北京市區域城市化程度與顆粒物污染的相關性分析

莫莉，余新曉*，趙陽，孫豐賓，莫楠，夏洪磊

1. 北京林業大學水土保持學院，北京 100083；2. 中國水利水電科學研究院，北京 100048；3. 西北工業大學航海學院，陜西 西安 710129；4. 河北圓福元通工程項目管理有限公司，河北 廊坊 065000

北京市區域城市化程度與顆粒物污染的相關性分析

莫莉1，余新曉1*，趙陽2，孫豐賓1，莫楠3，夏洪磊4

1. 北京林業大學水土保持學院，北京 100083；2. 中國水利水電科學研究院，北京 100048；3. 西北工業大學航海學院，陜西 西安 710129；4. 河北圓福元通工程項目管理有限公司，河北 廊坊 065000

城市化程度的提升帶來嚴重的資源環境問題，尤其是空氣污染問題，嚴重影響了人類的健康。大氣中的PM2.5等顆粒物已經成為影響我國城市空氣質量的主要污染物?，F有研究多數是對于多年來多地區的宏觀研究，缺乏對于典型地區的具體數據報道。通過分析北京市PM2.5和PM10的質量濃度與不同城市化程度地區的相關關系，探索城市化程度對PM2.5等顆粒物濃度的影響。選取北京市7處具有代表性空氣質量監測點，于2013年7月至10月對PM2.5和PM10的質量濃度進行連續4個月的實時監測，結合《北京市區域統計年鑒》中的城市化指標數據，包括常住人口密度、地區生產總值和林木覆蓋率，對數據進行變化趨勢分析、Pearson相關分析和回歸分析。研究結論表明：由于北京市不同區域城市化程度不同導致顆粒物污染狀況不同，每個區域的PM2.5與PM10的質量濃度雖有差異但均顯著相關，PM2.5的質量濃度約占PM10的質量濃度的60%，PM2.5是PM10的主要組成成分。城市化程度與PM2.5等顆粒物濃度有明顯的關系，PM2.5等顆粒物濃度與地區生產總值和林木覆蓋率顯著相關，與地區生產總值呈正相關，與林木覆蓋率呈負相關；與常住人口密度呈正相關趨勢但并不顯著相關。其中，PM2.5的質量濃度與地區生產總值的相關系數為0.875，與林木覆蓋率的相關系數為-0.838；PM10的質量濃度與地區生產總值相關系數為0.947，與林木覆蓋率相關系數為-0.775?？傮w來看，PM2.5等顆粒物濃度隨城市化程度的提高而增加，北京市區域城市化程度與顆粒物污染情況關系明顯。我國在快速發展城市化的同時，應關注環境與經濟相協調。調整產業結構，增加植被綠化，控制污染源將有助于減少北京市大氣中顆粒物的污染程度，為我國的城市化進程提供相應的支持和保障。

PM2.5濃度；PM10濃度；城市化；人口密度；經濟；林木覆蓋率

本文通過選取北京市能夠代表低城市化發展地區、高城市化發展地區與自然狀況地區的7處大氣監測點，對PM2.5濃度和PM10濃度進行歷時四個月的連續監測，結合北京市的城市化指標，探析城市化過程與PM2.5等顆粒物濃度之間的關系，并且從以PM2.5等顆粒物濃度所代表的空氣質量問題的視角上，針對城市化過程所面臨的環境保護問題提出一定的思考和建議，從而為相關政策的制定、有關學者的進一步研究提供參考。

圖1 各監測點的分布位置Fig.1 Distribution of sampling sites

1 研究區概況

1.1 北京市概況

北京是中國的政治、經濟和文化中心，經濟發展迅速，城市化進程快。北京市位于北緯39°28′～41°02′，東經115°25′～117°30′的中緯地帶，總面積16410 km2，西部和北部有太行山、燕山環抱，中部和南部是潮白河、永定河沖積形成的大平原。氣候為典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年平均氣溫為10～12 ℃，1月-7～-4 ℃，7月25～26 ℃。多年平均降雨量600 mm。土壤屬于褐土帶。境內分布有大小河流200多條，注入渤海。地帶性植被類型是暖溫帶落葉闊葉林并間有溫性針葉林的分布。

1.2 選取監測點位概況

選取北京市7處空氣質量監測點，分別為前門、天壇、西直門北、大興、昌平、密云和密云水庫，這些監測點覆蓋了北京市的南部地區、北部地區、城區、郊區、交通樞紐區和植被綠化區，選取的監測點具有代表性。

其中，密云水庫是是首都北京最大的也是唯一的飲用水源供應地，密云水庫監測點所處地理位置機動車數量很少，無工業排放，受人為活動干擾小，綠化狀況非常良好。昌平區是北京市十個遠郊區縣之一，位于市區北部距市區33 km。密云縣位于北京市東北部，東、北、西三面群山環繞。大興區位于市區，新城北距市中心13 km。前門是北京市二環內的主要街道，為地鐵2號線沿線經過街道。天壇公園距市中心3 km，為北京市二環內主要公園。西直門北位于北京市二環的西北角處，為地鐵2號線、4號線和13號線交匯處。圖1為各個監測點的分布位置。

2 研究方法

2.1 數據來源及處理

本文中PM2.5與PM10的數據來源于北京市環境保護中心的PM2.5和PM10實時監測數據，文中所選取的7個監測點的數據均為北京市2013年7月1日至10月31日連續4個月的PM2.5和PM10濃度數據，每小時監測1次，全天24 h連續監測。反映城市社會經濟發展程度的常住人口密度、地區生產總值和林木覆蓋率數據均來源于《北京區域統計年鑒》（北京市統計局，2012）。

本文中應用SPSS18.0對數據進行Pearson相關分析和回歸分析。

2.2 點位選取

密云水庫監測點基本為無人類干擾的自然狀態，以其作為參照點，昌平縣、密云縣和大興區為發展較低、距離市中心較遠的區縣，本文中統稱為低城市化發展地區。前門、天壇和西直門北監測點所處位置為北京市主城區，本文中統稱為高城市化發展地區。通過低城市化發展地區、高城市化發展地區與自然狀況地區的比較，探索城市化程度對PM2.5等顆粒物濃度的影響。

2.3 城市化指標選取

由于城市化直接表現在人口劇集、經濟增長和地域擴張等方面，但現在學術界對于定量衡量城市化程度的方法尚且沒有定論。參考已有相關研究，本文選取常住人口密度、地區生產總值和林木覆蓋率三項作為城市發展指標。其中，常住人口密度用于反映人口的聚集程度，能夠在一定程度上反映出地區經濟的活躍程度以及市場發展規模，并能體現消費情況，能夠在一定程度上反應城市化程度。地區生產總值是傳統的城市發展指標，能夠直觀的展現出經濟發展情況，是體現城市化發展水平的重要指標。普遍認為城市林木覆蓋率與城市化之間的關系是引導城市可持續發展的必要條件，林木覆蓋率與環境狀況息息相關，越高的地區越接近自然狀態，林木覆蓋率是代表城市化進程的重要指標（Weng和Lu，2008；Zhao等，2013；鐘無涯和顏瑋，2013；

杜江和劉渝，2008；李茜等，2013；Bimonte，2002；Ben Kheder和Zugravu，2012）。這三個指標一方面能夠反映出城市社會經濟發展的狀況，另一方面也與空氣環境質量存在潛在的聯系，能夠有效發映出PM2.5等顆粒物與城市發展水平的關系。

圖2 各監測點PM2.5、PM10、PM2.5-10的平均質量濃度Fig.2 Average concentrations of PM2.5, PM10and PM2.5-10of 7 sampling sites

3 結果與分析

3.1 不同區域顆粒物污染比較

通過對監測點連續四個月的監測，所監測到的PM2.5的質量濃度和PM10的質量濃度數據既有低濃度值，也有高濃度值甚至超標值。如圖2所示，密云水庫監測點PM2.5的質量濃度平均值最低，為50.75 μg·m-3。昌平縣PM2.5的質量濃度為54.51μg·m-3，密云縣為59.14μg·m-3，大興區為68.85 μg·m-3，低城市化發展地區PM2.5的平均質量濃度為54.8 μg·m-3。天壇PM2.5的質量濃度為70.90 μg·m-3，前門為83.57 μg·m-3，西直門北為80.03 μg·m-3，高城市化發展發展地區PM2.5的質量濃度平均值分別78.17為 μg·m-3。

密云水庫監測點PM10的質量濃度平均值最低，為77.83 μg·m-3。昌平縣PM10的質量濃度為89.39 μg·m-3，密云縣為90.76 μg·m-3，大興區為98.69 μg·m-3，低城市化發展地區PM10的平均質量濃度為92.95 μg·m-3。天壇PM10的質量濃度為117.33 μg·m-3，前門為124.65 μg·m-3，西直門北為132.37 μg·m-3，高城市化發展發展地區PM10的質量濃度平均值分別為124.78 μg·m-3。

從圖2中可以看出PM2.5是PM10的主要組成部分，PM2.5/PM10的比例范圍約為60%至70%。從平均值上看，各監測點PM2.5占PM10的比例差別不大，說明北京市顆粒物污染整體情況相似，產生區別的原因可能是顆粒物污染量的差異以及不同地區的顆粒物組成和污染物來源的差異。雖然監測地點不同，但PM2.5均為PM10的主要組成成分，城市PM2.5的來源復雜，與生物燃燒、二次硫酸鹽、二次硝酸鹽、煤燃燒、工業、機動車、路面灰塵等都有關系（吳海龍等，2012），具體原因還需進一步研究。

將每小時PM2.5的質量濃度與PM10的質量濃度做回歸分析，從圖3中可以看出PM2.5的質量濃度均與PM10的質量濃度線性相關，二者回歸方程為y= 1.0141 x + 28.954，相關系數為0.9082，PM2.5的質量濃度與PM10的質量濃度顯著相關。

3.2 顆粒物污染與城市化指標的相關性分析

3.2.1 顆粒物污染與城市化指標整體關系

為定量分析PM2.5的質量濃度、PM10的質量濃度與常住人口密度、地區生產總值和林木覆蓋率的相關關系，對其進行Pearson相關檢驗，得到結果如表1所示。由表1可以看出，PM2.5的質量濃度和PM10的質量濃度無論是夏季還是秋季，均與地區生產總值和林木覆蓋率顯著相關，與地區生產總值呈正相關，與林木覆蓋率呈負相關。除夏季PM10與常住人口密度在數據上呈現了顯著相關外，其余所有PM2.5的質量濃度和PM10的質量濃度均與常住人口密度非顯著相關。

3.2.2 顆粒物污染與常住人口密度的關系

從表1的相關關系中，PM2.5的質量濃度、PM10的質量濃度與常住人口密度相關關系不明顯。從圖4中能夠體現出在常住人口密度低的低城市化發展地區，PM2.5的質量濃度、PM10的質量濃度較常住人口密度高的高城市化發展地區的濃度低。高城市化發展地區的常住人口密度、PM2.5的質量濃度和PM10的質量濃度分別是低城市化發展地區的18.79倍、128%和134%。常住人口密度是反映城市化程度的重要指標，在城市化程度高的地區往往聚集著更多的人口，人口密度的不斷擴大導致來自生活的空氣污染不斷增加，而從圖中也可看出人口多的地區空氣中PM2.5、PM10等顆粒物濃度高。雖然他們的相關關系不顯著，但是從大體趨勢上看還是基本呈正相關。

圖3 PM2.5和PM10質量濃度關系Fig.3 Relationship between PM2.5and PM10

圖4 PM2.5、PM10質量濃度和常住人口密度關系Fig.4 The relationship between PM2.5, PM10and population

圖5 PM2.5、PM10質量濃度和地區生產總值關系圖Fig.5 The relationship between PM2.5, PM10and GDP

表1 PM2.5, PM10與各指標的Pearson相關關系Table 1 Correlation coefficients between PM2.5, PM10and three indexes

3.2.3 顆粒物污染與地區生產總值的關系

由圖5可知，總體上PM2.5的質量濃度、PM10的質量濃度與地區生產總值保持一致同向的發展趨勢，即低城市化發展地區（昌平縣、密云縣、大興區）較高城市化發展地區（天壇、前門、西直門北）地區生產總值低，PM2.5的質量濃度和PM10的質量濃度平均狀況也低。由表2中可知，各監測點PM2.5的質量濃度、PM10的質量濃度與地區生產總值均顯著相關，夏季在0.05水平上PM2.5的質量濃度與地區生產總值相關值為0.761，PM10的質量濃度與地區生產總值相關值為0.782；秋季在0.01水平上PM2.5的質量濃度與地區生產總值相關值為0.923，PM10的質量濃度與地區生產總值相關值為0.921。與已有研究所得結論相同,即由PM2.5等顆粒物代表的環境質量與地區經濟狀況之間存在顯著的相關關系（李茜等，2013；Bimonte，2002；Ben Kheder和Zugravu，2012）。

高城市化發展地區的地區生產總值約為低城市化發展地區的7倍。地區生產總值高的地區城市化程度高，城市化程度高的地區往往植被綠化程度小、人口多、機動車多，機動車尾氣為PM2.5等顆粒物的主要排放源，而PM2.5的質量濃度和PM10的質量濃度均隨城市化程度的增加而增加。

3.2.4 顆粒物污染與林木覆蓋率的關系

由圖6可知，總體上PM2.5的質量濃度、PM10的質量濃度與林木覆蓋率保持一致反向的發展趨勢，即低城市化發展地區（昌平縣、密云縣、大興區）較高城市化發展地區（天壇、前門、西直門北）林木覆蓋率高，而PM2.5的質量濃度和PM10的質量濃度平均狀況低。由表4中可知各監測點PM2.5的質量濃度、PM10的質量濃度與林木覆蓋率均顯著相關，夏季在0.01水平上PM2.5的質量濃度與林木覆蓋率相關值為-0.891，在0.05水平上PM10的質量濃度與林木覆蓋率相關值為-0.824；秋季在0.05水平上PM2.5的質量濃度與林木覆蓋率相關值為-0.789，PM10的質量濃度與林木覆蓋率相關值為-0.803。高城市化發展地區的林木覆蓋率約為低城市化發展地區的49.63%?，F階段我國城市化程度高的地區往往林木覆蓋率較低，而植被正是能夠有效調節空氣質量，沉降PM2.5等顆粒物（吳海龍等，2012）。城市綠地能夠有效改善城市環境并且維持城市生態平衡，植物由于枝葉表面凹凸不平，數量多且能夠形成龐大的吸附面，能吸附、滯留空氣中的粉塵，凈化空氣（吳人韋，2000；李瀟云，2011）。在城市化程度高的地區增加城市綠地，有針對性地選擇合適樹種栽植將有利于減緩PM2.5等顆粒物的濃度。

圖6 PM2.5、PM10質量濃度和林木覆蓋率關系Fig.6 The relationship between PM2.5, PM10and forest coverage

4 結論

1）北京市PM2.5的質量濃度和PM10的質量濃度均隨城市化程度的增加而增加，高城市化發展地區的顆粒物濃度大于低城市化發展地區大于自然狀況地區。不同區域的PM2.5的質量濃度均與PM10的質量濃度顯著相關，PM2.5是PM10的主要組成成分，占PM10的質量濃度的60%左右，二者回歸方程為y= 1.0141 x + 28.954，相關系數為0.9082。

2）北京市PM2.5的質量濃度、PM10的質量濃度與城市化程度有明顯的關系。PM2.5的質量濃度和PM10的質量濃度無論是夏季還是秋季，均與地區生產總值和林木覆蓋率顯著相關。

3）顆粒物污染水平與地區生產總值呈正相關。PM2.5的質量濃度與地區生產總值的相關系數為0.875，PM10的質量濃度與地區生產總值相關系數為0.947。控制污染源的排放，調整、改變資源密集型投入與高能耗生產方式等方式會有利于降低顆粒物濃度。

4）顆粒物污染水平與林木覆蓋率呈負相關。PM2.5的質量濃度與林木覆蓋率的相關系數為-0.838，PM10的質量濃度與林木覆蓋率相關系數為-0.775。增加林木覆蓋率將有利于城市中顆粒物污染的降低。

5）顆粒物污染水平與常住人口密度非顯著相關，但仍然有正相關趨勢。

6）在城市化程度不斷提高的同時，應該注意保護環境，提高空氣質量，在人口密度大、機動車數量多、經濟發展快的城區內增加城市綠地，有針對性地選擇合適樹種栽植將有利于減緩PM2.5等顆粒物的濃度。

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Correlation analysis between urbanization and particle pollution in Beijing

MO Li1, YU Xinxiao1*, ZHAO Yang2, SUN Fengbin1, MO Nan3, XIA Honglei4
1. College of Soil and Water Conservation, Beijing Forest University, Beijing 100083, China；2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048, China; 3. School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’ an 710072, China；4. Hebei Yuanfuyuantong Engineering Project Management CO., LTD. Langfang 065000, China

Urbanization causes serious resources and environment problems especially air pollution which severely affects human health. Atmospheric particulate matters such as PM2.5are becoming to be the major atmospheric pollutant in large cities. The urbanization effect on the concentration of air particles is often stated in large scale regions but has rarely been studied in smalldistrict in detail. By analyzing the correlation between the concentrations of size-fractionated particles and varying degrees of urbanized areas, we studied the impact of urbanization to the concentrations of particulate matters such as PM2.5. Seven typical monitoring points were selected to monitor the concentrations of PM2.5and PM10in Beijing during four months continuously, from July to October, 2013. Resident population density, GDP and forest coverage were selected as urbanization indexes from Beijing Regional Statistical Yearbook. Data analysis method included the change trend analysis, the Pearson correlation analysis and the regression analysis. Due to the dissimilar degrees of urbanization in different regions of Beijing, the particulate matter pollution varies correspondingly. High PM2.5and PM10concentrations found to be closely related to each other, PM2.5was the main component of PM10. The particle concentrations were correlated to GDP and the rate of forest coverage, positively correlated with GDP, and negatively correlated with the rate of forest coverage. The particle concentrations were positively followed the developing trend of population density. The correlation coefficient of PM2.5and GDP is 0.875, and that of PM2.5and forest coverage is -0.838. The correlation coefficient of PM10and GDP is 0.947, and that of PM10and forest coverage is -0.775. Overall, the particle concentrations increase with the development of the urbanization. While the rapid development of China's urbanization, environmental and economic concerns should be coordinated. Adjusting industrial structures, increasing the green vegetation and controlling pollution sources will help reduce the pollution degree of particulate matters in Beijing and provide appropriate support and protection for China's urbanization process.

PM2.5; PM10; urbanization; population; GDP; forest coverage

X51

A

1674-5906（2014）05-0806-06

國家林業公益性行業科研專項（20130430104）

莫莉(1990年生)，女，碩士研究生，主要研究方向為水土保持、大氣環境污染控制研究。E-mail：moli.7@163.com

*通信作者：余新曉。E-mail: yuxinxiao123@126.com

2014-03-24

莫莉，余新曉，趙陽，孫豐賓，莫楠，夏洪磊. 北京市區域城市化程度與顆粒物污染的相關性分析[J]. 生態環境學報, 2014, 23(5): 806-811.

MO Li, YU Xinxiao, ZHAO Yang, SUN Fengbin, MO Nan，XIA Honglei. Correlation analysis between urbanization and particle pollution in Beijing [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(5): 806-811.

我國現階段城市中人口和工業快速聚集，城市化程度不斷提升，這帶來了嚴重的資源環境問題，尤其是空氣污染問題。在近年來快速的城市化過程中，很多城市在面臨城市規劃、生產方式的選擇等問題時，必然要考慮平衡經濟發展與環境保護的問題，需將PM2.5等顆粒物的一系列空氣質量問題考慮在內（鐘無涯和顏瑋，2013）。城市化程度對空氣質量的影響在人類健康問題上得以體現（Lin等，2001）。大氣顆粒物對人類健康的影響已經有目共睹，高濃度的氣溶膠會提高人們的死亡率、呼吸道及心血管疾病的發病率（Samara和Voutsa，2005；Gilli等，2007；Mugica等，2009）。PM2.5是大氣顆粒物的重要組成部分，而且由于PM2.5比粒徑更大的顆粒在氣象因素擾動、不同類型的大氣環流的條件下更不易受影響，因此在大氣中能夠長期停留、并能夠被遠距離輸運（Pateraki等，2012），從而對人體健康的危害更為嚴重（Leiva等，2013；Pope等，2006；Burnett等，2000）。在過去的十多年間，已有很多國內外研究學者對城市化程度與顆粒物污染二者之間的關系展開了研究，城市化與環境污染之間的關系受到多重因素影響。城市化會導致人口集聚，建筑業的加速發展和機動車的增加，這會導致空氣質量的惡化；同時城市化又會帶來產業聚集，實現治污減排的規模效應，緩解空氣污染。PM2.5等顆粒物濃度的超標與城市化過程中由人類生活帶來的影響和工業化發展帶來的空氣污染以及自然環境有較大關系（蔣洪強等，2012；Rijnders等，2001；杜雯翠和馮科，2013）?，F有研究多數是對于多年來多地區的宏觀研究，缺乏對于典型地區的研究分析。應用實測數據對典型地區的城市化程度

和顆粒物污染的相關性進行分析，能夠將問題具體化，將有利于對具體問題提出有針對性的解決方法。