原创：林煜棋
耶鲁-南京信息工程大学大气环境中心
硫酸盐是大气细颗粒物(PM2.5)的主要组分，也是造成我国雾霾污染的主要物种，研究大气硫酸盐的污染来源有助于了解雾霾与排放源间的关系。传统大气硫酸盐的溯源方法包括受体模式估算、排放清单比对与空气质量模型模拟，但上述三种方法存在着本身的局限性与不确定性(如受体模式无法解析二次硫酸盐的来源；排放清单不确定度高，影响空气质量模型的模拟结果)。由于不同排放源所排放的硫前体物拥有独特的硫同位素比值(d34S)，稳定硫同位素是近年来大气硫酸盐颗粒溯源的主要手段之一。然而，过去利用硫同位素溯源时并无考虑SO2-SO42-气固转化过程的分馏系数，因此，本研究首次利用硫酸盐颗粒中硫同位素比值(d34S-SO42-)，结合Rayleigh理论估算硫同位素分馏系数，以贝叶斯同位素混合模型(SIAR)解析杭州市大气PM2.5硫酸盐的污染来源。
本研究于2015年9月至2016年10月，在杭州市采集大气PM2.5样品，并分析水溶性离子与硫酸盐中硫同位素比值。结果表明，采样期间杭州市大气PM2.5中硫酸酸盐浓度平均为36 ± 23 mg m-3，其中96 %为二次硫酸盐(图1)。杭州市d34S-SO42-值介于1.0至6.4 ‰ (平均为4.3 ± 1.2 ‰)，冬季最高。利用Rayleigh理论估算的硫同位素分馏系数介于1.7至7.2 ‰，平均约为3.9 ± 1.6 ‰，冬季由于温度较低，造成硫同位素的分馏系数增加，明显较其他季节高出1.4至2.3 ‰。另外，以SIAR解析杭州市硫酸盐的污染来源，并比较有无考虑硫同位素分馏效应的影响，结果发现当不考虑硫同位素分馏效应时，交通排放成为硫酸盐最主要的排放源(图2)，此与排放清单与空气质量模型模拟结果不一致，说明当利用硫同位素技术对硫酸盐溯源时，需考虑硫同位素分馏效应，才能得到较正确的解析结果。最后结合SIAR解析结果与污染源贡献比例的季节性特征，揭示出燃煤电厂或燃煤工业为杭州市硫酸盐最主要的污染源(84.6 %)，其次依序为交通(12.8 %)、燃油(1.7 %)及燃煤取暖(0.9 %，图3)。
此研究以 “Anthropogenic Emission Sources of Sulfate Aerosols in Hangzhou, East China: Insights from Isotope Techniques with Consideration of Fractionation Effects between Gas-to-particle Transformation”为题于2022年3月被环境科学领域顶尖期刊《Environmental Science & Technology》接收，大气环境中心同位素大气环境课题组林煜棋教授为第一作者，章炎麟教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金(项目号:42192512)的支持。
图1 杭州市大气细颗粒硫酸盐浓度、硫同位素比值及其他相关参数时间序列
图2 SIAR模型模拟杭州市硫酸盐污染来源结果(考虑与不考虑硫同位素分馏效应的结果)
图3 杭州市大气硫酸盐污染来源贡献量比例解析结果