中国多环芳烃的排放、大气迁移及肺癌风险

博博博士士士研研研究究究生生生学学学位位位论论论文文文题目：中中中国国国多多多环环环芳芳芳烃烃烃的的的排排排放放放、、、大大大气气气迁迁迁移移移及及及肺肺肺癌癌癌风风风险险险姓名：张彦旭学号：10613826院系：城市与环境学院专业：地理学(环境地理)研究方向：区域环境科学导师姓名：陶澍教授二〇一〇年六月版权声明任何收存和保管本论文各种版本的单位和个人，未经本论文作者同意，不得将本论文转借他人，亦不得随意复制、抄录、拍照或以任何方式传播。否则，引起有碍作者著作权之问题，将可能承担法律责任。中国多环芳烃的排放、大气迁移及肺癌风险摘　要本研究基于多环芳烃各排放源排放因子的文献数据,建立了中国及世界多环芳烃排放因子数据库，并结合文献中的排放活动数据建立了中国及全球的多环芳烃排放清单。同时，还研究了多环芳烃排放的时空分布，分析了主要的排放源和排放谱构成；采用和修改了一个基于欧拉视角的大气迁移扩散模型CanMETOP（CanadianModelforEnvironmentalTransportofOrganochlorinePesticides）对中国大气中多环芳烃的归趋和迁移进行模拟，该模型与一个多介质模型耦合，并以前文建立的公里分辨率的多环芳烃排放清单为输入数据，根据上述模型结果分析了中国境内多环芳烃的迁移和归趋，估算了中国及亚洲的多环芳烃输出和后续的跨太平洋输送；根据国内大气中多环芳烃的暴露浓度估计了中国人群呼吸暴露多环芳烃造成的肺癌风险。结果表明，2003年中国向大气中排放的多环芳烃的总量为11.4万吨，其中生物质能源燃烧是中国环境中多环芳烃的最重要来源，对中国多环芳烃排放的贡献约为57%,其中秸秆占35%，薪柴占22%，其次是炼焦。2003年炼焦过程排放的多环芳烃占总排放的比例为28.1%。其后贡献较大的源依次是生活用煤、交通用油、秸秆焚烧，所占比例分别为6.8%、2.5%和2.5%。其他源仅占3.5%左右。中国多环芳烃排放存在显著的空间和季节分异。在空间上，中国多环芳烃的排放主要集中在华北、华东及西南地区，东部地区的平均排放密度比西部地区要高一个量级左右。在时间上，由于采暖耗能的影响，中国冬季多环芳烃排放量要远高于夏季。2004年全球多环芳烃总排放为520Gg/y，其中亚洲排放为290Gg/y，占全球排放比例为55%。中国和印度分别排名第一和第二，其排放量分别为114Gg/y和90Gg/y。非洲、北美、欧洲、南美和大洋洲分别贡献了全球总排放的18.8%、8.0%、9.5%、6.0%和1.5%。美国排放量为32Gg/y，排名第三。尼日利亚、印度尼西亚、巴西、巴基斯坦、刚果和俄罗斯分列第4到9位。生物质燃料燃烧和天然火灾是全球排放的最重要源，其贡献分别为56.7%和17.0%。其他重要的源包括消费品使用、交通油燃烧以及生活用燃煤，其比例分别为6.9%、4.8%和3.7%。工业活动仅排放了不到10%，其中炼焦排放最为重要（3.6%）。本研究对大气迁移模型的模拟结果和实际观测值进行了比较验证，包括各介质浓度及相关介质间迁移通量。研究结果表明大气中多环芳烃浓度空间分布主要受排放和气象条件的影响。在山西、贵州、华北平原及四川盆地等高排放地区处各介质浓度均较高。中国排放的多环芳烃在西风带的影响下形成了一个向东的烟羽，从中国北部出发并深入到西太平洋。中国不同季节多环芳烃的迁移规律有显著的季节变化，冬季的迁移量要远大于夏季。本研究还计算了不同化合物在不同高度的平均迁移距离，发现其在高空的值要远高于在近地面。在西风带和东亚季风的影响下，2003年共有大约3800吨多环芳烃被大气迁移输出了国界，而其中有大约80%是向东侧输出的。中国多环芳烃输出主要集中在30◦N附近，对输出贡献最大的区域为华北平原和西侧的山西等省市，其对中国多环芳烃总输出的贡献超过65%。在平均气象条件下，东亚，包括中国排放的多环芳烃在西风带及位于欧亚大陆和北太平洋的一些半永久性气压中心的影响下，先被抬升到边界层以上，然后被向东输送到太平洋。位于20◦N∼50◦N和70◦E∼140◦E之间的区域的多环芳烃排放是北美地表多环芳烃浓度的最大贡献者。亚洲多环芳烃输出具有显著的季节变化，冬春季显著高于夏秋季节，变化幅度接近1个数量北京大学博士研究生学位论文级，排放、OH自由基浓度、温度以及相关的气压系统的季节性移动均是上述季节变化的重要原因。亚洲输出的多环芳烃很少到达北美地面，造成的年均的地面BaP浓度仅为1∼20pg/m3之间，并有显著的空间差别。但在特殊的气象条件下，通常与中纬度气旋有关，亚洲或中国排放的多环芳烃能在特定时间和位置引起北美地面多环芳烃浓度的显著升高。中国多环芳烃输出和跨太平洋输送具有显著的年际变化，并与PNA和SOI等气候指数有显著相关关系。中国2003年地表的BaP等效毒性当量浓度为2.43（半内四分位范围为1.29∼4.50，IR）ng/m3。由于排放和人口在空间分布上的相似性，人口加权的BaPeq浓度增加到7.64（IR,4.05∼14.1）ng/m3。约5.8%（IR,2.0%∼11%）的领土和30%（IR,17%∼43%）的人口，对应着56（IR,19∼110）万km2的领土，及4（IR,2.3∼5.7）亿的人口，暴露于超过国家标准的多环芳烃水平。本研究还建立了与多环芳烃呼吸暴露导致肺癌过程中有关的基因易感性分布，发现半数人口的基因易感性在平均值的35%和280%之间，最具易感性的5%人口的易感性是普通人群的10倍以上，同时，易感性最低的5%人口的易感性则只有普通人群的7.7%。在考虑到呼吸率及基因易感性的差异后，由于这些分布都是非对称的，中国多环芳烃呼吸暴露导致的平均人群风险可归因度百分比（PAF）增长到了1.6%（IR,0.91%∼2.6%），中国多环芳烃呼吸暴率导致的额外肺癌发病率为0:65×10−5。由于较大的空间变异，中国东部的肺癌风险要远高于西部，并在一些土法炼焦点观察到极高的超过44%PAF值。关键词：中国,多环芳烃,排放清单,大气迁移,呼吸暴露,易感性,肺癌风险–ii–PolycyclicAromaticHydrocarbonsinChina:Emission,AtmosphericTransportandLungCancerRiskAbstractBasedontheemissionfactorsofPolycyclicaromatichydrocarbons(PAHs)collectedfrompub-lishedliteratures,thisstudybuiltupadatabaseofPAHsemissionfactorsforbothChinaandglobe.EmissioninventoriesthenweresetupforChinaandglobeonthebasisoftheemissionfactordatabaseandemissionactivitydata.ThisstudyalsoinvestigatedthespatialdistributionsandtimevariancesofthePAHsemissioninbothChinaandglobe,andanalyzedthemajoremissionsourcesandcompoundsspeciesprofiles.Quantitativerelationshipsamongsocial,economicandclimateparametersandenergycon-sumptionforChineseprovinces,providedataforregressionmodelsestimateratesofenergyconsumptionandemissionofPAHsbycountyor1km×1kmgrids.Regressionmodelswereusedforemissionactivitieswithsurrogatedataasindependentvariables.Modelswerevalidatedus-ingavailableenergydataofrandomlyselectedcountiesofChinafromtheliterature.Basedonthesemodels,theemissioninventorieswereinterpolatedintohigherspatialresolution,i.e.bycountyand1km×1kmforChinaemissioninventory,andby1◦×1◦forglobalemissioninventory.Similarly,regressionmodelsweredevelopedbasedontheprovincialenergyconsumptiondatatocalculatethemonthlyproportionsofresidentialenergyconsumptiontothetotalyearvolume.Thismodelwasalsovalidatedbycomparingwithsurveyandstatisticaldata.Withthismodel,aPAHsemissioninventorywithseasonalvariationwasdeveloped.AnEuleratmospherictransportmodel(CanMETOP)coupledwithafugacitybasedmulti-mediamodelwasappliedandvalidatedtocalculatetheatmospherictransportandmultimediafateofPAHsinbothChinaandonglobe.TheatmospherictransportpatternofPAHsamongdif-ferentregionsofChinaandtheoutflowofPAHsfromChinawereinvestigated.ThetranspacifictransportofPAHsemittedfromAsia,includingChinawasdiscussedwithdetail.Additionally,themodelcalculatedambientairconcentrationsofPAHsatthegroundlevelinChinabasedonahigh-resolutionemissioninventorywereusedtoevaluatelungcancerriskofChinesepopulationduetoinhalationexposuretoPAHs.Uncertaintiesofthetransportmodel,exposureandriskanalysiswereassessedusingMonteCarlosimulationtakingintoconsiderationofvariationsinPAHemissions,aerosolandOHradicalconcentrations,drydepositionvelocity,respirationrateandindividualsusceptibility.Theresultshowsthatthetotalquantityof16PAHsemittedfromChinawas116,000tonsin2003,withindoorstrawandfirewoodcombustion,cokeproduction,domesticcoalcombustionandtrafficoilcombustionasthemostimportantsources(57%,28%,6.8%and2.5%,respectively).GreatspatialvarianceexistsforPA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