西安市大气污染物生态足迹分析

苏冠儒，谭志海，刘 璐，李冬雪

(西安工程大学 环境与化学工程学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

生态足迹(Ecological Footprint)由瓦克纳格尔在1996年提出的一种衡量可持续发展的重要方法[1],1999年生态足迹理论被引入我国[2],近些年,我国利用生态足迹模型进行了大量研究[3-6]。随着城市化的不断发展,自然资源成为城市快速发展的主要动力,同时也导致大气污染问题日益严重,生态足迹可以对资源的使用或消耗情况进行核算[7]。

目前在江西省、沈阳市等地区对大气污染物的生态足迹做过类似的研究,但在西安市有所欠缺[8-9]。本文选取SO2、NOx和粉尘为大气污染物核算项目,通过对西安市2012—2016年污染物生态足迹的定量核算,利用生态足迹模型评估人类活动对大气的环境压力。

1 区域概况与研究方法

1.1 自然概况

西安市位于关中盆地中部秦岭北麓,地跨渭河南北两岸，属暖温带半湿润大陆性季风气候。年平均气温15.8 ℃,年平均降水量450.7 mm,年平均风速2.3 m/s[10]。随着经济的快速发展,西安市大气环境遭到极大的破坏,并且大气环境污染主要以SO2、NOx和粉尘为主。西安市大气中SO2、NOx和粉尘都已超标,废气治理率差。

1.2 研究方法

1.2.1 大气污染物生态足迹计算 大气污染物生态足迹(EF),计算式[11]为

EF=W/CF

(1)

式中:W为污染物排放量;CF为单位公顷林地吸收量。

相关研究结果[12]表明,单位公顷林地对SO2、NOx和粉尘的吸附能力分别为152.05 kg/hm2,380 kg/hm2和2 165 kg/hm2。

1.2.2 大气环境承载力计算 应用箱模式模型[9],对西安市大气污染物的环境容量(QT)进行计算。

(2)

式中:Cmax表示大气污染物的质量浓度限值,mg/m3;SO2取0.06 mg/m3;粉尘取0.2 mg/m3;NOx取0.05 mg/m3;S为区域面积,km2;n为区域平均风速,m/s;L为污染物可到达高度,m。L取大气混合层的平均高度约800 m。

大气环境承载力(EC)核算方法[11]为

EC=QT/CF

(3)

1.2.3 大气环境污染生态赤字/盈余及生态压力指数 大气污染物生态赤字用于表示地区发展的不可持续程度,大气污染物生态盈余衡量地区发展的可持续程度。生态赤字/盈余(ED)计算公式为

ED=EF-EC

(4)

生态压力指数反映地区生态环境承受压力的能力[13]。生态压力指数(EP)计算式为

EP=EF/EC

(5)

1.2.4 万元GDP大气污染生态足迹 万元GDP大气污染生态足迹指经济每增长一万元而产生相对应的大气污染生态足迹,反映了大气污染与经济发展的关系。比值越大,经济发展对大气环境的影响越大,比值越小,该地区的经济发展方式绿色环保,对能源的使用也是节能高效的。

万元GDP大气污染物生态足迹=EF/GDP

(6)

2 结果与讨论

2.1 西安市2012—2016年生态足迹趋势变化分析

根据西安市2012—2016年统计年鉴计算各个污染指标,得到西安市SO2、NOx和粉尘污染的生态足迹,环境承载力及生态赤字/盈余如图1所示。从图1可以看出，2012—2016年SO2、NOx和粉尘的环境承载力呈上升趋势,并在2012—2013年增加明显,2016年达到最大值,其中，SO2增幅为99.90%,NOx为99.99%,粉尘为99.88%。与2013年西安市委、市政府做出“创建国家森林城市”的决策不可分[14],2016年西安市荣获“国家森林城市”称号,并实现了森林覆盖率为48%的目标。2012—2016年SO2和NOx的生态足迹整体呈逐年下降趋势,并在2015—2016年下降明显,2016年达到最低值,其中，SO2下降幅度为54.11%, NOx为73.55%。5年内SO2的污染均为赤字,呈下降趋势,下降幅度为84.36%,2016年SO2生态赤字为8.995 4×108m2。NOx污染在2012—2015年均为生态赤字,整体呈下降趋势,但2016年为生态盈余,盈余值为3.387 4×108m2。粉尘生态足迹值在5年内没有显著变化,但2012—2016年粉尘污染均为生态盈余,呈上升趋势,2016年生态盈余为3.546 0×108m2。2015年西安市削减了煤炭消费总量[15],增加了清洁能源的使用比例,并实行机动车出行限号政策、锅炉拆除和改造方法改善大气环境[16]。但SO2污染依然严重,仍需继续对大气环境进行治理。

(a) SO2

(b) NOx

(c) 粉尘图 1 西安市2012—2016年生态足迹变化趋势Fig.1 The ecological footprint trend in Xi′an from 2012 to 2016

根据北京市和郑州市2016年统计年鉴，北京市、郑州市大气污染物生态足迹比较如图2所示。

图 2 北京市、郑州市和西安市2016年大气污染物生态足迹比较

北京市作为中国政治与文化交流中心,对生态环境要求高,需要适应北京市的经济发展[17]。而郑州市作为中国内陆城市，发展规模、经济、气候与西安市相近[18]。从图2可以看出，西安市SO2大气污染生态足迹均高于北京市和郑州市,而NOx值低于北京市和郑州市,但粉尘值西安市与北京市、郑州市相差不大,西安市最低。西安市NOx值最低,说明西安市在控制机动车尾气排放方面优于北京市、郑州市。西安市工业生产产生SO2严重影响了西安市的大气环境质量,也是目前西安市对生态环境影响最严重的大气污染物。3个城市的粉尘值相近,说明粉尘污染问题仍然是目前大部分城市所面临的环境问题,也是造成雾霾等大气环境问题的主要原因。

2.2 生态压力指数

根据生态压力指数计算公式得到2012—2016年西安市SO2、NOx和粉尘生态压力指数，西安市2012—2016年大气污染物生态压力指数如图3所示。从图3可以看出，3种污染物在5年中生态压力指数的变化趋势,并结合生态压力指数等级划分标准[12],可直观地对西安市大气环境状况做出评估。

3种污染物的生态压力指数在2012—2016年中呈逐渐减少趋势,2016年达到最低。其中SO2前4年的生态压力指数等级均为Ⅰ级不安全,而2016年为Ⅲ级，但仍为较不安全的环境状况;NOx的生态压力指数等级在前4年分别为Ⅰ级和Ⅱ级,均为不安全状态,2016年生态压力指数等级升至最高(Ⅴ级安全状态);粉尘在5年中分别为Ⅴ级和Ⅵ级,大气环境为安全状态。以上结果表明，NOx和粉尘对西安市大气环境影响较小,在5年的治理下处于安全状态,但SO2污染仍然是西安市大气污染主要因素,需要继续加强对SO2排放的监督和治理。

图 3 西安市2012—2016年大气污染物生态压力指数

2.3 西安市万元GDP大气污染生态足迹

根据万元GDP大气污染物生态足迹计算可得2012—2016年西安市万元GDP大气污染物生态足迹如图4所示。从图4可以看出，2012—2016年西安市SO2和NOx万元GDP大气污染足迹逐年下降,并且相邻年份之间差值较大,2016年最小,2015—2016年分别为52.42%和66.72%，下降幅度最大。2012—2016年粉尘万元GDP大气污染生态足迹变化量不大,变化起伏不明显,差值稳定在0.5 m2左右，说明西安市经济发展主要依靠对化石能源的消耗,但近几年正在加大对大气环境质量的治理。

图 4 西安市2012—2016年万元GDP大气污染物生态足迹Fig.4 Air pollution ecological footprint ten thousand Yuan GDP in Xi′an from 2012 to 2016

根据北京市和郑州市2016年大气污染物生态足迹值计算得出，万元GDP大气污染物生态足迹与西安市2016年数据进行比较,如图5所示。从图5可以看出，西安市SO2万元GDP大气污染物生态足迹高于北京市和郑州市,而NOx值却低于北京市和郑州市,但粉尘值西安市与郑州市接近,北京市最低。西安市NOx值较低,但与北京市差距较生态足迹值有所减小,说明北京市经济发展对生态环境的影响较小,而西安市和郑州市在经济发展的同时仍然需要加强环境保护。西安市SO2值最高,说明西安市的经济发展仍然以传统工业为主,工业生产产生大量SO2，严重影响西安市大气环境质量。

图 5 北京市,郑州市和西安市2016年万元GDP大气污染物生态足迹比较

Fig.5 Comparison of air pollution ecological footprint of ten thousand Yuan GDP in Beijing, Zhengzhou and Xi′an in 2016

3 结 论

(1) 从生态足迹、生态赤字/盈余以及生态压力指数可以看出,西安市在近几年大气环境治理下,大气环境质量整体逐步改善,但2016年SO2生态足迹值仍然很高,超出了西安市大气环境承受范围,对生态环境的压力也处于不安全状态,SO2成为西安市对大气环境影响最严重的大气污染物。

(2) 与其他城市对比,2016年西安市SO2和粉尘的万元GDP大气污染生态足迹高于北京市和郑州市,NOx却低于北京市和郑州市，表明西安市机动车限行政策的实施对大气环境效果好,但经济仍是以高消耗、低效率的方式发展,需形成绿色高效的经济发展模式。