复合型大气污染对我国17城市居民健康效应研究

发布时间：2020-08-01 12:50

【摘要】：改革开放30多年以来,随着经济的飞速发展和城市化的快速推进,我国业已成为世界上大气污染最严重的国家之一,引起了人们的广泛关注。近年来,我国大气污染逐步呈现出传统煤烟型与机动车尾气型污染共存的复合型特征。颗粒物(PM)仍为我国绝大部分城市的首要大气污染物,但是我国部分地区霾和光化学烟雾频繁,区域性的大气污染污染问题愈加明显。然而,我国大气污染与健康的研究起步较晚,开展得较少,尤其缺乏对多个城市同时开展研究多中心流行病学研究,难以反映我国复合型大气污染的健康危害特征。在我国当前的大气污染形势下,我们亟需回答下面四个问题：(1)各主要大气污染与居民健康的关系如何?(2)我国哪些人群对大气污染更易感?在什么季节更易感?(3)在当前的大气污染流行病学研究中,传统的暴露评价方法是否合适?(4)我国当前空气质量日报体系能否有效地反映大气污染的健康效应?研究大气污染与慢性健康效应的最佳方法是队列研究,能提供最具说服力的病因关联证据,但队列研究不仅耗时长久,还需要花费大量的人力、财力和物力考虑到。尽管发病比死亡更能敏感地反映大气污染的健康危害,但死亡数据往往更易得,而且更稳定。因此,本课题拟研究我国大气污染的急性健康效应,而且以死亡作为主要的健康结局。本课题共分为以下四部分研究内容。第一部分我国城市主要大气污染物对居民日死亡率的影响大气污染与居民健康效应的暴露反应关系是世界卫生组织(WHO)等国际组织和各主要国家制修订环境空气质量标准的最重要科学依据。然而,现有的大多数大气污染流行病学研究都是在发达国家进行的。因此,WHO基于发达国家较低污染水平下的流行病学证据制订的《全球空气质量指南》(AQG),能否完全照搬于我国,尚存在一定的疑问。WHO根据发展中国家一般污染水平提出的AQG过渡指标值,也未完全考虑发展中国家(包括我国)特有的暴露—反应关系。有研究显示我国大气颗粒物急性健康效应的暴露反应关系系数较发达国家为低,且有可能存在阈值。因此,我们亟需在我国开展大规模的人群流行病学研究加以证实。我们在17个典型城市开展了大气污染与居民急性健康效应的流行病学研究,取名为“中国大气污染与居民健康效应研究”(China Air Pollution and Health Effects Study, CAPES)",系统性地分析了我国主要大气污染物与城市居民日死亡率的关系。CAPES纳入的城市包括鞍山、北京、福州、广州、杭州、香港、兰州、南京、上海、沈阳、苏州、太原、唐山、天津、乌鲁木齐、武汉和西安。从各城市的疾病预防控制中心收集市区居民每日的非意外总死亡数、心血管疾病死亡数和呼吸系统疾病死亡数。从各城市的环境监测中心收集每日的可吸入颗粒物(PM10)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、细颗粒物(PM25)、粗颗粒物(PM25-10)、一氧化碳(CO)、臭氧(03)浓度数据。我们采用国际认可的两阶段贝叶斯层次模型(Two-stage Bayesian hierarchicalmodels),分别在城市和全国平均水平,定量估计大气污染对城市居民日死亡率的影响。在第一阶段,采用时间序列的方法分析大气污染与日死亡率的关系。具体来讲,核心模型是半泊松分布链接的广义相加模型(GAM)；将日期的自然平滑样条函数纳入模型,以控制控制日死亡数的长期和季节变化趋势,并采用偏自相关函数指导自由度的选择；纳入“星期几”的指示变量,以排除日死亡率在一周内的自然波动趋势；将平均温度和相对湿度的自然平滑样条函数纳入模型,以控制气象因素对大气污染-日死亡率关系的非线性混杂影响。在第二阶段,采用贝叶斯层次模型来合并各个城市的效应估计值,从而在全国平均水平上求得大气污染的急性健康效应。效应估计值一般表示为污染物浓度每升高10μg/m3引起居民日死亡率增加百分比的后验均值和95%后验区间(PI)。在每个城市还绘制了各污染物与日死亡率的暴露反应关系曲线,并在全国水平上对暴露反应关系曲线进行了合并。以各污染物在当日和前一日浓度的移动均值(1ag01)纳入模型。结果显示,CAPES城市里PM和SO2污染水平较严重,明显高于发达国家。各污染物与日死亡率的关系在各个城市不尽相同,存在显著的异质性。从全国平均水平来看,PM1o每升高10μg/m3引起居民总死亡率、心血管疾病死亡率和呼吸系统疾病死亡率分别升高0.35%(95%PI：0.18%,0.52%)、0.44%(95%PI：0.23%,0.64%)、0.44%(95%PI：0.23%,0.64%)；SO2每升高10gg/m3引起居民总死亡率、心血管疾病死亡率和呼吸系统疾病死亡率分别升高0.75%(95%PI：0.47%,1.02%)、0.83%(95%PI：0.47%,1.19%)、1.25%(95%PI：0.78%,1.73%)。NO2每升高10μg/m3引起居民总死亡率、心血管疾病死亡率和呼吸系统疾病死亡率分别升高1.63%(95%PI：1.09%,2.17%)、1.80%(95%PI：1.00%,2.59%)、2.52%(95%PI：1.44%,3.59%)；PM25每升高10gg/m3引起居民总死亡率、心血管疾病死亡率和呼吸系统疾病死亡率分别增加0.40%(95%PI：0.18%,0.61%)、0.47%(95%PI：0.23%,0.72%)、0.46%(95%PI：0.19%,0.74%)；PM2.5-10每升高10μg/m3引起居民总死亡率、心血管疾病死亡率和呼吸系统疾病死亡率分别增加0.43%(95%PI：0.07%,0.79%)、0.33%(95%PI：-0.01%,0.67%)、0.58%(95%PI：-0.35%,1.51%)；CO每升高lmg/m3可导致居民总死亡率、心血管疾病死亡率和呼吸系统疾病死亡率分别升高2.89%(95%PI：1.68%,4.11%)、4.17%(95%PI：2.66%,5.68%)和2.03%(95%PI：0.49%,4.55%)；03每升高10μg/m3引起居民总死亡率、心血管疾病死亡率和呼吸系统疾病死亡率分别增加0.32%(95%PI：0.18%,0.46%)、0.52%(95%PI：0.28%,0.76%)、-0.04%(95%PI：-0.41%,0.34%)。除PM2.5外,各污染物与日总死亡率的暴露反应关系系数与发达国家的研究结果基本一致。PM25与日总死亡率的暴露反应关系系数大致相当于发达国家的研究结果的一半左右。各城市的暴露反应关系曲线显示,各污染物与日总死亡率的关系基本呈线性且无阈值。敏感性分析发现,各污染物的效应一般在lag01的时候最强,且能滞后3-4日；在双污染物模型中,PM10、PM2.5、NO2、CO、O3具有独立的健康效应,而SO2和PM25-10的效应却失去了统计学显著性；时间平滑趋势控制得越严,控制的温度滞后天数越多,各污染物的效应有逐步稍微减弱的趋势,但基本稳定。总之,在选择不同的模型参数时,本研究估计的污染物健康效应变化不大。第二部分我国大气污染健康危害的易感因素分析即便暴露于同一污染水平,人群中不同个体对大气污染的反应性不同,也就是说人群中可能存在对大气污染健康危害易感的个体。识别这些潜在易感的个体具有重要的公共卫生意义。此外,大气污染是一种组成极其复杂的混合物,其组分和来源具有一定的时间变异性,而且居民在不同季节的暴露模式也不完全一样,因此有理由认为大气污染的急性健康效应可能存在一定的季节差异,即居民可能在某些特定的季节比在其他季节对大气污染的健康危害更加敏感。我们在CAPES城市中,运用与第一部分相同的统计分析方法,比较分析了大气污染物在不同年龄层、不同性别和不同教育程度人群中对日总死亡率的效应。结果显示,各污染物在65岁以上老年人中的健康效应要明显强于在5-64岁的年轻人,且在这两个年龄层的健康效应具有统计学显著的差别；各污染物对女性的影响要稍强于男性,但两者的差异没有统计学显著性；各污染物在受教育程度低的人群中的健康效应要强于在受教育程度高的人群中的效应,但差异不具有统计学显著性。为便于理解不同地区污染物健康效应的季节性特征,将这些城市按照地理纬度分成3个区域：北部地区(鞍山、沈阳、北京、唐山、天津、太原、西安、乌鲁木齐、兰州)、中部地区(南京、杭州、苏州、上海、武汉)、和南方地区(福州、广州、香港)。我们主要以PM10为例分析了大气污染健康效应的季节性特征。我们应用两阶段贝叶斯层次模型来估计各污染物和每日死亡率关系的全国均值和地区均值。在第一阶段,分别构建“主效应”模型、“季节效应”模型和“平滑效应”模型,估计各个城市的污染物急性健康效应。第二阶段则是在全国和地区水平合并各个城市的污染物效应。“主效应”模型假定PM10效应在全年中保持不变,因而不对季节进行任何调整。“季节效应”模型允许各个季节的PM10效应存在差别,但各个季节内部的效应不变化。“平滑效应”模型通过构建一个年周期函数,允许PM10效应在一年中随时间平滑地波动。结果显示,每日总死亡数和污染水平在各个季节间存在明显的变化。一般冬春季的污染水平高于夏秋季,北部城市的污染较中部和南部城市重。根据“主效应”模型分析结果,PM10浓度每升高10μg/m3将导致居民日总死亡率升高0.35%(95%PI：0.13%,0.56%)；这一结果与第一部分的估计结果一致。根据“季节效应”模型分析结果,夏季和冬季的效应最强,然而春季和秋季则没有显著性效应。PM10浓度每升高10μg/m3将使冬季、春季、夏季和秋季的日总死亡率分别升高0.45%(95%PI：0.15%,0.76%),0.17%(95%PI：-0.09%,0.43%),0.55%(95%PI：0.15%,0.96%)和0.25%(95%PI：-0.05%,0.56%)。在南方城市PM10的效应估计值最强,其次为中部城市。北方城市的PM10效应最低,且一般不具有统计学显著性。应用“平滑效应”模型,描绘PM10每增长10μg/m3导致日死亡率增长的百分比在一年内平滑波动的趋势图。我们可以直观地看出,PM10的效应在一年中存在两个峰值,即在冬季和夏季的效应最强,这种“双峰”模式与“季节效应”模型的结果一致。北部、中部、南部城市均呈现出“冬夏高、春秋低”的季节性特征,且不受共存气态污染物和温度滞后效应的明显影响。将效应测量尺度由10μg/m3换成四分位数间距(IQR),也呈现出类似的季节性特征。SO2和NO2急性健康效应的季节特征与PM10类似。第三部分对大气污染流行病学研究的改进：室内外时间加权的暴露评价方法在传统流行病学研究中,暴露评价经常被人诟病的一个原因是以室外大气固定监测站的测量值来代替人群中的个体暴露水平,但是人一天的大部分时间往往都在室内度过。因此,某地区内室外大气监测站的观测到的污染物水平,或数个站点的平均水平,难以真实反映某人群中的个体暴露水平。因此,我们运用数理统计的手段,在考虑了各城市室内外环境的空气交换速率、室内PM表面去除率、PM在建筑物表面的穿透效率等因素之后,模拟得到每日PM由室外环境渗入到室内的浓度值。应用人群的时间地点活动模式等信息,求得人群对环境PM的室内外加权总暴露值(PM10wtd)。鉴于模拟过程中各参数在部分城市不可获得,我们设定了一个基础情景和多个敏感性情景。运用与第一部分相同的统计分析方法,在全国平均水平求得PM10wtd与日死亡率的关系。结果显示,模拟得到的PM10wtd浓度要比原始的室外PM10测量水平低30%-60%左右。在基础情景下,PM10wtd每升高10μg/m3将会导致每日总死亡率升高0.65%(95%PI.0.29%,1.00%)。在各种敏感性分析的情景下,PMlowtd-死亡率的关联强度一般是原始PM10-死亡率的2倍左右。而且,无论是基础情景还是各种敏感性分析情景,效应估计的t值均高于原始PM10-死亡率估计的t值,表明PM10wtd能增强效应估计的统计学把握度。依据Cochran's Q异质性检验的结果,所有模拟情景下的Q统计量均明显低于原始PM1o。这表明尽管异质性仍然显著(P0.01),但PM10wtd已能使各城市效应的异质性有一定程度的降低。综上,我们提出的方法能优化大气污染的暴露评价,可以提高时问序列研究中大气污染急性健康效应估计的强度和精度。第四部分我国空气质量健康指数的构建和验证科学合理地评价空气质量,可以为政府部门防控大气污染,优化空气质量管理提供必要的依据。包括我国在内的世界主要国家目前均以空气质量指数(AQI)或类似的空气污染指数(API)评价每日的环境空气质量。AQI/API仅以分指数最高的污染物(即首要污染物)来反映空气质量状况,掩盖了其他共存污染物对空气质量的影响,而且也难以直接反映空气污染与健康效应间广泛存在的线性无阈值关系。我国在计算API/AQI时所参考的日均值标准限值,多依赖于年均值和日均值统计学对应关系,而年均值标准的制定则主要来源于美国长达十数年的队列研究成果。因此我国现行的空气质量日报体系可能存在重要的缺陷。有鉴于此,我们直接利用了CAPES研究中大气污染与日死亡率的暴露反应关系系数,以PM1o+NO2或PM25+NO2为基础构建我国空气质量健康指数(AQHI)。计算公式为： PM10AQHI=10/17*100*[exp(0.000154*PM10)-1+exp(0.000664*N02-1], PM2.5AQHI=10/15*100*[exp(0.000172*PM2.5)-1+exp(0.000664*N02-1]. 结果显示,在全部城市里,AQHI与日死亡率的关联强度要大于API/AQI；在上海地区,AQHI预测每日门诊、急诊和住院率的能力均明显强于API。因此,本研究提示AQHI预测健康的能力明显优于我国现行的API/AQI。从理论上讲,AQHI(1)直接采纳了我国大气污染与居民健康的暴露反应关系曲线,更符合我国的大气污染和人群健康特征；(2)直接采用了时间序列研究结果,能敏感地反映每日空气质量短期波动所导致的急性健康效应；(3)能较全面地反映空气质量及其对健康的影响；(4)能反映空气污染和健康效应之间公认的线性无阈值关系,即理论上任何浓度的空气污染均能导致健康威胁。因此,我们构建的AQHI是一种有效的大气污染健康风险交流工具,具有较好的应用前景,可能是对我国现行空气质量日报和实时报体系的有益补充和改善。综上,本研究的主要发现包括：1)我国城市大气污染形势严峻,PM和SO2污染较为严重；2)我国主要大气污染物(PM10/PM2.5/SO2/NO2/CO/O3)对居民健康的危害证据充分,与发达国家的研究结果基本一致：3)SO2和PM25-10可能不具有独立的急性健康效应；4)各污染物浓度与日死亡率的暴露反应关系曲线基本为线性递增型,且不存在明显的阈值；5)我国PM25.与日死亡率的暴露反应关系数低于发达国家研究结果,大致相当于一半左右；6)老年人、女性和低教育程度的人对大气污染的急性健康危害尤为敏感；7)我国PM10的急性健康效应呈现冬夏季较强、春秋季较弱的特征,南方城市PM10的健康效应要强于北方；8)在大气污染流行病学研究中,考虑了在室内暴露源于大气污染物的部分能明显增强大气污染的急性健康效应估计；9)基于时间序列研究成果构建的空气质量健康指数可能优于我国现行的API或AQI,是一种不错的风险交流工具。以上研究结果可能具有重要的政策意义。
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：X51
【图文】：

趋势图,机动车保有量,能源消耗,城市化率

80-2008年我国机动车保有量、城市化率、GDP和能源消耗总量的变化趋势图

省会城市

复旦大学博士学位论文近十多年以来，由于一系列环保措施的有力实施，如工业结构和布局的调整，能源结构的调整，提高机动车尾气排放标准以及工业园区的综合治理，我国大污染形势有了明显的好转。如图2所示，我国大气中PMio和S02的浓度水平年降低，但是N02污染水平却变化不大[4]。但从污染物浓度的绝对值及未来面的压力来看，我国的大气污染依然形势严峻。大部分城市的PMio浓度仍然维高值，我国仍是世界上大气污染最严重的国家之一。以2008年为例，我国11个环境保护重点城市的PMio的年平均水平为97^ig/m3，虽然略低于我国现行大气质量标准（10(Hig/m3),但远高于世界卫生组织（WHO)制定的《全球空质量指导值》（Air Quality Guidelines, AQG) [5]7K平（年平均：20}ig/m3); SO2 平均浓度为48呢/m3，也明显高于AQG (日平均：20(xg/m3 ,无年平均限值）；N02污染（年平均浓度41|xg/m3),与AQG几乎一致（年平均：40(xg/m3),但分城市的超标情况也较严重。

全球大气,卫星数据,等化,石油

图1-1.通过NASA卫星数据得到的全球大气PM2.5浓度大气中的S02主要来自燃煤、石油等化石燃料的燃烧。近20年来，我国城市大气中S02的污染水平逐年降低。2010年我国113个重点城市的年平均S02水平已低至41|_ig/m3，地级及其以上城市中S02年平均浓度达到或优于国家二级标准（GB 3095-1996)的城市占到94.9%，无劣于三级标准的城市。尽管如此，我国的S02污染水平仍然明显高于西方发达国家。S02是水溶性的剌激性气体，具有强烈的呼吸道刺激作用。近年来也有研究提示S02也能引起心血管系统的损伤。目前世界范围内有关S02的流行病学研究结果很不一致，尤其是部分研究提示S02的健康危害可能不具有独立性【26]。大气环境中的N02除少量来自自然界氮循环外，大部分来自于各种矿物燃料的燃烧过程。近年来，我国PMio和S02污染水平均稳中有降，但N02水平一直比较稳定，甚至在个别城市有所升高。机动车尾气已成为我国城市大气NCb污染的主要来源之一，并被认为是与交通来源大气污染的指示物之一。根据我国环境状况公报，2010年我国113个重点城市的\02年平均水平为35^^/1113,所有地级及以上城市均达到国家二级标准（GB 3095-1996)，也均符合WHO2OO5年修订的NO2

【参考文献】