黑碳氣溶膠的污染特征及健康風險評價
——以石家莊市南郊為例

杜偉凱，江崎正，肖雨霄，劉思宇，段二紅，李雙江，肖捷穎

(河北科技大學 環境科學與工程學院，河北 石家莊 050000)

0 引 言

黑碳(BC)氣溶膠占大氣氣溶膠質量濃度的比例可高達5%～15%[1-3]，由化石燃料和生物質燃料等含碳物質的不完全燃燒產生，是典型的一次氣溶膠[4]。BC吸收可見光，可導致大氣能見度降低[5]，在BC大規模排放期易造成大氣能見度的迅速下降[6]，大氣中的BC可以通過吸收太陽輻射直接影響氣候，或與大氣中的水蒸氣相互作用，通過影響云的形成間接影響區域氣候[7]。BC表面具有疏松多孔結構，易吸附多種有毒有害物質，同時BC氣溶膠由于多具有納米尺度，易穿透人體的肺組織，對健康造成嚴重影響[8]。2010～2013年姚青[9]等人對天津城區BC進行來源分析與健康風險評價，發現天津城區各季節成人和兒童的致癌風險(CR)均高于EPA給定的可接受風險水平(10-6)，而非致癌風險水平較低。2010年，國際癌癥研究機構(IARC)將黑碳列為2B類致癌物。Janssen等[10]通過BC濃度與死亡率之間的關系進行Meta分析，發現其不良健康反應強于PM2.5和PM10。國內開展BC的健康效應研究起步較晚[11-12]，對于從致癌風險、非致癌風險等方面系統研究BC的健康風險的研究有待深入。鑒于石家莊地區大氣BC健康風險尚不清楚，故本研究采用2018年8月～2021年4月的連續在線觀測數據，通過對研究期間長時間序列及四季BC濃度的對比，分析石家莊市南郊BC濃度差異及健康風險，同時按不同性別、年齡和勞動強度進行疫情發生前后的健康風險評價，為城市BC氣溶膠污染治理和公共衛生管理提供技術支持。

1 研究方法

1.1 監測點介紹

監測點位于河北科技大學信息科學與工程學院樓頂(河北省石家莊市裕華區，114°31′10″E，37°58′27″N)，四周空曠，距地面高度約20 m，距離東邊裕翔街約500 m，西邊建設大街約為1 km，西南方向有一發電廠距學校3 km，東北方向的南郊客運站距學校3 km。

1.2 監測時間及數據來源

監測時間為2018年8月～2021年4月。監測儀器為美國MetOne BC1054黑碳監測儀，該儀器為十波段監測，可自動測量并記錄BC對370～950 nm的十波段光的吸收情況。根據測量結果可以確定BC光吸收系數及質量濃度。采樣管PM2.5切割頭需進行周期性清理。本研究采用880 nm 波長的測量結果作為BC質量濃度，將數據進行小時平均處理。

1.3 健康風險評價方法

健康風險評價是將環境污染與人體健康建立聯系，定量描述人體暴露于污染物中受到危害的風險[15]。應用美國EPA(Environmental Protection Agency)人體健康風險評價方法[16],采用針對特定場所吸入途徑污染物的健康風險評價方法(EPA-540-R-070-002)[16]進行BC的人群健康風險評價。

BC的健康風險可分為致癌性和非致癌性。一般假設BC可連續70 a致癌，而可接受的風險水平為10-6[12]。BC的致癌風險評價公式如下

CR=CDI×CSF

(1)

式(1)中：CR為終生致癌風險，無量綱；CSF為癌癥斜率因子，為了評估暴露于不同水平的環境BC的健康風險，采用柴油尾氣顆粒物代替BC，1.1 (kg·d)/mg作為BC的CSF[12]。

BC的非致癌風險可采用下式獲得：

HQ=CDI/RfC

(2)

式(2)中：HQ為危害商，無量綱；RfC為參考濃度，為了評估暴露于不同水平的環境BC的健康風險，5 μg/m3作為BC的RfC[13]，數據來源于1998年OEHHA(Office of Environmental Health Hazard Assessment)報告。

公式(1)和(2)中日平均攝入量(CDI)計算公式如下：

CDI=C×IR×EF×ED/(BW×AT)

(3)

式(3)中：CDI為日平均攝入量，mg/(kg·d)；C為BC環境濃度，mg/m3；IR為吸入率，m3/d；EF為暴露頻率，d/a；ED為暴露時間，a；BW為體重，kg；AT為平均時間，d。根據相關研究[14]，IR取7.6 m3/d(兒童)、16.6 m3/d(成人男)、13.5 m3/d(成人女)；基于中國人口出行情況，EF取346 d/a；參考EPA數據[12]，ED設定為6 a(兒童)，26 a(成人)。對于致癌風險評價，AT=365 d/a×70 a，而非致癌風險評價則為AT=365 d/a×ED[15]。BW按照兒童、成人男和成人女分別設定為15、67.3、57.5 kg[14]。

2 結果與分析

2.1 長時間序列變化趨勢

圖1為BC濃度的長時間序列，平均濃度值為3.03 μg/m3。2018年秋冬季BC濃度值偏高，因為2018年霧霾天氣導致污染事件的發生，BC濃度值高，2019年秋冬季BC濃度值較2018年偏低，表明大氣環境治理的成效。2020年1月23日之后BC濃度驟然下降，原因是疫情發生導致人類活動的減少，且之后春季氣溫回升、供暖需求減弱。到2021年4月6日BC濃度變化幅度相對較小。

圖1 BC濃度時間序列圖Fig.1 Time series diagram of BC concentration

2.2 四季BC濃度的日變化趨勢

圖2為四季BC濃度日變化趨勢，圖3為四季BC平均濃度變化(取1/2標準方差作誤差線)。四季BC平均濃度值分別為2.12 μg/m3(春)、1.76 μg/m3(夏)、3.24 μg/m3(秋)、4.45 μg/m3(冬)。春、夏、秋季日變化呈雙峰單谷型，其中，春季在6～7時、22～23時出現兩次峰值，14～16時出現谷值；夏季在5～7時、20時左右出現兩次峰值，14～16時出現谷值；秋季在6～8時、21～23時出現兩次峰值，14～15時出現谷值；而冬季則呈雙峰雙谷型，在7～9時、21～22時出現峰值，4～6時、13～15時出現谷值。第一個峰值點按時間出現的順序為夏季、春季、秋季、冬季，其中冬季出現延遲，原因是冬季晝短夜長，導致冬季早晨人類活動的開始時間也較其它季節晚，同時大氣邊界層發展晚于其它季節，污染物較晚擴散。第二個峰值點出現的原因是下午17：00之后出現交通晚高峰、烹飪活動密集、日落后大氣結構趨于穩定，導致污染物累積，出現第二個峰值點，且夏季要早于其它三季2 h。谷值持續的時間春、夏季要大于秋、冬季，原因是春、夏季太陽輻射增強，湍流運動加強，導致BC濃度較長時間處于較低的水平。冬季第一個谷值點出現的原因是晚間黑碳排放來源較少及風的凈化作用。第二個谷值點出現的原因是隨著太陽輻射增強，溫度升高，空氣對流增強。冬季BC第二個峰值點值大于第一個峰值點值，原因是冬季日照時間短，逆溫現象時常發生，同時風速較低，導致白天BC不易擴散，逐漸累積到晚上，此外冬季人類取暖等因素導致晚上的高峰值大于白天。BC濃度峰與谷的差值秋冬季要大于春夏季，主要與各季節間邊界層高度、大氣擴散能力等不同導致。BC濃度大小一般呈冬季>秋季>春季>夏季的趨勢，原因是冬季開始取暖，距離觀測點2 km處的熱力公司在冬季達到燃煤高峰期及不利氣象條件影響，導致BC濃度偏高。春季常見大風天氣，夏季多降雨，有助于BC的清除。

圖2 四季BC濃度的日變化趨勢特征Fig.2 Characteristics of diurnal variation trend of BC concentration in four seasons

圖3 四季BC平均濃度變化Fig.3 The variation of the average concentration of BC in four seasons

2.3 四季BC的健康風險評價

根據健康風險評價方法(EPA-540-R-070-002)[16]，計算研究區域成人男、女性和兒童的致癌風險(CR)和非致癌風險(HQ)，成人與兒童的CR均高于EPA給定的可接受風險水平(10-6)，表明研究區域BC的致癌風險需要引起重視。CR值大小順序為成年男性>成年女性>兒童。一般而言HQ<1表明暴露人群不太可能產生不良的非癌癥影響[11]，本研究中兒童的非致癌風險HQ值高于成人，但均未達到閾值。

表1 按性別評價四季的BC健康風險

2.4 不同勞動強度BC健康風險評價

以2020年1月23日為節點，疫情發生前BC濃度均值為4.07 μg/m3，疫情發生后BC濃度均值為1.94 μg/m3。按勞動強度劃分為輕微活動、中體力活動、重體力活動、極重體力活動進行BC的致癌與非致癌健康風險評價，其中，河北省的體重推薦值(BW)為65.1 kg；IR為吸入率，m3/d，具體取值如表2；EF為暴露頻率，取346 d/a；ED為暴露時間，取26 a；對于致癌風險評價，AT=365d/a×70a，而非致癌風險評價則為AT=365d/a×ED。

從表2發現，疫情發生后BC的致癌(CR)與非致癌風險(HQ)值均小于疫情發生前，但疫情發生后的CR值仍大于EPA給定的可接受風險水平(10-6)，表明石家莊市南郊區域BC的致癌風險不容忽視，其中疫情發生前后的CR值和HQ值大小均為極重體力活動>重體力活動>中體力活動>輕微活動，但極重體力活動的HQ仍未達到閾值1，表明即使在極重體力活動條件下大氣BC對人群產生非致癌影響也不大。

表2 不同體力活動呼吸量的推薦值[17]及不同勞動強度BC健康風險評價

2.5 與其它地區的對比分析

為明晰石家莊與國內其它城市或背景區域大氣中BC濃度值的差異，表3列出了部分國內其它城市的BC質量濃度值。通過對比發現，石家莊區域的BC濃度排放值處于中等水平，很大程度與2020年初、2021年初兩次疫情有關，導致BC濃度值低于正常狀態。四季濃度值與周變紅在寶雞高新區黑碳氣溶膠特征[24]研究中得到的結論一致，BC濃度平均值冬季>秋季>春季>夏季。日變化趨勢與張林在南京北郊黑碳氣溶膠[25]研究中結論相似，早上7:00～9:00達到峰值，在下午的15:00～16:00達到谷值，然后濃度在20:00～21:00 逐漸上升。本文與姚青在天津城區進行健康風險評估[9]一文發現的各季節成人和兒童的致癌風險(CR)均高于EPA給定的可接受風險水平，非致癌風險水平較低的結論相似。

表3 全國其它城市大氣中BC質量濃度值

3 結 論

2018年8月～2021年4月PM2.5中的BC平均濃度值為3.03 μg/m3。四季PM2.5中的BC平均濃度值為2.12 μg/m3(春)、1.76 μg/m3(夏)、3.24 μg/m3(秋)、4.45 μg/m3(冬)。其中春、夏、秋季日變化呈雙峰單谷型，而冬季則呈雙峰雙谷型，與源排放強度及大氣擴散條件有關。

成人與兒童的CR均高于EPA給定的可接受風險水平(10-6)，表明石家莊市南郊區域BC的致癌風險需要引起重視。其中致癌風險CR值成年男性>成年女性>兒童。兒童的非致癌風險HQ值高于成人，但均未達到該閾值。

以2020年1月23日為節點，疫情發生后BC的致癌(CR)與非致癌風險(HQ)均小于疫情發生前，但疫情發生后的CR值仍大于EPA給定的可接受風險水平(10-6)，表明石家莊市南郊區域BC的致癌風險不容忽視，其中疫情發生前、后的CR值和HQ值大小均為極重體力活動>重體力活動>中體力活動>輕微活動，但極重體力活動的HQ仍未達到閾值1，表明人群在進行極重體力活動時產生不良的非致癌影響也不大。