警惕大氣污染和碳排放向西北遷移

唐貴謙 劉鈺婷 高文康 王迎紅 宋 濤,3 程萌田 王躍思*

1 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所 大氣邊界層物理與大氣化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100029

2 中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所 區(qū)域大氣環(huán)境研究卓越創(chuàng)新中心 廈門(mén) 361021

3 國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心 北京 100101

4 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 地球與行星科學(xué)學(xué)院 北京 100049

大氣污染物不僅危害人體健康[1,2]，還會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成惡劣影響[3]?；剂先紵欧盼廴疚锏耐瑫r(shí)，也會(huì)排放大量的溫室氣體，尤其是二氧化碳（CO2）。溫室氣體雖然不屬于大氣污染物，但其引發(fā)的溫室效應(yīng)不僅會(huì)對(duì)當(dāng)前氣候變化造成影響，其影響力甚至可持續(xù)數(shù)十年，甚至上千年[3,4]。

20 世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，空氣質(zhì)量出現(xiàn)惡化。2013 年 1 月，席卷大半個(gè)中國(guó)的重霾污染成為我國(guó)決心治理大氣污染的導(dǎo)火索[5]。為了應(yīng)對(duì)大氣重污染，國(guó)務(wù)院先后印發(fā)并實(shí)施了《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（2013—2017 年）和《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》（2018—2020 年）。2017 年和 2020 年底，中國(guó)工程院分別對(duì)這 2 次清潔空氣行動(dòng)計(jì)劃的實(shí)施效果進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果證實(shí)了大氣污染治理的有效性[6]①生態(tài)環(huán)境部辦公廳. 關(guān)于《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》實(shí)施情況終期考核結(jié)果的通報(bào)（環(huán)辦大氣函〔2018〕367號(hào)）. (2018-06-01)[2021-12-24]. https://www.mee.gov.cn/gkml/sthjbgw/stbgth/201806/t20180601_442262.htm. 生態(tài)環(huán)境部召開(kāi)2月例行新聞發(fā)布會(huì). (2021-02-25)[2021-12-24]. http://www.mee.gov.cn/xxgk2018/xxgk/xxgk15/202102/t20210225_ 822424.html.。2021 年 3 月，《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和 2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》（以下簡(jiǎn)稱《十四五規(guī)劃》）將碳達(dá)峰、碳中和（“雙碳”）目標(biāo)上升到國(guó)家發(fā)展的戰(zhàn)略高度；這一目標(biāo)的落實(shí)需打破環(huán)境（大氣污染物）和氣候（溫室氣體）的界限，使得減污降碳協(xié)同增效成為未來(lái)工作的重中之重。

基于以上背景，本文詳細(xì)分析了清潔空氣行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施以來(lái)我國(guó)大氣污染物和溫室氣體的時(shí)空變化趨勢(shì)。結(jié)合《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》[7,8]、《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》[9,10]和《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》[11,12]分析了我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和末端治理實(shí)施情況對(duì)大氣污染物和溫室氣體時(shí)空格局的影響，闡釋出這一演變趨勢(shì)背后出現(xiàn)的問(wèn)題，并提出了初步解決方案，期望能為我國(guó)減污降碳協(xié)同增效目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 大氣污染和溫室氣體時(shí)空演變

我國(guó)東部平原地區(qū)人口眾多，重工業(yè)發(fā)達(dá)；中西部地區(qū)人口稀少，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后[8]?；诖耍狙芯恳浴昂鸁ㄓ咕€”為分界，將我國(guó)大陸分為東部地區(qū)（北京、天津、河北、黑龍江、吉林、遼寧、山東、河南、安徽、湖北、湖南、上海、江蘇、浙江、福建、廣東、廣西）和中西部地區(qū)（山西、內(nèi)蒙古、陜西、寧夏、甘肅、青海、新疆、四川、重慶、貴州、云南、西藏）。其中，中西部地區(qū)南、北產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有巨大差異：西南地區(qū)以水力發(fā)電為主，重工業(yè)較少；而西北地區(qū)以火力發(fā)電為主，重工業(yè)較多[8]。因此，將中西部地區(qū)以昆侖山—巴顏喀拉山—岷山—大巴山為界，分為西北地區(qū)（山西、內(nèi)蒙古、陜西、寧夏、甘肅、青海、新疆）和西南地區(qū)（四川、重慶、貴州、云南、西藏）?；谝陨系乩韯澐郑狙芯恳?2013 年和 2020 年大氣污染物②數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的74個(gè)重點(diǎn)城市觀測(cè)結(jié)果。和溫室氣體③數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN）觀測(cè)結(jié)果。數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì) 3 個(gè)區(qū)域大氣污染物和溫室氣體變化趨勢(shì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.1 大氣污染物

利用我國(guó)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的 74 個(gè)重點(diǎn)城市觀測(cè)結(jié)果，分析了 2013—2020 年 6 種主要污染物——粗顆粒物（PM10）、細(xì)顆粒物（PM2.5）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）的年際空間分布變化趨勢(shì)（圖1）。

圖1 2013—2020年我國(guó)東部、西北、西南地區(qū)6種主要大氣污染物濃度變化趨勢(shì)Figure 1 Annual trends of six major air pollutants in eastern, northwest, and southwest China from 2013 to 2020

結(jié)果表明，我國(guó)不同區(qū)域一次污染物（PM10、SO2和CO）和二次污染物（NO2、PM2.5和 O3）的變化趨勢(shì)有顯著差異。西北地區(qū) PM10、SO2和 CO 濃度的年均下降幅度最高，分別為 9.8 μg · m?3、5.7 μg ·m?3和 0.10 mg ·m?3；東部地區(qū) PM10、SO2和 CO 濃度的年均下降幅度居中，分別為 7.9 μg · m?3、4.3 μg · m?3和 0.07 mg · m?3；西南地區(qū) PM10、SO2和 CO 濃度的年均下降幅度最低，僅為6.8 μg · m?3、2.4 μg · m?3和 0.06 mg · m?3。西北地區(qū)典型一次污染物 PM10、SO2和 CO 濃度的年均降幅顯著大于東部和西南地區(qū)，這表明西北地區(qū)對(duì)以 SO2和 PM10為代表的一次污染物控制成效顯著。

與此形成鮮明對(duì)比的是，西北地區(qū)二次污染物的控制情況。西北地區(qū) NO2和 PM2.5濃度的年均下降幅度分別為 0.5 μg · m?3和 3.9 μg · m?3，顯著低于東部地區(qū)的 1.7 μg · m?3和 5.3 μg · m?3、西南地區(qū)的1.4 μg · m?3和 4.1 μg · m?3。

另外，西北地區(qū)另一重要二次污染物 O3濃度（8 h 滑動(dòng)最大值第 90 百分位數(shù)）呈現(xiàn)顯著的升高趨勢(shì)，年均升高幅度達(dá) 6.1 μg · m?3，顯著高于東部的 2.9 μg · m?3和西南地區(qū)的 0.9 μg · m?3。這一結(jié)果表明，西北地區(qū)二次污染程度正在惡化。

1.2 溫室氣體

利用中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)在全國(guó)布設(shè)的 5 個(gè)區(qū)域（河北興隆、吉林長(zhǎng)白山、新疆阜康、四川貢嘎山和廣東鼎湖山）背景站的蘇碼罐采樣（每周 1次）分析結(jié)果，分析了 2013—2020 年 CO2體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，我國(guó)東部地區(qū)的興隆、長(zhǎng)白山和鼎湖山 CO2體積分?jǐn)?shù)平均年際增長(zhǎng)值為 2.5×10?6；西南地區(qū)的貢嘎山 CO2體積分?jǐn)?shù)年際變化值稍高于東部地區(qū)，為 3.6×10?6；特別值得注意的是，西北地區(qū)的阜康 CO2體積分?jǐn)?shù)年際變化值高達(dá) 5.4×10?6（圖2），顯著高于我國(guó)其他地區(qū)。這一結(jié)果表明，西北地區(qū)已經(jīng)成為全國(guó) CO2排放的重要源區(qū)。

圖2 2013—2020年我國(guó)東部、西北和西南地區(qū)CO2體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)Figure 2 Annual trends of CO2 in eastern, northwest, and southwest China from 2013 to 2020

2 成因分析

CO2和 NO2主要來(lái)自化石燃料燃燒。西北地區(qū) CO2濃度大幅升高表明化石燃料在該區(qū)域使用量增加，而 NO2濃度下降幅度較低表明該區(qū)域可能存在末端治理設(shè)施投入和運(yùn)行不足的情況。以下將結(jié)合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、末端處理設(shè)施運(yùn)行和投入情況兩個(gè)方面討論我國(guó)不同地區(qū)大氣污染物和溫室氣體濃度變化的成因。

2.1 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整

我國(guó)東部地區(qū)人口集中，用電負(fù)荷大，但能源資源較為匱乏。與之對(duì)應(yīng)，西北地區(qū)人口稀少，用電負(fù)荷小，能源資源豐富。我國(guó)目前重要的能源分配方式之一是將西北地區(qū)的能源輸送到東部地區(qū)，用于電力生產(chǎn)或其他行業(yè)。然而，能源若在西北當(dāng)?shù)厥褂脛t具有降低運(yùn)輸成本和改善產(chǎn)業(yè)和能源結(jié)構(gòu)兩大優(yōu)勢(shì)。因此，立足優(yōu)勢(shì)資源，因地制宜能源高效利用，成為我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要手段。

近年來(lái)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)能源結(jié)構(gòu)改變的作用體現(xiàn)得淋漓盡致。對(duì)比 2013 年，2019 年?yáng)|部和西南地區(qū)能源使用量分別增加 11.7% 和12.8%。與此同時(shí)，西北地區(qū)能源使用量增長(zhǎng)達(dá) 27.0%。詳細(xì)分析能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，西南地區(qū)油品和燃?xì)庀拇蠓黾?，增加幅度分別達(dá)到 31.7% 和 70.2%；西北地區(qū)燃?xì)庀脑黾虞^多，達(dá) 60.6%。盡管如此，西北和西南地區(qū)的油品和燃?xì)庥昧亢嫌?jì)占當(dāng)?shù)啬茉聪M(fèi)的比例不超過(guò) 5%，所以并不是這 2 個(gè)區(qū)域能源消耗增加的主要方面。因此，煤炭使用成為西北地區(qū)能源消耗增加的關(guān)鍵因子。與 2013 年相比，2019 年我國(guó)東部和西南地區(qū)煤炭使用量分別從 27.1 億噸和 4.3 億噸降低到 26.1 億噸和 3.4 億噸。但同時(shí)，西北地區(qū)煤炭使用量卻從 11.8 億噸增加到 16.6 億噸，增幅高達(dá) 40.7%（圖3）。其中，新疆、寧夏、內(nèi)蒙古、山西和陜西煤炭使用量增加最為顯著，分別增加 66.9%、60.8%、40.4%、40.1% 和 24.9%。西北地區(qū)煤炭使用量的增加決定了該區(qū)域溫室氣體的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖3 我國(guó)東部、西北和西南地區(qū)2019年相比2013年能源使用增長(zhǎng)情況Figure 3 Growth rate of energy usage in eastern, northwest, and southwest China in 2019 compared with 2013

詳細(xì)分析我國(guó)工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量發(fā)現(xiàn)，煤炭消費(fèi)主要集中在電力供應(yīng)、黑色金屬冶煉及其他無(wú)機(jī)工業(yè)（如煉焦、硫酸、燒堿、純堿、化肥）產(chǎn)業(yè)上（圖4）。這些產(chǎn)業(yè)在西北地區(qū)的增量直接導(dǎo)致西北地區(qū)煤炭使用量的增加。與 2013 年相比，2019 年我國(guó)東部和西南地區(qū)火力發(fā)電增加 22.9% 和 ?0.9%，西北地區(qū)增幅卻高達(dá) 41.2%。西北地區(qū)向外輸出電量由 2013 年的 2 957.8 億千瓦時(shí)增加到 2019 年的 4 927.6 億千瓦時(shí)，增幅高達(dá) 66.6%。除此之外，西北地區(qū)生鐵、粗鋼、鋼材、焦炭、硫酸、燒堿、純堿和化肥產(chǎn)量亦大幅增加，增幅分別為 22.4%、31.7%、23.1%、12.5%、24.2%、42.3%、43.4% 和 25.2%。

圖4 我國(guó)東部、西北和西南地區(qū)2019年相比2013年主要工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量增長(zhǎng)率Figure 4 Growth rate of output of industrial products in eastern, northwest, and southwest China in 2019 compared with 2013

綜上，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，特別是電力、黑色金屬冶煉及其他無(wú)機(jī)化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，帶動(dòng)了煤炭使用的大幅增加，成為西北地區(qū)大氣污染趨于嚴(yán)重和溫室氣體持續(xù)升高的主要原因。

2.2 末端治理不完善

雖然西北地區(qū)煤炭的大量使用是大氣污染惡化的主要原因，但如果末端治理設(shè)施能同步跟上并嚴(yán)格管理，西北地區(qū)大氣污染應(yīng)能得到有效緩解。事實(shí)上，統(tǒng)計(jì) 2013 年和 2019 年工業(yè)廢氣處理設(shè)施裝機(jī)情況可以發(fā)現(xiàn)，與 2013 年相比，2019 年我國(guó)東部地區(qū)廢氣末端處理設(shè)施套數(shù)增加 109.5%，西南和西北地區(qū)僅增加 75.0% 和 64.3%。更糟糕的是，東部地區(qū)工業(yè)廢氣治理運(yùn)行費(fèi)用增加 66.1%，而西北和西南地區(qū)僅增加 48.7 和 24.9%（圖5）。這說(shuō)明我國(guó)中西部地區(qū)不僅工業(yè)廢氣治理設(shè)備裝機(jī)量嚴(yán)重滯后，工業(yè)廢氣治理運(yùn)行過(guò)程中的后續(xù)投入也明顯不足。

由于不同區(qū)域燃煤量有較大差異，為了區(qū)分單位煤炭工業(yè)廢氣處理能力，本研究分別計(jì)算燃煤量和工業(yè)廢氣治理設(shè)施數(shù)的比值，以及工業(yè)廢氣治理運(yùn)行費(fèi)用和燃煤量的比值，以獲得廢氣治理設(shè)施負(fù)荷和單位煤炭治理投入（圖5）。相比于 2013 年，2019 年?yáng)|部和西南地區(qū)廢氣治理設(shè)施負(fù)荷分別從 16 000 噸/套和 17 000 噸/套下降到 7 000 噸/套和 7 000 噸/套，廢氣治理設(shè)施負(fù)荷分別下降 54.0% 和 54.8%，大氣污染物治理效率大幅提升。西北地區(qū)廢氣治理設(shè)施負(fù)荷從 31 000 噸/套下降到 27 000 噸/套，降幅僅為 14.4%。較高的廢氣治理設(shè)施負(fù)荷表明西北地區(qū)工業(yè)廢氣治理設(shè)施裝機(jī)量嚴(yán)重滯后。除此之外，東部和西南地區(qū)單位煤炭治理投入分別從 2013 年的 39.7 元/噸和 35.4 元/噸增加到 2019 年的 68.3 元/噸和 55.9 元/噸，廢氣治理投入分別增加 72.2% 和 57.8%。西北地區(qū)單位煤炭治理投入?yún)s變化較小，僅從 22.8 元/噸增加到 24.1 元/噸，增加幅度（5.7%）顯著低于東部和西南地區(qū)。這一結(jié)果也被《2020 年度鋼鐵行業(yè)環(huán)境評(píng)估報(bào)告》④2020年度鋼鐵行業(yè)環(huán)境評(píng)估報(bào)告. (2021-10-15)[2021-12-24]. http://www.chinaisa.org.cn/gxportal/xfgl/portal/content.html?articleId=9e6e 6f12a7e94bb3dd753d290957424da5e31b8e1850db8b4dfe17db7defd6ba&columnId=3683d857cc4577e4cb75f76522b7b82cda039ef70be46e e37f9385ed3198f68a.所證實(shí)。

圖5 我國(guó)東部、西北和西南地區(qū)2019年相比2013年工業(yè)廢氣治理設(shè)施變化率Figure 5 Growth rate of industrial waste gas treatment facilities in eastern, northwest, and southwest China in 2019 compared with 2013

綜上，西北地區(qū)工業(yè)廢氣治理設(shè)施裝機(jī)量嚴(yán)重滯后及后續(xù)投入的治理費(fèi)用不足是導(dǎo)致大氣污染現(xiàn)象向西北遷移的另一重要原因。

3 對(duì)策建議

我國(guó)西北地區(qū)干旱少雨，生態(tài)環(huán)境脆弱，空氣質(zhì)量惡化和氣候變化會(huì)讓當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境雪上加霜。同時(shí)，受西風(fēng)帶影響，西北地區(qū)大氣污染物和溫室氣體會(huì)向東部地區(qū)輸送，從而影響東部地區(qū)大氣環(huán)境[13]。在電力供應(yīng)和重工業(yè)向西北遷移的同時(shí)，末端治理設(shè)施處理能力未能及時(shí)跟上，兩類因素共同誘發(fā)我國(guó)大氣污染和碳排放高值區(qū)從東部向西北地區(qū)遷移的趨勢(shì)。防控大氣污染和碳排放向西北遷移：政策是導(dǎo)向，技術(shù)是核心，管理是關(guān)鍵。為避免西北地區(qū)重蹈“先污染后治理”的覆轍，提出 2 點(diǎn)對(duì)策建議。

3.1 因地制宜，深化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)改革

我國(guó)西北地區(qū)在清潔能源儲(chǔ)量上擁有 2 個(gè)得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)：① 干旱少云，日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)能儲(chǔ)量豐富，可開(kāi)發(fā)儲(chǔ)量占全國(guó)的 82.6%。② 溫差大，植被覆蓋少，風(fēng)能儲(chǔ)量豐富，可開(kāi)發(fā)儲(chǔ)量占全國(guó) 53.5%[14]。雖然西北地區(qū)清潔能源儲(chǔ)量豐富，但由于風(fēng)能和太陽(yáng)能存在天然的供能穩(wěn)定性不足，以及電力輸送和存儲(chǔ)技術(shù)滯后等問(wèn)題，“棄風(fēng)棄電”現(xiàn)象在該區(qū)域普遍存在[15]。因此，大氣污染和碳排放高值區(qū)向西北遷移并不是因?yàn)檫M(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)改革，恰恰是因?yàn)楫a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)改革不到位、不智能、不徹底。

為了改善這種狀況，應(yīng)以《中共中央 國(guó)務(wù)院關(guān)于新時(shí)代推進(jìn)西部大開(kāi)發(fā)形成新格局的指導(dǎo)意見(jiàn)》為準(zhǔn)繩，改變“西電東送”的格局，推進(jìn)高耗能產(chǎn)業(yè)向西部遷移，讓“西電”就地消納。具體可通過(guò)降低東部地區(qū)能耗指標(biāo)，增加西北地區(qū)能耗指標(biāo)，倒逼高耗能產(chǎn)業(yè)從東部向西北地區(qū)遷移，這將從根本上破解電力遠(yuǎn)距離運(yùn)輸和本地消納的難題，提高清潔能源利用率。這一策略不僅能推進(jìn)東部地區(qū)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、促進(jìn)西北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還能引導(dǎo)重污染企業(yè)從“高耗能、高排碳”向“高耗能、低排碳”模式轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)在不犧牲經(jīng)濟(jì)發(fā)展的前提下達(dá)成“雙碳”目標(biāo)。

3.2 秉要執(zhí)本，推進(jìn)氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物減排

清潔能源的開(kāi)發(fā)和使用不是一蹴而就的。在清潔能源開(kāi)發(fā)的增長(zhǎng)期，強(qiáng)化大氣污染物排放的末端處理能力是改善空氣質(zhì)量的唯一途徑。西北地區(qū)應(yīng)充分吸取東部地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提高規(guī)模以上行業(yè)（尤其是電力和非電工業(yè)）大氣污染物末端處理設(shè)施的裝機(jī)量，增加治理設(shè)施運(yùn)行過(guò)程中的資金投入，加強(qiáng)末端治理設(shè)施的監(jiān)管。

大氣污染防治策略執(zhí)行多年以來(lái)，SO2和 PM2.5減排潛力逐漸被壓縮，氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物是目前我國(guó)大氣污染物減排的核心物種。依據(jù)《十四五規(guī)劃》中“氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物排放總量下降10%以上”的新要求，建議以黑色和有色金屬冶煉等無(wú)機(jī)工業(yè)為重點(diǎn)推進(jìn)氮氧化物減排，以黑色和有色金屬冶煉、石油化工、油品儲(chǔ)運(yùn)等行業(yè)為重點(diǎn)推進(jìn)揮發(fā)性有機(jī)物減排，最終實(shí)現(xiàn)高耗能產(chǎn)業(yè)的大氣污染深度治理，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境治理的協(xié)同增效。