第30卷第4期 地球科学进展 Vol 30 No 4 2015年4月 ADVANCES IN EARTH SCIENCE Apr.,201 曹芳,章炎麟碳质气溶胶的放射性碳同位素(1C)源解析:原理、方法和研究进展[J]地球科学进展,2015,30(4):425432,doi:10.11867/j issn. 1001-8166.2015.04.0425.[Cao Fang, Zhang Yanlin. Principle, method development and application of radiocarbon(C)-Based source appor- tionment of carbonaceous aerosols: A review[J]. Advances in Earth Science, 2015, 30(4): 425-432, doi: 10. 11867/j. issn. 1001-8166.2015.04.0425.] 碳质气溶胶的放射性碳同位素(C)源 解析:原理、方法和研究进展 曹芳,章炎麟 (南京信息工程大学大气环境中心,江苏南京210044) 摘要:碳质气溶胶(或颗粒物)作为大气气溶胶的重要鉏成,对环境、气候和亼类健康造成了巨大 的危害。其主要组成成分有机碳和元素碳具有不同的来源特征,且对人类健康和气候系统的影响 也具有明显的差异。放射性碳冋位素(C)不仅能定性区分生物源和化石源,还能定量分析不同来 源对有机碳和元素碳的贡献比率。重点评述了放射性碳同位素法对气溶胶源解析的技术原理、分 离测试方法以及在我国应用的研究进展;最后提出了囯内研究应加强的领域和利用放射性碳冋位 素法研究大气气溶胶的发展趋势。 关键词:气溶胶;有机碳;元素碳;源解析;放射性碳(C) 中图分类号:P402;X513 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2015)044042508 1引言 溶胶如硫酸盐和硝酸盐类似,总体表现为变冷作 用5.。而元素碳是大气颗粒物中重要的光吸收物 碳质气溶胶(或称含碳气溶胶,碳气溶胶)是大质,它可以强烈吸收红外和部分可见光波段的太阳 气气溶胶的重要组成部分,其对全球气候变化、大气辐射,会使周围的大气增温,在地球气候系统中表现 能见度、空气质量、人类健康等能产生重要影为变暖作用6。另外,元素碳还可以通过大气干 响,2。碳质气溶胶按其化学组成主要包括有机碳湿沉降到达冰雪表面,从而改变地表辐射返照率影 ( Organic Carbon,OC)和元素碳( Elemental Carbon,响局地和全球气候系统。单就直接驱动因子而 EC,或称黑碳: Black Carbon,BC),两者总和对全球言,黑碳已成为全球大气系统中仅次于CO2的增温 大气细颗粒物(空气动力学直径小于2.5μm,即组分。此外颗粒物中元素碳极易吸附多环芳烃 PM2s)总质量的平均贡献大小为20%~60%。等有机污染物和重金属,使致癌、致畸、致突变的机 另外大气细颗粒物中还包含少量碳酸盐碳,其对大率明显升高(。而有机碳包含碳氢化合物、芳香族 气中碳质气溶胶的贡献甚微(<5%),在大气细颗粒聚合物及其他成分,如多环芳烃、二嗯英、碳酸酯等 物研究中一般不予考虑。碳质气溶胶中有机碳这些化合物本身就具有造成有机体基因突变及致癌 和元素碳由于物理化学性质不同,表现出不同的气的可能性,。近年来,我国的大气灰霾现象日趋 候效应。例如有机碳对气候的影响与大多数无机气严重,尤其是京津冀、长三角、珠三角等大城市群地 *收稿日期:201412-19;修回日期:201503-25 基金项目:江苏高校优势学科建设工程项目(PAPD);教育部长江学者和创新团队发展计划项目“陆地碳水循环与气候变化”(编号: PCSIRT-1147)资助 作者简介:曹芳(1984-),女,湖北潜江人,特聘教授,主要从事环境化学和气候变化研究.E-mail: coangle@163 通讯作者:章炎麟(1983-),男,浙江杭州人,特聘教授,主要从事大气化学和气候变化研究 E-mail: zhangyanlin@mist.cdu第 30 卷 第 4 期 2015 年 4 月 地球科学进展 ADVANCES IN EARTH SCIENCE Vol. 30 No. 4 Apr. ,2015 曹芳,章炎麟. 碳质气溶胶的放射性碳同位素( 14C)源解析:原理、方法和研究进展[ J]. 地球科学进展,2015,30(4):425鄄432,doi:10. 11867 / j. issn. 1001鄄8166. 2015. 04. 0425. [Cao Fang, Zhang Yanlin. Principle, method development and application of radiocarbon ( 14C)—Based source appor鄄 tionment of carbonaceous aerosols: A review[J]. Advances in Earth Science,2015,30(4):425鄄432,doi:10. 11867 / j. issn. 1001鄄8166. 2015. 04. 0425. ] 碳质气溶胶的放射性碳同位素( 14 C)源 解析:原理、方法和研究进展 * 曹 芳,章炎麟* (南京信息工程大学大气环境中心,江苏 南京 210044) 摘 要:碳质气溶胶(或颗粒物)作为大气气溶胶的重要组成,对环境、气候和人类健康造成了巨大 的危害。 其主要组成成分有机碳和元素碳具有不同的来源特征,且对人类健康和气候系统的影响 也具有明显的差异。 放射性碳同位素( 14C)不仅能定性区分生物源和化石源,还能定量分析不同来 源对有机碳和元素碳的贡献比率。 重点评述了放射性碳同位素法对气溶胶源解析的技术原理、分 离测试方法以及在我国应用的研究进展;最后提出了国内研究应加强的领域和利用放射性碳同位 素法研究大气气溶胶的发展趋势。 关 键 词:气溶胶;有机碳;元素碳;源解析;放射性碳 ( 14C) 中图分类号:P402;X513 文献标志码:A 文章编号:1001鄄8166(2015)04鄄0425鄄08 1 引 言 碳质气溶胶(或称含碳气溶胶,碳气溶胶)是大 气气溶胶的重要组成部分,其对全球气候变化、大气 能见 度、 空 气 质 量、 人 类 健 康 等 能 产 生 重 要 影 响[1, 2] 。 碳质气溶胶按其化学组成主要包括有机碳 (Organic Carbon,OC) 和元素碳(Elemental Carbon, EC,或称黑碳:Black Carbon,BC),两者总和对全球 大气细颗粒物(空气动力学直径小于 2. 5 滋m,即 PM2. 5 )总质量的平均贡献大小为 20% ~ 60% [3] 。 另外大气细颗粒物中还包含少量碳酸盐碳,其对大 气中碳质气溶胶的贡献甚微( <5% ),在大气细颗粒 物研究中一般不予考虑[4] 。 碳质气溶胶中有机碳 和元素碳由于物理化学性质不同,表现出不同的气 候效应。 例如有机碳对气候的影响与大多数无机气 溶胶如硫酸盐和硝酸盐类似,总体表现为变冷作 用[5, 6] 。 而元素碳是大气颗粒物中重要的光吸收物 质,它可以强烈吸收红外和部分可见光波段的太阳 辐射,会使周围的大气增温,在地球气候系统中表现 为变暖作用[5, 6] 。 另外,元素碳还可以通过大气干 湿沉降到达冰雪表面,从而改变地表辐射返照率影 响局地和全球气候系统[6] 。 单就直接驱动因子而 言,黑碳已成为全球大气系统中仅次于 CO2 的增温 组分[6] 。 此外颗粒物中元素碳极易吸附多环芳烃 等有机污染物和重金属,使致癌、致畸、致突变的机 率明显升高[7] 。 而有机碳包含碳氢化合物、芳香族 聚合物及其他成分,如多环芳烃、二噁英、碳酸酯等, 这些化合物本身就具有造成有机体基因突变及致癌 的可能性[7,8] 。 近年来,我国的大气灰霾现象日趋 严重,尤其是京津冀、长三角、珠三角等大城市群地 * 收稿日期:2014鄄12鄄19;修回日期:2015鄄03鄄25. *基金项目:江苏高校优势学科建设工程项目(PAPD);教育部长江学者和创新团队发展计划项目“陆地碳水循环与气候变化冶 (编号: PCSIRT鄄1147)资助. 作者简介:曹芳(1984鄄),女,湖北潜江人,特聘教授,主要从事环境化学和气候变化研究. E鄄mail:caofangle@ 163. com *通讯作者:章炎麟(1983鄄),男,浙江杭州人,特聘教授,主要从事大气化学和气候变化研究. E鄄mail:zhangyanlin@ nuist. edu. cn