和田气溶胶的离子化学|大气气溶胶和雾霾新论

1.和田气溶胶中离子的浓度及其来源

可溶性离子也是和田气溶胶中的重要组成部分。细颗粒物PM 2.5中总的可溶性离子之和，在沙尘暴与非沙尘暴期间，（全年平均）分别为50.16、20.12μg·m-3，占总质量的29.1%、28.2%，在TSP中分别为104.47、39.41μg·m-3，占总质量的9.5%、13.8%，表明在细颗粒物中，可溶性离子所占的比重更大，但在沙尘暴与非沙尘暴期间没有太大差异。PM2.5中离 子的 浓度 顺序 为Ca2+＞SO24-＞Cl-＞Na+＞CH 3 COO-＞NO 3-＞NH 4+＞NO 2-＞K+＞Mg2+＞F-＞C2 O 24-＞MSA＞HCOO-＞PO 34-，TSP中的顺序为SO 24-＞Cl-＞Ca2+＞Na+＞NH 4+＞NO 3-＞MSA＞NO 2-＞K+＞CH 3 COO-＞Mg2+＞C2 O 24-＞F-＞HCOO-＞PO 34-。但在沙尘与非沙尘时期，以及在季节的更替中，离子序列也略有不同，表明和田沙尘气溶胶的情况远比塔中地区复杂。在可溶性离子中，SO 24-、Cl-、Ca2+、Na+为最主要离子，四者浓度之和占到总可溶性离子的70%以上。图13-7详细展示了主要离子在沙尘与非沙尘状况下，随不同季节的浓度变化。

图13-7　沙尘与非沙尘暴期间不同季节主要离子的浓度（μg·m-3）（彩图见下载文件包，网址见14页脚注）

2.和田大气气溶胶的酸度

气溶胶水提取液的p H可间接反映气溶胶的酸度。在2008年沙尘暴期间，沙漠腹地采样点气溶胶TSP和PM 2.5水提取液中的p H，分别为7.09、6.79；非沙尘暴期间为6.76、6.48。由此可见，无论是TSP还是PM 2.5，非沙尘暴期间气溶胶的酸度均高于沙尘暴期间。显然，沙尘暴期间外来沙尘的侵入，稀释了污染离子，使酸度降低。无论在沙尘暴还是非沙尘暴期间，p H均呈现TSP＞PM 2.5的变化，表明细颗粒的酸度高于粗颗粒，这是由于污染物更多存在于细颗粒物中。TSP和PM 2.5水提取液的p H，呈现出夏（7.02、6.68）＞春（6.75、6.68）＞秋（6.52、6.21）的季节变化趋势。这与塔中p H值春季最高，夏季最低的季节特征不同，表明沙漠周边绿洲城镇的寒冷季节取暖等排放的SO 2-4、NO-3等酸性离子的相对量增加，致使气溶胶的酸度增加。

3.和田大气气溶胶中元素S的主要存在形式

沙尘暴期间，SO2-4在TSP和PM 2.5中的质量分别为32.08、13.02μg·m-3；占总质量的2.9%、5.8%；非沙尘暴期间，质量浓度分别为8.74、3.88μg·m-3，占到总质量的3.0%、5.0%。如图13-8所示，在全年各季度收集的所有样品中，无论是TSP还是PM 2.5，可溶性S占总S的比值（SO 24-／3）／S总大多在90%以上。由此可见，和田地区90%以上的S，都是以可溶性硫即SO24-的形式存在。硫酸盐具有降温效应，在亚洲沙尘源头大部分的S，以可溶性的硫酸盐形式存在，其长途传输势必会对全球的气候变化产生影响。(www.xing528.com)

图13-8　和田气溶胶中可溶性硫（S w）占总硫（S t）的比值（S w／S t）

4.和田大气气溶胶中硫酸盐的矿物源和人为源

和田地处沙漠南端的绿洲带上，当地的农牧业生产、工业化进程以及每年定期的采暖等人为活动，对当地大气质量产生影响。塔克拉玛干沙漠腹地的气溶胶，是最原始、最本质的亚洲沙尘气溶胶。因此，以塔中气溶胶为背景，可以定量描述和田硫酸盐气溶胶的特性。如上一章所述，因塔克拉玛干沙漠具有古海洋源的特性，沙尘气溶胶中的SO 24-与Na+具有强相关性，相关系数大于0.99（PM 2.5，n=100；TSP，n=100）。根据此特性，利用塔中气溶胶里SO24-与Na+的克当量比，可以计算来自外来源的硫酸盐，从而估算和田地区沙尘气溶胶中来自本地人为活动污染源的硫酸盐对硫酸盐气溶胶总量的相对贡献，即矿物源硫酸盐气溶胶SO 24-矿物源=［SO 24-／Na+］塔中×Na+　和田，污染源硫酸盐气溶胶

图13-9所示为不同季节在PM 2.5和TSP中矿物源硫酸盐与人为污染源硫酸盐对硫酸盐气溶胶总量的相对贡献。在PM 2.5中，春、夏、秋季矿物源硫酸盐分别为90%、91%、67%；在TSP中，分别为85%、95%、68%。显然，春夏季硫酸盐气溶胶中矿物源硫酸盐所占的比重，远高于人为污染所产生的硫酸盐。结合后向轨迹分析发现，和田地区矿物源硫酸盐中，不仅有来自曾为古海洋的塔克拉玛干沙漠的贡献，也有来自新疆北部盐碱地区的输送，甚至可能有来自哈萨克斯坦盐碱地的影响。本地工农业生产及采暖所产生的污染物硫酸盐占到9%～15%。秋季，和田硫酸盐气溶胶中人为污染产生的硫酸盐，所占比重比春夏季有了明显的增加，是春夏季的2～3倍。这表明秋季燃煤采暖排放的SO2转换生成的硫酸盐，在PM 2.5中约占总硫酸盐的24%，在TSP中为17%～27%。这一结果说明，秋冬季采暖是污染源硫酸盐的主要来源。由此可见，即便在沙尘的源头，采暖、燃煤发电等人为活动也已经对和田地区的气溶胶产生了重大影响。污染气溶胶与矿物气溶胶在沙尘源头以及在长途传输途中的混合及相互作用，对下风向地区即中国中东部地区甚至太平洋上空气溶胶的化学特性、光学特性以及气候效应，都产生重要影响。

图13-9　和田不同季节硫酸盐气溶胶中一次源和人为源的贡献