曹軍驥,占長林

(1.中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點實驗室,陜西西安710075;2.西安交通大學(xué)全球環(huán)境變化研究院,陜西西安710049;3.西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院,陜西西安710049)

0 引言

黑碳作為燃燒產(chǎn)生的一種獨特顆粒態(tài)物質(zhì),因其在地球大氣、土壤、冰雪、生物、海洋等不同圈層遷移轉(zhuǎn)化及全球碳循環(huán)中具有不同的地球化學(xué)行為,越來越受到科學(xué)家關(guān)注。大氣中懸浮的黑碳氣溶膠粒子是影響全球氣候變化不確定性的最重要因子之一,是僅次于CO2的增溫組分,在區(qū)域氣候變暖中扮演重要角色[1-5]。由于黑碳具有很高的抗氧化性和抗分解能力,在不同地質(zhì)載體中可保存上億年之久,對地質(zhì)歷史時期大氣中氧含量的演化具有重要的控制作用[6-8]?；鹑紵^程中將生物體中碳轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的CO2和CO,同時也產(chǎn)生大量黑碳顆粒,它們沉降在海洋或者陸相沉積物中保存起來而使碳從生物圈進入地質(zhì)圈被埋藏存儲起來,這一機制被認為對全球碳循環(huán)中“失去的碳匯”具有重要貢獻。由于黑碳降解速度很慢,它也被認為代表了大氣圈—生物圈快速碳循環(huán)中的一個匯,同時是長期地質(zhì)碳循環(huán)中的一個源[9]。因此,近年來有關(guān)大氣、生態(tài)、土壤和沉積物中的黑碳研究十分活躍,其在全球氣候與環(huán)境系統(tǒng)中扮演主要的角色[1-2,5,9-14]。

中國對于黑碳的研究起步較晚,筆者主要評述了黑碳的定義、排放、沉降及降解,總結(jié)了黑碳在現(xiàn)代和過去氣候和環(huán)境系統(tǒng)中的作用,并指出了未來黑碳研究的發(fā)展方向。

1 什么是黑碳

黑碳是一種在地球表面循環(huán)中隨處可見的物質(zhì),大氣、土壤、沉積物、巖石、水體、雪冰中都可以發(fā)現(xiàn)它的蹤跡。目前,對于什么是黑碳,還沒有一個十分明確的定義。一般認為,黑碳是化石燃料和生物質(zhì)不完全燃燒產(chǎn)生的含碳物質(zhì)的連續(xù)統(tǒng)一體。由于燃燒產(chǎn)物的復(fù)雜性,很難去劃定一個清晰的黑碳定義界限[15]。學(xué)者在黑碳研究中如果所采用的分離技術(shù)和測定方法不同,那么對它的命名也存在較大的差異,描述用語包括木炭(charcoal)、焦炭(char)、煙炱(soot)、石墨碳(graphitic carbon)、元素碳(elemental carbon)、聚合碳(polymeric carbon)、絲碳(fusain)、黑碳(black carbon)等。Goldberg定義黑碳是化石燃料或生物質(zhì)不完全燃燒產(chǎn)生的非純凈碳元素,包含60%以上的C,其他主要元素有 H、O、N和S[15]。Hedges等將黑碳定義為燃燒副產(chǎn)物的連續(xù)統(tǒng)一體,包括兩種類型:一種是保持其來源物(生物質(zhì)、煤等)化學(xué)特性和形態(tài)特征的低濃縮焦化顆粒物,另一種是高濃縮的石墨形式的碳[16]。

2 黑碳的排放、沉降與降解

2.1 黑碳的排放

黑碳只能通過燃燒過程形成,是化石燃料和生物質(zhì)不完全燃燒產(chǎn)生的異質(zhì)的、高濃縮的、富含碳的殘留物,主要包括煙炱、木炭、焦炭和石墨碳[17]。這些物質(zhì)在自然界中廣泛存在。

據(jù)估計,全球每年產(chǎn)生50～270 Tg黑碳,其中80%以上來源于生物質(zhì)燃燒[9-10]。Streets等估算中國區(qū)域黑碳的排放量約為1.34 Tg/a[18],其中83%是居民燃煤和柴薪燃燒產(chǎn)生的。按照Streets等的估算結(jié)果,中國黑碳排放量占全球化石燃料排放黑碳總量的約1/6[19]。盡管Streets等的研究方法基礎(chǔ)較扎實,但仍存在一些嚴重不足,其黑碳排放值誤差高達8倍,其原因是:①缺少第一手資料,缺乏對廣大農(nóng)村及偏遠地區(qū)居民的生活條件及生活習(xí)慣的深入了解,生物質(zhì)燃燒的黑碳排放量估計不準(zhǔn)確;②電廠、工業(yè)和居民燃煤源的燃燒條件相差極大,以相同的黑碳排放系數(shù)來進行計算不符合實際情況;③機動車黑碳的排放因子可能偏高;④未考慮黑碳排放速率的季節(jié)性變化;⑤在預(yù)測2020年黑碳排放量時,認為中國的控制技術(shù)落后美國30年,故參照美國1990年的排放水平進行估算,其局限性是明顯的。由于黑碳排放量是研究中國氣溶膠的基本參數(shù),對模式計算、氣候輻射強迫估算十分關(guān)鍵,因此開展中國黑碳排放源清單研究工作很重要。

2.2 黑碳的沉降

一旦黑碳進入到大氣中,大氣化學(xué)過程會改變它的性質(zhì)。當(dāng)顆粒物大小增加時,干沉降過程也會加強。細小粒子在大氣中的停留時間是由攜帶粒子的濃度和預(yù)先存在的細粒子的濃度決定的。在城市地區(qū),其停留時間大約是1 h,而在相對未污染的上對流層,其停留時間可能達到7.85 d,但如果假設(shè)黑碳排放是親水的,則停留時間減少到5.57 d[20]。各種燃燒過程排放的大部分黑碳進入大氣后,將最終沉降下來,一般儲存在陸地土壤中,還有一部分通過風(fēng)力搬運、沉降以及地表徑流和雨水的沖刷作用,最終在河流、湖泊、海洋等環(huán)境中沉積下來。模型計算全球總的黑碳干、濕沉降通量分別為3.0、9.3 Tg/a[20]。黑碳作為陸地(土壤)和水生環(huán)境(沉積物)中有機碳的重要組成部分,在全球生物地球化學(xué)循環(huán)和碳循環(huán)中起到重要作用[9]。由于黑碳的生物化學(xué)惰性和熱穩(wěn)定性具有極長的環(huán)境周期,其對人類健康、地球輻射熱量平衡、海洋碳循環(huán)和土壤碳庫儲量都有重要影響[11],而保存在不同地質(zhì)載體中的黑碳為恢復(fù)過去的歷史提供了可能性。

2.3 黑碳的降解

最近的研究結(jié)果表明,經(jīng)過一定的時間,自然環(huán)境中一部分黑碳都會發(fā)生降解[11,21]。自末次冰期最盛期以來,按照全球每年產(chǎn)生50～270 Tg黑碳估算,黑碳應(yīng)該占土壤總有機碳庫的25%～125%[10],但是很多研究中得到的結(jié)果比這個數(shù)值明顯偏低。如果黑碳不發(fā)生降解,那么地球表面將在0.1 Ma內(nèi)全部被黑碳所覆蓋[15]。

光化學(xué)氧化和微生物降解被認為是兩種主要的黑碳降解機制[15]。隨著對黑碳研究的深入,學(xué)者發(fā)現(xiàn)黑碳在環(huán)境中逐漸損失的過程主要存在3種機制。一種可能的黑碳損失機制是多頻發(fā)大火的氧化作用。Czimczik等發(fā)現(xiàn)在大火發(fā)生頻率低的地區(qū),黑碳在土壤有機層的含量高達720 kg/hm2,但是在火發(fā)生頻率高的地區(qū),黑碳含量卻低于 50 kg/ hm2[22]。另一種損失機制可能是黑碳的慢速氧化和溶出作用。Middelburg等認為在有氧條件下,經(jīng)過0.01～0.02 Ma海洋沉積物中64%的黑碳發(fā)生了降解[23]。Bird等發(fā)現(xiàn)在通氣條件良好的熱帶土壤環(huán)境中,木炭和元素碳經(jīng)過幾十年或者上百年就會發(fā)生降解[24]。氧化作用同時也可能增加黑碳的水溶性,在一些河流和海洋水體的溶解性有機質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了與黑碳具有相同結(jié)構(gòu)的物質(zhì)[25]。第三種機制是微生物降解作用。Baldock等在微生物接種木炭實驗過程中,發(fā)現(xiàn)黑碳的降解速率隨著焦化溫度的升高而降低[26]。

3 黑碳在現(xiàn)代氣候和環(huán)境系統(tǒng)中的作用

3.1 黑碳在全球碳循環(huán)中的作用

有機碳庫是碳循環(huán)中的一個重要儲庫,其組成包括大氣、土壤和海洋3個儲庫,這3個儲庫的大小目前還不清楚。在概念上,可以把有機碳庫劃分為活性有機碳庫和惰性有機碳庫?；钚杂袡C碳庫比較小,有機質(zhì)在幾年或幾十年間就能發(fā)生降解;惰性有機碳庫是穩(wěn)定的碳庫,可以在土壤中保存幾百至上千年。土壤中黑碳的放射性14C年齡要比有機質(zhì)高得多,這也證實了黑碳比非燃燒形成的有機質(zhì)更加穩(wěn)定,且難以降解。黑碳是惰性有機碳庫的重要組成部分,土壤和沉積物中的黑碳可能作為長期的碳庫在全球慢速碳循環(huán)過程中發(fā)揮著潛在的作用。Seiler等最先評價了黑碳作為碳庫在全球碳匯中的作用,他們根據(jù)過去的人口和土地利用數(shù)據(jù)資料估算出全球每年的黑碳產(chǎn)量為 500～1 700 Tg[27]。Crutzen等對之前的黑碳產(chǎn)量進行了修正,他們估算全球每年的黑碳產(chǎn)量為200～600 Tg,而且這部分碳庫可能是重要的氧源[28]。1995年,Kuhlbusch等估算出全球每年通過生物質(zhì)燃燒形成50～270 Tg黑碳[29]。表1列出了活性有機碳庫中有機碳和黑碳的大小通量。

土壤中黑碳的放射性14C年齡可以達到幾千年[30],因此被認為是大氣—生物圈慢速碳循環(huán)的一個儲庫,而且是地球長期碳循環(huán)的一個重要來源。土壤中發(fā)現(xiàn)木炭和煙炱已經(jīng)有幾個世紀(jì),很多學(xué)者也想方設(shè)法去分析它們的儲量大小。但是由于黑碳的種類太多,儲庫的不均勻分布及定量分析方法的限制,黑碳庫的大小還無法確定[32]。黑碳對全球碳循環(huán)的貢獻究竟有多大,是怎樣參與到碳循環(huán)過程,又是如何轉(zhuǎn)化的,這些基本問題還有待進一步深入研究。為了更好地說明黑碳在全球碳循環(huán)中的重要作用,很多學(xué)者通過黑碳與總有機碳的質(zhì)量之比來表征樣品中黑碳對有機碳的貢獻(表2)。

表1 活性有機碳庫中有機碳和黑碳的大小通量Tab.1 Sizes and Flux Rates of Organic Carbon and Black Carbon from Active Organic Carbon Reservoirs

表2 黑碳在地球各種介質(zhì)碳庫中的含量T ab.2 Black Carbon Concentration in E arth's V arious G eomedia

3.2 氣候效應(yīng)

黑碳是大氣氣溶膠中最主要的光學(xué)吸收成分,其光吸收特性會降低大氣能見度,還可以加熱空氣導(dǎo)致全球變暖[3],并通過改變云層凝結(jié)核的吸濕能力來影響云層的反射率,同時太陽光對黑碳的加熱作用會減少天空中的云量[35]。了解地球輻射平衡最大的不確定性是由于大氣氣溶膠的直接和間接強迫作用,而輻射強迫會直接導(dǎo)致氣候變化。黑碳在全球輻射平衡研究中是一個重要參數(shù),在某些地區(qū),黑碳的存在可以造成氣溶膠輻射強迫由負輻射效應(yīng)到正輻射效應(yīng)的轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致一個凈的增溫效應(yīng)。如果黑碳傳輸?shù)皆频沃?也會使氣溶膠的間接效應(yīng)發(fā)生從負到正的轉(zhuǎn)變。Ramanathan等把衛(wèi)星數(shù)據(jù)與飛機航測和地面觀測數(shù)據(jù)結(jié)合起來,估算黑碳的致暖效應(yīng)達到了0.9 W/m2,僅次于CO2的1.66 W/ m2[36]。此外,黑碳對太陽直接輻射的吸收導(dǎo)致到達地表的太陽輻射減少,從而導(dǎo)致地表變暗,這種變暗會被其他非黑碳氣溶膠的直接和間接效應(yīng)進一步加強,并進一步影響到南亞水汽循環(huán)和季風(fēng)減弱[36]。

黑碳氣溶膠在影響地球輻射的同時還會產(chǎn)生一定的氣候效應(yīng)。Wang用 CCM3模式研究了1978—1998年黑碳氣溶膠的氣候效應(yīng),發(fā)現(xiàn)黑碳氣溶膠可影響區(qū)域?qū)α骱痛髿猸h(huán)流,進而影響大氣溫度和降水[37]。Menon等的模擬結(jié)果表明,在過去的20年,中國北方的干旱和南方的洪澇災(zāi)害可能與來自中國和印度排放的黑碳氣溶膠有關(guān)[3]。因此,有學(xué)者提出減少黑碳氣溶膠的排放量可能是減緩全球變暖的最有效手段[38]。

3.3 黑碳在土壤環(huán)境中的作用

生物質(zhì)燃燒生成的焦炭是黑碳的一種,其多孔結(jié)構(gòu)有許多潛在的優(yōu)良物理特性,例如較高的比表面積和羧基、羥基、酚羥基等多種功能團。因此,焦炭具有較強的吸附能力,而且一般都具有疏水性,使其有利于吸附土壤和沉積物中的重金屬和有機污染物(如PAHs),并且疏水性可能是土壤腐殖質(zhì)形成的一個重要因素[39-41];焦炭還能吸附植物根系分泌物、凋落物的分解產(chǎn)物和微生物分解副產(chǎn)物等許多化合物,對保持土壤肥力有重要作用[14];焦炭能夠增加土壤的持水能力,減少土壤的容積密度;焦炭還可以作為堿金屬和磷酸鹽的儲庫,為它們提供陽離子交換場所[14]。焦炭被認為是一種土壤改良劑,不僅創(chuàng)造了一個長期碳庫,而且還可以改善土壤的物理性能并減少環(huán)境污染。最近的研究表明,主要黑碳組成的生物碳(biochar)具有從大氣圈吸收排除二氧化碳的巨大潛力[42]。

4 黑碳在過去氣候和環(huán)境系統(tǒng)中的作用

如前所述,黑碳最終將在各種地質(zhì)沉積物中保存下來,是源區(qū)植被、氣候及風(fēng)力作用的綜合產(chǎn)物,這也為研究地球過去的氣候與環(huán)境狀況提供了新的途徑。

4.1 海洋沉積物黑碳

1973年,Smith等第一次發(fā)表海洋沉積物中黑碳測量結(jié)果以來,并將黑碳首次用于指示古火事件的演化歷史[43]。Verardo等通過研究東部大西洋附近RC24-07鉆孔中0.2 Ma以來由生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的木炭認為,在冰期深海沉積物中,木炭是沉積物總有機碳的重要組成部分,質(zhì)量分數(shù)超過50%[44]。木炭的沉積通量也在冰期達最大值,這與冰期生物量低的特點相反。Bird等以東赤道大西洋Sierra Leone隆起上一個巖芯ODP-668B為研究對象,分析了1 Ma以來黑碳豐度變化[45]。黑碳的峰值只發(fā)生在氣候從間冰期向冰期變化的時期。在撒哈拉以南非洲地區(qū),前幾次間冰期氣候溫暖濕潤,森林向北擴張到大草原區(qū);而冰期時氣候相對寒冷干旱,沙漠向南擴張。這兩種氣候條件下都不會產(chǎn)生高的火災(zāi)發(fā)生率。從間冰期向冰期轉(zhuǎn)變過程中,區(qū)域氣候不穩(wěn)定,變化太大,導(dǎo)致在濕潤時期生物量積累,然后在干旱時期產(chǎn)生高強度的火災(zāi)。Jia等通過中國南海北部的海洋沉積物黑碳及其碳同位素測量,獲得了過去30 Ma的變化歷史,結(jié)果表明C4植被在早中新世出現(xiàn)在東亞地區(qū),這比晚中新世至上新世的C4植被擴張要早很長時間[46]。

4.2 黃土黑碳

黃土高原覆蓋了中國中部約5×105km2的面積。作為風(fēng)成堆積物的黃土-古土壤序列是研究長期地質(zhì)歷史氣候變化的重要載體。學(xué)者已經(jīng)通過地質(zhì)、地球化學(xué)、生物等各種指標(biāo)重建了黃土高原地區(qū)的古氣候變化特征,同時指明了這種氣候變化受控于東亞季風(fēng)強弱變化以及其與全球氣候變化之間的某種同步性[47-49],這些研究結(jié)果為研究黑碳與古氣候變化之間的關(guān)系提供了很好的基礎(chǔ)。最近10多年來,黑碳的研究也已經(jīng)在黃土-古土壤研究中開展起來[50-52],得到了許多重要的研究成果,如基本明確了火事件與氣候事件、黑碳濃度與有機碳穩(wěn)定同位素之間以及火事件與氣候變化(如由濕潤向干旱化轉(zhuǎn)變的時期)之間的關(guān)系。如Wang等對黃土高原3個剖面的黑碳測量分析,結(jié)果表明冰期黑碳質(zhì)量沉積速率是間冰期的2～3倍[51]。Zhou等測定了靈臺黃土剖面0.37 Ma來黃土-古土壤樣本的元素碳含量,并結(jié)合孢粉資料及其他一些古氣候替代性指標(biāo),認為在氣候不穩(wěn)定的過渡時期,特別是濕潤轉(zhuǎn)向干旱的時期容易發(fā)生大火[52]。但是,這些研究在測量方法上有局限性,將不同類型黑碳作為一個整體測量,并且將黑碳主要看做火事件的指代物,但未明確這種火事件的影響范圍。然而由于這種測量本身包含了不同類型的黑碳(即不同粒徑的黑碳),其可以作為區(qū)域火事件的指代物,因此也基本反映了其與氣候變化的一致性[45,50-52];但是這些測量方法由于不能區(qū)分不同類型(粒徑)的黑碳,無法反映更大(如半球或全球)尺度的火事件,因此忽視了火事件可以通過影響大氣物質(zhì)組成改變氣候的重要作用,即無法獲得黑碳氣溶膠的變化規(guī)律,與大氣輻射強迫直接聯(lián)系,從而建立與古氣候的直接關(guān)系。

4.3 湖泊沉積物黑碳

在過去10多年中,已有學(xué)者利用湖泊沉積物中的黑碳記錄來恢復(fù)化石燃料的使用歷史及人為活動的影響強度[53-54]。Long等研究東太平洋 Oregon海岸山脈中部Little湖泊沉積柱中高分辨率石墨記錄,重建了過去9 000年的火災(zāi)歷史,認為火災(zāi)頻率隨氣候變化而變化[53]。在早全新世溫暖干旱期,火災(zāi)平均間隔時間是(110±20)年;在中全新世寒冷潮濕期,火災(zāi)平均間隔時間延長到(160±20)年;在晚全新世更加寒冷多雨期,火災(zāi)平均間隔時間(230± 30)年。Muri等利用熱氧化法對5個高海拔湖泊沉積物進行黑碳分析,認為大約在20世紀(jì)50年代黑碳濃度開始增加,70至80年代達到最大值,原因可能是工業(yè)化的發(fā)展及化石燃料使用的增多;從90年代開始,黑碳濃度急劇下降,可能是由于研究區(qū)采取措施控制污染物排放的加劇,另外燃料結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換(由煤、石油等向天然氣的轉(zhuǎn)換)也是排放量降低的重要原因[54]。韓永明等通過岱海與太湖沉積物焦炭和煙炱濃度對比顯示,兩個湖泊焦炭濃度和通量變化受局地火事件影響,無明顯規(guī)律;而煙炱具有相似的變化歷史,主要是在1970年代后期急劇升高,與中國工業(yè)化歷史一致[55]。煙炱粒徑細小,具區(qū)域傳輸特點,可以通過沉積物指示大氣煙炱。結(jié)合當(dāng)前氣溶膠煙炱濃度,韓永明等恢復(fù)了岱海與太湖地區(qū)最近200年來的大氣煙炱濃度[55]。其變化趨勢與200年來北半球溫度對比顯示,大氣煙炱中的高濃度對應(yīng)高溫,低濃度對應(yīng)低溫。這種歷史關(guān)系進一步證實大氣煙炱在全球增溫中具有極其重要的作用。

4.4 冰芯黑碳

雖然有學(xué)者在20世紀(jì)80年代初就開始進行雪冰黑碳的研究[56],但是直到90年代才開始冰芯黑碳記錄的研究工作。由于冰芯沉積物具有高分辨率特征,研究工作主要集中在過去200年來的黑碳歷史及其指示的工業(yè)化歷史。Cachier等對格陵蘭Eurocore冰芯黑碳分析認識到,在工業(yè)革命以前冰芯中黑碳的濃度很低,但從1850年西方工業(yè)革命后就明顯升高[57]。Chylek等恢復(fù)的 GISP2冰芯黑碳歷史揭示,1989—1990年黑碳沉降量(2.0×10-9)與1670年以前的沉降量幾乎相同[58]。Lavanchy等通過對阿爾卑斯山Colle Gnifetti冰芯研究,提供了反映歐洲地區(qū)人類排放歷史的黑碳記錄[59]。Mc-Connell等研究表明,由于北半球森林火和工業(yè)活動的影響,黑碳濃度自1788年以來一直呈升高趨勢,特別是自1850年工業(yè)革命以來,工業(yè)排放導(dǎo)致冰芯黑碳濃度有7倍的增加,其高峰值出現(xiàn)在1906—1910年,1951年以后黑碳濃度相對低但仍呈增長趨勢[60]。在1906—1910年的黑碳高峰值時段,估算的黑碳近地面氣候輻射效應(yīng)是3 W/m2,這是工業(yè)革命前黑碳輻射值的8倍。Ming等恢復(fù)了珠穆朗瑪峰冰芯記錄中過去50年黑碳變化歷史,并討論了其氣候意義[61]。最近通過青藏高原5支冰芯黑碳過去50年變化歷史的恢復(fù)研究,結(jié)果表明20世紀(jì)50至60年代歐洲黑碳高排放對青藏高原西部、北部的冰川融化有重要貢獻[62];80年代中期以來青藏高原東南部與南部雪冰黑碳含量的持續(xù)增長則顯示南亞地區(qū)的黑碳排放在青藏高原冰川中的積累占主導(dǎo)作用,并且非季風(fēng)季節(jié)黑碳含量是季風(fēng)季節(jié)的3倍(圖1),這對青藏高原冰川的提前消融具有貢獻。

5 當(dāng)前黑碳研究存在問題及發(fā)展方向

黑碳研究至今已有近40年的歷史,但是到目前為止,對于什么是黑碳尚沒有一個十分明確的、被大多數(shù)學(xué)者廣泛接受的定義。這主要有兩個原因:首先,黑碳是燃燒產(chǎn)物形成的連續(xù)統(tǒng)一體,各種組分之間由于物理和化學(xué)性質(zhì)的差異,難以進行區(qū)分;其次,對黑碳進行定量分析還沒有一種標(biāo)準(zhǔn)的測量方法,不同的方法測得的結(jié)果差異較大。為了更好地對不同類型的黑碳進行比較分析,1999年在第九屆Goldschmidt會議上成立了一個國際指導(dǎo)委員會,該委員會在2000年提出了一系列具有代表性的黑碳基準(zhǔn)參考物。Hammes等采用該委員會提出的參考物在全世界17個實驗室用12種方法對比測量了土壤、沉積物、水體、大氣中火燃燒形成的黑碳,結(jié)果表明不同的方法對不同環(huán)境介質(zhì)中黑碳測量結(jié)果相差很大,主要原因是一些方法將非黑碳類的物質(zhì)歸為黑碳[12]。因此,仍需要更深入研究來準(zhǔn)確定義黑碳,并發(fā)展一種廣受接納的統(tǒng)一分析方法。

圖1 1955年以來青藏高原東南部冰芯黑碳在非季風(fēng)季節(jié)、季風(fēng)季節(jié)及年平均的含量變化Fig.1 Black Carbon Contents in Non-monsoon,Monsoon and Annual Average in Ice Core at the Southwest of the Qinghai-Tibet Plateau Since 1955

黑碳作為土壤有機質(zhì)的一個重要組分,被認為是一個穩(wěn)定的碳庫,在全球慢速碳循環(huán)過程中扮演著重要角色。要想知道黑碳對于全球碳循環(huán)貢獻的大小,就需要了解黑碳的全球儲量及分布情況。黑碳在土壤中的儲量大小與燃燒溫度、氫碳摩爾分數(shù)比和氧碳摩爾分數(shù)比、土壤特性以及氣候條件等因素有關(guān),這些因素同時還影響黑碳的降解速率,但是影響程度大小還不清楚。已有研究表明,海洋沉積物中的黑碳儲量大小明顯被高估,其中有一部分被定義為燃燒產(chǎn)生的黑碳物質(zhì)其實是古老巖石中的石墨態(tài)黑碳經(jīng)風(fēng)化后被搬運到海濱沉積下來的[32],那么“丟失”的那部分黑碳去了哪里?如果沒有儲存在海洋水體、河流、土壤或者大氣中,那么在到達這些環(huán)境介質(zhì)之前黑碳就已經(jīng)降解了,但是很少有直接的證據(jù)表明這種過程的存在。要弄清楚自然環(huán)境中黑碳逐漸消失的過程,就必須加強對黑碳降解(生物降解、真菌降解和非生物降解)機理方面的研究,這也是目前黑碳研究的重點。認識黑碳降解的地球化學(xué)過程以及在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化過程,對于正確評價黑碳在全球碳循環(huán)中的作用有重要指導(dǎo)意義。

冰芯和湖泊、海洋沉積物中的黑碳記錄作為良好的替代性指標(biāo),在地質(zhì)歷史時期古火事件以及古環(huán)境的重建中發(fā)揮著重要作用,需要進一步擴展各類沉積物的黑碳歷史研究。黑碳在冰芯或者沉積物中濃度的高低跟古火事件的發(fā)生頻率和強度大小及氣候環(huán)境變化之間的聯(lián)系,有待進一步深入研究。

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