密苏里州堪萨斯城长期存在的十年间空气污染差异的评估与成因分析

《Journal of the Air & Waste Management Association》：Evaluation and source apportionment of persistent decadal Air pollution disparities in Kansas City, Missouri

空气污染不平等研究：堪萨斯城PM2.5的种族差异与源解析

　　空气污染对公众健康的影响在美国是一个严峻的环境问题，尤其在低收入和少数族裔社区中更为显著。本研究聚焦于美国中部的堪萨斯城（Kansas City, Missouri），探讨其长期存在的“红线政策”（redlining practices）如何导致了城市内部的环境污染不平等现象。堪萨斯城作为一个人口超过200万的都市区域，其环境正义问题尤为突出。尽管该地区在过去的十年中空气质量有所改善，但不同社区之间的污染差异仍然显著，显示出即使在严格的排放控制措施下，这种不平等仍未得到明显缓解。

研究采用了多种方法，包括美国环境保护署（EPA）的下采样模型（Downscaler model），以及简化空气质量模型InMAP，结合美国人口普查局的数据，以分析堪萨斯城在不同季节和年度的空气污染不平等现象。研究发现，尽管整体上PM2.5浓度下降了27%，但不同社区之间的污染差异仍然保持不变，表明这些不平等现象具有持续性。这一发现对于环境正义研究具有重要意义，因为它表明仅仅关注整体空气质量改善是不够的，还需要进一步探讨污染源的分布和影响。

研究首先利用EPA的下采样模型，该模型通过化学传输模型（CMAQ）的输出与单一污染点测量数据相结合，预测每日PM2.5浓度。在堪萨斯城的六个县中，下采样模型的预测结果表明，黑人和非洲裔美国人（BAA）为主的社区在PM2.5浓度上平均比白人为主的社区高出2.7%（0.2 μg/m3）。此外，研究还发现，当社区的BAA比例超过95%时，其PM2.5浓度比BAA比例低于5%的社区高出3.4%（0.3 μg/m3）。这些差异在所有季节中都保持显著，尤其在冬季，差异最大，达到6.8%（0.7 μg/m3）。这表明，在冬季，污染的不平等现象最为严重。

研究进一步通过InMAP模型分析了不同污染源对PM2.5浓度的影响。InMAP模型能够预测年度平均PM2.5浓度，并考虑污染物的化学成分和传输路径。研究发现，非点源（non-point sources）如住宅供暖、工业排放和废物处理等，是导致PM2.5浓度差异的主要原因。通过去除这些非点源，PM2.5浓度差异显著减小，甚至在某些情况下被逆转。这表明，减少非点源污染对于改善堪萨斯城的空气质量不平等现象至关重要。

此外，研究还发现，农业排放虽然在某些情况下可能对PM2.5浓度有影响，但其对污染差异的贡献不如非点源显著。农业排放主要集中在白人为主的农村社区，因此在去除农业排放后，PM2.5浓度差异反而有所增加。这说明，农业排放的减少可能不会显著改善整体的空气质量不平等现象，而需要更多关注非点源污染的控制。

研究结果还显示，堪萨斯城的空气质量不平等现象与全国范围内的趋势一致。例如，全国范围内的研究表明，黑人社区的PM2.5浓度比白人社区高出21%（1.36 μg/m3），而堪萨斯城的黑人社区则比白人社区高出2.7%（0.2 μg/m3）。这表明，堪萨斯城的污染不平等现象虽然不如全国范围内的严重，但仍具有显著性。此外，堪萨斯城的黑人社区在哮喘病例中受到更大影响，这进一步验证了PM2.5浓度差异与健康问题之间的关联。

研究还指出，堪萨斯城的空气质量监测设施较为有限，仅有两个监管监测站，距离约4.5英里。这种监测不足使得研究和评估污染差异变得更加困难，但也促使研究采用更高效的方法，如InMAP模型，来识别污染源并评估其对空气质量的影响。InMAP模型通过将模型计算的污染物浓度与实际监测数据进行对比，提高了预测的准确性，并减少了计算成本。

研究方法包括数据处理和分析，使用R语言进行数据处理，并采用sf和tigris等软件包来处理InMAP数据。研究还采用了曼-惠特尼U检验（Mann-Whitney U-Test）来评估不同社区之间的PM2.5浓度差异。该检验表明，不同社区之间的PM2.5浓度差异具有统计学意义，进一步支持了研究结果的可靠性。

研究还探讨了未来可能的解决方案，包括使用低成本传感器和卫星数据来进一步量化空气污染差异。虽然低成本传感器可以提供更密集和频繁的PM2.5浓度数据，但其长期可靠性仍存在问题，需要进行校正。卫星数据虽然在环境正义分析中具有潜力，但其转换为地表浓度时存在不确定性，如云层数据的缺失、高空颗粒物的存在以及卫星数据的误差结构不明确等问题。因此，研究建议在堪萨斯城的环境正义分析中，应优先考虑使用经过校正的低成本传感器和地表监测数据，以提高研究的准确性和可靠性。

研究还指出，堪萨斯城的空气质量不平等现象与全国范围内的趋势一致，表明即使在严格的排放控制措施下，这种不平等仍然存在。因此，研究建议其他类似城市也应采用本研究的方法，以评估其空气质量不平等现象，并制定相应的缓解措施。此外，研究还建议，通过减少非点源污染和农业排放，可以有效改善堪萨斯城的空气质量不平等现象，并保护公众健康。

研究结果对于环境正义研究具有重要意义，表明在缺乏充足监测设施的情况下，仍可以通过模型和数据分析来识别污染差异。这种方法不仅适用于堪萨斯城，也适用于其他中等规模城市，为环境正义分析提供了新的思路和工具。研究还强调，未来的环境正义研究应更加关注非点源污染和农业排放的影响，并探索更高效的监测和数据处理方法，以提高研究的准确性和可靠性。

总的来说，本研究通过分析堪萨斯城的空气质量不平等现象，揭示了非点源污染在城市内部的分布和影响。研究结果表明，减少非点源污染是改善空气质量不平等现象的关键措施。此外，研究还强调了环境正义研究的重要性，表明在缺乏充足监测设施的情况下，仍可以通过模型和数据分析来识别污染差异，并制定相应的缓解措施。这些发现对于政策制定者和研究者具有重要参考价值，为改善空气质量不平等现象提供了科学依据和实践指导。