒物濃度長時間維持在較高濃度,即使沙塵天氣結束,大氣中顆粒物濃度在一段時間內仍高于國家大氣質量二級限值[39-40],因而導致滯后效應時期較長。結果還顯示,沙塵天氣兒童呼吸系統疾病日門診人次隨PM10和PM2.5濃度上升而增加,且有累計效應;從年齡分層來看,0～5歲兒童對顆粒物污染物更為敏感,主要可能與這一時期兒童特殊的呼吸道生理解剖結構特點及免疫系統發育欠完善相關[41-42]。