中國東部陸架海與西北太平洋春季氣溶膠中不同形態(tài)氮的空間分布及氮氧同位素應(yīng)用.pdf

1、大氣氣溶膠是大氣化學(xué)中多相反應(yīng)的催化劑，其化學(xué)成份極其復(fù)雜。人類活動(dòng)釋放到大氣中的不同形態(tài)的活性氮是大氣氣溶膠中一個(gè)重要的組成部分。在東亞冬季季風(fēng)的驅(qū)使下，含有活性氮的氣溶膠可以在大氣中長距離傳輸并沉降到下風(fēng)向區(qū)域的邊緣海和開闊大洋。穩(wěn)定氮同位素可用于追溯海洋源氣溶膠中活性氮的主要來源及其在大氣中的化學(xué)過程。但由于氮同位素在大氣傳輸和化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中的分餾效應(yīng)，使得其應(yīng)用變得復(fù)雜。起源于西伯利亞的東亞冬季季風(fēng)通過人為活性氮排放強(qiáng)烈的中國東

2、北后又覆蓋了整個(gè)中國東部陸架海和西北太平洋海域，而且在該海域的春季，沙塵和海霧頻現(xiàn)。這為研究該海域海洋源氣溶膠中人為源活性氮的空間分布以及在大氣中長距離傳輸及其化學(xué)過程提供了良好的研究場(chǎng)所。
　　本論文以中國東部陸架海（黃海和東海）以及西北太平洋開闊海域?yàn)檠芯繀^(qū)域，通過連續(xù)兩年春季航次，采集了從近岸至開闊大洋的總懸浮顆粒氣溶膠樣品，重點(diǎn)研究受人為活動(dòng)影響下的不同類型海洋源氣溶膠的化學(xué)特征、不同類型氣溶膠中不同形態(tài)水溶態(tài)氮的空間分布

3、、氣溶膠中硝酸鹽氮氧同位素組成特征以及海氣界面氮交換。
　　基于多重標(biāo)準(zhǔn)（氣象參數(shù)，氣團(tuán)回追軌跡，NASA的CALIPSO衛(wèi)星資料，離子化學(xué)計(jì)量學(xué)和氣溶膠化學(xué)組成），本研究把氣溶膠分為海霧氣溶膠、沙塵氣溶膠和背景氣溶膠。黃海和東海的海霧氣溶膠中與人為活動(dòng)排放相關(guān)的NO3-，NH3+和SO42-要顯著高于西北太平洋開闊海域;相反西北太平洋開闊海域背景氣溶膠中主要來源于海洋源釋放的海鹽Na+，Cl-和Mg2+要高于黃海和東海的海霧氣溶

4、膠。這說明海洋源氣溶膠的化學(xué)組成受到其來源影響。在西北太平洋開闊海域沙塵氣溶膠中與人為活動(dòng)排放相關(guān)的NO3-，NH4+和SO42-同樣顯著高于該海域背景氣溶膠，說明沙塵可以作為媒介攜帶NO3-，NH4+和SO42-進(jìn)行長距離的傳輸。在春季，從陸地沙塵源區(qū)至西北太平洋開闊海域，氣溶膠中總鋁和總鐵濃度呈下降趨勢(shì)，但是黃海和東海海霧氣溶膠中總鐵和總鋁的比值高于陸地沙塵源區(qū)和西北太平洋開闊海域，說明中國東北部地區(qū)是大氣氣溶膠中鐵的一個(gè)源。氣溶膠

5、中水溶態(tài)鋁和鐵的濃度從黃海至東海到西北太平洋開闊海域逐漸下降，這可能與氣溶膠的酸化、老化和來源有關(guān)。
　　黃海和東海海霧氣溶膠中NO3-，NH4+和WSON濃度高于該海域沙塵氣溶膠和背景氣溶膠說明海霧氣溶膠對(duì)三種水溶態(tài)氮都有吸收作用。類似，在西北太平洋開闊海域沙塵氣溶膠中NO3-和NH4+高于背景氣溶膠同樣說明沙塵在長距離傳輸中對(duì)NO3-和NH4+具有“吸附”作用，但是除了WSON。沿著東亞冬季季風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)，背景氣溶膠中NO3-和N

6、H4+的濃度從中國東部向西北太平洋開闊海域逐漸降低，說明中國東部是春季中國東部陸架海和西北太平洋海域大氣中NH+和NO3的主要來源。在黃海和東海，夏季背景氣溶膠中NO3-和NH4+的濃度為春季的60～70％;但是在西北太平洋開闊海域，夏季背景氣溶膠中NO3-和NH4+的濃度只有春季的10～20％。這種顯著的時(shí)間和空間差異說明黃海和東海全年都受大氣氮沉降影響，而到了西北太平洋開闊海域，大氣氮沉降主要集中在東亞冬季季風(fēng)期間。對(duì)于WSON，黃

7、海和東海海霧氣溶膠和沙塵氣溶膠中WSON的來源較復(fù)雜，人為活動(dòng)、陸地礦物、生物質(zhì)燃燒以及二次氣溶膠都可能貢獻(xiàn)WSON。對(duì)于西北太平開闊海域背景氣溶膠，Na+，Cl-，Mg2+和WSON與風(fēng)速顯示相同的變化趨勢(shì)，說明表層海洋是大氣中WSON的一個(gè)源。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，氣溶膠中WSON/WSTN的比值低于雨水，本研究認(rèn)為雨水中WSON/WSTN的比值高于氣溶膠的原因可能是親水性的WSON易被吸附在氣溶膠表面的液體中或者被雨水淋洗。通過計(jì)算不

8、同類型氣溶膠中不同形態(tài)氮沉降通量，發(fā)現(xiàn)黃海和東海海霧氣溶膠沉降的氮對(duì)該海域的新生產(chǎn)力有較大的貢獻(xiàn)。以每天尺度來看，黃海和東海因海霧引起的氮沉降通量為長江輸入的6倍。另外，春季西北太平洋開闊海域氣溶膠氮沉降貢獻(xiàn)的新生產(chǎn)力等于夏季該海域所有大氣無機(jī)氮沉降貢獻(xiàn)的新生產(chǎn)力。
　　氣溶膠中δ15N-NO3-在沿著東亞冬季季風(fēng)從中國東北(+5.1～+21‰)向西北太平洋開闊海域(-9.2～+5.0‰)傳輸?shù)倪^程中持續(xù)下降。這種變化趨勢(shì)主要是由

9、于15N-NO3-在長距離傳輸過程中的分餾導(dǎo)致。本研究發(fā)現(xiàn)在中國陸地及近海大氣中氣態(tài)NO與NO2之間的15N的富集因子為-18‰，在東海及日本海的南部大氣中氣態(tài)的HNO3和顆粒態(tài)的NO3-之間15N的富集因子為-8.5‰時(shí)，通過瑞利模型計(jì)算得出西北太平洋開闊海域背景氣溶膠中δ15N-NO3-(-7.2～+4.3‰)與實(shí)測(cè)(-9.2～+5.0‰)相似。盡管計(jì)算過程中存在許多的假設(shè)，但是本研究為今后大氣氣溶膠中δ15N-NO3-在長距離傳輸

10、過程中分餾機(jī)理提供了參考路徑。中國黃海和東海的海霧氣溶膠δ15N-NO3-低于中國北方和韓國膠州島的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這主要是因?yàn)楹ｌF在形成的過程中，吸收了大量氣態(tài)富集14N-HNO3，導(dǎo)致海霧氣溶膠中δ15N-NO3-偏低。當(dāng)大氣相對(duì)濕度小于90％時(shí)，δ18O-NO3-與采樣期間平均相對(duì)濕度呈現(xiàn)良好的正相關(guān)性，這說明當(dāng)大氣中水分增加時(shí)反應(yīng)N2O5(g)+ H2O→2HNO3(aq)貢獻(xiàn)的硝酸鹽較多。在西北太平洋開闊海域，沙塵氣溶膠中δ18O-

11、NO3-平均值高于背景氣溶膠，這可能是沙塵與氣態(tài)NO3和N2O5之間的直接反應(yīng)生成硝酸鹽有關(guān)。
　　從黃海到東海再到西北太平洋開闊海域，表層海水中DON濃度和δ15N-DON逐漸下降。表層海水中DON濃度的空間變化趨勢(shì)與大氣氮沉降空間分布一致說明了大氣氮沉降可能是引起表層海水中DON累積原因之一。而δ15N-DON的空間分布與DON一致說明表層海水中快速的DON累積和慢速的DON分解過程導(dǎo)致15N-DON分餾。隨著背景氣溶膠中WS

12、ON/WSTN比值的增加，氣溶膠中δ15N-WSTN也增加，同時(shí)δ15N-WSTN更加趨近表層海水中δ15N-DON，這說明表層海水中DON可能是大氣氣溶膠中WSON的來源。
　　綜上所述，氣溶膠化學(xué)主要受到其來源的影響。春季中國東部陸架海和西北太平洋海域大氣氣溶膠中NO3-和NH4+主要來源于中國內(nèi)地人為源的排放。氣溶膠中WSON除了海洋源外，其它來源還不清楚。東亞冬季季風(fēng)期間是西北太平洋開闊海域大氣氮沉降的主要時(shí)期。利用δ15