尼泊爾一次源含碳氣溶膠的排放特征研究

閆菊平，王小萍，龔平，高少鵬

中國科學院青藏高原研究所/青藏高原地球系統與資源環境全國重點實驗室，北京 100101

含碳氣溶膠的主要組成是黑碳（elemental carbon，EC）和有機碳（organic carbon，OC）。南亞地區的含碳氣溶膠可以長距離傳輸進入青藏高原，沉積在冰川中（Cong et al.，2015）。例如，喜馬拉雅山脈冰川的黑碳主要來自于南亞的生物質燃燒（54%±11%）和化石燃料燃燒（46%±11%）（Li et al.，2016）。此外，大氣觀測也表明青藏高原納木錯地區冬季棕碳氣溶膠也來自于南亞的長距離傳輸（Wu et al.，2018）。鑒于含碳氣溶膠具有吸光性，可通過改變太陽輻射而影響全球氣候（Venkataraman et al.，2005；Chung et al.，2012；Wang et al.，2015），可沉積在冰川上加劇冰川消融（Shivani et al.，2019）。研究南亞地區的含碳氣溶膠排放對保護青藏高原環境具有重要的意義。

在南亞發展中國家，生物質燃燒和機動車尾氣排放是大氣污染的重要來源（Zhao et al.，2010；Inomata et al.，2015）。例如，在尼泊爾，2008－2009年的能源消耗高達4.01×109GJ，其中生物質燃燒占總能源消耗的87%（Rupakheti et al.，2019）。此外，隨著尼泊爾經濟和生活水平的發展，城市地區機動車數量也在急劇增加。從1989 年有統計數據開始，截止2018 年，尼泊爾機動車的總數量增加了46 倍（DOTM，2019）。因此，評估機動車尾氣排放的含碳氣溶膠的研究具有重要意義。

排放因子（emission factor，EF）是反映一次源排放特征的重要參數，影響排放清單的準確性。目前，一次源含碳氣溶膠的排放因子獲取方法主要分為兩類：燃燒箱模擬實驗（Saud et al.，2012；Sen et al.，2014）和野外實測（Pandey et al.，2017；Adhikari et al.，2020）。其中實驗室燃燒箱模擬野外燃燒過程，具有實驗結果的可重復性高，實驗平行性好，數據結果穩定等優點，但缺點是無法模擬野外環境中的氣象、地形和燃料的濕度等因素（Roden et al.，2006；Roden et al.，2009；Wu et al.，2016），導致實驗室和真實野外的排放因子值有顯著差異（Dhammapala et al.，2007；Roden et al.，2009）。因此，為了獲得更接近于真實的排放因子值，需在野外條件下實測污染物的排放因子（Zhao et al.，2011；Upadhyay et al.，2020），為準確估算含碳氣溶膠的排放清單提供基礎數據。

盡管，目前南亞地區的OC 和EC 的排放因子已有野外實測的相關報道（Stockwell et al.，2016），但對于水溶性有機碳（water soluble organic carbon，WSOC）的實測排放因子研究仍較為有限。已有研究表明，水溶性有機碳中的吸光成分（棕碳）可在大氣層頂產生正的輻射強迫（Feng et al.，2013），因此明確水溶性有機碳的排放因子，有助于準確的評估其排放清單，為進一步準確估算其輻射強迫提供基礎數據。

本研究在南亞尼泊爾地區實地測定了生物質燃燒和機動車尾氣產生的OC、EC 和WSOC 的排放因子?；诒敬螌崪y以及前人報道的排放因子，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響因素，從而提出了相關的減排建議。

1 材料與方法

1.1 采樣點介紹

尼泊爾作為南亞的發展中國家，其大氣污染已成為南亞乃至第三極地區嚴重環境問題（Chen et al.，2020）。研究發現尼泊爾排放的多種污染物可以翻越喜馬拉雅山進入我國青藏高原地區。尼泊爾以農業、烹飪和供暖為目的的生物質燃燒，直接排放大量的含碳氣溶膠，而且，由于機動車保有量的急劇增加，機動車尾氣排放也已成為尼泊爾大氣污染的重要來源?；诖?，本研究選取尼泊爾的首都加德滿都，分別采集生物質燃燒樣品和機動車尾氣樣品。采樣位置為中國科學院加德滿都科教中心（KCRE，27°39′N，85°17′E）的觀測場（圖1a）。

1.2 生物質燃燒樣品和機動車尾氣樣品采集

在尼泊爾，紅松和榿木是常見的薪柴。每逢收割時節，露天焚燒玉米秸稈和水稻秸稈是普遍的現象。尼泊爾的森林覆蓋面積較廣，其中的針葉林是在加德滿都地區分布較多的樹種，在森林火災中，森林凋落物都是常見的燃料。此外，尼泊爾寺廟的宗教焚香活動也會排放含碳氣溶膠。因此，本研究對當地泥爐燃燒薪柴，露天焚燒秸稈、森林凋落物和焚香活動的一次源樣品進行采集（圖1b）。所有燃料均在自然條件下干燥（濕度為12%），并根據當地人的方式和習慣進行自然燃燒。本研究的采樣裝置圖及詳細的采樣過程，可參見文獻（Yan et al.，2022）。

本研究選取了尼泊爾當地常見的3 種類型的交通工具（圖1c）。其中，包括居民常用的兩輪-摩托車（汽油燃料），小型汽車（柴油汽車）以及中型的柴油公交車。為了研究不同行駛速度對排放量的影響，本研究在低速（10 km·h-1）、中速（40 km·h-1）和高速（70 km·h-1）3 種行駛狀態進行大氣顆粒物的樣品。詳細的采樣過程，可參見文獻（Yan et al.，2022）。

1.3 OC、EC 和WSOC 的濃度測定

本研究使用熱/碳分析儀（DRI 2001 型，Atmoslytic Inc.，加利福尼亞，美國），按照Interagency Monitoring of Protected Visual Environments（IMPROVE-A）熱/光反射率方法，對所有樣品中的OC 和EC 濃度進行了分析。該方法對OC 和EC 的檢測下限可以分別達到C 0.05 μg·cm-2。

本研究中WSOC 的含量測定使用的儀器為總有機碳分析儀（TOC-L，島津，日本），采用的程序方法為不可吹除有機碳法（Wu et al.，2019）。前處理過程如下，首先裁剪2 cm2的石英纖維濾膜溶于5 mL 超純水（18.2 Ω）中，超聲30 min，然后用PTFE 多孔注射器過濾器（0.45 μm）過濾后，收集到的濾液為WSOC，對其進行總有機碳分析，獲得WSOC 的含量。本次研究未專門測定甲醇溶液中有機碳的濃度（MSOC），根據前人的計算方法（董書偉，2020），將OC 的濃度乘以系數0.85 代替MSOC的濃度，方法不確定性為5%。

1.4 排放因子的計算和排放量的估算

生物質燃燒排放的含碳氣溶膠的排放因子的計算（Saud et al.，2012），如式（1）所示

式中：

mpollutant——污染物EC，OC，WSOC 和MSOC的質量（g）；

mbiomass——生物質燃料的質量；

Fi——污染物的排放因子。

生物質燃燒排放的含碳氣溶膠的排放量的估算（Sen et al.，2014），如式（2）所示：

式中：

Ei——排放量；

Ai——活動水平，獲取于尼泊爾的水和能源委員會（WECS，2010）；

i——燃料類型；

Fi——污染物的排放因子。

機動車尾氣排放的含碳氣溶膠的排放因子的計算（Perrone et al.，2014），如式（3）所示：

式中：

mpollutant——污染物EC、OC、WSOC 和MSOC的質量（g）；

v——機動車行駛的速度（km·h-1）（怠速，10 km·h-1；勻速，40 km·h-1；和高速，70 km·h-1）；

t——行駛的時間(s)。

機動車排放的含碳氣溶膠排放量的估算（Perrone et al.，2014），如式（4）所示：

式中：

Ei——污染物的年排放量；

Ni——機動車的數量，獲取自尼泊爾交通部（DOTM，2019）；

M——機動車的里程數；

Fi——污染物的排放因子。

2 結果與討論

2.1 生物質燃燒OC、MSOC、WSOC 以及EC 的排放因子

居民爐灶燃燒木材和露天生物質焚燒產生的含碳氣溶膠的排放因子，如圖2 所示。居民爐灶燃燒榿木和紅松產生的OC、MSOC 和EC 的排放因子沒有顯著性差異，而WSOC 的排放因子具有顯著性差異（ttest，P＜0.05，表1）。榿木燃燒的EFWSOC(53±6) g·kg-1高于紅松燃燒的EFWSOC(39±17)g·kg-1，表明居民爐灶使用不同的燃料，對WSOC的排放因子有影響。對比居民爐灶和露天燃燒兩種燃燒方式，如圖1 所示，爐灶燃燒木材（取榿木和紅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高于露天焚燒秸稈（取水稻和玉米秸稈排放因子的平均值）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，應該在燃料統一的前提下，對比不同燃燒方式，以進一步分析原因?？傊?，無論是居民爐灶燃燒木材還是露天焚燒生物質，形成的含碳氣溶膠中，OC 占主要部分，約為總碳的85%－95%。WSOC 占OC 的55%－91%，而EC 占的比例最?。?%－17%）（圖1）。

圖2 不同燃料燃燒排放的含碳氣溶膠的排放因子Figure 2 The EFs of carbonaceous aerosols from different kinds of biomass fuels

表1 不同生物質燃燒產生的EFWSOC的t 檢驗Table 1 Significance (P) of t-test for the EFs of WSOC emitted from various biomass combustion

在尼泊爾，焚香是當地的常見的宗教活動之一。然而，目前對焚香活動產生的含碳氣溶膠的排放因子沒有報道。本研究對焚香活動產生的含碳氣溶膠進行分析，結果表明，不同于其他生物質燃燒過程（先明燃，后陰燃），焚香活動整個燃燒過程只有陰燃階段。相比于居民爐灶燃燒木材和露天生物質燃燒，焚香活動產生的OC、MSOC、WSOC 和EC 排放因子較高，分別可達 (658±103)、(559±88)、(566±70)和(4±0.7) g·kg-1。盡管目前尼泊爾沒有關于焚香的人類活動水平統計數據，但是焚香活動的排放因子較高，可能對區域氣溶膠的毒性和氣候效應有影響，后期仍值得深入研究。

2.2 機動車尾氣中的OC、MSOC、WSOC 以及EC 的排放因子

圖3 是尼泊爾加德滿都主要的機動車類型（摩托車、公交車和汽車）對OC、MSOC、WSOC 和EC 的排放因子。在怠速和勻速下，摩托車（汽油）的OC 排放因子明顯高于柴油汽車和柴油公交車（ttest，P＜0.05，表2），表明，機動車排放的EFOC與燃料類型有關。而在高速下，柴油汽車的EFOC顯著高于柴油公交車的EFOC（ttest，P＜0.05，表2），表明，機動車的類型對EFOC的值也有影響。

表2 不同機動車尾氣排放的EFOC、EFMSOC、EFWSOC和EFEC的t 檢驗Table 2 Significance (P) of t-test for EFOC, EFMSOC, EFWSOC and EFEC emitted from various vehicles

研究表明，機動車EC 的排放與車速有關（Forestieri et al.，2013）。Zheng et al.（2015）進一步明確了EC 的排放與車速之間的關系表達式，并指出EC 的排放隨著車速的增加，呈現降低的趨勢（特別是在公交車車速小于20 km·h-1），而當車速大于55 km·h-1，EC 的排放呈現增加趨勢。在北京奧運會交通管控期間，公交車的車速從20 km·h-1提升至37 km·h-1，EC 的排放量降低17%（Zhou et al.，2010；鄭軒，2016）。在公交快速道上運行的車速將從15 km·h-1提高到26 km·h-1，這一舉措可以帶來30%的EC 減排收益（Deng et al.，2013；鄭軒，2016）。因此，調整機動車的車速，已成為EC 減排新策略。

本研究對尼泊爾機動車在不同行駛狀態下的EFEC進行t檢驗，如表3 所示。柴油汽車EC 排放在均速狀態明顯低于怠速狀態（ttest，P＜0.05，表3）；柴油公交車在怠速狀態明顯高于高速狀態的EFEC（ttest，P＜0.05，表3），這表明，對于尼泊爾當地的柴油汽車和公交車，機動車的行駛速度也會影響其EFEC的值，將柴油汽車的速度從怠速提高至勻速，有助于EC 的減排。

本研究對比了汽油和柴油燃料機動車排放的EC 占OC 的比值，如圖4a 所示。汽油摩托車的EC/OC 占比為4%±3%，而柴油公交車的占比為20%±19%。因此，柴油燃料相比于汽油排放的EC較高，這一結論與前人的研究結果一致（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顯的差異，如圖4b 所示。其中，汽油燃料排放的WSOC 僅占OC 的1.4%±0.4%，而柴油汽車和公交車排放的WSOC 占OC 的值分別為38%±0.6%和54%±19%，表明，相對于汽油，使用柴油為燃料，排放的WSOC 更多，因此限制柴油的使用，有助于降低WSOC 的排放。

圖4 不同機動車類型和行駛狀態下碳排放的差異Figure 4 The difference in carbon emissions of various vehicle types and driving conditions

2.3 與前人的研究結果對比

表4 列出了本研究的泥爐燃燒木材產生的OC和EC 的排放因子與其他研究的對比結果。泥爐相比其他類型的爐灶產生的OC 的排放因子更高（表4），而改進后的爐子明顯降低了泥爐、金屬爐子和磚爐的OC 的排放因子（表4）（Li et al.，2009；Shen et al.，2013a）。Akagi et al.（2011）在總結了大量的實驗數據，獲得了農作物秸稈焚燒產生的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，本研究中的農作物秸稈焚燒產生的OC(9.7±3.0) g·kg-1的排放因子高于前人的研究結果（Akagi et al.，2011）。如表4 所示，野外實測居民爐灶和露天焚燒農作物秸稈獲得的OC 和EC 的排放因子明顯高于實驗室模擬獲得的排放因子值（Akagi et al.，2011；Saud et al.，2012；Sen et al.，2014）。此結論與前人的研究結果相一致（Roden et al.，2009；Shen et al.，2013b），表明在今后評估含碳氣溶膠的排放量時應該更加關注野外實測下獲得的排放值。

表4 生物質燃燒產生的OC 和EC 的排放因子與其他研究的對比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，將本研究的WSOC 排放因子與其他研究對比，結果發現，同為露天焚燒秸稈，本研究的值[EFWSOC：(6.9±1.8)g·kg-1；EFMSOC：(8.2±2.5) g·kg-1，圖2]與Stockwell et al.（2016）的研究結果相近 (10.9±6.5) g·kg-1。然而，同為森林火災排放，本研究的值[EFWSOC：(17±13) g·kg-1，圖2]明顯高于前人的WSOC 排放因子值（1—1.4 g·kg-1）（Aurell et al.，2013），可能的原因是煙氣采集方法的不同所致。本研究是直接采集排放的煙氣，未經大氣稀釋過程，而前人在南美測試森林火災的排放是通過采集火災地點上空的大氣，因此可能導致WSOC 排放因子偏低。

研究表明，柴油氧化催化尾氣處理系統，可以明顯降低OC 的排放，而對EC 的排放沒有明顯影響（Tang et al.，2007）。本研究的柴油汽車的EFEC(0.08±0.01) g·kg-1與前人的結果（0.04 g·kg-1）相近，而柴油汽車的EFOC(0.44±0.03) g·kg-1明顯高于前人研究（EFOC：0.02 g·kg-1）（Alves et al.，2015），原因可能是本研究的柴油汽車的尾氣處理裝置未安裝DOC 尾氣處理系統。此外，車載測試法得到的OC 和EC 的排放因子高于臺架測試法得到的值（Agarwal et al.，2021），而本研究基于臺架式實驗的 EFOC和 EFEC明顯高于車載法的測試值（Jaiprakash，2017），可能的原因是本研究的柴油汽車排放標準（歐標III）與前人實驗的排放標準（英國標準III）不同所致。

燃料類型和機動車的尾氣處理裝置對EFWSOC也有影響。在勻速行駛狀態下，柴油公交的EFWSOC高于柴油汽車的EFWSOC（ttest，P＜0.05，表2），而摩托車（汽油）的EFWSOC介于兩者之間。同為柴油燃料，無論是在怠速、勻速還是高速行駛狀態，柴油公交的EFMSOC高于柴油汽車的EFMSOC（ttest，P＜0.05，表2），推測原因可能與機動車的尾氣處理裝置有關。由于前人基于機動車尾氣報道的WSOC和MSOC 的排放因子數據資料仍為空白，因此，本研究沒有進一步比較和討論。

2.4 尼泊爾的含碳氣溶膠的排放量估算

研究表明，亞洲是除了非洲和南美洲之外，全球生物質燃燒排放含碳氣溶膠的重點區域（Huang et al.，2015）。圖5 列出了2008 年尼泊爾生物質燃燒產生OC 和EC 的年排放量，分別是 (844±155)Gg 和(86±15) Gg。在以往的排放清單研究中，基于Sadavarte et al.（2019）的排放因子，估算出每年尼泊爾生物質燃燒排放OC 和EC 分別為83 Gg 和23 Gg，這一結果低于本研究。這是由于本研究在檢測EC 和OC 的方法用的是TOR 方法，而Sadavarte et al.（2019）檢測EC 和OC 的濃度是利用光度計來進行吸光排放因子的計算，兩種計算方法得到的排放因子存在差異（Stockwell et al.，2016）。雖然針對OC和EC 的排放清單已有大量研究成果，而對MSOC和WSOC 的排放因子以及清單的相關研究仍較少，因此在今后仍需關注棕碳的排放清單的研究。

圖5 尼泊爾生物質燃燒相關的含碳氣溶膠年排放量估算Figure 5 Annual estimation of carbonaceous aerosols emitted from biomass burning in Nepal

除了生物質燃燒排放大量的含碳氣溶膠之外，機動車尾氣排放也是大氣中含碳氣溶膠的污染源之一?；诖?，本研究對尼泊爾機動車尾氣的OC、MSOC、WSOC 和EC 進行年排放量估算，如表5所示。整體而言，機動車尾氣中OC 的年排放量(56±3.4) Gg·a-1明顯高于WSOC (1.4±0.1) Gg·a-1和EC 的年排放量(1.5±0.4) Gg·a-1。其中，摩托車的OC年排放量最高 (54±3.2) Gg·a-1，高于柴油汽車的OC排放量 (1.8±0.1) Gg·a-1一個數量級，高于柴油公交車OC 排放量 (0.18±0.01) Gg·a-12 個數量級（表5）?？赡艿脑蚴悄岵礌柈數氐闹饕煌üぞ呷砸阅ν熊嚍橹?，摩托車的數量遠高于柴油汽車和柴油公交車的數十倍（DOTM，2019），且摩托車燃料為汽油所導致的。

表5 尼泊爾機動車尾氣相關的含碳氣溶膠年排放量估算Table 5 Annual estimation of OC, MSOC, WSOC and EC emitted from various vehicles in Nepal

3 結論

本文基于野外實測獲得了生物質燃燒和機動車尾氣源的含碳氣溶膠的排放因子，估算了含碳氣溶膠的年排放量，為當地減排提供新的思路，具體結論如下。

（1）野外實測爐灶燃燒和露天焚燒秸稈產生的EFOC和EFEC高于實驗室模擬燃燒獲得的排放因子，野外實測生物質燃燒排放具有重要的意義。

（2）加德滿都地區增加公交車和摩托車專用道，使得機動車車速在低速至勻速區間內，增加車速，緩建交通堵塞，將有助于當地含碳氣溶膠的減排。