印度科钦沿海大气中PM2.5污染源的化学成分、WSOC（水溶性有机碳）与光学特性的关联研究

《Environmental Pollution》：Linking Chemical Composition, WSOC and Optical Behaviour of PM 2.5 Pollution Sources in Coastal Atmosphere at Kochi, India

PM2.5在印度喀拉拉邦科钦的浓度和组成存在显著季节差异，后季风期（11-5月）PM2.5浓度（126.53±90 μg/m3）高于前季风期（82±66 μg/m3），水溶性有机碳（WSOC）在后季风期也更高（13.60±4.88 μg/m3 vs 8.54±4.31 μg/m3），可能与湿沉降和二次有机气溶胶生成有关。离子组成显示前季风期硝酸盐/硫酸盐比值（1.97±2.04）高于后季风期，表明前季风期光化学反应更活跃。EEM-PARAFAC分析揭示后季风期陆源腐殖酸组分（M）占优，前季风期则海洋相关组分（C、B）和光化学氧化产物增多。荧光指数显示陆源有机碳主导，非海盐硫酸盐占比达99-100%。

　　

BSK Kumar|D. Bhaskara Rao|B. Gayatri|N. Prabakaran|NVHK Chari|Ch NV Laxmi|GVM Gupta

印度科钦地球科学部海洋生物资源与生态中心

摘要

沿海地区接收来自海洋和陆地的气溶胶。虽然海盐颗粒和海洋生物源排放是自然背景的一部分，但在城市化沿海地区，PM_2.5主要受车辆排放、工业活动、生物质燃烧和重新悬浮的灰尘的影响。沿海PM_2.5中水溶性有机物的光学性质和来源仍知之甚少。为填补这一空白，2024年11月至2025年5月期间在科钦收集了PM_2.5样本，涵盖了季风后和季风前的季节。PM_2.5浓度具有明显的季节性，季风后浓度（126.53 ± 90 μg m^-3）高于季风前浓度（82 ± 66 μg m^-3），这反映了在停滞条件下污染物的积累。季风后水溶性有机碳（WSOC）含量（13.60 ± 4.88 μg m^-3）高于季风前含量（8.54 ± 4.31 μg m^-3），这与潮湿条件下次级生产的增强一致。次级无机离子（NO₃^-, NH₄⁺, SO₄^2-）占水溶性离子质量的约25–55%，而NO₃^-/SO₄^2-比率（0.25–5.87；平均值：1.97 ± 2.04）表明NO_x相关排放（尤其是移动源）有显著影响。光学分析显示典型的棕色碳吸收特征（AAE_330–400 6.47 ± 1.56；MAE₃₆₅ 6.25 ± 4.65 m² g^-1）。EEM–PARAFAC技术分离出四种类腐殖质成分，季风后样本以陆地类腐殖质为主，而季风前样本则含有更多的海洋相关和光化学处理成分。荧光指数（FI 1.20 ± 0.05），季风前BIX较高，季风后HIX较高，以及非海盐成分（约99–100%）进一步证实了陆地来源的主导作用。因此，尽管处于沿海环境，科钦地区的PM_2.5和WSOC主要受陆地排放和次级生产的影响。

引言

粒径≤2.5 μm的细颗粒物（PM_2.5）是全球人类健康的主要环境风险因素，包括印度（Burnett等人，2018年；Pope和Dockery，2006年）。由于颗粒尺寸小，PM_2.5可以深入呼吸道并进入血液，导致心血管和呼吸系统疾病（Brook等人，2010年）。世界卫生组织（WHO）在2021年修订了空气质量指南，建议每年PM_2.5的平均浓度限制为5 μg m^-3（WHO，2021年），因为即使在较低浓度下也会产生不良影响。在印度，高分辨率的疾病负担评估表明，2019年环境中的PM_2.5暴露导致约0.98–1.1百万例过早死亡。这突显了了解PM_2.5浓度、组成和来源的必要性（Balakrishnan等人，2019年；国家科学院，2020年）。特别是在接收来自海洋和大陆来源的复杂气溶胶环境的沿海地区（Nihalani等人，2023年；Srivastava等人，2018年）。

在印度西海岸，PM_2.5受到城市化、工业活动、车辆排放、港口运营和航运的影响，同时还受到海盐和海洋生物源的贡献（Kumar等人，2024年）。长期观测显示，像孟买和科钦这样的沿海大城市经常超过印度国家环境空气质量标准（年平均40 μg m^-3），并且远高于WHO的指导值，尽管海风循环可能有一定的通风作用（Ghude等人，2016年）。在阿拉伯海东北部的船只和游轮测量进一步表明，即使受海洋影响的空气团也常常富含次级无机气溶胶，如非海盐硫酸盐、硝酸盐和铵盐，这凸显了大陆和人为过程的强烈影响（Bikkina等人，2020年；Kumari等人，2022年）。

除了质量浓度外，PM_2.5的化学组成和光学性质决定了其辐射强迫效应和毒性。主要离子物种、碳质气溶胶、痕量金属和矿物尘埃具有不同的毒理学特性（Wang等人，2015年）。在印度，硫酸盐、硝酸盐、铵盐和有机碳对气溶胶负荷有显著贡献，而黑碳和棕色碳则改变表面辐射通量和大气加热（Anchan等人，2024年；Singh等人，2025年；Wang等人，2015年）。在沿海地区，气溶胶沉积通过提供氮、硫、痕量金属和有机物影响海洋生态系统，从而影响生物地球化学循环（Thiagarajan等人，2024年）。尽管对印度城市PM_2.5组成的关注日益增加，但对季风影响下沿海大气中水溶性有机碳（WSOC）的光学行为和来源特征的过程级限制仍然有限。大多数现有研究集中在PM_2.5的质量和无机组成上，或使用传统的示踪剂进行来源分配，而结合WSOC光学吸收、荧光特性和nss离子诊断的综合解释仍然很少（Saha等人，2008年；Srimuruganandam和Shiva Nagendra，2011年）。

这一限制在印度西南海岸尤为重要，那里季风后停滞和季风前的光化学过程之间存在强烈的季节性转变，加上高湿度和城市-工业排放，可以改变WSOC的组成并促进次级物质的形成（Ahmed等人，2025年；Kumar和Sunder Raman，2020年）。这两个季节代表了科钦热带沿海地区截然不同的大气状况。通常，季风后时期的风速较低，大气条件稳定，有利于污染物的积累和次级气溶胶的形成。相比之下，季风前期温度较高，对流混合更强，海陆风循环增强，促进了污染物的扩散和强烈的光化学氧化过程。这些对比明显的气象条件强烈影响了PM_2.5的组成和WSOC的光学性质。因此，比较这两个季节有助于更好地理解季风影响下沿海环境中的大气动力学、气溶胶来源、转化和光吸收特性。因此，陆地、海洋和次级过程在调节沿海PM_2.5的WSOC组成及其光吸收特性方面的作用仍不明确。解决这一空白对于提高我们对沿海气溶胶辐射效应、来源-过程联系以及快速城市化热带沿海地区空气质量管理的理解至关重要。

在这方面，本研究通过整合PM_2.5的质量、水溶性无机离子（WSI）、WSOC浓度、紫外-可见光吸收特性以及激发-发射矩阵（EEM）荧光与PARAFAC分析的测量，研究了印度西南海岸主要沿海城市科钦的PM_{2.5》。通过比较季风后和季风前的条件，本研究旨在（i）量化PM2.5负荷和无机化学的季节性差异，（ii）表征WSOC的光学吸收行为并限制棕色碳的贡献，（iii）使用荧光成分解析WSOC的分子级组成，（iv）利用综合的光学-化学框架阐明陆地、海洋和次级来源的相对作用。结果提供了关于热带沿海环境中PM2.5来源和转化的过程视角，并为空气质量管理和沿海大气-海洋相互作用提供了见解。}

研究区域

科钦（喀拉拉邦）位于印度西南海岸，是一个快速发展中的沿海大都市区，人口超过210万，预计到2031年将达到227万（2011年印度人口普查；Kuriakose和Philip，2021年）。这里有主要的工业来源，包括石油精炼、化工和化肥产业、海鲜加工、造船业以及印度最大的集装箱转运港口之一。

季风后和季风前期间的气象变化

关键气象参数存在明显的季节性差异（表1）。季风前平均气温（29.58 ± 0.77 °C）显著高于季风后（28.28 ± 1.37 °C），具有很强的统计显著性（t = 3.54，p = 0.0011）。相对湿度从季风后（68 ± 11 %）增加到季风前（74 ± 8 %），具有边际显著性（t = 1.90，p = 0.06）。季风前的风速（2.06 ± 0.64 m s^-1）显著更高。

结论

本研究提供了科钦PM_2.5的综合化学-光学特性，这是一个受季风影响的热带沿海城市。它展示了气溶胶组成和WSOC特性的明显季节性差异。季风后条件表现为次级无机气溶胶的形成和在潮湿、通风不良条件下的WSOC升高。相比之下，季风前条件反映了更强的大气扩散和

CRediT作者贡献声明

SIVA KIRAN BUSALA：写作 - 审稿与编辑，原始草稿撰写，可视化，项目监督，资金获取，数据管理，概念化。Bhaskara Rao D：可视化，方法学，正式分析，数据管理。Gayatri B：方法学，正式分析，数据管理。Prabhakaran N：写作 - 审稿与编辑，方法学，正式分析。NVHK Chari：方法学，正式分析，数据管理。Lakshami CH NV：可视化，软件，方法学。

未引用的参考文献

Xie等人，2020年。

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所述的工作。

手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT进行语言校正。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

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所述的工作。

致谢

作者衷心感谢海洋生物资源与生态中心（CMLRE）为这项研究提供必要的设施。资深作者还感谢Shil Abhayanmkar博士在仪器安装和样本收集方面的帮助。我们非常感谢印度政府、地球科学部（MoES）通过Mausam项目提供的财政支持。这项研究是作为Mausam项目的一部分进行的。