保定市春季道路揚塵顆粒物中碳組分特征及來源分析*

李 冬 陳建華 張 凱 呂文麗 張月帆

(中國環境科學研究院，北京 100012)

隨著城市機動車保有量和道路面積的不斷擴大，道路揚塵對城市環境空氣污染的貢獻在逐漸增大[1-2]。國內外相關研究表明,道路揚塵是城市環境空氣中PM10的主要來源之一，其貢獻率高達40%～75%[3-5]。同時，道路揚塵也是城市環境空氣中PM2.5的重要來源之一，其貢獻率也達到5%～15%[6-8]。碳作為道路揚塵顆粒物中的重要組分之一，對人體健康和環境空氣質量均有較大影響[9-12]。因此，研究道路揚塵PM2.5和PM10中的碳組分特征及來源具有重要意義。

保定市作為京津冀地區重要城市之一，毗鄰京津，道路揚塵是其大氣污染物的主要來源之一[13]。當前有關道路揚塵的研究仍集中在北京市[14]、天津市[15]、石家莊市[16]、濟南市[17]等較大城市，而對保定市道路揚塵的相關研究卻鮮見報道。

本研究選取了保定市12條不同類型的城市道路，采用AP-42法收集道路積塵，并模擬揚塵分離出PM2.5和PM10，然后進行碳組分特征和來源分析，以期為保定市道路揚塵治理提供科學依據。

1 方 法

1.1 樣品采集

采用AP-42法真空吸塵方式于2019年3月對保定市城市道路快速路、主干道、次干道、支路4種道路類型共計12條典型道路進行了道路積塵采集。道路名稱、起止點經緯度坐標及道路類型見表1。除支路外，同一條道路按機動車道和非機動車道分別采集，而支路可以認為機動車道和非機動車道是合并的。

表1 采樣道路信息

1.2 樣品前處理

50 ℃下將道路積塵樣品烘至恒重，冷卻后放入自上而下由20目、200目疊置的篩子內，放入搖床，3 000 r/min條件下持續振蕩10 min。使用再懸浮裝置將積塵樣品再懸浮，利用流量為16.7 L/min的PM2.5和PM10旋風采樣器對懸浮顆粒物進行采樣并收集到石英膜(直徑47 mm)上，分別得到PM2.5和PM10樣品。

1.3 樣品分析

使用Model 2001A熱/光碳分析儀分析PM2.5和PM10中的有機碳(OC)濃度和元素碳(EC)濃度，采用Improve A-glass協議程序升溫，第1階段在純氦氣(純度為99.999%)環境下進行，分別于140、280、480、580 ℃下分析得到4級OC組分(分別記為OC1、OC2、OC3、OC4)；第2階段在含2%(體積分數)氧氣的氦氣環境下進行，分別于580、740、840 ℃下分析得到3級EC組分(分別記為EC1、EC2、EC3)。同時用633 nm的激光識別OC碳化形成的裂解碳(OPC)，一并計入OC組分中。

1.4 質量控制

樣品分析中使用的空白石英濾膜使用前在馬弗爐中于450 ℃下灼燒4 h，然后在干燥器內平衡24 h，以降低濕度、溫度對于濾膜稱重的影響。每天對熱/光碳分析儀進行檢漏，并在樣品分析前進行校準。每10個樣品做1組平行樣，確保平行樣測量誤差在10%以內。同時實驗過程中做2個空白膜樣品，以扣除膜上雜質的影響。

2 結果與討論

2.1 碳組分特征分析

由圖1可知，保定市春季不同道路類型的機動車道上道路揚塵PM2.5中OC平均質量濃度為57.4 mg/g，EC為2.9 mg/g；非機動車道上道路揚塵PM2.5中OC平均質量濃度為83.5 mg/g，EC為4.2 mg/g。由此可見，非機動車道上道路揚塵PM2.5中的碳組分含量高于機動車道，但無論是機動車道還是非機動車道，碳組分均以OC為主。機動車道上OC的濃度從大到小排序為：支路>快速路>次干道>主干道；非機動車道上OC的濃度從大到小排序為：主干道>支路>快速路>次干道。

圖1 不同道路類型的PM2.5中的碳組分特征Fig.1 Characteristics of carbon components in PM2.5 of different road types

非機動車道上道路揚塵PM2.5中的碳組分平均濃度高于機動車道，主要是因為非機動車道相較機動車道往往積塵較多。機動車道上，快速路的碳組分含量很高，與馬妍等[18]2542在天津市的研究結果一致，主要是由于快速路機動車道上車流量較大，機動車尾氣排放的碳組分較多；支路的碳組分含量也高，是因為調研的這些支路周邊存在較多餐飲行業，餐飲油煙排放的OC較多。非機動車道上，主干道的碳組分含量最高，并且明顯高于其他機動車道，屬特殊情況，初步認為與主干道非機動車道的日常清理有關。

由圖2可知，保定市春季不同道路類型的機動車道上道路揚塵PM10中OC平均質量濃度為39.6 mg/g，EC為1.7 mg/g；非機動車道上道路揚塵PM10中OC平均質量濃度為45.1 mg/g，EC為2.1 mg/g。同樣地，非機動車道上道路揚塵PM10中的碳組分含量高于機動車道，碳組分仍均以OC為主。不同的是，機動車道和非機動車道上OC的濃度從大到小排序均為：支路>次干道>主干道>快速路。

圖2 不同道路類型的PM10中的碳組分特征Fig.2 Characteristics of carbon components in PM10 of different road types

PM2.5中碳組分濃度相對于PM10更高，說明PM2.5更容易聚集碳組分，這與周盼等[19]125在石家莊市的研究結果一致。道路揚塵PM2.5和PM10中OC濃度遠遠高于EC，可能是因為保定市春季的二次污染較為嚴重。

2.2 OC/EC(質量比)分析

OC的主要來源有兩部分，一是由污染源直接排放的一次有機碳(POC)，二是通過光化學氧化生成的二次有機碳(SOC)；EC一般都是由污染源直接排放，多為生物質或化石燃料的不完全燃燒所導致[20-21]。通常利用OC/EC來表征大氣二次污染程度。一般認為，OC/EC超過2即可認為存在二次污染[22]。從表2和表3來看，保定市春季各道路類型揚塵顆粒物中OC/EC均遠高于2，證明各道路類型上均存在明顯的二次污染。

表2 PM2.5中的OC/EC

表3 PM10中的OC/EC

道路揚塵PM2.5中快速路非機動車道的OC/EC遠高于機動車道，這主要是因為快速路機動車速度較快，二次轉化的積塵粒子極易聚集在非機動車道，次干道情況與其類似。雖然主干道車速同樣較快，但實驗發現主干道非機動車道OC/EC低于機動車道，實地調研發現，主干道非機動車道上來自土壤和一次排放的污染源較多，且日常清理不及時。道路揚塵PM10中各道路類型的機動車道和非機動車道OC/EC都較為接近，進一步說明PM2.5更容易富集OC，特別是SOC。

根據保定市春季各道路類型機動車道和非機動車道上的OC/EC范圍總體判斷，顆粒物中的碳主要來源于機動車尾氣、燃煤和生物質燃燒，但支路顆粒物中的碳與支路存在的大量飯店、餐廳有很大關系。郭育紅等[23]曾對保定市冬季大氣中碳組分進行研究，發現采暖過程冬季大氣顆粒物中OC和EC濃度均會增加。本研究采樣時間為春季，恰逢冬季采暖剛結束，冬季采暖產生的OC易累積在道路積塵中，加之冬季逆溫、灰霾天氣頻發，擴散條件差，更容易在積塵中累積OC，如果清掃不徹底就更會導致積塵和揚塵中的OC/EC偏高[24]。

目前，已開展的道路積塵顆粒物中碳組分特征分析的工作不多。已有文獻報道的城市主要有天津市[18]2540、石家莊市[19]123、盤錦市[25]412、鞍山市[25]412、上海市[26]和晉城市[27]等，這些文獻主要關注的是PM2.5。因此，表4列出了國內其他城市道路揚塵PM2.5中的OC/EC。由表4可見，保定市OC/EC明顯高于其他城市。一方面可能是因為采樣時間、采樣方式不同，以及不同環境的影響造成結果差異；但另一方面也說明了保定市二次污染的嚴重性。

2.3 SOC/OC(質量比)分析

由于目前尚無成熟的儀器和方法測量SOC，因此采用經驗公式(見式(1))對SOC進行估算。

表4 國內其他城市PM2.5中的OC/EC

cSOC=cOC-cEC×xmin

(1)

式中：cSOC為SOC質量濃度，mg/g；cOC為OC質量濃度，mg/g；cEC為EC質量濃度，mg/g；xmin為采集樣品中OC/EC的最小值。

PM2.5和PM10中的SOC和SOC/OC計算結果分別見表5和表6。道路揚塵PM2.5中SOC/OC平均值為36.0%，PM10中SOC/OC平均值為30.6%，次干道揚塵PM2.5中的SOC/OC甚至超過了50%。由此可見，保定市春季道路揚塵顆粒物中SOC的占比確實很高。

表5 PM2.5中的SOC和SOC/OC

表6 PM10中的SOC和SOC/OC

2.4 OC、EC相關性分析

OC、EC之間的相關性可用于初步判斷其來源是否相同。若相關性好，說明二者具有相似的一次來源。

分析發現，保定市春季道路揚塵PM2.5中OC、EC的相關性系數為0.6，PM10中OC、EC的相關性系數為0.5，相關性均較強，表明OC與EC具有相似的一次來源，這與秦偉[28]、郭碩[29]在石家莊市的研究結果類似。

2.5 碳組分來源解析

對碳組分進一步細分可以解析出更加具體的污染來源。相關研究表明，OC1和OPC主要來源于生物質燃燒排放；OC2、OC3、OC4和EC1主要來源于燃煤源和汽油車尾氣排放；EC2、EC3來源于柴油車尾氣排放[30-33]。

保定市春季道路揚塵PM2.5和 PM10中的具體碳組分分析見圖3。從圖3可知，PM2.5和 PM10中的碳組分來源基本一致，都是OC3和OC4的含量較高，說明保定市道路揚塵中的碳組分主要來源于燃煤源和汽油車尾氣排放。

圖3 道路揚塵PM2.5和 PM10中的具體碳組分Fig.3 All kinds of carbon components in road dust PM2.5 and PM10

3 結 論

(1) 保定市春季非機動車道揚塵顆粒物中的OC和EC含量總體高于機動車道，主要以OC為主，PM2.5比PM10更容易聚集碳組分。

(2) 保定市春季各道路類型揚塵顆粒物中OC/EC均遠高于2，證明各道路類型上均存在明顯的二次污染。與國內其他城市道路揚塵PM2.5中的OC/EC相比，保定市的OC/EC明顯高于其他城市。SOC/OC分析表明，SOC對OC貢獻較大，證實保定市春季道路揚塵顆粒物中二次污染較嚴重。

(3) 保定市春季道路揚塵顆粒物中OC和EC相關性較強，說明OC與EC具有相似的一次來源。

(4) 對具體碳組分進行分析發現，保定市春季道路揚塵PM2.5和PM10中的碳組分主要來源于燃煤源和汽油車尾氣排放。