“十三五”甘肃省降尘时空变化趋势及影响因素

孔凡彬，成 丹，张 强

甘肃省环境监测中心站，甘肃 兰州 730020

大气降尘是指在空气环境条件下，靠重力自然沉降的颗粒物[1]，其来源可以分为自然来源和人为来源。由于大气降尘具有易沉降等特性，其携带的污染物易造成近源污染；在风力较强的时候，大气沉降也能迁移较远的距离而造成远源污染。大气降尘中的不同成分不但会对陆地生态系统产生影响(如遮盖植物叶面影响光合作用和呼吸作用，改变土壤酸碱度[2])，也会对海域生态系统产生影响(如一些海区的实例研究表明，赤潮的暴发可能与粉尘输送大量的Fe2+有关[3])。

2018年10月，生态环境部发布了“2+26”城市降尘监测结果，这是降尘监测信息首次全面公开。2019年生态环境部开始实施重点区域降尘考核，在《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)中对总悬浮颗粒物也有具体的限值要求。其实国外对粉尘的科学观测至少已经历了200年[4]，中国降尘现象的记载可追溯至公元前1150年[5]，在历史文献中被记为“雨黄土” “黄雾”等[6]。甘肃省降尘监测工作的开展远早于PM2.5和PM10等污染物的监测。目前全省14个市(州)共设置58个监测点，监测方法采用《环境空气 降尘的测定 重量法》(GB/T 15265—1994)。降尘与工地、道路、堆场等尘源的对应关系非常明确，可以直接反映城市扬尘管理水平；同时甘肃省作为一个易受沙尘侵害的省份，开展环境空气中降尘的研究对于大气环境质量评价、城市污染状况评价、城市精细化管理水平的提升有着极其重要的意义。笔者研究“十三五”期间甘肃省降尘时空变化状况，初步分析甘肃省降尘变化趋势，以期为进一步做好“十四五”时期甘肃省生态环境保护工作提供参考。

1 甘肃省降尘区域划分

根据甘肃省的地理位置、地形、地貌、水分、热量状况，将甘肃省分为6个气候区：河西干旱区(包括甘肃省黄土高原以西祁连山以北地区)，降水稀少、降水变率大；中部半干旱区(包括兰州、白银、定西、临夏等地大部和陇东庆阳地区北部)，年降水量为250～500 mm；陇东南半湿润区(包括天水、平凉地区大部和庆阳地区南部以及陇南地区西部)，年降水量为450～600 mm；陇南西秦岭湿润区(陇南地区东半部)，年降水量为700～800 mm；祁连山地半干旱寒冷区(包括河西三地区的南半部)，降水量呈现出祁连山东部多、西部少的特征；甘南高原湿润寒冷区(包括甘南、临夏西南部和定西岷县)，年降水量为500～750 mm[7]。

目前甘肃省降尘监测点位均位于14个市(州)的主城区。降尘与月降水量、相对湿度、温度、风速等气候条件有关，根据降尘监测点位实际设置情况，结合甘肃省气候区划，大致可将甘肃省降尘划分为5个区域。Ⅰ区为河西走廊的河西干旱区，包括武威、金昌、张掖、酒泉和嘉峪关5个市；Ⅱ区为中部半干旱区，包括兰州、白银、定西3个市；Ⅲ区为陇东南半湿润区，包括天水、平凉、庆阳3个市；Ⅳ区为陇南西秦岭湿润区，主要为陇南市；Ⅴ区为甘南高原湿润寒冷区，包括甘南、临夏2个州[8]。甘肃省降尘区域划分见图1。降尘监测区域面积情况见表1。

注：底图源自自然资源部标准地图服务(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/)的1∶6 000 000中国 分省地图-甘肃省。审图号为GS(2019)3333号。下载日期为2021年8月2日。图1 甘肃省降尘区域划分Fig.1 Division of dustfall areas in Gansu Province

表1 甘肃省降尘监测区域面积Table 1 Acreage of dustfall monitoring areas in Gansu Province km2

2 “十三五”期间降尘变化情况

2.1 “十三五”期间甘肃省降尘总体情况

按前述区域划分，“十三五”期间河西干旱区(Ⅰ区)降尘月均值为9.34～13.82 t/(km2·月)，年均值为142.44 t/(km2·a)；中部半干旱区(Ⅱ区)降尘月均值为13.54～17.02 t/(km2·月)，年均值为180.00 t/(km2·a)；陇东南半湿润区(Ⅲ区)降尘月均值为8.53～13.12 t/(km2·月)，年均值为133.80 t/(km2·a)；陇南西秦岭湿润区(Ⅳ区)降尘月均值为7.70～8.81 t/(km2·月)，年均值为98.64 t/(km2·a)；甘南高原湿润寒冷区(Ⅴ区)降尘月均值为4.60～6.58 t/(km2·月)，年均值为69.36 t/(km2·a)。“十三五”期间甘肃省降尘统计情况见表2。

表2 “十三五”期间甘肃省降尘统计情况Table 2 Statistics of dustfall in Gansu Province during the 13th Five-Year Plan period

数据显示，中部半干旱区降尘年均值最高，河西干旱区次之，甘南高原湿润寒冷区最低。这一结论与甘肃省所处地理位置、地形地貌、气候区划情况符合。甘肃省地理坐标为32°36′～42°48′N，92°20′～108°43′E，地势自西南向东北倾斜。河西干旱区(Ⅰ区)位于河西走廊，地近腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠，是蒙古高原中西部或内蒙古西部阿拉善高原的西北沙尘通道[9]，该区气候干旱，降水稀少且分布极不均匀，平均年降水量只有150 mm左右，因此该区受沙尘天气影响严重，该地区常年平均风速全省最高，为2～5 m/s，其降尘年均值在5个区中排名第二。中部半干旱区(Ⅱ区)位于陇中黄土高原地区，黄土厚度为100～200 m，其中兰州的九州台是中国黄土高原上黄土堆积最厚的地方，黄土堆积厚度达318.2 m[10]，这与该区降尘年均值最高正好相吻合。陇东南半湿润区(Ⅲ区)位于陇东黄土高原地区，其中庆阳位于甘肃省东部，“十三五”期间其降水量年均值为1 330 mm左右，仅低于平凉(1 462 mm左右)，但由于庆阳受到蒙古国南部和内蒙古中西部偏西沙尘天气的影响更为严重，在14个市(州)中，庆阳降尘年均值最大。2018年庆阳降尘年均值达最大值，该情况与庆阳PM10数据情况相吻合(“十三五”期间庆阳PM10浓度分别为59、64、76、66、60 μg/m3)。通过以上数据分析可以看出，不同地区降尘不仅受沙尘天气影响，还与该地区气候条件有关，主要影响因素有风速、降水量等；同时还与该地区的地形地貌有关，如兰州市区南北群山对峙，为典型盆地地区，常年平均风速为0.85 m/s，“十三五”期间年均降水量为914 mm左右，排在14个市(州)的第五位，这些条件导致其成为中国黄土高原上黄土堆积最厚的地方。

2.2 “十三五”期间甘肃省降尘变化情况

2.2.1 降尘月度变化情况

甘肃省2016年降尘月均值范围为10.33～17.29 t/(km2·月)，2017年降尘月均值范围为9.10～15.01 t/(km2·月)，2018年降尘月均值范围为8.68～17.04 t/(km2·月)，2019年降尘月均值范围为7.76～13.59 t/(km2·月)，2020年降尘月均值范围为8.41～13.60 t/(km2·月)。甘肃省降尘月变化情况见图2。从图中可以看出，“十三五”期间甘肃省降尘月均值在7、8、9月较小，在1、3、5月较大，季节性特征明显。每年降尘在春季达到最大值，在夏季和秋季达到最小值。这与全省遭遇沙尘天气影响情况相吻合，每年春季正是沙尘天气暴发的高峰期[11]，而夏末秋初正是沙尘天气的低谷期。由此可知沙尘天气是影响甘肃省降尘峰值变化的主要原因。

图2 “十三五”期间甘肃省降尘月变化情况Fig.2 Monthly changes of dustfall in Gansu Provinceduring the 13th Five-Year Plan period

2.2.2 降尘年度变化情况

“十三五”期间，甘肃省降尘年均值范围为119.71～161.19 t/(km2·a)，最小值出现在2019年，最大值出现在2016年，2020年降尘年均值比2016年下降了24.30%。

2020年各市(州)降尘较2016年降尘第一四分位数、中位数、第三四分位数都有下降趋势，2018年降尘出现离散点，庆阳市出现2016—2020年间最大降尘现象，主要是该地受沙尘天气影响较大。“十三五”期间甘肃省市(州)降尘箱式图见图3。

图3 “十三五”期间甘肃省各市(州)降尘箱式图Fig.3 Box plot of dustfall in Gansu Provinceduring the 13th Five-Year Plan period

按降尘区域划分统计，“十三五”期间中部半干旱区(Ⅱ区)降尘年均值最大，河西干旱区(Ⅰ区)降尘年均值次之，甘南高原湿润寒冷区(Ⅴ区)降尘年均值最小。2020年和2016年比较，降尘年均值河西干旱区(Ⅰ区)下降了26.48%，中部半干旱区(Ⅱ区)下降了19.80%，陇东南半湿润区(Ⅲ区)下降了34.98%，陇南西秦岭湿润区(Ⅳ区)下降了2.16%，甘南高原湿润寒冷区(Ⅴ区)下降了17.20%。降尘下降幅度最大的区域为陇东南半湿润区(Ⅲ区)，下降幅度最小的区域为陇南西秦岭湿润区(Ⅳ区)。“十三五”期间甘肃省降尘区域情况统计见表3，降尘区域变化情况见图4。

表3 “十三五”期间甘肃省降尘区域情况统计Table 3 Statistics of dustfall areas in Gansu Province during the 13th Five-Year Plan period t/(km2·a)

图4 “十三五”期间甘肃省降尘区域变化情况Fig.4 Changes of dustfall areas in Gansu Provinceduring the 13th Five-Year Plan period

植被覆盖指数可评价区域植被覆盖的程度，用评价区域单位面积归一化植被指数(NDVI)表示。笔者采用MOD13的NDVI数据。

2020年和2016年比较，植被覆盖指数河西干旱区(Ⅰ区)下降了10.41%，中部半干旱区(Ⅱ区)上升了18.69%，陇东南半湿润区(Ⅲ区)上升了5.32%，陇南西秦岭湿润区(Ⅳ区)上升了1.41%，甘南高原湿润寒冷区(Ⅴ区)下降了7.72%，全省植被覆盖指数上升了2.03%。降尘区域植被覆盖指数变化情况见表4。值得注意的是，河西干旱区(Ⅰ区)和甘南高原湿润寒冷区(Ⅴ区)在“十三五”期间的植被覆盖指数呈波动下降，降尘年均值也下降。一种可能是自然源沙尘强度减小引起降尘年均值下降，另一种可能是“十三五”时期随着城市环境保护精细化管理水平不断提高，人为来源减小引起降尘年均值下降。庆阳位于陇东南半湿润区(Ⅲ区)，该区“十三五”期间降尘下降了34.98%，庆阳降尘仅下降了0.09%，同区的天水和平凉降尘分别下降了48.71%和28.43%，而庆阳的植被覆盖指数却是3个市中增幅最大的(天水上升了5.32%，平凉上升了3.65%，庆阳上升了5.95%)。根据庆阳所处地理位置可以看出，庆阳受沙尘天气影响更为严重，导致其降尘下降幅度最小。

表4 “十三五”期间降尘区域植被覆盖指数变化情况统计Table 4 Statistics of vegetation cover index changes in dustfall areas during the 13th Five-Year Plan period

降尘人为来源中，扬尘对粗颗粒物贡献较大，经过除尘器除尘后排放到空气中的尘对细颗粒物贡献较大[12]。“十三五”时期，习近平生态文明思想成为引领甘肃省发展的重要理念，全省全面优化能源结构，分区分类对资源能源利用进行管控，持续推进能源结构调整和煤炭资源的清洁利用，自2018年以来，全省累计完成43台1 516.5万kW火电机组超低排放改造，完成13 065台57 219蒸吨燃煤锅炉综合整治。全省不断建立健全大气环境管理机制，持续推广兰州大气污染防治经验，开展城市大气环境综合整治，全面推进城市网格化管理模式，建立城市大气污染防治部门联动工作机制，对重点地区、重点区域、重点时段、重点污染源实行集中监管。各个市(州)不断强化城市扬尘污染控制，规范施工扬尘，推进建筑工地绿色施工，强化堆场、料场扬尘防治，加强城市裸地扬尘污染治理，不断提高城市精细化管理水平。城市精细化管理水平的提高，是降低甘肃省降尘人为来源的主要因素。

降尘年均值与植被覆盖指数呈明显负相关性，2019年全省植被覆盖指数达到最大值，同期全省降尘年均值达到最小值。2020年降雨量减少，导致全省植被覆盖指数下降，降尘年均值相应上升。影响降尘的自然来源中，沙尘天气是主要影响因素，城市所处地理位置、地形、地貌、风速、降水等气候条件也对降尘有影响；人为来源中，降尘的变化可以体现一个城市的精细化管理水平。

3 降尘变化趋势分析

3.1 “十三五”期间甘肃省降尘趋势分析

“十三五”期间的降尘变化趋势，除2020年同比稍有上升外，其他年份呈现逐年递减的情况。降尘年均值变化见图5。“十三五”期间，5个区域降尘与植被覆盖指数相关系数为-0.634，当a=0.01时，P值为0.001，P值明显小于0.01，表明降尘与植被覆盖指数负相关性显著。“十三五”期间降尘与植被覆盖指数相关性见表5。

图5 “十三五”期间降尘年均值变化Fig.5 Annual changes of dustfall duringthe 13th Five-Year Plan period

表5 “十三五”期间降尘与植被覆盖指数相关性Table 5 Correlation between dustfall and vegetationcover index during the 13th Five-Year Plan period

3.2 Spearman秩相关系数分析

秩相关系数(Rs)是反映等级相关程度的统计分析指标。将Rs的绝对值同Spearman秩相关系数统计表中的临界值(Wp)进行比较，若Rs≥Wp，则表明变化趋势有显著意义；若Rs

表6 “十三五”期间各降尘区域及全省Spearman秩相关系数趋势分析Table 6 Trend of Spearman rank correlation coefficient in dustfall areas and the whole province during the 13th Five-Year Plan period

由表6可见，河西干旱区(Ⅰ区)、中部半干旱区(Ⅱ区)、陇东南半湿润区(Ⅲ区)及全省降尘有显著下降趋势，降尘明显减轻；陇东南半湿润区(Ⅲ区)植被覆盖指数有显著上升趋势；其他区域降尘及植被覆盖指数无显著变化。

4 结论与建议

4.1 结论

“十三五”期间，甘肃省降尘总体呈下降趋势，植被覆盖指数与降尘呈明显负相关性。自然来源中沙尘天气是影响甘肃省降尘的主要因素，同时降尘还受地理位置、地形地貌和风速、降水量等气候条件的影响。城市环境保护精细化管理水平的提高可减少降尘人为来源。

4.2 建议

降尘数据是生态环境保护的一项基础数据，但目前公众对降尘的关注程度还不高，监测点位设置也不足。建议今后加强降尘监测，根据不同地区地理位置，结合气候特征，科学、合理布设监测点位，设置降尘背景监测点，形成科学、系统的降尘监测网络，以便更加科学地分析降尘自然来源和人为来源造成的影响。同时加强对降尘监测数据的分析和源解析研究，充分利用降尘数据为生态环境保护工作及城市环境保护精细化管理水平的提升提供科学参考。