警惕大氣污染和碳排放向西北遷移

唐貴謙 劉鈺婷 高文康 王迎紅 宋 濤,3 程萌田 王躍思*

1 中國科學院大氣物理研究所 大氣邊界層物理與大氣化學國家重點實驗室 北京 100029

2 中國科學院城市環(huán)境研究所 區(qū)域大氣環(huán)境研究卓越創(chuàng)新中心 廈門 361021

3 國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心 北京 100101

4 中國科學院大學 地球與行星科學學院 北京 100049

大氣污染物不僅危害人體健康[1,2]，還會對生態(tài)系統(tǒng)造成惡劣影響[3]。化石燃料燃燒排放污染物的同時，也會排放大量的溫室氣體，尤其是二氧化碳（CO2）。溫室氣體雖然不屬于大氣污染物，但其引發(fā)的溫室效應不僅會對當前氣候變化造成影響，其影響力甚至可持續(xù)數(shù)十年，甚至上千年[3,4]。

20 世紀以來，隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，空氣質(zhì)量出現(xiàn)惡化。2013 年 1 月，席卷大半個中國的重霾污染成為我國決心治理大氣污染的導火索[5]。為了應對大氣重污染，國務院先后印發(fā)并實施了《大氣污染防治行動計劃》（2013—2017 年）和《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》（2018—2020 年）。2017 年和 2020 年底，中國工程院分別對這 2 次清潔空氣行動計劃的實施效果進行了評估，結(jié)果證實了大氣污染治理的有效性[6]①生態(tài)環(huán)境部辦公廳. 關于《大氣污染防治行動計劃》實施情況終期考核結(jié)果的通報（環(huán)辦大氣函〔2018〕367號）. (2018-06-01)[2021-12-24]. https://www.mee.gov.cn/gkml/sthjbgw/stbgth/201806/t20180601_442262.htm. 生態(tài)環(huán)境部召開2月例行新聞發(fā)布會. (2021-02-25)[2021-12-24]. http://www.mee.gov.cn/xxgk2018/xxgk/xxgk15/202102/t20210225_ 822424.html.。2021 年 3 月，《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和 2035 年遠景目標綱要》（以下簡稱《十四五規(guī)劃》）將碳達峰、碳中和（“雙碳”）目標上升到國家發(fā)展的戰(zhàn)略高度；這一目標的落實需打破環(huán)境（大氣污染物）和氣候（溫室氣體）的界限，使得減污降碳協(xié)同增效成為未來工作的重中之重。

基于以上背景，本文詳細分析了清潔空氣行動計劃實施以來我國大氣污染物和溫室氣體的時空變化趨勢。結(jié)合《中國統(tǒng)計年鑒》[7,8]、《中國能源統(tǒng)計年鑒》[9,10]和《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》[11,12]分析了我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構調(diào)整和末端治理實施情況對大氣污染物和溫室氣體時空格局的影響，闡釋出這一演變趨勢背后出現(xiàn)的問題，并提出了初步解決方案，期望能為我國減污降碳協(xié)同增效目標的實現(xiàn)提供科學依據(jù)。

1 大氣污染和溫室氣體時空演變

我國東部平原地區(qū)人口眾多，重工業(yè)發(fā)達；中西部地區(qū)人口稀少，經(jīng)濟發(fā)展相對落后[8]。基于此，本研究以“胡煥庸線”為分界，將我國大陸分為東部地區(qū)（北京、天津、河北、黑龍江、吉林、遼寧、山東、河南、安徽、湖北、湖南、上海、江蘇、浙江、福建、廣東、廣西）和中西部地區(qū)（山西、內(nèi)蒙古、陜西、寧夏、甘肅、青海、新疆、四川、重慶、貴州、云南、西藏）。其中，中西部地區(qū)南、北產(chǎn)業(yè)結(jié)構有巨大差異：西南地區(qū)以水力發(fā)電為主，重工業(yè)較少；而西北地區(qū)以火力發(fā)電為主，重工業(yè)較多[8]。因此，將中西部地區(qū)以昆侖山—巴顏喀拉山—岷山—大巴山為界，分為西北地區(qū)（山西、內(nèi)蒙古、陜西、寧夏、甘肅、青海、新疆）和西南地區(qū)（四川、重慶、貴州、云南、西藏）。基于以上地理劃分，本研究以 2013 年和 2020 年大氣污染物②數(shù)據(jù)來自中國生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的74個重點城市觀測結(jié)果。和溫室氣體③數(shù)據(jù)來自中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡（CERN）觀測結(jié)果。數(shù)據(jù)為基礎，對 3 個區(qū)域大氣污染物和溫室氣體變化趨勢進行統(tǒng)計分析。

1.1 大氣污染物

利用我國生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的 74 個重點城市觀測結(jié)果，分析了 2013—2020 年 6 種主要污染物——粗顆粒物（PM10）、細顆粒物（PM2.5）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）的年際空間分布變化趨勢（圖1）。

圖1 2013—2020年我國東部、西北、西南地區(qū)6種主要大氣污染物濃度變化趨勢Figure 1 Annual trends of six major air pollutants in eastern, northwest, and southwest China from 2013 to 2020

結(jié)果表明，我國不同區(qū)域一次污染物（PM10、SO2和CO）和二次污染物（NO2、PM2.5和 O3）的變化趨勢有顯著差異。西北地區(qū) PM10、SO2和 CO 濃度的年均下降幅度最高，分別為 9.8 μg · m?3、5.7 μg ·m?3和 0.10 mg ·m?3；東部地區(qū) PM10、SO2和 CO 濃度的年均下降幅度居中，分別為 7.9 μg · m?3、4.3 μg · m?3和 0.07 mg · m?3；西南地區(qū) PM10、SO2和 CO 濃度的年均下降幅度最低，僅為6.8 μg · m?3、2.4 μg · m?3和 0.06 mg · m?3。西北地區(qū)典型一次污染物 PM10、SO2和 CO 濃度的年均降幅顯著大于東部和西南地區(qū)，這表明西北地區(qū)對以 SO2和 PM10為代表的一次污染物控制成效顯著。

與此形成鮮明對比的是，西北地區(qū)二次污染物的控制情況。西北地區(qū) NO2和 PM2.5濃度的年均下降幅度分別為 0.5 μg · m?3和 3.9 μg · m?3，顯著低于東部地區(qū)的 1.7 μg · m?3和 5.3 μg · m?3、西南地區(qū)的1.4 μg · m?3和 4.1 μg · m?3。

另外，西北地區(qū)另一重要二次污染物 O3濃度（8 h 滑動最大值第 90 百分位數(shù)）呈現(xiàn)顯著的升高趨勢，年均升高幅度達 6.1 μg · m?3，顯著高于東部的 2.9 μg · m?3和西南地區(qū)的 0.9 μg · m?3。這一結(jié)果表明，西北地區(qū)二次污染程度正在惡化。

1.2 溫室氣體

利用中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡在全國布設的 5 個區(qū)域（河北興隆、吉林長白山、新疆阜康、四川貢嘎山和廣東鼎湖山）背景站的蘇碼罐采樣（每周 1次）分析結(jié)果，分析了 2013—2020 年 CO2體積分數(shù)的變化趨勢。結(jié)果表明，我國東部地區(qū)的興隆、長白山和鼎湖山 CO2體積分數(shù)平均年際增長值為 2.5×10?6；西南地區(qū)的貢嘎山 CO2體積分數(shù)年際變化值稍高于東部地區(qū)，為 3.6×10?6；特別值得注意的是，西北地區(qū)的阜康 CO2體積分數(shù)年際變化值高達 5.4×10?6（圖2），顯著高于我國其他地區(qū)。這一結(jié)果表明，西北地區(qū)已經(jīng)成為全國 CO2排放的重要源區(qū)。

圖2 2013—2020年我國東部、西北和西南地區(qū)CO2體積分數(shù)變化趨勢Figure 2 Annual trends of CO2 in eastern, northwest, and southwest China from 2013 to 2020

2 成因分析

CO2和 NO2主要來自化石燃料燃燒。西北地區(qū) CO2濃度大幅升高表明化石燃料在該區(qū)域使用量增加，而 NO2濃度下降幅度較低表明該區(qū)域可能存在末端治理設施投入和運行不足的情況。以下將結(jié)合統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從產(chǎn)業(yè)結(jié)構調(diào)整、末端處理設施運行和投入情況兩個方面討論我國不同地區(qū)大氣污染物和溫室氣體濃度變化的成因。

2.1 產(chǎn)業(yè)結(jié)構調(diào)整

我國東部地區(qū)人口集中，用電負荷大，但能源資源較為匱乏。與之對應，西北地區(qū)人口稀少，用電負荷小，能源資源豐富。我國目前重要的能源分配方式之一是將西北地區(qū)的能源輸送到東部地區(qū)，用于電力生產(chǎn)或其他行業(yè)。然而，能源若在西北當?shù)厥褂脛t具有降低運輸成本和改善產(chǎn)業(yè)和能源結(jié)構兩大優(yōu)勢。因此，立足優(yōu)勢資源，因地制宜能源高效利用，成為我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構調(diào)整的重要手段。

近年來，產(chǎn)業(yè)結(jié)構調(diào)整對能源結(jié)構改變的作用體現(xiàn)得淋漓盡致。對比 2013 年，2019 年東部和西南地區(qū)能源使用量分別增加 11.7% 和12.8%。與此同時，西北地區(qū)能源使用量增長達 27.0%。詳細分析能源消費結(jié)構可以發(fā)現(xiàn)，西南地區(qū)油品和燃氣消耗大幅增加，增加幅度分別達到 31.7% 和 70.2%；西北地區(qū)燃氣消耗增加較多，達 60.6%。盡管如此，西北和西南地區(qū)的油品和燃氣用量合計占當?shù)啬茉聪M的比例不超過 5%，所以并不是這 2 個區(qū)域能源消耗增加的主要方面。因此，煤炭使用成為西北地區(qū)能源消耗增加的關鍵因子。與 2013 年相比，2019 年我國東部和西南地區(qū)煤炭使用量分別從 27.1 億噸和 4.3 億噸降低到 26.1 億噸和 3.4 億噸。但同時，西北地區(qū)煤炭使用量卻從 11.8 億噸增加到 16.6 億噸，增幅高達 40.7%（圖3）。其中，新疆、寧夏、內(nèi)蒙古、山西和陜西煤炭使用量增加最為顯著，分別增加 66.9%、60.8%、40.4%、40.1% 和 24.9%。西北地區(qū)煤炭使用量的增加決定了該區(qū)域溫室氣體的增長趨勢。

圖3 我國東部、西北和西南地區(qū)2019年相比2013年能源使用增長情況Figure 3 Growth rate of energy usage in eastern, northwest, and southwest China in 2019 compared with 2013

詳細分析我國工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量發(fā)現(xiàn)，煤炭消費主要集中在電力供應、黑色金屬冶煉及其他無機工業(yè)（如煉焦、硫酸、燒堿、純堿、化肥）產(chǎn)業(yè)上（圖4）。這些產(chǎn)業(yè)在西北地區(qū)的增量直接導致西北地區(qū)煤炭使用量的增加。與 2013 年相比，2019 年我國東部和西南地區(qū)火力發(fā)電增加 22.9% 和 ?0.9%，西北地區(qū)增幅卻高達 41.2%。西北地區(qū)向外輸出電量由 2013 年的 2 957.8 億千瓦時增加到 2019 年的 4 927.6 億千瓦時，增幅高達 66.6%。除此之外，西北地區(qū)生鐵、粗鋼、鋼材、焦炭、硫酸、燒堿、純堿和化肥產(chǎn)量亦大幅增加，增幅分別為 22.4%、31.7%、23.1%、12.5%、24.2%、42.3%、43.4% 和 25.2%。

圖4 我國東部、西北和西南地區(qū)2019年相比2013年主要工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量增長率Figure 4 Growth rate of output of industrial products in eastern, northwest, and southwest China in 2019 compared with 2013

綜上，產(chǎn)業(yè)結(jié)構的調(diào)整，特別是電力、黑色金屬冶煉及其他無機化學工業(yè)的發(fā)展，帶動了煤炭使用的大幅增加，成為西北地區(qū)大氣污染趨于嚴重和溫室氣體持續(xù)升高的主要原因。

2.2 末端治理不完善

雖然西北地區(qū)煤炭的大量使用是大氣污染惡化的主要原因，但如果末端治理設施能同步跟上并嚴格管理，西北地區(qū)大氣污染應能得到有效緩解。事實上，統(tǒng)計 2013 年和 2019 年工業(yè)廢氣處理設施裝機情況可以發(fā)現(xiàn)，與 2013 年相比，2019 年我國東部地區(qū)廢氣末端處理設施套數(shù)增加 109.5%，西南和西北地區(qū)僅增加 75.0% 和 64.3%。更糟糕的是，東部地區(qū)工業(yè)廢氣治理運行費用增加 66.1%，而西北和西南地區(qū)僅增加 48.7 和 24.9%（圖5）。這說明我國中西部地區(qū)不僅工業(yè)廢氣治理設備裝機量嚴重滯后，工業(yè)廢氣治理運行過程中的后續(xù)投入也明顯不足。

由于不同區(qū)域燃煤量有較大差異，為了區(qū)分單位煤炭工業(yè)廢氣處理能力，本研究分別計算燃煤量和工業(yè)廢氣治理設施數(shù)的比值，以及工業(yè)廢氣治理運行費用和燃煤量的比值，以獲得廢氣治理設施負荷和單位煤炭治理投入（圖5）。相比于 2013 年，2019 年東部和西南地區(qū)廢氣治理設施負荷分別從 16 000 噸/套和 17 000 噸/套下降到 7 000 噸/套和 7 000 噸/套，廢氣治理設施負荷分別下降 54.0% 和 54.8%，大氣污染物治理效率大幅提升。西北地區(qū)廢氣治理設施負荷從 31 000 噸/套下降到 27 000 噸/套，降幅僅為 14.4%。較高的廢氣治理設施負荷表明西北地區(qū)工業(yè)廢氣治理設施裝機量嚴重滯后。除此之外，東部和西南地區(qū)單位煤炭治理投入分別從 2013 年的 39.7 元/噸和 35.4 元/噸增加到 2019 年的 68.3 元/噸和 55.9 元/噸，廢氣治理投入分別增加 72.2% 和 57.8%。西北地區(qū)單位煤炭治理投入?yún)s變化較小，僅從 22.8 元/噸增加到 24.1 元/噸，增加幅度（5.7%）顯著低于東部和西南地區(qū)。這一結(jié)果也被《2020 年度鋼鐵行業(yè)環(huán)境評估報告》④2020年度鋼鐵行業(yè)環(huán)境評估報告. (2021-10-15)[2021-12-24]. http://www.chinaisa.org.cn/gxportal/xfgl/portal/content.html?articleId=9e6e 6f12a7e94bb3dd753d290957424da5e31b8e1850db8b4dfe17db7defd6ba&columnId=3683d857cc4577e4cb75f76522b7b82cda039ef70be46e e37f9385ed3198f68a.所證實。

圖5 我國東部、西北和西南地區(qū)2019年相比2013年工業(yè)廢氣治理設施變化率Figure 5 Growth rate of industrial waste gas treatment facilities in eastern, northwest, and southwest China in 2019 compared with 2013

綜上，西北地區(qū)工業(yè)廢氣治理設施裝機量嚴重滯后及后續(xù)投入的治理費用不足是導致大氣污染現(xiàn)象向西北遷移的另一重要原因。

3 對策建議

我國西北地區(qū)干旱少雨，生態(tài)環(huán)境脆弱，空氣質(zhì)量惡化和氣候變化會讓當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境雪上加霜。同時，受西風帶影響，西北地區(qū)大氣污染物和溫室氣體會向東部地區(qū)輸送，從而影響東部地區(qū)大氣環(huán)境[13]。在電力供應和重工業(yè)向西北遷移的同時，末端治理設施處理能力未能及時跟上，兩類因素共同誘發(fā)我國大氣污染和碳排放高值區(qū)從東部向西北地區(qū)遷移的趨勢。防控大氣污染和碳排放向西北遷移：政策是導向，技術是核心，管理是關鍵。為避免西北地區(qū)重蹈“先污染后治理”的覆轍，提出 2 點對策建議。

3.1 因地制宜，深化產(chǎn)業(yè)結(jié)構改革

我國西北地區(qū)在清潔能源儲量上擁有 2 個得天獨厚的優(yōu)勢：① 干旱少云，日照時間長，太陽能儲量豐富，可開發(fā)儲量占全國的 82.6%。② 溫差大，植被覆蓋少，風能儲量豐富，可開發(fā)儲量占全國 53.5%[14]。雖然西北地區(qū)清潔能源儲量豐富，但由于風能和太陽能存在天然的供能穩(wěn)定性不足，以及電力輸送和存儲技術滯后等問題，“棄風棄電”現(xiàn)象在該區(qū)域普遍存在[15]。因此，大氣污染和碳排放高值區(qū)向西北遷移并不是因為進行產(chǎn)業(yè)結(jié)構改革，恰恰是因為產(chǎn)業(yè)結(jié)構改革不到位、不智能、不徹底。

為了改善這種狀況，應以《中共中央 國務院關于新時代推進西部大開發(fā)形成新格局的指導意見》為準繩，改變“西電東送”的格局，推進高耗能產(chǎn)業(yè)向西部遷移，讓“西電”就地消納。具體可通過降低東部地區(qū)能耗指標，增加西北地區(qū)能耗指標，倒逼高耗能產(chǎn)業(yè)從東部向西北地區(qū)遷移，這將從根本上破解電力遠距離運輸和本地消納的難題，提高清潔能源利用率。這一策略不僅能推進東部地區(qū)產(chǎn)業(yè)升級、促進西北地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，還能引導重污染企業(yè)從“高耗能、高排碳”向“高耗能、低排碳”模式轉(zhuǎn)變，從而實現(xiàn)在不犧牲經(jīng)濟發(fā)展的前提下達成“雙碳”目標。

3.2 秉要執(zhí)本，推進氮氧化物和揮發(fā)性有機物減排

清潔能源的開發(fā)和使用不是一蹴而就的。在清潔能源開發(fā)的增長期，強化大氣污染物排放的末端處理能力是改善空氣質(zhì)量的唯一途徑。西北地區(qū)應充分吸取東部地區(qū)的經(jīng)驗教訓，提高規(guī)模以上行業(yè)（尤其是電力和非電工業(yè)）大氣污染物末端處理設施的裝機量，增加治理設施運行過程中的資金投入，加強末端治理設施的監(jiān)管。

大氣污染防治策略執(zhí)行多年以來，SO2和 PM2.5減排潛力逐漸被壓縮，氮氧化物和揮發(fā)性有機物是目前我國大氣污染物減排的核心物種。依據(jù)《十四五規(guī)劃》中“氮氧化物和揮發(fā)性有機物排放總量下降10%以上”的新要求，建議以黑色和有色金屬冶煉等無機工業(yè)為重點推進氮氧化物減排，以黑色和有色金屬冶煉、石油化工、油品儲運等行業(yè)為重點推進揮發(fā)性有機物減排，最終實現(xiàn)高耗能產(chǎn)業(yè)的大氣污染深度治理，促進生態(tài)環(huán)境治理的協(xié)同增效。