國家重點生態功能區縣域環境空氣質量時空變化分析

許 杰,劉海江,聶平靜,金自恒,翟德超,高錫章

1 中國科學院地理科學與資源研究所 資源與環境信息系統國家重點實驗室,北京 100101

2 中國科學院大學 資環學院,北京 100049

3 中國環境監測總站,北京 100012

4 江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心,南京 210023

建立國家重點生態功能區是保障國家生態安全的重要措施,國家環境保護總局于2007年公開發布《國家重點生態功能保護區規劃綱要》[1],至2010年國務院發布《全國主體功能區規劃》,正式將25個限制開發區域列為國家重點生態功能區,為國家未來的土地和空間發展制定了規范和指導方針[2]。同時,中央財政于2008年啟動國家重點生態功能區轉移支付,用于對發展受限的國家重點生態功能區的縣(市、區)給予一般性轉移支付資金進行生態補償[3],截止到2019年,國家已累計投入轉移支付資金近5200多億元[4]。評估國家重點生態功能區財政轉移支付的空氣質量改善狀況,對國家生態文明建設與重點生態功能區制度的完善具有重要意義[5—7]。空氣質量是關乎人們生命健康的一項重要環境質量數據,同時也是反映生態環境質量的一項敏感指標。空氣質量狀況及其主要污染物通常能夠反映大氣環境的健康程度,研究其動態變化過程有利于解釋污染物擴散的成因及規律[8—10],幫助人們更好的進行大氣污染防治,建設更加高效的生態文明系統,對國家重點生態功能區的空氣質量的時空變化規律進行研究,可以直接反映國家重點生態功能區財政轉移支付的空氣質量改善狀況[5]。

目前的空氣質量研究工作主要包括從單個城市的點狀尺度到城市群的區域尺度,再到國家尺度,對空氣質量時空分布特征及其驅動因素進行探討[10—11]。點狀尺度方面,劉春蘭等人對1997—2007年北京市二氧化碳排放變化的原因及影響[12]、Kassomenos 等對歐洲3個城市顆粒物污染的變化特點及成因等進行了研究[13]；在區域尺度方面,諸多學者對京津冀城市群、長三角城市群等我國經濟較為發達地區的細微顆粒物 PM2.5濃度的時空變化規律及其驅動因素進行了研究[9,14—15],部分學者則是對京津冀地區的臭氧污染特征[16]、二氧化氮的分布差異及影響因素[17]、大氣污染物的區域傳輸過程等進行了細致的分析[18—19]；國家尺度方面,同樣包括對如細微顆粒物 PM2.5濃度在中國的分布特征[8,10,20]、中國境內空氣質量指數(Air quality index, AQI)的驅動因素進行了等系統性研究[21—22]。然而,當前針對國家重點生態功能區內空氣質量狀況的研究還相對不足,特別是從空氣質量狀況的變化方面評估國家財政轉移支付效益的研究工作更是為數甚少。因此,本篇以國家重點生態功能區轉移支付縣域為評價對象,以空氣質量監測數據為基礎,對國家首次具體實施轉移支付制度以來,國家重點生態功能區空氣質量狀況的時空變化規律進行評價分析,致力于為生態環境保護措施的有效性和國家重點生態功能區生態環境建設管理決策提供科學依據。

1 研究方法

1.1 研究區概況

2010 年,國務院初步劃定了25個限制開發區域列為國家重點生態功能區,包括436個縣級單位,總面積約386萬km2,占全國陸地國土面積的40.2%,將重點生態功能區分為水土保持型、防風固沙型、水源涵養型和生物多樣性維護型四種類型[2]。2008年起,中央財政通過國家重點生態功能區轉移支付制度,對位于國家重點生態功能區的縣(市、區)給予一般性轉移支付資金,彌補重點生態功能區經濟發展的損失[4]。2011年,正式開始考核時,轉移支付縣域為452個,以后逐年增加,截止至2019年底,轉移支付縣域達到817個,總面積約484萬km2,占全國陸域國土面積的50.4%,分布在北京、天津、河北等29個省(自治區、直轄市)以及新疆生產建設兵團。

1.2 數據及評價方法

本文的空氣質量監測數據來源于2015—2019年中國環境監測總站國家重點生態功能區的環境質量基礎和監測數據,截止至2019年底,共有987個監測站點1425759天空氣質量監測日均值數據。主要監測指標為二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)、臭氧(O3)、可吸入顆粒物(粒徑小于等于10μm,PM10)和細顆粒物(粒徑小于等于2.5μm,PM2.5)六項基本污染物。除了 O3的濃度為8小時滑動平均值外,其余5種污染物的監測數據均為24小時平均值。

本研究采用的空氣質量指數評價基本方法,依據《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)(HJ 633—2012)》[23],通過6項基本污染物濃度來確定空氣質量指數的值。根據每個污染物濃度限制,計算各污染物對應的空氣質量分指數(Individual air quality index, IAQI),方法如下：

(1)

式中,IAQIP為污染物P的 IAQI；CP為污染物P的質量濃度值；BPHi為表1污染物限值表中對應CP的高位值；BPLo為表1污染物限值表中對應CP的低位值；IAQIHi為表1中BPHi對應的IAQI；IAQILo為表1中BPLo對應的IAQI。

表1 空氣質量分指數及對應的污染物項目濃度限值(HJ 633—2012)Table 1 Individual air quality index and corresponding pollutant concentration limit values (HJ 633—2012)

(1)除一氧化碳的濃度單位為 mg/m3外,其余污染物濃度單位均為 μg/m3

計算整體的空氣質量指數,則使用公式(2)：

AQI=max (IAQI1,IAQI2,IAQI3,…IAQI6)

(2)

根據《環境空氣質量指數技術規定》[23]按照值的大小將空氣質量指數分為優、良、輕度污染、中度污染、重度污染和嚴重污染六個等級,空氣質量指數數值越大,空氣污染越嚴重。

2 研究結果

2.1 環境空氣質量分析

空氣質量評價結果按優、良和輕度污染等6個級別的統計天數占總監測天數的比例進行分析,分別針對所有轉移支付縣域的自動站監測數據進行分析。分析結果表明(表2)：重點生態功能區轉移支付縣域2015年至2019年空氣質量優良天數的比例分別為80.58%、85.42%、87.87%、87.92%、89.23%,平均達到86.20%。其中優級空氣天數比例提升明顯,從2015年的29.00%上升至2019年的44.41%；良級天氣數占比最高,始終維持在50%左右。嚴重污染天氣占比略微增加,沒有明顯改善。

表 2 轉移支付縣域不同空氣質量天數占比/%Table 2 The proportion of days with different air quality in transfer payment county

重點生態功能區分布廣泛,不同類型生態功能區定位相異,環境空氣質量差別較大。由表3可知,生物多樣性區的環境空氣質量顯著高于重點生態功能區的整體水平,每年的優良天數占比都保持在93.00%以上,且穩步上升；水源涵養區的空氣質量逐年改善,優良天數比例于2017年開始高于重點生態功能區的平均水平87.87%,改善最為顯著；水土保持區的空氣質量雖然逐漸改善,但優良天數比例提升幅度較小,效果不夠明顯；防風固沙區的優良天數比例沒有明顯的上升趨勢,2019年優良天數比例77.84%甚至低于2015年的79.63%,環境空氣質量最差。

表3 2015—2019年不同生態功能區優良天數比例占比/%Table 3 The proportion of good days in different ecological function areas from 2015 to 2019

圖1 2019年國家重點生態功能區轉移支付縣域年均空氣質量級別分布Fig.1 Distribution of average annual air quality level in counties under transfer payments for national key ecological function areas in 2019

環境空氣質量水平在重點生態功能區中的空間分布也表現出明顯的空間聚集特征。本文根據轉移支付縣域2019年空氣質量監測站點日監測數據計算出每日的空氣質量指數值,并以轉移支付縣域為單位求年均值得出了2019年重點生態功能區轉移支付縣域年均空氣質量級別的分布情況(圖1)。西北、華北和中部地區的空氣質量相對較差,特別是新疆南部的塔克拉瑪干沙漠地區的防風固沙區和中國北部黃土高原的水土保持區有較多的轉移支付縣域環境空氣質量污染還比較嚴重。東北、西南和東南區域的轉移支付縣域大多位于水源涵養區和生物多樣性區,空氣質量較好,多數縣域都維持著優級空氣質量級別,只有部分縣域是良類空氣。整體而言,位于西北的防風固沙區空氣質量最差,位于中部的水土保持區空氣質量較差,而位于西南和東南區域的水源涵養區和生物多樣性區空氣質量相對較好。

2.2 超標污染物分析

2015—2019年,總超標天數為138139d,其中 PM10和 PM2.5的超標天數明顯高于其他污染物,超標天數分別為57376d和75695d,占超標天數比例為41.53%和54.80%；O3的超標天數上升比較明顯,2019年達到13181d,接近于 PM10的超標天數。轉移支付縣域的主要超標污染物由顆粒物逐漸變為顆粒物和臭氧,PM2.5作為污染物的占比有明顯下降趨勢,從2015年的35.51%下降至2019年的23.34%；而 O3有明顯上升趨勢,從2015年的20.17%上升至2019年的45.99%,較2015年的占比有了大幅提升,已經成為生態功能區轉移支付縣域內影響空氣質量最主要的污染物之一。CO,NO2和 SO2三種污染物超標頻次占比較低,且總體呈下降趨勢。

圖2顯示了2015—2019年四類生態功能區中不同污染物超標天數占總超標天數的比例。2015年四類生態功能區的超標天氣中,超標天數占比最高的兩項均為顆粒物,到2019年,水源涵養區、生物多樣性區和水土保持區超標天數占比最高的仍是 PM2.5,但占比次高的已經變為 O3。可以看到,水源涵養區的 PM10超標頻次占比在2018年略微反彈；生物多樣性區的 PM2.5超標頻次占比不斷波動,水土保持區的 PM10和 PM2.5超標頻次占比均在2016年有所提升。這三類生態功能區超標污染物中,O3出現頻次均呈現不同程度的逐年提升,其中水土保持區最為明顯,由2015年占比11.44%增長至2019年的43.57%。防風固沙區超標天數占比最高的兩項仍是顆粒物,且2019年防風固沙區 PM10超標天數占比達到76.34%,遠高于其他生態功能區。

圖2 2015—2019年四類生態功能區中超標污染物出現頻次占比Fig.2 The proportion of occurrence frequency of standard exceeded pollutants in the four function areas from 2015 to 2019

3 結論與討論

(1)空氣質量總體較好且不斷改善。2019年空氣質量優良天數比例為89.24%,比2019年全國城市優良天數比例(82.0%)高出7.24%[24]。空氣質量優良天數比例由2015年的80.58%升高到2019年的89.23%,優良天數比例超過90%的縣域占比由2015年的33.77%提高到2019年的69.52%。重點生態功能區作為限制開發區,修復生態和保護環境為其首要任務,提供生態產品為其主要目標[6,25]。轉移支付政策對2015—2019年國家重點功能區空氣質量的改善有著明顯的推動作用,同時穩步提升了考核縣域的環境監測能力和質量,空氣質量整體較好,且不斷改善。從不同生態功能區類型來看,水源涵養區的優良天數占比由2015年的72.71%提高到2019年的92.09%,空氣質量改善效果最為顯著。但嚴重污染天氣總占比略微增加,主要是由于新疆塔克拉瑪干盆地地區的大氣匯聚帶造成的部分沙塵污染區,導致位于新疆的防風固沙區依然存在季節性的極端天氣情況,影響了當地的空氣質量狀況[26]。

(2)主要超標污染物由顆粒物逐漸轉變為顆粒物和臭氧。PM2.5為占比最高的超標污染物,但超標天數比例明顯降低,由63.88%下降到48.02%,與此同時 O3超標天數比例明顯上升,從23.79%逐年升高的36.94%。其中防風固沙區的主要超標污染物為 PM10和 PM2.5,其他三類生態功能區為 PM2.5和 O3。O3污染天數的增加與同期全國大氣環境質量的研究結果一致,濃度呈逐年遞增的趨勢,污染狀況越來越嚴重[27]。

(3)重點生態功能區的空氣質量存在著顯著的空間差異,空氣污染表現出顯著的空間聚集特征,生物多樣性區的環境空氣質量最好,水源涵養區次之,水土保持區水平稍差,防風固沙區最差。部分原因是生態功能區的功能性定位決定了其分布的地理位置,例如防風固沙區主要分布于西北邊疆區域,其中新疆南部的塔克拉瑪干沙漠區域沙塵天氣較為頻繁[28],PM10污染較為嚴重,極端風沙天氣的問題未能得到較好的解決；水土保持區多分布于平原區域,人口較為稠密的城市,存在大量的煤炭燃燒和汽車尾氣排放造成的 PM2.5超標較為嚴重,導致中國北部黃土高原的部分縣域也存在一定程度的空氣污染,對易感人群存在著潛在的健康風險[29]；生物多樣性區一般都選擇在人跡稀少,生態系統較為完備的區域[30],大部分縣域都保持著優級空氣質量水平；水源涵養區則多分布域森林覆蓋率較高,具有冰川水系等區域[31—32],空氣質量也相對較好。

(4)重點生態功能區作為國家設立的限制開發區域,承擔著保障國家生態安全的重要功能[33—34]。當前還未針對不同生態功能區類型建立科學有效的評估系統,國家重點生態功能區的指標體系尚未完善,對影響重點生態功能區空氣質量變化的主要因素的研究仍不夠充分。環境質量監測工作為生態環境保護和污染治理提供重要數據支持,空氣質量監測為生態保護工作提供重要的決策依據[35—36],國家重點生態功能區分布范圍較廣,生態功能類型多樣,空氣質量站點數量相對較少,仍需持續加強監測力度,不斷提高環境空氣質量監測能力。