近日，本课题组研究成果《Changes of Emission Sources to Nitrate Aerosols in Beijing after the Clean Air Actions: Evidence from Dual Isotope Compositions》于2020年5月发表在Journal of Geophysical Research-Atmospheres杂志，使用氮氧同位素对北京重污染过程中大气硝酸盐的形成机制及来源进行研究。耶鲁-南京信息工程大学大气环境中心博士生范美益为第一作者，章炎麟教授为通讯作者，该研究得到国家重点研发计划（2017YFC0212704）支持。
大气污染是全球范围的一个环境问题，严重影响人类健康和生态系统。近年来，在中国的大量灰霾事件中，硝酸盐的绝对浓度和对PM2.5的贡献明显增加，甚至高于硫酸盐，成为灰霾事件中最主要的化学组分。大气中硝酸盐的生成受到气象因素（如低风速、高湿度和低温）和前驱物（NOx）浓度的影响。NOx向硝酸盐的化学转化主要涉及气相氧化和非均相过程，气相反应主导白天硝酸盐的生成，而液相反应在夜间或光化学反应较弱的污染大气中是硝酸盐的重要生成途径，但硝酸盐的生成过程涉及的反应复杂，定量计算不同途径对硝酸盐生成的贡献十分困难。大气中硝酸盐由不同污染源（如燃煤、机动车尾气、生物质燃烧、土壤源）排放的NOx在大气中反应生成，在NOx到硝酸盐的转化过程中氮原子会发生分馏，目前这种气固之间的分馏系数具有很大的不确定性。因此，目前对于硝酸盐的生成途径和来源的定量仍然是一个难题，同位素技术提供了一个解决办法，根据不同化学转化途径中氧原子的同位素值（δ18O）和不同污染源排放的NOx的氮同位素值（δ15N）存在的明显差异，与硝酸盐中的氮氧同位素值进行比较可得到不同生成途径和来源的贡献，并可计算NOx转化为硝酸盐过程中氮原子的分馏系数。
自2013年中国政府出台一系列政策对大气环境进行治理，尤其北京在2018年冬季实施“煤改电”供暖措施，大量降低了燃煤排放，但仍有灰霾事件发生，因此对于目前大气中NOx的排放进行定量解析有助于帮助政府进一步制定减排措施降低大气中硝酸盐浓度，从而减少灰霾的发生。本研究于2018年11月-12月在北京城区进行大气PM2.5采集，捕捉污染发生及消亡过程，利用化学组分浓度及稳定氮氧同位素值对重污染过程中硝酸盐形成机制及潜在来源进行解析。结合同位素值与贝叶斯模型，发现整体采样期间气相（NOx + OH）和非均相（N2O5 + H2O）反应对硝酸盐生成的贡献相当，灰霾发生时非均相反应对硝酸盐生成的贡献（64 %）明显高于清洁大气时期 （39 %）。采样期间燃煤、生物质燃烧、机动车尾气和土壤源对硝酸盐浓度的贡献分别为50，26，20和4 %。与2013年应用同位素的研究结果相比，2018年燃煤对于北京大气硝酸盐的贡献下降 ~ 21%。此外，在灰霾时期机动车排放的贡献相较于清洁大气时期增加了12%，说明控制机动车排放是降低硝酸盐浓度、提高北京大气空气质量的重要方式。
图1 不同污染时期（a）N2O5和（b）OH自由基途径对硝酸盐生成的贡献
图2 不同污染时期（a）生物质燃烧、（b）燃煤、（c）机动车排放和（d）土壤源对硝酸盐浓度的贡献