解析长江三角洲一个重工业城市中挥发性有机化合物（VOCs）污染的来源、反应性及其健康风险

《Journal of Environmental Sciences》：Decoupling the sources, reactivity, and health risks of VOCs pollution in a heavy industrial city of the Yangtze River Delta

　　

赵音成|刘贵健|王欣|沈梦晨|乔玲|洪星星|魏勤涛|周静静

中国科学院科技大学地球与空间科学学院地壳-幔物质与环境重点实验室，合肥，230026，中国

摘要

在重工业城市中，复杂的排放剖面和非线性的化学转化过程阻碍了对大气挥发性有机化合物（VOC）污染的准确表征，从而限制了区域大气氧化能力和健康风险的有效控制。本研究在长江三角洲（YRD）典型的重工业城市马鞍山进行了为期一年的观测活动。通过结合正矩阵分解（PMF）分析、臭氧形成潜力（OFP）评估和健康风险评估，我们发现VOC浓度、反应性和风险之间存在脱钩现象。区域背景水平主要由低反应性的烷烃和卤代烃主导，但少数组分的变化反映了各区域独特的排放特征。PMF确定了六个主要排放源：车辆排放和两种溶剂的使用构成了区域基准，而液化石油气/工业过程和化学品生产在局部地区显示出强烈的排放模式；城区夏季则以生物源异戊二烯为主。研究还发现浓度与反应性之间存在反比关系：质量占主导地位的卤代烃对臭氧形成的贡献微不足道（<5%），而工业溶剂中的低浓度芳香烃（约4%）和生物源异戊二烯分别在城市冬季和郊区夏季导致了臭氧形成的高峰（>50%）。健康风险评估表明，不同来源对健康风险的贡献存在差异：工业涂层和液化石油气/工业过程导致了超过50%的致癌风险（CR），而由于苯等成分的高毒性，车辆尾气则是非致癌风险（NCR）的主要来源（约30%）。因此，我们建议将排放控制策略从单纯减少总质量转向同时管理反应性和风险，重点降低高反应性芳香烃的排放，并严格监管与交通相关的有毒物质，以支持类似工业城市的空气质量精细化管理。

引言

挥发性有机化合物（VOC）是大气污染研究的焦点，由于它们对城市空气质量恶化和对人类健康造成的危害而受到广泛关注（Atkinson, 2000; Zhou et al., 2023）。作为臭氧（O₃）和细颗粒物（PM_2.5）的关键前体，VOC通过光化学反应增强大气氧化能力，从而对区域空气质量和气候变化产生深远影响（Seinfeld and Pandis, 2016）。此外，某些VOC对人类健康构成直接威胁。例如，苯被国际癌症研究机构（IARC）列为1类致癌物，并与白血病等疾病密切相关（Lyon, 1994）。另一方面，甲苯和甲醛能够损害神经系统和呼吸系统（Atkinson and Arey, 2003a）。因此，系统地研究VOC的浓度水平、时空分布、来源和健康风险至关重要；这一工作不仅有助于阐明大气污染的机制，还为制定污染控制策略提供科学依据。

长江三角洲（YRD）是一个重要的经济和工业中心，面临着严重的空气污染问题（Liu et al., 2018）。由于该地区人口密集且工业布局密集，空气质量恶化对健康的危害尤为严重。此外，YRD内部复杂的经济社会活动导致了多种VOC排放源，包括工业生产、交通运输、溶剂使用和生物质燃烧（Carter, 1994），使其成为研究复杂大气污染的重点区域。近年来，YRD的大气污染研究主要集中在上海（Liu et al., 2018）、南京（Mozaffar et al., 2020）和杭州（Qian et al., 2024）等主要城市，突显了车辆尾气和工业排放对VOC负荷的显著贡献。然而，对该地区中等规模重工业城市的的研究仍然不足。尽管这些城市的整体影响可能不如大城市显著，但它们的大量存在及其围绕主要城市中心的分布是决定区域空气质量的关键因素。

在研究内容方面，以往对YRD主要城市的研究主要关注VOC浓度、污染源和臭氧形成潜力（OFP），通常采用PMF、反应性指标和暴露评估等相似方法（Liu et al., 2018; Mozaffar et al., 2020; Qian et al., 2024）。然而，这些分析通常是独立进行的，在以车辆和混合工业排放为主的城市环境中，质量浓度、光化学反应性和健康风险在源层面表现出一致性的关联。但在以钢铁生产为主的重工业城市中，由于存在高反应性或有毒化合物的局部排放，这种线性关系可能不成立。为了解决这一问题，本研究选择了YRD的代表性地重工业城市马鞍山，探讨在局部高反应性排放条件下的VOC组分浓度、光化学反应性和健康风险之间的非线性关系。

马鞍山位于安徽省东部，处于YRD聚集区的地理中心，是一个以钢铁制造为主的重工业城市。中国的快速城市化引发了巨大的钢铁需求，推动了该市经济的崛起。然而，这种以GDP为导向的发展模式也导致了严重的空气污染（Liu and Diamond, 2008）。根据马鞍山市生态与环境局发布的《2024年环境质量公报》，工业排放和车辆活动是当地空气污染治理的主要目标。尽管如此，关于马鞍山大气VOC的现有研究仍然零散（Wang et al., 2021），缺乏对时空分布、来源分配和健康风险的系统分析。

在有关城市VOC的研究中，大多数现有工作依赖于短期监测活动。例如，Guo等人（2013）在香港山区进行了为期两个月的观测，发现珠江三角洲的 regional transport 是导致山顶臭氧水平升高的主要原因。类似地，Zhang等人（2023）利用武汉一个月的数据确定了车辆尾气和工业排放是主要污染源。另一项在珠三角地区的研究（Zhang et al., 2013）发现溶剂使用和生物质燃烧对VOC浓度有显著贡献。然而，由于马鞍山位于YRD城市聚集区内，它同时受到 regional transport 和局部排放的影响，使其VOC污染特征具有独特性。因此，需要开展全面的分析，涵盖VOC的季节变化模式和不同功能区域间的污染差异。此外，马鞍山的VOC具体来源尚未明确，可能涉及复杂的排放源，如钢铁生产过程排放、车辆尾气、溶剂使用和生物质燃烧；这些来源对居民健康的潜在威胁亟需评估。

为了解决上述问题，本研究进行了为期一年的大气监测活动，首次系统地分析了马鞍山不同功能区域的大气VOC浓度水平。观测结果揭示了不同季节和功能区域的时空特征。此外，还利用PMF模型确定了六个主要VOC来源，并评估了臭氧形成的贡献。最后，基于这些分析结果进行了健康风险评估，为马鞍山的大气污染预防和健康风险管理提供了精确的数据支持和科学依据，也为类似工业城市的大气污染研究提供了参考。

章节片段

观测数据的获取

采样在马鞍山三个战略选定的站点（YS、JA和PT）进行，以捕捉不同的大气环境（图1）。YS站点位于主要城区的一座办公楼屋顶，距地面约25米。周围2公里范围内有密集的居民区和商业区。最近的大规模工厂距离超过2.3公里，并被玉山小山（城市内的一个小山）物理阻挡，因此该站点

VOC的浓度水平和时空分布特征

本研究共量化了105种VOC。对三个监测站的数据集进行统计分析后发现，VOCs的年平均浓度较高，但存在显著的空间异质性。JA站点记录了最高的浓度，达到39.20 ppbv，而YS站点的平均浓度为38.15 ppbv。作为背景参考站点，PT记录了最低的年平均浓度（29.97

结论

我们对YRD典型的钢铁主导型工业城市马鞍山的大气VOC进行了为期一年的系统研究，研究了其时空分布、来源、臭氧形成潜力（OFP）和健康风险。总体而言，区域背景物种如丙酮、二氯甲烷和低碳烷烃主导了VOCs的浓度。然而，在前十种物种中出现了明显的局部特征：甲苯在工业站点（YS）达到峰值，乙烯在交通/工艺站点（JA）达到峰值

未引用的参考文献

Gao et al., 2019, IARC（国际癌症研究机构）1994, 马鞍山市生态与环境局2025, Bie et al., 2017

CRediT作者贡献声明

赵音成：撰文——原始草稿、方法论、调查、数据分析、概念化。刘贵健：监督、方法论、资金获取。王欣：软件、方法论、数据管理。沈梦晨：项目管理、概念化。乔玲：可视化。洪星星：可视化。魏勤涛：调查。周静静：可视化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（编号2024YFC3712801）和中国国家自然科学基金（编号22236004和42075106）的支持。