张轲，许学慧，李海港

内蒙古农业大学草原与资源环境学院, 内蒙古自治区土壤质量与养分资源重点实验室

近年来，随着城市化、工业化步伐的加快，交通运输现代化的迅速发展，空气污染已经成为城市发展中一个突出的问题[1]。受污染的空气不仅对城市环境造成严重影响，还直接危及人类健康。如前几年频发的重污染天气，使人们的身心健康受到影响。

目前，关于经济、城市发展与环境质量关系的研究基本运用环境库兹涅茨曲线(EKC)理论[2-3]，该理论于1991年由Grossman等[4]提出，环境污染先随着经济增长而恶化，发展到一定程度会出现拐点，经济发展会促使环境污染减轻。国内外许多研究都对EKC理论进行了验证或分析，但研究结果并不一致，也有学者对EKC理论和实证研究提出了质疑[5-6]。呼和浩特市地处我国内蒙古北部，是除天津市、石家庄市和济南市以外距离首都北京市最近的省会城市，在承接北京非首都功能产业转移改革中发挥着十分重要的作用，研究呼和浩特市和北京市空气污染的时空分布特征，对揭示其空气污染原因、改善空气质量、防止空气污染的进一步加剧具有十分重要意义。

环境空气质量指数(ambient air quality index，AQI)是目前在国际上被广泛应用，简单而直观的大气环境质量评价体系，能够有效反映空气总体质量，可用于空气质量评价以及污染控制和管理[7]。污染物排放量是影响空气质量的根本因素[8]，燃煤、机动车、工地与道路扬尘、工业污染源等城市污染源都排放出大量污染物，最终直接影响城市的空气质量。笔者以2014—2019年中国环境监测总站发布的二氧化硫 (SO2)、二氧化氮 (NO2)、一氧化碳(CO)、臭氧(O3)、细颗粒物(PM2.5)和可吸入颗粒物(PM10) 6项空气污染物浓度数据为数据源，依据GB 3095—2012《环境空气质量标准》[9]和 HJ 633—2012《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》[10]，利用数理统计分析方法对北京市和呼和浩特市的空气质量进行对比分析，以期揭示影响2市环境空气质量的关键因子，为有效防控城市空气污染提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

以中国环境监测总站和中国空气质量在线监测分析平台发布的北京市和呼和浩特市市区空气监测数据为数据源，统计 2个城市 2014—2019年的SO2、NO2、PM10、PM2.5浓度月均值，并统计 CO 浓度日均值第95百分位数以及O3日最大8 h浓度的第90 百分位数。O3空气污染物浓度为8 h滑动平均值。

1.2 分析方法

1.2.1 AQI

AQI是定量描述空气质量状况的无量纲指数。针对单项污染物还规定了空气质量分指数(individual air quality index，IAQI)[10]，其计算公式如下：

式中：IAQIp为污染物p的空气质量分指数；Cp为污染物p的质量浓度；BPHi为与Cp相近的污染物浓度限值的高位值；BPLo为与Cp相近的污染物浓度限值的低位值；IAOIHi为与BPHi对应的空气质量分指数；IAOILo为与 BPLo对应的空气质量分指数。AQI计算公式如下：

利用AQI可以直观地评价大气环境质量状况，并指导空气污染的控制和管理。以SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O36种空气污染物作为评价因子，空气质量评价标准参照GB 3095—2012和HJ 633—2012。空气质量级别如表1所示，AQI越大、级别越高说明污染情况越严重，对人体的健康危害越大[10]。

表1 空气质量级别及相关信息[10]Table 1 Air quality levels and related information

1.2.2 数据分析

采用Excel和SPSS 23软件对6种空气污染物的月均浓度和年均浓度进行数据处理和相关性分析。季节分布按2市气候特征的时间尺度进行划分，即冬季为12月—次年2月，春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月。

2 结果与分析

2.1 空气质量基本情况

图1为北京市和呼和浩特市 2014—2019年AQI逐月变化。从图1可以看出，北京市的AQI要比呼和浩特市高，最高可达187，最低为58。其中，空气质量达到二级（良）的为30个月，占总月数的41.7%；达到三级（轻度污染）的为37个月，占总月数的51.4%；达到四级（中度污染）的为5个月，占总月数的6.9%。呼和浩特市AQI最高可达136，最低为51。其中，空气质量达到二级（良）的为63个月，占总月数的87.5%；达到三级（轻度污染）的为9个月，占总月数的12.5%。呼和浩特市空气质量达到二级（良）的月数显著高于北京市，且未出现中度或更严重的污染，说明整体而言呼和浩特市的空气质量优于北京市。有效控制2市的AQI，提高空气质量，需从污染源头限制污染物排放。根据李霞[11]的研究结果推测2市大气污染来源主要有3方面：1）生活污染源，包括饮食或取暖时燃料燃烧向大气排放有害气体和烟雾；2）工业污染源，包括火力发电、钢铁和有色金属冶炼以及各种化学工业造成的污染；3）交通污染源，包括汽车、飞机、火车、船舶等交通工具的尾气排放。

图1 2014—2019年北京市和呼和浩特市AQI逐月变化Fig.1 Monthly changes of the air quality indexes from 2014 to 2019 in Beijing and Hohhot

2.2 首要污染物对AQI的贡献率

AQI大于50时，IAQI最大的污染物为首要污染物[10]。如图2所示，北京市AQI贡献最大的污染物是PM2.5，贡献率为82%；其次是O3，贡献率为12%；NO2排第三，贡献率为4%；贡献率最小的是PM10，为2%。呼和浩特市AQI贡献最大的污染物是PM10，贡献率为63%；其次是PM2.5，贡献率为18%；O3排第三，贡献率为14%；贡献率最小的是NO2，为5%。PM2.5和PM10分别是北京市和呼和浩特市空气中的主要污染物。呼和浩特市与北京市相比，大风天气较多且距离冬季风源地较近，大风引起的扬尘颗粒较大，会造成空气中PM10浓度的大幅增加；而北京市机动车保有量较大，大量汽车尾气的排放导致空气中PM2.5的浓度较高[12]。颗粒物污染在我国已经成为影响空气质量、气候变化和人类健康的严重环境问题[13]。其中大气颗粒物对人群神经系统具有潜在威胁，并且小粒径颗粒物具有较高的健康危害[14]。

图2 北京市和呼和浩特市主要污染物对AQI的贡献Fig.2 Contribution of different major pollutants to the air quality index in Beijing and Hohhot

2.3 首要污染物的季节贡献

为了进一步分析2市空气质量变化特征，对2014—2019年2市空气中首要污染物的季节浓度对年均浓度的贡献率进行统计分析，结果如图3所示。从图3可以看出，2市除了O3夏季贡献率高，冬季贡献率低外，PM2.5、NO2、PM10均为冬季贡献率最大，春秋季贡献率低于冬季，夏季最低。呼和浩特市 PM2.5、NO2、PM10冬季贡献率分别为 37.8%、29.7%和 28.8%，北京市分别为 30.3%、29.5%和27.6%。2市空气中污染物浓度具有相似的季节变化特征，即夏季污染轻，冬季污染重。这可能和冬季采暖期煤等化石燃料燃烧有关。李明珠等[15]的研究结果表明，夏季鲁东地区输送对济南都市圈城市的PM2.5贡献最大，达 24%；冬季来自京津冀方向的传输增多，贡献率最高可达24%，可以解释污染物质输送来源。

图3 2014—2019年北京市和呼和浩特市首要污染物季节贡献Fig.3 Seasonal contribution of major pollutants from 2014 to 2019 in Beijing and Hohhot

2.4 污染物浓度年际变化特征

北京市和呼和浩特市2014—2019年空气污染物浓度年均值见表2和表3。从表2和表3可以看出，2014—2019年北京市和呼和浩特市PM2.5、CO、NO2、PM10、SO25种污染物浓度年均值均呈下降趋势。其中北京市PM10浓度年均值分别比上一年减少了13.7%、3.7%、12.8%、9.5%和-1.4%；PM2.5分别减少了5.4%、9.0%、21.5%、13.7%和5.1%；SO2分别减少了38.3%、23.5%、20.5%、23.6%和9.9%。呼和浩特市PM10浓度年均值分别比上一年减少了10.4%、10.0%、0%、16.8%和-7.0%；PM2.5分别减少了2.8%、6.0%、-6.8%、25.2%和19.0%；SO2分别减少了26.0%、17.7%、-2.1%、33.1%和17.2%。2014—2019年，北京市空气中PM2.5浓度年均值均比呼和浩特市高，而呼和浩特市空气中SO2浓度年均值均比北京市高。2市空气中NO2浓度年均值变化幅度不大但均为降低趋势。2014年2市空气中CO浓度年均值相差相对较大，呼和浩特市高于北京市，通过近6年的治理，2市空气中CO浓度年均值都呈下降趋势。2市空气中O3浓度年均值变化趋势与其他指标不同，其中北京市O3浓度年均值近些年保持在同一水平，而呼和浩特市O3浓度年均值由2014年的0.067 mg/m3增加到2019年的0.097 mg/m³，呈缓慢增加的趋势。城市中O3污染主要由NOx、CO和VOCs等前体物在合适的气象条件下反应生成的[16]，研究表明O3与其前体物(VOCs与NOx)的敏感性关系决定了不同地区O3生成的控制型，而不同地区的前体物排放特征不同，区域源贡献也有所差异[17]。2市的NO2年均浓度均有所降低，初步判断2市属于VOCs控制型，对VOCs有更高的敏感性，通过VOCs组分的研究表明，控制VOCs排放时应重点控制含乙烯、二甲苯、三甲苯较多的污染源[18]。

表2 2014—2019年北京市空气污染物浓度年均值比较Table 2 Comparison of annual mean mass concentration in Beijing from 2014 to 2019 mg/m3

表3 2014—2019年呼和浩特市空气污染物浓度年均值比较Table 3 Comparison of annual mean mass concentration in Hohhot from 2014 to 2019 mg/m3

2.5 人口、经济发展与空气污染物浓度变化趋势的相关性

经济与环境共同协调发展是实现可持续发展的基本要求和重要途径[19]。经济发展与环境污染之间的矛盾已经成为近几十年以来中国社会发展中最突出的问题[20]。为了揭示城市人口和经济发展对空气质量的影响，从2019年《中国统计年鉴》[21]和2市统计局统计数据收集人口和部分经济指标相关数据进行统计（图4），并分析了2市各经济指标和6种空气污染物之间的相关性（表4和表5）。从图4可以看出，随着2市的经济快速发展，国内生产总值、常住人口、能源消耗总量、机动车保有量呈逐年增加的趋势。而长期监测的数据显示除O3外其他各项空气污染物浓度均呈持续下降趋势，这体现出2市大气污染治理的成效。从表4和表5可以看出，除O3外其他污染物浓度均与各经济指标呈负相关，且个别污染物浓度与经济指标达到显著相关或极显著相关。呼和浩特市机动车保有量与O3浓度呈极显著相关，这和康婷婷等[22]的研究结果基本一致，控制机动车及工业源的VOCs排放是控制O3生成的有效治理途径，所以呼和浩特市防治O3污染可以采取车辆限行和控制机动车保有量等措施。北京市NO2浓度与国内生产总值呈极显著相关，与机动车保有量和能源消耗量呈显著相关，PM2.5和CO浓度均与国内生产总值和能源消耗总量呈极显著相关，与机动车保有量呈显著相关；呼和浩特市PM10、SO2浓度与机动车保有量、能源消耗总量呈极显著相关。与其他空气质量指标相比，北京市的PM2.5浓度和呼和浩特的PM10浓度与更多的经济指标呈显著相关，这说明经济社会发展中影响2市空气质量的关键因子不同，北京市以PM2.5贡献为主，呼和浩特市以PM10贡献为主。此外，呼和浩特市SO2浓度与多项经济指标呈极显著相关，且相关系数都较高，而北京市SO2浓度与各经济指标相关性不大，这与2市的燃料结构有关，呼和浩特市冬季采暖期较长，是北方典型的煤烟污染城市之一，因此呼和浩特在发展经济同时要注重燃料结构调整，提倡清洁能源的推广使用。如果不加以管控，国内生产总值、常住人口、机动车保有量和能源消耗量增加会导致大气污染物浓度上升。

图4 北京市和呼和浩特市国内生产总值、常住人口、能源消耗总量、机动车保有量变化趋势Fig.4 The change trend of GDP, resident population, total energy consumption, motor vehicle ownership of the Beijing and Hohhot

表4 2014—2019年北京市各经济指标与污染物浓度相关性Table 4 Correlation between economic indicators and pollutants in Beijing from 2014 to 2019

表5 2014—2019年呼和浩特市各经济指标与污染物浓度相关性Table 5 Correlation between economic indicators and pollutants in Hohhot from 2014 to 2019

3 讨论

通过对北京市和呼和浩特市空气环境长期监测数据分析发现，2市的首要污染物为PM2.5、PM10和O3，该结果与徐丽娜等[23]的研究结果相似。北京市和呼和浩特市的空气污染均以颗粒物污染贡献最多，应注重源头治理。颗粒物污染源首先为道路扬尘/机动车尾气混合污染源，其次分别为施工扬尘源、燃煤源、冶炼尘/生物质燃烧混合污染源[24]。PM2.5污染源除了主要的颗粒物排放外，还包括次级气溶胶体 (包括 SO2、NOx、VOCs)的排放[25]，其中需注意随着我国机动车保有量呈快速增长趋势，尾气排放对大气PM2.5的污染贡献率逐步增加[26]。北京市PM10和PM2.5污染主要来源于燃煤源、交通和二次源以及生物质源的贡献[27]。同时2市空气中污染物浓度除O3外具有相似的季节变化特征，表现为O3浓度夏季高，冬季低，而其他污染物则相反，这与于洲等[28-30]的研究结果相似。北京市和呼和浩特市空气中SO2浓度季节特征表现为冬季供暖季较高，这是由于煤炭燃烧加剧了大气污染[31]。邱雪等[32]对西北地区PM10浓度的研究结果具有和本研究相似的季节变化特征，即冬春季较高，秋季次之，夏季最低。朱姗姗[29]对邯郸市空气中污染物浓度年际变化趋势的研究结果显示，NO2和CO年际波动幅度不大且相似。而本研究中北京和呼和浩特2市空气中NO2和CO浓度均呈逐年降低的趋势，其中北京市CO浓度由2014年的 1.274 mg/m3降到2019年的0.706 mg/m3，呼和浩特市 CO浓度由 2014年的1.907 mg/m3降到2019年的1.017 mg/m3，年际变化幅度较大；2市空气中NO2浓度的年际变化幅度较小。机动车尾气排放是空气中NO2和CO的主要贡献者，据此可以推测北京市和呼和浩特市空气中2种污染物不受同源机动车排放影响。

20世纪50年代以来，空气污染备受关注。大量研究[33-35]表明空气污染物对人体健康存在不良影响。城市每日AQI的预报可以提供一些健康危害预警信息，如研究[36]发现，AQI过高会显著增加哮喘疾病发病的风险。北京、呼和浩特2市空气中PM2.5和PM10污染分别是影响2市空气质量的主要因素，对城市居民健康可能会造成长期慢性的影响。与此同时，城市经济和人口的快速增长导致了越来越多的空气受到污染[37-38]。因此，合理解决经济、人口和空气环境的矛盾对城市的可持续发展至关重要。

4 结论与建议

（1）呼和浩特市空气质量优于北京市，同一城市不同季节的空气质量相差较大，首要污染物浓度在不同季节相差也较大，但2市表现出相似的季节变化特征：PM10、PM2.5、NO2、SO2和 CO冬季污染重，夏季污染轻；而O3夏季污染重，冬季污染轻。

（2）影响北京市空气质量的主要因素为PM2.5，影响呼和浩特市空气质量的主要因素为PM10。

（3）2014—2019年，北京市和呼和浩特市除O3浓度无显著变化外，PM10、PM2.5、NO2、SO2和CO等污染物浓度均呈逐年下降的趋势。

（4）从经济指标和污染物浓度变化的相关性可以看出，城市高质量发展越来越受到城市空气质量的约束，改善城市经济结构在空气污染防治中具有极大作用。

针对北京市和呼和浩特市的污染特征，建议采取以下防治措施：1）冬季污染严重，多是取暖、热水供应等化石燃料燃烧造成的，因此应减少热能发电，改变能源结构，发展清洁能源，从而减少燃煤燃烧等造成的空气污染。2）相关政府部门应加强对涉污企业“三废”和其他有机污染物排放的监控。3）针对汽车尾气污染问题，推动绿色环保的清洁能源汽车的投入与使用，实现节能减排。