城市主干道黑碳排放特征淺議

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摘要：本文以西安不同功能區黑碳濃度為研究對象，探討西安市城市道路交通碳排放的問題。通過AE-51型微型黑碳儀對長樂東路黑碳質量濃度進行質量檢測，揭示西安市典型道路黑碳排放特征及源解析。結果表明，黑碳每日濃度在早高峰為3.70~7.57μg·m-3及晚高峰為2.89~7.00μg·m-3，明顯大于非高峰期（2.03~5.86μg·m-3），且工作日濃度（4.38~10.82μg·m-3）高于休息日濃度（3.28~8.58μg·m-3）；西安市不同年份下，大氣中黑碳濃度有較大變化，大致呈現出逐年下降的變化規律，最高濃度出現在2003年（16μg·m-3）；最低濃度發生在2019年（3.66μg·m-3）；與其他城市相較，西安黑碳濃度屬于中等水平，黑碳排放濃度受車流量、森林覆蓋率、人均生產總值等社會指標影響。可見，合理規劃和適當限制機動車使用頻率是緩解城市空氣污染的有效途徑。

關鍵詞：黑碳；源解析；空氣污染；人類活動

黑碳（Blackcarbon,BC）氣溶膠是大氣氣溶膠的重要組成部分,主要由含碳物質的不完全燃燒造成,例如汽車尾氣、燃煤發電等都能排放黑碳氣溶膠[1]。黑碳氣溶膠具有很強的吸附性,其表面能夠吸附其它污染物（如多環芳烴類、重金屬等）。這些污染物粒子可以通過呼吸作用進入人體,從而引起呼吸系統疾病、癌癥等。因此,黑碳氣溶膠粒子能對人體健康產生極大危害[2]。黑碳氣溶膠對可見光和部分紅外光譜有很強的吸收能力，它在大氣中的各種化學和光化學反應、非均相反應以及氣粒轉化過程中起著重要作用[3]。空氣中的黑碳粒子能把一部分光反射回太空，對溫室效應有緩解作用，因此，黑碳粒子能導致溫室效應[4]。同時檢測表明，黑碳濃度在不同交通區域之間有顯著變化，顯示出了黑碳和道路交通的巨大聯系。本文研究西安市主干道路黑碳排放問題,揭示道路黑碳排放的特征及源解析，更加全方位地了解西安道路黑碳污染狀況。

1實驗部分

實驗所用儀器為AE-51手持式微型便攜式黑碳儀（美國Aethlabs）。

1.1采樣點分布及采樣方法

實驗所在城市為西安，實驗所選區域位于城東紡織城樞紐長樂東路，紡織城城市路網密布。在西安市內紡織城長樂東路設置8個采樣點，布點見表1。為使采樣數據具有代表性，采用定點和個體暴露2種監測手段進行監測采樣。主要污染物為：PM2.5、PM10、CO、NO2、O3、SO2，空氣質量數據及氣象因素數據均來源于真氣網實時發布的空氣質量報告。

1.2研究方法

本研究使用AE-51手持式微型便攜式黑碳儀測量黑碳濃度，取數據密集區域的平均濃度進行實驗分析；利用Origin軟件將測得的黑碳濃度數據繪制圖表，分析其濃度特征；利用SPSS軟件將黑碳濃度與其他主要污染物以及氣象要素進行相關性分析、主成分分析并解析其來源。

2結果與討論

2.1黑碳時間分布特征

2.1.1黑碳濃度日變化特征（5月）。如圖1所示，對西安市長樂東路道路黑碳濃度進行監測，結果如下：5月7日早高峰期間道路黑碳濃度為3.89~7.38μg·m-3及晚高峰時期道路黑碳濃度為2.89~8.00μg·m-3，明顯大于午間非高峰期道路黑碳濃度（2.31~5.86μg·m-3）；5月9日早高峰期間道路黑碳濃度為3.70~7.57μg·m-3及晚高峰時期道路黑碳濃度為3.15~8.19μg·m-3，明顯大于午間非高峰期道路黑碳濃度（2.03~4.41μg·m-3）。高峰期黑碳濃度明顯高于非高峰期時的黑碳濃度，且大部分時段平均濃度超過背景值3.63μg·m-3[5]。結合不同時段車流量來看，車流量增加會導致道路黑碳排放源增多，黑碳氣溶膠濃度增大。因此，道路黑碳濃度變化與車流量有緊密聯系。2.1.2工作日與休息日黑碳濃度變化特征。由圖2可知，長樂東路4月30日黑碳濃度集中在3.92~9.64μg·m-3之間變化；5月2日黑碳濃度則集中在3.38~9.08μg·m-3之間變化；5月7日黑碳濃度集中在4.38~10.82μg·m-3之間變化；5月9日黑碳濃度集中在3.28~8.58μg·m-3之間變化，工作日的道路黑碳濃度略高于休息日時的黑碳濃度，且平均濃度均高于黑碳背景值3.63μg·m-3[5]，這可能是由于工作日時早晚高峰有較多車輛，造成黑碳濃度的變化。

2.2空間分布

2.2.1西安市不同站點黑碳濃度對比。查閱文獻收集西安市不同區域站點黑碳排放濃度數據（長樂東路（本研究）、二環路[6]、長樂中路[5]、雁翔路[7]、五星街[8]）進行對比分析，結果見圖3。由圖3可知，分析西安不同采樣點的黑碳排放濃度，最高濃度出現在雁塔區雁翔路，為16.00μg·m-3；最低濃度出現于二環路，為3.66μg·m-3。2.2.2西安與國內其他城市黑碳濃度對比。查閱文獻收集其他城市黑碳排放濃度數據，并將具有一定代表性的城市黑碳濃度與西安市數據進行對比分析，結果見圖4。根據搜集得到的數據，從中選取黑碳濃度水平相差較大的城市，探究社會指標（人均生產總值、森林覆蓋率、車流量）對黑碳濃度的影響，并通過柱狀圖進行分析，結果見圖5。由圖5可知，通過分析不同社會指標對研究區域的黑碳濃度的影響，可以得出以下結論：黑碳濃度分布水平：烏魯木齊＞合肥＞北京＞西安＞上海＞大連，從圖5中變化趨勢來看，人均生產總值、森林覆蓋率越高的城市，黑碳濃度越低。經濟發展水平較高的城市，雖污染排放量占比較大，但其污染治理投入多，致使其環境水平較高；且黑碳濃度受周圍森林覆蓋率的影響較大，例如烏魯木齊的森林覆蓋率為35%，西安市森林覆蓋率為48%，可以看出，森林覆蓋率對黑碳濃度具有較大的影響。

2.3源解析（主成分分析）

對黑碳進行主成分分析，可了解不同來源所占比重。黑碳與其他空氣污染物因子分析見圖6、表2。由表2、圖6可知，通過主成分分析，提取了3個成分。第一主成分貢獻率為61.578%，PM2.5、PM10、NO2、CO、黑碳濃度及車流量在第一主成分上有較高載荷；第二主成分貢獻率為20.978%，O3、溫度在第二主成分上有較高載荷；第三主成分貢獻率為12.938%，SO2則在第三主成分上有較高載荷。這證明，黑碳的主要來源為機動車尾氣排放。

3結論

（1）西安市主干道路黑碳濃度在高峰期明顯高于非高峰期、且在工作日略高于休息日。同時，近幾年來西安市大氣中的黑碳濃度總體呈下降趨勢。（2）對于西安市不同站點，黑碳濃度與街道繁華程度，周邊建筑物有很大關系，這證明，黑碳的來源與人類活動密切相關。（3）人均生產總值和森林覆蓋率越高的城市，黑碳濃度越低。（4）西安市主干道的黑碳，主要來源為機動車尾氣排放。

作者:李世浩 譚志海 秦韓淼 譚探探 谷茂林 單位:西安工程大學環境與化學工程學院