美国住宅木材燃烧产生的PM2.5对环境空气质量及健康影响研究

《SCIENCE ADVANCES》：Ambient air quality and health impacts of PM2.5 from US residential wood combustion

本研究针对美国住宅木材燃烧（RWC）这一虽仅占家庭主要供暖2%却贡献冬季PM2.5排放28%的重要污染源，利用高分辨率（4公里）空气质量模型和最新国家排放清单，评估其冬季对美国本土的环境与健康影响。研究发现RWC导致人口加权平均PM2.5浓度增加2.43微克/立方米（占比21.9%），每年约造成8600例过早死亡，且非白人社区尤其在城市地区承受不成比例的污染负担。研究结果表明，针对RWC的政策干预可有效改善空气质量、促进健康公平。

　　

在寒冷的冬夜，壁炉里跳跃的火焰常被视为温暖与舒适的象征。然而，这看似自然的取暖方式背后，却隐藏着不容忽视的公共健康危机。住宅木材燃烧（RWC）虽然仅是美国2%家庭的主要供暖燃料，但其在冬季细颗粒物（PM_2.5）排放中的贡献高达约28%，这一巨大的反差使其成为空气污染治理中一个极具潜力的靶点。PM_2.5作为美国环境保护署（EPA）规定的标准污染物，与呼吸系统、心血管疾病及过早死亡风险增加密切相关。全球范围内，环境PM_2.5每年导致约490万人死亡，而在美国，这一数字估计在9.5万至30万之间，且暴露风险在不同人口群体中分布不均。尽管RWC的排放重要性随着车辆和发电厂等主要污染源排放的下降而相对上升，但利用最新数据对其空气质量、健康及分布影响进行全面评估的研究仍属空白。在此背景下，研究人员在《科学进展》（SCIENCE ADVANCES）上发表了最新研究成果，旨在利用高精度模型量化RWC的影响，为制定有针对性的环境政策提供科学依据。

研究人员主要采用了高分辨率化学传输模型（CTM）模拟、基于最新国家排放清单（NEI）的排放处理、健康影响评估及分布公平性分析等关键技术方法。研究数据源于美国环境保护署2023年发布的2020年国家排放清单，并利用美国社区调查（ACS）等数据进行空间分配和人口统计。

RWC PM_2.5浓度

通过高分辨率（4公里）的两向耦合天气研究与预报-社区多尺度空气质量模型（WRF-CMAQ）模拟，研究发现RWC对美国本土冬季PM_2.5浓度有显著贡献，平均贡献浓度为1.08微克/立方米，占模拟总浓度的21.4%。人口加权平均RWC相关PM_2.5浓度为2.43微克/立方米（占21.9%）。浓度分布呈现明显的东、西部差异：东部地区平均浓度更高（1.51微克/立方米），而西部地区虽然平均浓度较低（0.56微克/立方米），但由于人口集中在污染热点区域，其人口加权平均浓度反而更高（2.62微克/立方米）。研究还发现，与普遍认知不同，RWC造成的PM_2.5污染热点更多出现在城市地区（平均浓度2.47微克/立方米），而非农村地区（1.04微克/立方米）。在主要核心统计区（CBSA）中，费城和丹佛的RWC PM_2.5影响尤为突出。此外，即使在洛杉矶等传统意义上的“温暖气候”城市，由于冬季部分时间温度低于供暖度日阈值，也观测到了显著的RWC PM_2.5浓度。

排放与浓度的差异——以纽约市CBSA为例

研究以纽约市CBSA为例，揭示了PM_2.5排放量与模拟浓度之间仅存在中等程度的空间相关性（r = 0.58）。排放主要集中在扬克斯和长岛等郊区，而模拟的PM_2.5浓度则在CBSA域内分布更为均匀，包括排放量很低的市中心密集区域也出现了浓度升高。这表明，仅凭排放清单不足以准确预测人群暴露水平，凸显了使用耦合了气象和大气化学过程的空气质量模型对于分析污染影响的重要性。

RWC PM_2.5可归因健康影响

基于模拟浓度和人口数据，研究评估了冬季RWC PM_2.5暴露导致的健康影响。估计每年约有8600例（95%置信区间：6500至9600）过早死亡与冬季RWC PM_2.5相关，约占冬季PM_2.5总可归因过早死亡估计值（约38900例）的22%。在CBSA层面，费城和丹佛的可归因死亡率最高，而迈阿密、凤凰城等南方城市的死亡率相对较低，但这些城市合计每年仍有约360例过早死亡与RWC污染相关。

分布影响

研究深入分析了RWC污染暴露及其健康影响在不同种族/族裔群体间的分布差异。分析发现，健康影响的相对差异不仅由暴露浓度驱动，也受到基线死亡率（BMR）的影响。例如，美国黑人群体虽然暴露于接近平均水平的RWC PM_2.5浓度，但其可归因死亡率比美国本土平均水平高出约8%，这主要源于其基线死亡率高出平均水平约7%。相反，亚裔群体暴露于比平均水平高17%的浓度，但由于基线死亡率低28%，其可归因死亡率反而低于平均水平。在主要大都市区（CBSA），如洛杉矶、芝加哥和纽约，分析显示，随着RWC PM_2.5浓度和可归因死亡率分位数的升高，白人人口比例下降，表明有色人种社区承受着不成比例的RWC污染负担。值得注意的是，在芝加哥、纽约和洛杉矶等城市，黑人人口比例与RWC PM_2.5浓度相关性较弱，但与可归因死亡率呈强正相关，突显了潜在人口脆弱性在驱动公共健康结果中的重要作用。使用种族/族裔特异性浓度反应函数进行的敏感性分析进一步强化了模拟中的不平等现象。

本研究利用最新的排放清单和高分辨率模型，更新并深化了对美国住宅木材燃烧（RWC）影响的认识。研究证实，RWC是冬季PM_2.5的重要来源，导致了显著的过早死亡，并且其健康负担不公平地落在了有色人种社区，尽管这些社区的排放贡献往往低于平均水平。研究的局限性包括排放清单的不确定性、模拟时间仅限于一个月未能代表全年变化、以及缺乏针对木材燃烧来源PM_2.5的长期健康效应特异性浓度反应函数等。尽管存在这些局限，本研究仍为当前最前沿的评估，强调了针对RWC采取减排措施的巨大潜力和公共健康效益。研究指出，由于RWC产生的污染具有跨区域传输特性，政策干预需要在区域（如CBSA）或更大尺度上展开，方能有效改善空气质量、减少健康不平等，并产生协同气候效益。未来的研究方向包括进一步改进排放清单、扩展模拟时间尺度、以及开展针对木材燃烧源PM_2.5长期健康影响的流行病学研究。