东亚沿海地区大气气溶胶中水溶性有机氮的分布与来源

《Atmospheric Environment》：Distribution and sources of water-soluble organic nitrogen in atmospheric aerosols in the coastal areas of East Asia

有机氮是大气气溶胶的重要组分，本研究在青岛沿海开展季度观测，发现PM2.5中水溶性有机氮（WSON）浓度达2.92±3.43 μgN/m3，占水溶性总氮29%平均比例。冬季人为二次硝酸盐占主导（30%-52%），春季因尘暴贡献增至32%，夏季海盐气溶胶占比40%。WSON浓度季节变化为冬＞春＞秋＞夏，其形成受气溶胶液态水含量（ALW）和NO?浓度显著影响，当ALW＜50 μg/m3时浓度随ALW升高而明显增加。

　　

赵宇|王玉珏|郭宇琦|张一文|江月|郭美静|袁琦|姚小红|高慧旺

中国海洋大学海洋科学与地球系统前沿科学中心，教育部海洋环境与生态学重点实验室，中国青岛

摘要

近年来，有研究报道东亚地区大气污染物向海洋释放的有机氮量有所增加。然而，与受污染的城市环境相比，沿海地区大气有机氮的分布和来源仍知之甚少。为此，我们在东亚青岛沿海地区进行了跨季节的野外观测，以了解大气气溶胶中水溶性有机氮（WSON）的来源及其影响因素。PM_2.5中WSON的年均浓度为2.92 ± 3.43 μgN/m³，占水溶性总氮（NO₃^-–N+NH₄⁺–N+WSON）的2%–91%（平均29%）。由于冬季人为污染物的影响以及春季沙尘暴的发生，WSON的丰度呈现出冬季 > 春季 > 秋季 > 夏季的季节性变化。在青岛沿海地区，人为二次生成过程是WSON最重要的来源，占总WSON的30%–52%；其中夏季以二次硫酸盐形成为主，其他三个季节则以二次硝酸盐形成为主。在非沙尘季节，沙尘对WSON的贡献率为2%–6%，而在春季这一比例上升至32%。夏季，在海洋季风的影响下，老化海盐对WSON的形成起到了重要作用。气溶胶液态水（ALW）和NO₂浓度的增加促进了WSON的生成；当ALW < 50 μg/m³时，WSON浓度随ALW的增加而显著上升，表明ALW可能是WSON生成的限制因素。我们的研究结果强调了WSON在气溶胶总氮中的重要性，以及不同季节中驱动WSON生成的不同来源。

引言

有机氮（ON）是大气有机气溶胶的重要组成部分，它影响着生态系统生产力、气候和人类健康（Rostad和Leenheer，2004；Ho等人，2015；Yang等人，2013）。大约四分之一的大气氮沉降可归因于有机氮，主要以颗粒态有机氮的形式存在（Li等人，2025c）。颗粒态有机氮在吸收大气辐射中起着关键作用，占碳质气溶胶全球吸收直接辐射效应的18%（Li等人，2025c）。气溶胶中的一部分有机氮具有生物可利用性（Fowler等人，2015），这对氮受限的陆地森林或海洋生态系统尤为重要（Altieri等人，2021）。然而，与无机氮（如硝酸盐和铵）相比，气溶胶中有机氮的分布、来源和形成过程仍不够清楚（Cape等人，2011）。

在包括城市、农村和偏远地区在内的各种环境中收集的气溶胶中都广泛观测到了大气中的有机氮。颗粒态有机氮占总氮的5%–74%（Luo等人，2016；Violaki等人，2015；Xiao等人，2018）。水溶性有机氮（WSON）约占环境气溶胶中水溶性总氮（WSTN）的30%（Miyazaki等人，2014；Zamora等人，2011）。WSON的浓度在偏远海洋大气中为0.01 μgN/m³，而在受污染的城市环境或生物质燃烧影响的大气中可高达30.5 μgN/m³（Matsumoto等人，2022；Singh等人，2021）。在高人为污染物或生物质燃烧排放的影响下，WSON的丰度通常较高（Li等人，2025c）。在沿海地区，大气气溶胶中观测到了大量含氮的多环芳烃、陆地氮杂环生物碱和游离氨基酸等物质（Bao等人，2018；Deng等人，2025；Shi等人，2010；Zhong等人，2024）。

颗粒态WSON既可来自人为来源，也可来自自然来源，包括大气中的初次排放和二次形成过程（Baek等人，2022；Violaki等人，2015）。在全球范围内，大气气溶胶中的有机氮主要来源于野火、海洋排放和二次形成（水反应过程）（Li等人，2025b）。在陆地环境中，WSON主要由生物质燃烧、挥发性有机化合物（VOCs）前体的NO_x氧化以及农业活动产生（Liu等人，2019；Wang等人，2017；Wang等人，2019）。沙尘暴对于沙漠地区（如东亚、地中海沿岸地区）下游WSON的形成至关重要（Griffin等人，2007；Nehir和Ko?ak，2018；Zhang等人，2025）。海洋生物活动也促进了海洋或沿海大气中有机氮的生成（Miyazaki等人，2011）。

东亚沿海地区、东海、黄海、新加坡、日本和地中海等地都记录到了颗粒态WSON的存在（He等人，2011；Miyazaki等人，2014；Nehir和Ko?ak，2018；Shi等人，2010）。基于模型研究，有报道称东亚地区大气污染物向海洋释放的WSON量有所增加（Ito等人，2014）。在东亚沿海地区，WSON的形成受到人为污染物、输送来的亚洲沙尘和海洋排放的共同影响。然而，在混合污染条件下，WSON的季节性变化机制及其来源贡献和环境因素尚未得到充分解析。本研究基于青岛地区的野外观测，探讨了东亚沿海地区不同季节大气气溶胶中WSON的丰度及其在总氮中的相对重要性，并进一步讨论了青岛沿海地区颗粒态WSON的来源及其影响因素。我们的研究结果强调了WSON在气溶胶总氮中的重要性，以及不同季节中驱动WSON生成的不同来源。

观测与采样

观测工作在东亚青岛沿海地区进行，该地区位于黄海沿岸（图S1）。青岛是大陆污染物和亚洲沙尘向西北太平洋输送的重要通道。采样点位于中国海洋大学崂山校区环境大气观测站（36°09'N，120°30'E），海拔高度为9.0米。我们在2023年春季（3月10日至25日）进行了野外观测。

大气气溶胶中WSON的丰度及其季节变化

图1和S2展示了青岛沿海地区观测期间气溶胶成分（包括WSON）、WSIN、环境温度和相对湿度的变化情况。全年湿度较高，有利于有机气溶胶的二次形成。夏季以清洁的海洋气团为主（图S2b），而冬季则以受污染的大陆气团为主（图S2d）。观测点同时受到海洋和大陆气团的影响。

结论

我们在东亚青岛沿海地区进行了跨季节的野外观测，研究了大气气溶胶中WSON的分布、来源及其影响因素。PM_2.5中WSON的浓度范围为0.03至13.62 μgN/m³，占WSTN的2%–91%（平均29%）。WSON的浓度呈现出冬季 > 春季 > 秋季 > 夏季的季节性变化。冬季较高的WSON浓度主要是由于

作者贡献声明

郭美静：撰写 – 审稿与编辑，调查。江月：撰写 – 审稿与编辑，调查。姚小红：撰写 – 审稿与编辑，资源协调。袁琦：撰写 – 审稿与编辑。王玉珏：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，监督，资金筹集，概念构思。赵宇：撰写 – 初稿撰写，可视化制作，调查。张一文：撰写 – 审稿与编辑，验证，调查。郭宇琦：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42576039）、国家重点研发计划（编号：2024YFC2815800）、山东省泰山学者计划（编号：tsqn202306101）、中央高校基本科研业务费（编号：202441011）以及山东省自然科学基金（编号：ZR2022QD105）的支持。