英国大都市区空气质量政策情景对污染不平等的影响研究

本文评估了西米德兰兹郡PM2.5污染不平等现状，通过三种政策情景模拟发现，人口暴露减少目标（PERT）能最大程度降低区域健康风险，而单纯限值标准可能加剧环境不公平。研究为协调区域治理与健康公平提供了关键科学依据。

　　

1 引言与背景

环境空气污染被国际公认为最大的公众健康环境风险，全球每年导致约420万人过早死亡。在英格兰，空气污染每年造成约26,000-38,000例过早死亡，相当于使预期寿命缩短最多6个月。短期和长期暴露于空气污染会导致不良健康结局，并对区域和国家经济产生直接和间接成本。对健康危害最大的三种污染物是颗粒物（PM）、二氧化氮（NO₂）和臭氧（O₃），其中最一致的流行病学证据表明长期死亡率和慢性疾病发病率负担与细颗粒物（PM_2.5）暴露相关。

2021年秋季，世界卫生组织更新了其2005年全球空气质量指南（AQGs），反映了科学证据的进步，这些证据表明在更低的污染物暴露水平下也会产生不良健康影响。除了AQGs，世卫组织还提供了阶段性目标，旨在作为逐步进展的框架以支持持续的空气质量改善。需要注意的是，世卫组织的指导值反映了大规模研究中检测到健康危害的最低水平。然而，证据表明不存在安全阈值；因此，应尽可能降低PM_2.5水平。此外，世卫组织AQGs并非具有法律约束力的建议，而是旨在转化为保护人类健康的可行标准。

英国政府于2023年1月30日发布了其环境目标（细颗粒物）法规，包括法律上采纳一项长期PM_2.5年均浓度目标（低于10 μg/m³）和一项人口暴露减少目标（PERT），即到2040年在英格兰范围内实现比2018年水平减少35%。纳入暴露减少目标提供了一个机会，可以将空气质量缓解行动的重点从针对特定地点污染物浓度减少的措施转向可能惠及更广泛人口的干预措施，特别是在人口密度高的地区。

不良空气质量对健康的影响在不同地区之间分布不均，脆弱和易感人群受到的影响尤为严重。人口密度、人口统计学和受影响人群的健康地理分布都与确定人口层面的整体健康效应相关。然而，社会经济最弱势的社区通常比更富裕的人群经历更高的空气污染相关发病率和死亡率，并且可能缺乏能力或能动性来改变其生活方式或居住地点以减少暴露。同样重要的是，空气质量只是更广泛的健康决定因素之一；人们生活、工作和休闲的社会生态系统也是因素。重要的是，这些因素在很大程度上决定了英国的健康差异，据估计总共约占个体长期健康结果的80%。需要量化通过"限值"浓度目标和暴露减少方法改善空气质量所实现的健康效益，以了解哪些干预措施将带来最大的社会效益并减少空气污染不平等。因此，我们利用常规数据源，调查了实现英国空气质量目标和世卫组织指南的相对影响，并评估了减少城市大都市区居民空气污染不平等空间差异的益处。

1.1 研究区域

研究地点是西米德兰兹联合管理局（WMCA）地区，该地区由英格兰中部的七个都市地方行政区组成：伯明翰、考文垂、达德利、桑德韦尔、索利哈尔、沃尔索尔和伍尔弗汉普顿，2019年人口约290万，种族多样。WMCA有一个坚定的愿景，即在2041年前实现碳中和区域（WM2041）。对健康构成关注的主要空气污染物是二氧化氮（NO₂）和细颗粒物PM_2.5。在西米德兰兹，2019年估计有多达2,300例过早死亡可归因于PM_2.5污染，其中最高的死亡率负担发生在伯明翰和桑德韦尔。直到最近，大多数区域政策努力都集中在实现空气质量目标的合法合规性上，主要是在特定区域内道路旁NO₂超过法定限值的情况。这一重点导致了地方干预措施，例如于2021年6月引入的伯明翰清洁空气区。最近，在2023年，WMCA通过了空气质量框架，旨在"减少绝对和不成比例的暴露于不良空气质量的情况，让每个人呼吸到更好的空气并改善健康结局"。重要的是，该框架更加关注解决PM_2.5污染问题，因为该污染物的政策关注度提高且对健康有不利影响。此外，该框架还审查了在现有空气污染相关疾病负担最重的人群中减少PM_2.5暴露的行动。

2 数据来源

2.1 空气质量数据

空气质量数据来自英国环境、食品和农村事务部的背景空气质量PM_2.5浓度地图（2019年）。这包括分配给西米德兰兹地区1公里 x 1公里网格的2019年估计年均PM_2.5浓度平均值。这些网格数据在地理信息系统内使用普通克里金法进行插值，以生成整个米德兰兹地区的PM_2.5地图。然后，在WMCA区域内的选区、地方行政区和区域层面提取这些插值数据，提供每个选区、地方行政区和整个WMCA的平均值。使用Defra背景空气质量数据是为了便于在全英国范围内复制。

2.2 人口统计和社会经济剥夺数据

所有192个WMCA选区的人口年龄结构和多重剥夺指数（IMD）数据分别来自英国国家统计局和住房、社区与地方政府部（2019年）。人口数据如下表2所示，值得注意的是，WMCA的人口平均年龄低于英格兰全国平均水平。IMD是英格兰地区相对剥夺的官方综合衡量标准，将地区从最贫困排名到最不贫困。它是使用七个加权领域计算的：收入剥夺；就业剥夺；教育、技能和培训剥夺；健康剥夺和残疾；犯罪；住房和服务障碍；以及生活环境剥夺。选区根据IMD分数被分为十分位数。需要注意的是，这些十分位数是针对WMCA特定的，而不是针对总人口。

2.3 人口PM_2.5暴露估算

为了估算选区层面的PM_2.5暴露，我们计算了人口加权暴露水平（PWEL），该指标同时考虑了地理区域内的人口及其暴露的PM_2.5浓度。该方法用于产生特定区域的人口加权平均浓度。计算PWEL时，将一个区域（例如，低层超级输出区、选区或地方行政区）的人口乘以其平均PM_2.5值，然后除以更广泛区域（例如，郡或地区）的总人口。在本研究中，PWEL应用于WMCA地区（总人口）的选区层面。

2.4 空气质量情景

研究了三种空气质量政策情景，以确定WMCA地区年平均PM_2.5浓度（在选区层面）的变化将如何影响人口空气污染暴露，并与2019年水平进行比较：

情景A："限值"：达到10 μg/m³的目标。

情景B："PERT"：与2019年相比，PM_2.5浓度的人口暴露减少35%。

情景C："WHO"：在所有选区实现世卫组织PM_2.5的AQGs（5 μg/m³）。

选择这些情景是因为它们与英国现有的PM_2.5目标和健康指南最相关，因此反映了当前空气质量政策努力的重点。该分析旨在量化如果实施此类PM_2.5水平变化将实现的效益。在本研究中，我们未检验相关政策的可行性或实施机制。

2.5 数据链接与统计分析

所有制图、情景和数据分析均使用Esri ArcMap和R Studio进行，数据链接使用选区代码数据进行。

3 结果

3.1 区域空气质量

在接下来的讨论中，PM_2.5浓度指的是上述选区级年平均估计值。实际浓度随每个选区内的具体位置而变化，有些区域浓度较高，有些较低。2019年，WMCA地区的整体年平均PM_2.5浓度为9.7 μg/m³，范围从8.0到11.2 μg/m³。各选区之间存在差异，最高为考文垂Foleshill的12.2 μg/m³，最低为伍尔弗汉普顿Tettenhall的7.7 μg/m³。在WMCA地区所有192个选区中，有72个（37.5%）在2019年超过了年平均PM_2.5浓度10 μg/m³（限值/世卫组织AGQ阶段性目标4）。这些选区包含1,197,119人，占WMCA总人口的40.9%。PM_2.5浓度最高的选区位于伯明翰市中心、桑德韦尔、沃尔索尔中南部和考文垂的地方行政区区域。伍尔弗汉普顿是WMCA内唯一一个没有选区平均PM_2.5浓度超过10 μg/m³的地方行政区。研究区域的所有选区在2019年都超过了世卫组织PM_2.5的AQGs（5 μg/m³）。表3显示了WMCA范围内每个IMD十分位数中超过10 μg/m³的选区数量和百分比。大多数位于较贫困IMD十分位数（1-5）的选区超过了10 μg/m³的限值，而只有少数位于最不贫困十分位数（6-10）的选区超过了限值。

3.2 PWEL减少

应用选定的情景（A-C），计算了整个区域PWEL的变化。情景A（限值）仅使超过阈值的中心区域选区（主要是市中心区域）的PWEL从基线水平略有降低。这些变化计算使72个选区内的1,197,119人受益。只有计算出的PWEL的最高值从0.15 μg/m³降低到0.14 μg/m³，且变化程度不足以在暴露值的地图表示上通过降低超标选区在PWEL尺度上的位置来产生视觉上的改变。实现浓度降低35%的PERT（情景B）大大降低了整个区域的PWEL，其程度大于情景A中考虑的限值目标合规性。伯明翰和考文垂这两个人口众多的大中心区域的PWEL值落在最低值范围之外，但其程度大于情景C。此外，在伍尔弗汉普顿观察到的PWEL减少较少。实现世卫组织AQG目标5 μg/m³（情景C）影响了整个WMCA地区的选区，并降低了最大和最小的PWEL值。只有伯明翰市中心和考文垂的少数选区由于人口众多而落在最低PWEL值范围之外。

3.3 空气质量浓度与选区级剥夺

在基线条件和三种情景下，IMD指数最高的选区居民经历了最高的平均PM_2.5浓度。这些选区通常位于地方行政区的中心地带，特别是桑德韦尔、伯明翰和考文垂。这些发现与先前强调城市剥夺和空气污染空间模式的研究一致，尽管这种模式并非在所有城市都普遍存在。此外，伯明翰和考文垂是该地区人口最多的两个选区，桑德韦尔的人口数量仅次于达德利，位居第四。这种人口密度也导致伯明翰、考文垂和桑德韦尔在WMCA地区拥有最高的PWEL值。

在基线情景下，WMCA地区较贫困的选区经历了最高的PM_2.5浓度和PWEL数值。在情景A下，如果达到限值标准，最贫困的选区将获得最大的效益。此外，在情景B（PERT）下，最贫困的选区在降低绝对和相对浓度方面也将受益最大，这反映了这些人口密度较高区域浓度的减少，并且它们超过10 μg/m³阈值浓度目标的程度小于35%。

情景A、B和C都显示PWEL值因污染水平低于基线条件而降低。通常，IMD值较低的选区PWEL水平较低，但这在WMCA范围内并不统一。此外，对七个地方行政区按空气质量浓度进行排名显示，PM_2.5浓度在伍尔弗汉普顿最低，在桑德韦尔最高。然而，伯明翰人口最多，因此PWEL值最大。因此，伯明翰、桑德韦尔和考文垂（人口第二多的地方行政区）将从区域范围内浓度降低中获得最大的人口层面效益。

4 讨论

在基线情景下，WMCA的192个选区中有72个超过了PM_2.5的阈值空气质量目标（世卫组织阶段性目标/2040年目标）10 μg/m³。这些选区大多位于伯明翰市中心、桑德韦尔和沃尔索尔中南部，这些地方存在较高水平的本地污染源和交通污染。其中大多数也是联合管理局内较贫困的选区，有54个超过10 μg/m³水平的选区对应于IMD十分位数1-5。对于PWEL，相同的选区，特别是伯明翰的选区，由于市中心人口聚集，显示出最高的PWEL值。

情景A仅降低了中心超标区域的PWEL，而情景B和C对整个区域产生了更广泛的影响。达到世卫组织AQG目标大大降低了WMCA的PWEL，这是预期的；然而，有人认为，由于自然源、跨界污染和区域PM浓度的贡献，对于英国大多数发达城市地区来说，实现年平均PM_2.5浓度5 μg/m³的AQG可能是困难的，甚至是不切实际的。因此，实现35%的PERT目标可能更现实，并将在WMCA更广泛的空间尺度上带来人口效益。此外，当前的空气质量倡议尚未被视为公共卫生行动，而PERT方法的引入转变了重点，并将需要政策制定者额外考虑。根据此分析，并与COMEAP报告（2022年）一致，PERT方法（情景B）可能在最大化更广泛的人口公共卫生效益方面发挥重要作用。它还将缓解实施阈值目标可能带来的空气质量暴露不平等的扩大。例如，我们的情景表明，IMD与情景A和情景B的空气质量之间存在微弱的关系（0.021 vs. 0.019），但在这种变异水平下，需要进行实地分析以确定是否存在显著差异。

针对大多数贫困地区或具有最高PWEL值和最多超标选区的行政区进行重点空气质量改善，可能会产生不成比例的效益——即，改善超标选区的数量，但总体人口健康改善较低。由于区域污染对PM_2.5水平的重大贡献，在特定选区（情景A）减少PM_2.5浓度将很困难，并且对更广泛的WMCA效益较小。然而，减少家庭燃烧可以在地方层面将PM2.5污染减少13.4%。此外，最近对西米德兰兹PM_2.5来源的监测和分析表明，区域内生物质燃烧占PM_2.5质量的25%，是2008-2010年水平的七倍。同样，WMCA空气质量框架强调了几项旨在改善地方空气质量和减少公众暴露的公众参与政策选项，这些政策可以针对该地区更贫困的区域实施：减少家庭固体燃料燃烧；支持主动出行和减少汽车使用；提供更好的信息以支持地方决策，减少空气污染暴露。

因此，为了在WMCA取得改善，改善地方空气质量的区域行动必须补充地方措施，并与国家政策战略保持一致。这对于PM排放尤其如此，因为PM排放来源广泛，并且如图1所示，对地方行政区和城市地区实现世卫组织AQGs产生重大影响，约41%的区域超过了阶段性目标4。可能考虑有助于实现假设情景空气质量水平的计划包括实施低交通街区（LTNs），该计划已在英国多个大都市地点成功实施。伯明翰和伦敦的结果表明，PM和其他有害健康的污染物有所减少，尽管社区反响不一。此外，清洁空气区（或超低排放区）已在伯明翰和其他城市实施，一些城市（尤其是伦敦）正在进行扩建和修改。这些措施对降低NO₂水平普遍产生了积极影响，但对PM_2.5的效果好坏参半。此外，一些研究表明，它们可能将不合规车辆分流到更贫困的社区，最终加剧空气质量不平等——这正是本研究旨在解决的问题。

未来的研究可以考察对疾病发病率、工作生产力和更广泛社会成本的潜在影响，这些可以作为WMCA地区PWEL降低所带来的效益的一部分进行计算。此外，研究可以探索与年龄、性别和种族等不平等维度的交叉性。这一点尤其重要，因为当前的死亡率估计是基于30岁以上的个体，而WMCA的人口比平均年龄更年轻。这也将消除当前研究的一个局限性，即未考虑在政策将空气污染减少到目标情景水平所需时间内的人口变化。利用Hall等人开发的技术进行类似分析，还可以确定选区是否因预先存在的心肺疾病或年龄相关风险因素而具有更高的风险暴露水平。此外，努力实现并达到空气质量阈值或PERT将导致不同的暴露空间模式和人口影响。前一种方法可能会在WMCA留下显著的人口暴露差异，特别是在伯明翰和索利哈尔。相比之下，PERT将缩小最高和最低暴露值之间的差距，尽管伯明翰市中心和考文垂的一些区域仍比该地区其他区域值更高。这两种情景都需要进一步研究以确定暴露减少的程度，并进一步减少该地区潜在的不平等。

5 结论

为了应对跨界、区域和自然PM_2.5源的影响，改善地方空气质量的区域行动应进行协调，以补充地方措施并利用国家政策战略。本研究利用PWEL指标，结合IMD和人口数据，评估了未来PM_2.5变化对一个典型大都市地区的影响。约41%的WMCA人口生活在PM_2.5水平超过世卫组织阶段性目标4值（10 μg/m³）的区域。这也引入了对该地区最贫困选区的偏见。该地区人口比平均年龄更年轻，更容易受到不良健康影响，这加剧了这些问题。提出了三种减少未来污染浓度的政策情景（10 μg/m³限值、PERT和世卫组织目标）——所有这些都将改善PWEL值并减少暴露。对实现2040阈值目标或PERT的方法分析表明，两者都将带来减少暴露和相关健康影响的人口效益。其中，PERT将提供更广泛的人口层面效益。阈值方法将减少不平等，但提供的人口层面效益较少。这凸显了大都市地区空气质量改善政策的复杂性，以及政策决策者需要多种策略来实现最佳的环境和公共卫生结果。