大气14CO2的时空分异特征及其在化石源CO2示踪中的应用

大气CO₂中放射性碳同位素(¹⁴C)的水平可以反映化石源CO₂的影响程度,这对于评估我国目前化石源CO₂的排放状况和制定节能减排政策具有重要的指导意义。本文在概述大气¹⁴CO₂采样和分析方法的基础上,简要介绍了大气¹⁴CO₂观测的起源和主要的源汇过程,重点论述了大气¹⁴CO₂的时空分异特征及其驱动因素;阐述了化石源CO₂浓度的估算方法及¹⁴CO₂在国内外化石源CO₂示踪中的应用现状,并对大气¹⁴CO₂观测在我国化石源CO₂示踪中的应用前景进行了展望;旨在为我国正确地开展大气¹⁴CO₂的观测研究,深刻地理解特定区域大气¹⁴CO₂的时空分异特征和化石源CO₂的分布状况提供参考。     

Radioactive tracer of the photochemical reaction of 14CS2 with OH in the presence of O2

The photochemical reaction of¹⁴CS ₂ with OH has been studied．The results indicated that the main products of the reaction were¹⁴COS and ¹⁴CO with a small amount of ¹⁴CO₂ in the reaction system(¹⁴CS₂-H₂O₂-C₃H₈-N₂-O₂>)．The reaction was promoted by oxygen．¹⁴COS and ¹⁴CO had the similar kinetic curves while ¹⁴CO₂ got a different kind of Curve．The overall rate constant increased with the increasing of oxygen partial pressure．The rate constant for the removal of ¹⁴CS₂ was K=3.4×10^-12cm³/(mO1.s) at 33330 Pa 0₂．The conversion of ¹⁴CS₂ to ¹⁴CO₂ at room temperature was observed and the possible mechanism of the photochemical reaction was disscussed．     

青菜对14CO2的吸收和积累动态

为了探明14CO2在环境中的行为,采用同位素示踪技术研究了青菜对14CO2的吸收和积累动态.结果显示,通过叶片光合作用从空气中吸收的14CO2会向青菜其他部位组织输送并形成积累趋势,各部位组织中14C比活度随时间呈线性增长,增长速率介于95.3～270.2 Bq/(g·d)范围内,大小次序为:菜心＞叶＞叶柄＞茎盘＞根.青菜对14CO2(14C)具有强烈的富集作用,各部位的富集系数随时间呈快速增加,积累效应十分明显,其中菜心中的富集系数最大(48 d时高达156.4),叶片次之(48 d时为135.6).青菜各部位14C比活度均随14CO2引入次数的增加而递增,回归分析表明:各部位组织中14C比活度C的变化与引入次数N间呈线性正相关.青菜对空气中14CO2的高富集特性可用来作为监测大气14CO2污染的指示作物.     

西安市2016 — 2017年大气化石源CO2的14C示踪研究与来源的初步分析

¹⁴C是研究城市中化石能源碳排放状况的有效手段;认识化石源CO₂（CO_2ff）的主要来源将有利于针对性地制定减排方案。本文利用分子筛主动吸附采样方法对西安市大气CO₂进行了连续积时采样,并利用AMS-¹⁴C示踪方法,研究了西安市2016—2017年 CO_2ff的浓度变化,同时基于CO_2ff与大气污染物的同源性,对CO_2ff的主要来源进行了定性分析。2016年1月至2017年1月,西安大气Δ¹⁴C季节变化显著,变化范围是(?1.00±2.84)‰— (?187.25±3.62)‰,平均值为(?63.20±17.35)‰,相对于2012—2013年的平均值(?41.3±27.4)‰有明显的下降。CO_2ff变化范围是(6.91±1.94)— (105.60±3.09) μmol?mol^?1,呈显著的夏季低、冬季高的季节变化特征,与前人研究结果一致。CO_2ff与SO₂及NO₂浓度总体上呈相同的季节变化特征,但与两者的相关性存在季节差异：在春夏季,CO_2ff与SO₂（R²=0.47,p＜0.01）的相关性较强;而在秋冬季,CO_2ff与NO₂（R²=0.73,p＜0.01）的相关性更为显著。可能是由于大气扩散条件的改变使得采样点CO_2ff的主要来源发生了变化。春夏季节,大气扩散条件较好,采样点化石源CO₂可能主要受到工业燃煤（高空排放）的影响,而秋冬季节,受到不利于扩散的气象条件的影响,化石源CO₂可能主要受到采样点周围交通源（近地面排放）的影响。该研究结果可为CO_2ff的源解析研究及大气CO₂样品采集提供参考。     

无机离子SO42-对小麦幼苗积累稀土的影响

采用ＭＩＮＴＥＱＡ 程序计算出在无机离子SO₄^2-存在下,轻（Ｌａ）、中（Ｇｄ）、重（Ｙ）３ 种稀土元素在溶液中的形态分布．研究了在水培条件下ＳＯSO₄^2-对３种稀土元素在小麦幼苗根、茎和叶部的积累规律．热力学实验表明,小麦幼苗在加SO₄^2-的稀土元素溶液中培养３０ｄ 后,小麦根部对Ｌａ、Ｇｄ 的积累受抑制,而对Ｙ的积累却明显提高;加入SO₄^2-后茎叶部对Ｌａ、Ｙ积累值改变不明显,但对Ｇｄ的积累有所增加．生长动态实验表明,在SO₄^2-存在下,小麦幼苗根部对稀土的积累随时间增加而增加,其积累值符合线性递增函数方程,相关系数ｒ＞ ０．９４;而茎叶部最初积累能力较强,SO₄^2-的加入对小麦植株动态吸收稀土规律无明显影响．     

大气CO2摩尔分数升高对高、低应答水稻稻田N2O排放的影响

依托稻田大气CO₂摩尔分数（x［CO₂］）升高平台FACE （free-air CO₂ enrichment）,采用静态透明箱-气相色谱法研究x［CO₂］升高（正常x［CO₂］+200 μmol·mol^-1）对高、低应答水稻（产量对x［CO₂］升高的响应分别为>30%和10%~15%）稻田N₂O排放的影响.本试验设置4个处理：A-W （正常x［CO₂］+低应答水稻）、F-W （x［CO₂］升高+低应答水稻）、A-S （正常x［CO₂］+高应答水稻）和F-S （x［CO₂］升高+高应答水稻）.结果表明,对比正常x［CO₂］处理（A-S和A-W）,x［CO₂］升高条件下高、低应答水稻（F-S和F-W）稻田N₂O排放分别降低52.54%（P<0.05）和38.40%（P<0.05）,水稻产量分别增加22.96%（P<0.05）和12.11%（P>0.05）,稻田N₂O排放强度分别降低61.68%（P<0.05）和45.13%（P<0.05）.另外,高、低应答水稻稻田N₂O排放与稻田土壤NH₄⁺-N含量呈显著相关关系,而与NO₂^--N含量无显著相关.x［CO₂］升高条件下,土壤温度是影响高应答水稻稻田N₂O排放的重要因素.综合考虑,未来x［CO₂］升高条件下,高应答水稻品种的"增产减排"效果最佳.     

小型养殖塘水体中CH4、CO2和N2O浓度的时空变化特征及影响因素

养殖塘作为重要的温室气体排放源,水体中温室气体浓度的变化不仅是准确量化温室气体排放量的基础,还是明确其影响因素的重要依据.基于顶空平衡-气相色谱仪法对长三角一处典型的小型养殖塘水体中CH₄、CO₂和N₂ O浓度的时空变化特征以及影响因素进行了分析.结果表明,除春季外,在水温影响下,CH₄和N₂ O浓度在午间或午后出现高值;受水温和水生植物光合作用影响,CO₂浓度的高值出现在晨间光合作用较弱的时候.养殖塘水体中CH₄和CO₂浓度呈现秋季最高、冬季最低的季节变化特征,c（CH₄）在秋季和冬季的均值分别为176.34 nmol·L^-1和32.75 nmol·L^-1,主要受气温、水温和溶解氧（DO）影响;c（CO₂）秋季和冬季的均值分别为134.37 μmol·L^-1和23.10 μmol·L^-1,主要受水生植物光合作用和pH影响;c（N₂ O）在夏季最高,冬季最低,均值分别为97.05 nmol·L^-1和19.41 nmol·L^-1,主要受气温和水温影响.在空间上,垂直方向上,夏季养殖塘c（CH₄）随水深的加深而降低,表层与底层、中间层的浓度差值为71.28 nmol·L^-1和42.80 nmol·L^-1,秋季随水深的加深而升高,底层与表层的浓度差值为163.94 nmol·L^-1.c（CO₂）在夏季和秋季都表现为随着水深的加深而升高,其底层与表层的浓度差值分别为18.69 μmol·L^-1和29.90 μmol·L^-1.N₂ O浓度在垂直方向上无明显变化规律.水平方向上,夏季饲料及春季鸡粪投放的区域会出现CH₄、CO₂和N₂ O浓度的高值,春季和夏季CH₄浓度约为其他区域的1.34~1.98倍和1.95~2.42倍,春季N₂ O浓度和夏季CO₂浓度约为其他区域的1.13~1.26倍和1.39~1.74倍.     

贵州喀斯特水库红枫湖、百花湖P(CO2)季节变化研究

针对贵州喀斯特地区富营养水库（红枫湖、百花湖）表层水中的CO₂分压P(CO₂)进行为期1 a的监测,分析了影响两湖P(CO₂)季节变化的因素并阐明了两湖P(CO₂)季节变化的机理.不同于北部温带地区水库,两湖出现明显的季节变化特征：夏季表层水中CO₂欠饱和,其他季节CO₂过饱和.通过对物理、化学及生物因素与P(CO₂)之间的相关性分析. 结果表明,两湖P(CO₂)与Chla之间存在的显著负相关,是由于浮游植物光合作用与细菌呼吸作用共同影响的结果,也是两湖P(CO₂)出现季节变化的主要原因.水温与P(CO₂)之间的显著负相关,主要是由于水温影响浮游植物生长引起的.降雨量与P(CO₂)之间的显著负相关,主要是由于降雨量影响水库中营养盐的输入和浮游植物生长引起的.NO^-₃、NO^-₂与P(CO₂)之间的显著正相关,是藻类吸收与有机质降解、硝化反应等共同作用的结果.SiO^{2-₃与P(CO₂)之间的显著负相关,是SiO2-₃受降雨输入及藻类吸收共同影响的结果.而两湖DOC与P(CO₂)相关性的差异可能与两湖DOC来源不同有关.}     

氧同位素非质量分馏在CO2相关研究中的进展

氧同位素异常（Δ¹⁷O）常用来衡量氧同位素非质量分馏的程度，也是目前研究大气CO₂相关问题的有力手段之一。本文综述大气CO₂氧同位素非质量分馏效应的研究进展。首先介绍氧同位素非质量分馏程度的表示方法（Δ¹⁷O）和成因；其次概括CO₂中Δ¹⁷O的测量方法，并对比质谱法和光谱法测量Δ¹⁷O的优缺点；最后总结Δ¹⁷O在估算平流层向对流层输入的CO₂通量、估算全球生产力和示踪CO₂不同来源方面的应用，并对Δ¹⁷O在CO₂未来的研究方向提出展望。     

水稻产量、稻田CH4和N2O排放对长期大气CO2浓度升高的响应

大气CO₂浓度升高（[CO₂]_e）是全球气候变化的主要驱动力,可直接或间接影响稻田生态系统碳氮循环.深入探究长期（大于10 a）[CO₂]_e对水稻产量和稻田温室气体排放的影响,对保障粮食安全和评估未来气候变化意义重大.本研究以高、低应答水稻品种为供试材料,利用连续运行14 a的[CO₂]升高（free-air CO₂ enrichment,FACE）平台,共设置2个[CO₂]处理：对照（正常[CO₂],[CO₂]_a）和在[CO₂]_a基础上升高200 μmol·mol^-1（[CO₂]_e）.采用静态透明箱-气相色谱法测定稻田CH₄和N₂O排放量,并测定水稻产量.结果表明,对比[CO₂]_a,长期[CO₂]_e分别增加高、低应答水稻品种产量29%~31%（P<0.05）和12%~14%（P>0.05）;分别减少高、低应答水稻品种稻田CH₄排放21%~59%和11%~54%;同时,分别显著减少高、低应答水稻品种稻田N₂O排放70%（P<0.05）和40%（P<0.05）.水稻产量、稻田CH₄排放对长、短期[CO₂]_e的响应具有明显差异,随着[CO₂]_e年限的增加,水稻产量和稻田CH₄排放的增幅显著下降,而稻田N₂O排放无明显变化.综合考虑,长期[CO₂]_e条件下,高应答水稻品种为优先考虑种植的"增产减排"水稻品种.     

蚕豆-土壤系统对14CO2的吸收和积累

为了探明14CO2在环境中的行为,采用核素示踪技术研究了蚕豆-土壤系统对14CO2的吸收和积累动态.结果表明,通过蚕豆叶片光合作用从空气中吸收的14CO2会向蚕豆其他部位组织输送并形成积累趋势,被检测到的14C比活度数值比较大,表明空气中的14CO2易于通过叶片吸收而进入蚕豆各组织器官中;蚕豆各部位组织中14C比活度随时间呈线性增长,增长速率介于20.3~45.1Bq/(g×d),大小次序为:叶>茎>根>豆壳>豆粒.蚕豆对14CO2(14C)具有较强的富集作用,各部位的富集系数随时间呈快速增加, 其中叶片中的富集系数最高(56d时高达31.61),豆壳次之(56d时达25.57).利用蚕豆的这一富集特性可监测大气14CO2污染的情况.     

樟树对14CO2的吸收和积累

为了探明14CO2在环境中的行为,采用同位素示踪技术研究了樟树对14CO2的吸收和积累动态,并探讨了樟树作为监测大气14CO2污染指示植物的可能性和优越性.结果表明,通过叶片光合作用从空气中吸收的14CO2会在樟树叶片中积累,检测到的14C比活度数值较大,表明空气中的14CO2易于通过叶片的光合作用而进入樟树叶片组织中;在污染前期14CO2主要被新叶组织中吸收,后期主要积累在老叶中,反映出新叶对空气14CO2污染比较敏感,而老叶积累效应明显.樟树叶片的这一特性可用于监测大气14CO2污染.     

金鱼藻对14CO2的吸收和积累动态

为了探明14CO2(14C)在环境中的行为,采用同位素示踪技术研究了金鱼藻对14CO2的吸收和积累动态,并探讨了金鱼藻作为监测大气14CO2污染指示植物的可能性.结果表明,生长在水中的金鱼藻会通过某些途径吸收空气中14CO2并形成积累趋势,吸收途径主要是金鱼藻通过光合作用从水体中吸收游离14CO2和H14CO3-.金鱼...     

14C在水-金鱼藻系统中的消长动态

采用同位素示踪技术研究了14C在水-金鱼藻系统中的消长动态,并运用计算机拟合建立其动力学模型.结果表明,引入水体的14CO32-离子由于金鱼藻的吸附、吸收及转化分解为14CO2气体散逸而使水体中的14C比活度快速下降.金鱼藻因其羽状复叶具有较大的比表面积而对水体中的14C有较强的吸附、吸收作用,其对14C的积累主要在新叶组织中.新叶中14C比活度在第21d出现最大值(29656.59Bq/g),分布百分比达86.34%;水体中14C的消失动态和金鱼藻对14C的积累动态均遵循一级反应动力学模型;金鱼藻各部位对水体中的14C均具有很强的富集作用,可用来监测和净化被14C污染的水体.浓集系数(CF)与时间(t)呈线性关系.     

溴代甲烷在SO42-/TiO2上的光催化降解

采用溶胶-凝胶法制备了SO₄^2-/TiO₂催化剂,运用XRD、BET比表面测定,FTIR等技术对催化剂进行了表征,并在微型常压连续反应装置上进行CH₃Br光催化反应性能考察.结果表明,SO₄^2-引入TiO₂体系使得催化剂的结构和光催化性能得到显著改善.SO₄^2-负载量为9%,烧结温度为450℃时,SO₄^2-/TiO₂催化剂的光催化活性最高;SO₄^2-/TiO₂催化剂对反应物料中的水汽有很好的耐受性;当反应温度低于85℃时,提高反应温度,有利于改善对CH₃Br的光催化反应活性,表观活化能约为19.6kJ·mol^-1,反应温度在85℃～105℃区间时,CH3Br的光催化降解表观活化能为0.     

基于同位素示踪技术分析小白菜中Pb的来源

为了探明乌鲁木齐市小白菜中Pb的污染来源,采用Pb同位素示踪法,结合盆栽试验种植小白菜,测定了成熟期小白菜不同部位Pb同位素单体计数值及其比值,分析了灌溉水、土壤、降尘对小白菜Pb的贡献率及小白菜Pb的可能来源.结果表明:大气降尘、灌溉水和土壤对小白菜地上部Pb的贡献率分别为51.50%、31.8%、16.7%,大气降尘对小白菜可食用部Pb含量的影响最大;对小白菜根系Pb累积的贡献率分别为2.20%、77.5%、20.30%,灌溉水对小白菜根系Pb含量累积的影响最大.尾气烟灰、燃煤、建筑降尘是导致乌鲁木齐市叶类蔬菜可食用部Pb含量超标的主要原因.     

贵州梵净山九龙池沉积物14C年代学研究及全新世碳累积速率变化

放射性碳同位素加速器质谱（ASM¹⁴C）测年法是湖泊沉积物定年的主要方法,并且是全新世年代学研究的热点。随着对全新世古气候与环境变化研究的深入,选取不同介质定年可能对年代模型的准确性造成误差,进而影响到气候指标的解译。本文选取贵州东北部梵净山九龙池沉积物中树枝、树叶、树皮、种子等植物残体和全样有机质作为测年介质,利用ASM¹⁴C进行定年。结果表明,相比全样有机质,使用植物残体定年可以在一定程度上避免碳库效应的影响。但相比于原位沉积且生长年限较短的叶片,树枝的定年结果偏老,不是一种理想的定年介质。另外,根据定年结果及总有机碳含量重建了全新世九龙池的碳累积速率,发现碳累积速率可以指示该地区亚洲夏季风强度的变化历史。     

2014年北京奥体中心空气质量演变特征

利用中国环境监测总站发布的实时大气环境监测资料,选择北京国家奥林匹克体育中心(下称北京奥体中心)为研究对象,分析了2014年全年北京奥体中心空气质量演变特征. 结果表明:①2014年全年北京奥体中心首要污染污染物为PM_2.5,其次是NO₂,而PM_2.5和PM₁₀出现中度污染以上的污染事件主要集中在冬季和春末秋初;②PM_2.5、PM₁₀、SO₂、NO₂、O₃和CO等主要污染物的年均质量浓度分别为89.75、141.12、21.83、64.26、48.60和1 210 μg/m3. 其中年均ρ(PM_2.5)是GB 3095—2012《环境空气质量标准》二级标准限值(35 μg/m3)的2.6倍,年均ρ(PM₁₀)也是其二级标准限值(70 μg/m3)的2.0倍,年均ρ(SO₂)略高于其一级标准限值(20 μg/m3),而年均ρ(NO₂)则高于其标准限值(40 μg/m3);③北京奥体中心全年逐月ρ(SO₂)/ρ(NO₂)都小于1.00,年均值为0.37,反映出北京目前硝酸型污染特征越来越明显;④针对不同污染等级下各类污染物质量浓度的分析结果显示,严重污染时ρ(PM_2.5)和ρ(PM₁₀)平均值分别高达324.75和494.98 μg/m3,分别是世界卫生组织(WHO)《空气质量准则》推荐24 h平均浓度准则值的13和10倍,其浓度如此之高会对人体健康造成严重危害;⑤ρ(PM_2.5)年均24 h变化趋势表明,ρ(PM_2.5)具有明显的日变化特征,出现2个峰值,高峰值出现在午夜时分(23:00—翌日01:00),次高峰值出现在上午(09:00—11:00),最低值出现在下午(15:00—17:00),次低谷值则出现在凌晨(05:00—07:00),说明ρ(PM_2.5)除与混合层高度日变化特征密切相关外,还与人们的日常生活有一定联系.      

14C-甲磺隆在土壤中的可提态残留、结合态残留和矿化

在实验室培养条件下,从质量平衡角度,研究了¹⁴C-甲磺隆在7种土壤中形成结合残留(¹⁴C-BR)、可提态残留(¹⁴C-ER)以及矿化为¹⁴CO₂的规律;同时对¹⁴C-BR的主要影响因子及其在腐殖质中的分布规律进行了研究.结果表明:①¹⁴C-甲磺隆在土壤中形成的¹⁴C-ER,其含量与土壤pH呈显著正相关.甲磺隆母体化合物在7种土壤中 的半减期为13.3～66.6d,降解速率常数λ(d-1)与pH呈显著负相关.②¹⁴C-甲磺隆在7种土壤中形成的¹⁴C-BR,其含量在培养初期的20d内,与土壤pH呈显著负相关且与土壤粘粒含量呈显著正相关;而培养20d后,¹⁴C-BR的含量只与土壤pH呈显著负相关.pH是¹⁴C-甲磺隆在土壤中形成BR的主要影响因子.¹⁴C-甲磺隆在7种土壤中的¹⁴C-BR的最大值约为引入量的19.3%～52.6%.③在整个培养试验过程中,7种土壤中的¹⁴C-BR主要分布在富啡酸和胡敏素中,但其分布在胡敏酸中的相对百分比较小.因此,在¹⁴C-甲磺隆形成BR的过程中,富啡酸的作用＞胡敏素>胡敏酸.④在整个培养试验期间(180d),¹⁴C-甲磺隆在7种土壤中通过三嗪杂环开环矿化为¹⁴CO₂的量约占引入量的12.9%～27.0%,其在碱性土壤中更难被矿化为¹⁴CO₂.     

土壤自养微生物同化碳向土壤有机碳库输入的定量研究：14C连续标记法

自养微生物在土壤中广泛存在,但其CO2同化能力及其向土壤碳库的输入机制尚不明确.应用14C连续标记示踪技术,选取亚热带区4种典型稻田土壤在密闭系统模拟培养,探讨了土壤自养微生物同化碳向土壤碳库的输入过程和机制及其对土壤碳库活性组分的影响.结果表明,土壤微生物具有客观的CO2同化能力.标记培养110 d后,供试土壤的14C-SOC含量范围为69.06～133.81 mg.kg-1,而14C-DOC、14C-MBC含量范围为2.54～8.10 mg.kg-1、19.50～49.16 mg.kg-1.土壤自养微生物同化碳(14C-SOC)与其微生物截留碳(14C-MBC)呈极显著的正相关关系.土壤可溶解性有机碳(DOC)、微生物量碳(MBC)和SOC的更新率分别为5.65%～24.91%、4.23%～20.02%和0.58%～0.92%.而且,土壤自养微生物同化碳的输入对土壤活性碳组分的DOC、MBC含量变化影响较大,而对SOC影响较小.对微生物在土壤碳循环过程的基本功能的认识在本研究中得以丰富和加深.