基于探索性空間分析的中國氮氧化物排放強(qiáng)度研究

王麗瓊

泉州師范學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，福建 泉州 362000

氮氧化物NOx(NO、NO2)是構(gòu)成區(qū)域大氣復(fù)合污染的關(guān)鍵污染物，NOx不但與光化學(xué)煙霧污染有密切關(guān)系，也與酸雨污染以及溫室氣體的增加緊密相關(guān)，它對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境均具有很大的危害性。工業(yè)化和城市化過程離不開化石能源，在各種大氣污染物中，NOx排放與人類化石能源利用之間的關(guān)系最為密切，在不斷加速的工業(yè)化和城市化過程中，我國NOx排放量的增長幅度在大氣污染物中也是最快的，國家“十二五”環(huán)境保護(hù)工作重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了NOx的總量控制及減排任務(wù)。當(dāng)前國內(nèi)已有對(duì)氮氧化物排放總量及減排的時(shí)空分布特征進(jìn)行研究，如稂小洛通過NOx的排放因子，計(jì)算并分析了中國區(qū)域1980—2000年分部門行業(yè)的NOx排放情況[1]，王麗瓊采用環(huán)境學(xué)習(xí)曲線研究各省際NOx具體減排潛力及NOx排放量削減方案[2-3]。以上研究多采用經(jīng)濟(jì)計(jì)量方法分析各區(qū)域氮氧化物排放量及減排目標(biāo)，將研究單元視為相互獨(dú)立且均質(zhì)的個(gè)體，分析其在空間分布上的規(guī)律性，缺乏對(duì)研究對(duì)象空間依賴性和異質(zhì)性的探討，本文將采用空間自相關(guān)模型，探討2003—2011年區(qū)域氮氧化物排放強(qiáng)度空間格局演變，并對(duì)引起氮氧化物排放強(qiáng)度區(qū)域差異的成因進(jìn)行了探討。

1 氮氧化物排放強(qiáng)度數(shù)據(jù)來源

經(jīng)濟(jì)發(fā)展依靠能源推動(dòng)，不同燃料類型和行業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)NOx排放有顯著影響。在劃分不同燃料和行業(yè)基礎(chǔ)上，查閱2004—2012年《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》和《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒》基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[4-5]，根據(jù)不同的排放因子[1-3]，對(duì)中國各區(qū)域2003—2011年NOx排放總量及萬元產(chǎn)值NOx排放量（NOx排放強(qiáng)度）進(jìn)行了估算。

2 氮氧化物排放強(qiáng)度全局空間自相關(guān)

2.1 全局空間自相關(guān)測度

全局指標(biāo)用于探測整個(gè)區(qū)域的空間模式，以空間權(quán)重為基礎(chǔ)，使用單一數(shù)值反映該區(qū)域整體的空間相關(guān)程度，是屬性值在空間上的聚集或者分散程度。本研究采用Moran's I系數(shù)來衡量全局空間自相關(guān)性，可用公式表示：

式中，n為研究區(qū)域的空間樣本個(gè)數(shù)，xi和xj表示空間樣本單元的相應(yīng)屬性值，Wij是空間權(quán)重系數(shù)矩陣，表示空間單元的鄰近關(guān)系，采用基于共同邊界的一階Rook權(quán)重矩陣。Moran's系數(shù)值屬于［－1，1］之間，值愈接近1，表明具有相似屬性的空間單元產(chǎn)生集聚；值愈接近－1時(shí)表明具有相異屬性的空間單元產(chǎn)生集聚。如果 Moran's接近或等于0，表明空間單元屬性屬于隨機(jī)分布狀態(tài)。同時(shí)，對(duì)全局空間自相關(guān)分析的結(jié)果需進(jìn)行Z值顯著性檢驗(yàn)，根據(jù)Z值大小，在設(shè)定顯著性水平下做出接受或拒絕零假設(shè)的判斷[6-7]。

2.2 全局空間自相關(guān)分析

利用GeoDa軟件計(jì)算和繪制2003—2011年中國氮氧化物排放強(qiáng)度的空間自相關(guān)指數(shù)Moran'sⅠ值及Moran散點(diǎn)圖(圖1)，各年Moran'sⅠ值均為正，通過Z值檢驗(yàn)，均在99%的可置信水平以上，表明全國氮氧化物排放強(qiáng)度具有空間正相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)出相似值之間的空間集聚，氮氧化物排放強(qiáng)度低的省份趨于相互靠近、排放強(qiáng)度高的省份也相互靠近的空間關(guān)系結(jié)構(gòu)，2003—2011年，Moran'sⅠ值略有增長，空間集聚程度略有加大。

3 氮氧化物排放強(qiáng)度局部空間自相關(guān)

3.1 局部自相關(guān)測度

全局空間相關(guān)只說明區(qū)域間空間差異的平均程度，但整體空間中可能存在部分正的空間自相關(guān)與負(fù)的空間自相關(guān)共存，因此采用局部空間自相關(guān)測度揭示可能的空間變異性。局部指標(biāo)用于計(jì)算每一個(gè)空間單元與鄰近單元中某一屬性的相關(guān)程度，本研究采用Moran'散點(diǎn)圖和LISA分析進(jìn)一步研究要素在局部區(qū)域的集聚分散趨勢(shì)，檢驗(yàn)局部地區(qū)是否存在統(tǒng)計(jì)顯著的高值或者低值[6-7]。

3.2 氮氧化物排放強(qiáng)度Moran散點(diǎn)圖

圖1 中國主要年份(2003,2005,2007,2009,2011)氮氧化物排放強(qiáng)度 Moran 散點(diǎn)圖 Fig.1 Moran scatter plot of NOx emission intensity in China (2003, 2005, 2007, 2009, 2011)

(1)Moran散點(diǎn)圖（圖1）中的“高-高”(HH)和“低-低”(LL)象限表明氮氧化物排放強(qiáng)度的觀測值存在較強(qiáng)的空間正相關(guān)，即具有均質(zhì)性(集聚分布格局)；“高-低”(HL)關(guān)聯(lián)和“低-高”(LH)關(guān)聯(lián)表示存在較強(qiáng)的空間負(fù)相關(guān)，即表明研究時(shí)段內(nèi)氮氧化物排放強(qiáng)度存在空間異質(zhì)性(離散分布格局)，從2003、2005、2007、2009和2011這5a的Moran 散點(diǎn)圖可知，各年份中30個(gè)省份存在空間的依賴性和異質(zhì)性，4種空間結(jié)構(gòu)都存在，位于HH和LL象限的省份數(shù)多于位于HL和LH象限的省份數(shù)，氮氧化物排放強(qiáng)度水平在局部范圍內(nèi)呈現(xiàn)集中分布，集聚態(tài)勢(shì)明顯。“高-高”(HH)顯著區(qū)代表高值區(qū)域被同是高值區(qū)域所包圍的空間聯(lián)系關(guān)系，指氮氧化物排放強(qiáng)度高值集中的省份，主要分布于西北和黃河中游地區(qū)；“低-低”(LL)顯著區(qū)代表低值區(qū)域被同是低值區(qū)域所包圍的空間聯(lián)系關(guān)系，指氮氧化物排放強(qiáng)度低值集中的省份，主要分布于東南部沿海、北部沿海地區(qū)和長江中游地區(qū)；“高-低”關(guān)聯(lián)(HL)顯著區(qū)是局部高值離群點(diǎn)類型，指氮氧化物排放強(qiáng)度相對(duì)高于周圍的省份，主要分布于西南和西北部分地區(qū)；“低-高”關(guān)聯(lián)(LH)區(qū)是局部低值離群點(diǎn)類型，主要分布于西南和黃河中游部分省份。

(2)縱向比較5a可知，空間集聚效應(yīng)未發(fā)生變化的共有22個(gè)省份，占全國總量的73.33%，主要分布在沿海地區(qū)和長江中游地區(qū)，西南部分地區(qū)也有零星分布，表明省域氮氧化物排放強(qiáng)度保持原有的氮氧化物排放強(qiáng)度格局，未發(fā)生質(zhì)的改變。2003—2011年全國氮氧化物排放強(qiáng)度的“冷點(diǎn)”區(qū)(低值集聚區(qū))空間格局相對(duì)較為穩(wěn)定，均分布于東部地區(qū)(上海、江蘇和浙江)、南部地區(qū)(廣東、福建、海南)、北部地區(qū)（北京和天津)和長江中游地區(qū)（湖北、湖南、安徽和江西），這主要因?yàn)闁|南和北部沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高，技術(shù)較為先進(jìn)，在保持經(jīng)濟(jì)高速增長的同時(shí)，通過節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)等推動(dòng)產(chǎn)業(yè)耗能結(jié)構(gòu)調(diào)整，發(fā)展現(xiàn)代服務(wù)業(yè)、先進(jìn)制造業(yè)和電子加工業(yè)等產(chǎn)品附加值高、耗能少的產(chǎn)業(yè)，提高能源利用效率，使得區(qū)域氮氧化物排放強(qiáng)度的逐步下降；同時(shí)長江中游受沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)展的輻射和產(chǎn)業(yè)傳承轉(zhuǎn)移的作用，湖北、湖南、安徽和江西四省區(qū)氮氧化物排放強(qiáng)度水平也呈現(xiàn)低值集聚；氮氧化物排放強(qiáng)度的“熱點(diǎn)”區(qū)(高值集聚區(qū)) 在大西北、黃河中游和東北地區(qū)均有分布，其中西北、黃河中游的甘肅、寧夏、山西和內(nèi)蒙古以及北部地區(qū)的河北作為“熱點(diǎn)”區(qū)的穩(wěn)定度較高，這主要因?yàn)槲鞅焙忘S河中游地區(qū)由于資源稟賦因素作為我國重要的油氣和煤炭基地，經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程以重工業(yè)能源資源密集型為工業(yè)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)增長十分依賴能源和原材料的消耗，同時(shí)技術(shù)較為落后，能源利用效率低，造成了研究時(shí)段內(nèi)地區(qū)的氮氧化物排放強(qiáng)度呈現(xiàn)“熱點(diǎn)”(高值集聚)集中；2005年以后東北三省由局部低值區(qū)域轉(zhuǎn)為“熱點(diǎn)”區(qū)，東北三省自國家提出振興東北戰(zhàn)略后，重點(diǎn)發(fā)展重工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等耗能產(chǎn)業(yè)，致使吉林、遼寧等老工業(yè)基地也呈現(xiàn)“熱點(diǎn)”區(qū)分布。

3.3 氮氧化物排放強(qiáng)度LISA顯著性分析

利用GeoDa軟件，在0.05顯著性水平下，計(jì)算中國氮氧化物排放強(qiáng)度的LISA顯著性水平圖（圖2），圖中可知，5a中國氮氧化物排放強(qiáng)度的LISA水平圖有很大程度上的相似性，表現(xiàn)為氮氧化物排放強(qiáng)度的局部格局顯現(xiàn)正的全局性逐漸明顯。HH類型區(qū)占多數(shù)，在西北和黃河中游氮氧化物排放強(qiáng)度高的省區(qū)在空間上趨于聚集，而并非隨機(jī)性分布。2005年后西北的寧夏處于高值區(qū)在0.05顯著性水平下呈現(xiàn)出來，2007年后黃河中游陜西由HH類型區(qū)轉(zhuǎn)為LH類型區(qū)，由于受長江中游地區(qū)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)輻射影響，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)注重節(jié)能減排，氮氧化物排放強(qiáng)度由“熱點(diǎn)”區(qū)域轉(zhuǎn)為局部低值區(qū)域，2009年后LL類型區(qū)在空間上開始形成連片分布格局，相鄰省區(qū)顯著性逐漸明顯，排放強(qiáng)度低的省區(qū)在空間上趨于聚集，主要分布在東南沿海一帶。海南在0.05顯著性水平下一直處于低高聚集區(qū)顯著，與廣西一直受周圍的云南、貴州等氮氧化物高排放區(qū)所包圍。

4 結(jié)論

圖2 中國主要年份( 2003、2005、2007、2009、2011年)氮氧化物排放強(qiáng)度空間集聚格局 Fig.2 Spatial agglomeration pattern of NOx emission intensity in China ( 2003, 2005, 2007, 2009, 2011)

(1)全國省域之間氮氧化物排放強(qiáng)度表現(xiàn)出空間正相關(guān)性，排放強(qiáng)度相似的地區(qū)在空間上集聚分布。氮氧化物強(qiáng)度的“冷點(diǎn)” 區(qū)相對(duì)穩(wěn)定，主要分布在東南沿海和長江中游地區(qū)；“熱點(diǎn)”區(qū)分布在大西北地區(qū)、黃河中游和東北地區(qū)。區(qū)域氮氧化物排放強(qiáng)度水平的分化主要與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和能源利用效率等因素相關(guān)。

(2)利用空間自相關(guān)方法中豐富的空間分析功能和可視化功能較好地對(duì)區(qū)域氮氧化物排放強(qiáng)度的空間分布特征進(jìn)行識(shí)別和分析，從而為區(qū)域氮氧化物減排提供理論參考依據(jù)。我國NOx排放強(qiáng)度區(qū)域差異空間分析結(jié)果表明①對(duì)能源依賴程度較高的西北、黃河中游和東北地區(qū)，要注意采用效率高、低污染物排放的新型設(shè)備，以改變多數(shù)工業(yè)企業(yè)設(shè)備老化，提高能源加工轉(zhuǎn)化和利用效率，加強(qiáng)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化等降低高耗能產(chǎn)業(yè)比重，在重點(diǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式，控制燃煤消耗總量以減少NOx的排放；②對(duì)氮氧化物排放強(qiáng)度相對(duì)穩(wěn)定的長江中游和西南地區(qū)，注意節(jié)能減排，技術(shù)上加快脫氮技術(shù)的研究和應(yīng)用，加強(qiáng)電廠、工業(yè)、交通等重點(diǎn)源的NOx排放末端控制，從而減少NOX的排放。③對(duì)氮氧化物排放強(qiáng)度低的東南沿海地區(qū)側(cè)重發(fā)展現(xiàn)代服務(wù)業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，構(gòu)建循環(huán)型的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，及時(shí)進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，積極推進(jìn)可再生能源的利用。

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