許 杰,劉海江,聶平靜,金自恒,翟德超,高錫章

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101

2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 資環(huán)學(xué)院,北京 100049

3 中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,北京 100012

4 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210023

建立國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)是保障國(guó)家生態(tài)安全的重要措施,國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局于2007年公開發(fā)布《國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)規(guī)劃綱要》[1],至2010年國(guó)務(wù)院發(fā)布《全國(guó)主體功能區(qū)規(guī)劃》,正式將25個(gè)限制開發(fā)區(qū)域列為國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū),為國(guó)家未來的土地和空間發(fā)展制定了規(guī)范和指導(dǎo)方針[2]。同時(shí),中央財(cái)政于2008年啟動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)轉(zhuǎn)移支付,用于對(duì)發(fā)展受限的國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的縣(市、區(qū))給予一般性轉(zhuǎn)移支付資金進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償[3],截止到2019年,國(guó)家已累計(jì)投入轉(zhuǎn)移支付資金近5200多億元[4]。評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)財(cái)政轉(zhuǎn)移支付的空氣質(zhì)量改善狀況,對(duì)國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)與重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)制度的完善具有重要意義[5—7]?？諝赓|(zhì)量是關(guān)乎人們生命健康的一項(xiàng)重要環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù),同時(shí)也是反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的一項(xiàng)敏感指標(biāo)。空氣質(zhì)量狀況及其主要污染物通常能夠反映大氣環(huán)境的健康程度,研究其動(dòng)態(tài)變化過程有利于解釋污染物擴(kuò)散的成因及規(guī)律[8—10],幫助人們更好的進(jìn)行大氣污染防治,建設(shè)更加高效的生態(tài)文明系統(tǒng),對(duì)國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的空氣質(zhì)量的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行研究,可以直接反映國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)財(cái)政轉(zhuǎn)移支付的空氣質(zhì)量改善狀況[5]。

目前的空氣質(zhì)量研究工作主要包括從單個(gè)城市的點(diǎn)狀尺度到城市群的區(qū)域尺度,再到國(guó)家尺度,對(duì)空氣質(zhì)量時(shí)空分布特征及其驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行探討[10—11]。點(diǎn)狀尺度方面,劉春蘭等人對(duì)1997—2007年北京市二氧化碳排放變化的原因及影響[12]、Kassomenos 等對(duì)歐洲3個(gè)城市顆粒物污染的變化特點(diǎn)及成因等進(jìn)行了研究[13]；在區(qū)域尺度方面,諸多學(xué)者對(duì)京津冀城市群、長(zhǎng)三角城市群等我國(guó)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)地區(qū)的細(xì)微顆粒物 PM2.5濃度的時(shí)空變化規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了研究[9,14—15],部分學(xué)者則是對(duì)京津冀地區(qū)的臭氧污染特征[16]、二氧化氮的分布差異及影響因素[17]、大氣污染物的區(qū)域傳輸過程等進(jìn)行了細(xì)致的分析[18—19]；國(guó)家尺度方面,同樣包括對(duì)如細(xì)微顆粒物 PM2.5濃度在中國(guó)的分布特征[8,10,20]、中國(guó)境內(nèi)空氣質(zhì)量指數(shù)(Air quality index, AQI)的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了等系統(tǒng)性研究[21—22]。然而,當(dāng)前針對(duì)國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)內(nèi)空氣質(zhì)量狀況的研究還相對(duì)不足,特別是從空氣質(zhì)量狀況的變化方面評(píng)估國(guó)家財(cái)政轉(zhuǎn)移支付效益的研究工作更是為數(shù)甚少。因此,本篇以國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)轉(zhuǎn)移支付縣域?yàn)樵u(píng)價(jià)對(duì)象,以空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)國(guó)家首次具體實(shí)施轉(zhuǎn)移支付制度以來,國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)空氣質(zhì)量狀況的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,致力于為生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施的有效性和國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)管理決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

2010 年,國(guó)務(wù)院初步劃定了25個(gè)限制開發(fā)區(qū)域列為國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū),包括436個(gè)縣級(jí)單位,總面積約386萬km2,占全國(guó)陸地國(guó)土面積的40.2%,將重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)分為水土保持型、防風(fēng)固沙型、水源涵養(yǎng)型和生物多樣性維護(hù)型四種類型[2]。2008年起,中央財(cái)政通過國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)轉(zhuǎn)移支付制度,對(duì)位于國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的縣(市、區(qū))給予一般性轉(zhuǎn)移支付資金,彌補(bǔ)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的損失[4]。2011年,正式開始考核時(shí),轉(zhuǎn)移支付縣域?yàn)?52個(gè),以后逐年增加,截止至2019年底,轉(zhuǎn)移支付縣域達(dá)到817個(gè),總面積約484萬km2,占全國(guó)陸域國(guó)土面積的50.4%,分布在北京、天津、河北等29個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)以及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)。

1.2 數(shù)據(jù)及評(píng)價(jià)方法

本文的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來源于2015—2019年中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的環(huán)境質(zhì)量基礎(chǔ)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),截止至2019年底,共有987個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)1425759天空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)日均值數(shù)據(jù)。主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)為二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)、臭氧(O3)、可吸入顆粒物(粒徑小于等于10μm,PM10)和細(xì)顆粒物(粒徑小于等于2.5μm,PM2.5)六項(xiàng)基本污染物。除了 O3的濃度為8小時(shí)滑動(dòng)平均值外,其余5種污染物的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均為24小時(shí)平均值。

本研究采用的空氣質(zhì)量指數(shù)評(píng)價(jià)基本方法,依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)(HJ 633—2012)》[23],通過6項(xiàng)基本污染物濃度來確定空氣質(zhì)量指數(shù)的值。根據(jù)每個(gè)污染物濃度限制,計(jì)算各污染物對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)(Individual air quality index, IAQI),方法如下：

(1)

式中,IAQIP為污染物P的 IAQI；CP為污染物P的質(zhì)量濃度值；BPHi為表1污染物限值表中對(duì)應(yīng)CP的高位值；BPLo為表1污染物限值表中對(duì)應(yīng)CP的低位值；IAQIHi為表1中BPHi對(duì)應(yīng)的IAQI；IAQILo為表1中BPLo對(duì)應(yīng)的IAQI。

表1 空氣質(zhì)量分指數(shù)及對(duì)應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度限值(HJ 633—2012)Table 1 Individual air quality index and corresponding pollutant concentration limit values (HJ 633—2012)

(1)除一氧化碳的濃度單位為 mg/m3外,其余污染物濃度單位均為 μg/m3

計(jì)算整體的空氣質(zhì)量指數(shù),則使用公式(2)：

AQI=max (IAQI1,IAQI2,IAQI3,…IAQI6)

(2)

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)技術(shù)規(guī)定》[23]按照值的大小將空氣質(zhì)量指數(shù)分為優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染和嚴(yán)重污染六個(gè)等級(jí),空氣質(zhì)量指數(shù)數(shù)值越大,空氣污染越嚴(yán)重。

2 研究結(jié)果

2.1 環(huán)境空氣質(zhì)量分析

空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果按優(yōu)、良和輕度污染等6個(gè)級(jí)別的統(tǒng)計(jì)天數(shù)占總監(jiān)測(cè)天數(shù)的比例進(jìn)行分析,分別針對(duì)所有轉(zhuǎn)移支付縣域的自動(dòng)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明(表2)：重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)轉(zhuǎn)移支付縣域2015年至2019年空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良天數(shù)的比例分別為80.58%、85.42%、87.87%、87.92%、89.23%,平均達(dá)到86.20%。其中優(yōu)級(jí)空氣天數(shù)比例提升明顯,從2015年的29.00%上升至2019年的44.41%；良級(jí)天氣數(shù)占比最高,始終維持在50%左右。嚴(yán)重污染天氣占比略微增加,沒有明顯改善。

表 2 轉(zhuǎn)移支付縣域不同空氣質(zhì)量天數(shù)占比/%Table 2 The proportion of days with different air quality in transfer payment county

重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)分布廣泛,不同類型生態(tài)功能區(qū)定位相異,環(huán)境空氣質(zhì)量差別較大。由表3可知,生物多樣性區(qū)的環(huán)境空氣質(zhì)量顯著高于重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的整體水平,每年的優(yōu)良天數(shù)占比都保持在93.00%以上,且穩(wěn)步上升；水源涵養(yǎng)區(qū)的空氣質(zhì)量逐年改善,優(yōu)良天數(shù)比例于2017年開始高于重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的平均水平87.87%,改善最為顯著；水土保持區(qū)的空氣質(zhì)量雖然逐漸改善,但優(yōu)良天數(shù)比例提升幅度較小,效果不夠明顯；防風(fēng)固沙區(qū)的優(yōu)良天數(shù)比例沒有明顯的上升趨勢(shì),2019年優(yōu)良天數(shù)比例77.84%甚至低于2015年的79.63%,環(huán)境空氣質(zhì)量最差。

表3 2015—2019年不同生態(tài)功能區(qū)優(yōu)良天數(shù)比例占比/%Table 3 The proportion of good days in different ecological function areas from 2015 to 2019

圖1 2019年國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)轉(zhuǎn)移支付縣域年均空氣質(zhì)量級(jí)別分布Fig.1 Distribution of average annual air quality level in counties under transfer payments for national key ecological function areas in 2019

環(huán)境空氣質(zhì)量水平在重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)中的空間分布也表現(xiàn)出明顯的空間聚集特征。本文根據(jù)轉(zhuǎn)移支付縣域2019年空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出每日的空氣質(zhì)量指數(shù)值,并以轉(zhuǎn)移支付縣域?yàn)閱挝磺竽昃档贸隽?019年重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)轉(zhuǎn)移支付縣域年均空氣質(zhì)量級(jí)別的分布情況(圖1)。西北、華北和中部地區(qū)的空氣質(zhì)量相對(duì)較差,特別是新疆南部的塔克拉瑪干沙漠地區(qū)的防風(fēng)固沙區(qū)和中國(guó)北部黃土高原的水土保持區(qū)有較多的轉(zhuǎn)移支付縣域環(huán)境空氣質(zhì)量污染還比較嚴(yán)重。東北、西南和東南區(qū)域的轉(zhuǎn)移支付縣域大多位于水源涵養(yǎng)區(qū)和生物多樣性區(qū),空氣質(zhì)量較好,多數(shù)縣域都維持著優(yōu)級(jí)空氣質(zhì)量級(jí)別,只有部分縣域是良類空氣。整體而言,位于西北的防風(fēng)固沙區(qū)空氣質(zhì)量最差,位于中部的水土保持區(qū)空氣質(zhì)量較差,而位于西南和東南區(qū)域的水源涵養(yǎng)區(qū)和生物多樣性區(qū)空氣質(zhì)量相對(duì)較好。

2.2 超標(biāo)污染物分析

2015—2019年,總超標(biāo)天數(shù)為138139d,其中 PM10和 PM2.5的超標(biāo)天數(shù)明顯高于其他污染物,超標(biāo)天數(shù)分別為57376d和75695d,占超標(biāo)天數(shù)比例為41.53%和54.80%；O3的超標(biāo)天數(shù)上升比較明顯,2019年達(dá)到13181d,接近于 PM10的超標(biāo)天數(shù)。轉(zhuǎn)移支付縣域的主要超標(biāo)污染物由顆粒物逐漸變?yōu)轭w粒物和臭氧,PM2.5作為污染物的占比有明顯下降趨勢(shì),從2015年的35.51%下降至2019年的23.34%；而 O3有明顯上升趨勢(shì),從2015年的20.17%上升至2019年的45.99%,較2015年的占比有了大幅提升,已經(jīng)成為生態(tài)功能區(qū)轉(zhuǎn)移支付縣域內(nèi)影響空氣質(zhì)量最主要的污染物之一。CO,NO2和 SO2三種污染物超標(biāo)頻次占比較低,且總體呈下降趨勢(shì)。

圖2顯示了2015—2019年四類生態(tài)功能區(qū)中不同污染物超標(biāo)天數(shù)占總超標(biāo)天數(shù)的比例。2015年四類生態(tài)功能區(qū)的超標(biāo)天氣中,超標(biāo)天數(shù)占比最高的兩項(xiàng)均為顆粒物,到2019年,水源涵養(yǎng)區(qū)、生物多樣性區(qū)和水土保持區(qū)超標(biāo)天數(shù)占比最高的仍是 PM2.5,但占比次高的已經(jīng)變?yōu)?O3?？梢钥吹?水源涵養(yǎng)區(qū)的 PM10超標(biāo)頻次占比在2018年略微反彈；生物多樣性區(qū)的 PM2.5超標(biāo)頻次占比不斷波動(dòng),水土保持區(qū)的 PM10和 PM2.5超標(biāo)頻次占比均在2016年有所提升。這三類生態(tài)功能區(qū)超標(biāo)污染物中,O3出現(xiàn)頻次均呈現(xiàn)不同程度的逐年提升,其中水土保持區(qū)最為明顯,由2015年占比11.44%增長(zhǎng)至2019年的43.57%。防風(fēng)固沙區(qū)超標(biāo)天數(shù)占比最高的兩項(xiàng)仍是顆粒物,且2019年防風(fēng)固沙區(qū) PM10超標(biāo)天數(shù)占比達(dá)到76.34%,遠(yuǎn)高于其他生態(tài)功能區(qū)。

圖2 2015—2019年四類生態(tài)功能區(qū)中超標(biāo)污染物出現(xiàn)頻次占比Fig.2 The proportion of occurrence frequency of standard exceeded pollutants in the four function areas from 2015 to 2019

3 結(jié)論與討論

(1)空氣質(zhì)量總體較好且不斷改善。2019年空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良天數(shù)比例為89.24%,比2019年全國(guó)城市優(yōu)良天數(shù)比例(82.0%)高出7.24%[24]?？諝赓|(zhì)量?jī)?yōu)良天數(shù)比例由2015年的80.58%升高到2019年的89.23%,優(yōu)良天數(shù)比例超過90%的縣域占比由2015年的33.77%提高到2019年的69.52%。重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)作為限制開發(fā)區(qū),修復(fù)生態(tài)和保護(hù)環(huán)境為其首要任務(wù),提供生態(tài)產(chǎn)品為其主要目標(biāo)[6,25]。轉(zhuǎn)移支付政策對(duì)2015—2019年國(guó)家重點(diǎn)功能區(qū)空氣質(zhì)量的改善有著明顯的推動(dòng)作用,同時(shí)穩(wěn)步提升了考核縣域的環(huán)境監(jiān)測(cè)能力和質(zhì)量,空氣質(zhì)量整體較好,且不斷改善。從不同生態(tài)功能區(qū)類型來看,水源涵養(yǎng)區(qū)的優(yōu)良天數(shù)占比由2015年的72.71%提高到2019年的92.09%,空氣質(zhì)量改善效果最為顯著。但嚴(yán)重污染天氣總占比略微增加,主要是由于新疆塔克拉瑪干盆地地區(qū)的大氣匯聚帶造成的部分沙塵污染區(qū),導(dǎo)致位于新疆的防風(fēng)固沙區(qū)依然存在季節(jié)性的極端天氣情況,影響了當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量狀況[26]。

(2)主要超標(biāo)污染物由顆粒物逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒物和臭氧。PM2.5為占比最高的超標(biāo)污染物,但超標(biāo)天數(shù)比例明顯降低,由63.88%下降到48.02%,與此同時(shí) O3超標(biāo)天數(shù)比例明顯上升,從23.79%逐年升高的36.94%。其中防風(fēng)固沙區(qū)的主要超標(biāo)污染物為 PM10和 PM2.5,其他三類生態(tài)功能區(qū)為 PM2.5和 O3。O3污染天數(shù)的增加與同期全國(guó)大氣環(huán)境質(zhì)量的研究結(jié)果一致,濃度呈逐年遞增的趨勢(shì),污染狀況越來越嚴(yán)重[27]。

(3)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的空氣質(zhì)量存在著顯著的空間差異,空氣污染表現(xiàn)出顯著的空間聚集特征,生物多樣性區(qū)的環(huán)境空氣質(zhì)量最好,水源涵養(yǎng)區(qū)次之,水土保持區(qū)水平稍差,防風(fēng)固沙區(qū)最差。部分原因是生態(tài)功能區(qū)的功能性定位決定了其分布的地理位置,例如防風(fēng)固沙區(qū)主要分布于西北邊疆區(qū)域,其中新疆南部的塔克拉瑪干沙漠區(qū)域沙塵天氣較為頻繁[28],PM10污染較為嚴(yán)重,極端風(fēng)沙天氣的問題未能得到較好的解決；水土保持區(qū)多分布于平原區(qū)域,人口較為稠密的城市,存在大量的煤炭燃燒和汽車尾氣排放造成的 PM2.5超標(biāo)較為嚴(yán)重,導(dǎo)致中國(guó)北部黃土高原的部分縣域也存在一定程度的空氣污染,對(duì)易感人群存在著潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)[29]；生物多樣性區(qū)一般都選擇在人跡稀少,生態(tài)系統(tǒng)較為完備的區(qū)域[30],大部分縣域都保持著優(yōu)級(jí)空氣質(zhì)量水平；水源涵養(yǎng)區(qū)則多分布域森林覆蓋率較高,具有冰川水系等區(qū)域[31—32],空氣質(zhì)量也相對(duì)較好。

(4)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)作為國(guó)家設(shè)立的限制開發(fā)區(qū)域,承擔(dān)著保障國(guó)家生態(tài)安全的重要功能[33—34]。當(dāng)前還未針對(duì)不同生態(tài)功能區(qū)類型建立科學(xué)有效的評(píng)估系統(tǒng),國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的指標(biāo)體系尚未完善,對(duì)影響重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)空氣質(zhì)量變化的主要因素的研究仍不夠充分。環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)工作為生態(tài)環(huán)境保護(hù)和污染治理提供重要數(shù)據(jù)支持,空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)為生態(tài)保護(hù)工作提供重要的決策依據(jù)[35—36],國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)分布范圍較廣,生態(tài)功能類型多樣,空氣質(zhì)量站點(diǎn)數(shù)量相對(duì)較少,仍需持續(xù)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)力度,不斷提高環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)能力。