黔东南州城市环境空气质量季节性变化特征

伍名群

(黔东南苗族侗族自治州 环境监测中心站，贵州 凯里 556000)

0 引言

随着城市化与工业化加快推进，城市人口不断增多，工业集中度越来越高，大量石化燃料消费增多，加剧了城市大气污染的程度[1]。城市环境空气污染问题日趋严重，影响居民生活质量，危害身体健康[2-3]。造成城市空气污染的原因很多，既有自然因素，也有人为因素。城市空气污染主要来自汽车尾气污染、工业排放污染等[4]。罗意然等[5]对2014—2017年云南省典型城市空气污染特征分析发现，城市空气6大污染物中，PM10和SO2在冬季有明显的空间集聚现象；张昆峰[6]对广州郊区环境空气中PM2.5和PM10的污染状况进行分析发现，PM2.5和PM10的污染浓度具有季节变化特征，冬季>秋季>春季>夏季，冬季最高，夏季最低；许燕婷等[7]对中国城市空气质量时空分布特征进行研究发现，2014—2016年中国城市 AQI 季节均值：冬季>春季>秋季>夏季，夏、秋两季空气质量空间分异格局不显著，春、冬两季的空间分异格局显著，呈北高南低、内陆高沿海低的季节性空间分布格局；廖志恒等[8]分析了珠三角地区SO2、NO2、O3和 PM10浓度的月变化规律，发现各污染物浓度的月变化呈双峰型变化。学者们对全国尺度、省级尺度、城市及郊区等空气污染物变化规律进行深入广泛的研究，为掌握污染物季节性变化特征，预防污染物影响空气质量具有重要意义。

2018年，贵州省88个县(市、区)AQI优良天数比例平均为97.7%，同比上升了0.7个百分点，其中黔东南州16个县(市)平均为98.9%[9]，同比上升2.1个百分点，在全省9个市(州)排名第2位。尽管黔东南州在城市空气污染物治理方面取得较好成绩，但城市大气污染防治需要常抓不懈。从黔东南州城市环境空气污染物浓度变化、污染物之间相关性以及城市环境空气综合指数进行全面系统分析，以期掌握黔东南州城市环境空气质量季节性变化特征，为做好大气污染防治提供参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 黔东南州概况

黔东南苗族侗族自治州(简称“黔东南州”)位于贵州省东南部，地理坐标：107°17′20″～109°35′24″E，25°19′20″～27°31′40″N，东邻湖南省怀化市，南接广西壮族自治区柳州、河池市，西连黔南布依族苗族自治州，北抵遵义、铜仁市；土地总面积30 223 km2，辖1市15县和10个省级经济开发区。2018年末，总人口481.19万人，有苗、侗、汉等33个民族，少数民族人口占黔东南州总人口的79.3%，其中苗族人口占42.2%，侗族人口占29.7%，是全国苗族侗族人口分布最集中的地区。黔东南州森林覆盖率达62.78%，年平均气温14～19 ℃。

图1 研究区位置Fig.1 Location map of study area

1.2 数据来源及处理

数据来源于“贵州省区域大气环境数据管理应用系统”，该系统每小时公布1次空气污染状况监测数据，包括二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)、臭氧(O3)、可吸入颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5)的小时平均值，公布的数据包括凯里市(凯里学院、市环境监测站、州物资仓库、凯里二中4个点)，黄平县(黄平水厂)，施秉县(县政务中心楼顶)，三穗县(三穗一中)，镇远县(镇远县气象局)，岑巩县(岑巩生态环境局)，天柱县(天柱燕窝水厂)，锦屏县(锦屏县政府)，剑河县(县行政中心)，台江县(台江城关一小)，黎平县(黎平一中)，榕江县(榕江县县医院)，从江县(从江县林场大田)，雷山县(雷山马家屯)，麻江县(麻江马鞍山)，丹寨县(丹寨职校新教学楼顶)等16个县(市)城市空气自动监测站自动监测数据。研究统计了2018年1月1日至2018年12月31日期间黔东南州16个县(市)各站点每日所得的日均监测数据计算出该城市月平均监测数据。

1.3 研究方法

以2018年黔东南州16个县(市)城市空气自动监测数据展开分析，分析指标主要是空气质量指数(Air Quality Index，简称“AQI”)中6项参数，分别为二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)、臭氧(O3)、可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)。四季按照气候统计法划分：冬季为12月、1月、2月，春季为3月、4月、5月，夏季为6月、7月、8月，秋季为9月、10月、11月。各大气污染物日浓度值是每日城市下所有站点监测值的算术平均值，月均值(月平均浓度值)是各月内每日浓度的算术平均值，年均值(年平均浓度值)是指1年内每日浓度的算术平均值[10]。

数据处理和相关性分析借助于Microsoft Excel 2007和SPSS Statistics 19.0统计分析软件完成，其中相关性分析采用Pearson检验法(双侧检验)。

2 结果与分析

2.1 黔东南州城市环境空气污染物浓度变化分析

2.1.1 二氧化硫(SO2)

统计黔东南州16个县(市)SO2月均浓度,见表1。从表1可以看出，2018年,黔东南州城市SO2月均浓度在6～9 μg/m3之间，年均浓度在2～16 μg/m3，全州城市年均浓度为7 μg/m3，最大浓度出现在榕江县10月(浓度为28 μg/m3)，最小浓度出现在镇远县4月、5月、7月和10月以及台江县10月(浓度均为1 μg/m3)，全州城市环境空气中SO2年平均浓度达到《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中一级标准(20 μg/m3)，其中，凯里市、施秉县、锦屏县、黎平县、榕江县城市环境空气中SO2浓度年均值大于全州16个县(市)城市环境空气中SO2浓度年平均值。

从全年来看，凯里市、黄平县、锦屏县、黎平县、榕江县5个县(市)SO2浓度季节性变化较为明显，其中，凯里市SO2浓度高值出现在9—12月，即，秋季和冬季SO2浓度偏高，12月SO2浓度最高值比最低值高出3倍还多；黄平县SO2浓度高值出现在1—2月，即，冬季SO2浓度偏高，1—2月SO2浓度最高值比最低值高出8倍；锦屏县SO2浓度高值出现在7—9月，夏季和秋季浓度偏高；黎平县SO2浓度高值出现在7～9月，夏季和秋季浓度偏高；榕江县SO2浓度高值出现在1月和9—11月，即,秋季和冬季SO2浓度偏高，10月SO2浓度最高值比最低值高出3倍还多，其余县SO2浓度月变化幅度相对较小，季节性影响不大。

黔东南州部分县(市)SO2浓度偏高，一方面可能与城市人口数量、产业类型等社会因素有关，另一方面也与地域面积、地理特征、气候特性等自然因素有关[11]。此外，秋季和冬季温度较低，不利于污染物的扩散，以及秋季和冬季天气较冷，城市居民用煤量偏大也可能是导致SO2浓度偏高的另一原因。凯里市属中亚热带温和湿润气候区，秋季和冬季较干燥，不利于空气污染物扩散，加之城区人口密集、车流量较大以及周边生产企业等人为活动的影响，导致秋季和冬季出现SO2浓度异常偏高变化趋势。黎平县县城建成区面积12 km2，城区面积较大，夏季和秋季随着天气的不断升温，夜市烧烤成为市民消费热点，烧烤的过程中会产生SO2污染，以及城市周边生产企业的影响等人为活动，导致夏季和秋季SO2浓度偏高。榕江县属亚热带中亚气候区，受季节性的影响较为突出，加之县城中心处于地势低洼处，不利于空气对流，影响空气污染物扩散，导致SO2浓度出现异常偏高变化趋势。

2.1.2 二氧化氮(NO2)

统计黔东南州16个县(市)NO2月均浓度,见表2。从表2中可以看出，2018年，黔东南州城市NO2月均浓度在1～28 μg/m3之间，年均浓度在3～18 μg/m3，全州城市年均浓度9 μg/m3，最大浓度出现在麻江县(浓度为28 μg/m3)，最小浓度出现在从江县(浓度为1 μg/m3)，全州城市环境空气中NO2年平均浓度达到《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中一级标准(40 μg/m3)，其中，凯里市、锦屏县、台江县、榕江县、雷山县、麻江县城市环境空气中NO2浓度年均值大于全州16个县(市)城市环境空气中NO2浓度年平均值。

表1 黔东南州城市二氧化硫(SO2)月均浓度统计(单位:μg/m3)Tab.1 Monthly average concentration of sulfur dioxide (SO2) in Qiandongnan(unit:μg/m3)

从全年来看，凯里市、岑巩县、天柱县、锦屏县、剑河县、台江县、黎平县、榕江县、雷山县、麻江县10个县(市)NO2浓度季节性变化较为明显，其中，凯里市、岑巩县、天柱县、剑河县、台江县、榕江县6个县(市)NO2浓度高值出现在1—5月，即，冬季和春季NO2浓度偏高，岑巩县在1月和3月NO2浓度最高值比最低值高出5倍，天柱县在4月NO2浓度最高值比最低值高出2倍还多，剑河县在1月NO2浓度最高值比最低值高出近3倍；锦屏县、黎平县、雷山县3个县NO2浓度高值出现在10—12月，即,秋季和冬季NO2浓度偏高；麻江县NO2浓度高值出现在4—8月，即,春季和夏季NO2浓度偏高，其余县NO2浓度月变化幅度相对较小，季节性影响不大。

黔东南州部分县(市)NO2浓度偏高，可能与县城人口数量、面积大小以及县城地理特征、气候特性等自然因素有关[11]。此外，也可能与城市产业类型以及机动车、燃煤锅炉等社会因素有关。凯里市冬季及冬春交季比较干燥，不利于空气对流，加之城市人口密集、车流量较大以及周边生产企业等人为活动影响，导致NO2浓度出现异常偏高现象。台江县城所在地属于山谷地貌，受季节性影响较大，冬季较干燥，空气对流条件较差，不利于空气污染物扩散，加之机动车及周边生产企业等人为活动影响，导致NO2浓度出现异常偏高现象。榕江县县城所在地地势低洼，受地型影响，加之冬季和春季较为干燥，城市机动车、夜市烧烤、生活用煤及周边燃煤锅炉等排放污染物不利于扩散，也是导致NO2浓度出现异常偏高的原因。麻江县县城离碧波工业园较近，重污染天气的出现，可能与污染物叠加有密切关系。

2.1.3 一氧化碳(CO)

统计黔东南州16个县(市)CO月均浓度,见表3。从表3中可以看出，2018年，黔东南州城市CO月均浓度在0.2～1.4 mg/m3之间，年均浓度在0.3～1.0 mg/m3，全州城市年均浓度为0.7 mg/m3，最大浓度出现在台江县12月(浓度为1.4 mg/m3)，最小浓度出现在剑河县4月、5月、10月和镇远县10月(浓度为0.2 mg/m3)，全州城市环境空气中CO年平均浓度达到《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中一级标准(参照该标准中24小时平均浓度4 mg/m3)，其中，台江县、榕江县城市环境空气中CO浓度年均值大于全州16个县(市)城市环境空气中CO浓度年平均值。从全年来看，黔东南州城市环境空气中CO浓度季节性变化不明显，季节性影响较小。

通常情况下，城市空气中的CO主要与汽车、工业炉窑、居民炉灶排放有关[12]。凯里市城区人口密集、机动车数量较大、居民用煤的相对较多，是导致CO浓度偏高的主要原因。台江县城市受地形影响，以及冬季天气干燥，不利于空气污染物扩散，城区机动车、居民用煤等人为因素的影响，出现冬季CO浓度偏高变化趋势。榕江县城市受地形影响，以及秋季和冬季天气干燥，不利于空气污染物扩散，城区机动车、居民用煤及周围工业炉窑等人员因素的影响，出现秋季和冬季CO浓度偏高变化趋势。

表2 黔东南州城市二氧化氮(NO2)月均浓度统计(单位:μg/m3)Tab.2 Monthly average concentration of nitrogen dioxide(NO2) in Qiandongnan(unit:μg/m3)

表3 黔东南州城市一氧化碳(CO)月均浓度统计(单位:mg/m3)Tab.3 Monthly average concentration of carbon monoxide (CO) in Qiandongnan(unit:mg/m3)

2.1.4 臭氧(O3)

统计黔东南州16个县(市)O3月均浓度,见表4。从表4中可以看出，2018年，黔东南州城市O3月均浓度在21～108 μg/m3之间，年均浓度在39～68 μg/m3，全州城市年均浓度为58 μg/m3，最大浓度出现在岑巩县的2月(浓度为108 μg/m3)，最小浓度出现在天柱县的12月(浓度为21 μg/m3)。全州城市环境空气中O3年平均浓度达到《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中一级标准(参照该标准中日最大8小时平均浓度100 mg/m3)，其中，凯里市、黄平县、岑巩县、台江县、黎平县雷山县、麻江县7县(市)城市环境空气中O3浓度年均值大于全州16个县(市)城市环境空气中O3浓度年平均值。从全年来看，黔东南州城市环境空气中O3浓度季节性变化幅度较明显，其中，凯里市、施秉县、岑巩县、黎平县、锦屏县5个县(市)O3浓度高值出现在2—5月，即，冬季和春季O3浓度偏高；黄平县、三穗县、镇远县、天柱县、剑河县、台江县、榕江县、从江县、雷山县9个县O3浓度高值出现在3—5月，即，春季O3浓度偏高；麻江县、丹寨县2个县O3浓度高值出现在8—10月，即，夏季和秋季O3浓度偏高。

黔东南州城市O3浓度偏高，一方面可能与当地的季节性气候变化存在很大的关系，另一方面也可能与人类生产生活活动有关[13]。通常情况下，紫外线利于O3的产生，黄平县、岑巩县出现个别月份O3浓度偏高，可能与极端天气有直接关联。

表4 黔东南州城市臭氧(O3)月均浓度统计(单位:μg/m3)Tab.4 Statistics of monthly average concentration of ozone (O3) in Qiandongnan (unit:μg/m3)

2.1.5 可吸入颗粒物(PM10)

统计黔东南州16个县(市)PM10月均浓度,见表5。从表5中可以看出，2018年，黔东南州城市PM10月均浓度在18～84 μg/m3之间，年均浓度在28～46 μg/m3，全州城市年均浓度37 μg/m3，最大浓度出现在岑巩县2月(浓度为84 μg/m3)，最小浓度出现在雷山县7月和镇远县6月、7月(浓度为18 μg/m3)，全州城市环境空气中PM10年平均浓度达到《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中一级标准(40μg/m3)，其中，凯里市、黄平县、施秉县、岑巩县、天柱县、剑河县、台江县、黎平县8个县(市)城市环境空气中PM10浓度年均值大于全州16个县(市)城市环境空气中PM10浓度年平均值。从全年来看，黔东南州城市环境空气中PM10浓度季节性变化较为明显，其中冬季和春季偏高，夏季和秋季浓度偏低，整体趋于平稳变化，季节性影响较为明显。

导致黔东南州城市PM10浓度在冬季、春季出现偏高，一方面可能与城市发展过程中产生的建筑施工扬尘和道路扬尘有直接关系；另一方面可能与冬季城市燃煤量增加，而大气层较稳定，易出现辐射逆温现象，以及气象条件不利于污染物的扩散，导致PM10浓度增大[5,14-15]。此外，黔东南州属中亚热带季风湿润气候区，雨热同季的特点，降水对大气环境有较好的清洗作用，有效降低了颗粒物浓度值，出现春季和夏季PM10浓度偏低的变化趋势。凯里市、黄平县、施秉县等城市集中出现在2月PM10浓度整体上偏高，通过调查了解，一方面与建筑施工扬尘、机动车尾气和道路交通扬尘有关；另一方面2月正当春节，家家户户燃放烟花炮竹时会释放出大量的颗粒物。

表5 黔东南州城市可吸入颗粒物(PM10)月均浓度统计(单位:μg/m3)Tab.5 Monthly average concentration of particulate matter(PM10) in Qiandongnan (unit:μg/m3)

2.1.6 细颗粒物(PM2.5)

统计黔东南州16个县(市)PM2.5月均浓度,见表6。从表6中可以看出，2018年黔东南州城市PM2.5月均浓度在7～57 μg/m3之间，年均浓度在16～30 μg/m3，全州城市年均浓度22 μg/m3，最大浓度出现在岑巩县2月(浓度为57 μg/m3)，最小浓度出现在施秉县7月(浓度为7 μg/m3)，全州城市环境空气中PM2.5年平均浓度达到《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中二级标准(35 μg/m3)，全州城市环境空气中PM2.5年平均浓度达到《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中一级标准(40 μg/m3)，其中，凯里市、黄平县、三穗县、岑巩县、天柱县、剑河县、台江县、黎平县、榕江县9个县(市)城市环境空气中PM2.5浓度年均值大于全州16个县(市)城市环境空气中PM2.5浓度年平均值。从全年来看，黔东南州城市环境空气中PM2.5浓度季节性变化较为明显，其中冬季和春季偏高，夏季和秋季浓度偏低；整体趋于平稳变化，季节性影响较为明显。

表6 黔东南州城市细颗粒物(PM2.5)月均浓度统计(单位:μg/m3)Tab.6 Monthly average concentration statistics of urban particulate matter(PM2.5) in Qiandongnan(unit:μg/m3)

通常情况下，PM2.5污染来源与PM10基本相同。根据贵州省生态环境厅网公布的2018年贵州省9个中心城市第一季度源解析结果显示，全省9个中心城市细颗粒物(PM2.5)污染来源主要为建筑水泥尘、道路扬尘，分别占22.2%和18.8%。其次为机动车尾气尘和工业粉尘，分别占16.9%和16.5%。可见，城市空气中PM2.5主要来源于建筑施工扬尘、道路交通扬尘和机动车尾气等污染。

2.2 黔东南州城市污染指标相关性分析

为检验两个连续变量之间是否呈线性相关，进一步掌握各污染物之间的变化规律，选取Pearson相关系数衡量不同大气污染物浓度之间的线性相关性。以2018年1—12月每月所监测的各污染物浓度平均值为基准，采用SPSS Statistics 19.0统计分析软件进行Pearson相关性分析，结果见表7。

表7 黔东南州城市环境空气污染物月均值浓度Pearson相关性分析Tab.7 Pearson correlation analysis of mean concentration of air pollutants in Qiandongnan

注：* 在 0.05 水平(双侧)上显著相关；** 在 0.01 水平(双侧)上显著相关。

从表7可知，任意两组污染物之间，相关系数绝对值最大的是PM2.5和PM10，在0.01的置信水平下其Pearson相关系数达到0.962，具有极强的正相关性。根据定义，PM2.5是PM10的一部分，然而PM2.5占PM10的比例不是一成不变的，PM2.5会随气候条件、排放源等因素的变化而变化。PM2.5浓度与SO2、NO2、CO的浓度在0.05的置信水平下都表现出显著的正相关性，Pearson相关系数分别为0.618、0.654、0.701。PM10浓度与NO2的浓度在0.05的置信水平下都表现出显著的正相关性，Pearson相关系数为0.603。NO2浓度与CO浓度在0.01的置信水平下表现出显著的正相关性，Pearson相关系数为0.733。通常情况下，大气中SO2主要来源于含硫煤炭的燃烧，氮氧化物主要来源于机动车等流动燃烧源的排放，CO主要来源于燃料的不完全燃烧。这些气态污染物排放过程中，往往伴随着其他气态污染物以及颗粒物的排放。因此，气态污染物之间以及气态污染物与PM2.5和PM10之间均表现出正相关性。

值得关注的是在0.01的置信水平下，O3与SO2、NO2、CO表现为负相关性。O3的氧化性可以导致大气中的SO2、NO2、VOCs被氧化并逐渐凝结成颗粒物，从而增加了PM2.5的浓度[5]。O3属于二次污染物，具有很强的氧化能力，属于光化学烟雾的代表性污染物。当大气中PM2.5浓度升高，形成气溶胶时，可能减弱紫外线辐射，从而减少了O3的形成。因此，PM2.5和PM10浓度均与O3浓度相关较小[16]。另外，CO、NO2是低空O3形成过程中的前体物，O3的形成需要消耗这些前体物。同时，具有强氧化性的O3可以将SO2氧化，降低大气中SO2浓度[17]。

2.3 黔东南州城市环境空气质量指数分析

空气质量指数是描述城市环境空气质量综合状况的无量纲指数，它综合考虑了SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5等6项污染物的污染程度，空气质量指数数值越大表明综合污染程度越重。从统计数据可以看出，黔东南州19个环境空气质量自动监测点年均环境空气质量综合指数在1.72～3.34之间，平均综合指数为2.37。

图2 黔东南州城市月环境空气质量综合指数变化趋势Fig.2 Trend of monthly ambient air quality composite index of Qiandongnan

从图2可以看出，黔东南州19个环境空气自动监测站提供的监测数据计算环境空气质量综合指数，全年月变化趋势基本相同，最大出现在2月，最小出现在7月。从季节性上看，从高到低依次为冬季、春季、秋季、夏季，反之，可以看出黔东南州城市环境空气质量从好到差依次为夏季、秋季、春季、冬季。另外，从黔东南州19个环境空气自动监测点空气质量综合指数全年月变化趋势来看，与PM10和PM2.5全年月变化趋势基本相同，初步可以确定PM10和PM2.5是黔东南州城市环境空气污染物主要影响因子，PM10和PM2.5浓度的高低直接影响黔东南州城市环境空气质量指数的变化。空气颗粒物的来源有自然源和人为源两种，在城市中主要以人为源为主，在北京人为造成的PM2.5占总排放量的60%～80%[18]，主要来源于燃煤排放和机动车排放[19-20]。近年来，黔东南州积极推进生态文明建设，认真落实《中华人民共和国环境保护法》和《国务院办公厅关于加强环境监管执法的通知》的要求，加大了运用新法打击环境违法行为的力度，扎实开展专项攻坚行动，强力推进蓝天保卫战各项任务落实。尽管在大气污染防治方面取得了一定的成绩，但建筑施工和道路扬尘、机动车尾气等污染依然存在，城市大气污染治理是当前黔东南州城市环境空气中急需解决的问题。

3 结论

对黔东南州16个县(市)城市环境空气中污染物浓度变化规律、污染物之间相关性以及环境空气质量综合指数进行分析，结论如下：

1)黔东南州城市环境空气中SO2浓度季节性变化较为明显，其中，凯里市、黄平县、锦屏县、黎平县、榕江县5个县(市)SO2浓度高值出现在秋季和冬季；NO2浓度季节性变化较为明显，其中，凯里市、岑巩县、天柱县、锦屏县、剑河县、台江县、黎平县、榕江县、雷山县、麻江县10个县(市)NO2浓度高值出现在冬季和春季；CO浓度季节性变化不明显，季节性影响较小；O3浓度季节性变化较为明显，其中，凯里市、施秉县、岑巩县、黎平县、锦屏县5个县(市)O3浓度高值出现在冬季和春季；黄平县、三穗县、镇远县、天柱县、剑河县、台江县、榕江县、从江县、雷山县9个县O3浓度高值出现在春季；麻江县、丹寨县2个县O3浓度高值出现在夏季和秋季；PM10和PM2.5浓度季节性变化较为明显，冬季和春季浓度较高，夏季和秋季浓度较低。

2)在0.01的置信水平下，PM10和PM2.5的Pearson相关系数达到0.962，具有极强的正相关，初步判断PM10和PM2.5是影响黔东南州城市环境空气质量季节性变化的主要污染物。

3)从全年空气质量变化趋势来看，黔东南州城市环境空气质量从好到差依次为夏季、秋季、春季、冬季，颗粒物浓度的高低直接影响城市空气质量综合指数的变化。