尼泊尔一次源含碳气溶胶的排放特征研究

2023-11-04闫菊平王小萍龚平高少鹏

生态环境学报 2023年8期

闫菊平，王小萍，龚平，高少鹏

中国科学院青藏高原研究所/青藏高原地球系统与资源环境全国重点实验室，北京 100101

含碳气溶胶的主要组成是黑碳（elemental carbon，EC）和有机碳（organic carbon，OC）。南亚地区的含碳气溶胶可以长距离传输进入青藏高原，沉积在冰川中（Cong et al.，2015）。例如，喜马拉雅山脉冰川的黑碳主要来自于南亚的生物质燃烧（54%±11%）和化石燃料燃烧（46%±11%）（Li et al.，2016）。此外，大气观测也表明青藏高原纳木错地区冬季棕碳气溶胶也来自于南亚的长距离传输（Wu et al.，2018）。鉴于含碳气溶胶具有吸光性，可通过改变太阳辐射而影响全球气候（Venkataraman et al.，2005；Chung et al.，2012；Wang et al.，2015），可沉积在冰川上加剧冰川消融（Shivani et al.，2019）。研究南亚地区的含碳气溶胶排放对保护青藏高原环境具有重要的意义。

在南亚发展中国家，生物质燃烧和机动车尾气排放是大气污染的重要来源（Zhao et al.，2010；Inomata et al.，2015）。例如，在尼泊尔，2008－2009年的能源消耗高达4.01×109GJ，其中生物质燃烧占总能源消耗的87%（Rupakheti et al.，2019）。此外，随着尼泊尔经济和生活水平的发展，城市地区机动车数量也在急剧增加。从1989 年有统计数据开始，截止2018 年，尼泊尔机动车的总数量增加了46 倍（DOTM，2019）。因此，评估机动车尾气排放的含碳气溶胶的研究具有重要意义。

排放因子（emission factor，EF）是反映一次源排放特征的重要参数，影响排放清单的准确性。目前，一次源含碳气溶胶的排放因子获取方法主要分为两类：燃烧箱模拟实验（Saud et al.，2012；Sen et al.，2014）和野外实测（Pandey et al.，2017；Adhikari et al.，2020）。其中实验室燃烧箱模拟野外燃烧过程，具有实验结果的可重复性高，实验平行性好，数据结果稳定等优点，但缺点是无法模拟野外环境中的气象、地形和燃料的湿度等因素（Roden et al.，2006；Roden et al.，2009；Wu et al.，2016），导致实验室和真实野外的排放因子值有显著差异（Dhammapala et al.，2007；Roden et al.，2009）。因此，为了获得更接近于真实的排放因子值，需在野外条件下实测污染物的排放因子（Zhao et al.，2011；Upadhyay et al.，2020），为准确估算含碳气溶胶的排放清单提供基础数据。

尽管，目前南亚地区的OC 和EC 的排放因子已有野外实测的相关报道（Stockwell et al.，2016），但对于水溶性有机碳（water soluble organic carbon，WSOC）的实测排放因子研究仍较为有限。已有研究表明，水溶性有机碳中的吸光成分（棕碳）可在大气层顶产生正的辐射强迫（Feng et al.，2013），因此明确水溶性有机碳的排放因子，有助于准确的评估其排放清单，为进一步准确估算其辐射强迫提供基础数据。

本研究在南亚尼泊尔地区实地测定了生物质燃烧和机动车尾气产生的OC、EC 和WSOC 的排放因子。基于本次实测以及前人报道的排放因子，本研究估算了年排放量。此外，本研究分析了污染物排放的主要影响因素，从而提出了相关的减排建议。

1 材料与方法

1.1 采样点介绍

尼泊尔作为南亚的发展中国家，其大气污染已成为南亚乃至第三极地区严重环境问题（Chen et al.，2020）。研究发现尼泊尔排放的多种污染物可以翻越喜马拉雅山进入我国青藏高原地区。尼泊尔以农业、烹饪和供暖为目的的生物质燃烧，直接排放大量的含碳气溶胶，而且，由于机动车保有量的急剧增加，机动车尾气排放也已成为尼泊尔大气污染的重要来源。基于此，本研究选取尼泊尔的首都加德满都，分别采集生物质燃烧样品和机动车尾气样品。采样位置为中国科学院加德满都科教中心（KCRE，27°39′N，85°17′E）的观测场（图1a）。

1.2 生物质燃烧样品和机动车尾气样品采集

在尼泊尔，红松和桤木是常见的薪柴。每逢收割时节，露天焚烧玉米秸秆和水稻秸秆是普遍的现象。尼泊尔的森林覆盖面积较广，其中的针叶林是在加德满都地区分布较多的树种，在森林火灾中，森林凋落物都是常见的燃料。此外，尼泊尔寺庙的宗教焚香活动也会排放含碳气溶胶。因此，本研究对当地泥炉燃烧薪柴，露天焚烧秸秆、森林凋落物和焚香活动的一次源样品进行采集（图1b）。所有燃料均在自然条件下干燥（湿度为12%），并根据当地人的方式和习惯进行自然燃烧。本研究的采样装置图及详细的采样过程，可参见文献（Yan et al.，2022）。

本研究选取了尼泊尔当地常见的3 种类型的交通工具（图1c）。其中，包括居民常用的两轮-摩托车（汽油燃料），小型汽车（柴油汽车）以及中型的柴油公交车。为了研究不同行驶速度对排放量的影响，本研究在低速（10 km·h-1）、中速（40 km·h-1）和高速（70 km·h-1）3 种行驶状态进行大气颗粒物的样品。详细的采样过程，可参见文献（Yan et al.，2022）。

1.3 OC、EC 和WSOC 的浓度测定

本研究使用热/碳分析仪（DRI 2001 型，Atmoslytic Inc.，加利福尼亚，美国），按照Interagency Monitoring of Protected Visual Environments（IMPROVE-A）热/光反射率方法，对所有样品中的OC 和EC 浓度进行了分析。该方法对OC 和EC 的检测下限可以分别达到C 0.05 μg·cm-2。

本研究中WSOC 的含量测定使用的仪器为总有机碳分析仪（TOC-L，岛津，日本），采用的程序方法为不可吹除有机碳法（Wu et al.，2019）。前处理过程如下，首先裁剪2 cm2的石英纤维滤膜溶于5 mL 超纯水（18.2 Ω）中，超声30 min，然后用PTFE 多孔注射器过滤器（0.45 μm）过滤后，收集到的滤液为WSOC，对其进行总有机碳分析，获得WSOC 的含量。本次研究未专门测定甲醇溶液中有机碳的浓度（MSOC），根据前人的计算方法（董书伟，2020），将OC 的浓度乘以系数0.85 代替MSOC的浓度，方法不确定性为5%。

1.4 排放因子的计算和排放量的估算

生物质燃烧排放的含碳气溶胶的排放因子的计算（Saud et al.，2012），如式（1）所示

式中：

mpollutant——污染物EC，OC，WSOC 和MSOC的质量（g）；

mbiomass——生物质燃料的质量；

Fi——污染物的排放因子。

生物质燃烧排放的含碳气溶胶的排放量的估算（Sen et al.，2014），如式（2）所示：

式中：

Ei——排放量；

Ai——活动水平，获取于尼泊尔的水和能源委员会（WECS，2010）；

i——燃料类型；

Fi——污染物的排放因子。

机动车尾气排放的含碳气溶胶的排放因子的计算（Perrone et al.，2014），如式（3）所示：

式中：

mpollutant——污染物EC、OC、WSOC 和MSOC的质量（g）；

v——机动车行驶的速度（km·h-1）（怠速，10 km·h-1；匀速，40 km·h-1；和高速，70 km·h-1）；

t——行驶的时间(s)。

机动车排放的含碳气溶胶排放量的估算（Perrone et al.，2014），如式（4）所示：

式中：

Ei——污染物的年排放量；

Ni——机动车的数量，获取自尼泊尔交通部（DOTM，2019）；

M——机动车的里程数；

Fi——污染物的排放因子。

2 结果与讨论

2.1 生物质燃烧OC、MSOC、WSOC 以及EC 的排放因子

居民炉灶燃烧木材和露天生物质焚烧产生的含碳气溶胶的排放因子，如图2 所示。居民炉灶燃烧桤木和红松产生的OC、MSOC 和EC 的排放因子没有显著性差异，而WSOC 的排放因子具有显著性差异（ttest，P＜0.05，表1）。桤木燃烧的EFWSOC(53±6) g·kg-1高于红松燃烧的EFWSOC(39±17)g·kg-1，表明居民炉灶使用不同的燃料，对WSOC的排放因子有影响。对比居民炉灶和露天燃烧两种燃烧方式，如图1 所示，炉灶燃烧木材（取桤木和红松排放因子的平均值）的EFMSOC(44±6.6) g·kg-1和EFWSOC(46±9.8) g·kg-1高于露天焚烧秸秆（取水稻和玉米秸秆排放因子的平均值）的 EFMSOC(8.2±2.5) g·kg-1和EFWSOC(6.9±1.8) g·kg-1。在今后的研究中，应该在燃料统一的前提下，对比不同燃烧方式，以进一步分析原因。总之，无论是居民炉灶燃烧木材还是露天焚烧生物质，形成的含碳气溶胶中，OC 占主要部分，约为总碳的85%－95%。WSOC 占OC 的55%－91%，而EC 占的比例最小（1%－17%）（图1）。

图2 不同燃料燃烧排放的含碳气溶胶的排放因子Figure 2 The EFs of carbonaceous aerosols from different kinds of biomass fuels

表1 不同生物质燃烧产生的EFWSOC的t 检验Table 1 Significance (P) of t-test for the EFs of WSOC emitted from various biomass combustion

在尼泊尔，焚香是当地的常见的宗教活动之一。然而，目前对焚香活动产生的含碳气溶胶的排放因子没有报道。本研究对焚香活动产生的含碳气溶胶进行分析，结果表明，不同于其他生物质燃烧过程（先明燃，后阴燃），焚香活动整个燃烧过程只有阴燃阶段。相比于居民炉灶燃烧木材和露天生物质燃烧，焚香活动产生的OC、MSOC、WSOC 和EC 排放因子较高，分别可达 (658±103)、(559±88)、(566±70)和(4±0.7) g·kg-1。尽管目前尼泊尔没有关于焚香的人类活动水平统计数据，但是焚香活动的排放因子较高，可能对区域气溶胶的毒性和气候效应有影响，后期仍值得深入研究。

2.2 机动车尾气中的OC、MSOC、WSOC 以及EC 的排放因子

图3 是尼泊尔加德满都主要的机动车类型（摩托车、公交车和汽车）对OC、MSOC、WSOC 和EC 的排放因子。在怠速和匀速下，摩托车（汽油）的OC 排放因子明显高于柴油汽车和柴油公交车（ttest，P＜0.05，表2），表明，机动车排放的EFOC与燃料类型有关。而在高速下，柴油汽车的EFOC显著高于柴油公交车的EFOC（ttest，P＜0.05，表2），表明，机动车的类型对EFOC的值也有影响。

表2 不同机动车尾气排放的EFOC、EFMSOC、EFWSOC和EFEC的t 检验Table 2 Significance (P) of t-test for EFOC, EFMSOC, EFWSOC and EFEC emitted from various vehicles

研究表明，机动车EC 的排放与车速有关（Forestieri et al.，2013）。Zheng et al.（2015）进一步明确了EC 的排放与车速之间的关系表达式，并指出EC 的排放随着车速的增加，呈现降低的趋势（特别是在公交车车速小于20 km·h-1），而当车速大于55 km·h-1，EC 的排放呈现增加趋势。在北京奥运会交通管控期间，公交车的车速从20 km·h-1提升至37 km·h-1，EC 的排放量降低17%（Zhou et al.，2010；郑轩，2016）。在公交快速道上运行的车速将从15 km·h-1提高到26 km·h-1，这一举措可以带来30%的EC 减排收益（Deng et al.，2013；郑轩，2016）。因此，调整机动车的车速，已成为EC 减排新策略。

本研究对尼泊尔机动车在不同行驶状态下的EFEC进行t检验，如表3 所示。柴油汽车EC 排放在均速状态明显低于怠速状态（ttest，P＜0.05，表3）；柴油公交车在怠速状态明显高于高速状态的EFEC（ttest，P＜0.05，表3），这表明，对于尼泊尔当地的柴油汽车和公交车，机动车的行驶速度也会影响其EFEC的值，将柴油汽车的速度从怠速提高至匀速，有助于EC 的减排。

本研究对比了汽油和柴油燃料机动车排放的EC 占OC 的比值，如图4a 所示。汽油摩托车的EC/OC 占比为4%±3%，而柴油公交车的占比为20%±19%。因此，柴油燃料相比于汽油排放的EC较高，这一结论与前人的研究结果一致（Alves et al.，2015）。除了OC 和EC，WSOC 的排放在不同的燃料中占比也具有明显的差异，如图4b 所示。其中，汽油燃料排放的WSOC 仅占OC 的1.4%±0.4%，而柴油汽车和公交车排放的WSOC 占OC 的值分别为38%±0.6%和54%±19%，表明，相对于汽油，使用柴油为燃料，排放的WSOC 更多，因此限制柴油的使用，有助于降低WSOC 的排放。

图4 不同机动车类型和行驶状态下碳排放的差异Figure 4 The difference in carbon emissions of various vehicle types and driving conditions

2.3 与前人的研究结果对比

表4 列出了本研究的泥炉燃烧木材产生的OC和EC 的排放因子与其他研究的对比结果。泥炉相比其他类型的炉灶产生的OC 的排放因子更高（表4），而改进后的炉子明显降低了泥炉、金属炉子和砖炉的OC 的排放因子（表4）（Li et al.，2009；Shen et al.，2013a）。Akagi et al.（2011）在总结了大量的实验数据，获得了农作物秸秆焚烧产生的OC 和EC的排放因子平均值（OC：2.3 g·kg-1；EC：0.75 g·kg-1，表4）。然而，本研究中的农作物秸秆焚烧产生的OC(9.7±3.0) g·kg-1的排放因子高于前人的研究结果（Akagi et al.，2011）。如表4 所示，野外实测居民炉灶和露天焚烧农作物秸秆获得的OC 和EC 的排放因子明显高于实验室模拟获得的排放因子值（Akagi et al.，2011；Saud et al.，2012；Sen et al.，2014）。此结论与前人的研究结果相一致（Roden et al.，2009；Shen et al.，2013b），表明在今后评估含碳气溶胶的排放量时应该更加关注野外实测下获得的排放值。

表4 生物质燃烧产生的OC 和EC 的排放因子与其他研究的对比Table 4 EFs of OC and EC obtained from biomass burning in this study and compared with earlier results

除了OC、EC 的排放因子之外，将本研究的WSOC 排放因子与其他研究对比，结果发现，同为露天焚烧秸秆，本研究的值[EFWSOC：(6.9±1.8)g·kg-1；EFMSOC：(8.2±2.5) g·kg-1，图2]与Stockwell et al.（2016）的研究结果相近 (10.9±6.5) g·kg-1。然而，同为森林火灾排放，本研究的值[EFWSOC：(17±13) g·kg-1，图2]明显高于前人的WSOC 排放因子值（1—1.4 g·kg-1）（Aurell et al.，2013），可能的原因是烟气采集方法的不同所致。本研究是直接采集排放的烟气，未经大气稀释过程，而前人在南美测试森林火灾的排放是通过采集火灾地点上空的大气，因此可能导致WSOC 排放因子偏低。

研究表明，柴油氧化催化尾气处理系统，可以明显降低OC 的排放，而对EC 的排放没有明显影响（Tang et al.，2007）。本研究的柴油汽车的EFEC(0.08±0.01) g·kg-1与前人的结果（0.04 g·kg-1）相近，而柴油汽车的EFOC(0.44±0.03) g·kg-1明显高于前人研究（EFOC：0.02 g·kg-1）（Alves et al.，2015），原因可能是本研究的柴油汽车的尾气处理装置未安装DOC 尾气处理系统。此外，车载测试法得到的OC 和EC 的排放因子高于台架测试法得到的值（Agarwal et al.，2021），而本研究基于台架式实验的 EFOC和 EFEC明显高于车载法的测试值（Jaiprakash，2017），可能的原因是本研究的柴油汽车排放标准（欧标III）与前人实验的排放标准（英国标准III）不同所致。

燃料类型和机动车的尾气处理装置对EFWSOC也有影响。在匀速行驶状态下，柴油公交的EFWSOC高于柴油汽车的EFWSOC（ttest，P＜0.05，表2），而摩托车（汽油）的EFWSOC介于两者之间。同为柴油燃料，无论是在怠速、匀速还是高速行驶状态，柴油公交的EFMSOC高于柴油汽车的EFMSOC（ttest，P＜0.05，表2），推测原因可能与机动车的尾气处理装置有关。由于前人基于机动车尾气报道的WSOC和MSOC 的排放因子数据资料仍为空白，因此，本研究没有进一步比较和讨论。

2.4 尼泊尔的含碳气溶胶的排放量估算

研究表明，亚洲是除了非洲和南美洲之外，全球生物质燃烧排放含碳气溶胶的重点区域（Huang et al.，2015）。图5 列出了2008 年尼泊尔生物质燃烧产生OC 和EC 的年排放量，分别是 (844±155)Gg 和(86±15) Gg。在以往的排放清单研究中，基于Sadavarte et al.（2019）的排放因子，估算出每年尼泊尔生物质燃烧排放OC 和EC 分别为83 Gg 和23 Gg，这一结果低于本研究。这是由于本研究在检测EC 和OC 的方法用的是TOR 方法，而Sadavarte et al.（2019）检测EC 和OC 的浓度是利用光度计来进行吸光排放因子的计算，两种计算方法得到的排放因子存在差异（Stockwell et al.，2016）。虽然针对OC和EC 的排放清单已有大量研究成果，而对MSOC和WSOC 的排放因子以及清单的相关研究仍较少，因此在今后仍需关注棕碳的排放清单的研究。

图5 尼泊尔生物质燃烧相关的含碳气溶胶年排放量估算Figure 5 Annual estimation of carbonaceous aerosols emitted from biomass burning in Nepal

除了生物质燃烧排放大量的含碳气溶胶之外，机动车尾气排放也是大气中含碳气溶胶的污染源之一。基于此，本研究对尼泊尔机动车尾气的OC、MSOC、WSOC 和EC 进行年排放量估算，如表5所示。整体而言，机动车尾气中OC 的年排放量(56±3.4) Gg·a-1明显高于WSOC (1.4±0.1) Gg·a-1和EC 的年排放量(1.5±0.4) Gg·a-1。其中，摩托车的OC年排放量最高 (54±3.2) Gg·a-1，高于柴油汽车的OC排放量 (1.8±0.1) Gg·a-1一个数量级，高于柴油公交车OC 排放量 (0.18±0.01) Gg·a-12 个数量级（表5）。可能的原因是尼泊尔当地的主要交通工具仍以摩托车为主，摩托车的数量远高于柴油汽车和柴油公交车的数十倍（DOTM，2019），且摩托车燃料为汽油所导致的。