華南背景山區云中草酸的形成機制及影響因素

蔡曉鑾，孫 偉，張國華，胡曉東，郭子雍，畢新慧*，王新明

1. 中國科學院廣州地球化學研究所，有機地球化學國家重點實驗室，廣東省環境資源利用與保護重點實驗室，廣東 廣州510640

2. 中國科學院深地科學卓越創新中心，廣東 廣州 510640

3. 中國科學院大學，北京 100049

4. 粵港澳大灣區環境污染過程與控制聯合實驗室，廣東 廣州 510640

草酸(C2)是大氣有機氣溶膠的重要組成部分，是全球范圍內濃度最高的二羧酸[1-3]，也是WSOC(水溶性有機碳)的重要組分[4]. 觀測結果[5-6]表明，草酸最高可占WSOC 的3%. 草酸對氣溶膠酸度、吸濕性、成云活性和二次有機氣溶膠的生成有顯著影響[7]. 此外，草酸對過渡金屬鐵以及金屬鈣的溶解度、光化學活性和生物可利用性等也有較大影響[8-9].

目前，已有研究在城市[10]、高山[11]、海洋[2]、極地[12]和農村/郊區[13]等環境測定了氣溶膠中的草酸.盡管草酸可以來自一次源，如生物質燃燒[14]、汽車尾氣[15]和自然海洋源[16]，但其主要還是通過二次氧化途徑生成[17]，其中液相氧化是草酸生成的重要途徑[18]. 影響草酸液相生成的前體物主要有直鏈飽和二羧酸(C2～C9)、支鏈飽和二羧酸(iC4，甲基丙二酸)和多官能團羧酸〔蘋果酸(hC4)、丙酮酸(Pyr)和乙醛酸(ωC2)〕等[19-20].

研究[21]發現，云內氧化是草酸形成的主要途徑.Sorooshian 等[22]通過飛機觀測發現，云間隙顆粒物中草酸鹽的濃度比無云顆粒物高. 在我國泰山[23]、香港大帽山[24]等地區的云水中均檢測到二羧酸類物質.Zhang 等[17]也發現，中國大陸云中液相過程對草酸生成的重要性. 實驗室模擬研究[7,14,25-28]發現，云水的液態水含量、溫度，云水/顆粒物中NH4+、NO3—、Ca2+和水溶性鐵等物質的濃度，以及云水/顆粒物的pH 等均會影響草酸的形成.

華南地區云覆蓋率平均值為69.46%[29]，遠高于華北地區[30]. 筆者所在團隊通過單顆粒氣溶膠質譜在華南背景山區在線觀測了無云期間和云事件期間顆粒的混合狀態，定性地發現了云中液相反應可以促進草酸的形成，特別是在老化的生物質燃燒顆粒和含鐵顆粒上[31]. 但是，云中過程形成的草酸濃度究竟有多高，影響草酸形成的主要因素有哪些，目前還缺乏認識.

因此，該研究在華南背景山區采集了云間隙顆粒物樣品和云水樣品，采用GC-MS (氣相色譜-質譜儀)測定了樣品中的草酸及其可能的前體物，通過對比同一時段采集的云水和云間隙顆粒物，研究云過程對草酸生成的影響，探討影響云中草酸形成的主要因素，以期為深入認識草酸的大氣化學過程提供數據支撐.

1 材料與方法

1.1 樣品采集

采樣地點位于廣東省韶關市天井山觀測站(112°53′56″E、24°41′56″N, 海拔1 690 m)，該站點遠離人為活動源，主要受當地生物源排放和長距離傳輸的影響. 采樣時間為2020 年11 月14 日—12 月2 日.采樣期間風速、相對濕度和溫度分別為0.6～7.8 m/s、62.0%～93.4%和1.3～18.2 ℃. 采樣期間，云事件5 次，共采集云水樣品31 個、云間隙顆粒物樣品8 個.

云水樣品使用CASCC2 云霧水收集器(Colorado State University, 美國)采集[32]. 云事件的判別標準：能見度≤200 m，相對濕度≥95%，且無降雨. 采樣過程中，采樣器后方的風扇驅動云滴進入采樣器，在特氟龍繩上凝結，凝結的云水通過采樣器底部的特氟龍管流入預先清洗好的樣品瓶中. 采樣后的云水樣品立即通過0.22 μm 的石英濾膜過濾以去除不溶性組分，云水的pH 通過pH 計(Mettler Toledo, 瑞士)測定，隨后放入—20 ℃冰箱中待分析.

采樣過程中云水的液態水含量的計算公式：

式中：LWC 為液態水含量，g/m3；Δm為樣品的質量，g；Δt為采樣的間隔，min；η為采樣效率，%，對粒徑大于3.5 μm 的云滴，η取86%；Q為CASCC2 云霧水收集器的流量，該研究中取5.8 m3/min.

云事件期間，同時使用流量為300 L/min 的采樣器(PM-PUF-300 型, 廣州銘野環保科技有限公司)收集云間隙PM2.5顆粒. 在采集之前，所用的石英濾膜(Whatman, 英國)在馬弗爐中450 ℃下焙燒4 h，以去除潛在的有機物干擾.

1.2 樣品分析

1.2.1 草酸及其他二羧酸類物質的分析方法

該文分析的目標化合物包括直鏈飽和二羧酸(C2～C9)、支鏈飽和二羧酸(iC4～iC6)、不飽和二羧酸〔馬來酸(M)、富馬酸(F)、檸康酸(mM)〕、多官能團羧酸〔蘋果酸(hC4)、丙酮酸(Pyr)和乙醛酸(ωC2)〕. 分析方法參考文獻[33-34].

試驗前將置于—20 ℃的云水樣品取出，常溫下解凍；每個云水樣品各取20 mL，分別加入2 μL 1 000 mg/L 的氘代己二酸溶液(上海麥克林生化科技有限公司). 對于顆粒物樣品，取30 cm2的濾膜置于樣品瓶中，加入2 μL 1 000 mg/L 的氘代己二酸溶液和15 mL 的Milli-Q 超純水，用超聲儀(KQ-500DE 型, 昆山市超聲儀器有限公司)超聲萃取15 min，重復3 次. 所得的顆粒物萃取液與云水樣品的后續處理步驟一致，即用旋轉蒸發儀(R-300 型, Buchi, 瑞士)旋蒸至0.3 mL 左右；隨后，將旋蒸后的溶液轉移至2 mL 進樣瓶，用氮吹儀(BF-2000 型, 北京八方世紀科技有限公司)吹干后加入100 μL 的N,O-雙(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺(含1%的三甲基氯硅烷)和20 μL 的吡啶，在80 ℃反應1 h；然后，將進樣瓶冷卻至室溫，加入內標物質六甲基苯(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；最后，用正己烷定容至1 mL，待測.

使用GC-MS (7890A-5979C 型, Agilent, 美國)測定樣品中的二羧酸類物質. 色譜條件：使用DB-5MS石英毛細管柱(0.25 mm×30 m, 0.25 μm, Agilent, 美國). 升溫程序設置為初始溫度70 ℃，保持2 min，以2.5 ℃/min 升至120℃，10 ℃/min 升至220 ℃，20 ℃/min升至300 ℃，之后保持5 min，總分析時間為41 min.以高純氦氣為載氣，進樣方式為不分流進樣. 質譜條件：離子源為電子轟擊源(EI, 70 eV)；質譜掃描范圍為m/z=50～550.

1.2.2 質量控制與質量保證

采用的回收率指示物為氘代己二酸. 其他標準品包括草酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸(上海安譜實驗科技股份有限公司)，甲基丙二酸、甲基丁二酸、甲基戊二酸、M、F、mM、Pyr、ωC2(Sigma-Aldrich，美國)和hC4(成都埃法生物科技有限公司). GC-MS 儀器內標為六甲基苯，溶劑有甲醇、正己烷(上海麥克林生化科技有限公司)和超純水(電導率為18.25 MΩ/cm).

對基質空白(空白濾膜和空白超純水)和溶劑空白進行超聲萃取、衍生化和GC-MS 儀器分析，結果顯示，基質空白所測結果與溶劑空白一致，說明基質對該文的分析方法沒有影響.

用溶劑空白加標樣的結果來計算各二羧酸類物質的回收率，共設置2 個濃度梯度(0.4 和2.0 μg/mL)，結果表明，除草酸回收率在75%外，其余二羧酸類物質的回收率可在80%以上. 重復性試驗表明，分析標準偏差均小于8%，所有樣品中回收率指示物氘代己二酸的回收率均在70%以上，所以該研究所有數據沒有經過回收率校正.

1.2.3 總碳分析儀測定水溶性有機碳

使用TOC 分析儀(TOC-V 型, Shimadzu, 日本)測定云水樣品和間隙顆粒水提取液樣品中的WSOC.采樣前向樣品中加入一滴磷酸以去除無機碳. 試驗數據均考慮了空白值的校正，所使用的TOC 分析儀檢測限為0.004 mg/L.

1.2.4 水溶性離子和金屬離子的測定

研究使用帶有抑制型電導率檢測器和Metrosep C4-150/4.0 色譜柱的離子色譜(IC, 883 Basic IC plus型, Metrohm, 瑞士)測定樣品中的水溶性離子. 其中，陰離子用Metrosep A Supp-150/4.0 6.1006.520 分離柱(150 mm×4.0 mm)和Metrosep RP2 6.1011.030 保護柱(1.0 mm×3.5 mm)，陽離子用Metrosep C4-150/4.0 6.1050.410 分離柱(100 mm×4.0 mm). 測定的陽離子包括Na+、NH4+、K+、Mg2+和Ca2+，陰離子包括F—、Cl—、NO2—、Br—、NO3—、PO43—和SO42—. 云水中水溶性元素分析采用電感耦合等離子體質譜(ICP-MS, iCap Qc型, Thermofisher, 美國)，包括Na、Mg、Al、P、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Rb、Sr、Mo、Cd、Cs、Ba 和Pb. 由于該文重點關注的是二次液相過程對草酸形成的影響，因此，根據文獻僅選取了NH4+、SO42—、NO3—、Ca2+和Fe 組分，討論其對草酸的影響. 試驗數據均考慮了空白值的校正.

1.2.5 多元線性回歸和隨機森林方法

多元線性回歸和隨機森林可以明確描述預測變量和響應變量(即回歸變量)之間的關系. 為了確定決定云水中影響草酸濃度變化的關鍵因素，在Rstudio 中使用“randomForest”包運行隨機森林模型.將云水中以下物質的濃度，如hC4+Pyr+ωC2、C3～C9、iC4～iC6、NH4++SO42—+NO3—、M+F、Ca2+、Fe，以及液態水含量(LWC)、pH 和環境溫度輸入模型作為云水中草酸濃度變化的預測因子. 模型輸出結果中的“IncNodePurity”代表了每個變量對分類樹每個節點上觀測值異質性的影響，該值越大表明預測變量的重要性越高. 同樣，在Rstudio 中使用多元線性回歸方法得到每個影響因素的R2，代表了每個變量對云水中草酸濃度變化的解釋度，可以用來定量每個影響因素對草酸濃度變化的貢獻. 該研究中多元線性回歸與隨機森林方法是獨立使用的.

2 結果與討論

2.1 云水和云間隙顆粒物中草酸及其他二羧酸類物質的分布特征

云水和云間隙顆粒物中二羧酸類物質濃度的分布特征如表1 所示. 為方便對比，表格中的濃度均歸一化為大氣濃度. 由表1 可見，采樣期間云水和云間隙顆粒物中草酸濃度分別為(44.53±27.60)和(27.28±14.47)ng/m3，其他二羧酸類物質濃度的總和分別為(27.28±15.71)和(68.92±32.45)ng/m3. 從草酸在云水中的液相濃度來看，華南背景山區的草酸濃度(431 μg/L)高于阿爾卑斯山(170 μg/L)[35]，低于泰山(2 080 μg/L)[23]和大帽山(677 μg/L)[24]. 云水中草酸濃度最高，其次是C4、Pyr 和hC4，這四者濃度之和占云水中二羧酸類物質總濃度的80%；云間隙顆粒物中草酸濃度也最高，其次是Pyr、ωC2和hC4，這四者濃度之和占顆粒物中二羧酸類物質總濃度的66%. 云水中和云間隙顆粒物中草酸分別占直鏈飽和二羧酸的78.9%和70.0%，占水溶性有機碳的2.4%和1.1%.

表 1 2020 年冬季華南背景山區中云水和云間隙顆粒物中二羧酸類物質的濃度Table 1 Concentrations of dicarboxylic substances in cloud water and cloud interstitial particles in the background mountainous area of southern China in winter in 2020 ng/m3

已有研究[23]主要報道了云水中二羧酸類物質的濃度，沒有對比其在云水和云間隙顆粒物中濃度的差異. 該文采用二羧酸類物質濃度在云水(歸一化為在大氣中的濃度)和云間隙顆粒物中濃度的比值來評估云中過程對不同二羧酸類物質的影響. 由圖1 可見：云水中草酸和C4的濃度高于云間隙顆粒物中，而其他二羧酸類物質則呈相反的特征；ωC2濃度在云水和云間隙顆粒物中的差異較大，可能是由于ωC2在云水中更多地被轉化；此外，iC5、iC6、mM、F 和M 等在云水中的濃度也明顯低于在云間隙顆粒物中，說明這些物質很可能是云水中草酸形成的前體物.

2.2 云水中草酸的形成機制

通過比較草酸在直鏈飽和二羧酸(C2～C9)、總二羧酸類物質和WSOC 中的占比，可以評估云中液相過程對草酸形成的重要性. 由圖2 可見，5 個云事件的云水中C2/(C2～C9)(濃度比，下同)、C2/總二羧酸類物質(濃度比，下同)和C2-C/WSOC(草酸中的碳濃度在水溶性總有機碳濃度中的占比，下同)均高于云間隙顆粒物中高，這3 個比值的范圍在云水中分別為75.5%～87.7%(平均值為81.4%)、49.4%～72.0%(平均值為59.4%)、2.1%～2.9%(平均值為2.4%)，在云間隙顆粒物中分別為57.0%～70.0%(平均值為64.1%)、23.0%～28.7%(平均值為25.3%)、0.3%～2.4%(平均值為1.1%)，說明相對于云間隙顆粒物，云中過程促進了草酸的形成.

圖 1 云水與云間隙顆粒物中二羧酸類物質濃度的比值Fig.1 The ratio of the concentrations of dicarboxylic substances in cloud water to those in cloud interstitial particles

圖 2 5 個云事件的云水和云間隙顆粒物中草酸在直鏈飽和二羧酸(C2～C9)、總二羧酸類物質和水溶性有機碳(WSOC)中的占比Fig.2 The percentage of oxalic acid in linear dicarboxylic acids , total dicarboxylic substances and water soluble organic carbon (WSOC) in cloud water and interstitial particles during five cloud events

為進一步探究云水中草酸的形成機制，筆者分析了草酸與二次無機離子的相關性. 云水中草酸濃度與NO3—、NH4+、SO42—濃度均呈正相關(R2為0.29～0.59,P均小于0.01)，表明它們的形成機制可能類似，即均通過二次反應形成[36-38]. 有研究[39]發現，直鏈飽和二羧酸HOOC(CH2)nCOOH 的逐步液相氧化可以生成HOOC(CH2)n—1COOH，最終生成草酸. 其中，C4可以與羥基自由基發生脫羧反應先形成C3，再形成草酸. M可以發生水合反應或C4發生羥基化反應先生成hC4，再氧化生成草酸[19]. 中間體ωC2和Pyr 光化學氧化的終產物也是草酸[10].

該文利用物質濃度比〔C2/(C3～C9)、C2/(iC4～iC6)、C2/(M+F+mM)和C2/(hC4+Pyr+ωC2)〕來分析草酸的液相生成機制. 由圖3 可見，云水中C2/總二羧酸類物質與C2/(C3～C9)、C2/(iC4～iC6)、C2/(hC4+Pyr+ωC2)均呈顯著正相關(R2為0.47～0.63,P均小于0.01)，說明C3～C9、iC4～iC6、hC4+Pyr+ωC2可能是云水中草酸的重要前體物，與已有研究結果[19-20]一致. 除此之外，C2/總二羧酸類物質與C2/(M+F+mM)相關性(R2=0.76,P＜0.01)也較好，說明F、mM 和M 也可能是云中草酸的重要前體物. 類似地，云間隙顆粒物中的C2/總二羧酸類物質與C2/(iC4～iC6)、C2/(hC4+Pyr+ωC2)和C2/(M+F+mM)的相關性(R2為0.61～0.93,P均小于0.05)均較好，但與C2/(C3～C9)的相關性(R2=0.04,P＜0.7)較弱. 云水和云間隙顆粒物的差異表明，草酸在不同含水量顆粒物上的形成機制可能存在一定差異.

圖 3 云水中C2/總二羧酸類物質與C2/(C3～C9)、C2/(iC4～iC6)、C2/(M+F+mM)和C2/(hC4+Pyr+ωC2)的相關性分析Fig.3 Correlation analyses between C2/total dicarboxylic substances and C2/(C3-C9), C2/(iC4-iC6),C2/(M+F+mM) and C2/(hC4+Pyr+ωC2) in cloud water

2.3 云水中草酸濃度變化的影響因素

通常前體物、氣象條件和云水性質均可以影響云中草酸的形成. 為探究影響云水中草酸濃度變化的主要因素，該研究對LWC、pH、溫度與草酸、前體物以及草酸與前體物的比值進行了相關性分析. 結果表明，云水中草酸與LWC 與pH 均沒有顯著相關性，Cheng 等[25]研究也發現，草酸與LWC 之間沒有顯著相關性；但Meng 等[11]研究表明，草酸的濃度與氣溶膠的pH 密切相關，高酸性條件下有利于草酸的形成.此外，草酸與環境溫度通常存在一定正相關，高溫季節會促進草酸的液相氧化生成[40]. 由圖4 可見，草酸與溫度呈顯著正相關(R2=0.41,P＜0.01). 但值得說明的是，由于該研究采樣時間主要集中在冬季，采樣期間云水的LWC〔(0.12±0.04)g/m3〕、pH (4.28±0.40)和溫度〔(12.9±1.4)℃〕相對變化均較小. 因此，未來還需要更多的觀測去深入探討其對草酸形成的影響.

圖 4 云水中草酸濃度與溫度的相關性Fig.4 Correlation analyses between oxalic acid and temperature in cloud water

LWC與前體物C3～C9、iC4～iC6、M+F+mM、hC4+Pyr+ωC2的濃度均呈弱正相關(R2為0.16～0.35,P均小于0.05)，說明LWC 的增加將有利于草酸前體物的生成. 而pH 與草酸的前體物濃度沒有顯著相關性. 研究[41]表明，前體物C3、C4和C5濃度與溫度均存在顯著相關性，但筆者研究中溫度只與iC4～iC6濃度呈顯著正相關(R2=0.39,P＜0.01). 前體物向草酸的轉化同樣也受到環境條件的影響. 相關性分析表明，LWC 與C2/(C3～C9)、C2/(iC4～iC6)、C2/(M+F+mM)、C2/(hC4+Pyr+ωC2)均呈弱負相關(R2為0.21～0.43,P均 小 于0.01)， pH 與C2/(C3～C9)、 C2/(iC4～iC6)、C2/(M+F+mM)、C2/(hC4+Pyr+ωC2) 也均呈弱負相關(R2為0.14～0.39,P均小于0.05)，說明LWC 的降低和酸度的增加將有利于前體物向草酸的轉化. 與Sorooshian 等[42]研究結果不同，其發現LWC 的增加會使溶液pH 上升，pH 的上升有利于ωC2向草酸的轉化. 溫度與C2/(C3～C9)、C2/(iC4～iC6)、C2/(M+F+mM)和C2/(hC4+Pyr+ωC2)均不存在顯著相關性，與Sorooshian等[42]發現溫度會促進ωC2向草酸轉化的結果不同.這可能是由于實際環境是一個非常復雜的體系，環境因子對前體物及其轉化的影響機制復雜，不同環境下的關鍵影響因子也不同，同時也可能存在非線性影響機制. LWC、pH、溫度對草酸前體物及其轉化的影響機制還需要更加深入、細致的研究.

此外，有研究[43]表明，Ca2+和水溶性Fe 在液相中可以與草酸形成穩定絡合物，絡合物的光解是大氣草酸的重要匯[28]. 但筆者研究云水中Ca2+濃度與草酸濃度相關性較弱(R2=0.13,P＜0.05)，同時沒有發現水溶性Fe 濃度與草酸及其前體物濃度有顯著相關性.

通過隨機森林和多元線性回歸這2 種方法來定量云水中前體物、溫度和云水性質對草酸濃度變化的貢獻. 由圖5 可見，在隨機森林中這些影響因素對云水中草酸濃度變化的可解釋度為65%，多元線性回歸的結果與隨機森林結果一致，輸入的影響因素對云水中草酸濃度變化的可解釋度為99%. 從多元線性回歸方法的結果可知，前體物hC4+Pyr+ωC2、C3～C9和iC4～iC6的濃度對草酸濃度變化的貢獻率較大，分別為38%、22%和14%，其次是前體物M 和F 濃度(mM 與其他影響因素存在嚴重共線性，因此該研究沒有涉及mM)，F 和M 濃度對草酸濃度變化的貢獻率為6%，所有涉及的前體物(C3～C9、iC4～iC6、hC4+Pyr+ωC2、M+F)濃度對草酸濃度變化的貢獻最大，為79%. 第二大貢獻者是云水性質，對草酸濃度變化的貢獻率約20%. 溫度對草酸濃度變化的貢獻率僅為1%.

圖 5 影響云水中草酸形成的因素和云水中草酸濃度預測值與觀測值的相關性分析Fig.5 Ordination of factors influencing the formation of oxalic acid in cloud water and correlation analyses of oxalic acid in cloud water between the observed values and the predicted values

該文通過相關性分析并結合隨機森林和多元線性回歸分析，證明華南背景山區云水中的草酸主要是通過多官能團羧酸(hC4+Pyr+ωC2)的氧化形成，其次直鏈飽和二羧酸(C3～C9)、支鏈飽和二羧酸(iC4～iC6)以及不飽和二羧酸(M、F)對草酸濃度變化的貢獻率為20%. 隨機森林和多元線性回歸分析均表明，LWC與pH 對云水中草酸濃度變化的影響相當，而水溶性Fe 離子濃度和溫度對草酸濃度變化的影響均較小.由圖5 可見，隨機森林和多元線性回歸預測的云水中草酸濃度與觀測值擬合結果的相關系數(R2)分別達0.65 和0.99，說明利用這些因素可以很好地解釋云水中草酸的濃度變化.

3 結論

a) 華南背景山區云水和云間隙顆粒物中草酸的濃度分別為431 μg/L 和27.28 ng/m3，分別占直鏈飽和二羧酸總濃度的78.9%和70.0%，占WSOC 濃度的2.4%和1.1%.

b) 云水中草酸在C2～C9、總二羧酸類物質和WSOC 中的占比高于在云間隙顆粒物中，表明云中過程促進了草酸的形成. 云水中C2/總二羧酸類物質與C2/(C3～C9)、 C2/(iC4～iC6)、 C2/(M+F+mM)和C2/(hC4+Pyr+ωC2)的相關性均較好.

c) C3～C9、iC4～iC6、M+F+mM 和hC4+Pyr+ωC2是云水中草酸形成的重要前體物. 隨機森林以及多元線性回歸分析表明前體物，尤其是多官能團羧酸(hC4+Pyr+ωC2)對云水中草酸濃度變化的貢獻率(約79%)最大；其次是云水性質，貢獻率為20%，而溫度的貢獻率為1%.