华北平原和美国东北部地区颗粒态硝酸盐污染的控制：形成机制及其对气态污染物响应的比较

《Environmental Pollution》：Particulate nitrate pollution control in North China Plain and Northeastern United States: A comparison of formation mechanism and its response to gaseous pollutants

硝酸盐气溶胶在华北平原与美国东北部冬季形成机制及减排响应差异显著，控制策略需结合区域特性。华北平原硝酸盐浓度稳定且更高，受NOX减排效果有限及氧化能力、酸碱平衡共同调控；美国东北部因清洁空气法案实施硝酸盐浓度持续下降，NH3减排最有效。两地需采取差异化管理，华北需协同控制NOX和VOCs，并关注pH值影响。

　　

王家琪|杜晓辉|梁文|车飞|张月成|高健

中国环境科学研究院环境标准与风险评估国家重点实验室，北京 100012，中国

摘要

颗粒硝酸盐（NO₃^?）是华北平原（NCP）和美国东北部（NE US）冬季细颗粒物（PM_2.5）中越来越重要的成分。在这项研究中，我们利用冬季的扩展地面测量数据和模型模拟，对NCP和NE US地区NO₃^?的形成及其对气态前体的响应进行了全面评估。这两个地区实施的不同排放控制政策影响了NO₃^?与NO₂之间的关系。在NCP，尽管人为NO_X排放量大幅减少，但NO₃^?浓度仍然稳定，并且远高于NE US。此外，NO₃^?-NO₂的线性斜率大约是NE US的十倍，这可能是由于大气氧化能力更强和气溶胶酸度较低，有利于硝酸盐的形成及其从气相向颗粒相的转化。敏感性结果表明，在当前条件下，控制NH₃排放是减少NE US NO₃^?的最有效策略。相比之下，对于NCP，进一步减少NO_X排放更为有效。NCP中NO₃^?的控制受到NO₂和光化学氧化剂变化的影响，而NO₃^?对NH₃排放控制的响应是非线性的，只有在热力学最佳点（pH < 3）时才有效。为了防止NCP中NO₂进一步转化为NO₃^?，未来的颗粒硝酸盐污染控制策略应实施NO_X和VOCs排放的协同减少。

引言

改善空气质量并保护人民的健康和福祉是每个国家的重要优先事项。自上个世纪以来，全球空气污染物排放发生了显著变化。在美国，《清洁空气法》的实施导致SO₂和NOx排放量大幅减少，从而持续改善了空气质量（美国环保署，2024年）。2023年，主要空气污染物排放量显著下降：年度NO₂减少了62%（自1990年以来），年度PM_2.5减少了37%（自2000年以来），每小时SO₂减少了92%（自1990年以来）。由于这些前体排放量的减少，美国东部的长期地面观测显示，2007年至2015年间年度平均PM_2.5浓度下降了约三分之一。自20世纪90年代以来，中国政府为控制SO₂排放做出了巨大努力，以减轻酸雨污染，导致2000年代大气SO₂浓度显著下降（刘等人，2019年）。相比之下，NO_X排放的法规实施较晚，浓度从2011年开始逐渐下降。自2013年以来，中国实施了一系列越来越严格的法规来控制一次颗粒物、SO₂和NO_X的排放（道等人，2022年；程等人，2019年；郑等人，2018年）。这些全国性的清洁空气行动导致排放量显著减少，特别是SO₂和PM_2.5，从2010年到2017年分别减少了62%和35%。相比之下，NO₂的减少幅度相对较小，约为16%（郑等人，2018年）。同时，非甲烷挥发性有机化合物（NMVOCs）的排放量保持相对稳定，略有增加（11%），NH₃排放量变化不大，反映出当前政策对NMVOCs和NH₃缺乏有效的控制措施（郑等人，2018年；程等人，2019年）。由于农业活动密集，中国已成为全球NH₃排放的热点地区（每年约1000万吨），超过了欧盟（370万吨）和美国的总和（390万吨）（刘等人，2019年）。

在这两个地区实施不同的排放控制策略后，可以观察到气溶胶化学系统及其对二次气溶胶形成的反馈之间存在很大差异。颗粒硝酸盐（NO₃^?）是这两个地区细颗粒物（PM_2.5）的主要成分（王等人，2022a；傅等人，2020年；潘等人，2024年），不仅对人类健康造成危害，也对气候产生影响（孙等人，2025年；梁等人，2022年）。近年来，中国的空气质量显著改善，但仍存在严重的雾霾污染，其特征是极高的NO₃^?浓度和气态污染物的快速转化（程等人，2019年；谢等人，2022年）。尽管前体排放量大幅减少（NO_X），冬季NO₃^?浓度变化不大。先前的研究基于现场观测和空气质量模型报告了北京-天津-河北（BTH）地区及其周边地区NO₃^?浓度与NO_X排放之间的非线性关系（赵等人，2017年；李等人，2021年）。作为大气中最丰富的碱性气体，NH₃可以决定PM_2.5的相对酸度，并调节NH₄NO₃向颗粒相的转化。此外，二次气溶胶的形成（尤其是NO₃^?）受到冬季氧化剂（包括O₃和OH）可用性的强烈影响。相反，美国的研究通常发现NO₃^?浓度要低得多。现场观测分析表明，美国东部的PM_2.5具有相对较高的酸度，pH值约为1.3，只能允许45%的硝酸盐转化为颗粒相（Shah等人，2018年）。这两个国家对NO₂和NH₃等气态污染物减少的响应可能不同。对中国和美国冬季NO₃^?形成机制及其对气态污染物减少响应的全面比较，对于设计有效的空气质量改善策略至关重要。先前的研究分别报告了中国和美国的气溶胶组成（王等人，2022a；傅等人，2020年；潘等人，2024年；魏等人，2023年）。然而，由于中国缺乏区域性的、长期的、同时测量气溶胶组成和半挥发性气态化合物的数据，NCP和NE US之间NO₃^?形成及其对气态污染物减少响应的比较仍然很少。

美国东北部（NE US）和华北平原（NCP）是位于北半球同一纬度范围内的两个大区域，在过去二十年里得到了广泛研究。在这项研究中，为了制定中国和其他中国特大城市群控制颗粒硝酸盐的未来策略，我们利用22年的地面测量数据（2001–2022年）和NCP的6年测量数据（2016–2021年），对NE US的NO₃^?形成及其对气态前体的响应进行了全面评估。

观测数据

2016年至2021年冬季期间，在两个特大城市（北京和天津）及26个周边城市（“2+26”城市）进行了全面的气态和气溶胶污染物以及气象因素的地面观测。站点位置见图S1和表S1，在线采样仪器的详细描述见我们之前的研究（王等人，2022a）

NCP和NE US中颗粒硝酸盐和NO₂的变化特征

图1显示了2003-2021年NCP（2003-2021年）和NE US（2001-2022年）冬季（次年12月至2月）NO₂和颗粒NO₃^?的长期变化特征。在美国东北部，随着《清洁空气法》的实施，NO₂浓度自2001年以来显著下降，下降速率为1.13 μg m^?3（2.11%）每年（图1c）。在此背景下，颗粒NO₃^?浓度呈现出持续稳定的下降趋势（-0.06 μg m^?3

结论

鉴于NCP和NE US历史上实施的不同的排放控制政策，NO₃^?的形成机制及其对气态前体（NO₂和NH₃）的响应存在差异，这对于确定后续空气质量管理中的区域特定控制策略至关重要。在这项研究中，我们使用观测数据和模型模拟比较了NCP和NE US冬季NO₃^?的形成机制。

作者贡献声明

杜晓辉：可视化、软件、方法论。梁文：写作 – 审稿与编辑。车飞：写作 – 审稿与编辑、数据管理。张月成：写作 – 审稿与编辑、数据管理。王家琪：写作 – 原稿撰写、可视化、方法论、调查、正式分析。高健：写作 – 审稿与编辑、资源获取

未引用参考文献

杜等人，2022年；Fountoukis和Nenes，2007年；NASA全球能源资源预测；国家气候数据中心；美国环境保护署，2024年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究由国家自然科学基金（资助编号：42407321）和国家重点研发计划（编号：2022YFC3701100、2024YFC3712900）资助。