陳仁杰,陳秉衡,闞海東 (復(fù)旦大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院環(huán)境衛(wèi)生教研室,公共衛(wèi)生安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200032)

科學(xué)合理地評價(jià)空氣質(zhì)量,可以為政府部門防控大氣污染,優(yōu)化空氣質(zhì)量管理提供依據(jù).目前國際上,最常用的空氣質(zhì)量評價(jià)方法是空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI),美國、加拿大、英國、韓國、日本等發(fā)達(dá)國家都用AQI來評價(jià)環(huán)境空氣質(zhì)量.以現(xiàn)行空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值為基礎(chǔ),AQI采用分段線性函數(shù)將每日或某時(shí)的空氣污染物濃度轉(zhuǎn)換為易于理解的指數(shù)形式,并將空氣質(zhì)量分為若干層級,提供相應(yīng)的健康信息.權(quán)威部門以各污染物中 AQI的最大值作為某時(shí)段的AQI對外發(fā)布,以表征此時(shí)段的空氣污染狀況.根據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布的《城市環(huán)境空氣質(zhì)量日報(bào)技術(shù)規(guī)定》(總站辦字[2000]026號)[1]的要求,我國城市自 2000年開始每日發(fā)布空氣污染指數(shù)(API),該指數(shù)的構(gòu)造原理與AQI類似.從2013年起,我國在部分環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)城市開始發(fā)布AQI指數(shù).

由于AQI僅以分指數(shù)最高的污染物(即首要污染物)來反映空氣質(zhì)量狀況,掩蓋了其他共存污染物對空氣質(zhì)量的影響,而且也難以直接反映空氣污染與健康效應(yīng)間廣泛存在的線性無閾值關(guān)系,加拿大環(huán)境保護(hù)部和衛(wèi)生部率先提出了空氣質(zhì)量健康指數(shù)(AQHI)的概念[2],直接將人群流行病學(xué)觀察到的多個(gè)污染物健康效應(yīng)指數(shù)化.已有研究證實(shí)加拿大 AQHI可良好地預(yù)測居民的健康水平[3].近年來,已有數(shù)個(gè)研究探討建立類似的指數(shù)形式[4-7].

當(dāng)前,我國正處于經(jīng)濟(jì)社會的轉(zhuǎn)型期,大氣污染問題比較突出,亟需以保障人的健康權(quán)益為核心,優(yōu)化現(xiàn)有的空氣質(zhì)量發(fā)布體系.此前本課題組在上海地區(qū)的初步研究發(fā)現(xiàn),AQHI預(yù)測健康的能力優(yōu)于現(xiàn)行的 API[8-9].因此,本文擬在全國水平初步建立 AQHI,并比較其與 AQI/API預(yù)測健康效應(yīng)的能力.

1 資料與方法

1.1 資料收集

我國此前大部分城市的空氣質(zhì)量監(jiān)測體系通常僅常規(guī)監(jiān)測3個(gè)污染物:二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、可吸入顆粒物(PM10).空氣污染能夠引起生理學(xué)指標(biāo)改變,醫(yī)院就診,甚至死亡等一系列健康效應(yīng).在大多數(shù)情況下,死亡率數(shù)據(jù)是最易獲得,也是最穩(wěn)定的健康效應(yīng)終點(diǎn),因而在空氣污染流行病學(xué)研究中死亡是最常用的健康指標(biāo).因而,本研究考慮以 PM10、SO2、NO2與居民日死亡率的關(guān)系為基礎(chǔ),構(gòu)建全國AQHI.

綜合考慮污染和健康數(shù)據(jù)的可及性,本研究以“中國大氣污染健康效應(yīng)研究(CAPES)”數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)[9],構(gòu)建全國水平的AQHI.擬納入16個(gè)城市:鞍山、北京、福州、廣州、杭州、蘭州、南京、上海、沈陽、蘇州、太原、唐山、天津、烏魯木齊、武漢和西安.各城市的研究時(shí)期不一致,在2001～2010年之間變化[9].

1.2 方法

1.2.1 時(shí)間序列分析 大氣中 PM10、SO2和NO2存在復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系.已有人群流行病學(xué)研究提示 SO2可能不存在獨(dú)立的健康危害,即觀察到的SO2健康效應(yīng)可能在本質(zhì)上反映了PM10和NO2的效應(yīng)[11].若把其健康效應(yīng)簡單疊加則可能會導(dǎo)致重復(fù)計(jì)數(shù)的問題,因此本研究僅以 PM10和NO2作為空氣質(zhì)量指示污染物.

首先采用經(jīng)典的時(shí)間序列分析方法估算單個(gè)城市的PM10和NO2與我國居民日死亡率的定量關(guān)系.時(shí)間序列方法的核心統(tǒng)計(jì)模型是基于對數(shù)線性模型的半?yún)?shù)廣義相加模型,并以準(zhǔn)泊松回歸模型(Quasi-Poisson)控制數(shù)據(jù)的過分散(Overdispersion)問題.在各個(gè)城市,應(yīng)用時(shí)間序列模型估算 PM10和NO2與死亡率的暴露反應(yīng)關(guān)系系數(shù),即濃度每增加1μg/m3所導(dǎo)致的超額死亡率[8].

然后,應(yīng)用貝葉斯層次模型合并16個(gè)城市的污染物-死亡關(guān)系系數(shù)(β),即在全國平均水平求得PM10和NO2污染致居民過早死亡的效應(yīng).當(dāng)估算多個(gè)城市大氣污染的平均效應(yīng)時(shí),貝葉斯層次模型不僅能充分解釋一個(gè)城市內(nèi)部的統(tǒng)計(jì)學(xué)估計(jì)誤差,還能解釋“真實(shí)”的相對危險(xiǎn)度在城市間的變異性(異質(zhì)性),已被廣泛應(yīng)用于大型多中心流行病學(xué)研究[12].由于貝葉斯層次模型估計(jì)的是合并后平均效應(yīng)的后驗(yàn)概率分布,因而本研究所計(jì)算的全國平均效應(yīng)可表達(dá)為后驗(yàn)均值及其95%后驗(yàn)區(qū)間(PI).

1.2.2 構(gòu)建全國 AQHI 絕大多數(shù)的流行病學(xué)研究均發(fā)現(xiàn)空氣污染短期暴露與人群健康效應(yīng)的暴露反應(yīng)關(guān)系是近似線性且無閾值的[10-11,13].因而,以時(shí)間序列分析中估算的單位污染物濃度增加所導(dǎo)致的超額死亡率為基礎(chǔ),構(gòu)建全國水平的AQHI.

以污染物的零濃度為基點(diǎn),計(jì)算各城市在研究期間內(nèi)每日污染水平造成的超額死亡率[2].公式為:

式中:ERit是污染物i在t天導(dǎo)致的超額死亡率;β是全國平均水平的污染-死亡率暴露反應(yīng)關(guān)系系數(shù)值;pi是第i個(gè)污染物;乘以100表示超額死亡率為百分比的形式.將每日PM10和NO2導(dǎo)致的每日超額死亡率相加得到各城市逐日的空氣質(zhì)量相關(guān)的超額死亡ERt.

為建立全國統(tǒng)一的 AQHI,需要計(jì)算各城市最大日 ERt的加權(quán)平均值.以各城市的平均日死亡數(shù)作為權(quán)重,可以弱化污染水平較高的小城市對 AQHI公式的影響[2].在每一個(gè)城市,將每日總ERt乘以 10,再除以研究期間的最大 ERt(加權(quán)平均值),可得到一個(gè)0～10范圍內(nèi)變化的簡單指數(shù),即AQHI.

1.2.3 比較 AQHI、API和 AQI預(yù)測健康的能力 為檢驗(yàn) AQHI預(yù)測健康的能力,運(yùn)用時(shí)間序列模型在每個(gè)城市估計(jì) AQHI與日死亡率的關(guān)系,然后運(yùn)用貝葉斯層次模型合并多個(gè)城市的AQHI-死亡率關(guān)系(具體方法同1.2.1節(jié)).本文進(jìn)一步比較了AQHI和API/AQI預(yù)測居民日死亡率的能力.根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量日報(bào)技術(shù)規(guī)定》(總站辦字[2000]026號)[1],計(jì)算各城市在研究期間的逐日API.根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633-2012)[14]計(jì)算各城市在研究期間的逐日AQI數(shù)值.在計(jì)算API/AQI時(shí),僅考慮PM10、SO2和NO23種常規(guī)污染物.采用時(shí)間序列分析方法(如 1.2.1節(jié)所述)計(jì)算 API、AQI與日死亡率的定量關(guān)系.

為檢驗(yàn)易受空氣質(zhì)量影響的敏感人群,將各城市的總死亡人數(shù)按照性別、年齡和教育程度分層.然后,在各層分別估算AQHI與日死亡率的定量關(guān)系.

表1 各城市AQHI、API、和AQI的統(tǒng)計(jì)學(xué)分布Table 1 The statistical distribution of AQHI, API, and AQI

2 結(jié)果

2.1 構(gòu)建AQHI

各個(gè)城市的研究期間在 2001～2010年之間,但限于數(shù)據(jù)收集的可及性,時(shí)間跨度亦不同.由于各城市的人口數(shù)不等,各城市間日平均總死亡數(shù)的變化范圍為 11～119、心血管系統(tǒng)疾病死亡為6～54、呼吸系統(tǒng)疾病死亡為 1～15.PM10、SO2、NO2年平均濃度分別為 72～156、16～100,23～67μg/m3.這3個(gè)污染物之間存在著明顯的相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)在 0.51～0.87不等.各城市詳細(xì)研究時(shí)期、日死亡數(shù)、污染水平、氣象條件等數(shù)據(jù)信息詳見CAPES文獻(xiàn)[10,13].

運(yùn)用時(shí)間序列分析方法和貝葉斯層次模型,算得在全國平均水平 PM10和 NO2濃度每升高1μg/m3可引起當(dāng)日居民總死亡率分別升高0.019%(95%PI:0.005%,0.034%)和0.061%(95%PI:0.019%,0.103%).以 PM10和 NO2為指示污染物,大氣污染每日最多能使各城市的總死亡率升高10.3%(福州)～21.1%(北京).以各 CPAES 城市的平均日死亡數(shù)對各城市的總超額死亡率進(jìn)行加權(quán),平均得到在研究期間,每日大氣污染最多能使某城市的總死亡率增加16.4%.

因此,可得到全國水平的AQHI構(gòu)建公式為:

表1列出了研究期間構(gòu)建的AQHI、API和AQI的統(tǒng)計(jì)學(xué)分布狀況.可見,各城市每日 AQHI數(shù)值的頻數(shù)分布呈“右偏態(tài)”,2～5區(qū)間的天數(shù)最多,其次為 0～2 和 6～10.API和 AQI也有類似“右偏態(tài)”的分布特征. AQHI與API的平均spearman相關(guān)系數(shù)為0.89,AQHI與AQI的平均spearman相關(guān)系數(shù)為0.92.

2.2 比較AQHI、API和AQI預(yù)測健康的能力

將各城市的AQHI、API和AQI數(shù)值分別納入時(shí)間序列分析模型,結(jié)果如表2所示.在全國平均水平,AQHI數(shù)值每增加 1,則會引起當(dāng)日總死亡率分別增加 0.97%(95%PI:0.36%,1.57%)、1.08% (95%PI:0.31%, 1.85%)和1.96% (95%PI:0.86%, 3.07%).相應(yīng)地,API和AQI每增加一個(gè)絕對單位導(dǎo)致的超額死亡率則低得多.考慮到這3種指數(shù)的每日相對變異程度不同,以四分位數(shù)間距(IQR)為相對計(jì)量尺度,AQHI預(yù)測居民每日死亡率的能力仍然強(qiáng)于API和AQI. 分層分析發(fā)現(xiàn),不同年齡、性別和教育程度的人群,AQHI與死亡率的關(guān)聯(lián)度不同.由表3可知,AQHI在女性、老年人和受教育程度較低的人群中與每日死亡率的關(guān)聯(lián)最強(qiáng),是易受空氣污染健康危害的敏感人群;而在年輕人和受教育程度較高的人群中,AQHI與日死亡率的關(guān)系不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性.

表2 AQHI、API、AQI每增加1個(gè)單位和1個(gè)IQR引起我國居民當(dāng)日總死亡、心血管疾病死亡和呼吸系統(tǒng)疾病死亡增加的百分比(均值和95%后驗(yàn)置信區(qū)間)Table 2 Percentage increase (mean and 95% posterior intervals)of the current-day total, cardiovascular and respiratory mortality associated with a unit and interquartile range increase of AQHI, API, and AQI

表3 在不同年齡、性別和教育程度人群中,空氣質(zhì)量健康指數(shù)每增加1個(gè)單位引起當(dāng)日總死亡率增加的百分比Table 3 Gender-, age- and education-specified percentage increase (mean and 95% posterior intervals)of currentday total mortality associated with a unit increase of air quality health index

3 討論

3.1 AQHI解釋

基于我國迄今為止我國最大的一項(xiàng)大氣污染流行病學(xué)研究成果,本文在全國水平初步建立了AQHI.時(shí)間序列分析顯示PM10和NO2可能具有獨(dú)立的健康危害,因此作為空氣質(zhì)量的指示物.在我國,PM10主要來源于地面揚(yáng)塵、工業(yè)排放和機(jī)動車尾氣,能綜合反映煤煙型和機(jī)動車尾氣型的空氣污染特征.NO2除主要來自交通污染外,工業(yè)排放亦是其重要來源之一.因而,PM10和 NO2能在相當(dāng)程度上反映我國大氣污染的特征.在本研究中,為了使AQHI更貼近生活,以當(dāng)日的空氣污染作為居民的暴露水平,而沒有考慮其滯后多日的健康效應(yīng).實(shí)際上,由于我國現(xiàn)行的空氣質(zhì)量日報(bào)體系是以前一天12:00至當(dāng)日12:00的24h濃度的均值作為當(dāng)日的污染水平,這也自然地體現(xiàn)了污染水平的滯后效應(yīng)(相當(dāng)于滯后半天).同時(shí),敏感性分析也發(fā)現(xiàn),與滯后1,2,3d相比,當(dāng)日的污染水平一般能導(dǎo)致最大的死亡效應(yīng)[10,13].近來幾項(xiàng)流行病學(xué)研究也進(jìn)一步證實(shí)暴露于空氣污染僅幾小時(shí)后便可引起健康危害,且在滯后十幾個(gè)小時(shí)以內(nèi)的效應(yīng)最強(qiáng)[15-16].

3.2 AQHI與API/AQI的比較

與 API/AQI相比,AQHI具有以下優(yōu)點(diǎn)[8]:AQHI直接利用了采納了我國大氣污染與居民健康的暴露反應(yīng)關(guān)系曲線,因此更符合我國的大氣污染和人群健康特征.API/AQI計(jì)算時(shí)所依賴的分段線性函數(shù)節(jié)點(diǎn)多參考國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)限值,但這一限值卻多根源于國外的流行病學(xué)研究成果.由于AQHI直接采用了時(shí)間序列研究結(jié)果,能敏感地反映每日空氣質(zhì)量短期波動所導(dǎo)致的急性健康效應(yīng).與此相反,計(jì)算API/AQI時(shí)所參考的日均值標(biāo)準(zhǔn)限值,多依賴于年均值和日均值統(tǒng)計(jì)學(xué)對應(yīng)關(guān)系,而年均值標(biāo)準(zhǔn)的制定則主要來源于美國長達(dá)十?dāng)?shù)年的隊(duì)列研究成果[17]. AQHI能較全面地反映空氣質(zhì)量及其對健康的影響.API/AQI僅以幾個(gè)污染物中分指數(shù)最大者反映當(dāng)天的空氣質(zhì)量,難以反映空氣質(zhì)量的整體狀況及其對健康影響的全貌. AQHI能反映空氣污染和健康效應(yīng)之間近乎公認(rèn)的線性無閾值關(guān)系,即理論上任何濃度的空氣污染均能導(dǎo)致健康威脅.從本質(zhì)上講,API/AQI由于采納了分段線性函數(shù),認(rèn)為當(dāng)?shù)陀谀骋粩?shù)值時(shí)(如 50),不存在空氣污染,亦無健康危害.實(shí)際上,已有為數(shù)不少的流行病學(xué)研究仍然在非常低的濃度水平下發(fā)現(xiàn)了空氣污染的健康危害[17].為進(jìn)一步檢驗(yàn)和比較AQHI預(yù)測居民健康效應(yīng)的能力,將AQHI、API、AQI分別納入時(shí)間序列模型.結(jié)果發(fā)現(xiàn),AQHI預(yù)測居民總死亡率、心血管疾病死亡率和呼吸系統(tǒng)疾病死亡率的能力均強(qiáng)于 API和 AQI.因此,AQHI可能是一種優(yōu)質(zhì)的健康風(fēng)險(xiǎn)交流工具.

3.3 局限性探討和前景展望

AQHI目前僅在加拿大得到了正式推廣.本文構(gòu)建的AQHI可能存在以下5點(diǎn)局限性.時(shí)間序列分析在本質(zhì)上屬于生態(tài)學(xué)研究,因此其結(jié)果受到潛在的“生態(tài)學(xué)謬誤”的影響.本研究僅以 16個(gè)城市為基礎(chǔ)試圖構(gòu)建全國水平的 AQHI,尚不能完全反映我國大氣污染與居民健康效應(yīng)的特征.雖然死亡是最穩(wěn)定、最可靠的健康結(jié)局,AQHI仍未能全部反映大氣污染的健康危害.近年來研究提示PM2.5和O3可能具有獨(dú)立的健康危害,但在研究期間我國尚未開展系統(tǒng)性的監(jiān)測,因而本文構(gòu)建的 AQHI僅是一種初步的嘗試.大氣中各個(gè)污染物之間存在著復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系,盡管有流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)PM10和NO2的健康效應(yīng)估計(jì)相對穩(wěn)健,但它們的健康效應(yīng)是否存在部分重疊尚未可知.

盡管如此,本文建立的 AQHI仍擁有較好的應(yīng)用前景.由于 AQHI與健康的關(guān)系為線性無閾值的,可將 AQHI的數(shù)值區(qū)間平均分為 4個(gè)級別:0～3 為“低健康風(fēng)險(xiǎn)”; 4～6 為“中健康風(fēng)險(xiǎn)”;7～10為“高健康風(fēng)險(xiǎn)”;10以上為“極高健康風(fēng)險(xiǎn)”.AQHI在 10以上表示該天的空氣污染相關(guān)健康風(fēng)險(xiǎn)超過了本研究期間最大日風(fēng)險(xiǎn)的加權(quán)平均值(即使日死亡率升高 16.4%).一般人群和敏感人群可根據(jù)自身狀況,采取必要的措施,防范大氣污染的健康威脅.為建立在全國水平上有充分代表性的 AQHI,未來可在更多的代表性城市開展大氣污染流行病學(xué)研究.強(qiáng)化數(shù)據(jù)質(zhì)控,通過嚴(yán)格設(shè)計(jì)的流行病學(xué)方法,以期獲得更準(zhǔn)確、更具代表性的大氣污染與我國居民的暴露反應(yīng)關(guān)系.考慮到發(fā)病是更常見的健康結(jié)局,將來可基于大氣污染與醫(yī)院每日急診量的定量關(guān)系來建立 AQHI.自《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)[18]公布后,我國有越來越多的城市開始常規(guī)監(jiān)測PM2.5、O3和CO.等數(shù)據(jù)累積到一定的年限后,可考慮基于這些污染物來完善AQHI.

4 結(jié)論

4.1 基于我國 16個(gè)城市的大氣污染和居民總死亡率的流行病學(xué)研究成果,本研究在全國水平初步建立了AQHI.

4.2 AQHI預(yù)測居民每日總死亡率、心血管疾病死亡率和呼吸系統(tǒng)疾病死亡率的強(qiáng)度和精確度優(yōu)于現(xiàn)行的API和AQI.未來納入各城市PM2.5和O3信息后,具有良好的應(yīng)用前景.

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