本文摘要：摘要：基于20082017年黃河流域工業(yè)SO2和PM2.5兩類典型空氣污染物數(shù)據(jù)，首先刻畫了兩者的空間演化格局，并運(yùn)用空間面板杜賓模型(SPDM)從直接效應(yīng)和間接效應(yīng)兩方面對(duì)兩者的影響因素進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：①工業(yè)SO2和PM2.5污染均存在顯著的空間集聚特征，從東南至西北
摘要：基于2008—2017年黃河流域工業(yè)SO2和PM2.5兩類典型空氣污染物數(shù)據(jù)，首先刻畫了兩者的空間演化格局，并運(yùn)用空間面板杜賓模型(SPDM)從直接效應(yīng)和間接效應(yīng)兩方面對(duì)兩者的影響因素進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：①工業(yè)SO2和PM2.5污染均存在顯著的空間集聚特征，從東南至西北方向呈現(xiàn)梯度遞減趨勢;二者在城市尺度均存在顯著的正向空間關(guān)聯(lián)性，但PM2.5污染的空間關(guān)聯(lián)性比工業(yè)SO2更強(qiáng);②2008—2017年，工業(yè)SO2和PM2.5污染有所緩解，其中工業(yè)SO2排放強(qiáng)度迅速下降;而PM2.5質(zhì)量濃度下降相對(duì)緩慢，仍是黃河流域主要的空氣污染源。③產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、技術(shù)創(chuàng)新、能源效率、人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工業(yè)規(guī)模等是影響黃河流域空氣污染的主要因素，但PM2.5的影響因素更加復(fù)雜多樣化。其中，技術(shù)創(chuàng)新能力和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提升雖然在研究期內(nèi)加劇了本地工業(yè)SO2污染的排放強(qiáng)度，但卻能緩解周邊城市的工業(yè)SO2和PM2.5污染;工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大會(huì)加劇本地和鄰近城市的PM2.5污染。
關(guān)鍵詞：工業(yè)SO2;PM2.5;空間杜賓模型;黃河流域
黃河流域橫跨中國東中西三大戰(zhàn)略區(qū)域，是中國重要的生態(tài)保護(hù)地帶，同時(shí)又是中國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要空間載體[1]。2019年9月，習(xí)近平同志在河南考察時(shí)指出治理黃河，重在保護(hù)，要在治理，并要求堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的高質(zhì)量發(fā)展之路[2]。然而，中國長期粗放式的發(fā)展模式產(chǎn)生了一系列的環(huán)境問題，其中空氣污染問題尤為嚴(yán)峻[3]。黃河流域也面臨著較為嚴(yán)峻的空氣污染問題，山西、陜西、甘肅、寧夏是中國工業(yè)SO2排放的高強(qiáng)度區(qū)域[4]，山東半島、中原城市群區(qū)域是中國PM2.5污染的熱點(diǎn)區(qū)[5]。
在此背景下，開展黃河流域空氣污染的時(shí)空演變規(guī)律與影響因素探究，對(duì)推動(dòng)黃河流域大氣污染協(xié)同治理，改善環(huán)境空氣質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義�？諝馕廴臼黔h(huán)境經(jīng)濟(jì)地理學(xué)者的重要研究對(duì)象。在空氣污染源方面，普遍認(rèn)為SO2和PM2.5是中國空氣污染的主要類型[6]。近年來，中國的霧霾問題也引起了極大關(guān)注，成為當(dāng)下學(xué)術(shù)界、政府和公眾面臨的主要環(huán)境問題[7]。在大氣污染格局及影響因素研究方面，一般認(rèn)為技術(shù)創(chuàng)新、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口規(guī)模等是影響空氣污染的重要因素[8~10]。
一些研究以中國長江經(jīng)濟(jì)帶為對(duì)象，探究了空氣質(zhì)量的空間格局與其驅(qū)動(dòng)因素[11,12]。對(duì)于黃河流域來說，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、水資源等生態(tài)環(huán)境方面已有較多的研究[13~15]，但空氣污染的研究主要集中在霧霾等單一污染源類型[16,17]。綜上，國內(nèi)外研究對(duì)中國空氣污染問題給予了極大的關(guān)注，但研究大多集中于單一類污染物或AQI等綜合污染指數(shù)的研究，尤其是近年來對(duì)PM2.5問題的極大關(guān)注，缺少對(duì)多類型空氣污染物的空間格局及影響因素的對(duì)比分析。
此外，以往黃河流域的研究更多聚焦于水土生態(tài)環(huán)境污染，對(duì)空氣污染長時(shí)間序列、全流域尺度的針對(duì)性研究仍需進(jìn)一步深化。因此，本文結(jié)合中國空氣污染的主要類型，選擇地級(jí)市尺度的工業(yè)SO2和PM2.5數(shù)據(jù)構(gòu)建面板數(shù)據(jù)，然后通過探索性空間數(shù)據(jù)分析(ESDA)和空間計(jì)量模型等方法分析黃河流域城市空氣污染的空間集聚格局演化，并進(jìn)一步探究其影響因素及其異同點(diǎn)。研究能夠認(rèn)識(shí)黃河流域不同大氣污染物的格局演變規(guī)律，從而為科學(xué)治理流域空氣污染問題提供一定的參考。
1研究設(shè)計(jì)
1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源
根據(jù)國家水利部黃河水利委員會(huì)的定義，自然黃河流域包含青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、山東9個(gè)省(自治區(qū))。由于空氣污染相較其他類型污染具有更大的蔓延性，加之考慮到各地級(jí)單元間經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、創(chuàng)新要素等的關(guān)聯(lián)性，本文在保持省級(jí)行政區(qū)劃完整、數(shù)據(jù)可獲得性的前提下將研究對(duì)象范圍設(shè)定為青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南和山東9個(gè)省(自治區(qū))。
進(jìn)一步考慮到數(shù)據(jù)的可獲得性，本文最終選擇100個(gè)地級(jí)單元作為研究對(duì)象，并將研究區(qū)域劃分東中西三大區(qū)域，東部地區(qū)包括山東的17個(gè)城市，中部地區(qū)包括山西、河南的28個(gè)城市，西部地區(qū)包括青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古和陜西的55個(gè)城市。 本文表征空氣污染的SO2數(shù)據(jù)來源于2009—2018年《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》[18]，PM2.5數(shù)據(jù)來源于NASA托管在哥倫比亞大學(xué)的地球數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心 與大氣成分分析組。技術(shù)創(chuàng)新數(shù)據(jù)主要來自于中國國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利檢索和分析數(shù)據(jù)庫，其他變量的原始數(shù)據(jù)均來源于2009—2018年的《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》[18]。其中，個(gè)別城市的部分缺失數(shù)值采用插值法補(bǔ)齊。
1.2 研究方法
1.2.1探索性空間數(shù)據(jù)分析(ESDA)
為了檢驗(yàn)空氣污染集聚是否存在空間自相關(guān)，本文采用Moran’sI指數(shù)分析黃河流域工業(yè)空氣污染的空間集聚關(guān)聯(lián)效應(yīng)。
1.2.2空間面板杜賓模型(SPDM)
黃河流域地級(jí)市之間空氣污染集聚格局的形成具有較強(qiáng)的空間交互效應(yīng)，如果忽略其影響因素之間的這種空間相關(guān)性會(huì)導(dǎo)致模型估計(jì)結(jié)果與實(shí)際情況誤差較大。
1.3 變量選擇
綜合理論和以往研究基礎(chǔ)，選定2個(gè)被解釋變量和7個(gè)自變量因素，各變量如下：本文選擇城市工業(yè)SO2和PM2.5質(zhì)量濃度作為被解釋變量。其主要原因是工業(yè)SO2在中國城市SO2污染中占有很高的比重，該指標(biāo)有較強(qiáng)的代表性[6]，同時(shí)PM2.5也是近年來中國主要的空氣污染類型。①產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級(jí)能夠抑制城市空氣污染[19]，本文用產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)高級(jí)度來表征。
�、谀茉葱省＠畋蟮韧ㄟ^對(duì)中國空氣污染庫茲涅茨曲線的實(shí)證研究發(fā)現(xiàn)能源效率對(duì)中國空氣污染的影響顯著[20]，且能源效率直接影響黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展[21]。③技術(shù)創(chuàng)新。人們普遍認(rèn)為技術(shù)進(jìn)步在減少空氣污染中起著重要作用[22]，專利數(shù)據(jù)可反映技術(shù)創(chuàng)新的應(yīng)用價(jià)值和技術(shù)創(chuàng)新的實(shí)際水平[23]。
④經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。環(huán)境庫茲涅茨曲線理論認(rèn)為經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和污染之間存在緊密關(guān)聯(lián)，且一般呈倒“U”型關(guān)系[24]。⑤人口規(guī)模。人口集聚的擴(kuò)大能夠引起消費(fèi)需求的增加，從而增加能源等資源的消耗[25]。⑥工業(yè)規(guī)模。工業(yè)SO2在工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生，工業(yè)集聚是引起工業(yè)SO2污染的重要原因[4]。⑦外商直接投資。FDI可以發(fā)揮技術(shù)溢出效應(yīng)，從而改善所在區(qū)域的環(huán)境污染;同時(shí)，F(xiàn)DI的進(jìn)入也可能加重欠發(fā)達(dá)地區(qū)的空氣污染[25]。
2黃河流域空氣污染的時(shí)空演變格局
利用ArcGIS10.6軟件分別對(duì)2008年和2017年工業(yè)SO2和PM2.5污染濃度值進(jìn)行空間可視化。利用自然斷裂法，本文將城市工業(yè)SO2和PM2.5質(zhì)量濃度值分為4個(gè)空氣污染等級(jí)，從低到高依次定義為低污染、中低污染、中高污染和高污染城市。黃河流域城市工業(yè)SO2污染呈現(xiàn)空間集聚性。與2008年相比，2017年城市工業(yè)SO2污染強(qiáng)度快速下降。2008年工業(yè)SO2污染質(zhì)量濃度為8.83t/km2，處于中高和高污染等級(jí)的城市數(shù)量最多，占到黃河流域所有城市的50%，其中東部、中部和西部地區(qū)的城市依次有14個(gè)、17個(gè)和19個(gè)、
到2017年，工業(yè)SO2的污染現(xiàn)象有了極大的改善，工業(yè)SO2質(zhì)量濃度下降為2.52t/km2，處于高污染等級(jí)的城市數(shù)量僅為2個(gè)，而低污染等級(jí)的城市數(shù)量超過半數(shù)，占到黃河流域城市總數(shù)的71%，其中西部地區(qū)城市有46個(gè)，可見西部地區(qū)在工業(yè)SO2污染排放治理方面取得了顯著的成效�？傮w來看，黃河流域城市工業(yè)SO2主要集聚在中東部地區(qū)，而西部呈散點(diǎn)狀分布，主要集聚在嘉峪關(guān)、西寧、石嘴山、攀枝花等城市。與城市工業(yè)SO2污染相比，黃河流域城市PM2.5污染集聚區(qū)范圍更大，仍是黃河流域重要的空氣污染物。
2008年，黃河流域PM2.5質(zhì)量濃度為40.79μg/m3，70%的城市PM2.5污染處于中高和高空氣污染等級(jí)，中東部地區(qū)是PM2.5污染集聚的高地;2017年，PM2.5污染總體程度有所緩解，PM2.5質(zhì)量濃度下降為33μg/m3，處于中高與高污染城市的數(shù)量仍有44個(gè)，其中34個(gè)城市都集中在中東部地區(qū)，尤其是東部地區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度仍高達(dá)64.09μg/m3。
進(jìn)一步通過全局莫蘭指數(shù)分析可知，黃河流域城市工業(yè)SO2和PM2.5存在顯著的正向空間依賴性，且PM2.5的空間依賴性更強(qiáng)。2008—2017年城市空氣污染的Moran’sI指數(shù)均為正值，說明黃河流域空氣污染的格局在整體上呈現(xiàn)出高−高集聚、低−低集聚的態(tài)勢。
城市工業(yè)SO2污染Moran’sI值總體呈增強(qiáng)的態(tài)勢，從2008年的0.21增長到2017年的0.26，空間關(guān)聯(lián)性強(qiáng)度有所上升;而城市PM2.5的Moran’sI值一直保持在0.78以上，其空間關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)�？傮w而言，黃河流域空氣污染程度呈“東南−西北”向梯度遞減，這與黃河流域各類開發(fā)區(qū)的空間集聚格局具有高度一致性[28]。黃河流域中西部較多城市由于地形等原因不利于大規(guī)模工業(yè)活動(dòng)的開展，而黃河流域中東部平原地區(qū)工業(yè)化起步早、基礎(chǔ)好，大規(guī)模工業(yè)活動(dòng)較多[4];另一方面，關(guān)中地區(qū)在秦嶺山脈和黃土高原的包圍下形成的喇叭口形的河谷盆地，地形地貌不利于污染物的擴(kuò)散[29]，因此也形成了連綿集聚的空氣污染格局。
3黃河流域空氣污染的影響因素實(shí)證分析
3.1 描述性統(tǒng)計(jì)與模型選擇
為了保證數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性、減小異方差、序列的共線性所帶來的數(shù)據(jù)分析問題，本文對(duì)部分較大數(shù)值的變量進(jìn)行了對(duì)數(shù)化處理。顯示了各個(gè)城市變量的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可知所有指標(biāo)沒有出現(xiàn)異常值的情況，平穩(wěn)性較好且所有變量的方差膨脹因子(VIF)均沒超過7，故不存在明顯共線性的問題。由于城市工業(yè)SO2和PM2.5的空間相關(guān)性檢驗(yàn)均表明其在空間上具有明顯的關(guān)聯(lián)性，因此在探究黃河流域空氣污染的影響因素時(shí)不可忽視地理空間要素。故在進(jìn)行空間計(jì)量估計(jì)之前，先后經(jīng)過拉格朗日乘子(LM)、穩(wěn)健性拉格朗日乘子(RobustLM)、似然比(LR)和Hausman檢驗(yàn)，本文最終選擇城市和時(shí)間雙固定效應(yīng)SPDM進(jìn)行回歸估計(jì)。
4結(jié)論與啟示
4.1 結(jié)論
1)黃河流域空氣污染存在顯著的集聚關(guān)聯(lián)特征，相比于SO2污染，PM2.5污染的分布范圍更廣、空間關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)。黃河流域工業(yè)SO2和PM2.5污染從東南至西北方向呈現(xiàn)梯度遞減的集聚格局，全局Moran’sI值穩(wěn)定在0.21以上，中東部地區(qū)工業(yè)SO2污染呈現(xiàn)連綿集聚態(tài)勢;而PM2.5污染主要集聚于黃河流域東部地區(qū)，但中西部地區(qū)也呈現(xiàn)局部集聚現(xiàn)象，全局Moran’sI值穩(wěn)定在0.78以上，故其空間關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)。
2)2008—2017年，黃河流域工業(yè)SO2和PM2.5污染程度均有所緩解，其中PM2.5仍是黃河流域重要的空氣污染源。10a間，工業(yè)SO2地均排放強(qiáng)度快速下降，且位于中高和高污染等級(jí)的城市數(shù)量也從50個(gè)縮減到2個(gè);而2017年P(guān)M2.5污染程度處于中高和高等級(jí)的城市仍有44個(gè)，占比達(dá)44%，相比于2008年僅減少了26個(gè)城市，PM2.5仍是黃河流域主要的空氣污染源。
3)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、技術(shù)創(chuàng)新、能源效率、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工業(yè)規(guī)模等是引起黃河流域本地空氣污染的主要因素，且其對(duì)本地工業(yè)SO2和PM2.5污染的影響存在差異。從直接效應(yīng)來看，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)高級(jí)度、技術(shù)創(chuàng)新、經(jīng)濟(jì)發(fā)展加劇了本地SO2污染的排放強(qiáng)度，而技術(shù)創(chuàng)新、經(jīng)濟(jì)發(fā)展能夠抑制本地PM2.5濃度上升。另外，能源效率的提升能夠抑制本地工業(yè)SO2污染，而工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大則會(huì)引起本地PM2.5污染。
4)技術(shù)創(chuàng)新、人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工業(yè)規(guī)模等能通過間接效應(yīng)影響鄰近地區(qū)的空氣質(zhì)量，且其對(duì)鄰近城市工業(yè)SO2和PM2.5污染的影響存在差異。技術(shù)創(chuàng)新能力提升均能抑制周邊城市的工業(yè)SO2和PM2.5污染，而城市人口規(guī)模作用方向正好相反。另外，PM2.5的影響因素更加復(fù)雜多樣化，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高能夠抑制周邊城市PM2.5污染，而工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大則是引起PM2.5污染的主要原因之一。
4.2 政策啟示
1)提升技術(shù)創(chuàng)新，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)是緩解黃河流域空氣污染的關(guān)鍵抓手。由于存在技術(shù)創(chuàng)新的“回彈效應(yīng)”，技術(shù)創(chuàng)新和大氣污染一般呈“U”型關(guān)系[31]。對(duì)于黃河流域來說，應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化技術(shù)創(chuàng)新能力，當(dāng)其跨過“U”型拐點(diǎn)進(jìn)入右側(cè)發(fā)展階段，將有助于大氣環(huán)境的改善。另外，針對(duì)黃河流域中西部地區(qū)能源型產(chǎn)業(yè)比重高[32]、東部區(qū)域資本密集型產(chǎn)業(yè)規(guī)模大等造成的空氣污染難題，應(yīng)加快推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，充分運(yùn)用技術(shù)創(chuàng)新改造傳統(tǒng)污染密集型產(chǎn)業(yè)。
2)相比于工業(yè)SO2污染，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)黃河流域PM2.5污染的聯(lián)防聯(lián)控治理。根據(jù)中國2016年1月1日正式實(shí)施的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)規(guī)定，居住區(qū)、工業(yè)區(qū)和農(nóng)村地區(qū)等二類環(huán)境空氣功能區(qū)的PM2.5年質(zhì)量濃度限值為35μg/m3[33],而2017年黃河流域仍有32個(gè)城市的PM2.5年濃度大于這一限值。相比于工業(yè)SO2污染，黃河流域PM2.5污染的地域范圍更廣，空間關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)，且影響因素更加復(fù)雜，對(duì)PM2.5污染的治理需通過區(qū)域的產(chǎn)業(yè)、創(chuàng)新和管理機(jī)制等全方位協(xié)同來實(shí)現(xiàn)。
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作者：滕堂偉，諶丹華，胡森林
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