榆林地区气溶胶与污染物相互作用—《大气气溶胶和雾霾新论》

图26-2　TSP和PM 2.5中SO24-、NO3-、Al元素的质量浓度变化（单位：μg·m-3）（彩图见图版第12页，也见下载文件包，网址见正文14页脚注）

空缺值是由于雨天或仪器故障停止采样所致。

上述分析表明，在沙尘期间，榆林大气气溶胶中含有相当数量的人为排放污染物。如表26-1所示，TSP和PM 2.5中污染元素的含量，远高于其在地壳中的平均含量，且污染成分对大气气溶胶的贡献在非沙尘期间明显升高。除了物理混合之外，许多研究［33-36］表明，矿物气溶胶含有大量碱性物质（如CaCO3、MgCO3等），有利于大气中酸性污染气体SO2、NO x等的化学转化，从而促进颗粒物中硫酸盐、硝酸盐的形成。因此，可以通过分析气溶胶中SO24-和NO 3-的浓度变化，来研究沙尘气溶胶与污染物之间的相互作用。图26-2为研究期间榆林气溶胶中SO24-、NO 3-、Al元素的质量浓度变化。榆林气溶胶中的SO 24-既受矿物源的影响，也受人为污染物排放的影响，而NO 3-则主要来自人为污染物排放。SO24-质量浓度在沙尘时期随着Al元素浓度的升高而明显升高，在2007年3月30日的沙尘事件中，TSP中SO 24-的质量浓度是非沙尘时期平均浓度的4.3倍，说明沙尘气溶胶可带来大量与矿物气溶胶相关的SO 24-。而在非沙尘期间，SO 24-浓度随着NO 3-浓度的升高而升高，说明非沙尘期间SO 24-与NO 3-一样，主要来自酸性气体SO 2、NO x在大气以及颗粒物表面的化学转化，如SO 2、NO x与碱性物质CaCO 3之间的化学反应［22］。相反在沙尘期间，由于入侵沙尘对大气污染物的稀释作用，颗粒物中NO 3-明显下降。在沙尘期间，颗粒态NO 3-分别占PM 2.5和TSP总质量的0.8%和0.3%，大于更为偏远的塔克拉玛干沙漠大气气溶胶中NO 3-的含量（PM 2.5和TSP中NO 3-的含量分别为0.5%和0.1%），说明即使是在沙尘期间，也存在矿物气溶胶与污染物的相互作用。

SO24-和NO 3-作为大气气溶胶中的主要水溶性污染成分，其与Al元素的比值NO 3-／Al和SO 24-／Al，可用来指示矿物气溶胶与污染物的混合程度［31］。在本研究中，由于榆林大气气溶胶中的SO 24-受到矿物源的影响，不可用作污染物排放水平的指示物。气溶胶中的NO 3-主要来自当地的污染物排放，如图26-3所示，NO 3-的质量浓度变化与其他污染组分Pb、Cd、Zn和NH 4+等的浓度变化一致，因此可作为当地污染物排放的指示物，而Al元素通常可作为矿物气溶胶的指示物。因此，NO 3-离子与Al元素质量浓度的比值NO 3-／Al，可用来指示气溶胶中矿物气溶胶与污染物的混合程度。

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图26-3　PM2.5中NO3-、NH4+、Pb、Cd、Zn的质量浓度变化空缺值是由于雨天或仪器故障停止采样所致。

表26-2为榆林沙尘和非沙尘时期大气气溶胶中NO 3-／Al比值的平均值。与榆林同步采样的塔中、多伦、北京、上海站点，在沙尘和非沙尘期间大气气溶胶中的NO 3-／Al比值也列入表中以作比较。从颗粒物的粒径来看，PM 2.5中的NO 3-／Al比值总大于TSP中的比值，可见细颗粒物中矿物气溶胶与污染物的混合程度比粗颗粒物高，说明细颗粒物的污染含量比较高，矿物气溶胶与污染物的相互作用在细颗粒物中更为显著。从不同的天气状况来看，非沙尘时期NO-3／Al比值远比沙尘时期高，尤其是在粗颗粒物中更为明显，说明沙尘期间矿物气溶胶对污染物有显著的稀释作用。以2007年3月30日—4月1日的沙尘事件为例，细颗粒PM 2.5中NO-3／Al比值随着沙尘强度的增强而升高。在沙尘入侵榆林前一天（3月29日），NO-3／Al比值为0.35，而在30日颗粒物中的NO-3／Al比值从一开始的0.71急剧下降至0.07，并且在30日晚上下降到了0.04；而后随着矿物气溶胶与污染物之间的混合与转化，NO-3／Al在31日和4月1日略有上升，分别为0.07和0.09，到4月2日NO-3／Al比值回到受沙尘影响前的0.74。从气溶胶的年际变化来看，在非沙尘时期，细颗粒物PM 2.5中的NO-3／Al比值在2006、2007、2008年的平均比值分别为0.24、1.23、5.08，而TSP中的NO-3／Al比值为0.19、0.71、1.41。这主要是由于2006年沙尘排放量较高，而2008年沙尘比较少，并且在2006—2008年，随着经济的发展，榆林大气中污染物排放有所升高所致（陕西省《2009年统计年鉴》）。从不同观测点的情况来看，榆林气溶胶中的NO-3／Al比值比北京、上海气溶胶中的比值小，但远高于其他靠近沙尘源区站点的内蒙古多伦和通辽［37］，以及塔克拉玛干沙漠中心大气气溶胶中的NO-3／Al比值，说明榆林矿物气溶胶和污染物的混合程度，比其他沙尘源区高。榆林处于亚洲沙尘向东、向南传输的路径中，沙尘在传输过程中与污染物的混合，会给下风向地区输送更多的污染物。

表26-2　沙尘（DS）和非沙尘（NDS）时期榆林、塔中、多伦、北京、上海大气气溶胶中NO3-／Al比值的平均值