题目
Air quality and health benefits of China’s current and upcoming clean air policies
作者
Jing Cheng, Dan Tong, Yang Liu, Yu Bo, Bo Zheng, Guannan Geng, Kebin He and Qiang Zhang
一作
单位
Ministry of Education Key Laboratory for Earth System Modelling, Department of Earth System Science, Tsinghua University, Beijing 100084, People’s Republic of China
链接
https://doi.org/10.1039/D0FD00090F
在最近几十年中，我国工业的快速发展伴随着大量化石燃料的燃烧，造成了严重的空气污染，但政府采取了一系列严格的清洁空气政策，空气质量明显改善。从2013年到2019年，SO2和PM2.5年平均浓度分别下降69%和50%。然而，我国目前的空气质量仍然没有达到国家环境空气质量标准（NAAQS），与世界卫生组织（WHO）建议的空气质量标准还有差距。我国提出“2035美丽中国”的目标，即大部分地区PM2.5浓度达到35μg/m3。因此评估中国当前和未来的清洁空气政策对空气质量和健康的好处，尤其是近期到2030年的清洁空气政策，对于帮助政府改善未来的清洁空气计划并更好地实现空气质量目标非常重要，还将为其他发展中国家在寻求平衡社会经济发展和污染控制问题方面提供见解。
已有研究广泛全面地评估了我国过去的清洁空气政策，并揭示了它们在不同地域尺度上为减少污染物排放，改善空气质量和公共卫生效益做出的贡献。一些研究还进行了敏感性分析，以评估政府发布的清洁空气行动的具体贡献。但是这些研究都是基于历史数据，侧重于评估清洁空气行动的完成效果，并未分析其对未来排放和空气质量的持续影响。一些研究基于CMIP开发的最新全球排放情景，即代表性浓度途径（RCP）和社会经济共享途径（SSP），预测了我国未来的排放轨迹，并估算了某些政策的相关空气质量和健康效益。然而，这些排放情景很大程度上缺乏对我国空气污染控制的详细描述，未能反映近年来的空气改善效果。因此基于这些全球情景开展的评估并不能量化我国当前和未来的清洁空气政策的潜在效益，特别是近期（2015至2030年），关于我国目前和未来的清洁空气政策对未来空气质量和健康的潜在好处仍不清楚。本研究耦合排放预测模型、化学迁移模型（CTM）和暴露死亡率模型，综合评估了我国当前和未来的清洁空气政策对未来空气质量和健康效益的影响。
图1显示了2010-2030年我国的排放和社会经济发展趋势。遵循SSP2-RCP4.5全球路径，我国在2015-2030年社会经济发展速度与当前相似。从2010年到2030年，GDP、人口和化石燃料消费将分别增长252.9%、4.7%和9.3%。到2030年，CO2排放量将增加到12.0 Gt，比2010年增加35.6%。而这20年来开展的清洁空气行动显著降低污染物排放， SO2、NOx、PM2.5、NMVOCs和NH3分别下降70.0%、51.8%、61.7%、17.9%和14.3%。
图1. 2010-2030年我国的排放和社会经济发展趋势：（a）和（b）分别表示绝对值和相对变化率
不同污染物的变化趋势各不相同。由于“十二五”规划和一系列标准的发布， SO2，NOx和PM2.5自2012年开始下降，特别是电力和钢铁行业。从2012-2020年，SO2和PM2.5排放量下降幅度最大，可达61.5%和41.8%，这是由于全国范围内电厂超低排放升级和工业锅炉粗放管理政策的实施。NOx排放的下降趋势相对稳定，主要是因为电力、工业和交通部门采取连续有序的控制措施。NMVOCs和NH3排放的下降相对较少，NH3排放量仅减少150万吨，这表明农业部门的污染控制不足；NMVOCs排放仅下降17.9%，其中2010-2017年排放持续增加，峰值达到3060万吨，与2010年相比增加18.3%。NMVOCs和NH3是PM2.5的重要前体物，污染控制不足可能在一定程度上会抵消其他污染物排放（例如SO2、NOx）的显著下降，因此未来的清洁空气行动应当更加关注NMVOCs和NH3的排放控制。
图2显示了2010-2030年我国在清洁空气政策下的具体行业减排量。工业和电力部门的清洁空气措施显著减少了SO2排放，其中燃煤工业锅炉和发电厂分别减少了600万吨和530万吨，占减排总量的31.1%和27.7%。居民燃煤和钢铁、燃煤供暖、水泥、砖、石灰和焦炭等主要工业部门的SO2排放也显著下降。NOx自2010年开始下降主要是由于电力和交通部门实施了污染控制措施，其中燃煤电厂和柴油卡车分别减少了670万吨和470万吨，约占减排总量的70%。工业和居民部门是一次PM2.5减排的主要贡献源，其中水泥、钢铁、焦炭、燃煤工业锅炉、砖和石灰等部门减排贡献最大，占50.3%；居民生物质、煤燃烧共减少240万吨，占33.2%。居民生物质和燃煤产生的PM2.5排放量减少了240万吨，占PM2.5总量的另一大部分（33.2%）减排量。在NMVOCs减排方面，汽油车、石化行业和居民生物质燃烧是前三贡献源，分别减少了320万吨、110万吨和110万吨，占总量的95%以上。虽然清洁空气行动的实施，使得大部分行业的主要空气污染物排放量在2010-2030年期间显著下降，但是一些行业的污染物排放量仍在继续增加，例如有色金属部门的PM2.5排放、燃气发电和热电的NOx排放、燃煤工业锅炉和其他溶剂使用的NMVOCs排放。这些污染物排放增加很大程度上是由于未来活动水平的增加和污染控制的不足，未来的清洁空气措施应当更加关注这些部门。图2. 2010-2030年我国清洁空气政策导致的行业减排：（a）、（b）、（c）和（d）分别为SO2、NOx、PM2.5和NMVOCs，各部门分别为电力（红色）、工业（蓝色）、运输（绿色）、住宅（黄色）和溶剂使用（紫色）
在电力和交通部门的清洁空气政策的实施，对于污染物减排效果最为明显。在2010-2030年期间，大部分污染物排放显著下降。工业部门的减排量相对较小，但是在2030年，工业部门仍是SO2和PM2.5排放的最大贡献源。并且工业部门对NOx和NMVOCs排放的贡献分别增加到45%和35%，这表明工业部门仍具有很大的减排潜力。随着污染物排放总量的减少，居民和溶剂使用行业所占比例增大，例如溶剂使用对NMVOCs排放的贡献从27%增加到40%。由于对溶剂使用污染的控制不足，将在一定程度上抵消NMVOCs的末端减排（如石化行业），因此与其他空气污染物相比，NMVOCs的减排量有限(图1)。
我国不同地区的高排放和重空气污染，由于当地工业和社会经济特征的不同而存在差异，所以清洁空气政策是根据地区特点和历史污染程度开展部署的。北京、天津、河北及周边地区（包括北京、天津、河北、山东、河南、山西）、汾渭平原（包括山西、陕西）、长三角（包括上海、安徽、江苏、浙江）、珠江三角洲（包括广东省）和四川盆地（包括四川省和重庆市）是在我国污染控制过程中被特别关注的区域。图3显示了2010-2030年我国排放强度的空间变化。2010年我国北部和南部地区的SO2排放强度较高，其中山西、山东、江苏和湖北等省的排放强度很高（图3a），主要是因为工业和居民大量燃煤所致。清洁空气政策在大部分重点区域影响显著，其中山东、江苏、河北三省最为显著（图3c），在2010 - 2030年期间SO2排放强度下降了66.7-74.9%。到2030年，各省SO2排放强度整体上减少了一个数量级，北京的排放强度甚至与内蒙古相当(图3b)，但是京津冀地区仍然是全国高排放强度地区；宁夏和贵州的SO2排放强度随全国排放量的减少而增加，这主要是由于对居民燃烧产生的污染控制不足。由于PM2.5和SO2高度同源，两者的排放强度分布基本类似（图3g–i）。NOx和NMVOCs的排放强度空间分布特征相似，因为在2010年京津冀、长三角和珠三角地区私家车、水泥和石化工厂较多，导致了更高的排放强度，特别是特大城市，例如北京和上海（图3d和j）。从2010-2030年，京津冀和长三角地区的清洁空气政策显著降低NOx排放强度，约为50.2%-59.8%（图3f）。NMVOCs排放强度降幅最大的地区是上海、北京、广东、山东、河南和辽宁省（图3l）。与其他污染物强度的降幅相比，2010-2030年NMVOCs排放强度的降幅较小，需要进一步加强污染控制。至2030年，京津冀和东南沿海地区将成为NOx和NMVOCs排放的高强度区域（图3e和k）。图3. 2010-2030年我国清洁空气政策导致的排放空间变化：（a）、（d）、（g）和（j）分别是2010年SO2、NOx、PM2.5和NMVOCs的排放强度；（b）、（e）、（h）和（ k）分别是2030年SO2、NOx、PM2.5和NMVOCs的排放强度；（c）、（f）、（i）和（l）分别是2010年至2030年各省排放强度的相对变化；五个关键区域以白色粗体突出显示（1：BTH， 2：FWP，3：YRD，4：PRD，5：SCB）
长期以来，我国面临着严重的PM2.5污染。2010年人口加权PM2.5年平均高达61.6μg/m3（图4），超过91.5%（6.317亿）以上的人口暴露于高于35μg/m3的环境，大约30%的人口暴露于高于75μg/m3的环境，这会损伤呼吸系统和心血管系统，给人群健康带来高风险。
图4. 2010-2030年我国清洁空气政策导致的PM2.5浓度改善：（a）2010-2030年的PM2.5的五年平均暴露量的累积分布；（b）暴露于不同PM2.5浓度水平的人口比例；2010-2030年我国人口加权PM2.5年平均浓度
2010-2030年期间我国实施清洁空气政策，显著降低PM2.5浓度（图4b）。到2020年，各地区浓度均在75μg/m3以下（图4a），并且2015-2020的五年期间，人口加权PM2.5年均浓度降幅最大，为13.5μg/m3 (24.6%)。然而，2020年人口加权PM2.5年均浓度仍比空气质量标准高6.4μg/m3 (18.4%)，人群暴露率超过60%。目前的污染控制措施可以使得我国在2025年前达到NAAQS标准，人口加权PM2.5浓度可以降至32.7μg/m3。至2030年，PM2.5浓度可能进一步降低至26.4μg/m3，这表明清洁空气政策可使得我国2010-2030年的人口加权PM2.5浓度降低35.2μg/m3（57.2%），大约81.7%（11.435亿）的人口暴露水平低于空气质量标准。尽管当前和未来的清洁空气政策可以使得我国的空气质量达到NAAQS标准，但不同省份和地区的PM2.5浓度差异显著（图5）。与一次污染物排放分布相似，2010年BTH、YRD和SCB地区的PM2.5污染较为严重，FWP和PRD地区也有几处污染热点（图5a）。清洁空气政策可以显著降低这些地区的PM2.5浓度，到2030年，大部分地区的年浓度均降至40μg/m3以下（图5b）。图5d量化了各省在2010年和2030年的人口加权PM2.5年均浓度，除海南、云南和西藏等省份，2010年其他地区的人口加权PM2.5浓度均超过NAAQS标准，其中BTHs地区的浓度比75μg/m3高6.6–16.1μg/m3（8.8%–21.5%）。经过20年的空气污染治理，各省人口加权PM2.5浓度比2010年下降17.1–48.5μg/m3（44.9%–69.7%），其中我国西部和华南地区的浓度改善不明显，京津冀和长三角地区改善显著，分别下降44.5–48.5μg/m3（51.2%-58.3%）和31.7μg/m3（69.7%）。到2030年，共有27个省（87%）实现PM2.5浓度达标， 4个省甚至达到WHO的中期目标（即15μg/m3），但是天津、河北、河南和山东仍然超标。另外北京、湖北、新疆等地的人口加权PM2.5浓度仅接近空气质量标准，不达标的风险较大。尽管我国当前和未来的清洁空气行动可能导致大多数人口暴露水平于低在35μg/m3，但仍需要加强污染控制，以实现所有地区的长期空气质量改善。图5. 2010-2030年我国清洁空气政策导致的PM2.5年平均浓度的空间分布：（a）、（b）和（c）分别为2010年和2030年的模拟PM2.5年平均浓度图和相对变化（2010年减去2030年）；（d）为2010年和2030年各省的人口加权PM2.5年均浓度
2010年，因室外PM2.5暴露导致的过早死亡人数为218（95%CI：183-251）万（图6a）。由于2010-2015年PM2.5控制效果有限，随着人口老龄化，2015年与PM2.5相关的过早死亡增加到228 (95%CI：191-263) 万。从2015-2030年，与PM2.5相关的过早死亡人数逐渐下降，降至209(95%CI：173-243)万，很大程度上受到人口老龄化的影响。为更好地评估2010-2030年我国清洁空气政策对健康改善的效益，本文采用2010年固定人口水平（包括人口数量、分布和年龄结构）、基线死亡率和PM2.5暴露水平，对未来过早死亡进行了一系列敏感性分析，然后对各因素的影响归一化和分解。在不降低PM2.5暴露水平和基线死亡率的下，PM2.5相关的过早死亡将随着人口的快速老龄化而显著增加（图6b）。2030年与PM2.5相关的过早死亡将超过402万人，比2010年多189万人(86.7%)，清洁空气政策和医疗水平的提高在很大程度上将保护公众免受空气污染的影响，分别在2030年减少153万人和41万人过早死亡，抵消了人口老龄化导致的不利影响，使得2030年与PM2.5相关的过早死亡人数减少了4万（与2010年相比）。2015 - 2030年期间，PM2.5暴露减缓对避免过早死亡的相对贡献逐渐增大（图6b）。2015年，由于基线死亡率和PM2.5暴露减缓而避免的过早死亡占总数的61%和39%；到2030年，PM2.5暴露减缓的贡献增加到80%，可避免112万过早死亡，是基线死亡率贡献的3.7倍以上，这表明空气污染控制对于保护公众健康是至关重要的。图6. 2010- 2030年我国清洁空气政策导致的健康改善：（a）为2010-2030年与PM2.5相关的过早死亡；（b）为2015-2030年（与2010年相比），各因素避免的与PM2.5相关的过早死亡
考虑到未来人口的空间差异、排放和PM2.5暴露水平的差异，与PM2.5相关的健康益处在不同地区也各不相同。2010年，重点地区的PM2.5相关的过早死亡占全国的一半以上，分别为BTHs(58万)、长江市(37万)、南川市(18万)和珠江三角洲(15万)，其中河南(19万)和山东(18万)死亡人数较多。如果不实施清洁空气政策，随着人口快速老龄化，到2030年各省与PM2.5相关的过早死亡将增加84.0%-91.3%。与2010年相比，河北、山东、河南、江苏、广东、四川等省的过早死亡人数将增加11-16万，说明人口老龄化和污染相关人口脆弱性的增加对这些地区的影响更为严重。各省清洁空气政策的实施在不同程度上减少了与PM2.5相关的过早死亡，与PM2.5固定暴露模拟相比，到2030年可避免1000- 16.2100例过早死亡。河南、山东、河北、江苏、广东和四川的健康效益较为显著，可避免10.92-16.21万例过早死亡。另外在海南、云南和西藏省，人口加权PM2.5浓度在2010年已经远低于NAAQS，清洁空气政策的实施也产生显著的健康效益。与参考情景相比，可避免近1000-49700例过早死亡(10.0%-58.5%)，这表明在已经实现空气质量标准的地区，继续控制空气污染对保护公众健康也具有重要作用。考虑到人口老龄化的负面影响，与2010年相比，21个省份可以通过清洁空气行动完全抵消人口老龄化的负面影响，到2030年可避免400-36100例过早死亡。然而在京津冀地区和吉林、黑龙江、西藏、新疆等省，PM2.5的暴露减缓并不能完全抵消人口老龄化的影响，与PM2.5相关的过早死亡反而增加了1000-13300万人，这些地区需要更严格的清洁空气行动以更好地保护公众健康。图7. 2010- 2030年我国与PM2.5相关的过早死亡的空间变化：（a）和（c）为2010年和2030年与PM2.5相关的过早死亡的空间分布；（b）为2010和2030年PM2.5暴露水平的空间分布；（d）为2010年和2030年各省与PM2.5相关的过早死亡