西安城市主干道黑碳排放特征及源解析*

李世浩，谭志海，秦韩淼，谭探探，谷茂林

（西安工程大学 环境与化学工程学院，陕西 西安 710048）

黑碳（Black carbon, BC）气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分, 主要由含碳物质的不完全燃烧造成,例如汽车尾气、燃煤发电等都能排放黑碳气溶胶[1]。黑碳气溶胶具有很强的吸附性, 其表面能够吸附其它污染物（如多环芳烃类、重金属等）。这些污染物粒子可以通过呼吸作用进入人体, 从而引起呼吸系统疾病、癌症等。因此,黑碳气溶胶粒子能对人体健康产生极大危害[2]。黑碳气溶胶对可见光和部分红外光谱有很强的吸收能力，它在大气中的各种化学和光化学反应、非均相反应以及气粒转化过程中起着重要作用[3]。空气中的黑碳粒子能把一部分光反射回太空，对温室效应有缓解作用，因此，黑碳粒子能导致温室效应[4]。同时检测表明，黑碳浓度在不同交通区域之间有显著变化，显示出了黑碳和道路交通的巨大联系。本文研究西安市主干道路黑碳排放问题,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状况。

1 实验部分

实验所用仪器为AE-51 手持式微型便携式黑碳仪（美国Aethlabs）。

1.1 采样点分布及采样方法

实验所在城市为西安，实验所选区域位于城东纺织城枢纽长乐东路，纺织城城市路网密布。在西安市内纺织城长乐东路设置8 个采样点，布点见表1。为使采样数据具有代表性，采用定点和个体暴露2种监测手段进行监测采样。

表1 采样点Tab.1 Sampling point

主要污染物为：PM2.5、PM10、CO、NO2、O3、SO2，空气质量数据及气象因素数据均来源于真气网（https://www.aqistudy.cn/）实时发布的空气质量报告。

1.2 研究方法

本研究使用AE-51 手持式微型便携式黑碳仪测量黑碳浓度，取数据密集区域的平均浓度进行实验分析；利用Origin 软件将测得的黑碳浓度数据绘制图表，分析其浓度特征；利用SPSS 软件将黑碳浓度与其他主要污染物以及气象要素进行相关性分析、主成分分析并解析其来源。

2 结果与讨论

2.1 黑碳时间分布特征

2.1.1 黑碳浓度日变化特征（5 月）

如图1 所示，对西安市长乐东路道路黑碳浓度进行监测，结果如下：5 月7 日早高峰期间道路黑碳浓度为3.89~7.38μg·m-3及晚高峰时期道路黑碳浓度为2.89~8.00μg·m-3，明显大于午间非高峰期道路黑碳浓度（2.31~5.86μg·m-3）；5 月9 日早高峰期间道路黑碳浓度为3.70~7.57μg·m-3及晚高峰时期道路黑碳浓度为3.15~8.19μg·m-3，明显大于午间非高峰期道路黑碳浓度（2.03~4.41μg·m-3）。高峰期黑碳浓度明显高于非高峰期时的黑碳浓度，且大部分时段平均浓度超过背景值3.63μg·m-3[5]。结合不同时段车流量来看，车流量增加会导致道路黑碳排放源增多，黑碳气溶胶浓度增大。因此，道路黑碳浓度变化与车流量有紧密联系。

图1 黑碳浓度日变化特征Fig.1 Daily variation characteristics of black carbon concentration

2.1.2 工作日与休息日黑碳浓度变化特征

图2 为工作日与休息日的黑碳浓度比较图。

图2 工作日与休息日的黑碳浓度Fig.2 Black carbon concentration on working days and rest days

由图2 可知，长乐东路4 月30 日黑碳浓度集中在3.92~9.64μg·m-3之间变化；5 月2 日黑碳浓度则集中在3.38~9.08μg·m-3之间变化；5 月7 日黑碳浓度集中在4.38~10.82μg·m-3之间变化；5 月9 日黑碳浓度集中在3.28~8.58μg·m-3之间变化，工作日的道路黑碳浓度略高于休息日时的黑碳浓度，且平均浓度均高于黑碳背景值3.63μg·m-3[5]，这可能是由于工作日时早晚高峰有较多车辆，造成黑碳浓度的变化。

2.2 空间分布

2.2.1 西安市不同站点黑碳浓度对比 查阅文献收集西安市不同区域站点黑碳排放浓度数据（长乐东路（本研究）、二环路[6]、长乐中路[5]、雁翔路[7]、五星街[8]）进行对比分析，结果见图3。

图3 西安市不同站点黑碳浓度Fig.3 Black carbon concentration at different sites in Xi'an

由图3 可知，分析西安不同采样点的黑碳排放浓度，最高浓度出现在雁塔区雁翔路，为16.00μg·m-3；最低浓度出现于二环路，为3.66μg·m-3。

2.2.2 西安与国内其他城市黑碳浓度对比 查阅文献收集其他城市黑碳排放浓度数据，并将具有一定代表性的城市黑碳浓度与西安市数据进行对比分析，结果见图4。

图4 各城市黑碳浓度对比Fig.4 Comparison of black carbon concentrations in various cities

根据搜集得到的数据，从中选取黑碳浓度水平相差较大的城市，探究社会指标（人均生产总值、森林覆盖率、车流量）对黑碳浓度的影响，并通过柱状图进行分析，结果见图5。

图5 不同城市社会指标与黑碳浓度的关系Fig.5 Relationship between social indicators and black carbon concentration in different cities

由图5 可知，通过分析不同社会指标对研究区域的黑碳浓度的影响，可以得出以下结论：黑碳浓度分布水平：乌鲁木齐＞合肥＞北京＞西安＞上海＞大连，从图5 中变化趋势来看，人均生产总值、森林覆盖率越高的城市，黑碳浓度越低。经济发展水平较高的城市，虽污染排放量占比较大，但其污染治理投入多，致使其环境水平较高；且黑碳浓度受周围森林覆盖率的影响较大，例如乌鲁木齐的森林覆盖率为35%，西安市森林覆盖率为48%，可以看出，森林覆盖率对黑碳浓度具有较大的影响。

2.3 源解析（主成分分析）

对黑碳进行主成分分析，可了解不同来源所占比重。黑碳与其他空气污染物因子分析见图6、表2。

表2 主成分分析结果Tab.2 Principal component analysis results

图6 旋转后的空间组件图Fig.6 Spatial component diagram after rotation

由表2、图6 可知，通过主成分分析，提取了3个成分。第一主成分贡献率为61.578%，PM2.5、PM10、NO2、CO、黑碳浓度及车流量在第一主成分上有较高载荷；第二主成分贡献率为20.978%，O3、温度在第二主成分上有较高载荷；第三主成分贡献率为12.938%，SO2则在第三主成分上有较高载荷。这证明，黑碳的主要来源为机动车尾气排放。

3 结论

（1）西安市主干道路黑碳浓度在高峰期明显高于非高峰期、且在工作日略高于休息日。同时，近几年来西安市大气中的黑碳浓度总体呈下降趋势。

（2）对于西安市不同站点，黑碳浓度与街道繁华程度，周边建筑物有很大关系，这证明，黑碳的来源与人类活动密切相关。

（3）人均生产总值和森林覆盖率越高的城市，黑碳浓度越低。

（4）西安市主干道的黑碳，主要来源为机动车尾气排放。