软物质高精尖中心刘永春课题组《Nat. Comm.》：华北地区沙尘减排促进氨气向颗粒态铵盐转化

氨气是大气中丰度最高的碱性气体，在大气中，可中和硫酸和硝酸等酸性物质，并最终导致颗粒物态铵盐的生成，从而对区域空气质量、气候变化和生态系统有重要影响。研究表明，氨气向铵盐的转化是控制我国大气颗粒物浓度的关键因素之一。目前主要基于实验室测得的氨气在模型颗粒物上摄取动力学参数来评估该过程对颗粒物生成和空气质量的贡献。实际大气中，颗粒物的组成远比模型颗粒物复杂，而在真实大气条件下氨气向铵盐的转化动力学常数是未知的，更不清楚这一过程在大气中的变化规律。

刘永春课题组2018年以来在华北平原代表性城市北京和石家庄进行连续观测研究发现，气态氨的浓度呈下降趋势，但颗粒态铵盐浓度和在PM_2.5中的占比保持不变或增加趋势，说明氨的气-粒转化过程偏向颗粒态。利用建立的动力学常数计算方法，得到华北地区气态氨向颗粒态铵盐转化的摄取系数（γ_NH3）为2.2×10^-4-6.0×10^-4，并至2018年以来以6.24±0.97×10^-5/年的速度增加（图1）。氨的摄取系数与PM_2.5的pH值线性负相关（γ_NH3 =2.38×10⁻⁴–2.35 × 10⁻⁵pH, R=0.90）。

图1. 石家庄和北京市氨气向颗粒态铵盐转化的摄取系数随时间的变化。

分析发现，2018年以来大气PM_2.5的酸度以0.23±0.06/年的速度增加。这是由于PM_2.5中Ca²⁺和Mg²⁺等阳离子浓度显著降低（图2），使其对颗粒物中酸性组分的中和能力显著下降。

图2. 石家庄市颗粒物中重要离子的浓度及比例变化。

来源解析表明颗粒物中主要金属阳离子来源于沙尘。其对Ca²⁺和Mg²⁺等主要金属阳离子的贡献高达89.7%和51.4%（图3）。而近年来沙尘在华北地区PM_2.5中的质量占比以10.8 ± 2.5% /年的速度降低。因此，华北地区沙尘减排导致颗粒物中Ca²⁺和Mg²⁺等碱性金属离子浓度降低，使得颗粒物酸度增加，最终促进了氨气向铵盐的转化。

图3. 大气颗粒物中碱金属和碱土金属离子的来源贡献。

该研究建立了真实大气环境中颗粒物表面氨气摄取系数的计算方法，并首次报道了氨在实际大气颗粒物上的摄取系数及变化规律，揭示了大气污染物一次排放与二次生成之间的复杂相互作用，为二次无机气溶胶的数值模式模拟提供了重要动力学参数，研究结果以研究论文发表在Nature Communications上。本工作为北京化工大学、河北化工医药职业技术学院、河北省环境科学研究院、赫尔辛基大学、南京大学、北京大学、中国科学院生态环境研究中心等单位合作研究成果，并得到了国家自然科学基金项目(42275117和92044301)和科技部重点研发计划(2019YFC0214701)等项目的资助。论文第一作者为北京化工大学软物质科学与工程高精尖中心刘永春教授，通讯作者为刘永春教授和河北化工医药职业技术学院的鲍晓磊教授。