沙尘气溶胶中的可溶性离子—《大气气溶胶和雾霾新论》研究成果

TSP和PM 2.5中主要可溶性离子的浓度，在沙尘与非沙尘期间的比值（浓度DS／浓度ND）如图57-5所示。矿物源离子如Na+、K+、Mg2+和Ca2+，在沙尘期间都有明显增加［图57-5（a）］。在沙尘源区站点（塔中、榆林、多伦），可溶性离子质量浓度增加的比例，在TSP中比在PM 2.5中大；而在上海的PM 2.5中，可溶性离子质量浓度增加的比例明显比TSP大，说明沙尘对于源区附近的影响，主要体现在粗颗粒物上，而对于距离较远的下游地区，由于在传输过程中粗颗粒物相对较易沉降，故细颗粒物的增加较为明显。在塔中，TSP中Na+、K+、Mg2+和Ca2+的质量百分比，在沙尘与非沙尘期基本变化不大，而在其他站点，这些可溶性离子在颗粒物中的百分比，在沙尘期相较非沙尘期可下降2～5倍。塔中位于沙漠腹地，人为污染源较少，因此在沙尘与非沙尘期间，可溶性离子的非差异性表现了塔克拉玛干沙漠沙尘气溶胶最本质的特性。而在其他站点，当发生沙尘暴时，大量非可溶性的物质（主要是不溶性矿物）被携带进入，可溶性组分被稀释，因此Na+、K+、Mg2+和Ca2+的质量百分比降低。

图57-5　4个站点TSP和PM 2.5中主要离子在沙尘期与非沙尘期的质量浓度比值(www.xing528.com)

（a）Na+、K+、Mg2+、Ca2+；（b）SO 2-4、NO-3、NH+4。

不同于上述矿物源离子，SO24-、NO3-和NH 4+这些所谓的“二次离子”，表现出不同的特点［图57-5（b）］。值得注意的是，SO24-在沙尘期间的各个站点都有明显增加。在塔中尤其明显，沙尘期间SO24-在PM2.5和TSP中的平均浓度分别为36.0和109.3μg·m-3，而在非沙尘期间分别为8.3和15.0μg·m-3。尽管SO 24-在PM 2.5和TSP中分别增加了4.3和7.3倍，但其在颗粒物中的百分比含量却变化不大。ND和DS时期SO 24-在PM 2.5中的平均质量百分比，分别为3.97%和3.53%；在TSP中，则为2.81%和2.53%。这很可能说明，SO24-的来源和通常二次污染物的来源有所不同，否则SO 24-也会如同上述的矿物离子，在沙尘期间的质量百分比会有明显下降。分析塔克拉玛干沙漠各地表层土中的S，发现其在沙漠中的丰度（0.125%）远大于地壳平均丰度（0.035%）；而Al在表层土中的含量为4.52%，远低于地壳的平均丰度8.13%。如果使用塔中表层土的S／Al比值，作为计算富集系数的参比，那么S在沙尘期间在PM 2.5和TSP中的EF分别为7.6和7.0，而在非沙尘时期则为9.0和8.6。值得注意的是，尽管S在塔克拉玛干沙漠中的丰度如此之高，可溶性S占总硫的比值，也就是SO2-4／S，在PM 2.5和TSP中分别为0.88和0.91，说明气溶胶中的S，绝大部分是以可溶性S的形式存在的。进一步分析发现，SO 2-4与Na+、Cl-以及Ca2+的相关性都极好，相关系数均达到0.97以上，表明它们很可能出于同一来源。以上这些特性表明，塔克拉玛干沙漠中的硫酸盐，主要来自矿物源，也就是一次源，而不是传统意义上通过二次反应生成的二次气溶胶。由于塔克拉玛干沙漠在500万～700万年前是古海洋［35］，因此来自古海洋干涸的海盐，是该地气溶胶的主要来源。这就是塔克拉玛干沙漠中的硫酸盐浓度为何如此之高的原因。在其他3个观测点，沙尘期间的硫酸盐浓度均增加了1.5～3倍，而质量百分比却降低了2～7倍。这是由于硫酸盐在这些站点主要来自二次生成，可能是来自硫酸盐前体物SO 2在沙尘气溶胶表面的附着，以及接下来的氧化反应生成，或是来自SO 2的液相反应，也有可能是来自在传输途中沙尘和已有硫酸盐气溶胶的混合［23］。图57-5（b）还显示了SO 24-在TSP中的增加倍数比PM 2.5高，说明沙尘期间生成的硫酸盐，更易富集在粗颗粒物中，例如以CaSO 4的形式存在；在非沙尘时期硫酸盐则倾向于存在于细颗粒物中，例如（NH 4）2 SO 4。对于组分存在形式的讨论，请见下面的57.5节。与SO24-不同的是，沙尘期间NO 3-和NH 4+的浓度几乎不变或者减小，类似的情况在2001和2002年北京的沙尘暴中也出现过［36］。这说明，硝酸盐和铵盐在沙尘颗粒物上几乎不发生复相反应，并且说明NO 3-和NH 4+可能更多地来自本地源。