黄河几字弯都市圈PM_(2...5)时空特征及影响因素分析_李建辉.pdf

生态环境学报 2023,32(4):697-705 http:/ Ecology and Environmental Sciences E-mail: 基金项目：河南省科技攻关项目（222102210092）作者简介：李建辉（1980 年生），男，副教授，硕士，主要从事资源环境与 GIS 应用研究。E-mail:*通讯作者，陈琳，教授，E-mail: 收稿日期：2023-02-02 黄河几字弯都市圈 PM2.5时空特征及影响因素分析 李建辉，党争，陈琳*黄河水利职业技术学院测绘工程学院，河南 开封 475004 摘要：黄河几字弯都市圈是黄河流域“一轴两区五极”发展动力格局的重要一极，揭示区域 PM2.5的时空特征和驱动力，对实施区域联防联控和促进环境的健康发展具有重要意义。基于 20152021 年 PM2.5污染物数据，运用地理空间分析方法分析黄河几字弯都市圈 PM2.5的时空演变特征，并借助地理探测器工具探究其时空特征的影响因素。结果表明，（1）在时间上，20152021 年黄河几字弯都市圈 PM2.5年均质量浓度整体呈下降趋势，由 48 gm3降至 27 gm3，降幅达 44%；月均质量浓度呈“U”型变化特征，1 月（61 gm3）最高，8 月（25 gm3）最低；季均质量浓度表现为冬季(55 gm3)秋季(38 gm3)春季(34 gm3)夏季(27 gm3)。（2）在空间上，20152021 年 PM2.5年均浓度整体呈高浓度区减少的空间格局，由 14 个城市缩减至 2 个城市；月均浓度空间分布差异显著，秋冬季中 11 月、12 月、1 月和 2 月的高浓度区域分布范围广，春夏季中 48月的低浓度区域分布范围大。（3）在关联上，20152021 年 PM2.5年均浓度呈显著的空间集聚分布特征，热点区逐渐收缩，缩减率超过 50%，冷点区逐渐扩散，扩大 1.6 倍，空气质量优良范围增加显著。（4）社会因素的 q 值大小为第二产业占比(0.790)城镇化率(0.699)人口密度(0.590)地区生产总值(0.566)，对 PM2.5浓度的影响程度较大，自然因素中植被指数（0.199）和年均降水量（0.127）的影响程度较小；各因子交互作用后具有双因子增强和非线性增强的协同效应，第二产业占比与其他因子交互作用力达到 90%以上。研究结果可为黄河几字弯都市圈制定针对性的 PM2.5综合治理政策提供参考。关键词：PM2.5；时空特征；影响因素；空间自相关；地理探测器；黄河几字弯都市圈 DOI:10.16258/ki.1674-5906.2023.04.007 中图分类号：X16 文献标志码：A 文章编号：1674-5906（2023）04-0697-09 引用格式：李建辉,党争,陈琳,2023.黄河几字弯都市圈 PM2.5时空特征及影响因素分析J.生态环境学报,32(4):697-705.LI Jianhui,DANG Zheng,CHEN Lin,2023.Spatial-temporal characteristics of PM2.5 and its influencing factors in the Yellow River Jiziwan metropolitan area J.Ecology and Environmental Sciences,32(4):697-705.PM2.5颗粒物是大气污染的重要组成部分，在我国工业化与城市化快速发展背景下，势必给生态环境造成严重污染，进而对公众健康造成影响（Ping et al.，2023；Ruan et al.，2023）。2013 年国务院发布大气污染防治行动计划，重点开展 PM2.5大气污染防治；2018 年国务院印发打赢蓝天保卫战三年行动计划，旨在持续改善空气质量。PM2.5的污染防治问题受到学界广泛关注，国内外学者基于PM2.5从不同主题、不同尺度、不同方法等方面开展了深入探讨，研究成果丰富。在研究主题方面，主要侧重于时空特征（齐梦溪等，2019；Tuheti et al.，2023）、影响因素（郭雯雯等，2020；Yang et al.，2023）、健康危害（Feng et al.，2016；肖捷颖等，2020）、化学构成（Cesari et al.，2016；张剑飞等，2020）、排放扩散（曹惠玲等，2022；Zhang et al.，2022）、溯源分析（石慧斌等，2021；魏小锋等，2022）等方面。研究尺度涉及全球（Yang et al.，2017；张亮林等，2021）、国家（李光勤等，2018；Shi et al.，2021）、区域（王丽丽等，2022；Wang et al.，2023）、省份（杜彦彦等，2019；Li et al.，2021）、城市群（周志衡等，2022）、单一城市（王妘涛等，2022）等。关于 PM2.5时空特征和影响因素的研究更是得到学界广泛关注，研究方法主要聚焦于探索性空间数据分析（张运林等，2021；张军等，2022）、标准差椭圆（夏晓圣等，2020；Qi et al.，2022）、空间杜宾模型（李宣等，2021；Wang et al.，2021）、地理加权回归模型（申婷等，2022；Yue et al.，2022）、地理探测器（Yan et al.，2021；赵锐等，2022）等方面。随着黄河流域生态保护和高质量发展的持续推进，黄河流域 PM2.5的相关研究成为热点，李衡等（2022）基于黄河流域 20002017 年大气 PM2.5遥感反演数据集，采用标准差椭圆及地理探测器等方法，对黄河流域 PM2.5的时空特征及驱动因素进行了深入研究；王丽丽等（2022）采用黄河流域 2019698 生态环境学报 第32卷第4期（2023年4月）年地面站点 PM2.5监测数据，运用空间自相关分析和地理探测器揭示了黄河流域 PM2.5的时空特征及影响因素；耿佳辰等（2022）对“十三五”时期黄河流域 PM2.5的时空分布规律进行了探究，并对社会经济影响因素进行了深入分析。以上研究为全面探究黄河流域 PM2.5的时空演变特征和驱动因素提供了有效参考，但现有研究主要针对全流域开展，对黄河几字弯都市圈的关注较少。黄河几字弯都市圈是黄河流域重要的经济增长极、能源富集区和生产力布局的主要载体，区域第二产业比重大，主要以能源化工、煤电等产业为主，在区域协调发展过程中，经济发展与环境保护之间的矛盾日益凸显（魏向前，2022），PM2.5污染问题严重。因此，探究近几年黄河几字弯都市圈 PM2.5时空格局演化特征，并剖析其影响因素，对实施区域联防联控、提升生态环境质量、推动环境的可持续健康发展具有重要的现实意义。鉴于此，本研究基于 20152021 年的 PM2.5浓度数据，以黄河几字弯都市圈为研究区域，综合运用时空特征分析和空间自相关分析等方法从时间和空间维度探究 PM2.5的时空演变特征，利用地理探测器工具揭示各影响因子的强弱程度及交互作用，以期为黄河几字弯都市圈 PM2.5综合治理的区域决策制定和防控措施的有效开展提供科学依据。1 材料与方法 1.1 研究区域 黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要（中共中央、国务院，2021）明确指出，要构建形成黄河流域“一轴两区五极”的发展动力格局，其中“五极”是指兰州西宁城市群、黄河几字弯都市圈、关中平原城市群、中原城市群和山东半岛城市群。在参考文献（李玲蔚等，2022；魏静宜，2022）的基础上，为避免黄河流域“五极”城市群之间城市的交叉性与重叠性，以及黄河几字弯流经区域的主体性与邻近性，本研究将黄河几字弯的范围界定为“3+15”，即3 大城市群和 15 个城市，具体包括：宁夏沿黄城市群（石嘴山、银川、吴忠和中卫 4 个城市）、呼包鄂榆城市群（巴彦淖尔、包头、呼和浩特、乌海、鄂尔多斯、榆林、延安 7 个城市）和太原城市群（朔州、忻州、太原和吕梁 4 个城市），如图 1 所示。1.2 数据来源 PM2.5浓度数据来源于空气质量在线监测分析平台（http:/ 年的月均浓度数据，计算出季均和年均数据。基于数据的可获取性和完整性，影响因素的驱动因子数据选取年份为 2020 年，其中地区生产总值等社会经济数据来源于宁夏、内蒙古、陕西和山西 4 省份的 2021 年统计年鉴，降水量等自然因素 数 据 来 源 于 国 家 气 象 科 学 数 据 中 心（http:/ 研究方法 1.3.1 时空特征分析方法 PM2.5浓度的时空演变特征需要从时间变化和空间演化两方面进行探究（李光勤等，2018）。因此，图 1 研究区位 Figure 1 Location of study area 李建辉等：黄河几字弯都市圈 PM2.5时空特征及影响因素分析 699 本研究采用 PM2.5月均、季均和年均浓度统计分析时间变化特征，利用 ArcGIS 的分级法对 PM2.5空间分布特征进行可视化分析。1.3.2 空间自相关分析 空间自相关分析用于表征黄河几字弯都市圈PM2.5的空间关联性（张运林等，2021）。本研究采用全局空间自相关（Global Morans I）指数判断PM2.5的空间关联结构模式，计算公式为：112111()()()nnijijijnnnijiijinXXXXIXX=WW（1）式中：I全局空间自相关指数；n黄河几字弯都市圈县域单元总数；Xi、Xj i、j 单元的 PM2.5浓度；X所有单元 PM2.5的平均值；Wij 空间权重矩阵；I 取值范围为1,1，I0 表示观测值分布具有正相关性，呈集聚分布模式，I0 且显著，表明 i 区域为 PM2.5高浓度集聚区，属于“热点区”；当 Z(Gi*)秋季春季夏季的特征。冬季质量浓度分别达到：太原城市群 69 gm3、宁夏沿黄城市群 53 gm3、呼包鄂榆城市群 48 gm3、几字弯都市圈 55 gm3，均超过 35 gm3，几字弯都市圈冬季为采暖期和干旱季，取暖带来燃烧物排放增多，且冬季干燥少雨，空气凝重，易使污染颗粒沉积凝滞，造成污染加重。2.2 黄河几字弯都市圈 PM2.5空间分布特征 2.2.1 PM2.5年均质量浓度空间分布特征 由图 4 可知，PM2.5年均浓度整体呈高浓度区减少，低浓度区增加的空间分布格局。2015 年 PM2.5质量浓度超过国家二级年均质量浓度限值标准 35 gm3的高浓度区多达 14 个城市，主要分布在宁夏沿黄城市群（石嘴山、银川、中卫、吴忠 4 个城市）、呼包鄂榆城市群（巴彦淖尔、包头、呼和浩特、乌海、榆林、延安 6 个城市）、太原城市群（朔州、忻州、太原、吕梁 4 个城市），低浓度区只有鄂尔多斯 1 个城市；2018 年超过国家二级年均质量浓度限值标准 35 gm3的高浓度区范围缩小显著，减少至太原城市群的忻州、太原、吕梁 3 个城市，质量浓度小于 35 gm3的低浓度区增加至 12 个城市，分布在宁夏沿黄城市群、呼包鄂榆城市群全部城市和太原城市群的朔州地区；2019 年和 2020 年高浓度区有小范围增加；2021 年 PM2.5质量浓度大于 35 gm3的范围达到最小，仅包括太原城市群的忻州、太原 2 个城市，质量浓度小于 35 gm3的低浓度区域范围达到最大，增加至 13 个城市。研究期内鄂尔多斯一直处于 PM2.5低浓度区，可能与鄂尔多斯持续推进集中供热、清洁能源替代、淘汰燃煤小锅炉等污染治理工程，实施污染物网格化监管等措施，夯实监测、监控、执法等机制有关，空气质量得以持续改善。由此可见，在人与自然和谐共生理念下，落实相关环境保护政策，建立空气质量监测机制，坚持清洁能源普及，加强生态环境建设，对于环境污染的有效治理具有显著的促进作用。2.2.2 PM2.5月均质量浓度空间分布特征 由图 5 可知，黄河几字弯都市圈 PM2.5呈明显 图 3 20152021 年 PM2.5质量浓度月变化 Figure 3 Monthly variation of PM2.5 concentration from 2015 to 2021