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  • 地球环境研究所在14C示踪西安市降水中颗粒碳的来源方面取得进展

    　　    碳组分是气溶胶的重要组成部分，可以占到其质量的30%~60%。碳气溶胶对于气候变化、空气质量和人体健康都有重要的影响。湿沉降是去除大气中碳气溶胶的主要方式，但目前对于中国城市湿沉降中含碳组分的研究还不多。前人对大气碳气溶胶的研究表明化石源是其重要来源。
    　　最近，中国科学院地球环境研究所牛振川研究员和团队分析了西安市降水中水不溶性有机碳（WIOC）和元素碳（EC）的含量和湿沉降通量的逐月变化，并利用双碳同位素（14C和13C）、生物质燃烧钾（K+bb）和拉丁超立方体抽样技术对降水中水不溶性总碳（WITC）的来源进行了解析。研究结果表明，雪水样品中WIOC和EC的含量和湿沉降通量均大大高于雨水样品；WIOC约占WITC浓度和湿沉降通量的90%（图1）。生物源是降水中WITC的主要来源，夏季和冬季分别占80.0±10.5%和47.3±12.8%；夏季生物源主要来自植被排放（74.3±9.3%），冬季则主要来自生物质燃烧（89.9±0.7%）。机动车排放是降水中WITC的第二大来源，夏季和冬季分别占11.7 ±3.5%和39.0 ±4.3%。燃煤的贡献较小，夏季和冬季分别占8.3±7.0%和13.8±8.5%（图2）。
    　　该研究发现了植被排放和生物质燃烧分别对夏季和冬季降水中颗粒碳的来源具有不可忽视的贡献，这对于认识当前降水中碳组分的来源、进而制定相应的空气污染治理政策具有指导意义。
    　　研究受到中科院先导A（XDA23010302）和国家自然科学基金（41773141、42173082、41730108和41573136）的共同资助，已发表在环境领域的知名刊物《Environmental Pollution》。论文详细信息如下：
    　　Zhenchuan Niu, Zhipu Huang, Sen Wang, Xue Feng, Shugang Wu, Huiyizhe Zhao, Xuefeng Lu. Characteristics and source apportionment of particulate carbon in precipitation based on dual-carbon isotopes (13C and 14C) in Xi’an, China. Environmental Pollution, 2022, 299, 118908. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2022.118908.
    　　图1 西安城区和郊区水不溶性有机碳（WIOC）和元素碳（EC）湿沉降通量的逐月变化.
    　　图2 基于14C、13C和K+bb的西安市降水中水不溶性总碳（WITC）的来源解析
    　　
    2022-07-22
  • 地球环境研究所在关中地区臭氧污染形成机制方面取得进展

    　　    随着我国大气污染控制的进程，二次污染物逐渐成为影响空气质量的重要影响因素，大气污染呈现颗粒物与臭氧（O3）复合污染特征。关中地区是我国西北地区重要的人口聚集地，近年来O3污染已成为影响本区域空气质量及人体健康的重要因素。然而，关中地区缺乏系统的O3污染形势梳理，缺少区域大气挥发性有机物（VOCs）及其他O3前体物的整体观测，从而制约了对O3污染形成机制的深入理解。
    　　近期，中国科学院地球环境研究所黄宇团队基于国控站大气O3历年观测数据，梳理了关中地区近年来O3污染趋势，开展西安市、咸阳市、渭南市、韩城市、宝鸡市及秦岭背景区同步大气VOCs系统观测，综合分析关中地区O3污染形势及其形成机制。
    　　图1.关中地区不同城市历年来近地表臭氧污染形势分析。
    　　关中地区O3整体呈现持续恶化趋势。观测数据显示，2014年以来，关中城市地区大气O3浓度以3.9至6.4微克/立方米/年的速度快速升高。气象因素为O3逐年恶化的重要因素之一，如2014年至2017年关中地区夏季出现持续高温、低湿气象条件，极端污染事件中O3浓度连续升高，而2018年后夏季降水增加，O3极端污染形势有所缓解（图1）。
    　　机动车排放为大气VOCs主导排放源。近年关中地区机动车保有量持续升高，从而引起VOCs、NOx等O3前体物浓度持续排放，这是引起O3年均值呈逐年持续上升的重要因素。其中，大气VOCs高值主要出现于典型的人居区与工业区，VOCs日变化趋势呈现早晚高峰值，表明机动车排放为关中城市区主导的VOCs排放源。
    　　区域输送过程在O3污染过程中起到重要作用。关中地区O3污染具有区域污染特征，典型O3污染事件中，大气中多类VOCs在夜间时段多次出现快速累积现象，同期形成大气O3浓度升高趋势。基于WRF模式分析结果，研究发现从西安北部及西部传输至关中腹地的气团是形成此现象的重要原因，此类气团在到达关中腹地之前经过秦岭原始森林及关中东部的工业区，从而形成关中地区VOCs及O3的累积。
    　　大气中非甲烷烃类VOCs的来源主要为交通源（40%-46%）、燃料挥发（10%-16%）、溶剂挥发（11%-26%）；大气中含氧VOCs的主要来源为交通源（~45%）、溶剂挥发（26%-86%）与二次形成过程（5%-34%）（图2）。
    　　图2. 西安市与咸阳市大气VOCs源解析结果。
    　　本研究梳理了关中地区近地表O3历年变化趋势，开展系统大气VOCs时空分布观测，发现交通源、溶剂源排放及区域输送为关中地区近地表O3污染的重要原因，为区域O3污染控制提供关键的技术支撑。
    　　该研究成果2021年12月29日在线发表于Journal of Hazardous Materials，受到科学技术部大气污染成因与控制技术研究专项、纳米专项（2017YFC0212200，2016YFA0203000）、国家自然科学基金委青年基金（41701565）和中国科学院西部青年学者项目（XAB2019B06）资助。
    　　原文链接：
    　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389421031459?via%3Dihub
    　　
    2022-07-22
  • 地球环境研究所在氧空位工程调控光催化消减氮氧化物技术方面取得进展

    　　    人为衍生排放进入环境大气中的NOx存在浓度虽极小（ppb级），却是酸雨、光化学烟雾、臭氧损耗的主要元凶，并对人体呼吸和心肺系统有强烈刺激和伤害作用。相比传统的NOx治理技术（包括吸收、吸附和选择性催化还原处理技术等），纳米光催化净化技术可利用太阳能在常温常压下实现环境大气中低浓度NOx的去除，被认为是保卫生态环境和有效处理污染问题的有效策略之一。然而，目前仍然需要克服一些关键科学问题来拓宽光催化净化技术的应用前景，如可见光响应范围窄、光诱导电子-空穴的快速复合和活性位点的暴露有限等，这些因素导致量子效率低下。
    　　氧空位工程可以显著改善光吸收、电导率和载流子扩散，从而提高了光反应性。氧空位结构的引入可以从本质上调制光催化活性，实现“少即是多”的设计理念。然而，光催化过程中氧空位对电子行为的调控规律仍然缺乏深入研究，阻碍了光催化过程实现更高能量转换效率的进展。此外，还存在一个悬而未决的问题：是否所有的氧空位都能促进光催化性能？导致这一争论的关键因素可能是忽略了氧空位在不同空间位置的作用。因此，需要在原子水平上对氧空位工程的不同空间位置进行严格的调控和设计，以探索厘清这一问题。
    　　近日，中国科学院地球环境研究所黄宇研究团队以烧绿石类的铋基半导体Bi2Sn2O7为模型，围绕催化剂表面结构与光生电荷在表界面分离、传递之间关系这一科学问题，详细研究了Bi2Sn2O7-x氧空位空间定位策略对光催化性能的调控机制。基于Bi2Sn2O7特定晶体结构，构建了纳米晶体表面不同空间位置的氧空位，探究了不同位置氧空位对光催化反应性能的影响规律。研究结果显示，（1）通过在氮气气氛精确控制热处理工艺条件，实现了Bi2Sn2O7-x纳米晶体表面氧空位由Sn-O位到Bi-O位的可控构建（图1）。（2）Sn-O位和Bi-O位引入氧空位的缺陷效应对其对光催化去除环境大气污染物NOx性能有完全相反的作用（图2）。（3）由于不同空间位置氧空位结构引入能带间隙的缺陷态位置的不同，导致其对能带结构和界面电子性质产生了不同的影响（图3）。
    　　上述研究的创新点在于通过催化剂表面局部微观结构的调整和对光催化剂的电子结构和载体浓度参数进行优化，从而提出了不同类型氧空位形成的策略，解析了不同存在形式氧空位对光催化性能调控的机制（图4）。本研究对表面氧空位化学在原子水平的理论认识，有助于深入理解不同取向晶体结构终端晶格面原子密度分布与其表面氧空位结构的动力学生长机制之间的关联，这对于开发高效选择性去除环境低浓度NOx纳米光催化材料的具有重要指导意义。
    　　以上研究成果发表于国际期刊《Environmental Science: Nano》。中国科学院地球环境研究所路艳峰博士为第一作者，黄宇研究员为通讯作者。该研究工作得到了科技部纳米专项，国家自然科学基金、中科院特别研究助理资助项目等项目的资助。
    　　文章链接：
    　　https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/en/d1en00260k
    　　Yanfeng Lu, Meijuan Chen, Tingting Huang, Yu Huang, Jun-ji Cao, Haiwei Li, Wingkei Ho, Shun Cheng Lee, Oxygen vacancy-dependent photocatalytic activity of well-defined Bi2Sn2O7-x hollow nanocubes for NOx removal. Environ. Sci.: Nano 2021, 8, 1927-1933.
    　　图1 (a) HRTEM和(b) VO1-Bi2Sn2O7-x的HAADF-STEM图像(c-d) VO2-Bi2Sn2O7-x的HAADF-STEM图像，图中红色圆圈代表氧原子，黄色和绿色的圆圈代表氧原子的缺失位置。
    　　图2 Bi2Sn2O7-x，VO1-Bi2Sn2O7-x和VO2-Bi2Sn2O7-x纳米材料光催化去除氮氧化物性能。
    　　图3 VO1-Bi2Sn2O7-x (a，b，e，g，i，j)和VO2-Bi2Sn2O7-x (c，d，f，h，k，m)样品的形貌（a-d）和表面电势分布(e-f)，包括在黑暗条件下(i，k)和光辐照下(j，m)的 (g-h)三维表面电位图像。
    　　图4 Bi2Sn2O7-x中空纳米立方体的能带结构及氮氧化物光催化转化反应机理示意图。
    　　
    2022-07-22
  • 2021年关中站主要科研产出-文章、专利、咨询报告

    　　2021年度，在站人员公开发表论文24篇，其中，SCI论文23篇，CSCD论文1篇，提供咨询报告4份，申请专利7项，清单如下：
    　　（1）2021年度站科技人员发表论著统计
    　　1. 马皓等. 气溶胶稳定硫同位素研究进展. 地球环境学报, 2021, 12（4）：359-337.
    　　2. Zhao, H., et al. Factors influencing improvements in air quality in Guanzhong cities of China, and variations therein for 2014–2020. Urban Climate, 2021, 38(4): 100877.
    　　3. Zhang, H., et al. Altitudinal difference of growth-climate response models in the north subtropical forests of China. Dendrochronologi, 2022, 72: 125935.
    　　4. Bei, N., et al. Impacts of Aerosol-Radiation Interactions on the Wintertime Particulate Pollution under Different Synoptic Patterns in the Guanzhong Basin, China. Advances in Atmospheric Sciences, 2021, 38(7):1141-1152.
    　　5. Cao, J., et al. Current status, characteristics and causes of particulate air pollution in the Fenwei Plain, China:A review. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2021, 126(11): 1-25.
    　　6. Duan, J., et al. Measurement report of the change of PM 2.5 composition during the COVID-19 lockdown in urban Xi'an: enhanced secondary formation and oxidation. Science of The Total Environment, 2021, 756: 1-10.
    　　7. He, K., et al. Characteristics of indoor and personal exposure to particulate organic compounds emitted from domestic solid fuel combustion in rural areas of northwest China. Atmospheric Research, 2021, 248: 1-10.
    　　8. Li, X., et al. Local and transboundary transport contributions to the wintertime particulate pollution in the Guanzhong Basin (GZB), China: A case study. Science of The Total Environment, 2021, 797: 1-13.
    　　9. Liu, J., et al. Assessment of the emission mitigation effect on the wintertime air quality in the Guanzhong Basin, China from 2013 to 2017. Atmospheric Pollution Research, 2021, 12(10): 1-9.
    　　10. Watson J G , Cao, J., et al. PM2.5 pollution in China's Guanzhong Basin and the USA's San Joaquin Valley mega-regions. Faraday Discussions, 2021, 226：255-289.
    　　11. Wu, C., et al. Important contribution of N2O5 hydrolysis to the daytime nitrate in Xi'an, China during haze periods: Isotopic analysis and WRF-Chem model simulation, Environmental Pollution, 2021, 288: 1-8.
    　　12. Wei, Y., et al. Concentrations, optical properties and sources of humic-like substances (HULIS) in fine particulate matter in Xi'an. Northwest China, Science of the Total Environment, 2021, 789: 1-9.
    　　13. Zhang, T., et al. Effects of Aerosol Water Content on the formation of secondary inorganic aerosol during a Winter Heavy PM2.5 Pollution Episode in Xi'an, China. Atmospheric Environment, 2021, 252: 1-11.
    　　14. Zhang, B., et al. Emission factors, characteristics, and gas-particle partitioning of polycyclic aromatic hydrocarbons in PM2.5 emitted for the typical solid fuel combustions in rural Guanzhong Plain, China. Environmental Pollution, 2021, 286: 1-10.
    　　15. Liu, H., et al. Changes in Source-Specific Black Carbon Aerosol and the Induced Radiative Effects Due to the COVID-19 Lockdown. Geophysical Research Letters, 2021, 48: 1-12.
    　　16. Tian, J., et al. Impacts of primary emissions and secondary aerosol formation on air pollution in an urban area of China during the COVID-19 lockdown, Environmental Pollution, 2021, 150: 1-14.
    　　17. Zhang, Y., et al. Impact of COVID-19 lockdown on the optical properties and radiative effects of urban brown carbon aerosol. Geoscience Frontiers, 2021, https://doi.org/10.1016/j.gsf.2021.101320.
    　　18. Gao Y., et al. Optical properties of mountain primary and secondary brown carbon erosols in summertime. Science of the Total Environment, 2022, 806,150570.
    　　19. Duan, J., et al. The formation and evolution of secondary organic aerosol during summer in Xi'an: Aqueous phase processing in fog-rain days. Science of the Total Environment, 2021, 756: 1-10.
    　　20. He, X., et al. Size distribution of water-soluble metals in atmospheric particles in Xi'an, China: Seasonal variations, bioavailability, and health risk assessment. Atmospheric Pollution Research, 2021, 12: 1-8.
    　　21. Sun, J., et al. Profiles and Source Apportionment of Nonmethane Volatile Organic Compounds in Winter and Summer in Xi'an, China, based on the Hybrid Environmental Receptor Model. Advances in Atmospheric Sciences, 2021, 38: 116-131.
    　　22. Wang, L., et al. A long-term chemical characteristics and source apportionment of atmospheric rainfall in a northwest megacity of Xi'an, China. Environmental Science and Pollution Research, 2021, 28: 31207-31217.
    　　23. Wu, T., et al. Bioavailability of heavy metals bounded to PM2.5 in Xi'an, China: seasonal variation and health risk assessment. Environmental Science and Pollution Research, 2021, 28: 35844-35853.
    　　24. Xu, H., et al. Environmental and health risks of VOCs in the longest inner-city tunnel in Xi'an, Northwest China: Implication of impact from new energy vehicles. Environmental Pollution, 2021, 282: 1-9.
    　　 
    　　（2）2021年度站科技人员提交咨询报告
    　　1. 曹军骥等，陕西省及关中地区大气减排效果评估. 2021.
    　　2. 曹军骥等，关中大气空气质量趋势分析及对策建议. 2021.
    　　3. 曹军骥等，关中区域大气污染成因解析及对策建议. 2021.
    　　4. 曹军骥等，关中大气秋冬季重污染时空演化特征及成因机制2021.
    　　 
    　　（3）2021年度站科技人员申请专利统计
    　　1. 连炎清, 方焱,等. 一种应用于水环境的水质监测传感器: CN213813565U, 2021.
    　　2. 连炎清, 甄丽莎,等. 一种用于环境检测的微生物采样器: CN213835321U, 2021.
    　　3. 黄宇, 高琴,等. 一种插层型金属氧化物抗菌剂的制备方法: CN112006032A, 2021.
    　　4. 黄宇, 王薇,等. 一种常温催化活性的甲醛去除剂及其制备方法: CN111495358A. 2020.
    　　5. 黄宇, 王鹏鸽,等. 一种低温等离子体协同纳米催化VOCs净化装置: CN214106407U, 2021.
    　　6. 黄宇, 张静,等. 一种用于室内的空气净化装置: CN111536630A, 2021.
    　　7. 肖舜, 张宁宁, 刘随心,等. 一种用于霾污染垂直梯度大气颗粒物采样的无人机: CN216207931U, 2021.
    　　
    2022-04-27
  • 2021年关中平原国家野外站共获批国家自然科学基金项目6项

    　　据国家自然科学基金委通知，2021年度关中平原生态环境变化与综合治理野外科学观测研究站（简称“关中平原站”）共获批青年和面上项目共11项，获批资助的人员均为站内青年科研骨干。其中，关中平原站的王政、牛振川、解小宁、邢萌和张路远，共5人获批面上基金项目，周家茂获批青年基金项目。
    　　关中平原站获资助的项目，主要围绕关中平原人口密集区大气化石源CO2通量、大气碘-129长距离传输及灰霾和气溶胶形成演化过程等重要科学问题开展研究，旨在深入理解关中平原人类密集活动及自然过程对大气环境的影响。
    　　国家自然科学基金立项资助情况是国家野外站基础研究水平和自主创新能力的重要标志之一。此次项目的资助将进一步激发站内青年骨干的科研热情和创新能力，为国家野外站的持久发展注入活力。
    　　
    2022-03-02
  • 铁电钙钛矿纳米材料净化氮氧化物技术取得进展

    　　通过各种人为燃烧过程排放的氮氧化物是主要空气污染物之一，直接或间接参与酸沉降，并产生光化学烟雾、灰霾等环境问题，严重影响空气质量与人体健康。太阳能驱动的光催化净化技术提供了常温常压下消除环境大气中低浓度（ppb量级）氮氧化物的新思路，近年来引起广泛关注。然而，可见光吸收范围受限、光生电荷载流子分离效率低、氧活化能力不足一直是制约光催化净化效率的关键问题。最近，研究报道极性铁电半导体产生的自发极化电场能够显著提高光催化材料体相电荷分离效率，并且通过表面缺陷工程、晶面结构筑等手段可协同增强表面电荷输运。然而，关于构建贵金属-铁电体氧化物纳米结构的调控策略尚未报道，其对光催化氧活化性能的影响机制亦不明确。
    　　近日，中国科学院地球环境研究所黄宇研究团队以铁电钙钛矿Bi4Ti3O12纳米片为模型，详细研究了负载贵金属颗粒（Pd，Pt，Ag）对氧活化过程的影响，揭示了铁电材料界面调控对载流子分离与光催化氮氧化物氧化活性及选择性的影响机制。研究结果显示，（1）采用微波辅助水热法成功制备了结晶良好的Bi4Ti3O12铁电纳米片，并通过原位光沉积过程实现了贵金属纳米颗粒均匀负载（图1）。（2）Pd-Bi4Ti3O12纳米片复合结构展现了最优的NO去除速率与产物选择性，显著超过Pd-TiO2复合体系与Bi4Ti3O12纳米片的性能（图2），表明该调控策略具有协同增强光催化性能的作用。（3）Pd的4d轨道电子注入有利于增强Bi4Ti3O12纳米片对可见光的响应，且Bi4Ti3O12纳米片的宏观极化效应结合表面Pd颗粒修饰显著抑制了体相及界面电荷复合过程，该复合结构形成的优势活性氧物种为超氧自由基，区别于Pt，Ag颗粒修饰Bi4Ti3O12纳米片所产生的羟基自由基、过氧自由基及超氧自由基共存的情况（图3），进而解释了Pd-Bi4Ti3O12纳米片复合结构清除NO的高活性及高选择性。上述研究为氧活化及活性氧物种的调控以及高效环境净化光催化剂的设计提供了新思路。
    　　以上研究成果发表于国际期刊《Applied Catalysis B: Environmental》。中国科学院地球环境研究所张倩副研究员为第一作者，黄宇研究员为通讯作者。该研究工作得到了科技部纳米专项，国家自然科学基金，中国科学院西部青年学者，中国科学院青年创新促进会等项目联合资助。
    　　文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926337321010018
    　　Qian Zhang, Yuanyu Shi, Xianjin Shi, Tingting Huang, Shuncheng Lee, Yu Huang*, Jun-ji Cao*, Constructing Pd/ferroelectric Bi4Ti3O12 nanoflake interfaces for O2 activation and boosting NO photo-oxidation, Applied Catalysis B: Environmental, 2022, 302, 120876
    　　图1 Pd-Bi4Ti3O12纳米片复合结构的形貌结构表征
    　　图2 Pd-Bi4Ti3O12纳米片复合结构光催化降解NO性能
    　　图3 Pd-Bi4Ti3O12纳米片复合结构的光学吸收、压电性能、电荷分离及产生的主要活性氧物种
    　　图4 电荷转移机制示意图
    　　
    2022-02-16
  • 利用7Be和10Be示踪气溶胶二次生成与清除中取得进展

    　　当前与气溶胶颗粒密切相关的雾霾污染事件仍然频繁发生，特别是二次气溶胶的形成，会迅速加重大气中颗粒物污染程度，对自然环境及人体健康产生严重影响。因此，了解气溶胶的二次生成和清除过程对于空气污染的控制具有重要指导意义。目前对于二次气溶胶的估算是联合多物质指标进行分析，多物质指标分析相对复杂且指标选用尚存争议。探索其它以单元素追踪的方案可提供一种较为简单、直观的方式。那么，建立一种单元素指示二次气溶胶的产生，而且可以共同关注气溶胶清除的示踪方法将会是一个有益的尝试。
    　　铍（Be）元素的放射性同位素7Be（半衰期53.29天）和10Be（半衰期1.39百万年）仅由宇宙射线生成，因二者具有相同的地球化学行为、较大的半衰期差异和稳定的吸附特性等，成为了一种理想的示踪剂。
    　　近期，中国科学院地球环境研究所周卫健院士团队，付云翀研究员级高工课题组基于在3百万伏特的加速器质谱仪（AMS）建立的低样品量、高精度7Be-10Be-AMS分析方法，打破了7Be传统衰变法的束缚，首次获得高精度的西安地区秋冬时期大气中7Be和10Be日分辨率数据。
    　　研究指出7Be和10Be浓度可有效反应气溶胶的二次生成及清除过程，并定量计算了短期气溶胶中二次气溶胶贡献量。此外，10Be/7Be比值的引入，表征了垂直方向的平流层气团入侵对气溶胶的清除有一定效果，丰富了传统对于污染物扩散清除过程的观点。同时，研究针对大气污染防治重点区域“汾渭平原”中的重点城市西安，给出了大气污染物防控的科学建议。
    　　上述研究成果获得中科院战略先导专项（XDB40000000）、国家自然科学基金（11975240）和中科院青促会的共同支持。该成果发表于国际期刊《Science of The Total Environment》上，地球环境研究所刘许柯博士研究生为第一作者。
    　　Xuke Liu, Yunchong Fu*, Qiyuan Wang, Yanting Bi, Li Zhang, Guoqing Zhao, Feng Xian, Peng Cheng, Luyuan Zhang, Jiamao Zhou, Weijian Zhou*. Unraveling the process of aerosols secondary formation and removal based on cosmogenic beryllium-7 and beryllium-10. Sci. Total. Environ., 2022, 153293.
    　　文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969722003849?via%3Dihub
    　　基于7Be和10Be示踪气溶胶二次生成与清除的示意图
    2022-02-10
  • 城市土壤有机碳库空间分异规律与预测方面研究取得进展

    　　城市化是社会经济发展的必然趋势。据联合国数据统计，到2050年全世界约有70%的人口将居住在城市。尽管城市区域仅占据地球表面的很小一部分，但城市作为人类活动最集中、最活跃的区域，城市化进程可直接或间接影响土壤有机碳库（例如，改变土地利用方式、土壤理化性质等），导致土壤有机碳库数量和空间分布发生显著变化。随着全球城市化进程加快，城市用地面积快速扩张，城市土壤在全球碳循环中发挥的作用日益重要。开展城市土壤有机碳空间变异性研究，对于理解人类社会经济活动对碳循环的驱动作用及城市碳管理具有重要意义。然而，从现有情况来看，土壤有机碳空间变异性研究主要集中在森林、草地、农田等自然土壤，而对城市土壤研究仍然较少。
    　　作为西北地区第一大城市，西安市的城市化进程在中国具有典型性。中国科学院地球环境研究所王云强研究员团队以西安市为对象，通过高密度网格布点（1018个），采集主城区（三环以内）表层土壤（0–20 cm），利用经典统计、地统计、主成分分析、最小数据集等方法，分析西安市表层土壤有机碳库空间变异特征、分布规律和主控因子，并比较不同空间预测方法对城市土壤有机碳密度的预测效果。
    　　研究发现：西安市表层土壤有机碳库相较于郊区具有一定富集性，主城区表层土壤有机碳密度为0.47–9.48 kg m-2，其均值约为郊区土壤的1.4倍，距离市中心越远，表层土壤有机碳密度越小；西安市表层土壤有机碳密度呈现短距离斑块状分布特征，主要受土壤质地、植被类型和人类活动（功能区、物理扰动、植被管理等）的综合影响；合理管理，如减少清扫、修剪，经常浇水等会增加城市表层土壤有机碳积累；与普通克里金、反距离法和线性回归相比，以砂砾含量、离市中心距离、植被类型和功能区作为辅助变量的回归克里金插值在预测城市土壤有机碳密度方面具有优势。然而，目前准确预测高度城市化地区土壤有机碳密度的空间分布格局仍然具有挑战性，未来需进一步研究城市特定因素和过程对土壤有机碳周转的影响。
    　　上述成果发表于国际期刊《Catena》上，地球环境研究所张萍萍助理研究员为第一作者，王云强研究员为通讯作者。研究工作得到陕西省自然科学基金(S2020-JC-ZD-0209, S2020-JC-YB-1958)、中国科学院青年创新促进会项目等联合资助。
    　　详文见：
    　　Zhang Pingping, Wang Yunqiang*, Sun Hui, Qi Lijun, Liu Hao, Wang Zhe. Spatial variation and distribution of soil organic carbon in an urban ecosystem from high-density sampling. Catena, 2021, 204: 105364. https://doi.org/10.1016/j.catena.2021.105364
    　　图1 采样点分布图
    　　图2 土壤有机碳密度与土壤砂砾含量（a）和距市中心距离（b）的关系
    　　图3 西安市表层土壤有机碳密度的空间分布
    2021-12-28
  • 利用14C重建大气化石源CO2浓度中取得进展

    　　大量化石源CO2的排放是全球大气CO2浓度增加的主要原因，与全球气候变暖密切相关。由于全球70%以上的化石源CO2排放量集中在城市区域且城市化仍在不断扩张，城市中化石源碳排放在全球碳循环中扮演着越来越重要的角色。定量大气中化石燃料燃烧排放的CO2（CO2ff）对于理解城市碳排放以及制定碳减排政策有着重要意义。
    　　中国科学院地球环境研究所周卫健院士带领的团队利用现代树木年轮14C重建了西安地区1991-2015年的CO2ff浓度时间序列。城区的CO2ff浓度最高达到22.5 ppm，平均值为14.0 ppm，而远郊和山区的平均值约为6.0 ppm，反映了该地区人为源二氧化碳排放的空间分布。同时，在研究时段内，城区和远郊的CO2ff浓度均呈显著的线性增长趋势，且城区的CO2ff浓度的增幅更为显著。西安地区CO2ff的持续增长主要是由于该地区社会经济发展导致的能源消耗量的增加，这可以通过化石源CO2浓度与社会经济指标之间的显著相关性得到证实。该研究表明，树轮的放射性碳记录可用于研究与化石燃料消耗相关的CO2排放的时空变化。
    　　上述研究成果有助于以科学的数据服务于国家的节能减排政策，同时为我国当前温室气体与大气污染物协同控制的新任务提供科学依据。研究受国家自然科学基金、中科院先导专项、大气攻关和陕西省自然科学基础研究计划等项目的资助，已发表在环境领域国际知名刊物《Science of The Total Environment》。
    　　Yaoyao Hou, Weijian Zhou*, Peng Cheng, Xiaohu Xiong, Hua Du, Zhenchuan Niu, Xia Yu, Yunchong Fu, Xuefeng Lu. 14C-AMS measurements in modern tree rings to trace local fossil fuel-derived CO2 in the greater Xi'an area, China. Sci. Total. Environ., 2020, 136669.
    　　文章链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.136669
    　　图1. （a）西安地区1991-2015年树轮Δ14C及大气背景值;（b）树轮Δ14C重建的西安地区1991-2015年化石源CO2浓度
    　　
    2021-10-12
  • 关中农村地区水溶性PM2.5吸湿性研究取得进展

    　　气溶胶的吸湿特性是大气颗粒物的一个重要热力学特性，被用来描述颗粒在相对湿度升高时的吸水能力。由于气溶胶颗粒对水的吸收或吸附作用，粒子消光指数发生变化，质量和体积增加，并为非均相化学反应提供了介质。然而颗粒的吸湿性在很大程度上取决于化学成分，包括水溶性无机物以及水溶性有机物。当前的研究结果表明SO2、NOx、NH3等气体前体物可转化为硫酸盐、硝酸盐、铵等吸湿性较强的次生无机化合物，而VOC的吸附可生成SOA的吸湿性较弱。当环境中的气溶胶微粒把水蒸气吸收到颗粒表面或颗粒体内部时，微粒的表面黏度降低，有利于气体分子的溶解和扩散，从而加剧二次转化过程。不仅如此，水相中的吸湿粒子(气溶胶水)的化学过程也能有效地促进水的二次气溶胶质量。高相对湿度会促进水相二次气溶胶的形成，导致云凝结核数、PM2.5中的非难溶颗粒物质量浓度，尤其是PM2.5二次气溶胶质量浓度持续增加。
    　　中国科学院地球环境研究所李建军副研究员团队联合西安交通大学、华东师范大学等单位研究了渭南市农村地区PM2.5中可溶性组分的吸湿特性。通过吸湿串联差分电迁移率分析仪(HTDMA)测量了夏冬两季可溶于水成分(WSIC和WSOC)的整体吸湿特性，利用E-AIM计算了WSIC的吸湿增长因子，并采用ZSR理论反演了WSOC的吸湿增长因子与吸湿参数。结果表明g(90)WSM与κWSM在夏季为1.19～1.49和0.06～0.22，冬季为1.24～1.49和0.08～0.22，与生物质燃烧产生的颗粒物吸湿性参数相似，并且与燃烧产物指示剂的相关性较强，表明生物质燃烧对该地区PM2.5的吸湿特性有一定程度上的影响。而反演出的g(90)WSOM和κWSOM值夏季在1.06~1.69和0.02~0.36之间，冬季在1.06~1.58和0.02~0.28之间，水溶性有机物的吸湿性参数与生物质燃烧指示物左旋葡聚糖的相关分析表明关中盆地农村地区PM2.5的吸湿性主要受生物质燃烧的影响较大。
    　　该项研究的成果已发表在《JGR:Atomspheres》期刊上。本研究得到国家基金委(No. 51576160, 41977332)，陕西省创新能力支撑计划(No. 2020KJXX-017), 中国科学院战略性先导研究项目(No. XDB40000000)和中科院青年创新促进会(No. 2020407)的资助。
    　　Chen, Y., Wang, X., Peng, H., Li, J., Wang, Y., Wang, G., et al. (2021). Hygroscopicity of water-soluble PM2.5 in rural northwest China: Contrasting contributors between summer and winter. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 126, e2021JD034977.
    　　论文链接：https://doi.org/10.1029/2021JD034977
    　　图1  样品水提取液雾化干燥气溶胶颗粒吸湿生长因子(g(RH)WSM)随相对湿度变化的水化实验结果
    　　图2  研究期间g(90)WSM和κWSM以及g(90)WSOM和κWSOM随时间变化
    　　
    2021-08-18
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