大气棕色碳测定方法研究进展

大气棕色碳(brown carbon,BrC)是碳气溶胶中具有吸光性的有机碳(OC)的总称,与黑碳(black carbon,BC)相比,其吸光能力随波长变短增长更快,是近年大气气溶胶能量收支研究领域的热点之一。BrC来源广泛且并不特指一种化学物质,因而当前鲜有公认的BrC标准测定方法或参考物质。介绍了文献报道的BrC测定方法,包括通过溶剂萃取的方式将BrC分离的化学法,借助BrC与BC吸光性差别分离出BrC吸光贡献的光学法,在传统的热光学法碳分析仪上借助BrC与BC热稳定性差异从光学上分离BrC与其他物质的热光学法,以及面向分子水平的BrC表征方法质谱法。对各类测定方法的原理、特点、应用和研究进展进行了系统的总结和评述,指出当前几乎所有关于BrC的定量测定方法都是探索性的,具有很大的局限性,需构建一个不排斥多样性和独立性的包容性方法体系,以便使不同方法的测定结果具有一定程度的可比性。     

棕色碳气溶胶来源、性质、测量与排放估算

随着对碳气溶胶吸光性认识的提高,近年来吸光有机碳——BrC(brown carbon,棕色碳)的吸光问题成为继BC(black carbon,黑碳)之后国际大气环境领域的新热点. 基于已有的研究报道,将BrC大体分为焦油类物质、类腐殖质(HULIS)和其他吸光性有机气溶胶三大类,其来源包括一次排放和二次生成2种. 由于BrC缺少BC所具有的类石墨烯结构,致使颗粒间较为分散,加之含氧官能团比重较高,因而在水及有机溶剂中均有较强的可溶性. BrC的光学性质通常借助AAE(ngstrm吸收波长指数)、MAE(质量吸收效率)、RI(折射率)及SSA(单次散射反照率)来表示,其中由于BrC分子结构中缺少sp2杂化成分,形成了区别于BC的典型特征,即AAE>1(而对于BC,其AAE=1)). 虽然已有借助于光学法、热光法、化学法和质谱法进行BrC测定的报道,但目前没有公认的标准测定方法和参考物质,测定结果实际依赖于选定的测定方式. 在排放估算研究方面,BrC远落后于BC,致使有些排放估算方法多以相伴的BC排放量作为参照. 建议今后对BrC研究应主要面向气候影响、生成机理、测定方法、排放因子与控制策略等领域来展开.      

西安冬季大气棕碳光学特征及辐射强迫

为探讨西安冬季不同大气污染状况（污染天和清洁天）大气细粒子（PM_2.5）及其一次棕碳（BrC_pri）和二次棕碳（BrC_sec）的光学特征及辐射效应,开展了高分辨率多波段光学参数观测,获得PM_2.5多波段光学吸收系数（b_abs）,通过进一步数据分析得到BrC_pri和BrC_sec的光谱依赖指数（AAE）及其相对黑碳（BC）的辐射强迫.结果显示,污染天时段370nm光学吸收（b_abs（370））和880nm光学吸收（b_abs（880））均值分别为（733±311） Mm^-1和（185±80） Mm^-1,分别高出清洁天约5.9倍和6.2倍.清洁天PM_2.5的AAE1.08~2.09,变化幅度大于污染天（1.28~1.79）.清洁天棕碳光学吸收（b_abs（BrC））在370nm波长对总吸收占比高于污染天,均超过30%.一次棕碳光学吸收（b_abs（BrC_pri））在清洁天和污染天均对b_abs（BrC）呈现高贡献,占比范围分别为76%~86%和82%~91%,说明一次排放仍然是造成西安冬季污染的重要原因.清洁天BrC、BrC_pri和BrC_sec的AAE均值分别为4.42、4.31和4.78,均高于污染天,说明清洁天粒子等效直径相对较小,老化程度较高导致BrC的高光谱依赖性.b_abs（BrC_sec）日间变化表明污染天凌晨高湿条件下的液相反应可能是BrC_sec形成的主要机制,比清洁天更为强烈,而污染天日间BrC_sec受光漂白的影响较大.最后估算了BrC_pri和BrC_sec的辐射强迫效应,在紫外波段（300~400nm）,污染天BrC_pri和BrC_sec相对BC的辐射强迫分别为62%和16%,而清洁天分别为59%和23%,表明BrC_pri和BrC_sec在西安冬季的辐射强迫效应不容忽视.     

广州地区大气棕色碳气溶胶光吸收特性

2014年冬季在广州番禺站利用校正后的7波段黑碳仪数据,计算棕色碳(BrC)在不同波长的光吸收特性,并结合气溶胶及气体成分在线监测仪(MARGA)和在线OCEC分析仪同步观测数据,分析了BrC的来源.结果表明:BrC在370、470、520、590和660 nm处对光吸收的贡献随波长增大而变小,不同波段的贡献分别为25. 9%、19. 7%、14. 1%、11. 6%和7. 7%; BrC光吸收系数、水溶性钾离子(K~+)和有机碳(OC)浓度大致呈现日间低,夜间高的趋势,说明生物质燃烧产物对BrC的光吸收系数贡献很大,傍晚附近农村地区逐渐活跃的秸秆燃烧活动和夜间稳定的边界层也有利于污染物累积; BrC光吸收系数与OC的比值在午后出现低值,说明二次有机气溶胶和老化的气溶胶的吸光能力较弱.相关性分析表明,BrC光吸收系数与K+离子和OC浓度的相关性最高,BrC光吸收系数与硝酸根(NO_3~-)和铵根(NH_4~+)离子也具有较高的相关性.     

南京市大气颗粒物中有机碳和元素碳粒径分布特征

采用Model 2001A热/光碳分析仪测定了南京市区和工业区不同粒径颗粒物中OC、EC的含量,分析了OC、EC粒径分布特征.结果表明,市区和工业区四季OC、EC在<0.43μm粒径段中平均质量浓度最高,市区四季OC所占比例分别为20.9%、21.9%、29.6%、27.9%,EC比例分别为24.0%、23.5%、31.4%、22.6%;工业区四季OC比例分别为18.6%、45.8%、26.6%、25.9%,EC比例分别为16.7%、60.9%、26.3%、24.3%;两地OC、EC主要存在于细粒子中且市区细粒子中OC、EC在夏季所占比例最高,而工业区无明显季节变化规律.市区和工业区细粒子中SOC污染严重且在夏季达到高值,粗粒子SOC季节变化规律不明显,可能与各污染源贡献率及气象因素有关.相关性和OC/EC分析表明,南京地区细粒子中OC、EC主要来自尾气排放和燃煤,粗粒子中OC、EC还与生物质燃烧及烹调排放关联.     

燃烧生成棕色碳的三维荧光光谱分析

模拟燃烧11 种常见物质(秸杆、木材、煤和生活垃圾等),并收集烟气中可溶于甲醇的有机产物,利用紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)和三维荧光光谱(EEMs)对收集的甲醇可溶性有机物(MSOM)进行表征.进一步,结合非负矩阵分解法(NMF)提取三维荧光光谱主要组分的特征激发/发射光谱,根据荧光信号轮廓差异对不同种类物质进行区分,旨在建立棕色碳溯源依据.结果显示,秸杆和木材燃烧源棕色碳在紫外-可见吸收光谱上呈现相似的谱形,均在265nm处存在肩峰;瓦楞纸板和塑料燃烧源棕色碳的吸收则随波长增加单一下降.由于基本组分相同,各生物质及纸板对应的棕色碳的EEM有着相似的轮廓,NMF解析结果表明,生物质和纸板的MSOM存在3种主要荧光组分,分别为两种类腐殖质C1、C2和类蛋白质C3;煤的EEM在长波处有较强的分布,可归因于芳香类基团,由其EEM分解出M1、M2和M3荧光团,三者位置均较生物质红移.根据荧光团位置以及光谱信号轮廓特征,可对生物质和煤进行区分;泡沫、塑料袋和塑料瓶属于有机高分子材料,其EEM与生物质有较大的差别,且三者之间也存在差异,泡沫和塑料袋的MSOM含有4种荧光成分,而从塑料瓶的MSOM中只可得到两种荧光团,特征明显.     

2008年奥运期间北京不同粒径大气颗粒物中元素碳和有机碳的变化特征

采用安德森撞击式分级采样器采集2008-06-01～2008-09-30不同粒径的大气颗粒物样品,并用美国沙漠所DRI(desert research institute)的Model 2001A热光碳分析仪对其中的元素碳和有机碳进行了分析.结果表明,平均有56%、55%和73%的PM、OC和EC富集于粒径<2.1 μ...     

天津市典型城区大气碳质颗粒物的粒径分布特征和来源

为分析天津市典型城区大气碳质颗粒物的粒径分布及其来源,于2009年12月—2010年11月采用9级惯性撞击式分级采样器对大气颗粒物进行采样,采用热光碳分析仪分析了颗粒物中的EC(元素碳)和OC(有机碳)的质量浓度. 结果表明:天津市典型城区大气颗粒物中EC和OC主要存在于细颗粒物中,在≤2.1μm的4个细粒径段中,ρ(EC)的加和年均值为(2.6±0.9)μg/m3,占PM₉(空气动力学直径≤9.0μm)ρ(TEC)的72%;ρ(OC)为(21.5±7.7)μg/m3,占PM₉中ρ(TOC)的60%. ρ(EC)和ρ(OC)季节变化显著,在≤2.1μm粒径段中,春、夏、秋、冬季的ρ(EC)分别为(1.7±0.3)、(2.1±0.4)、(3.1±0.5)和(3.7±0.5)μg/m3;ρ(OC)分别为(17.6±0.4)、(14.4±1.1)、(21.9±1.8)和(32.1±2.5)μg/m3. ρ(EC)峰值分别出现在≤0.43、>0.65~1.1和>4.7~5.8μm 3个粒径段,其中最高值出现在≤0.43μm粒径段;ρ(OC)峰值分别出现在>0.65~1.1和>4.7~5.8μm 2个粒径段,最高值出现在>0.65~1.1μm粒径段. 天津市典型城区细颗粒物中的OC、EC主要来自燃煤、机动车和烹饪排放,粗颗粒物中的OC、EC则更多来自于路面和建筑扬尘.      

厦门市冬季大气PM2.5中有机碳和元素碳的污染特征

为探讨厦门市冬季大气PM_(2.5)含碳组成特征,于2014-12-10至2015-01-09同步采集了城区和郊区的PM_(2.5)样品。采用热光透射法分析了PM_(2.5)中OC、EC的质量浓度。结果表明,近年来厦门市PM_(2.5)、OC、EC的浓度表现出逐年降低的趋势。城区和郊区的OC平均浓度分别为9.77±1.87和9.17±2.42μg/m~3,EC平均浓度分别为1.87±0.73和2.43±1.10μg/m~3,与国内外其他城市相比,厦门市冬季大气PM_(2.5)中的OC、EC浓度均处于较低水平,人为引起的大气含碳成分污染相对较轻。城区和郊区的OC/EC值均大于2,SOC占OC比例分别高达34.96%、39.03%,厦门大气PM_(2.5)中的OC受到二次污染较严重。PM_(2.5)、OC、EC的分布规律表明,OC、EC受到了除天气条件以外的其他因素如OC和EC污染源种类、源强以及二次转化程度的影响。城区(R2=0.107 9)和郊区(R2=0.341 9)的OC与EC相关性不明显,初步判断厦门市冬季PM_(2.5)中OC和EC的来源较复杂,EC可能主要来自化石燃料和生物质不完全燃烧等一次排放源,OC则主要受到化石燃料燃烧和二次污染的影响,城区污染源还包括烹饪源以及生物质燃烧。     

中国北部湾地区夏季大气碳气溶胶的空间分布特征

于2009年8月在北部湾地区的南宁、钦州、防城港、北海、湛江、茂名、海口、洋浦、东方等9个城市的城区和郊区同步采集PM2.5样品,采用热光反射碳分析仪分析得到有机碳(organic carbon,OC)、元素碳(elemental carbon,EC)的质量浓度,对OC、EC浓度水平、空间分布及其可能的来源进行分析.结果表明,观测期间北部湾9个城市PM2.5、OC和EC的浓度均值分别为(38.4±17.7)、(9.2±2.6)和(1.9±1.1)μg·m-3,总碳气溶胶(total carbonaceous aerosol,TCA)占PM2.5质量的56.8%.北部湾地区夏季OC主要来源于生物质燃烧和二次生成的有机碳(secondary organic carbon,SOC),EC主要来源于机动车和工业排放.     

南京北郊大气棕碳吸光特性、来源及其季节变化特征

大气棕碳(BrC)是对大气颗粒物中具有吸光能力的一类有机物的总称,其对空气能见度及气候系统均有重要影响.自2021年3月至2022年2月底于南京北郊利用黑碳仪测定了气溶胶中BrC的光吸收系数,利用最小相关性法分别定量一次(BrC_pri)和二次棕碳(BrC_sec)贡献,结合后向轨迹、潜在来源和日均变化,分析季节变化特征.结果表明,观测期间BrC的平均光吸收系数(370 nm)为(7.76±7.17)Mm^-1,对于总气溶胶光吸收贡献率为(22.0±8.8)%.不同波长下棕碳吸光系数在四季呈现U字形变化,即春季和冬季高,夏季和秋季低.BrC_pri和BrC_sec(370 nm)全年光吸收贡献分别为(62.9±21.4)%和(37.1±21.4)%;前者在四季均占主导,但随着波长增加,BrC_sec的贡献逐渐增加并最终占主导(如在660 nm时).除冬季以外,BrC在其他季节受到来自海上气团的显著影响,而冬季受当地及周边地区排放影响更为显著.交通排放在春、夏和秋季对一...     

大气汞污染的研究进展与监测方法

目前全球大气汞的污染日益严重,本文从大气汞的形态、来源、行为过程、时空分布、监测方法及监测点位六个方面对这一污染物的研究进行了论述,并研究指出我国面临严峻的汞污染形势,国内大气汞的研究还比较薄弱,因此逐步开展我国大气汞的系统研究迫在眉睫。     

广州城区秋冬季大气颗粒物中WSOC吸光性研究

主要对广州秋季(2014年9月)和冬季(2014年12月~2015年1月)大气PM_(2.5)和不同粒径段颗粒物样品中水溶性有机碳(WSOC)的吸光性进行了研究.结果表明,PM_(2.5)上WSOC的光吸收波长指数(AAE_(abs))秋、冬季分别为3.72±0.41和3.91±0.70,低于北京和北美地区测量结果.WSOC在365 nm波长的质量吸收效率(MAE)秋、冬季分别为0.52 m~2·g~(-1)和0.92m~2·g~(-1),两个季节具有明显的差异.冬季WSOC的MAE值呈现随粒径增大而降低的趋势;而秋季所有粒径段颗粒MAE_(WSOC)都比冬季低,特别是0.95μm粒径段颗粒降低得更多,这表明秋季颗粒物中WSOC二次源的贡献更大一些,而且主要是富集在亚微米级颗粒物上.此外,对比本研究以及文献中报道的元素碳(EC)和WSOC的MAE值,可以发现在颗粒物受一次源排放影响较大的情况下,WSOC对于颗粒消光的贡献是不容忽视的.     

西安市大气棕碳污染特性及发色团种类

为探究西安市大气棕碳(BrC)的光学特性及化学组成,利用大气颗粒物采样器和吸附剂同时采集了颗粒相和气相大气样品,并运用紫外-可见分光光度计和三维荧光光度计测定了样品中BrC的吸光和荧光特性,基于平行因子分析(PARAFAC)法解析三维荧光光谱得到BrC的种类和组成信息.结果表明,在波长为365 nm时,颗粒相和气相Br...     

大气中CO2与O3浓度升高对植物光合作用影响研究

随着工业化进程的加快,两种温室气体CO2和O3在大气中浓度不断升高,对植物光合作用产生重要影响.通过从气体交换参数、光合色素含量、叶绿素荧光特性、光合酶、生物量及产量等多方面分析国内外CO2O3单独作用及复合作用对植物光合过程和机理、光合作用物质基础及光合产物的影响,深入了解两种污染气体作用下植物光合响应机制,以期为植物光合作用分子水平的研究以及有效应对未来全球大气变化提供理论依据.     

中国长三角背景点冬季大气棕碳污染特征及来源解析

为探究长三角城市群背景点大气棕碳(brown carbon,BrC)的污染特征及来源,本研究采集并分析了长三角城市群下风向地区上海崇明岛2018年12月～2019年1月大气PM2.5样品的化学组成及光学特性.结果表明,甲醇萃取的棕碳在波长365 nm处的吸光系数(absorption coefficients,Abs3...     

森林碳汇功能的研究进展

因全球温室效应和气候变化影响,以及森林对CO2的固定作用,使林业碳汇得到了世界各国的广泛支持和发展。文章主要围绕森林植被碳汇、土壤碳汇研究现状,森林碳汇功能的不确定性以及森林管理与碳汇的关系4个方面对国内外森林碳汇的研究进展简要综述,为森林碳汇的科学研究提供基础。     

生物炭碳封存技术研究进展

生物炭(biochar)是一种在无氧或者限氧的条件下,对生物质原料进行高温热解而得到的一种细粒度、多孔性的碳质材料,其稳定的芳烃结构使之在土壤中对生物和非生物氧化具有较强的抗性,成为一种有效的碳封存技术,并受到越来越多的关注.通过对生物炭碳封存机制的阐述,重点评述了生物炭的制备、稳定性及植物生长和土壤有机碳对生物炭添加的响应等方面对生物炭碳封存潜力的影响,并初步考察了生物炭碳封存潜力和经济性等方面的研究进展.最后针对目前关于影响生物炭碳封存潜力因素以及这些因素之间相互关系等方面的研究中存在的问题和不足,提出了进一步研究的方向,为我国生物炭技术的研究和应用提供有益参考.