环境科学技术及资源科学技术

环首都圈霾和雾的长期变化特征与典型个例的近地层输送条件

吴兑，廖碧婷，吴蒙，等

摘要：目的：气溶胶粒子对大气辐射传输和水循环均有重要的影响。气溶胶对气候变化、云的形成、能见度的改变、环境质量变化、大气微量成分的循环及人类健康有着重要影响。工业化以来，人类活动直接向大气排放大量粒子和污染气体，污染气体通过非均相化学反应亦可转化形成气溶胶粒子。1999年欧美科学家发现，在亚洲南部上空经常笼罩着一层3 km厚的棕色气溶胶云，并称其为亚洲棕色云，其组成主要包括：黑碳、粉尘、硫酸盐、铵盐、硝酸盐、有机碳等，后来发现各大洲都存在类似现象，因而又将其称为大气棕色云。气溶胶因其重要的环境效应问题：大气污染，而令人广泛关注。大气污染也是当前大多数发展中国家在城市化、工业化过程中普遍面临的一个难题。Schichtel和Doyle曾分别分析了美国和英国霾与能见度的长期变化趋势。环首都圈的京津冀晋作为近30年全球经济发展最快的地区之一，也是国内气溶胶导致大气污染相当严重的区域之一。这里聚集了北京、天津、唐山、石家庄、太原这样拥有数百万以上人口的国际化城市和几十个人口在几十万左右的中等城市，在大量土地被工业化利用、植被减少、交通工具迅猛增加、乡镇企业工厂蓬勃发展的情况下，这一地区频繁发生的大气污染事件已经引起政府和公众的广泛关注。尤其是2011年入秋之后，连续两年出现了严重的霾天气过程。空气污染不仅对居民的身体健康构成威胁，而且导致的能见度下降也给城市经济活动和市民生活带来显著影响，并使一个地区或城市的景观给人以很负面的形象，高频多发的恶劣能见度事件对其有非常不利的影响，当地政府也将面临改善空气质量、美化城市景观的艰巨任务。而进行环境影响因子和合理的改善措施建议的研究关系到京津冀晋整个地区城市群的协调、可持续发展。在京津冀地区有大量关于与气溶胶相关联的区域污染的研究成果，尤其是任阵海在分析北京地区重污染形势的形成原因时明确指出了太行山与燕山对颗粒物污染的聚集作用。苏福庆等认为太行山前西南风是北京边界层外来污染物的输送通道之一。徐祥德认为，北京地区污染的来源不仅有本地排放源，而且周边地区（河北、山西、天津、唐山等）也有相当的影响，北京市及其周边地区大气污染物迁移、转化、扩散影响及其总体效应，是调控首都经济圈区域环境空气质量水平的“瓶颈”问题。朱凌云通过数值试验也得到了山西排放的气溶胶可以影响北京的结果。但未见该地区20年以上颗粒物污染长期变化趋势的分析，对于典型个例的近地层输送特征也需要使用新工具进一步深入分析。为了解过去60年该区域霾和雾的长期变化特征，本文使用环首都圈京津冀晋长期的能见度等气象资料分析其长期变化趋势，讨论能见度恶化的原因。亦使用时间空间矢量和工具分析了典型个例的近地层输送特征。方法：本文主要使用了环首都圈京津冀晋气象台站1954—2012年的能见度、相对湿度、天气现象资料，原始资料是每天4时次（夜间守班站）或者3时次（夜间不守班站）。和2013年1月518个稠密自动气象站的风向与风速资料。定义当日均能见度小于10 km，日均相对湿度小于90%，并排除降水等其它能导致低能见度事件的情况为一个出现霾的日子；日均能见度小于10 km，日均相对湿度大于90%，并排除降水等其它能导致低能见度事件的情况为一个出现雾的日子。本文对近地层风求一定范围一段时间内的矢量和，是为了更清晰的了解一段时间内环首都圈近地层空气流动的总合效果，从而更为直观的分析近地层风对霾天气的影响。近地层风的矢量和分布图是一定范围n个小时风的矢量和分布，其具体方法是，首先分别对自动气象站逐时风资料进行客观分析，即先把逐时u、v分量的原始资料经客观分析插值到网格点上，其中，客观分析采用了Cressman逐步订正法，分析范围是109.0°E～120.0°E，33.0°N～43.0°N，网格大小为0.05°×0.05°经纬度。分析过程中风场资料经过了基本的资料预处理，去除野点后再分别对每个网格点上的逐时u、v资料按照吴兑的方案5点求和作为每个格点上周围小区域内的水平空间矢量和，最后把每个网格点上nh的水平空间矢量和再进行加和，成为风的nh累积水平空间矢量和。矢量和分布图中的每一个风矢代表了nh大约60 km2范围内空气流动的总合效果。风的矢量和分布图与风的平均流场图的物理意义不同。风的nh累积水平空间矢量和分布图表示小区域某段时间内当地空气流动的累积效应，而风的平均流场图表示的是某段时间内空气流动的平均情况。结果：为环首都圈京津冀晋过去60余年霾日的区域分布图，可以看到，在1950—1960年代，区域内霾日非常少，1970年代开始增多，1980年代以后明显增多，并形成几个霾日集中区，比较明显的是邯郸—邢台—石家庄—保定—北京—天津的带状分布，与任阵海等指出沿太行山东侧的污染带分布相一致。还有太原及以南的带状分布，最为严重的情况出现在1996—2000年，2000年以后有一定减少。从北京过去近60年霾日与雾（轻雾）日的长期变化趋势图，我们看到1950年代霾日比较多，最多达到1年有160天以上霾日，与同期沙尘天气偏多相关联，这主要与周边地区的扬沙有关，随着在首都周边地区的大规模植树造林，尤其是在西部永定河流域和北部山区及河北、内蒙古的坝上地区的植树造林，以及北京城区道路硬化改造，到1967年，霾日已经减少到1年不足10 d，治理扬沙和浮尘的效果显著；1970年代以后北京的能见度急剧恶化导致霾日迅速增加，到1980年代初增加到220 d以上，一直到1999年前后北京的霾日维持在每年160～200 d左右；2000年以后到北京奥运会前后，霾日持续下降，到2010年霾日仅有56 d，2012年有所反弹，增加到91 d。同期我们看到，雾（轻雾）日在60余年中没有明显的趋势性变化，反映了年季和年代季的气候波动。北京不同月份霾日和雾（轻雾）日的长期变化特征，一个突出的特点是除去采暖季有较多的霾日外，在盛夏季节霾日也明显多，集中出现在6—9月，尤其是盛夏季节的7—8月，与所谓的桑拿天同期出现，这与全国大部分城市的变化趋势完全不同，可能与盛夏季节华北平原特殊的边界层结构，和在高湿度背景下气溶胶的吸湿增长使得消光明显增加造成能见度明显恶化有关，值得深入研究。从环首都圈京津冀晋代表性城市过去60余年霾天和雾（轻雾）出现的天数。我们看到，华北北部的张家口和唐山霾日较少，除去个别年份霾日均不超过每年50 d；天津在1980—1990年代霾日较多，最多可达每年250 d以上，20世纪霾日缓慢增加，近年达到100 d以上，较北京明显偏多；塘沽近10余年的情况与天津类似；太原自1970年代以来，霾日呈稳步增加趋势，近年已经超过每年200 d；保定在1980年代曾经出现霾日峰值，接近每年300 d，近年维持在每年100～150 d左右；石家庄霾日自1970年代开始增加，至1990年代末期达到峰值，每年有霾日200余d，本世纪呈下降趋势，2012年霾日不足50 d；邢台霾日也是自1970年代开始增加，1980—2004年长期维持高位震荡，每年霾日超过300余d，而后开始明显下降。以上各地的雾（轻雾）日均没有明显的趋势性变化，反映了年季和年代季的气候波动。总体来看，是华北南部霾日明显多于北部，不同城市之间在趋势上可以看到明显差异，重霾日段出现的年份也不一样，造成这种差异的原因与其所处的地理位置与污染物排放强度都有关系。当然，中长期天气气候背景的波动也会对能见度的变化产生影响，但这个问题非常复杂，研究难度很大。以上分析有所体现，而且还发现京津冀晋各个城市的一个突出的特点是除去采暖季有较多的霾日外，在盛夏季节霾日也明显多，集中出现在6—9月，尤其是盛夏季节的7—8月，与所谓的桑拿天同期出现，与前面分析北京的情况类似。2013年1月北京霾日数较常年异常偏多，显著特点是连续出现霾的持续过程次数多、持续时间长。1月，北京共出现4次持续时间超过3 d（含3 d）的霾天气过程，持续时间最长的一次过程是1月10—14日，连续5 d出现霾天气，12日最小能见度不足500 m，仅为350 m。可以看到，北京1月份能见度最差共有3个阶段，即10—14日，18—23日，27—31日。能见度最低仅有200 m，出现于2013年1月29日的02时和05时；其间除31日短暂时间外相对湿度均低于90%，是3个典型的霾天气过程。能见度最高的时段出现于2013年1月1—3日，可以作为清洁对照过程。同期在黄淮海平原、长江三角洲亦出现了严重的霾天气过程。最长的持续近20 d。利用京津冀晋近地层自动站网的风向风速资料，采用矢量和方法分析2013年1月华北四省区域近地层流场特征。通过3个霾过程和一个清洁过程的矢量和可以看出，霾过程的发生和矢量和的大小存在较为明显的正相关关系。可看出，10—14日，18—23日，27—31日3个霾过程中，在华北平原均出现明显的气流停滞区，华北四省市大部处于气流停滞区中，区域矢量和很小，不利于空气中污染物的水平扩散，导致了1月份华北四省市多次出现持续时间久的严重霾过程。可以看到，该期华北地区冷空气活动比较频繁，1—3日，华北四省市尤其是北京地区受明显的西北气流影响，风矢量和为较一致的偏北方向，72 h区域矢量和较大，尤其在北京小平原风矢量和风速较大，水平扩散条件较好，不利于污染物的积累，较利于污染物的扩散，对应同期能见度较高，空气质量较好。表1分别具体给出了以上四个过程的区域平均矢量和，可以看到1月1—3日清洁过程的矢量和高达596.53 m/s，为霾过程区域平均矢量和的2～2.5倍。从图9中可看出华北四省市区域矢量和与北京能见度的时间变化趋势较为一致，能见度与区域风场矢量和风速呈明显的正相关。图中的红色 虚线处的能见度为10 km，对应区域矢量和日均值为 100 m/s左右，说明当华北四省市区域矢量和日均值小 于100 m/s时，北京地区较容易出现霾天气过程。依据2013年1月典型霾天气过程近地层流场，总结了环首都圈霾天气过程的近地层输送概念模型，京津冀西侧、北侧靠山、东邻渤海，尤其是北京小平原三面环山。太行山、燕山和军都山形成的“弓状山脉”对冷空气活动起到了阻挡和削弱作用，导致山前暖区空气流动性较小形成气流停滞区、污染物和水汽容易聚集从而有利于霾和雾的形成。由于受太行山的阻挡和背风坡气流下沉作用的影响，使得沿北京、保定、石家庄、邢台和邯郸一线的污染物不易扩散，形成一条西南—东北走向的高污染带；山西省的高浓度污染物亦在低空偏南气流输送下沿桑干河河谷和洋河河谷以及滹沱河—拒马河河谷向北京输送，任阵海、徐祥德等在分析周边地区包括山西大气污染物向北京输送时也指出了类似的输送通道。河北中南部与山西诸河谷的累积污染带叠加近地层输送流场是造成北京严重霾天气过程的重要原因之一。此外，在山谷风、城市热岛环流和海陆风环流的共同影响下，环首都圈低层大气环流具有特殊性，因此污染物的输送过程也较复杂，值得进一步深入研究。结论：（1）在1950—1960年代，环首都圈京津冀晋四省市霾日极少，1970年代开始增多，1980年代以后明显增多，并形成几个霾日集中区，比较明显的是邯郸—邢台—石家庄—保定—北京—天津的带状分布，还有太原及以南的带状分布，最为严重的情况出现在1996—2000年，2000年以后有减少趋势。（2）北京1950年代霾日比较多，最多时年霾日有160 d以上，与同期沙尘天气偏多相关联，主要与周边地区的扬沙有关，随着在首都周边地区的大规模植树造林，尤其是在西部永定河流域和北部山区及河北、内蒙古的坝上地区的植树造林，以及北京城区道路硬化改造，到1967年，霾日已经减少到1年不足10 d，治理扬沙和浮尘的效果明显；1970年代中后期北京能见度急剧恶化导致霾日迅速增加，到1980年代初增至220 d以上，到1999年北京的霾日维持在每年160～200 d左右；2000年后到北京奥运会前后，霾日持续下降，到2010年霾日仅有56 d，2012年有所反弹，增加到91 d。（3）北京及华北地区霾日季节分布突出的特点是，除采暖季有较多的霾日外，在盛夏季节霾日也明显偏多，出现在6—9月，尤其是盛夏季节的7—8月，与所谓的桑拿天同期出现。这与全国大部分城市的变化趋势完全不同，可能与盛夏季节华北平原特殊的边界层结构，造成在高湿度背景下气溶胶的吸湿增长使得消光明显增加使得能见度明显恶化有关。（4）华北地区霾日有南部多于北部的显著特点。北部张家口和唐山霾日较少，除个别年份霾日均不超过每年50 d；天津在1980—1990年代霾日较多，最多可达每年250 d以上，本世纪霾日缓慢增加，近年达到100 d以上，较北京明显偏多；太原自1970年代以来，霾日呈稳步增加趋势，近年已超过每年200天；保定在1980年代曾经出现霾日峰值，接近每年300天，近年维持在每年100～150天左右；石家庄霾日自1970年代开始增加，至1990年代末期达到峰值，每年有霾日200余d，本世纪呈下降趋势，2012年霾日不足50 d；邢台霾日也是自1970年代开始增加，1980—2004年长期维持高位震荡，每年霾日超过300余d，而后开始明显下降。（5）霾过程的发生和矢量和的大小存在较明显的正相关关系。霾过程中，华北平原均出现明显的气流停滞区，区域矢量和很小，不利于空气中污染物的水平扩散，导致了1月份华北四省市多次出现持续时间久的严重霾过程。清洁过程时华北四省市尤其是北京地区受明显的西北气流影响，风矢量和为较一致的偏北方向，区域矢量和较大，尤其在北京小平原风矢量和明显较大，水平扩散条件较好，不利于污染物的积累，对应同期能见度较高，空气质量较好。（6）华北四省市区域风矢量和与北京能见度的时间变化趋势相关明显，能见度与区域风矢量和呈明显的正相关。（7）京津冀西、北侧靠山、东邻渤海，尤其是北京小平原三面环山，太行山、燕山和军都山形成的“弓状山脉”对冷空气活动起到阻挡和削弱作用，导致山前暖区空气流动性较小形成气流停滞区，污染物和水汽容易聚集从而有利于霾和雾的形成。由于受太行山的阻挡和背风坡气流下沉作用的影响，使得沿北京、保定、石家庄、邢台和邯郸一线的污染物不易扩散，形成一条西南—东北走向的高污染带；山西省的高浓度污染物亦在低空偏南气流输送下沿桑干河河谷和洋河河谷以及滹沱河—拒马河河谷向北京输送。河北中南部与山西诸河谷的累积污染带叠加近地层输送流场是造成北京严重霾天气过程的重要原因之一。

来源出版物：环境科学学报, 2014, 34(1): 42746

入选年份：2015

北京城市道路灰尘重金属污染的健康风险评价

唐荣莉，马克明，张育新，等

摘要：目的：道路灰尘是城市中一类重要的环境介质，人群可通过吸入、摄食及皮肤接触3种途径摄入灰尘中的污染物，长期暴露在灰尘环境中会对人体造成慢性伤害。本研究调查了北京市六环内道路地表灰尘重金属含量特征，旨在探讨北京市居民暴露在街道灰尘环境中的潜在的健康风险；以及北京市不同行政区街道灰尘健康风险的差异以及与社会因子的联系。方法：本研究于2009年对北京六环内城市道路网络地表灰尘进行调查并获得有效样品225个。研究测定了样品中常见重金属Cd、Cr、Cu、Mn、Ni和Pb的总含量，并应用U.S.EPA所提出的土壤健康风险模型为基本框架对北京居民暴露在灰尘中的风险进行评价。六种重金属均具有慢性非致癌风险，其中Cd、Cr、Ni还具有致癌风险。模型假设街道附近的居民主要通过手-口摄食、经皮肤接触和通过呼吸系统吸入灰尘这3种暴露途径摄入街道灰尘中的重金属。简单认为整个非致癌暴露风险可以通过不同元素在3条暴露途径的风险简单加和算出，不考虑各种金属进入人体的相互作用以及污染物的毒性差异。本研究中摄取率、粒子释放量，挥发因子和生物暴露参数等数据参考国内场地环境评价指南，美国环境保护署所提出的土壤健康评价的标准。结果：研究区域道路地表灰尘中重金属Mn、Ni的平均含量略低于北京市的土壤背景值，Cr含量略高于土壤背景值，Cu、Pb均值为背景值的2～3倍，Cd含量几乎超出背景值的5倍。不同途径重金属慢性每日平均暴露量排序为：手-口摄食途径＞皮肤接触途径＞吸入途径。重金属成人非致癌风险排序为Cr＞Mn＞Pb＞Cu＞Ni＞Cd，儿童非致癌风险排序为Cr＞Pb＞Mn＞Cu＞Ni＞Cd，均小于非致癌风险阈值；重金属致癌风险排序为Cr＞Ni＞Cd，均低于致癌风险阈值。对比采样涉及的各行政区内儿童非致癌风险均值发现，风险值随城市功能区定位呈现梯度变化，即首都功能核心区＞城市功能拓展区＞城市发展新区。儿非致癌健康风险从城区到郊区总体呈现降低的趋势，主城四区的特点是Pb的总致癌风险高于Cr，其余区域则相反。结论：重金属污染健康风险总体较低，Cr，Pb是城市中具有最高潜在健康风险的元素。单元素对人体不构成非致癌和致癌健康威胁，儿童的健康风险高于成人，经手-口接触行为直接摄入是儿童地表灰尘暴露风险的主要途径。儿童的各种重金属多途径叠加非致癌风险接近安全限。街道灰尘中的Pb含量可能受到旧建成区历史遗留在环境中的Pb输入和交通输入的共同影响，在老城区的风险高于其他区域。Cu、Ni和Pb的健康风险与人口密度、建筑用地等因子显著相关，其含量受人为活动的影响较大，应加强管理控制其风险。

来源出版物：环境科学学报, 2012, 32(8): 2006-2015

入选年份：2015

湖南省不同土地利用方式的碳排放效应及时空格局分析

赵先超，朱翔，周跃云

摘要：目的：土地利用变化是造成碳排放量增长的主要原因。随着当前城市化、工业化的加速推进，土地利用变化所导致的碳排放量也呈现出进一步增多趋势。研究不同土地利用方式的总体碳排放效应，有助于更好地进行未来碳排放量的预测。以中部典型省份-湖南省为例，从不同土地利用方式所具有的碳源或碳汇作用入手，以土地利用类型与结构变化来分析省域土地利用的碳排放效应及时空特征，旨在为湖南省优化土地利用结构、加快区域低碳转型发展提供参考。方法：基于简化分类方法，主要测算耕地与建设用地的碳排放以及林地和草地的碳吸收。其中，对耕地、林地、草地碳排放（碳吸收）的计算采用基于用地类型的碳排放（碳吸收）系数进行；将建设用地碳排放等同为建设用地利用过程中能源消耗产生的碳排放，并采用美国橡树岭国家重点实验室碳排放系数法进行计算，结果：2003—2009年，湖南省不同土地利用方式的碳排放效应差异较大：（1）从湖南省不同土地利用方式的碳排放比例来看，建设用地碳排放从3329.35万t增加到6711.70万t，年均增加约483.19万t，对净碳排放量的年均贡献率超过84%，林地碳吸收量从763.82万t增加到794.83万t，林地为主要碳汇，其碳汇量年均可达769.67万t；（2）从湖南省土地利用净碳排放量增长趋势来看，土地利用净碳排放量从2729.52万t增加至6076.57万t，年均增加478.15万t；（3）从湖南省土地利用单位GDP净碳排放量与人均GDP关系来看，单位GDP碳排放强度呈下降趋势，单位GDP碳排放量与人均GDP呈现出倒U型曲线关系，曲线拐点在人均GDP达到0.97～1.00 t万元·人-1附近；（4）从湖南省土地利用净碳排放量的区域差异来看，岳阳市净碳排放量最高（853.33万t），其次是娄底（694.17万t）、衡阳（438.34万t）、郴州（397.35万t）、湘潭（334.13万t）、长沙（310.00万t）、常德（269.74万t）、益阳（251.70万t）、株洲（242.85万t）、邵阳（73.04万t）、吉首（21.84万t）、张家界（13.56万t）、怀化（12.84万t），最小的是永州（10.74万t），总体上呈现出从东到西、从北到南逐渐减小的趋势；（5）从湖南省土地利用碳排放-效率的组合空间差异类型来看，娄底、岳阳、湘潭与郴州4市属于高排放-低效率类型，永州、怀化、吉首与张家界4市属于低排放-高效率类型，邵阳、长沙、常德、株洲、衡阳与益阳6市属于中排放-中效率类型。结论：运用相关统计数据，测算分析了湖南省不同土地利用方式的碳排放效应及时空差异。鉴于湖南省土地利用净碳排放量呈现逐年增加的现状，预计短期内湖南省建设用地碳排放量及对净碳排放的贡献将进一步提高。湖南省土地利用单位GDP净排放强度与人均GDP之间存在着倒U型曲线关系，短期内湖南省多数城市会表现出碳排放强度随人均GDP增加而增加的趋势。与湖南省人均GDP区域差异类似，湖南省净碳排放量也呈现出从东至西，从北到南逐渐减小的趋势。鉴于上述严峻现状，建议湖南省采取 “适度限二与积极促三”的产业发展新思路，提高能效与开发清洁能源并重的能源开发利用新举措，优化空间功能与土地利用结构的新途径。

来源出版物：环境科学学报, 2013, 33(3): 941-949

入选年份：2015

大气细颗粒物的污染特征及对人体健康的影响

陶燕，刘亚梦，米生权，等

摘要：目的：大气颗粒物已成为影响大气环境质量和人体健康的主要危害因素之一。而不同粒径大气颗粒物的来源和组成不尽相同，其污染特征及产生的健康效应也有所不同，为此，本文以兰州市为研究区域，探讨不同粒径大气颗粒物（TSP、PM10、PM2.5和PM1.0）的污染特征及其对呼吸系统疾病和心脑血管疾病入院人数的影响。方法：首先应用SPSS13.0软件探讨兰州市2005—2007年不同粒径大气颗粒物污染特征及其与气象因素的相关关系。其次，采用时间序列半参数广义相加模型（GAM），在排除星期几（day of week）效应，用样条平滑函数排除长期趋势、气象因子等混杂因素影响的基础上，将当天（lag0）、1 d前至7 d前PM10、PM2.5、PM1.0浓度分别引入模型，分析不同粒径大气颗粒物与呼吸系统疾病和心脑血管疾病日入院人次的暴露反应关系，并采用Akaike信息标准（AIC）作为评判标准，进行模型优度检验。最后，根据GAM模型估算出大气颗粒物的回归系数β，计算相对危险度（RR）及其95%的可信区间（95%CI）。结果：（1）从不同粒径大气颗粒物的污染特征看出，兰州市2005—2007年期间TSP、PM10和PM2.5年际变化呈先升后降，且年均值均高于国家空气质量二级标准（GB3095—2012），而PM1.0则呈逐年下降趋势；季节变化TSP与PM10呈冬春明显高于夏秋且春季较高，而PM2.5与PM1.0则呈秋冬远高于春夏且冬季较高；年变化TSP和PM10呈典型双峰型，PM2.5和PM1.0则呈“U”型曲线；粒径分布表现为2.5～10 μm的颗粒物最多，10～100 μm次之，≤2.5 μm最少，分别占TSP的46.83%、39.67%和13.50%。（2）不同粒径大气颗粒物与气象因素相关分析表明，除平均气压外，TSP和PM10与其他气象因素均显著相关，仅与平均风速呈正相关，与其余气象因素均呈负相关；而PM2.5和PM1.0与各气象因素均显著相关，仅与平均气压呈正相关，与其余气象因素呈负相关；其中，TSP与露点温度的相关性较强，而PM10、PM2.5和PM1.0与能见度的相关性较强。（3）不同粒径大气颗粒物的人体健康效应表明，对于呼吸系统疾病来说，PM10、PM2.5和PM1.0在滞后4～5 d具有显著的健康效应，PM10和PM2.5每升高10 μg·m-3，入院危险分别增加0.052%（0.035%～0.069%）和0.604%（0.441%～0.789%），PM1.0每升高10粒子数·m-3，入院危险增加0.652%（0.425%～0.850%）。而对于心脑血管疾病来说，PM10在滞后5～6 d有较为的显著健康效应，每升高10 μg·m-3，入院危险增加0.046%（0.029%～0.063%）；而PM2.5和PM1.0均在当天和5～7 d有较为显著的健康效应，且均在当天影响最显著，PM2.5每升高10 μg·m-3，入院危险增加0.697%（0.464%～0.906%），PM1.0每升高10粒子数·m-3，入院危险增加0.935%（0.680%～1.190%）。结论：2005—2007年兰州市不同粒径大气颗粒物具有不同程度的污染，且具有明显的季节性，TSP和PM10春季最高，PM2.5和PM1.0则冬季最高，年变化TSP和PM10呈双峰曲线，而PM2.5和PM1.0则为“U”型曲线。不同粒径颗粒物健康效应不尽相同，PM10对呼吸系统疾病和心脑血管疾病入院人次的影响具有显著滞后效应，而PM2.5和PM1.0在当天即可对呼吸系统疾病和心脑血管疾病入院人次产生影响，且PM10对呼吸系统疾病的影响较心脑血管疾病明显，而PM2.5和PM1.0则正好相反。

来源出版物：环境科学学报, 2014, 34(3): 592-597

入选年份：2015

重庆市PM2.5浓度空间分异模拟及影响因子

吴健生，廖星，彭建，等

摘要：目的：近年来，PM2.5成为社会各界关注的热点问题。受自然和人为因素影响，重庆是中国空气污染较严重的城市之一。本文以重庆市为研究区域，尝试理论与实践相结合实现PM2.5浓度高空间分辨率全域覆盖模拟，同时定量分析PM2.5浓度空间分异影响因子。方法：从重庆市环保局网上获取17个空气质量监测站点的PM2.5数据，利用16个监测点数据，结合土地利用数据、路网数据、DEM数据和人口数据建立土地利用回归模型，利用剩余的1个监测点数据来对回归映射结果进行检验。模型基于ARCGIS强大空间分析能力和SPSS统计分析能力讨论变量和PM2.5、变量和变量之间的相关性，并得到回归映射结果。模型的构建分为了模型变量的生成、模型函数形式与先验假定、模型算法设置、回归映射和模型检验5个部分。其中，模型算法的过程包括以下7步：（1）计算各变量与PM2.5的相关性；（2）剔除变量与PM2.5的正负相关性与先验假定不一致的变量；（3）找出每个子类别中排序最高的变量；（4）去除每个子类别中与最高排序变量相关的变量（皮尔森检验r＞0.6）；（5）将剩余变量代入Stepwise线性回归；（6）将不满足t检验（α＝0.05）的变量从有效性库中剔除；（7）重复步骤（5）和（6），直至再去掉一个变量，对模型R2贡献率小于1%。结果：按照模型设置的变量生成方法，对监测点建立多种尺度的缓冲区，提取变量数据，最终生成了56个变量。按照土地利用回归模型的设置，56个自变量最终有3个变量进入PM2.5的回归方程，模型的R2逐步增大，且最终R2为0.84，模型拟合程度非常好。回归方程中，与研究区PM2.5浓度空间分布相关性最大的因素是空气质量监测站点500 m范围内的农用地面积，然后依次是DEM和1000 m范围内一级公路总长度，它们与PM2.5的皮尔森相关系数依次是：0.695，-0.599和0.394。回归映射检验结果显示，检验点的误差率为2.7%，误差可以接受。回归映射结果显示，PM2.5浓度以高值分布于主城区，沿一级公路分布趋势明显，与高层紧密相关，模拟结果与实际情况相符。回归方程如公式（1）PM2.5＝48.202+0.00004614דcropland_500”+0.003דprimary_1000”-0.024דdem”（2）式中，“cropland_500”是指监测站点500 m范围内农用地面积，“primary_1000”是指监测站点1000 m范围内的一级公路总长度，“dem”是指监测站点的DEM。根据回归映射结果，检验点杨家坪模拟浓度是41.7 μg·m-3，同时根据监测数据计算，平均浓度是40.6 μg·m-3。误差率＝（模拟值-监测值）/监测值×100%（3）根据公式检验点杨家坪误差率为2.7%，误差可接受。结论：（1）应用土地利用回归模型，模拟PM2.5平均浓度，其多元线性逐步回归方程的最后模型R2达到0.840，模型的拟合程度非常好，解释能力非常强。（2）回归方程中，与PM2.5平均浓度空间分布关系最大的因素是监测点的500 m范围内的农用地面积、然后依次是DEM和1000 m范围内一级公路总长度。（3）研究区PM2.5平均浓度分布，以高值分布于主城区中心，沿道路分布趋势明显，与高程紧密相关，高值分布于谷底，低值分布于山脉，模拟结果与实际情况相符。（4）检验点杨家坪的误差率为2.7%，本研究基本实现了对城市尺度区域的PM2.5浓度空间分布高辨率模拟。

来源出版物：环境科学, 2015, 36(3): 759-767

入选年份：2015

北京冬季雾霾天气下颗粒物及其化学组分的粒径分布特征研究

常清，杨复沫，李兴华，等

摘要：目的：近几年冬季，北京市乃至华北、华东地区雾霾天气频发，其引发的环境效应和气候效应已成为大气科学与环境科学领域研究的热点。本研究针对北京一次典型雾霾形成和消退过程中颗粒物浓度及化学组分的粒径分布分析，探究颗粒物的来源、化学形成和增长机制。方法：利用13级低压撞击器（Dekati公司，芬兰）在北航校园采集不同粒径段的颗粒物样品。自2013-01-07至2013-01-20连续采样，获得10组共130个样品。采样期间包括晴、多云、雨雪、雾霾四种天气，以及二级良、三级轻度污染、四级中度污染、六级严重污染四种污染状态。使用百万分之一的微量天平对对采样后样品进行称重；使用ICS-2000、ICS-1000离子色谱仪（美国Dionex公司）分别分析样品中的阴、阳离子；采用热光碳分析仪（Thermal/Optical Carbon Analyzer，DRI Model 2001），应用IMPROVE热光反射法分析样品的有机碳（OC）和元素碳（EC）。结果：（1）雾霾天的PM10、PM2.5和PM1日均浓度在4种天气中最高，最大值分别为691.8 μg·m-3，522.2 μg·m-3和190.4 μg·m-3，平均质量浓度分别为（369.4±223.9）μg·m-3，（299.6±175.8）μg·m-3，（128±49.2）μg·m-3。PM10和PM2.5日均浓度值均远远高于环境空气质量标准（GB3095-2012）中规定的日均二级浓度限值（150 μg·m-3和75 μg·m-3）。多云天和雪天的PM10质量浓度接近二级浓度最高限值，PM2.5达到三级轻度污染，多云天PM10、PM2.5和PM1浓度分别为132.4、104.6和68 μg·m-3，雪天分别为91.9、79.1、56.8 μg·m-3。晴天空气质量为二级良，颗粒物质量浓度最低，PM10、PM2.5和PM1浓度分别为65.7、48.4和34.6 μg·m-3。只有空气质量为二级良时，空气质量浓度谱呈现双模态分布，一个位于0.48～0.76 μm（积聚模态），一个位于5.13 μm（粗粒子模态）；当雾霾发生时，大气颗粒物的质量浓度谱分布呈现单模态、细模态分布，仅在积聚模态出现峰值，并主要集中于液滴模态，峰值粒径随污染的加重从0.76 μm右移至1.22 μm。（2）10种水溶性离子的粒径分布规律大致可以分为4类：（1）在0.76 μm出现单峰的细粒子主要存在于液滴模态；（2）在0.31和5.13～8.09 μm出现双峰，并以粗模态为主的Ca2+和Mg2+；（3）在0.76和5.13 μm出现双峰，并以细模态为主的Cl-和K+；（4）浓度较低，在0.12、0.31、0.76、1.94 μm、5.13 μm多处出现峰值的（3）OC、EC均主要富集于细粒子，分别占86%和94%，粒径分布呈单峰结构，OC峰值出现在0.76～1.22 μm，EC峰值出现在0.48～0.76 μm，且其峰值粒径始终小于OC；二者在不同污染下的粒径分布及变化趋势与PM10的质量浓度谱分布相似，峰值粒径均随污染加重向大粒径方向偏移，特别是OC与雾霾发生时颗粒物质量浓度谱的峰值变化一致。结论：（1）4种天气下PM2.5/PM10均大于74%，说明重污染主要是由细颗粒物污染引起。（2）空气质量二级良时，颗粒物质量浓度谱分布呈双模态。雾霾发生时，呈细模态分布，且随污染加剧，粒径峰值向大粒径方向偏移。（3）和Ca2+是颗粒物中最主要的水溶性离子，除Ca2+随污染加重质量浓度降低外，其余四种主要离子质量浓度均明显升高。六级污染时，占水溶性离子总质量的比例增加至二级良的2倍，说明二次无机物是污染的主要来源，燃煤污染的区域输送对重污染的发生有重要贡献，土壤扬尘对此次污染基本没有贡献。（4）均呈细模态分布，主要分布在液滴模态。主要是采暖燃煤排放的SO2在高湿、稳定的气象条件下，通过气粒转化及非降水的云滴或者雾滴反应不断累积造成的。主要来自于机动车尾气排放NOX的二次转化。分析的粒径分布发现，机动车尾气对爱根核模态及凝结模态的亚微米模态（＜1 μm）贡献突出；在积聚态粒径段，燃煤贡献大于机动车。空气质量越好，流动源贡献越大；污染越严重时，固定源贡献越大。（5）OC、EC均主要富集于细粒子，显单峰结构。OC粒径分布对颗粒物的质量浓度谱分布有很大影响，是污染的主要成分。二次有机物在严重雾霾事件的爆发过程中发挥了重要作用。在雾霾持续期，机动车排放的EC等一次污染物贡献增加。

来源出版物：环境科学学报, 2015, 35(2): 30-37

入选年份：2015

2050年中国能源消费的情景预测

沈镭，刘立涛，王礼茂，等

摘要：目的：能源消费与气候变化、经济增长高度相关，是关系到中国社会经济可持续发展的全局性、战略性问题。从人均能耗与人均累计能耗视角出发，对中国能源消费峰值作出理性和科学的判断，是积极应对全球气候变化谈判，保障中国能源安全和促进中国社会经济可持续发展的基础与前提。本文的目的：是参考主要发达国家社会经济发展过程中人均能耗与人均累计能耗的变化规律，设置情景预测中国未来能源消费需求，并对各情景合理性进行探讨。方法：本文假设某一时期，一国社会经济发展到一定发展阶段，其人均能耗与人均累计能耗呈相似变化规律。选取美国、德国、英国、法国、日本、韩国作为研究对象，在揭示其能源消耗总量、人均能耗、人均能耗与人均GDP、人均累计能耗变化规律的基础上，分别设置美国情景、德国情景、英国情景、法国情景、日本情景、韩国情景以及中国基准情景，以2012年为起始年，对我国2050年前能源需求进行预测。中国人均能耗情景模拟假定某一时期一国经济发展（人均GDP）达到一定水平需要消耗相似的人均累计能耗，且人均累计能耗和经济发展水平相似的国家，人均能耗增速变化规律趋同。依据中国人均GDP假定、人均能耗基准情景和国别情景开展中国人均能耗情景预测。基于此，结合中国人口预测数据开展中国基准情景和国别情景下能源需求的总量预测。比较本文与国内外具有代表性的中国能源消费预测成果，对各种情景的合理性进行分析。结果：研究表明：（1）中国人均能耗、总量和人均累计消费量均有较大的发展潜力。2050年中国人均能耗分布在4.75～9.31 tce之间，上限也只相当于美国人均能耗峰值的76%；中国能源消费总量还将持续增长，2050年中国能源消费总量分布在61.91×108～121.33×108tce之间；1870—2050年，中国人均累计能耗最佳分布区间为207～294 tce，仅相当于1870—2012年美国人均累计能耗的46%、德国人均累计能耗的56%、英国人均累计能耗的57%。（2）当前大多数研究成果预测表明，中国能源消费峰值分布区间为62×108～79×108tce，而峰值年份则出现在2035—2045年，本文研究表明除美国、英国和德国情景将出现峰值外，其他情景尚无峰值；（3）中国未来能源消费预测采用法国、日本、韩国情景较为合理，美国、英国和德国情景存在低估，基准情景则偏高；（4）法国情景下中国能源消费“零”增长将于2040年左右出现；日本、韩国以及基准情景预测显示，2035年以后中国能源消费将进入到2%左右的低速增长期。结论：（1）过早过于乐观提出中国能源消费峰值，并不利于我国社会经济建设和长远目标的实现，并有可能对我们应对国际气候变化谈判战略的制定造成负面影响，易于使中国参与全球气候变化谈判陷入被动；（2）中国人均收入不高，人均能耗、尤其是人均累计能耗低，需给社会经济发展留有能耗空间；（3）促进能源资源的节约集约使用，积极倡导节能型生产生活方式，是促进中国社会经济可持续发展、保障能源安全、积极应对全球气候变化的现实需要。

来源出版物：自然资源学报, 2015, 30(3): 361-373

入选年份：2015

畜禽粪便生物处理与土地利用全过程中抗生素和重金属抗性基因的赋存与转归特征研究进展

张俊亚，魏源送，陈梅雪，等

摘要：目的：我国是世界上最大的抗生素生产和使用国。据统计2013年，我国抗生素的使用量为162000吨，位居世界第一，是美国的9.05倍，英国的152.83倍，而我国DID（每1000常住人口每天的抗生素使用量）也是世界最高，是美国的近6倍。这导致了我国医院中筛选出的致病菌约41%为耐药菌，并且以26%的速率在增加，位居世界第二。因此，我国的抗生素抗性污染问题应该引起足够的重视。越来越多的证据显示抗生素和重金属对抗生素抗性基因在环境中的分布和传播起到了重要作用。畜禽粪便是环境中抗生素和重金属的主要污染源之一，并已成为抗生素抗性基因重要的蓄积库。生物处理（如厌氧发酵和好氧堆肥）和土地利用是畜禽粪便广泛应用的处理与处置方式。在控制、治理和资源化利用畜禽养殖粪便中常规C、N、P污染物的基础上，如何有效控制和削减抗生素与重金属的复合污染及其抗性基因的水平传递，降低畜禽养殖粪便土地利用的生态风险将是本领域的技术难题和前瞻性课题。方法：本文通过文献调研，综述国内外抗生素抗性基因和重金属抗性基因在畜禽粪便生物处理及土地利用全过程中的传播、分布及控制的研究进展，并对今后的研究重点和方向提出建议和展望，以期为我国畜禽养殖粪便的风险控制和资源化利用提供借鉴。结果：尽管国内外开展了大量的研究，但已有研究主要针对畜禽粪污、生物处理或土地利用的单一过程进行，缺乏对畜禽粪污—生物处理—土地利用的全过程进行考察，导致人们对全过程的抗生素和重金属及其抗性基因的迁移转化缺乏全面、系统的认识，难以进行全面的风险评价，进而难以提出有效的抗性基因污染削减与控制策略。例如，在全过程中，抗生素是如何一步步降解？哪一步是抗生素降解的关键步骤？全过程中重金属形态的变化规律？复合污染条件下对抗性基因在全过程中的迁移转化有何影响？如何在全过程中有效削减和控制抗生素抗性基因？现阶段不仅抗生素和重金属抗性基因在环境中复合分布特征的研究较少，而且非常缺乏在畜禽粪便生物处理过程中的迁移转化规律、工艺参数对抗性基因削减、复合分布形态的影响等方面的研究。结论：（1）目前人们尚未对畜禽粪便中抗生素和重金属抗性基因的控制和削减提出明确的策略和出台相关的规定。针对以上情况，可在以下几个方面开展研究：针对畜禽粪便处理处置全过程中抗性基因的削减与控制，深入研究畜禽粪便生物处理及其土地利用全过程中抗生素抗性基因和重金属抗性基因的分布特征及其影响因素，并对其进行风险评估。（2）深入研究畜禽粪便生物处理及其工艺操作参数对抗生素、重金属、抗生素和重金属抗性基因、微生物群落结构的影响，尤其是高温厌氧消化和堆肥工艺。（3）加强畜禽养殖粪便风险控制与资源化利用的综合管理研究，从源头上削减抗生素和重金属的使用量，进而削减和控制抗性基因污染。（4）从前端（饲料兽药）、过程（粪污处理）和末端（土地利用）控制入手，研发适于全过程抗生素、重金属及其抗性基因的协同控制关键技术，为控制和削减畜禽养殖粪污中抗生素、重金属及其抗性基因提供科学依据和技术支撑。

来源出版物：环境科学学报, 2015, 35(4): 935-946

入选年份：2015

基于生态系统服务的生态承载力：概念、内涵与评估模型及应用

曹智，闵庆文，刘某承，等

摘要：目的：近年来，随着科学技术和经济快速发展，全球和区域性环境问题加剧，人类与自然的关系越来越受到学者关注。生态承载力作为研究人与自然关系的理论之一，反映自然能够承受人类活动的干扰程度，对缓解环境问题、实现可持续发展具有指导意义。然而，生态承载力比之前出现的资源承载力、环境承载力等更为复杂和综合，是生态学研究的难点之一。目前，生态承载力研究主要集中在评估区域可持续发展程度，脱离了承载力关注增长极限的初衷，本文从生态系统出发分析生态承载力的内涵，试图从生态系统服务角度研究生态承载力，回归承载力研究的增长极限问题。方法：（1）以传统承载力研究的增长极限为指导，从生态系统服务的角度提出以“生态系统-生态系统服务-人口和经济（承载力）”为研究主线的基于生态系统服务的生态承载力的概念及评估模型。基于生态系统服务的生态承载力（Ecosystem-Services-based Ecological Carrying Capacity，ESECC）的定义是某个区域生态系统的结构、过程及其空间格局决定的生态系统服务所能支撑的具有一定发展水平的人口数量和经济规模。ESECC评估模型是将所有与人类密切相关的生态系统服务纳入评估模型，把生态系统和人类活动看作“黑箱”，针对每种生态系统服务分别评估其承载力，并根据“短板效应”取最小值作为区域生态承载力。（2）评估模型按照人类活动与生态系统服务的关系程度及对生态系统服务的消耗特征重新划分生态系统服务类型，ESECC的限制因素主要集中在直接消耗性服务，当前主要包括食物供给、生物原材料供给、薪柴供给、水资源供给、污水净化、废气吸收、固废容纳7种服务。7种生态系统服务的估算方法采用物质量估算法。结果：结合云南省红河县实际情况，选取食物供给、生物原材料供给、水资源供给、污水净化、废气吸收和固废容纳6种服务，利用基于生态系统服务的生态承载力评估模型对云南省红河县生态承载力计算结果为：基于食物供给服务的生态承载力的人口规模为251189人，经济规模为115755.6万元；基于生物原材料供给服务的生态承载力的人口规模为331089人，经济规模为152575.9万元；基于废气吸收服务的生态承载力的人口规模为10495054人，经济规模为4836440.1万元；基于污水净化和水资源供给服务的生态承载力的人口规模为1448637人，经济规模为667576.0万元；基于固废容纳服务的生态承载力的人口规模为386680人，经济规模为178193.7万元。根据“短板效应”以基于食物供给服务的生态承载力作为红河县生态承载力，红河县生态承载力人口为251189人，经济规模为115755.6万元。结论：红河县实际人口数量为296480人，经济规模为136627万元，说明当前生态承载力处于超载状况，当前的发展需从外地进口一部分食物以满足需要。除食物供给服务外，其他生态系统服务都能满足当前发展需求，环境状况良好。

来源出版物：自然资源学报, 2015, 30(1): 42746

入选年份：2015