童明坤,高吉喜,田美荣,嵇 萍（1.中国人民大学环境学院,北京 10087；.环境保护部南京环境科学研究所,江苏 南京 1004）

北京市道路绿地消减PM2.5总量及其健康效益评估

童明坤1,2,高吉喜2*,田美荣2,嵇 萍2（1.中国人民大学环境学院,北京 100872；2.环境保护部南京环境科学研究所,江苏 南京 210042）

以交通污染严重的北京市建成区为研究区,在前人实地观测的基础上,利用泊松回归相对风险度模型与环境健康价值评估方法,定量评估了北京市道路绿地消减PM2.5总量及其健康效益.结果表明：北京市建成区道路绿地年消减 PM2.5总量为1.09t；对降低人群健康风险作用较为显著,可减少受危害总数约3024例,其中早逝18例、呼吸系统疾病住院53例、心血管疾病住院25例、儿科门诊324例、内科门诊761例、急性支气管炎1134例、慢性支气管炎264例、哮喘445例；带来的健康经济效益为1.98亿元.建议加强道路绿地建设,丰富植被层次结构,以积极应对城市交通空气污染.

道路绿地；PM2.5；消减总量；健康效益；北京市

目前PM2.5已成为国内一些大中型城市大气的首要污染物［1］.PM2.5具有粒径小、含有大量有毒有害物质且在大气中停留时间长、输送距离远等特点［2］,可导致心肺病等多种疾病的发生［3-4］.研究发现,PM2.5浓度每升高10μg/m3,全死因死亡率、心肺病死亡率和肺癌死亡率的危险性将分别增加4%、6%和8%［5］.

目前对PM2.5的研究主要集中于对PM2.5本身的研究（包括组成成分［6］、来源［7］、传播途径［8］、毒理特性［9］等）、对 PM2.5污染状况与特征的研究［10］及对 PM2.5浓度模拟预测的研究［11］.植被对PM2.5具有较强的消减作用,但其消减量与健康效益方面研究较少.树木可通过吸收［12-13］、表面吸附［14］等方式直接影响大气中的颗粒物浓度.在局部尺度上,城市绿地内部的颗粒物浓度比边缘低［15］.国内外对城市植被消减 PM10做了相关量化评估. Nowak［16］估测出美国城市植被每年吸附PM10总量为214 900t. Powe［17］估算了英国植物每年吸收 85695～596916t PM10和 7715～11215tSO2,减少死亡人数 5～7人,减少呼吸系统疾病入院4～6例.

机动车是 PM2.5的主要来源之一,其尾气中PM2.5占较大比重［18］.据《2013年北京市环境状况公报》，交通环境的PM2.5年平均浓度值高于全市平均水平 14%,污染较为严重.基于此,本文在归纳分析北京市道路绿地消减PM2.5功能实测成果基础上,采用泊松回归相对风险度模型与环境健康价值评估方法,定量评估了建成区道路绿地消减 PM2.5总量及其健康效益,为北京市绿地资源建设与大气颗粒物污染治理提供依据.

1　研究方法

1.1研究区概况

北京市位于华北平原的西北部,属典型暖温带半湿润大陆性季风气候.截至 2013年末,全市常住人口 2114.8万,其中城镇常住人口 1825.1万［19］,建成区面积 1306.5km2［20］.受地理位置和能源消费等影响,北京市空气质量较差,在世界卫生组织2011年公布的全球91个国家1100个城市中空气质量排名第 1036位［21］.交通污染是北京市大气污染的主要来源之一.截至 2013年末,全市城市道路里程 6295km,面积 9611hm2,机动车保有量543.7万辆,公路旅客周转量136亿次［19］,城市道路空气污染物排放量巨大,造成的空气污染形势十分严峻.

1.2评估方法

1.2.1道路绿地消减 PM2.5总量估算 植被对PM2.5的消减作用分为直接和间接2种方式，直接方式主要指植物叶片、枝干等暴露于大气中的器官或某些特殊的局部结构对PM2.5的阻滞和吸收作用，间接方式指植被对PM2.5沉降适宜环境的营造作用［22-23］.由于城市道路绿地植物是以群落形式存在的，不同类型树木间阻滞吸附颗粒物作用差异较大［24］，因此，基于北京市道路绿地群落结构特征和在无风条件下的研究结果［25-26］得出北京市道路绿地年消减PM2.5总量，计算公式如下：

式中,TM为北京市建成区道路绿地年消减PM2.5总量,μg；Mi为第 i种绿地类型每天 PM2.5消减量,μg；Si为第i种绿地类型面积,m2；Hi为第i种绿地类型消减PM2.5的有效高度,m；Ci为第i种绿地类型在无风条件下PM2.5消减值,μg/m3；D为消除PM2.5的有效时间,d；i为绿地结构类型.

1.2.2健康效益评估 结合流行病学研究得到的污染物浓度与健康效应之间的暴露-反应关系,采用泊松回归相对风险度模型评价PM2.5浓度变化引起的各健康终端健康风险变化量,并根据环境健康价值评估理论,将健康风险变化量货币化以评估道路绿地消减 PM2.5的健康效益［27］,评估模型如下：

式中：L为道路绿地消减 PM2.5健康效益总和,万元；Li为健康终端i对应的健康效益,万元；ΔEi为健康终端 i的健康风险变化量；Lpi为健康终端 i的单位健康风险变化对应的价值；P为常住居民数量,万人；β为暴露—反应关系系数；ΔC为道路绿地消减作用引起的 PM2.5浓度变化量,μg/ （m3∙d）；Ei为实际浓度下健康终端i的健康效应；n为健康终端数.

道路绿地消减作用引起的PM2.5日浓度变化量ΔC的计算参照Nowak等［14］、王蕾等［28］的研究方法,计算公式为：

式中：ΔC为道路绿地消除作用引起的PM2.5浓度变化量,μg/（m3∙d）；TM为北京市建成区道路绿地年消减 PM2.5总量,μg；CA为北京市建成区面积,m2；BL为有效高度,m；D为有效时间,d.

1.3数据处理

1.3.1道路绿地不同群落类型面积 根据北京市园林绿化局统计信息［29］,北京市绿地面积为6.7万hm2,其中道路绿地面积1.25万hm2,占全部绿地的 18.66%.道路绿地组成结构呈多样化,包括乔木、灌木、草地、乔_灌、乔_草、灌_草与乔_灌_草共7种类型,主要以乔_灌_草为主,其次为灌_草,纯灌木结构类型面积最少（表1）.

表1　北京市道路绿地不同结构类型面积及比例Table 1　Areas and percentages of different structure types of road green space in Beijing

1.3.2道路绿地不同结构类型 PM2.5消减值植被对PM2.5吸收作用的大小与所处区域的气象条件、时空特征有很大关系［30-31］.实地观测发现,植被对PM2.5的消除作用受PM2.5浓度变化的影响,当大气中 PM2.5浓度较高时,部分植被消减PM2.5作用观测值出现负值现象［32］,但这并不与植被对细颗粒物的吸附、净化作用产生矛盾,而与风速、温度、湿度等因素具有相关性［33］.因此,为了客观体现植被对 PM2.5的消减作用,不考虑少数植被 PM2.5消减值呈负值的情况,据《2013年北京市环境状况公报》,北京市空气中细颗粒物（PM2.5）年平均浓度值为89.5μg/m3,参考李新宇等［25］、王月容等［26］在无风条件下对四环道路绿地姚家园北路、六郎庄北路、蓝靛厂桥南不同绿地类型进行的 PM2.5浓度检测结果,选取PM2.5＜115μg/m3条件下道路绿地类型对PM2.5的消减效果,总结出不同道路绿地类型对 PM2.5的消减值,见表 2.考虑到郁闭度较低的单层群落结构透气性好、空气对流作用强,有利于细颗粒物的扩散,因此计算出的乔木、灌木对PM2.5的消减值较大.据殷杉等［34］对上海交通绿化带净化大气悬浮颗粒物效益的研究结果：郁闭度较高的多复层群落结构明显优于郁闭度较低的单层群落结构,罗曼［35］对武汉市不同群落结构绿地消减大气污染物效应研究结果：乔灌草型结构绿地对PM2.5的消减作用最大,草坪最弱.因此分别用乔_草、灌_草的 PM2.5消减值代替乔木和灌木的PM2.5消减值,以减小计算误差.

1.3.3道路绿地消减 PM2.5的有效时间与有效高度 由于冬季大多数绿色植物叶片已经干枯,在自然状态下不具有吸附PM2.5等细颗粒物的能力［36］,且降水与PM2.5成分有显著的负相关性［37］,可有效降低PM2.5浓度,因此把春夏秋3季非降雨日数作为道路绿地消减 PM2.5的有效时间.据《2014北京统计年鉴》［19］,北京市春夏秋3季降雨日数为66d,则道路绿地消减PM2.5的有效时间D为207d.

表2　北京市道路绿地不同结构类型对PM2.5的消减值Table 1　The value of PM2.5 removal of different structure types of road green space in Beijing

表3　主要健康终端的PM2.5污染暴露-反应系数和基准发生率Table 1　Concentration-response （CR） coefficients for mortality and morbidity and reference incidence rates of different health terminals used in this study

Erisman等［38］在森林植被区域按照空气动力学梯度法估算PM2.5沉降速率时发现27m处的PM2.5浓度显著高于 21m处,而该地区的森林冠层高度在20m左右.因此取不同道路绿地类型的高度加上1m作为消减PM2.5的有效高度.

1.3.4暴露-反应系数和基准发生率 综合考虑流行病学研究现状及数据的可获取性,本研究选取4个与PM2.5污染相关的人体健康效应终点分别为早逝、住院、门诊和患病.其中,早逝包括急性死亡、呼吸系统疾病死亡（慢性）与心血管疾病死亡（慢性）；住院包括呼吸系统疾病与心血管疾病,为避免重复计算,呼吸系统疾病不包括急性支气管炎、慢性支气管炎和哮喘；门诊包括儿科与内科；患病包括急性支气管炎、慢性支气管炎和哮喘.依据北京市实际情况,综合前人对中国地区PM2.5健康效益评估的研究成果提取出各健康终端暴露-反应系数,基准发生率参照谢元博等［39］研究结果,见表3.

1.3.5健康终端的单位经济损失 目前国内外尚无统一的环境健康价值评估方法,主要采用支付意愿法、人力资本法和疾病成本法,评估方法不同造成结果不一.北京大学环境与经济研究所2010年对北京居民的支付意愿进行调查分析出其VSL（统计意义上的生命价值）为168万元［43］,按照北京地区人均GDP增长率和人均可支配收入转换后其值接近谢元博等［39］研究结果中的高损害成本.因此采用此损害成本并结合黄德生等［27］的研究结果总结出北京地区2012年不同健康终端的单位经济损失价值,见表5.

表4　北京地区2012年相关健康终端的单位经济损失价值（万元/例）Table 1　Unit damage costs of related health terminals in Beijing area in year 2012 （ten thousand RMB/case）

2　结果与讨论

2.1道路绿地消减PM2.5总量

图1　不同类型道路绿地PM2.5消减量Fig.4　The amount of PM2.5removal of different structure types of urban road green space

计算结果表明,北京市建成区道路绿地年消减 PM2.5总量为 1.09t,日平均降低PM2.5浓度为0.37μg/m3.从不同道路绿地类型来看,乔_灌_草型绿地 PM2.5年消减量最大,为880.63kg,占总消减量的 81%；灌_草、乔木、乔_灌型绿地 PM2.5年消减量大体相当,灌木、草地、乔_草型绿地PM2.5年消减量最小（图 1）.这主要与不同类型道路绿地的面积与 PM2.5消减能力有关.乔_灌_草型绿地面积最大,占道路绿地总面积的65.52%（表 1）,且其PM2.5消减能力也最强（图 1）, 故PM2.5年消减量最大.灌木型绿地虽然PM2.5消减能力较强,但其面积最小,仅占道路绿地总面积的0.35%,导致PM2.5年消减量最小.上述说明,就消减 PM2.5而言,城市道路绿地宜以乔_灌_草型结构为主.由图1知,北京市道路绿地植被类型构建较为合理.

2.2道路绿地消减PM2.5的健康风险变化量

在运用泊松回归模型对道路绿地消减PM2.5引起的健康风险变化量进行评价时,为了避免重复计算,评价过程中将不同健康终点的次日影响人数减去前一日受影响人数,作为逐日累积的健康受损人数.计算结果显示,道路绿地消减 PM2.5功能对北京市居民健康影响较为显著,可减少受危害总数约3024例,其中早逝18例、呼吸系统疾病住院53例、心血管疾病住院25例、儿科门诊324例、内科门诊761例、急性支气管炎1134例、慢性支气管炎264例、哮喘445例.

2.3道路绿地消减PM2.5的健康经济效益

根据环境健康价值评估理论,将健康风险变化量货币化后得,北京市建成区道路绿地年消减PM2.5的健康效益为 1.98亿元.其中,乔_灌_草型绿地消减PM2.5的健康效益最大,为1.6亿元,占道路绿地总健康效益的81%,灌木型绿地效益最小, 为30.82万元,仅占道路绿地总健康效益的0.2%.就不同类型道路绿地单位面积消减PM2.5的健康效益来看,乔_灌_草型绿地最大,草地最小（图 2）.目前北京市道路绿地中草地面积较大,仅次于乔_灌_草型与灌_草型绿地,占道路绿地总面积的9.21%,而灌木型与乔_草型绿地面积较小,仅占道路绿地总面积的0.35%与1.32%（表1）.因此适当缩小草地面积,提高道路绿地层次结构,有助于降低PM2.5浓度,改善空气质量.

图2　不同类型道路绿地消减PM2.5的健康效益Fig.4　The health benefits of PM2.5removal of different structure types of urban road green space

2.4讨论

已有学者对北京市园林植物吸附大气污染物及其健康效益进行了研究.Yang等［44］利用城市森林影响模型对北京城市森林进行了研究,发现其消减 PM10的量最大,为 772t/a；王蕾等估算了2003年北京市园林植物吸附30415～38019t PM10和3057～3821t SO2,健康效益为2.8～3.5亿元［45］.由于 PM2.5粒径小,沉降速率低,所以植被对其的消减量相对较小.本研究结果若简单按照面积比例关系换算可得,北京市建成区绿地年消减PM2.5总量为5.8t,健康效益经济价值为9.5亿元.这与 Nowak等［14］的研究结果相近,其估算美国10个城市植被年消减PM2.5总量为4.7～64.5t,健康效益经济价值为110～6010万美元.

本文以环境经济学方法算出的北京市建成区道路绿地年消减PM2.5的健康效益为1.98亿元,远低于北京市2013年30.62亿元的绿化投资［27］,但这不足以说明绿化投资回报效益低,主要原因是：（1）本研究仅估算了北京市建成区道路绿地的健康效益,且由于评估的各项指标难以严格准确量化及可借鉴的相关研究成果较少,在不同类型道路绿地消减 PM2.5能力、各健康终端暴露-反应关系与健康终端的单位经济损失价值的提取上相对保守；（2）城市绿地具有固碳释氧、消减噪声、调蓄雨水、维持生境等多种生态服务功能并具有很高的经济价值,例如张彪等［46-47］估算了北京市建成区绿地夏季降温经济价值为6.4亿元、北京市城市绿地调蓄雨水径流功能经济价值为13.44亿元.将类此城市绿地生态服务经济价值累加求和,其值将远大于城市绿化投资.

北京市 PM2.5源解析结果表明,机动车尾气是主要的排放源之一［48］.据《2013北京区县统计年鉴》,北京市民用汽车保有量巨大,保有汽车最多的是朝阳区,为91.7万辆；保有汽车最少的是延庆县,为5.3万辆.如此庞大的机动车数量会导致大量的 PM2.5排放,造成大气严重污染.道路绿地有助于消减 PM2.5,为居民带来较为显著的健康效益,但北京各区县道路绿地面积相差较大.通州区道路绿地较多,民用汽车较少,而民用汽车最多的朝阳区,其道路面积相对不足.因此,建议北京市合理协调与加大各区县道路绿地建设以积极应对交通PM2.5污染.

需要说明的是,不同类型道路绿地消减PM2.5能力值的准确性受观测时间、观测位置与气象条件等多种因素影响,即便同一类型绿地变化也很大,所以很难严格准确量化,在以后的研究中需要开展更多的实地观测进行完善修正.健康效益评估方面,由于 PM2.5对健康的影响机制尚未完全清晰,本研究选用的前人研究出的暴露-反应系数及健康终端单位经济损失存在不确定性因素.因此本研究存在一些误差,今后在评估过程中需尽量采用最新的相关研究成果,以使结果更加准确.

3　结论

3.1收集分析了北京市道路绿地不同结构类型的 PM2.5消除作用值,结合北京市园林局统计的绿地数据,运用泊松回归模型与环境健康价值评估方法,计算出建成区道路绿地年消减 PM2.5总量为 1.09t； 对降低人群健康风险作用较为显著,可减少受危害总数约3024例,其中早逝18例、呼吸系统疾病住院 53例、心血管疾病住院 25例、儿科门诊324例、内科门诊761例、急性支气管炎1134例、慢性支气管炎264例、哮喘445例；带来的健康效益为1.98亿元.

3.2北京市建成区道路绿地不同类型年消减PM2.5总量与健康效益差异较大,主要与绿地面积和组成结构有关.乔_灌_草型绿地消减 PM2.5能力最强且面积最大,故其在道路绿地消减PM2.5功能上发挥着主要作用.建议城市道路绿地建设宜以乔_灌_草型绿地为主,注重丰富绿地层次结构.

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Subduction of PM2.5by road green space in Beijing and its health benefit evaluation.

TONG Ming-kun1,2, GAO Ji-xi2*, TIAN Mei-rong2, JI Ping2（1.School of Environmental and Natural Resources, Renmin University of China, Beijing 100872, China；2.Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China）.

China Environmental Science, 2015,35（9）：2861～2867

Taking Beijing urban area with serious traffic pollution as a case study and based on prior field observation, we estimate the total amount of PM2.5removed annually by road green space and its health benefits by using the poisson regression model and environmental health evaluation method. The results showed that the road green space in Beijing urban area remove 1.09 tons PM2.5annually, which reduced the population health risk significantly, he road green space reduced the total number of 3024 cases of harmful diseases, including 18 cases of premature deaths, 53 and 25 cases of hospital admissions for respiratory and cardiovascular diseases, 324 and 761 cases of pediatric and internal outpatients respectively, 1134 and 264 cases of acute bronchitis and chronic bronchitis, 445 cases of asthma respectively. Consequently, it obtains economic benefit of 198 million Yuan for health-related economic benefits. Thus, we suggest strengthening the construction of road green space and enriching vegetation hierarchy to cope with urban traffic air pollution actively.

road green space；PM2.5；reduction amount；health benefit；Beijing

X503.1

A

1000-6923（2015）09-2861-07

2015-02-05

环境保护公益性行业科研专项（201409055）

*责任作者, 研究员, gaojx168@163.com

童明坤（1989-）,男,河南信阳人,中国人民大学硕士研究生,主要从事区域生态、生态系统服务与生态经济研究.发表论文2篇.