赞比亚改良生物质炉灶干预对一氧化碳和细颗粒物个人暴露的影响：城市环境中的暴露主导因素与政策启示

本研究发现，在赞比亚卢萨卡进行的两种改良生物质炉灶（Mimi Moto和EcoZoom）干预试验中，从传统 charcoal 炉灶转换到改良炉灶并未显著降低主要烹饪者的一氧化碳（CO）和细颗粒物（PM2.5）个人暴露水平；然而，使用电炉显著降低了CO暴露，且暴露变化主要受季节、区域和社区差异影响，而非家庭炉灶选择。研究强调，在城市环境中，仅聚焦于减少家庭空气污染（HAP）可能不足以改善健康结局，政策制定者需同时针对环境空气质量制定综合减排策略。

　　

Introduction

在2019年，全球有近700万死亡与环境颗粒物和家庭空气污染（HAP）暴露相关，其中非洲地区110万例过早死亡中有63%归因于HAP。撒哈拉以南非洲地区84%的家庭依赖污染燃料（如木柴、木炭）进行烹饪，导致高水平HAP。虽然转向现代燃料/炉灶可能降低HAP水平，但这些选项并不总是可用或可负担。改良生物质炉灶可作为从传统生物质向清洁燃烧燃料/炉灶过渡的中间步骤。

赞比亚是研究从传统炉灶向改良生物质炉灶过渡的理想地点。赞比亚拥有较多城市人口（40%），为整个撒哈拉以南非洲不断增长的城市人口提供烹饪燃料过渡的见解。过去二十年来，赞比亚城市人口中使用木炭作为主要烹饪燃料的比例呈上升趋势，2018年约70%的城市人口使用木炭。赞比亚拥有丰富的森林资源，覆盖总土地面积的54%，这使得替代木炭生产、分销和销售具有挑战性。

本研究旨在通过两阶段炉灶干预试验，量化卢萨卡城市烹饪者的个人暴露，评估炉灶干预对暴露的影响，检查季节差异和环境空气质量的影响，并确定城市环境中个人暴露的重要预测因素。

Methods

Study Design

本研究是一项准实验性项目评估，在赞比亚卢萨卡与两家社会企业SupaMoto和VITALITE合作进行。每家企业推广一种不同的替代生物质炉灶：SupaMoto推广Mimi Moto，VITALITE推广EcoZoom。基线炉灶（当地称为mbaulas）是传统的木炭炉灶，完全由金属制成，燃烧室没有绝缘。

Mimi Moto是一种生物质颗粒燃料、强制通风的半气化炉灶，设计于荷兰。它采用两阶段燃烧过程，实现更好的可燃气体和空气混合，带来更完全的燃烧。EcoZoom Mbaula Fresh是一种木炭炉灶，包括金属内衬和陶瓷插入物，以最大限度地减少热量损失，从而减少所需木炭量。

干预措施旨在激励木炭炉灶用户转向更清洁的生物质炉灶。我们与每家社会企业合作，选择了卢萨卡的两个社区：一个他们之前已经销售其炉灶（干预炉灶用户），另一个他们计划在2019年基线数据收集后进行销售（潜在用户）。

Air Pollution Measurements

主要烹饪者佩戴暴露监测器24小时。使用Lascar EasyLog CO数据记录器测量一氧化碳暴露，使用RTI MicroPEMs（基线）和Atmotube Pro PM记录器（终线）测量PM_2.5暴露。为了解暴露浓度水平的意义，我们与世界卫生组织全球空气质量指南进行了比较，其中CO（24小时）和PM_2.5（年度）的临时第一（IT-I）浓度目标分别为6 ppm和35 μg m^?3。

Data Analysis and Statistical Modeling

计算24小时平均暴露值，并采用几种统计方法来评估干预对暴露的影响：家庭特定终线减基线暴露、秩和检验、差异中的差异分析（DiD）和横断面分析。我们应用了四种不同的方法来分析两种干预炉灶对烹饪者CO和PM_2.5暴露的影响。

Results

Characteristics of Exposure Monitoring Participants

暴露监测参与者的基线特征显示，家庭 electrification 率较高（87%），大多数主要烹饪者在室内烹饪（56%），30%的参与者在某种程度上使用电炉（即至少作为第二常用炉灶）。暴露监测子集与总样本在八个不同指标上没有显著差异，表明暴露子集代表了总家庭样本。

Personal Exposure by Neighborhood

按社区划分的24小时平均CO和PM_2.5暴露显示，在基线时，主要使用Mimi Moto的Matero烹饪者的CO暴露平均比其他社区低78%。80%的Matero烹饪者经历低于IT-I指南的CO，而Kalingalinga、Kamanga和Ng'ombe的烹饪者分别只有40%、19%和20%。Kamanga烹饪者主要使用EcoZoom，具有最高的CO暴露，为19 ppm。PM_2.5暴露在所有社区中相似，基线时平均为89 μg m^?3，比IT-I指南高2.5倍。

在终线时，Matero烹饪者的CO暴露平均最低（3.9 ppm），而其他社区平均为8.6 ppm。然而，终线时Kalingalinga、Kamanga和Ng'ombe的CO暴露分别比基线暴露低26%、59%和52%。终线时的PM_2.5暴露在各社区之间一致，但比基线PM_2.5暴露平均低约55%。

Personal Exposure by Stove Group

按炉灶组划分的暴露显示，在基线时，专用电炉使用者和Mimi Moto使用者的CO暴露相当，分别为1.6和3.6 ppm。通常，专用木炭使用者（EcoZoom、传统木炭、改良木炭）具有最高的平均CO暴露，随着用户用电替代木炭，暴露减少。EcoZoom（19 ppm）和传统木炭使用者（18 ppm）具有最高的平均CO暴露，其次是改良木炭（14 ppm）、木炭+电（14 ppm）和电+木炭（9 ppm）。

终线CO暴露呈现类似趋势，但Mimi Moto使用者除外：改良木炭（10 ppm）、EcoZoom（8.9 ppm）和传统木炭（8.0 ppm）使用者具有最高的CO，其次是Mimi Moto使用者（7.1 ppm），然后是木炭+电（6.8 ppm）、电+木炭（1.6 ppm）和专用电（1.1 ppm）。因此，我们观察到随着电炉使用替代木炭，CO暴露减少。令人惊讶的是，Mimi Moto使用者组的CO暴露在基线和终线之间增加，而所有其他炉灶组减少。

Daily Trends in Personal Exposure

CO暴露的日变化趋势在基线时在三个不同时间段出现峰值：约9:00、13:00和21:00，大约在用餐时间。夜间峰值中位数比白天峰值高14倍。与CO相反，PM_2.5暴露每天仅峰值两次，约在7:00和19:00。虽然由于应用的文献校正范围，环境PM_2.5的确切大小存在不确定性，但暴露PM_2.5峰值时间与环境PM_2.5峰值时间一致。

终线暴露的日变化趋势与基线相似：CO暴露每天峰值三次（约9:00、约13:00和约20:00），PM_2.5暴露每天峰值两次（约7:00和约20:00）。然而，终线时两种污染物的暴露幅度平均比基线暴露低62%。与基线一样，终线PM_2.5暴露峰值时间与环境PM_2.5峰值时间一致。

Impacts of Intervention Stoves

Endline-Baseline Exposure Differences

对于具有基线和终线测量的家庭，终线减基线暴露差异为负值，与社区水平比较一致，终线CO暴露通常低于基线。停止使用干预炉灶的那些人平均具有最不负的CO暴露差异，表明干预炉灶的停止使用增加了炉灶相关暴露，并至少部分抵消了季节差异导致的CO暴露减少。然而，基于ANOVA，这些炉灶使用组之间的CO暴露差异没有统计学意义。

Difference-in-Differences Estimates

DiD分析显示，没有任何组合具有显著的交互项，表明要么两种干预都没有效果，要么效果大小太小，我们的样本量和数据集无法证明。

Cross-Sectional Regression Models

横断面模型发现，电炉使用对暴露的影响显著。专用或主要使用电炉（电+木炭）的主要烹饪者相比传统木炭使用者，平均CO暴露分别低78%和44%。次要使用电炉与主要木炭（木炭+电）烹饪与CO暴露降低7.2%相关，尽管不显著。因此，主要电炉使用，即使辅以木炭，也比传统木炭导致显著更低的CO暴露。

另一方面，干预炉灶与显著降低的暴露无关。任何程度使用Mimi Moto和EcoZoom炉灶的主要烹饪者平均暴露比传统木炭使用者高22%和3.8%，尽管两者差异都不显著。除炉灶使用外，其他情境变量与CO暴露变化相关。季节是一个显著预测因子，暖季（终线）的CO暴露平均比冷季（基线）低37%。居住在Matero的主要烹饪者比所有其他社区的烹饪者具有更低的CO暴露，Kalingalinga、Kamanga和Ng'ombe的烹饪者平均暴露分别高1.4倍、1.6倍和1.8倍。

我们的PM_2.5模型发现任何炉灶组与平均暴露之间没有显著关联。季节是PM_2.5模型中唯一的显著预测因子，暖季的测量值平均比冷季低64%。

Discussion

我们进行了一项准实验性项目评估，以评估从传统木炭炉灶转向两种替代生物质炉灶（Mimi Moto或EcoZoom）对个人暴露的影响，以及替代炉灶的长期使用。然而，干预炉灶的使用和采用率普遍较低，只有5.1%和17%的家庭在我们的暴露监测子集中使用Mimi Moto或EcoZoom，只有12%的潜在家庭在基线和终线之间采用了干预炉灶。

电力接入在我们的分析中发挥了重要作用。平均87%的暴露子集家庭能够接入电力。由于这种高 electrification 率，我们发现了相当大的电炉堆叠，特别是在潜在用户社区。在基线时，超过30%的家庭以某种方式使用电炉，分别有1.8%、7.4%和25%专用、主要或次要使用电炉。

我们实施了四种分析方法来评估我们的炉灶干预对主要烹饪者个人暴露的影响。没有方法表明转向Mimi Moto或EcoZoom炉灶会导致统计学显著较低的暴露。然而，我们观察到，用电炉替代传统木炭越多，CO暴露减少越大。

除电炉使用外，其他变量在这种城市环境中影响暴露。环境与暴露温度的日变化趋势表明，在冷季，家庭使用炉灶进行空间供暖，可能导致更高的夜间CO暴露。PM_2.5暴露的日变化趋势在两个季节都与环境PM_2.5浓度的峰值时间和大小一致，表明个人暴露主要由家庭烹饪排放以外的本地和区域来源主导。

研究中结合其他传感器的数据为解释季节、区域和个人因素对暴露的影响提供了有意义的见解。环境监测对于解释PM_2.5暴露与炉灶使用之间缺乏关系至关重要。使用温度传感器推断冷季夜间和暖季午后的行为也扩展了我们对个人CO暴露测量的解释。

Conclusions

本研究通过测量主要使用传统木炭炉灶的撒哈拉以南非洲城市烹饪者的暴露，填补了文献中的空白。我们发现电炉使用是唯一与暴露显著降低相关的炉灶使用相关因素。我们预计使用干预炉灶，特别是Mimi Moto的主要烹饪者会有显著较低的暴露，正如现场测量到的排放大幅减少所预期的那样。然而，小样本量、低采用和使用率、炉灶堆叠、季节变异性以及城市和区域空气污染源的影响，使得难以结论这些炉灶是否能减少暴露。

我们的结果表明，烹饪是暴露的重要驱动因素，特别是对于CO。然而，我们仅在与“极端清洁”选项电力对比时发现了这一点，而其他因素如季节性和社区具有同样大或更大的影响。因此，在这种环境中狭窄地关注HAP不太可能产生所需和预期的暴露减少，但仍可能产生积极影响，例如减少气候影响。需要更加关注改善环境空气质量以解决撒哈拉以南非洲城市环境中的暴露问题。