国家重点生态功能区县域环境空气质量时空变化分析

许 杰,刘海江,聂平静,金自恒,翟德超,高锡章

1 中国科学院地理科学与资源研究所 资源与环境信息系统国家重点实验室,北京 100101

2 中国科学院大学 资环学院,北京 100049

3 中国环境监测总站,北京 100012

4 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心,南京 210023

建立国家重点生态功能区是保障国家生态安全的重要措施,国家环境保护总局于2007年公开发布《国家重点生态功能保护区规划纲要》[1],至2010年国务院发布《全国主体功能区规划》,正式将25个限制开发区域列为国家重点生态功能区,为国家未来的土地和空间发展制定了规范和指导方针[2]。同时,中央财政于2008年启动国家重点生态功能区转移支付,用于对发展受限的国家重点生态功能区的县(市、区)给予一般性转移支付资金进行生态补偿[3],截止到2019年,国家已累计投入转移支付资金近5200多亿元[4]。评估国家重点生态功能区财政转移支付的空气质量改善状况,对国家生态文明建设与重点生态功能区制度的完善具有重要意义[5—7]。空气质量是关乎人们生命健康的一项重要环境质量数据,同时也是反映生态环境质量的一项敏感指标。空气质量状况及其主要污染物通常能够反映大气环境的健康程度,研究其动态变化过程有利于解释污染物扩散的成因及规律[8—10],帮助人们更好的进行大气污染防治,建设更加高效的生态文明系统,对国家重点生态功能区的空气质量的时空变化规律进行研究,可以直接反映国家重点生态功能区财政转移支付的空气质量改善状况[5]。

目前的空气质量研究工作主要包括从单个城市的点状尺度到城市群的区域尺度,再到国家尺度,对空气质量时空分布特征及其驱动因素进行探讨[10—11]。点状尺度方面,刘春兰等人对1997—2007年北京市二氧化碳排放变化的原因及影响[12]、Kassomenos 等对欧洲3个城市颗粒物污染的变化特点及成因等进行了研究[13]；在区域尺度方面,诸多学者对京津冀城市群、长三角城市群等我国经济较为发达地区的细微颗粒物 PM2.5浓度的时空变化规律及其驱动因素进行了研究[9,14—15],部分学者则是对京津冀地区的臭氧污染特征[16]、二氧化氮的分布差异及影响因素[17]、大气污染物的区域传输过程等进行了细致的分析[18—19]；国家尺度方面,同样包括对如细微颗粒物 PM2.5浓度在中国的分布特征[8,10,20]、中国境内空气质量指数(Air quality index, AQI)的驱动因素进行了等系统性研究[21—22]。然而,当前针对国家重点生态功能区内空气质量状况的研究还相对不足,特别是从空气质量状况的变化方面评估国家财政转移支付效益的研究工作更是为数甚少。因此,本篇以国家重点生态功能区转移支付县域为评价对象,以空气质量监测数据为基础,对国家首次具体实施转移支付制度以来,国家重点生态功能区空气质量状况的时空变化规律进行评价分析,致力于为生态环境保护措施的有效性和国家重点生态功能区生态环境建设管理决策提供科学依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

2010 年,国务院初步划定了25个限制开发区域列为国家重点生态功能区,包括436个县级单位,总面积约386万km2,占全国陆地国土面积的40.2%,将重点生态功能区分为水土保持型、防风固沙型、水源涵养型和生物多样性维护型四种类型[2]。2008年起,中央财政通过国家重点生态功能区转移支付制度,对位于国家重点生态功能区的县(市、区)给予一般性转移支付资金,弥补重点生态功能区经济发展的损失[4]。2011年,正式开始考核时,转移支付县域为452个,以后逐年增加,截止至2019年底,转移支付县域达到817个,总面积约484万km2,占全国陆域国土面积的50.4%,分布在北京、天津、河北等29个省(自治区、直辖市)以及新疆生产建设兵团。

1.2 数据及评价方法

本文的空气质量监测数据来源于2015—2019年中国环境监测总站国家重点生态功能区的环境质量基础和监测数据,截止至2019年底,共有987个监测站点1425759天空气质量监测日均值数据。主要监测指标为二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)、臭氧(O3)、可吸入颗粒物(粒径小于等于10μm,PM10)和细颗粒物(粒径小于等于2.5μm,PM2.5)六项基本污染物。除了 O3的浓度为8小时滑动平均值外,其余5种污染物的监测数据均为24小时平均值。

本研究采用的空气质量指数评价基本方法,依据《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)(HJ 633—2012)》[23],通过6项基本污染物浓度来确定空气质量指数的值。根据每个污染物浓度限制,计算各污染物对应的空气质量分指数(Individual air quality index, IAQI),方法如下：

(1)

式中,IAQIP为污染物P的 IAQI；CP为污染物P的质量浓度值；BPHi为表1污染物限值表中对应CP的高位值；BPLo为表1污染物限值表中对应CP的低位值；IAQIHi为表1中BPHi对应的IAQI；IAQILo为表1中BPLo对应的IAQI。

表1 空气质量分指数及对应的污染物项目浓度限值(HJ 633—2012)Table 1 Individual air quality index and corresponding pollutant concentration limit values (HJ 633—2012)

(1)除一氧化碳的浓度单位为 mg/m3外,其余污染物浓度单位均为 μg/m3

计算整体的空气质量指数,则使用公式(2)：

AQI=max (IAQI1,IAQI2,IAQI3,…IAQI6)

(2)

根据《环境空气质量指数技术规定》[23]按照值的大小将空气质量指数分为优、良、轻度污染、中度污染、重度污染和严重污染六个等级,空气质量指数数值越大,空气污染越严重。

2 研究结果

2.1 环境空气质量分析

空气质量评价结果按优、良和轻度污染等6个级别的统计天数占总监测天数的比例进行分析,分别针对所有转移支付县域的自动站监测数据进行分析。分析结果表明(表2)：重点生态功能区转移支付县域2015年至2019年空气质量优良天数的比例分别为80.58%、85.42%、87.87%、87.92%、89.23%,平均达到86.20%。其中优级空气天数比例提升明显,从2015年的29.00%上升至2019年的44.41%；良级天气数占比最高,始终维持在50%左右。严重污染天气占比略微增加,没有明显改善。

表 2 转移支付县域不同空气质量天数占比/%Table 2 The proportion of days with different air quality in transfer payment county

重点生态功能区分布广泛,不同类型生态功能区定位相异,环境空气质量差别较大。由表3可知,生物多样性区的环境空气质量显著高于重点生态功能区的整体水平,每年的优良天数占比都保持在93.00%以上,且稳步上升；水源涵养区的空气质量逐年改善,优良天数比例于2017年开始高于重点生态功能区的平均水平87.87%,改善最为显著；水土保持区的空气质量虽然逐渐改善,但优良天数比例提升幅度较小,效果不够明显；防风固沙区的优良天数比例没有明显的上升趋势,2019年优良天数比例77.84%甚至低于2015年的79.63%,环境空气质量最差。

表3 2015—2019年不同生态功能区优良天数比例占比/%Table 3 The proportion of good days in different ecological function areas from 2015 to 2019

图1 2019年国家重点生态功能区转移支付县域年均空气质量级别分布Fig.1 Distribution of average annual air quality level in counties under transfer payments for national key ecological function areas in 2019

环境空气质量水平在重点生态功能区中的空间分布也表现出明显的空间聚集特征。本文根据转移支付县域2019年空气质量监测站点日监测数据计算出每日的空气质量指数值,并以转移支付县域为单位求年均值得出了2019年重点生态功能区转移支付县域年均空气质量级别的分布情况(图1)。西北、华北和中部地区的空气质量相对较差,特别是新疆南部的塔克拉玛干沙漠地区的防风固沙区和中国北部黄土高原的水土保持区有较多的转移支付县域环境空气质量污染还比较严重。东北、西南和东南区域的转移支付县域大多位于水源涵养区和生物多样性区,空气质量较好,多数县域都维持着优级空气质量级别,只有部分县域是良类空气。整体而言,位于西北的防风固沙区空气质量最差,位于中部的水土保持区空气质量较差,而位于西南和东南区域的水源涵养区和生物多样性区空气质量相对较好。

2.2 超标污染物分析

2015—2019年,总超标天数为138139d,其中 PM10和 PM2.5的超标天数明显高于其他污染物,超标天数分别为57376d和75695d,占超标天数比例为41.53%和54.80%；O3的超标天数上升比较明显,2019年达到13181d,接近于 PM10的超标天数。转移支付县域的主要超标污染物由颗粒物逐渐变为颗粒物和臭氧,PM2.5作为污染物的占比有明显下降趋势,从2015年的35.51%下降至2019年的23.34%；而 O3有明显上升趋势,从2015年的20.17%上升至2019年的45.99%,较2015年的占比有了大幅提升,已经成为生态功能区转移支付县域内影响空气质量最主要的污染物之一。CO,NO2和 SO2三种污染物超标频次占比较低,且总体呈下降趋势。

图2显示了2015—2019年四类生态功能区中不同污染物超标天数占总超标天数的比例。2015年四类生态功能区的超标天气中,超标天数占比最高的两项均为颗粒物,到2019年,水源涵养区、生物多样性区和水土保持区超标天数占比最高的仍是 PM2.5,但占比次高的已经变为 O3。可以看到,水源涵养区的 PM10超标频次占比在2018年略微反弹；生物多样性区的 PM2.5超标频次占比不断波动,水土保持区的 PM10和 PM2.5超标频次占比均在2016年有所提升。这三类生态功能区超标污染物中,O3出现频次均呈现不同程度的逐年提升,其中水土保持区最为明显,由2015年占比11.44%增长至2019年的43.57%。防风固沙区超标天数占比最高的两项仍是颗粒物,且2019年防风固沙区 PM10超标天数占比达到76.34%,远高于其他生态功能区。

图2 2015—2019年四类生态功能区中超标污染物出现频次占比Fig.2 The proportion of occurrence frequency of standard exceeded pollutants in the four function areas from 2015 to 2019

3 结论与讨论

(1)空气质量总体较好且不断改善。2019年空气质量优良天数比例为89.24%,比2019年全国城市优良天数比例(82.0%)高出7.24%[24]。空气质量优良天数比例由2015年的80.58%升高到2019年的89.23%,优良天数比例超过90%的县域占比由2015年的33.77%提高到2019年的69.52%。重点生态功能区作为限制开发区,修复生态和保护环境为其首要任务,提供生态产品为其主要目标[6,25]。转移支付政策对2015—2019年国家重点功能区空气质量的改善有着明显的推动作用,同时稳步提升了考核县域的环境监测能力和质量,空气质量整体较好,且不断改善。从不同生态功能区类型来看,水源涵养区的优良天数占比由2015年的72.71%提高到2019年的92.09%,空气质量改善效果最为显著。但严重污染天气总占比略微增加,主要是由于新疆塔克拉玛干盆地地区的大气汇聚带造成的部分沙尘污染区,导致位于新疆的防风固沙区依然存在季节性的极端天气情况,影响了当地的空气质量状况[26]。

(2)主要超标污染物由颗粒物逐渐转变为颗粒物和臭氧。PM2.5为占比最高的超标污染物,但超标天数比例明显降低,由63.88%下降到48.02%,与此同时 O3超标天数比例明显上升,从23.79%逐年升高的36.94%。其中防风固沙区的主要超标污染物为 PM10和 PM2.5,其他三类生态功能区为 PM2.5和 O3。O3污染天数的增加与同期全国大气环境质量的研究结果一致,浓度呈逐年递增的趋势,污染状况越来越严重[27]。

(3)重点生态功能区的空气质量存在着显著的空间差异,空气污染表现出显著的空间聚集特征,生物多样性区的环境空气质量最好,水源涵养区次之,水土保持区水平稍差,防风固沙区最差。部分原因是生态功能区的功能性定位决定了其分布的地理位置,例如防风固沙区主要分布于西北边疆区域,其中新疆南部的塔克拉玛干沙漠区域沙尘天气较为频繁[28],PM10污染较为严重,极端风沙天气的问题未能得到较好的解决；水土保持区多分布于平原区域,人口较为稠密的城市,存在大量的煤炭燃烧和汽车尾气排放造成的 PM2.5超标较为严重,导致中国北部黄土高原的部分县域也存在一定程度的空气污染,对易感人群存在着潜在的健康风险[29]；生物多样性区一般都选择在人迹稀少,生态系统较为完备的区域[30],大部分县域都保持着优级空气质量水平；水源涵养区则多分布域森林覆盖率较高,具有冰川水系等区域[31—32],空气质量也相对较好。

(4)重点生态功能区作为国家设立的限制开发区域,承担着保障国家生态安全的重要功能[33—34]。当前还未针对不同生态功能区类型建立科学有效的评估系统,国家重点生态功能区的指标体系尚未完善,对影响重点生态功能区空气质量变化的主要因素的研究仍不够充分。环境质量监测工作为生态环境保护和污染治理提供重要数据支持,空气质量监测为生态保护工作提供重要的决策依据[35—36],国家重点生态功能区分布范围较广,生态功能类型多样,空气质量站点数量相对较少,仍需持续加强监测力度,不断提高环境空气质量监测能力。