徐 健,李 莉*,安靜宇,黃 成,陳勇航,李小敏,李天威
(1.國家環境保護城市大氣復合污染成因與防治重點實驗室,上海 200233;2.上海市環境科學研究院,上海 200233;3.東華大學環境科學與工程學院,上海 201620;4. 中國環境科學研究院,北京 100012;5. 環境保護部環境工程評估中心,北京 100012)
隨著生態文明建設的深入推進,綠色、循環、低碳發展正在成為我國經濟發展方式轉變的主旋律[1],涵蓋了產業[2]、交通[3,4]、社會建設[5]的各個方面。世界經濟發展歷程表明,單個城市的經濟增長對其周邊區域甚至國家的經濟發展已很難起到強大的支撐作用,區域增長極群正逐漸取代單個城市而成為新的區域經濟增長引擎[6]。其中,我國東部地區京津冀、長三角和珠三角城市群是我國經濟發展水平最高、城市化進程最快、發展基礎最好、創新驅動能力最強和最具國際競爭力的區域,已經成為提升我國綜合實力、帶動全國經濟發展的重要引擎。“一帶一路”、京津冀協同發展、長江經濟帶三大國家戰略的提出與實施,既是三大區域不可多得的機遇,也對三大區域的可持續發展提出了新的要求[7-9]。同時,京津冀、長三角、珠三角也是我國經濟發展與環境保護矛盾最突出的地區,伴隨著經濟社會的高速發展,區域環境空氣污染日益凸顯,已經成為制約經濟環境協調可持續發展的瓶頸。在經濟發展新常態下,如何深化結構調整、把握經濟與環境的發展方向成為三大區域將要面臨和解決的重要問題[10-13]。本文系統分析了京津冀(含北京、天津、河北)、長三角(含江蘇、浙江、安徽、上海)、珠三角(含廣東省)三大區域經濟、產業、能源、交通的結構性特征及其對空氣污染的影響,對三大區域的異同點開展了對比分析,以期為深入研究三大區域的結構性污染問題進而提出相關結構調整對策建議提供數據支撐。
本文分析了三大區域2010年和2015年的三次產業結構變化情況,見圖1。2010年,京津冀三次產業結構占比為6.5∶43.2∶50.4,已經呈現“三二一”格局,同期,長三角和珠三角的產業結構仍以第二產業為主,占比約為50%。隨著產業結構在轉型升級中取得積極進展,第三產業迅速發展,2015年三大區域整體上均已形成“三二一”的經濟格局,京津冀、長三角、珠三角的第三產業占GDP的比重分別達到56.1%、50.6%和50.6%,相較于2010年分別提高了5.8、6.7和5.2個百分點,逐步成為拉動經濟增長的重要支撐,第二產業占比則有所下降,呈現出明顯的后工業化特征。

圖1 三大區域2010年和2015年的產業結構比較
2015年三大區域內各省市三次產業結構分布見圖2。三大區域各省市中,河北和安徽仍呈現明顯的以第二產業為主的經濟結構,第二產業占比分別為48.3%和49.7%,并且兩省第一產業占比均在11%以上,遠高于三大區域其他省市,表明河北和安徽仍是工業大省和農業大省;其他省市第三產業占GDP的比重均已高于第二產業。其中,天津、江蘇、浙江和廣東第三產業占比在49%~52%,北京和上海兩市第三產業占比則分別達到了79.7%和67.8%,后工業化階段特征明顯。
根據產業結構情況,三大區域各省市目前的經濟結構狀態大致可分為三種:一是第三產業顯著占優,代表省份為北京和上海;二是第二產業和第三產業齊頭并進,代表省份為天津、江蘇、浙江和廣東;三是以第二產業為支柱、第一產業占比仍相對較高,代表省份為河北和安徽。與此同時,河北、安徽也是三大區域中空氣污染最為突出的地區,偏重的產業結構給兩地空氣污染治理帶來巨大壓力。

圖2 2015年三大區域各省市產業結構
比較2010年和2015年三大區域的輕、重工業結構,如圖3所示。三大區域工業結構偏重,其中京津冀重工業占比最高,長三角次之,珠三角最低。2015年京津冀、長三角、珠三角重工業在工業中的占比分別為78%、69%和62%。重工業占比與空氣污染程度具有一致性,呈現京津冀重于長三角、長三角重于珠三角的階梯態勢,表明重工業是造成空氣污染的主要內在結構性污染因素之一[14]。
本文根據2015年各行業的產值資料,統計得到三大區域及區域內各省市的行業結構,見圖4。統計結果顯示,2015年京津冀、長三角、珠三角的工業總產值中,裝備制造業比重均最高,分別為29.1%、40.4%和46.0%。此外,京津冀第二大行業和第三大行業分別為鋼鐵和化工,2015年兩大行業在京津冀地區工業總產值中占比分別為16.0%和9.4%。長三角第二大行業和第三大行業分別為化工和紡織服裝,2015年在區域工業總產值中占比分別為16.2%和7.9%。珠三角第二大行業為化工,其占工業總產值比重為10.3%;此外,電力、紡織和食品加工各有5%的貢獻。
從2015年三大區域各省市在主要行業中的產值占比(圖5)可以看出,鋼鐵行業集中在河北和江蘇,兩省鋼鐵行業產值在三大區域鋼鐵行業總產值中的占比分別為32.1%和29.4%;化工、有色、紡織服裝等傳統行業中,長三角所占份額在三大區域中均達到50%以上,其中化工、紡織服裝占比更是分別達到68.6%和70.7%,而在省級層面上又以江蘇的貢獻最為突出;建材行業以長三角和珠三角為主;三大區域石化行業產值中,各省市所占的比例則在4.1%~20.6%。
綜上可知,三大區域工業結構不盡相同。除裝備制造業外,京津冀以鋼鐵、化工為主,長三角以化工、紡織為主,珠三角則以化工為主。其中,鋼鐵行業幾乎每個環節都會產生污染物,既是一次細顆粒物的排放源,也是細顆粒物污染的主要前體物SO2和NOx的來源[15];而化工和紡織行業則是O3的前體物VOCs的主要來源[16,17]。這也是京津冀和長三角空氣污染比珠三角嚴重的主要因素之一。

圖3 三大區域各省市重工業產值占比

圖5 2015年三大區域各省市主要行業產值占比
2015年京津冀、長三角、珠三角能源消費總量分別為4.45億噸、7.36億噸和3.01億噸標準煤,其中煤炭和石油消費總量占比分別為84.6%、80.5%和69.6%,三大區域對化石能源的依賴程度仍然較高,但呈現自北向南遞減的態勢。結合各省市的土地面積可知,三大區域從北向南單位土地面積能源消費量分別為0.21萬、0.21萬和0.17萬噸標準煤/km2,可見在能源消費密度上珠三角要低于京津冀和長三角。煤炭在能源消費總量中的比重分別為京津冀68.6%、長三角60.1%、珠三角42.3%,同樣呈現自北向南遞減的態勢;石油消費量占比為京津冀16.0%、長三角20.4%、珠三角27.3%;天然氣消費量占比為京津冀8.6%、長三角6.4%、珠三角6.4%。化石燃料直接燃燒或伴隨化石燃料使用的重點行業排放的SO2、NOx和煙粉塵是造成空氣污染的直接原因[18]。
在省級層面,北京、上海、廣東煤炭消費占比均在50%以下,分別為13.7%、36.0%和42.3%。河北、安徽和江蘇的煤炭比重在三大區域中處于高位,2015年三省煤炭消費占比分別達到86.5%、76.5%和67.5%。可見,龐大的煤炭消費量給河北、安徽和江蘇空氣質量的持續改善造成了巨大壓力。石油為能源消費的第二大能源品種,在北京、上海、廣東和天津的消費占比為27%~36%,在江浙皖的能源消費中占比為15%~22%,在河北則僅為8.0%。天然氣消費目前仍處于發展階段,三大區域中除北京的天然氣消費占比達到29%,其他省市占比均在10%及以下。
2015年三大區域各省市按品種分的能源消費結構見圖6。
各地區能源消費占比如圖7所示。由圖可見,工業仍是能源消費的主體。2015年京津冀、長三角和珠三角工業能源消費量分別占到了能源消費總量的66.6%、68.9%和60.8%。此外,生活領域能耗在三大區域的能源消費總量中占比分別為13.4%、10.1%和14.5%,交通運輸能源消費占比則分別為6.5%、9.4%和10.4%。對比分析可見,工業能耗比重呈現京津冀、長三角大于珠三角的態勢,而生活、交通能耗呈現珠三角大于京津冀和長三角的態勢,表明在能源的利用方式上,珠三角要優于京津冀和長三角。

圖6 2015年三大區域各省市按品種分的能源消費結構
在省級層面,北京工業能耗占比已經極低,僅為26.0%,第三產業和生活能耗為能源消費的主要部門。此外,上海的工業能耗占比為51.5%,第三產業能耗占比逐步增高,能源消費結構逐步優化。其他省市的工業能耗占比均高于60%。
2000—2015年三大區域貨運量和貨物周轉量的變化趨勢如圖8所示。2015年,京津冀、長三角和珠三角公路貨運量分別占到了貨運總量的84.5%、60.6%和76.0%,以柴油為主的公路運輸仍在交通運輸體系中占據主導地位。其他運輸方式中,京津冀的鐵路運輸能力增長較快,2015年貨運量和貨物周轉量占比分別為10.1%和27.7%;長三角和珠三角的水路運輸迅速增長,2015年貨運量占比分別為37.0%和21.2%,貨物周轉量占比則高達79.4%和74.8%。柴油貨車作為公路運輸的主要工具,同時也是NOx的重要排放源之一[19,20],與水運和鐵路相比具有運量小、速度慢、污染高、管理難等多個缺點,應逐步將貨運從公路轉為水運和鐵路運輸。從三大區域貨運方式的歷年變化情況來看,長三角和珠三角的水運依托優越的地理位置得以迅速發展,京津冀則以其密集的鐵路網逐步將貨運由公路轉向鐵路,運輸方式趨于合理。

圖7 2015年三大區域分部門能源消費構成
2000—2015年三大區域客運量和旅客周轉量的變化趨勢見圖9。公路、鐵路、水運、民航四種運輸方式中,三大區域公路運輸的客運量占比均在80%以上。隨著鐵路系統的日益完善,三大區域鐵路客運量也顯著增加,2015年占比均在13%左右。結合里程數來看,民航和鐵路旅客周轉量占比逐年提高,截至2015年,京津冀、長三角和珠三角民航旅客周轉量占比已經分別達到49%、29%和42%,鐵路占比則分別達到37%、34%和17%。盡管三大區域在客運量上公路運輸仍占據絕對優勢,但旅客周轉量上的發展趨勢不盡相同:京津冀的鐵路和民航逐步取代公路成為主要的客運方式,長三角從以公路為主、鐵路為輔逐漸演變成公路、鐵路、民航共同發展,珠三角則是從以公路為主逐漸演變為以公路和民航為主。
根據國家統計局歷年統計數據[21],2000年以來三大區域民用汽車保有量和汽柴油消費量變化趨勢如圖10所示。2015年京津冀、長三角和珠三角的民用汽車保有量分別為1 882萬、3 142萬和1 471萬輛,是2000年的7.3倍、13.6倍和8.5倍,占全國民用汽車保有量的比重分別為11.6%、19.3%和9.0%,同時,汽車保有量增速分別為8%、13%和10%。可以看出長三角民用汽車保有量最多、增速最快。在車輛結構上,三大區域貨車保有量占比已從2000年的40%~50%降至2015年的10%左右,客車保有量占比相應增長到90%左右,這也是國家經濟發展、人們消費水平提高的一個體現。
與此同時,汽柴油消費量也迅速升高。2015年京津冀、長三角和珠三角汽柴油消費量分別是2000年的3.0倍、3.4倍和2.6倍,要低于汽車保有量的增長率,這主要得益于汽車年行駛里程數和百公里油耗的降低,以及摩托車等其他機動車的淘汰。快速上升的汽車保有量以及伴隨而來的汽柴油消費量,也帶來了更多的NOx和VOCs排放,一定程度上抵消了標準嚴化、黃標車和老舊車淘汰所帶來的環境質量改善效果,給經濟發達的城市群地區,特別是大城市的大氣環境造成巨大壓力。

圖8 2000—2015年三大區域貨運方式的變化
城市公共交通方面,根據國家統計數據[21],2000—2015年三大區域公共交通(公共汽、電車和軌道交通)營運數快速增長,見圖11。長三角2015年公共交通營運數達到了10萬輛,居三大區域之首,京津冀和珠三角均在6萬輛左右;2015年,京津冀和長三角的公共交通營運數均是2000年的2倍以上,珠三角則是2000年的3倍。從公共交通結構及運輸能力來看,軌道交通扮演著越來越重要的角色。2000年,京津冀以不到3%的軌道交通數量貢獻了公共交通中約9%的客運量,長三角和珠三角的軌道交通數量不足1%,貢獻的客運量也僅為1%~2%;截至2015年,京津冀和珠三角的軌道交通客運量占比達到32%左右,長三角為24%。
2000—2015年,我國沿海主要港口貨物吞吐量快速上升,2015年達到了78.5億噸,是2000年的6倍以上。其中,2015年五大港口群貨物吞吐量合計占比96%。而在我國五個港口群中,環渤海和長三角是貨物吞吐量最大的兩大港口群,包含有大連港、天津港、青島港、上海港、寧波-舟山港等大型港口。2015年兩大沿海港口群分別完成貨物吞吐量38.4億噸和20.5億噸,占全國沿海港口貨物吞吐量的比重分別為49%和26%。具體見圖12。
在京津冀、長三角和珠三角三大區域中,長三角是港口分布最為密集、吞吐量最大的港口群(見圖13)。區內擁有8個沿海主要港口、26個內河規模以上港口。自2000年以來,各區域港口貨物吞吐量逐年上升,尤其是長三角地區港口貨物吞吐量年增速達到10%以上;2015年三大區域由北向南港口貨物吞吐量分別達到了14.5億噸、49.1億噸和17.1億噸。而作為運輸工具的船舶目前仍以燃用柴油為主,存在柴油品質和船舶設備配置參差不齊的問題,因此導致船舶SO2和NOx排放居高不下[22]。相對而言,長三角面臨的港口船舶帶來的大氣污染問題要更為突出。

圖9 2000—2015年三大區域客運方式的變化
圖14顯示了三大區域2005—2015年常規大氣污染物SO2、NO2和PM10年均濃度的變化趨勢。盡管三大區域能源消費量和煤炭消費量持續走高,但是SO2濃度總體呈下降趨勢,2015年均低于國家空氣質量二級標準,這主要得益于我國在煤炭消費總量快速增長的過程中對SO2采取了嚴格的控制政策,包括燃煤電廠脫硫、燃煤鍋爐和窯爐清潔能源替代、農村散煤治理等。其中,2015年三大區域中珠三角SO2濃度最低,為13μg/m3;長三角各省市SO2濃度高于珠三角省而低于京津冀,為16~25μg/m3。三大區域各省市NO2濃度則差異較大。近十年來,京、津、滬三市NO2濃度一直處于高位,其中津、滬兩市近兩年趨于好轉,與其龐大的機動車保有量和使用量相關;河北省2005—2012年NO2濃度低于二級標準,2013—2015年則要高于二級標準;江浙皖和廣東省NO2濃度穩定達標,僅2013年時江、浙兩省NO2濃度略高于二級標準,而安徽從2010年開始NO2濃度逐年上升。三大區域PM10濃度呈明顯的梯度分布。僅從2013—2015年的數據來看,京津冀PM10濃度高于100μg/m3,長三角在 70~100μg/m3,三大區域中僅珠三角PM10濃度穩定達標。具體見圖14。

圖10 2000—2015年三大區域汽車保有量及汽柴油消費量的變化趨勢

圖11 2000—2015年三大區域城市公共交通營運數量及軌道交通客運量變化
根據PM2.5和臭氧監測數據的可獲得性,本文僅對2013—2015年三大區域PM2.5年均濃度和臭氧日最大8小時平均第90百分位數濃度(以下簡稱O3濃度)進行分析,見圖15。
從PM2.5濃度來看,京津冀PM2.5濃度為三大區域最高,長三角次之,珠三角最低;其中,僅珠三角PM2.5濃度在2015年低于二級標準,其他省市均存在不同程度的超標。京津冀各省市PM2.5濃度逐年下降,但距達標仍有較大差距。2015年北京PM2.5濃度為京津冀最高,達到81μg/m3,是二級標準的2.3倍,濃度最低的天津是二級標準的2倍。長三角的江蘇和浙江的PM2.5濃度呈逐年下降的趨勢,上海2014年PM2.5濃度較2013年下降明顯,2015年與2014年基本持平,三省一市2015年PM2.5濃度在47~58μg/m3,是二級標準的1.3~1.7倍。廣東省2015年PM2.5濃度為34μg/m3,首次低于二級標準。

圖12 五大港口群沿海貨物吞吐量歷年變化趨勢

圖13 2000—2015年三大區域港口貨物吞吐量變化
從O3濃度來看,2015年北京和江蘇O3濃度分別為203、167μg/m3,居三大區域各省市第一、第二位,且2013—2015年逐年上升;河北、上海和浙江O3濃度接近二級標準,但2015年與2014年相比均有不同程度的上升;天津和廣東2015年O3濃度較2014年有所下降,且已經低于二級標準;安徽2015年O3濃度為三大區域最低,為 106μg/m3。

圖14 2005—2015年三大區域常規大氣污染物濃度變化
NO2主要產生于燃煤、燃油和燃氣排放,燃煤主要來自于電廠、工業尤其是重工業的煤炭消耗,燃油主要來自于機動車使用,燃氣主要來自于工業。本文以三大區域主要城市為例初步探究機動車保有量和NO2年均濃度的關系,如圖16所示。進入21世紀后,隨著城市化進程的加快、人們生活水平的提高,各城市汽車保有量持續快速增長,而近年來隨各地發展水平的不同增速開始出現差異。北京、天津、廣州、深圳、杭州等近年來汽車保有量增速已控制在極低的水平,其他城市增速則仍然較高。從NO2的年均濃度變化趨勢來看,京津冀地區的北京、天津和石家莊市NO2濃度起伏較大,2015年與2014年相比濃度雖未達到二級標準,但均有所降低,這可能是京津冀積極調整工業結構、實施工業污染治理和交通污染治理的結果;就長三角來說,雖然近年來江蘇和浙江NO2濃度均低于二級標準,但經濟相對發達的蘇州、杭州、南京、寧波、無錫等城市的NO2濃度仍存在不同程度的超標,表明除汽車保有量增長的貢獻外,工業對NO2的貢獻率仍然較高;珠三角的廣州、深圳、珠海、東莞四個城市的NO2濃度則逐年降低,且深圳、珠海、東莞三市的NO2濃度低于二級標準,結合前述分析,珠三角重工業占比為62%,煤品和油品消費占比合計為70%,均低于京津冀和長三角的水平,表明珠三角較為合理的工業結構和能源消費結構有效抑制了NO2濃度的增長。
為識別PM2.5的來源,2014年環保部要求長三角、京津冀、珠三角的重點城市開展PM2.5源解析工作,并且將在全國各省會城市陸續開展PM2.5源解析工作。目前,三大區域中已有部分城市的環保局公布了PM2.5源解析結果[23-32]如圖17所示。在北京、上海、杭州、深圳、廣州等城市,流動源(含機動車、船舶、飛機等)尤其是機動車已成為PM2.5的首要來源,占比在25%~52%,這些城市均具有汽車保有量巨大(超過200萬輛)的特點,表明應將大氣污染防治的重點放在調控機動車總量及機動車尾氣排放控制方面;而在石家莊、南京、寧波、合肥等城市,燃煤和工業生產為PM2.5污染的首要貢獻源,這些城市的鋼鐵、石化、建材等重工業較為發達,由此帶來的燃煤等能源消耗和工業排放也較為可觀,可見這些城市治理PM2.5污染的主要方向應放在調整能源消費結構、提高工業污染治理水平上。值得注意的是,石家莊、天津、杭州的PM2.5源解析結果中,揚塵源占比達到了20%以上,天津甚至達到了30%,表明這些城市仍需強化城市管理,加快整治城市揚塵。

圖15 2013—2015年三大區域PM2.5和O3濃度變化
(1)三大區域產業結構中,第二產業占比逐年降低,第三產業迅速發展,產業結構逐步優化,但區域內部經濟結構差異較大,北京和上海產業結構較優,河北和安徽仍需推進。同時,產業布局具有明顯的區域差異:重工業占比京津冀最高,長三角次之,珠三角最低;按行業來看,鋼鐵以京津冀、長三角為主,紡織、化工以長三角為主,建材則在長三角和珠三角占比較高。重工業規模大、比重高是造成京津冀和長三角大氣污染重于珠三角的內在因素之一。
(2)工業仍為主要的能源消費部門,三大區域以化石燃料為主的能源結構仍然十分突出;從能源消費品種上看,京津冀煤炭消費占比最高,其次為長三角,珠三角最低。化石燃料直接燃燒或伴隨化石燃料使用的重點行業排放的SO2、NOx和煙粉塵是造成空氣污染的直接原因。
(3)三大區域公路交通仍為主要的運輸方式。貨運上,京津冀的鐵路運輸、長三角和廣東省的水運依托各自的地理優勢得以迅速發展;客運上,民航和軌道交通發展迅速。三大區域港口貨物吞吐量持續攀升,船舶大氣污染問題凸顯,其中長三角所面臨的港口船舶大氣污染問題要更為突出。
(4)三大區域PM2.5和O3污染問題仍然嚴峻,京津冀和長三角PM2.5濃度仍然普遍超標;京津冀、長三角和珠三角地區O3濃度有所上升,空氣質量持續改善壓力仍然較大。在經濟、能源、交通結構以及空氣質量上的對比分析結果表明,三大區域在內在結構和外在空氣質量表觀上均存在顯著差異。因此,面向空氣質量持續改善,應充分考慮區域結構差異,實施分區施策和綜合管控。京津冀立足于轉和減,大力促進結構轉型和污染物減排;長三角著力于優和控,在優化產業結構和布局的同時嚴格控制新增污染;珠三角立足于提和保,立足高遠,提標引領,同時鞏固現有環境保護成果。

圖16 三大區域重點城市歷年汽車保有量和NO2濃度的變化

圖17 三大區域重點城市PM2.5源解析結果
(5)三大區域特別是京津冀和長三角,應大力推動產業結構戰略性調整,盡快改變粗獷的產業發展模式,壓減鋼鐵、化工、建材等傳統重工業規模和數量;以控制煤炭總量、提升清潔能源比重、優化煤炭消費方式為手段,加快能源結構調整;以調控大城市機動車總量、降低區域公路運輸比例、提升新能源車比重為手段,深化調整交通結構,從內在根源性因素上遏制空氣污染態勢。
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