从百分位到分布：2000–2021年美国本土ZCTA尺度室内氡暴露的全国性建模

《Environmental Science & Technology》：From Percentiles to Distributions: Nationwide ZCTA-Level Modeling of Indoor Radon Exposure across the Contiguous United States, 2000–2021

　　

氡暴露是非吸烟者肺癌的首要诱因，构成重大公共卫生风险。尽管其危害已知，但既往人群层面室内氡评估受限于基于区域的平均值和中位数等汇总指标，忽视了小尺度区域内的分布特征。研究人员开发了一个全国尺度建模框架，估算2000–2021年美国本土ZIP Code Tabulation Area（ZCTA）尺度的室内氡浓度分布。研究利用超过600万条短期氡测量值，在ZCTA层面聚合以预测百分位数，并进一步建模ZCTA内氡暴露分布，从而改进暴露异质性量化，更准确估算超过政策相关暴露阈值（如美国环境保护局（EPA）行动水平148 Bq/m3）的居民比例与人数。结果显示，约半数美国ZCTA中至少五分之一家庭氡浓度超过EPA行动水平，高暴露区主要位于中西部。这些发现为居民识别风险、政策制定者设计高成本效益干预措施及健康研究者将ZCTA内分布纳入风险评估提供了关键数据。

研究背景方面，室内氡（radon）源自土壤岩石中铀的自然衰变，是无形无味的放射性气体，在非吸烟者中居肺癌诱因首位，美国每年约2.1万例肺癌死亡与之相关。EPA推荐将室内氡控制在4 pCi/L（148 Bq/m³）以下，但现有数据多来自房产交易、自愿检测等碎片化渠道，缺乏全国系统监测。既往研究多给出县或社区级几何均值或月均浓度，因氡浓度呈强右偏分布，单一集中趋势指标无法刻画区域内部分布与上尾高暴露人群，导致流行病学研究以区域均值代理个人暴露时产生错分。为突破该局限，研究人员开展了一项全国尺度研究，基于2000–2021年35个州逾600万条住宅短期检测记录（保留首测值，低于检测限者用左删失最大似然法填补），按五位ZCTA与测量月份分组，计算各ZCTA–月组合的第10、25、50、75、90百分位数（样本量≥5），并对样本量≥9者重采样增广，最终获得339671条月度ZCTA观测（39.4%原始、60.6%重采样）。研究旨在联合预测多百分位数并拟合ZCTA内对数正态（log-normal）分布，直接量化区域内异质性与高暴露亚群。

主要关键技术方法上，研究人员构建189维预测变量（涵盖探测器、地质、建筑、社会经济、气象、政策六类，并加入年、月、经纬度），以随机森林（ranger包，300树、最大深度40、mtry=60、极端随机分裂）分位数专属建模，训练权重校正州代表性与样本量差异；经重复10折交叉验证以对数尺度平均绝对误差（MAE）与平均相对绝对误差（MRAE）评估，大样本（≥10）下25–90百分位MRAE<20%、R²>0.85。预测阶段固定探测器比例、标准化政策变量、分设地下室与地上层预测后按预测地下室比例加权得筛查层浓度；再以五预测百分位数分位数匹配拟合log-normal参数（rriskDistributions包），按人口权重混合ZCTA概率密度函数（PDF）并积分得累积分布，估算超74、148、370 Bq/m³阈值比例。不确定性采用交叉验证残差方差–协方差自助法，并设三项敏感性分析。

研究结果部分，“空间与分布模式”显示13897个ZCTA（48.9%）有>20%家庭超148 Bq/m³，其中55.7%在中西部、21.3%东北部；超74 Bq/m³者达88.0% ZCTA。全国人口加权分布中14.3%人口（4280万）超148 Bq/m³，40.5%（1.214亿）超74 Bq/m³；中西部90百分位达245.7 Bq/m³，东北次之195.2 Bq/m³，东北相对IQR最高（1.2）。“时间趋势”上，2000–2021年超148 Bq/m³人群比例冬季最高夏季最低，中西部年均降0.06个百分点、东北0.05、西部0.01，南部无显著下降。“模型表现”表明10百分位MRAE>20%，25–90百分位在n≥25时MRAE<20%，对数R²在n≥15时超0.85；拟合优度检查显示log-normal对中部上尾略有低估。“重要预测因子”中气象因子置换误差贡献始终居首（约100%），10百分位时建筑与气象合计>75%，90百分位时气象、建筑、基岩、地表物质均超40%；低百分位受建筑与土壤主导，上尾受基岩控制。“不确定性与敏感性”显示ZCTA级超标概率不确定度大但区域聚合后锐减，10百分位误差增宽区间不影响中位数，重采样分位数模型优于直接参估与不确定加权替代方案。

讨论与结论部分，研究人员指出该研究将暴露评估由区域均值推进至ZCTA内分布，使超148 Bq/m³人群估算（14.3%）较既往均值法（约半）更准，并能可靠给出超370 Bq/m³（WHO阈值）人群约2.1%（620万）。分布视角揭示南方虽超标比例最低但因人口基数大，绝对暴露人数（3450万）居第二。90百分位空间图显示佛罗里达Naples、康涅狄格Beacon Falls等中位不高但相对IQR>2的“隐式高异质”区易被均值法遗漏。预测因子中基岩、地表、土壤为上游非可改性决定因素，气象与建筑特征具局部可调性；中西部与东北超标比下降趋势或与检测增加、既有住宅缓解、抗氡新建有关，但框架定位为风险识别而非因果干预推断。局限性包括：房产交易非概率抽样致选择性偏倚（已用首测保留、政策变量标准化减缓）、10百分位近检测限填补不确定、缺单体建筑HVAC细节、多户地上层梯度未建、单log-normal难捕多峰、ZIP与ZCTA时空错配、分位数独立建模未约束单调依赖。结论强调：该ZCTA月度分布数据库为政策端定向新建筑被动缓解条例、健康端将区内异质性纳入肺癌剂量–反应模型提供了基底，相关超标概率与代码已于OSF与GitHub公开。论文发表于《Environmental Science & Technology》六十周年特刊。