新冠肺炎疫情期间石家庄市空气质量变化特征

曹琦，宋渐石，邹凌云，张文迪，刘畅，张魏丽

1.河北医科大学公共卫生学院劳动与环境卫生教研室，河北省环境与人群健康重点实验室，河北 石家庄 050017

2.河北医科大学基础医学院，河北 石家庄 050017

2019年12月发现首例新型冠状病毒肺炎（coronavirus disease 2019，COVID-19）患者，我国各级政府高度重视，各地陆续实施机动车禁行管理、封闭社区、鼓励居民居家隔离等严格的疫情防控措施［1-2］，极大地限制了人们的生产生活活动，这可能对环境空气质量也有一定的影响［3-4］。因此，这次疫情防控提供了一个观察人类活动与环境质量之间的关系、检验既往环境保护举措有效性的良机。

石家庄作为河北省典型的重工业城市，是全国大气污染最严重的城市之一，当地环境问题引起了社会各界的广泛关注［5-6］。石家庄处于京广、石太、石德三条铁路干线的交汇点，交通便利，受新冠肺炎疫情冲击较大，为防止疫情在该城市进一步蔓延，石家庄市政府采取了严格的防控措施。空气质量也产生一定程度的变化［7-8］。本研究根据疫情防控措施的实施次序及石家庄空气质量的变化特点将这次疫情防控分为4 个阶段，阐述了各个阶段空气质量指数（air quality index，AQI）及相关大气污染物质量浓度（简称浓度）变化特点；比较该城市疫情期（2019年12月―2020年6月）与疫情前（2016―2019年相同时期）空气质量的差别，分析疫情防控措施对石家庄空气质量的影响，为揭示石家庄市的空气质量与人类活动的关系，改善大气污染的防治措施提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料来源

石家庄市51 个监测点的日平均AQI 值和细颗粒物（PM2.5）、可吸入颗粒物（PM10）、二氧化硫（SO2）、一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）六项大气污染物浓度数据来自真气网（https://www.zq12369.com/）和实时空气质量指数监测平台（https://aqicn.org/city/shijiazhuang/cn/）。O3则以当日最大8 h 浓度作为日均浓度，其他污染物以当日24 h 平均浓度作为日均浓度［9］。

1.2 研究方法

为避免区域污染传输、气象等因素的影响，本研究采用自身前后对照的实验设计，以石家庄环境质量为研究对象，收集并记录疫情期与疫情前的空气污染情况，将2019年12月―2020年6月每日AQI 及各项污染物浓度与疫情前的数据逐一配对，以探讨疫情期与疫情前空气质量的差异。为减小随机误差的产生，本研究选取2016―2019年相同时间段空气质量的平均水平作为疫情前的数据参与配对。

1.3 评价指标

采用浓度改善率（change of rate，COR）作为参数评价疫情防控对空气质量的影响，VCOR=（ρ0-ρ1）/ρ0×100%，其中ρ0为疫情前污染物浓度，ρ1为疫情防控期间污染物浓度。COR 可以更加直观地反映出疫情防控对石家庄空气质量的影响。

通过NO2与SO2浓度比值（ρNO2/ρSO2）评价污染物移动排放和固定排放之间的关系。环境卫生学中，常常用ρNO2/ρSO2表示移动排放源和固定排放源贡献率的变化。研究发现，当固定源排放源贡献率较高时，空气中SO2含量增加，ρNO2/ρSO2降低（范围为0.2～0.8）；当移动排放源贡献率较高时，ρNO2/ρSO2增加（范围为24～119）［10］。

1.4 时间段划分

根据疫情防控措施的实施次序及石家庄空气质量变化特点，将疫情期分为防控前期、疫情封锁期、防控中期、防控后期4 个阶段。表1列出了石家庄COVID-19 疫情防控期间不同时间段的主要事件。

表1 石家庄COVID-19 流行期间主要事件Table 1 Major events during COVID-19 in Shijiazhuang

1.5 统计学分析

采用SPSS 21.0 对监测资料进行统计分析。首先使用K-W法对数据进行正态性检验，正态分布数据以±s描述集中和离散趋势，非正态分布数据以中位数和上下四分位数进行描述。正态分布的计量资料样本差异的比较采用配对t检验，对不服从正态分布的数据使用Wilcoxon 符号秩和检验进行比较。计数资料使用卡方检验。检验水准α=0.05。

2 结果

2.1 疫情前、疫情期空气质量的变化

图1表明疫情前、疫情期日均AQI 变化趋势基本相同，石家庄空气污染在冬季（12月―次年2月）较为严重，春夏季（3―6月）较轻。与2016―2019年同期相比，疫情防控期间石家庄日均AQI 下降25.38%（t=6.28，P＜0.05），见表2。其中，防控前期降低了26.06%（t=12.93，P＜0.05）；封锁期AQI 变化不明显（P＞0.05）；防控中后期变化逐渐减小，日均AQI分别下降27.17%（t=6.71，P＜0.05）、12.82%（t=-3.57，P＜0.05）。

图1 疫情前与疫情期石家庄日均AQI变化趋势Figure 1 The trend of daily average AQI in Shijiazhuang during and before COVID-19

表2 疫情期与疫情前同一时段石家庄日均AQI变化Table 2 Daily average AQI changes in Shijiazhuang during and before COVID-19

2.2 首要污染物污染天数变化

6 项污染物中，石家庄首要污染物主要包含PM2.5、PM10、O3和NO2四项，其中PM2.5和O3占比最高（44.56%、31.09%），PM10、NO2相对较低（23.83%、2.59%）。

疫情期、疫情前首要污染物污染天数变化见表3，在疫情期间，石家庄仅PM10污染天数减少（P＜0.05），较历史同期下降32.3%。疫情封锁期PM2.5污染天数增长41.67%（P＜0.05）。3月起石家庄天气变暖O3污染逐渐加重，O3作为首要污染物的污染天数为10 d，是疫情前同期的3.33 倍（χ2=5.28，P＜0.05）。防控后期疫情逐渐得到控制，污染天数无明显变化（P＞0.05）。

表3 研究时段首要污染物污染天数统计Table 3 Days of primary air pollutants during the study period

2.3 疫情防控期间污染物浓度改善率

防控期间6 项污染物浓度均有所下降（P＜0.05），其中SO2降幅最大，较历史同期下降了55.36%；PM2.5下降了28.99%，PM10下降了24.24%；NO2和CO 分别减少了14.44%、27.27%；O3浓度变化最小，仅下降9.68%。见表4。

表4 研究时段污染物平均浓度的变化Table 4 Changes in average concentrations of air pollutants during the study period

不同阶段污染物COR 变化较大，见图2和表5。防控前期PM2.5、PM10、SO2和CO 分别降低了34.22%、34.27%、68.09%、28.00%（P＜0.05）。疫情封锁期，O3浓度较2016―2019年同期增长38.47%（t=-21.38，P＜0.05），SO2、NO2与CO出现不同程度的下降（P＜0.05）。在防控中期，除O3无明显变化外，其余5 项污染物浓度均有下降（P＜0.05）。防控后期PM2.5受疫情防控的影响，同比降低了28.26%（t=13.00，P＜0.05），O3降低了4.14%（t=7.00，P＜0.05）。

图2 疫情防控不同阶段浓度改善率变化Figure 2 Change of rate in different stages of COVID-19 outbreak

表5 疫情期与疫情前同一时段污染物浓度变化分析Table 5 Changes in aire pollutant concentrations during and before COVID-19 outbreak

2.4 疫情前、疫情期ρNO2/ρSO2的变化

不同时期ρNO2/ρSO2比值变化如图3。防控前期移动源排放量上升，ρNO2/ρSO2是疫情前的3.33 倍。疫情封锁期ρNO2/ρSO2较2016―2019年增长了1.54 倍，这可能与工厂停工导致固定源排放的骤降有关。疫情防控中后期ρNO2/ρSO2的逐渐减少，分别为疫情前的79.65%、54.14%。

图3 疫情期与疫情前同一时段ρNO2/ρSO2变化Figure 3 Changes in ρNO2/ρSO2 during and before COVID-19 outbreak

3 讨论

COVID-19 疫情以来，国内外很多学者讨论了疫情防控下空气质量的变化特征，但采用统计学方法进行分析的研究相对较少。本文主要采用了t检验和卡方检验的方法将2019年12月―2020年6月与2016―2019年相同时期的日均AQI 值、首要污染物污染天数、污染物浓度、ρNO2/ρSO2等进行比较，分析疫情防控期间石家庄空气质量的变化，探讨防疫措施对空气质量的影响，为进一步改善空气质量、调整防治措施提供参考依据和思路。

从结果分析来看，石家庄疫情防控期间空气质量与近三年相比出现明显改善，这显然与疫情期间石家庄普遍实施的交通限行、小区封闭式管理、企业生产与经营管控等疫情防控措施大大限制了人民生产生活活动密切相关。上述措施的先后实施，一方面减少了城区污染源，消减了影响环境空气质量的污染物的排放量，另一方面由于封闭式管理，人群相对密集，对取暖的需求量大大增加。因此在石家庄采取交通限制后，颗粒物浓度略有升高。由于社会生活的需要，上述措施实施的次序、范围在石家庄逐步减缓，生产生活活动逐渐恢复以及污染源的不断排放，环境空气质量出现波动，日均AQI较历史同期相比，差异逐渐减小。

这项研究也为环境空气质量管理提供了启示。结果表明，临时性的社会封锁并不能够改善所有污染物污染情况，由于烟花排放和煤炭燃烧量的增加，O3和PM2.5的污染天数在某些时期反而增加［11］。因此石家庄未来环境保护的重点应该仍是工业、交通、生活活动排放的技术革新，去除污染源可能并非是节能减排的良策。

通过对疫情期、疫情前基本污染物的同比比较，本研究也探索了疫情期间大气污染的来源及影响因素。石家庄在疫情防控期间PM2.5、PM10、NO2、SO2和CO 等污染物浓度均有所下降，这与其他国家和地区的环境空气质量变化是一致的［12-14］。尤其是SO2污染浓度在疫情防控期间明显改善。这是由于近年来石家庄积极采取乡镇改良炉灶、淘汰中小型锅炉、改用无烟煤等环保措施，供热方式不断升级，取暖对SO2、CO的贡献下降，因此工业管控是消减SO2排放量的重要举措［15］。在疫情防控逐步放松之后，石家庄PM2.5和CO 浓度呈下降趋势，这是由于温度上升利于燃料的完全燃烧，导致PM2.5和CO 排放量下降［16］，故改进燃料和更新供热方式在减少PM2.5和CO 排放上可能是一项优于限制交通、减少尾气排放的举措。此外，取暖工具如暖气、锅炉等也是PM2.5和CO 的重要来源，其使用率随气候变暖而下降，当温度上升时，污染物浓度会出现进一步下降。

本研究表明石家庄在疫情防控期间的日均AQI 值与各项污染物浓度较2016―2019年相同时间段均有不同程度的改善，降幅最大的污染物为SO2（68.09%）、PM2.5（34.22%）、PM10（34.27%）。对疫情防控期首要污染物进行分析，仅PM10污染天数减少，在交通封锁后PM2.5和O3污染反而有所加重，这是燃煤和烟花排放量增加的结果。上述结果说明疫情封锁对环境空气质量可能存在着积极和消极的双重影响。

本研究还存在一些不足之处：①本研究验证了疫情封锁对于环境空气质量可能存在着积极和消极的双重效应，但由于研究人员时间和精力的限制，尚没有定量地分析疫情管控与污染物浓度之间的依存关系；②本次调查仅限石家庄市，将疫情前3年环境质量水平与疫情期进行配对比较，但不同地区、不同年份空气质量有所差别，研究结果外推需谨慎。

综上所述，本研究证实了疫情防控对空气质量的双重效应，即新冠肺炎疫情防控措施既可以减少污染源、污染物的排放量，对石家庄市空气质量起到一定的保护作用，但也有加重O3污染的负面影响，需要进一步探索O3污染加重的原因，以制定合理的空气质量防治策略。

（志谢：真气网提供了地面环境空气质量监测资料，实时空气质量指数监测平台提供了石家庄新冠肺炎疫情前后空气质量指数资料）