日本背景监测站点Wajima地区生物源二次有机气溶胶示踪物的浓度和成分变化（2011–2015年）

《Atmospheric Environment》：Variations in concentration and composition of biogenic secondary organic aerosol tracers at Wajima, a Japanese background site (2011–2015)

东亚季风区生物源二次有机气溶胶（BSOA）的时空分布及源解析研究。2011-2015年KUWAMS连续观测显示，异戊二烯源BSOA（SOA_i）夏季达21.2 ng/m3，冬季仅3.42 ng/m3；α/β-蒎烯源（SOA_m）春夏季浓度分别为12.5和11.4 ng/m3；β-石竹烯源（SOA_c）春冬季浓度差为0.86 ng/m3。潜在源贡献函数（PSCF）和正定矩阵因子分解（PMF）表明本地及国内植被源是BSOA主要贡献者，冬季受东亚冬季风长距离传输影响显著。SOA_i浓度以0.34 ng/m3/年速率上升，SOA_m和SOA_c分别以-1.52和-1.36 ng/m3/年显著下降（p<0.05）。

　　

白鹏楚|王艳|张轩|张璐璐|范昭翠|长尾诚也|陈斌|杨王进|郭松|韩崇|吴志军|胡敏|唐宁

金泽大学医学科学研究生院，日本金泽，920-1192

摘要

为了全面阐明东亚季风对背景区域生物源二次有机气溶胶（BSOA）的影响，2011年至2015年间，研究人员在金泽大学和岛空气监测站（KUWAMS）持续收集了11种BSOA示踪剂和2种生物质燃烧示踪剂。异戊二烯衍生的BSOA示踪剂（SOA_i）浓度在夏季达到峰值（21.2 ng/m³），而在冬季最低（3.42 ng/m³）。α/β-蒎烯衍生的BSOA示踪剂（SOA_m）浓度在春季（12.5 ng/m³）和夏季（11.4 ng/m³）较高。β-石竹烯衍生的BSOA示踪剂（SOA_c）在春季浓度最高（2.95 ng/m³），秋季最低（2.09 ng/m³）。通过对BSOA与生物质燃烧示踪剂的相关性分析，并结合潜在源贡献函数分析和正矩阵分解模型的结果，研究表明，尽管东亚冬季季风的远距离传输对背景区域的BSOA有一定影响，但本地和人为因素仍然是主要贡献者。2011年至2015年间，随着本地和人为植被及生物多样性的变化，SOA_i浓度总体呈上升趋势（0.34/年，p = 0.09），而SOA_m（-1.52/年，p < 0.05）和SOA_c（-1.36/年，p < 0.05）浓度显著下降。

引言

二次有机气溶胶（SOA）是大气颗粒物的重要组成部分。SOA的增加不仅会影响气候变化，还会对人类健康产生严重不良影响（Chen等人，2017；Hoyle等人，2011；Zhu和Penner，2019）。SOA的形成始于挥发性有机化合物（VOCs）与气相中的氧化剂（如臭氧O₃、羟基自由基（•OH）和硝酸根自由基（NO₃•）的大气反应，随后进入颗粒相（Tu和Johnston，2017）。根据VOCs的排放源，SOA通常被分为人为源SOA（ASOA）和生物源SOA（BSOA）（Lun等人，2020；Ren等人，2018）。人为源VOCs（AVOCs）是ASOA的前体，主要来源于交通、工业、有机溶剂和生物质燃烧，年排放量估计在98至158 Tg之间（Glasius和Goldstein，2016）。而BSOA的前体是生物源VOCs（BVOCs），它们在植物生长过程中释放，年排放量大约为700–1000 Tg（Laothawornkitkul等人，2009）。大气中的BSOA浓度受多种复杂因素影响，例如BVOCs的排放量较难控制，并受植被类型、生长阶段、光合作用活性和气象条件等多种因素的影响（Azmi和Sharma，2022；Hirose和Satake，2024）。此外，包括氮氧化物（NO_x）、硫酸盐（SO₄^2?）、硝酸根（NO₃^?）和铵（NH₄⁺）在内的人为污染物通过人为-生物相互作用影响BSOA的形成（Wang等人，2023）。在不同的NO_x浓度下，BSOA的形成途径可能不同，且观察到BSOA浓度会随着气溶胶酸性的增加而变化（Li L.等人，2018）。这些因素使得准确评估BSOA特性变得复杂。

根据不同的BVOC类型，BSOA可以分为异戊二烯衍生物、单萜衍生物和倍半萜衍生物。异戊二烯是最丰富的BVOCs，年排放量约为500至750 Tg（Gagan等人，2023），主要来自阔叶林（如橡树和杨树）。单萜主要来自针叶林（Tani等人，2011），其中α/β-蒎烯是两种主要异构体，年排放量约为127 Tg（Harrison等人，2001）。倍半萜占总BVOC排放量的约3%（Harrison等人，2001），其中β-石竹烯最为丰富，其排放量受植物防御和抗性机制的显著影响（Duhl等人，2008；Laothawornkitkul等人，2009）。

由于BSOA对气候变化和公共健康的负面影响，全球范围内对其进行了大量实地观测。在中国东北亚地区，相关研究最为深入，揭示了该地区BSOA的总体季节性和空间分布特征。MEGAN-MOHYCAN模型显示，与其他亚洲地区相比，日本每年的异戊二烯和单萜平均通量相对较高（比利时皇家空间天文学研究所，2018）。这些丰富的BVOCs为日本的BSOA形成提供了充足的前体。

由于中国和日本都位于东亚季风区域，因此在季风高峰期，每个地区排放的BSOA或其前体可能会相互影响。然而，迄今为止的相关研究仍较为有限。最近在距离日本本州约900公里的西北太平洋岛屿千岛进行的观测推测，在东亚冬季季风期间受到了亚洲大陆的影响（Verma等人，2021）。位于日本能登半岛的金泽大学和岛空气监测站（KUWAMS）已被证明是评估东亚季风期间远距离传输气溶胶影响的高灵敏度背景站点（Tang等人，2015；Zhang等人，2021）。我们之前的研究表明，在东亚冬季季风期间（次年的11月至5月），来自亚洲大陆的亚洲尘埃和人为污染物（如多环芳烃PAHs和水溶性无机离子WSIIs）显著影响了日本的大气（Yang等人，2018；Zhang等人，2020；Zhou等人，2021）。此外，我们还进一步证明，在东亚夏季季风期间（6月至10月），KUWAMS接收了来自日本本土及周边海域的气团（Tang等人，2015；Zhou等人，2021）。

在本研究中，2011年至2015年间，KUWAMS持续收集了总悬浮颗粒物（TSP）。分析了TSP中的典型BSOA示踪剂，以评估东亚季风影响下BSOA的特性、排放源和形成机制。本研究旨在全面分析东亚季风气候下的BSOA环境行为，并通过提供可靠的基础数据来提高气候变化预测模型的准确性。

采样

采样

采样在KUWAMS进行（图1，日本石川县和岛市西富田町，37.4°N，136.9°E；海拔60米），位于能登半岛，距离日本海海岸线约2.1公里（Bai等人，2022）。使用高容量空气采样器（AH-600，Sibata Sci. Tech. Ltd.，埼玉，日本）以700 L/min的流速，在石英纤维过滤器（8英寸×10英寸，2500QAT-UP，Pallflex Products，美国普特南）上收集TSP样本。

总BSOA示踪剂

KUWAMS的总BSOA示踪剂浓度范围为1.78至129 ng/m³，中位数为21.9 ng/m³，这一浓度与日本北海道（2010年：20.1 ng/m³）、中国南京（2014–2015年：22.6 ng/m³）、北京（2012–2013年：35.5 ng/m³）、敦煌（2012–2013年：39.1 ng/m³）、合肥（2012–2013年：51.8 ng/m³）或昆明（2012–2013年：152 ng/m³）等城市地区的浓度相当或更低，而高于美国费尔班克斯（2008–2009年：12.7 ng/m³）和日本冲绳等偏远地区的浓度。

结论

本研究在2011年至2015年间，持续在日本的代表性偏远站点KUWAMS收集了总悬浮颗粒物（TSP）。实验测定了11种生物源二次有机气溶胶（BSOA）示踪剂，包括异戊二烯（SOA_i）、α/β-蒎烯（SOA_m）和β-石竹烯（SOA_c）衍生的BSOA，以及2种生物质燃烧示踪剂（levoglucosan和mannosan）。SOA_i浓度在夏季达到峰值，冬季最低。这表明本地阔叶树的生物源排放起到了重要作用。

作者贡献声明

白鹏楚：概念构思、数据整理、研究、方法论、初稿撰写。王艳：研究、资源提供、验证。张轩：研究、资源提供、验证。张璐璐：概念构思、研究、验证。范昭翠：研究、资源提供、验证。长尾诚也：研究、资源提供、验证。陈斌：研究、资源提供、验证。杨王进：研究、资源提供、验证。郭松：研究、资源提供、

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了日本学术振兴会（Sasakawa Scientific Research）的资助（2023-3026号项目）；日本文部科学省的科学研究资助；以及金泽大学“SANTO”项目（2023年）（项目编号24KF0222和25K15477）；此外，还得到了金泽大学自然与环境技术研究所的合作研究项目的支持（项目编号25086、25001、25010、25011、25012、25015、25023），以促进相关研究。