野火排放与美国黑碳和PM₂.₅污染及死亡负担长期趋势研究

《柳叶刀-星球健康》（The Lancet Planetary Health）近日发表一项来自美国马里兰大学韦晶、李占清和爱荷华大学王俊联合团队的空气质量与环境健康研究。研究发现，美国近年来不断增加的野火严重削弱了因实施清洁空气政策带来的空气质量改善的长期趋势，全国范围PM2.5和黑碳浓度及过早死亡人数的下降速度明显减缓，特别在火灾频发的美国西部甚至发生逆转：即空气污染愈发严重和死亡负担显著增加；若考虑黑碳更大的健康效应时，恶化速率会显著加快。研究发现因火灾烟雾污染造成的死亡人数远高于野火导致的直接死亡人数，与此同时，气溶胶成分对健康的危害程度也在增加。本研究为野火对空气质量和死亡负担的影响以及未来防控提供了参考依据。识别二维码或点击文末“阅读原文”，阅读研究原文。

背景

PM2.5对空气质量、气候变化和公共卫生产生重要影响。在过去的十年中，美国大陆改善空气质量和公共健康的长期趋势受到了不断增加的火灾排放的干扰，这可能抵消了人为排放的下降。公众对于PM2.5污染对健康结果的长期和急性影响有很高的认识，而关于野火排放产生的黑碳（BC）对具体健康影响的认识却非常有限，特别是关于全美国长期BC估算的研究较少。本研究旨在估算美国BC和PM2.5浓度及可归因的死亡负担长期变化趋势。

方法

研究团队利用深度学习从2000年到2020年在美国以1km分辨率获得了PM2.5及其高毒性的BC成分的无缝隙日浓度数据，整合了来自卫星、大气再分析和和模式模拟等大数据。为了提供模型结果的空间代表性和进一步增强在野火烟事件期间反演精度，模型里整合了美国以城市和农村为主导的EPA和IMPROVE观测网路，以及纳入了美国森林服务局和西部地区气候中心的野火发生的PM2.5观测数据。与零星的地基观测值相比，通过深度学习模型获得的全美国逐日PM2.5和BC均与地面实测值比较接近，交叉验证相关系数CV-R2分别为0.82和0.80。利用PM2.5和BC浓度-暴露响应函数估算了每个1km2网格的PM2.5和BC可归因的死亡负担。研究获得并分析了过去二十年间美国PM2.5和BC污染的长期变化趋势，以及野火对空气质量和公共健康的影响。

结果

美国PM2.5和BC在2000年至2020年间分别显著下降了22%和11%，导致每年过早死亡人数减少约4200人（95%置信区间2960-5050）。然而，空气质量和过早死亡下降趋势在第一个十年更为显著，而在第二个十年明显减缓，局部地区出现逆转。美国东部呈现出更为一致的持续下降趋势，相反，自2010年以来，两者下降趋势在美国西部已逆转为上升，并且表现出较大的年际波动，这是由于野火的不断增多导致的，造成的PM2.5相关死亡人数约为每年670人（95% CI 460-810），更重要的是，如果我们考虑BC对健康更大的毒性时，这一数字将增加到930人。这一数字远高于野火直接造成的伤亡人数（全美近十年每年约只增加89人死亡）。如果从月均值中去除去与大火相关的日异常值，则导致PM2.5浓度呈现显著下降的趋势。此外，美国各地的BC与PM2.5浓度比例以每年2.4%的速度在增加，主要原因是美国西部野火排放的增加以及美国东部PM2.5其它化学成分的更快减少，这也暗示了空气中PM2.5相对毒性的潜在增加。在2000年至2020年期间，美国100%、99% 和85%的人口区域至少有1天、1周和1个月暴露在不健康的空气污染中，超过了每日15μg/m3的空气质量指南水平。研究还发现近年来的广泛野火极大地增加了美国西部的每日暴露风险，并因烟雾的远程输送也影响了美国中东部地区的空气质量。

图1.美国2000-2020年年平均以及火季（7-10月）空气污染和死亡负担时间序列曲线图,其中I-L中的橙色线和蓝色线分别表示考虑或不考虑BC较大毒性时与PM2.5相关的过早死亡估计值图2.美国火灾季节（7-10月）PM2.5、BC、BC与PM2.5比率的多年（2000-2020）年平均空间分布及不同研究时间段的变化趋势

附加价值（Added value）

本研究通过探究野火对美国长期空气质量和公共健康负担的影响评估，进一步推动了空气污染研究进展。利用卫星遥感和人工智能首次估算了每日空间完整覆盖的1km分辨率的PM2.5和BC浓度，较详尽地揭示了从2000年到2020年美国各地因空气质量改变引起的死亡风险的变化，尤其是近年来美国西部野火增加引起的全国空气质量改善减缓、西部地区恶化的趋势，以及由此产生的死亡负担的增加。当考虑BC的更大毒性时，PM2.5在美国西部每年导致的过早死亡人数大幅增加。空气质量改善措施带来的健康益处被野火严重抵消。

解释

美国西部野火变得越来越频繁和强烈，火灾产生的烟可随大气环流输送到美国中东部人口密集地区，造成大范围空气污染显著增加。这种增加往往会抵消甚至掩盖人为排放的减少，加剧空气污染，增加患病和死亡的风险。本发现从另一个角度说明气候变化也间接影响空气质量，其影响程度抵消甚至超过人类所付出的努力。研究也强调了野火生成的BC在分析死亡负担方面的重要性。为了维护公共健康，除了减缓气候变暖外，通过实施有效政策来降低火灾风险，包括进行野火预防和管理、森林恢复等，有望在未来几十年内显著改善空气质量并提高公共健康收益。END

团队介绍：

马里兰大学韦晶助理研究员/科学家为论文第一兼通讯作者，爱荷华大学王俊教授和马里兰大学李占清教授为共同通讯作者。主要作者包括NOAA Shobha Kondragunta科学家，乔治华盛顿大学Susan Anenberg 教授、中国地质大学（武汉）王轶教授、爱荷华大学张焕鑫博士、加州理工/喷气推进实验室David Diner 科学家，NASA Alexei Lyapustin、Ralph Kahn、Peter Colarco、Arlindo da Silva 科学家，以及马里兰大学-巴尔的摩分校Charles Ichoku 教授等。研究赞助信息请到原文查看。

参考文献

1.Reid CE, et al. Critical review of health impacts of wildfire smoke exposure. Environ Health Perspect 2016; 124(9): 1334-43.

2.Pope CA, et al. Mortality risk and fine particulate air pollution in a large, representative cohort of U.S. adults. Environ Health Perspect 2019; 127(7): 077007.

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4.Hand JL, et al. Thirty years of the Clean Air Act amendments: impacts on haze in remote regions of the United States (1990-2018). Atmos Environ 2020; 243: 117865.

5.WHO. WHO global air quality guidelines. Particulate matter (PM2.5 and PM10), ozone, nitrogen dioxide, sulfur dioxide and carbon monoxide. Geneva: World Health Organization, 2021, License: CC BY-NC-SA 3.0 IGO.

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中文翻译由作者团队提供，仅供参考，所有内容以英文原文为准。

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