JGR-A: 中国城市大气水溶性有机碳来源及其吸光性质的时空变化:δ13C/Δ14C示踪

莫扬之 博士后

溶性有机碳(Water soluble organic carbon, WSOC)是大气有机碳(organic carbon,OC)的重要组成,其对OC的贡献率可达20%~90%。WSOC因其吸湿性而能够改变颗粒物的云凝结核活性,进而间接地影响区域和全球气候。此外,在过去的十几年的研究中发现WSOC中也含有特定的吸光性组分(一般称其为棕色碳),使得WSOC在短波长处对太阳辐射的吸收并不亚于气溶胶中的黑碳(Black carbon, BC),因而WSOC也具有一定的致暖效应。这不仅一改过去认为WSOC只散射太阳辐射而单纯致冷的观点,也给相关气候模型模拟引入新的不确定性。WSOC的吸光性质很大程度上取决于其来源,但由于WSOC的来源和生成机制复杂,目前缺少有力手段对WSOC进行精准来源识别。并且,全球尚缺少大范围长时间WSOC的吸光性质场外观测数据对相关气候模型进行校验。因此,中国作为碳质气溶胶的排放大国,探究其典型城市大气WSOC来源和吸光性质的时空变化规律,将有助于了解WSOC吸光性质对来源的响应变化规律,并且为控制其环境气候和健康效应提供参考。

近期,中国科学院广州地球化学研究所博士后莫扬之与李军、张干研究合作,运用双碳同位素(δ13C和Δ14C)对中国十个典型城市(北京、兰州、太原、成都、新乡、上海、南京、武汉、贵阳和广州)四季PM2.5中的WSOC进行了来源识别,并研究了其吸光性质的时空变化规律。研究结果显示,中国城市大气中WSOC的化石源占比高于南亚、美洲和欧洲区域,表明相对于世界其他区域,化石源对我国城市区域WSOC的影响更大。在空间上,中国北方WSOC的化石源占比和质量吸光系数(MAE365)均高于中国南方(图1),说明化石源是驱动WSOC吸光能力空间变化的重要因素。而在季节上,WSOC冷季(秋冬)较暖季(春夏)富集非化石源和13C(图2),基于四端元(机动车尾气、燃煤、C3植物和C4植物,图3)的双碳同位素贝叶斯模型显示,源于C4植物的WSOC季节变化特征更为显著(图3)。而且,相对于源于C3植物的WSOC,源于C4植物的WSOC与生物质燃烧标志物K+具有更好相关性(r = 0.84 vs. r = 0.65)。结合中国的C4植物主要为玉米这一事实,推断中国冷季WSOC富集非化石源和13C主要是由玉米农业残余物燃烧所致。

在过去的模型和场外观测中,生物质燃烧一直被认为是具有高吸光能力WSOC的主要排放源。在本研究中,WSOC在冷季较高的MAE365值也确实与生物质燃烧排放加强密切相关,然而,本研究数据显示WSOC在冷季的化石源占比却与WSOC的MAE365值成正相关(图4)。由于中国冷季的燃煤消耗量和大气NOx浓度均较高,因此来自于燃煤燃烧一次排放的WSOC和高NOx条件下二次生成的化石源WSOC也是提升冷季WSOC吸光能力的重要因素。

图1. 中国十个城市PM2.5中WSOC在365 nm波长处的质量光吸收系数(mass absorption efficiency at 365 nm,[MAE365])和光吸收系数(light absorption coefficient at 365 nm,[Abs365])的时空变化规律。

图2. WSOC的四季双碳同位素(∆14C 和 δ13C)特征。

图3. 基于双碳同位素的贝叶斯模型WSOC源示踪结果。

图4. WSOC的MAE365值与其化石源占比在冷季和暖季的相关关系。

图4. WSOC的MAE365值与其化石源占比在冷季和暖季的相关关系。

该研究WSOC双碳同位素(δ13C和Δ14C)的测定在有机地球化学国家重点实验室完成,李军和张干研究员提出概念设计,成志能博士和朱三元高级工程师提供具体技术支持,烟台海岸带研究所田崇国研究员进行双碳同位素贝叶斯模型程序设计与运算,钟广财博士和复旦大学陈颖军教授参与讨论,广州地球化学研究所博士后莫扬之承担具体实验和论文撰写工作。本研究获得国家自然科学基金(41430645和41773120)和国家重点研发(2017YFC0212000)资助。成果近期发表于地学领域期刊:Journal of Geophysical Research: Atmospheres。

论文信息:Mo, Y.Z., Li, J., Cheng, Z.N., Zhong, G.C., Zhu, S.Y., Tian, C.G., Chen, Y.J., Zhang, G., 2021. Dual Carbon Isotope-Based Source Apportionment and Light Absorption Properties of Water-Soluble Organic Carbon in PM2.5 Over China. Journal of Geophysical Research-Atmospheres 126.

论文连接:https://doi.org/10.1029/2020JD033920