江蘇省大氣污染物健康風險評價

段培法，孫 雪，張 璇，劉子賀，張慶池，楊 瑩

(徐州市氣象局, 江蘇 徐州 221000)

引 言

大氣污染是全球普遍面臨的城市環境問題，在我國長江三角洲、珠江三角洲和京津冀等地區尤其嚴重。大氣污染能導致一系列的生態環境效應，危害人體健康[1]。大氣污染的分布特征受多重因素的影響，其中，氣象條件是影響大氣污染物濃度變化的一個重要因素。氣象條件變化制約著污染物在大氣中的稀釋、擴散和轉移。研究表明，很多突發性的大氣污染現象與不利于污染物的擴散的氣象條件密切相關[2-4]。近年來，大氣污染愈演愈烈，嚴重威脅到人的身體健康和正常生活。大量環境流行病學研究表明，暴露人群患呼吸系統、心血管系統疾病和早死率提高等多種疾病與長期暴露于大氣污染下有密切關聯[5-7]。同時，對人體健康的負作用隨著污染物質量濃度的升高而更為顯著[8-9]。因此，大氣環境問題越來越受到政府及相關部門的關注。

環境健康風險評價是以風險度作為健康評價指標，將環境污染與人體健康聯系起來，定量描述暴露人群在被污染的環境中持續暴露時所受到危害的風險[10]。目前環境健康風險評價模型已被廣泛應用于大氣污染、水污染和土壤污染評價中。自20世紀90年代以來，美國國家環境保護局(U.S.Environmental Protection Agency, USEPA)對環境污染及其對人體健康損害所涉及的研究方法進行了總結，制定并頒布了《美國暴露參數手冊》《暴露評估指南》等相關規范。英國、澳大利亞、愛爾蘭、荷蘭等國家結合本國的實際情況制定并頒布了相應的規范手冊[11]。由于我國的暴露參數數據獲取有限，在環境健康風險評價過程中多參考國外的暴露參數[12-14]。胡子梅等學者使用健康風險評價模型研究上海市PM2.5對人體造成的健康風險評價，結果表明[15]，健康風險評價模型對于研究大氣污染對人群健康風險具有十分重要的意義。

本研究利用美國國家環境保護局非致癌物健康風險評估模型，從4個不同年齡段(<6歲，6～17歲，18～60歲，>60歲)分析江蘇省13個地級市2013至2017年不同地區、季節、年份，以及不同年齡和性別的SO2和NO2的健康風險值。

1 數據與方法

1.1 數據來源

污染物濃度數據(SO2、NO2)來自國家環境監測總站，研究時間段為2013年1月1日至2017年12月31日。污染物質量濃度數據為24 h日平均值和逐時濃度值。

1.2 研究區概況

本研究選取江蘇省13個地級市110個國控監測點，并根據《江蘇省統計年鑒(2017)》中各城市的常住人口、工業發展、城市化水平、環境保護、交通運輸、車輛保有量、生產總值和土地面積8個指標，將江蘇省分為4個不同城市類型(發達地區、重工業地區、沿海地區、內陸地區)，以探討大氣污染物對人體健康影響的空間分布差異(圖1)。

圖1 江蘇省不同區域類型分布圖

1.3 非致癌物的健康風險模型

國際癌癥研究機構和USEPA將污染物分為致癌物和非致癌物。其中作為非致癌物的SO2、NO2，通過呼吸系統進入人體的日暴露劑量，可通過公式(1)計算得到(由于不能定量地確定顆粒物中所含有機物(如多環芳烴)及其攜帶的重金屬砷和鉻等致癌性物質的具體成分和含量[16]，在此不予討論):

(1)

其中，ADD為經過呼吸道暴露污染物的劑量,C為環境中污染物質量濃度(mg/m3),IR為呼吸速率(m3/a),EF為暴露頻率(d/a),ED為持續暴露時間(a),BW為體重(kg),ATF為平均暴露時間(d)。

其所造成的健康風險值，可通過公式(2)進行計算：

Rij=(ADD×10-6)/(RfDij×70)

(2)

Rij為非致癌性污染物i暴露途徑j所引起的健康風險(1/a),10-6為非致癌性污染物i的可接受風險水平,ADD為非致癌性污染物i的日平均攝入劑量(mg/(kg·d)),RfDij為非致癌性污染物i的參考劑量(mg/(kg·d)),70為人類平均壽命。

1.4 健康風險模型參數確定

基于暴露人群年齡、體重和呼吸速率的不同(參照中國人群暴露參數手冊和國家體育總局公布的國民體質監測公報中的平均值)，相應其暴露水平和健康風險水平也不相同。因而，在本研究中，將暴露人群按照年齡分為4組，并在各年齡組中按照性別再分為2組(見表1)。

表1 適合我國居民特點的呼吸速率(平均值)[17-20]

各種污染物的健康風險需要一個衡量標準。USEPA推薦的最大可接受水平為1×10-4/a，而瑞典環境保護局、荷蘭建設和環境部推薦的最大可接受水平為1×10-6/a，由于后者更為嚴格，故本研究選取后者作為健康風險評判的依據[21]。非致癌物暴露參考計量值依據USEPA公布的數據，SO2的RfD(吸入途徑)為0.023 mg/(kg·d)，NO2的RfD(吸入途徑)為0.029 mg/(kg·d)。

2 結果與討論

2.1 健康風險的時間變化

2.1.1 健康風險的年際變化

統計結果(表2)表明，江蘇省SO2和NO2污染下的健康風險值在2013-2017年各個年齡段的暴露人群均有不同程度下降。江蘇省SO2健康風險值的年際變化趨勢為逐年遞減，NO2的健康風險變化為前4年逐年遞減，在2016-2017年急劇上升，這是因為江蘇省2017年NO2質量濃度急劇增加，導致2017年暴露人群的健康風險值相應增加。研究區域在5年的研究期間內，SO2和NO2的健康風險值均未超過國際健康組織推薦的最大可接受風險水平(1×10-6/a)。其中，在2013-2017年的變化趨勢中，江蘇省NO2污染下的健康風險逐漸高于SO2污染下的健康風險，風險值差距逐年增加，因此，相對于SO2，政府應該更加關注NO2的污染變化。

表2 2013-2017年江蘇省SO2和NO2的健康風險 10-9/a

由SO2在2013-2017年江蘇省各區域健康風險的變化趨勢(圖2)可看出，SO2的健康風險值5年間各監測站均有不同程度的降低。其中降低幅度最大的是北部重工業地區徐州市淮塔監測站，其健康風險值由2013年的8.29×10-9/a降低至2017年的2.81×10-9/a，該城市各監測點的SO2健康風險值在5年的研究期間內平均降低4.01×10-9/a。主要原因是該地區隸屬蘇北重工業地區，大氣中SO2污染的基數大，自江蘇省加強環境管控力度后，SO2質量濃度顯著降低，因而SO2污染下的健康風險值降低最多。值得注意的是，該地區健康風險值降低幅度最大僅表明其SO2污染改善情況最好，不等于其健康威脅最小。5年研究期間發現，江蘇省沿海地區的健康風險威脅最小，健康風險值低至1.84×10-9/a。

圖2 2013-2017年江蘇省SO2健康風險值變化特征

圖3所示的是NO2在2013-2017年江蘇省各區域健康風險的變化趨勢。由圖3可看出，2013-2016年NO2的健康風險值在各監測點均有不同程度的降低，2017年健康風險值升高。其中降低幅度最大的是南部發達地區的蘇州市南門監測站，其健康風險值由2013年的9.50×10-9/a降低至2017年的6.97×10-9/a，與2013年相比，健康威脅降低了27%。究其原因，該地區隸屬南部經濟發達地區，人口密集，機動車保有量位居全省之首，汽車尾氣排放量顯著高于其他地區的，大氣NO2污染的基數大。自江蘇省加強環境管控力度后，各地區積極響應政府號召，加強車輛出行管理，倡導節能減排、綠色出行，NO2質量濃度顯著降低，因而其在NO2污染下的健康風險值降低幅度最大。

圖3 2013-2017年江蘇省NO2健康風險值變化特征

研究區域各監測點在5年的研究期內，其SO2和NO2的健康風險值均未超過生態環境部提供的最大可接受水平(1×10-6/a)。

2.1.2 健康風險的年內變化

圖4展示了江蘇省SO2和NO2在連續一年的健康風險變化。NO2的健康風險威脅始終高于SO2的健康風險威脅。從變化范圍看，SO2的健康風險值浮動范圍相對較小，為1.02×10-9/a～6.13×10-9/a；NO2的健康風險值浮動范圍相對較大，為2.32×10-9/a～18.26×10-9/a。NO2健康風險值顯著高于SO2的健康風險值，二者均呈現出9月低12月高的趨勢。在研究期間內，SO2和NO2的逐日健康風險值均未超過最大可接受水平(5×10-5/a)，也未超過國際健康組織推薦的最大可接受風險水平(1×10-6/a)。

圖4 江蘇省SO2和NO2健康風險值年內變化圖

江蘇省SO2和NO2的健康風險呈現出明顯的季節分布特征。各季節健康風險水平如表3所示。青壯年人(18～60歲)SO2和NO2春季健康風險值分別約為4.26×10-9/a和5.39×10-9/a，夏季健康風險值分別約為2.94×10-9/a和3.33×10-9/a，秋季健康風險值分別約為3.20×10-9/a和4.89×10-9/a，冬季健康風險值分別約為3.88×10-9/a和6.51×10-9/a。不同年齡段人群在各季節NO2污染下的健康風險值均高于SO2污染下的健康風險值，兩者在季節上均呈現出冬春季健康威脅高，夏秋季健康威脅低的分布特點。

表3 不同季節下各年齡段SO2和NO2的健康風險值 10-9/a

圖5是江蘇省SO2和NO2污染下的健康風險值在夏季和冬季的對比。夏季研究區域各監測點的健康風險值普遍較低，冬季研究區域各監測點的健康風險值普遍較高，其中北部重工業地區冬季的SO2和NO2健康威脅都較高，這主要是北部地區冬季燃煤向大氣中排放更多的氣態污染物，導致SO2和NO2污染嚴重，對暴露人群的健康威脅相應增加。與SO2健康風險分布不同的一點是,江蘇南部的發達地區NO2的健康威脅更高，這可能是由于南部發達地區冬季人為活動較多，機動車尾氣排放對NO2的貢獻率更高，加劇了該地區NO2的污染狀況，導致該區域健康風險值較高。

圖5 冬季和夏季SO2和NO2污染下的健康風險值對比

在整個研究期間內，SO2和NO2各季節健康風險值均未超過國際健康組織推薦的最大可接受風險水平(1×10-6/a)。

2.2 健康風險的空間變化

根據非致癌物健康風險評價模型，將計算得到的江蘇省2013-2017年SO2和NO2健康風險值進行克里金插值，得到SO2和NO2健康風險的省級分布圖。在整個研究空間內，SO2和NO2的健康風險變化規律同其質量濃度變化規律一致，污染物質量濃度較高的地區，相應的SO2和NO2的健康風險值也高。另外，NO2健康風險值整體分布高于SO2的健康風險值(圖6)。江蘇省大氣污染源排放量信息分析結果表明[22]，NOx排放總量約是SO2排放總量的1.4倍。以上分析表明，NO2污染狀態下比SO2污染狀態下對暴露人群的健康危害更大。

圖6 江蘇省大氣污染物SO2和NO2質量濃度及健康風險空間分布

SO2的健康風險和質量濃度空間分布規律為北部重工業地區的>中部內陸地區的>南部發達地區的>東部沿海地區的。由于大氣中SO2來源很廣，各地區工業企業、公司均會產生，因而在整個研究區域內SO2的濃度變化幅度較小。另外，化石燃料的燃燒、有色金屬的冶煉及汽車尾氣的排放，對SO2質量濃度升高具有較高的貢獻率。江蘇北部的重工業地區，大力發展工業，向大氣中排放的氣態污染物SO2相對更多。與SO2不同，NO2的健康風險空間分布規律體現出南部發達地區的>中部內陸地區的>北部重工業地區的>東部沿海地區的。相關研究表明[23-25],大氣中NO2的來源中本地交通源約占總來源的49%，本地工業污染源約占29%。而與NO2污染來源不同，通過對SO2源的解析發現，本地工業污染源占總來源的52%，本地交通源約占18%，這也很好地解釋了SO2和NO2質量濃度和健康風險值在空間上的差異。蘇北重工業地區的重工業企業較多，工廠排放廢氣對氣態污染物SO2貢獻率較高。相關研究表明[22],該地區的車輛保有量較少，對氣態污染物NO2的貢獻率相對較低。與之相反，南部發達地區車輛保有量占全省之首，是其他地區的2.3～3.5倍，汽車尾氣排放對NO2的貢獻率更高，發達地區的NO2健康風險值也更高。

2013-2017年江蘇省SO2和NO2的健康風險值統計結果(表4)可以看出，研究區域SO2和NO2的健康風險值均未超過國際健康組織推薦的最大可接受水平(1×10-6/a)。在各年齡組中，江蘇省SO2和NO2健康風險值在北部重工業地區和南部經濟發達地區都相對較高，江蘇省應加強措施，平衡經濟發展與環境保護之間的關系，在經濟平穩發展的同時，加強城市環境綜合整治，加大大氣污染防控力度，以確保有效提高城市大氣環境質量[26]。

表4 2013-2017年江蘇省各區域SO2和NO2的健康風險 10-9/a

2.3 健康風險的性別差異

大氣污染物暴露對不同性別人群的健康風險值不同(圖7)。由圖7可看出，在小于18歲和大于60歲的健康風險值在性別差異上體現不明顯。而在18～60歲年齡段，SO2和NO2的健康風險值在性別上差異顯著。造成這一差異的主要原因是暴露參數不同，小于18歲和大于60歲的暴露人群主要是青少年、兒童及老人，此年齡段的男性和女性在呼吸速率和體重差異較小，而處于18～60歲的暴露人群主要是青壯年人，此年齡段的男性和女性在呼吸速率和體重上差異較大，暴露參數差異大，因而健康風險差異較為明顯。18～60歲年齡段的男性健康風險值高于女性的，主要是由于成年男性的呼吸速率和體重明顯高于女性的，呼吸速率與體重的比值男性的為0.303，女性的為0.270，男性暴露系數值較高。而大于60歲年齡段的女性呼吸速率與體重的比值為0.202，高于此階段的男性的0.194，因而其SO2和NO2的健康風險值高于男性的。

圖7 不同性別下大氣污染物SO2(a)和NO2(b)健康風險值的差異

2.4 健康風險的年齡差異

研究結果發現，不同年齡組中SO2和NO2污染對暴露人群的健康風險也不相同(圖8)。由圖8可看出，隨著年齡的增大，大氣污染物對暴露人群的健康影響變小，年齡越小，大氣污染導致的健康風險危害越大，且這種變化不隨時間的變化而變化，在逐日變化中始終保持這一規律。這種變化規律與不同年齡組暴露人群的體重和呼吸速率不同緊密相關。由于6歲以下年齡組的暴露人群呼吸速率小、體重輕，致使其暴露系數值高，SO2和NO2污染下的健康風險值分別達到5.26×10-9/a和6.17×10-9/a，分別是6～17、18～60和>60年齡組健康風險值的1.16、1.25和1.78倍。6～17歲和18～60年齡組的健康風險值差異較小，主要是由于這兩對年齡組的暴露人群呼吸速率與體重的比值差異很小，分別為0.302和0.303，呼吸速率增長的比率與體重增長的比率較為一致。60歲以上暴露人群的健康風險值最小，主要是隨著年齡的增長，該年齡組暴露人群的呼吸速率和體重均有不同程度的下降，其中呼吸速率下降的比率比體重的更大，導致暴露系數值較低，因而SO2和NO2污染對60歲以上暴露人群經呼吸途徑產生的健康風險值最小[27]。

圖8 不同年齡段大氣污染物SO2(a)和NO2(b)健康風險值的差異

3 總 結

本文研究了2013-2017年江蘇省SO2和NO2的健康風險，結果表明：江蘇省SO2和NO2健康風險變化具有顯著的時空分布特征，且其健康風險因暴露人群的年齡、性別而異。主要得到以下結論：

(1)江蘇省連續5年的SO2和NO2健康風險研究表明,健康風險具有顯著的時間特征。年際變化主要表現為江蘇省各地區在5年研究期的SO2和NO2健康風險值均有不同程度的降低。年內變化表現為冬春季的健康風險顯著高于夏秋季的，SO2和NO2健康風險的逐日濃度變化曲線基本相似，只是NO2增減幅度高于SO2的。

(2)江蘇省不同城市類型的SO2和NO2健康風險具有顯著的空間特征。對2013-2017年健康風險值對比發現，健康風險的空間差異表現出與污染物濃度分布一致的規律。SO2的健康風險值分布規律為北部重工業地區的>中部內陸地區的>南部發達地區的>東部沿海地區的，NO2的健康風險空間分布規律體現出南部發達地區的>中部內陸地區的>北部重工業地區的>東部沿海地區的。

(3)SO2和NO2的健康風險具有顯著的性別和年齡特征。將2013-2017年江蘇省不同性別SO2和NO2健康風險值對比發現，各污染物暴露下，男性健康風險威脅總體上高于女性的，且在不同年齡段的健康風險值不同，隨著年齡的增長，健康風險值逐漸減小。6歲以下兒童健康風險值最大，呼吸速率占體重的比值最大，對大氣環境中的污染物更為敏感。