2015-2019年跨境生物质燃烧对中国南方春季PM2.5人群暴露的影响

《Environmental Pollution》：Transboundary biomass-burning influence on springtime PM 2.5 population exposure across southern China during 2015-2019

　　

摘要

背景
每年春季（3-4月），中南半岛（ICP）的生物质燃烧产生的烟雾会向下游输送至中国南部，恰好与云南、广西和广东地区春季PM2.5浓度升高时段相吻合。这种传输的辐射效应和生态效应已有定论，但其对春季人口暴露负担的影响仍缺乏充分描述。

目标
在WHO和中国标准基准下，量化春季PM2.5人口暴露水平，并通过对照模型实验归因ICP火灾的贡献。

方法
将51个城市的每日PM2.5数据与世界人口数据（WorldPop）相结合，计算2015-2019年3-4月超过WHO 2021年指南（24小时，15 μg/m3）和中国GB 3095-2012二级标准（75 μg/m3）的暴露情况，并通过2°×2.5°分辨率的GEOS-Chem配对模拟（含ICP火灾与不含ICP火灾）归因火灾贡献。

结果
在观测到的PM2.5浓度下，超过WHO 24小时指南的暴露几乎具有普遍性（人口加权的超标天数占比每年均达到78%-96%）。超过中国二级标准的暴露情况在三个省份均较为罕见，人口加权超标天数占比在云南为1%-6%，广西为1%-6%，广东为0%-5%；以绝对数值计，廊道内日均暴露人口约为600万，占其常住人口的不到3%，其中广东的较大人口规模抵消了其较低的超标比例。通过含ICP火灾与不含ICP火灾的GEOS-Chem对照实验，归因结果表明ICP燃烧贡献了云南春季PM2.5的25%（9.6 μg/m3）、广西的6%（3.3 μg/m3）和广东的4%（1.6 μg/m3），呈现出由西向东单调递减的梯度，臭氧的变化趋势与之平行（10%、5%、2%）。将该归因结果转化为暴露量，ICP火灾日均导致约220万-260万人口超过中国PM2.5标准（占全部超标暴露的36%-44%），并导致约1100万人口超过WHO臭氧指南。

结论
模型归因的ICP火灾贡献在云南最大，并随东向逐渐衰减，而廊道内的国家标准超标事件仍为偶发性质；这一模式支持按省份开展的、兼顾传输特征的空气质量评估。

引言
细颗粒物（PM2.5）仍然是对人类健康最普遍的的环境风险因素之一，暴露与心血管疾病、呼吸系统疾病和代谢性疾病等多种健康结局密切相关[1]、[2]、[3]。在中国南部等东亚快速发展地区，分析挑战已从定位污染热点转向理解暴露如何转化为人口层面的风险，以及特定季节窗口内哪些驱动因素控制着该风险[4]、[5]。在"同一健康"范式下，空气污染是环境驱动因素、人体暴露与治理之间交汇的关键接口[6]、[7]。

中国南部空气质量日历的一个显著特征是春季（3-4月）污染窗口期。在此期间，中南半岛（ICP，包括缅甸、泰国、老挝、越南和柬埔寨）的农业燃烧和土地清理活动产生强烈的生物质燃烧排放。季风前的盛行风向将该烟雾输送至邻近的中国云南、广西和广东三省份[8]、[9]。本文使用"ICP火灾季"指代ICP农业燃烧在3-4月的高峰期，即特指火灾这一驱动因素；而在使用"春季"或"springtime"时，指的是同一日历时段，用于描述在该时段内观测到的PM2.5暴露情况。

跨界影响已有充分证实：模型和观测研究归因约20%-70%的中国南部春季PM2.5来自ICP火灾排放[9]、[10]，含火灾与不含火灾的配对模拟已量化了传输路径[11]及其对地面空气质量[9]、[10]、气溶胶辐射强迫[12]、[13]以及下游生态系统生产力[14]的影响。在上述各项研究中，火灾影响均呈现自西向东递减的趋势，云南作为距离源区最近的省份，PM2.5影响最为显著[9]、[10]。

尽管对ICP烟雾的物理和生态效应已有日趋深入的认识，但火灾季期间相应的人体暴露负担却远未得到同等关注，尤其是从以人口为中心的视角几乎无人涉及。

空气质量评估传统上依赖基于浓度的指标，如年度或季节性平均PM2.5浓度，来评估合规性和追踪趋势[15]。然而，当暴露具有空间异质性和间歇性时，此类指标难以揭示受影响人数及暴露持续时间。因此，基于人口的暴露指标已成为关键补充手段，使空气质量评估与公共健康相关性、空间公平性和政策优先级相协调[16]、[17]。

这一差距因两套对比鲜明的基准标准而进一步放大。WHO 2021年PM2.5的24小时指南值（15 μg/m3）反映了预防性、基于健康的方法[15]，而中国GB 3095-2012二级标准（75 μg/m3）则是一个务实的国家监管阈值[18]。在WHO指南下，春季超标可能过于普遍和持续，以致使基于阈值的指标趋于饱和；而在国家标准下，超标可能是间歇性但严重程度高，标志着急性风险窗口。这两套不同的基准标准如何重塑火灾季的暴露负担，在中国南部尚未得到量化。

在此背景下，我们对云南、广西和广东整合了两项互补分析：基于WHO和中国基准的PM2.5人口暴露[15]、[18]，数据来源为每日PM2.5观测值和WorldPop人口数据[19]、[20]；以及域内归因分析，来自GEOS-Chem"含火灾"（Fire）与"不含ICP火灾"（NoFireICP）配对模拟[21]。全文始终区分两个量：暴露指标描述每个省份人口所承受的PM2.5总暴露负担，这反映了窗口期内所有活跃排放源的贡献；而GEOS-Chem配对模拟则专门隔离出可归因于ICP燃烧的那部分负担。

本研究的目标如下：
i. 量化2015-2019年3-4月云南、广西和广东春季超过WHO和中国基准的PM2.5人口暴露水平；
ii. 通过GEOS-Chem Fire与NoFireICP域内归因方法，确定ICP生物质燃烧对该暴露的贡献（包括各省份的PM2.5份额，以及作为共污染物对照的臭氧份额）。

我们在"同一健康"治理框架下解读联合的暴露与归因图景，以推动按省份开展的、兼顾传输特征的空气质量评估。在既往研究已涉及传输路径[8]、[9]、[11]、气溶胶辐射强迫[12]、[13]以及ICP烟雾的生态效应[14]的基础上，本研究增加了人体暴露维度：将人口加权暴露指标与GEOS-Chem域内Fire/NoFireICP归因相结合，从而在ICP烟雾传输的已有物理科学与其对华南地区人口暴露负担之间架起透明且具政策意义的桥梁，聚焦于一个关键的季节窗口。

章节片段

材料与方法
分析工作流程如图1所示，遵循两条平行路径：人口暴露分析与基于模型的归因分析。

廊道内春季PM2.5浓度
廊道内三省份的春季人口加权PM2.5浓度相当，且并未随距ICP源区距离增加而单调递减（表1）。五年均值为广西39.0 μg/m3、云南37.5 μg/m3、广东33.0 μg/m3，年际波动范围分别为30.2-43.6 μg/m3、36.0-39.5 μg/m3和24.9-36.6 μg/m3。因此，距离源区最近的云南在观测值上并非污染最严重的省份；其数值在年际间也最为稳定。

基于驱动因素的暴露负担解读
结合归因结果，华南地区春季PM2.5暴露负担可分解为两个行为截然不同的组成部分。超过国家标准的总暴露量在三省份中大致相当，云南、广西和广东日均分别为180万、190万和230万人，主要由人口规模而非距源区远近所决定。真正沿传输廊道呈梯度分布的是火灾归因组分：模型归因的ICP火灾贡献在云南最大，并向东递减。

结论
通过将人口暴露指标与对照模型归因相结合，我们表明2015-2019年云南、广西和广东春季PM2.5暴露在WHO指南下几乎具有普遍性，而在中国国家标准下则较为罕见；火灾归因组分（而非总暴露量）是确定云南为主要传输相关受体省份的关键指标，其信号向东递减，与中南半岛跨界烟雾传输一致。

CRediT作者贡献声明
Muhammad Haseeb Ullah：撰写——初稿、调查研究、形式分析。Liu Zhen-Xin：软件、资源、概念构思。GuLiZaEr KuErBan：软件、方法论。Aliya Fazal：验证、方法论。Xu Yue：监督、项目管理、获取研究经费。Zhu Jun：撰写——审阅与编辑、监督。Yan Wen-Jie：验证、软件。Farheen Zafar：可视化、数据整理。

利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。

数据可用性
PM2.5和臭氧数据：中国生态环境部/中国环境监测总站。人口数据：WorldPop。GEOS-Chem"含火灾"和"不含ICP火灾"敏感性模拟输出（v12.0.0，MERRA-2，GFED4）：南京信息工程大学（NUIST）MAPLE模拟基础设施；PM2.5重建与归因代码可向通讯作者合理索取。分析代码及衍生表格可向通讯作者合理索取。

资金支持
本工作受中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFF0805402）资助。

利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢
GEOS-Chem模拟在南jing信息工程大学（NUIST）的MAPLE高性能计算基础设施上完成。我们感谢GEOS-Chem社区对模型的开发和维护。

Muhammad Haseeb Ullah | Jun Zhu | Wen-Jie Yan | Aliya Fazal | Zhen-Xin Liu | GuLiZaEr KuErBan | Farheen Zafar | Xu Yue
智能大气环境监测与碳-污染协同控制江苏省重点实验室，南京信息工程大学环境科学与工程学院，南京 210044，中华人民共和国