地球第三极西藏有毒挥发性有机物排放热点的高分辨率识别与多终点健康风险评估

《Journal of Environmental Management》：High-resolution identification of toxic VOC emission hotspots and multi-endpoint health risk assessment in Tibet, Third Pole of Earth

　　

## 摘要

本研究建立了一套针对青藏高原定制化的高分辨率（3 km × 3 km）挥发性有机物（VOC）物种排放清单，整合了高海拔特异性排放因子与源谱。2023年，西藏人为VOC排放总量达到32.45 kt，其中住宅活动贡献最大（40.4%），其次是道路车辆（31.6%）。各城市中，毒性VOC物种占比为41%–45%，共涉及11种烷基苯、6种醛、2种烯烃和2种烷烃。空间上，37.2%的VOC排放发生在城市栅格中，而城市栅格仅占总面积的0.3%，却集中了23.7%的总人口。拉萨城区栅格的排放强度最高（27.00 t/km2/yr），其他城市的城区（1.40–3.88 t/km2/yr）则与拉萨郊区栅格相当。相应地，拉萨环境空气中的VOC实测浓度为城区25.31 ppb、郊区11.16 ppb，也表明排放热点地区存在严重的VOC污染。此外，本研究还利用ADMETlab预测的毒性当量，针对四个健康终点，对城市居民的VOC暴露风险进行了评估。结果表明，共识别出14种高风险物种和18种中等风险物种，包括前述21种毒性物种以及C2–C4和C8–C10烷烃、C9–C10芳烃和C6–C10醛类。柴油车和牦牛粪燃烧是这些风险物种的主要贡献来源。据此，本研究提出了一种理想化的排放削减情景，在该情景下，完全淘汰老旧柴油车并用清洁能源全面替代牦牛粪燃烧，理论上可将毒性VOC排放减少至多49.1%，并将健康风险降低31.9%–37.0%。

## 引言

青藏高原常被誉为地球的"第三极"，拥有世界上最大的高山生态系统，并在区域大气环流和气候系统中发挥着关键作用（You et al., 2021; Yao et al., 2022a, 2022b）。西藏位于"第三极"的核心地带，平均海拔超过4000 m。该地区氧气浓度仅为海平面值的63%–68%（178.7–193.3 g/m3）（Yang et al., 2025），年均短波辐射约为284.8 W/m2，而中国大多数低海拔地区的数值均低于160 W/m2（Li et al., 2024）。稀薄的空气条件抑制了污染物的扩散，而强烈的太阳辐射又驱动了二次大气污染物的活跃生成（Zhang et al., 2022b; Huang et al., 2023; Zhong et al., 2024）。这些特征与西藏作为重要生态安全屏障的关键作用叠加，使其成为全球环境意义最为重大却又极为脆弱的地区之一（Kang et al., 2019; Yao et al., 2022a, 2022b; Ren et al., 2023）。

根据2025年西藏地面空气质量监测数据，年均NO?为11 μg/m3，PM2.5为9 μg/m3，PM10为21 μg/m3，24小时平均CO的95分位数为0.9 mg/m3，MDA8 O?的90分位数为122 μg/m3。与北京、上海、广州等中国低海拔大城市相比，西藏的CO水平与这些城市相当，O?水平为其76.6%–78.6%，而NO?和颗粒物水平仅为大城市的35.0%–57.7%（https://www.cnemc.cn/sssj/）。各污染物随海拔出现分化的部分原因在于：高海拔地区呈现"CO偏高、NO?偏低"的排放格局——低氧条件导致燃烧不充分，一方面使CO增加，另一方面又抑制了NO?的生成（Yang et al., 2025）。这一高原特有的条件也显著影响着挥发性有机物（VOC）排放：部分原因是低氧条件下固体燃料（Dang et al., 2019）及道路车辆尾气（Huang et al., 2025; Yang et al., 2025）燃烧不充分；另一部分原因是低气压使燃油蒸发量增大（Huang et al., 2025; Lin et al., 2025）。相应地，高原上既往的观测研究也发现VOC浓度相对较高，尽管大多数测量数据是在省会拉萨完成的。2019–2021年拉萨测得的VOC体积混合比在16.7 ppb至45.8 ppb之间，其中含氧VOC（OVOC）约占55.7%（Ye et al., 2023; Yao et al., 2024; Guo et al., 2025a）。拉萨观测到的VOC水平相当于北京、上海等中国大城市的56.9%–214.4%（Han et al., 2023），深圳的相应比例亦在此区间（Zhu et al., 2023），而相较纽约（Borlaza-Lacoste et al., 2024）和加拿大（Xiong and Du, 2020）报告的水平则为87.2%–341.8%。考虑到VOC是O?和二次有机气溶胶（SOA）的重要前体物（Mozaffar and Zhang, 2020; Chen et al., 2023），而部分毒性物种如BTEX（苯、甲苯）及羰基化合物（甲醛）通过吸入途径对人类健康构成直接风险（Du et al., 2014; Ji et al., 2024; Guo et al., 2025b; Zhang et al., 2025），在高海拔地区，缺氧与空气污染叠加可能引发更为严重的健康问题（Ye et al., 2023），因此这些健康隐患被进一步放大。所以，在高物种分辨率水平上准确理解VOC排放与污染情况，对该区域而言至关重要。

此前针对高海拔VOC排放的研究较为有限，主要聚焦于道路车辆排放、燃油蒸发和住宅固体燃料燃烧。这些研究发现，与低海拔地区相比，每千克燃油蒸发排放量增加了115%–140%（Huang et al., 2025; Lin et al., 2025）；道路柴油车每公里尾气排放量增加了190%–663%（Huang et al., 2025; Yang et al., 2025）；每千克固体燃料不完全燃烧排放量增加了250%–344%（Dang et al., 2019）。就源谱而言，高海拔车辆尾气中的OVOC含量更高（16.2%–31.4%）（Guo et al., 2023），高于低海拔尾气（9.4%–20.1%）（Hong-li et al., 2017; Zhao et al., 2026），且甲苯占比超过苯，与低海拔地区的规律相反。燃油蒸发的源谱在高、低海拔均以烷烃为主，无明显差异（Lin et al., 2025）。固体燃料燃烧源谱方面，高海拔地区以较高的OVOC（20.3%–42.3%）和芳烃（12.5%–38.4%）为特征（Sun et al., 2021），而低海拔地区则以OVOC为主（15.2%–53.6%），烷烃/烯烃贡献较低（14.8%–50.1%）（Zhang et al., 2021; Peng et al., 2023; Shi et al., 2024）。然而，此前针对西藏VOC排放的研究大多依据各类低海拔源的特征进行估算，而非充分考虑高原特异性（Li et al., 2019, 2021; Gao et al., 2022; Kong et al., 2024）。这些研究得出结论称西藏人为VOC排放量为17.5~19.7 kt/yr，但仍缺乏针对该区域完整的高海拔VOC源谱。显然，使用低海拔排放因子（EFs）所得的估算值被低估了。例如，据前述研究结果，拉萨（西藏首府）城区平均排放强度为2.45 t/km2/yr，仅为北京和上海城区的4.3%–10.5%；但拉萨空气中实测VOC浓度却是这些大城市的56.9%–214.4%（Cui et al., 2022; Han et al., 2023）。这种排放与浓度之间的显著错配，凸显了当前VOC排放估算存在严重偏差。此外，空气质量模式模拟也证明，VOC和NO?排放的低估导致青藏高原O?模拟值被低估60%（Wang et al., 2025）。总体而言，这些清单未能纳入高原独特的局地排放特征，凸显了建立高原本地化清单的紧迫性。

VOC数据的匮乏与不准对高原相关健康风险研究造成了不利影响。以往研究主要聚焦于基于拉萨本地观测VOC数据的传统致癌风险评估（Guo et al., 2022, 2025b; Li et al., 2023），对与高海拔疾病相关的健康风险关注甚少。现有证据表明，芳烃——尤其是苯和乙苯——存在超过安全阈值的致癌风险（Guo et al., 2022; Li et al., 2023）；含氧VOC中的甲醛和乙醛同样超过了可接受的风险水平（Guo et al., 2025b）。仅基于致癌风险来识别关键物种的做法可能忽略对高海拔人群同样重要的其他健康终点，如心脏毒性、呼吸毒性和氧化应激，从而妨碍VOC管控的决策。

因此，本研究为西藏建立了一套高分辨率的VOC排放清单，整合了高原特异性排放因子和源谱，并采用3 km × 3 km的空间分配方案。基于该精细化清单，我们识别了全区域毒性VOC排放热点，并在拉萨城区和郊区（分别代表污染最重和污染中等的区域）开展了环境VOC测量。随后，我们基于VOC观测数据，从四个健康终点（心脏毒性、致癌性、呼吸毒性和氧化应激）评估了健康风险，以了解综合健康影响并识别整个区域的关键风险驱动因素。最后，结合健康风险结果，我们识别出主导来源，提出针对性的VOC管控策略，以改善空气质量并降低健康风险。

## 分区片段

### 研究区域

西藏位于中国西南部，纬度介于26°50′～36°53′，经度介于78°25′～99°06′。青藏高原上该区域的陆地总面积约为120万 km2，约占中国国土总面积的八分之一。该地区86.1%的面积海拔超过4000 m，地形由西北向东南逐渐降低。最近，常住人口约为370万，其中39.7%集中于城区（总计约（原文在此处截断）

### 分行业VOC排放估算

2023年，西藏人为VOC排放总量估算为32.45 kt，分别由道路车辆（10.25 kt/yr）、非道路机械（4.44 kt/yr）、燃油蒸发（4.05 kt/yr）、住宅活动（13.10 kt/yr）和工业源（0.61 kt/yr）贡献。在针对道路车辆、非道路机械、燃油蒸发和住宅燃烧应用高原特异性考虑后，本研究的估算值比西藏此前的估算值高出99%–108%（//meicmodel.org.cn/）

### VOC管控情景分析：对健康风险削减的影响

基于分物种VOC排放清单，高、中等健康风险物种在西藏共排放VOC 17.69 kt。道路车辆是最大的来源（37.8%），其次是住宅源（35.7%）和燃油蒸发（15.6%），而非道路机械和工业过程贡献较小，分别为10.3%和0.6%。在亚源层面，国Ⅰ–Ⅲ柴油车、住宅牦牛粪燃烧、住宅溶剂使用和国Ⅳ–Ⅵ柴油车为（原文在此处截断）

### 不确定性分析

为量化VOC排放的不确定性，本研究使用Crystal Ball进行10 000次蒙特卡洛模拟，从以其变异系数（CVs）为参数的分布中随机抽取排放因子和活动水平数据。对实测排放因子，道路车辆的CV为28%，燃油蒸发的CV为46%。对其余来源，排放因子取自指南或文献，CV分别为20%和30%（Liu et al., 2021）。道路车辆和燃油蒸发的本地实测源谱（原文在此处截断）

### 结论

本研究为西藏建立了一套高原本地化的VOC排放清单，整合了来自现场测量的高海拔特异性排放因子与源谱。2023年人为VOC排放总量达到32.45 kt/yr，比基于低海拔排放因子的估算值高出约108%，凸显了高原适配的重要性。道路车辆（以柴油车为主）和住宅燃烧（尤其是牦牛粪燃烧）是主要贡献来源，拉萨（原文在此处截断）

### CRediT作者贡献声明

Xuemei Yang：Writing – review & editing（写作—审阅与编辑）, Writing – original draft（写作—初稿撰写）, Validation（验证）, Methodology（方法论）, Investigation（研究调查）, Formal analysis（形式化分析）, Conceptualization（概念化设计）
Zhouyue Lin：Methodology, Investigation, Conceptualization
Ying Pan：Methodology, Investigation
Nixia Ciren：Methodology, Investigation
Ke Gao：Methodology, Conceptualization
Wei Wei：Writing – review & editing, Validation, Supervision（监督指导）, Methodology, Funding acquisition（资金获取）, Conceptualization

### 利益冲突声明

作者声明，不存在已知的可能影响本文所述工作之财务利益或个人关系的冲突。

### 致谢

本研究由中国国家自然科学基金（项目编号U23A2031）及北京市生态环境科技专项（项目编号BJST20250104）资助。

Xuemei Yang｜Zhouyue Lin｜Ying Pan｜Nixia Ciren｜Ke Gao｜Wei Wei
北京工业大学 环境科学与工程学院，北京，100124，中国