1960年至2019年中国多环芳烃（PAHs）排放毒性的时间趋势及其主要驱动因素

《Atmospheric Environment》：Temporal trends in toxicities and major drivers of polycyclic aromatic hydrocarbon emissions in China from 1960 to 2019.

　　

肖云|沈慧忠|李瑾|张远征|郑淑秀|戴荣|王景航|徐浩然|张文晓|沈国锋|马建民|陶书

中国能源龙源环境保护有限公司，北京100039，中国

摘要

多环芳烃（PAHs）是中国重要的空气污染物。在之前的PAH排放清单中，其成分特征和毒性并未进一步探讨，而准确量化PAH排放对于评估中国的主要驱动因素至关重要。在本研究中，我们基于1960年至2019年的数据，以0.1° × 0.1°的空间分辨率更新了中国PAH排放清单，并对工业、居民和交通领域的排放技术进行了更新。2019年中国优先控制PAH类的总排放量为78.7吉克（51.5%至134%为95%置信区间），其中工业部门（60.6%）和居民部门（24.1%）占主导地位。研究发现，PAH排放量在1995年达到峰值，随后由于一系列空气污染防控政策的推广而逐渐减少。随着PAH排放总量的下降，其来源结构和成分特征发生了变化，相应地，PAH的毒性也随之降低。PAH毒性下降的主要原因是居民能源从固体燃料转向清洁能源、居民炉具的升级以及蜂窝焦炉的淘汰；而城市化进程以及居民能源从生物质燃料转为煤炭并未有效减少PAH的毒性。

引言

多环芳烃是一类含有两个或更多苯环的有机化合物，具有环状结构（Ravindra等人，2008）。由于多环芳烃具有长距离传输潜能（Lunde和Bjorseth，1977）以及对健康的不良影响（尤其是肺癌风险Boffetta等人，1997；Bruske-Hohlfeld等人，2000；Armstrong等人，2004），它们受到了广泛关注。此外，PAH在大气中及生物体内可被降解、氧化或与其他化合物反应，生成有毒衍生物（Durant等人，1996；Ravindra等人，2008；Covino等人，2010）。大气中PAH的主要来源是人类活动及自然野火中碳质燃料的不完全燃烧和热解（Ravindra等人，2008）。为了估算各行业的PAH排放量及其对健康的影响，已建立了多项全球或区域性PAH排放清单（ECJRC；EMEP；NAEI；USEPA；Zhang等人，2009；Inomata等人，2012；Shen等人，2013）。

过去六十年间，中国经历了快速的工业化和经济发展，随着燃料消耗和工业生产的快速增长，严重空气污染已成为一个重大环境问题。中国的煤炭消耗量和工业产品产量一直佔全球总量的重要比重。2019年，中国的煤炭消耗量占全球的48.9%，焦炭产量占67.7%，铝产量占54.9%，水泥产量占48.9%（IEA；USGS；DES，1986-2020；Shen等人，2022）。先前的研究表明，化石燃料和木材的燃烧以及某些工业过程是PAH的主要排放源（Ravindra等人，2008），这表明中国的PAH排放量在全球范围内具有重要意义。一些排放清单估算了中国PAH的排放情况，并分析了其来源特征和空间分布。张等人估计2004年16种优先控制PAH类的年排放总量为114吉克（占全球总量的21.5%Zhang等人，2009），其中生物质燃料、焦炭生产和居民用煤是主要排放来源。沈等人更新了张等人的数据库（Zhang等人，2009），估計2007年16种优先控制PAH类的年排放总量为106吉克（占全球总量的21.0%），主要排放来源为居民用煤（固体燃料和生物质）、在用车辆和焦炭生产Shen等人，2013）。此外，沈等人还估算了中国苯并(a)芘（BaPeq）毒性当量排放的空间分布和来源特征（Shen等人，2013）。最近更新的EDGAR（全球大气研究排放数据库）v6.0版本估计2018年中国四种PAH化合物的年排放总量为5.89吉克（占全球总量的27.7%ECJRC）。

先前的研究表明，过去几十年中国PAH排放量持续较高，因此需要进一步分析和讨论以准确评估其毒性及其对健康的影响。由于活动强度（燃料消耗或工业产出）、能源结构的变化以及一系列空气污染防控政策的推行，中国的PAH排放量发生了迅速变化，PAH的成分特征和毒性也可能随之改变。然而，以往的研究主要集中在PAH的来源特征、时间和空间分布上，而对其成分特征和毒性的探讨较少。由于不同PAH化合物的毒性各不相同，且空气污染防控政策对它们的减排效果也有所不同，因此分析PAH成分特征和毒性的时间趋势并找出主要驱动因素十分重要。另一方面，居民炉具的升级显著提高了燃烧效率并降低了空气污染物排放因子（Shen等人，2015；Meng等人，2021），但这一因素在之前的PAH排放清单中未被考虑，导致了对PAH排放时间趋势的误判。近年来，数百篇新发表的研究报告了现场测量的PAH排放因子，因此更新PAH排放清单对于分析PAH毒性的主要驱动因素及评估过去几十年中国减排法规和措施的效果至关重要。

本研究旨在分析过去几十年中国优先控制PAH类排放毒性的时间趋势及主要驱动因素。在之前的北京科技大学PAH排放清单（Zhang等人，2009；Shen等人，2013）基础上，基于新的数据建立了面向底部的PAH排放清单。排放数据的更新采用了中国新建立的居民炉具数据库中的技术分类（Meng等人，2021），并补充了一些重要来源信息。同时，根据工业、居民和交通领域的新技术分类，整理了203篇新发表或补充文献中的排放因子数据。本研究分析了优先控制PAH排放的来源特征、时间趋势和空间分布，进一步讨论了PAH的成分特征，并分析了其毒性的时间趋势及主要驱动因素。最后，提出了未来污染防治政策的建议。

节选

材料与方法

排放清单编制。 排放清单采用自下而上的方法编制。通过将活动强度乘以相应的排放因子来计算单个来源的排放量，总排放量即为所有来源排放量之和。更新的GEMS（全球排放建模系统，gems.pku.edu.cn；gems.sustech.edu.cn）排放数据库共包含了146个燃烧和工业过程来源的数据。

来源特征与空间分布

表S3列出了1960年至2019年中国电力、工业、居民、商业、交通和农业领域16种优先控制PAH类的年排放量。2019年中国这16种PAH类的总排放量为78.7吉克（95%置信区间为51.5至134吉克），其中工业、居民和农业部门分别占排放量的60.6%、24.1%和10.1%。工业过程（占总排放量的41.3%）是

结论

本研究建立了中国的自上而下的PAH排放清单，更新了包括电力和工业领域颗粒物控制措施、居民炉具类型和车辆排放标准在内的技术分类。新的技术分类使得对PAH排放量和毒性的估算更加准确。本文分析了PAH的成分特征、BaPeq的时间趋势及相关驱动因素，这些内容在之前的研究中并未得到充分重视

作者贡献声明

郑淑秀： 数据管理。戴荣： 调查研究。李瑾： 数据管理。张远征： 数据管理。陶书： 写作——审阅与编辑、方法论研究、数据管理、概念构建。肖云： 写作——审阅与编辑、初稿撰写、调查研究、数据分析。沈慧忠： 写作——审阅与编辑、方法论研究、数据管理。沈国锋： 方法论研究。马建民： 方法论研究。徐浩然： 数据管理。张文晓： 数据管理。王景航：

《碳排放账户与数据集》，中国建筑材料协会，1982-2000年；能源部统计司；农村社会经济调查司；《中国电力年鉴》编辑委员会（1995-2022年）；欧盟委员会/荷兰环境评估署；欧洲监测与评估计划；联合国粮食及农业组织

作者声明没有已知的可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。

? 作者声明没有可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本项工作得到了南方科技大学计算科学中心和工程学院的支持。