中国非道路建筑设备（NRCE）现场测量的PM2.5和化学排放特征：多因素分析

《Atmospheric Pollution Research》：Field-measured PM 2.5 and chemical emission characteristics from Non-Road Construction Equipment (NRCE) in China: Multi-Factor Insights

非道路工程机械（NRCE）工作模式下的PM2.5排放因子显著高于移动模式，且排放因子随排放标准升级呈下降趋势。研究发现高功率NRCE的PM2.5排放反而更低，OC/EC比值普遍≤1，揭示不同排放阶段燃烧特性差异。研究填补了NRCE PM2.5化学组分及排放因子的数据空白，为精准制定排放控制政策提供科学依据。

　　

吴博博|张昂|吴志春|姚志良|苗璐阳|吴鹏|沈先宝

北京工商大学环境科学与工程学院，北京，100048，中国

摘要

非道路施工设备（NRCE）已成为影响中国城市空气质量恶化的一个关键因素。在本研究中，使用基于PEMS（SP-PEMS）的同步平台测量了9台装载机和12台挖掘机在移动和工作模式下的实际排放情况，以了解细颗粒物（PM_2.5）的特性及其物理化学组成。首先量化了基于燃料的PM_2.5排放因子（EF_PM），随后对其化学成分进行了系统分析。结果表明，PM_2.5及其化学特性受到运行条件、排放标准和发动机额定功率的显著影响。所有测试的NRCE在工作模式下的平均PM_2.5质量浓度是移动模式下的1.69倍。同时，随着排放标准的日益严格，NRCE的PM_2.5排放量呈现出显著下降趋势。值得注意的是，额定功率较高的NRCE通常表现出较低的PM_2.5排放量，这一发现与传统预期相反。除预阶段I装载机外，大多数OC/EC比值约为1或更低，表明不同排放阶段的燃烧特性存在差异。总体而言，NRCE基于燃料的EF_PM随着排放标准的严格化而呈下降趋势，而工作模式下的EFs始终高于移动模式下的EFs。本研究汇编了详细的PM_2.5 EFs和化学组成数据，并将其结果与现有研究和指南进行了比较。这些本地化的EF_PM和化学特性有望减少中国NRCE排放清单编制和源分配建模中的不确定性。

引言

全球范围内对细颗粒物（PM_2.5）产生了广泛关注，尤其是在发展中国家。由于PM_2.5具有较大的比表面积，它可以吸附更多的有毒物质，如过渡金属和多环芳烃（PAHs）（Hao等人，2018；Zhang等人，2022；Gerber等人，2024）。PM_2.5对人类健康有负面影响，导致心肺疾病发病率和死亡率增加（Anderson等人，2012；Bell等人，2014；Chen等人，2022；Yan等人，2024；Grytting等人，2025），同时也是雾霾（Feng等人，2016；Li等人，2022）和气候变化（Liu等人，2021）的重要原因。移动源是PM排放的主要贡献者（Sparrevik等人，2023；Wang等人，2024）。根据生态环境部的数据，2023年中国非道路移动源的PM排放量为224,000吨，远超过道路源的排放量。其中，非道路施工设备（NRCE）的排放量占非道路移动源PM排放总量的30.6%（MEE，2024）。与其他非道路移动源相比，NRCE通常出现在人口密集的地区，如城市和城镇，这更容易危害人类健康。随着城市化和经济的快速发展，NRCE已成为PM排放的重要来源（Shen等人，2021；Wang等人，2023）。这些因素，包括设备老化程度高、排放标准不严格以及NRCE的工作环境恶劣（Sepasgozar和Blair，2021），将导致更多的污染物排放。因此，政府相继实施了旨在减少非道路移动源排放的政策。然而，非道路移动源的减排工作比道路车辆滞后了二十年，并且中国缺乏国家和地方测试数据的整合（Zhang等人，2025）。再加上对非道路移动源，尤其是NRCE的PM_2.5化学成分及其排放特性的研究较少（Wang等人，2024），这些因素使得支持排放控制和改进工作变得困难。

NRCE的污染物排放通常通过测功机测试或便携式排放测量系统（PEMS）进行评估，其中测功机常用于设定排放标准（Lindgren等人，2010；Peng等人，2016）。然而，相关性分析表明，这些方法可能无法反映实际条件下的发动机污染物排放情况（Cui等人，2017）。PEMS的便携性及其在实际条件下获取更详细排放数据的能力使其成为测量NRCE排放水平的有效方法（Abolhasani等人，2008；Frey等人，2008；Frey等人，2010；Cao等人，2016；Shen等人，2021；Yu等人，2023）。多位研究人员使用PEMS测量了NRCE的排放情况。例如，Abolhasani等人（2008）观察到，在三台挖掘机上，50%的NO排放发生在PEMS测量到的运行时间的29%内；Fu等人（2012）使用PEMS对中国12台挖掘机进行了研究，仅给出了基于光学方法的PM排放因子（EFs）；Wu等人（2022）使用基于PEMS的同步平台（SP-PEMS）对21台NRCE的黑色碳（BC）排放进行了实际测量，以研究其变异性并确定基于燃料的EFs，并分析了影响排放的主要因素（排放标准、发动机额定功率和运行模式）对BC的影响。

元素碳（EC）、有机碳（OC）、水溶性离子（WSIs）和元素是PM_2.5的主要成分，在源分配研究和改进化学成分排放清单中起着关键作用（Simon等人，2010；Watson和Chow，2001）。尽管PM_2.5的化学特性越来越受到关注（Bie等人，2023），但关于NRCE的PM_2.5化学特性的研究较少，导致环境PM_2.5源的分配被忽略或存在较大差异，因为NRCE的运行条件和类型复杂（Tao等人，2017；Zhang等人，2017）。Cui等人（2017）测试了6台挖掘机并分析了其实际化学成分排放；Liu等人（2018）研究了第二阶段3种类型NRCE的PM_2.5化学成分的特性；Hu等人（2019）根据9台NRCE的实际运行条件确定了各种污染物的EFs；Yu等人（2020）量化了7种类型NRCE的PM_2.5 EFs，并发现PM_2.5化学成分与发动机额定功率有很强的相关性。Zhang和Liu等人分析了武汉各种NRCE产生的PM_2.5化学成分。迄今为止，NRCE的PM_2.5排放特性及其化学成分仍知之甚少，因此迫切需要在实际条件下进行进一步研究。

在本研究中，选择了21台典型的NRCE进行基于同步平台的测试和采样。分析了详细的化学成分（EC、OC、WSIs和元素）。我们研究了关键因素（发动机额定功率、运行条件和排放标准）对PM_2.5排放的影响，并定量评估了EFs。最后，我们将PM_2.5及其化学成分的排放与以往的研究进行了全面比较。我们相信，这项研究可以为中国的NRCE排放控制提供基础数据。

部分摘录

建筑机械和运行模式选择

根据生态环境部（MEE）2024年的数据，2023年装载机和挖掘机的PM排放量分别占NRCE总排放量的33.3%和54.4%。就排放标准而言，总排放量主要由第三阶段（63.8%）主导，其次是第二阶段（23.1%）和预阶段I（11.8%）。为了确保测试样本的代表性，我们选择了9台装载机和12台挖掘机进行实际测量。所测试的装载机涵盖了预阶段I、第一阶段

PM_2.5质量浓度及其化学成分

图2显示了所有测试NRCE在不同额定功率和排放标准下的移动和工作模式下的PM_2.5及其化学成分的排放特性。工作模式下的燃料消耗率通常略高（平均高33%），Pang等人（2021）通过分析移动和工作模式下的瞬时燃料消耗率也得出了类似的结果。有趣的是，我们发现挖掘机的额定功率

结论

目前，NRCE的PM_2.5的化学成分和排放特性尚未完全阐明。不同研究之间的PM_2.5排放特性仍存在较大差异。我们对21台代表性NRCE在不同排放标准下的移动和工作模式下的PM_2.5排放进行了详细表征。NRCE的PM_2.5质量浓度范围广泛，这与排放标准和运行条件密切相关

作者贡献声明

姚志良：撰写 – 审稿与编辑、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。吴志春：撰写 – 初稿撰写、可视化、方法论设计、数据分析、数据整理。张昂：撰写 – 初稿撰写、方法论设计、数据分析、数据整理。吴博博：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、监督、资源管理、项目协调、资金获取、数据分析、概念构思。沈先宝：

未引用参考文献

Wang等人，2024；Zhang等人，2023；Shen等人，2021。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（42105112）和北京市自然科学基金（JQ19030）的支持。我们感谢编辑和匿名审稿人对本文提出的宝贵建议和意见。