环境¹⁴C技术与应用

主要研究人员：张干，朱三元，成志能，钟广财，李军，刘俊文，张向云，姜懿珊，莫扬之，苏涛，孙悦，徐步青

地球上的放射性碳同位素（¹⁴C）主要有两个来源，一是宇宙射线下由¹⁴N同位素在大气中生成（图1），二是以1960-1970年代为高峰的人类核试验产生的¹⁴C在大气中的衰变遗存。二者相互叠加，构成现时大气¹⁴C的背景丰度（“现代碳”，Contemporary carbon）。由于核爆高峰期渐行渐远，大气“现代碳”的¹⁴C丰度正处于持续衰减中（图2）。

¹⁴C具有5730年的半衰期，衰变产物为¹⁴N（图1）。因此，源于石油、煤等化石燃料（经上亿年衰变）燃烧的C将不具有放射性（“死碳”）；而源于生物质排放及燃烧的碳，将具有与同期大气相近的“现代碳”¹⁴C同位素丰度（图2）。故而，利用¹⁴C技术，可有效判识“死碳”和“现代碳”对有机质的相对贡献比例，提供其来源信息。

图1 天然14C的生成和环境命运 (Libby, 1949, Science。Libby因14C工作获Nobel奖)

图2 不同地表植被（当年生、10年生)、微生物和土壤有机质（SOM）14C丰度的时间变化（Trumbore, 2009, Annu. Rev. Earth Planet. Sci.）

依托有机地球化学国家重点实验室的¹⁴C专用加速器质谱（AMS），研究组致力于建立较为完善的AMS-¹⁴C分析前处理方法和装置，并将其应用于大气气溶胶、沉积碳埋藏、土壤碳动态等研究领域。目前已建立的技术系统如：

（1）基于热化学原理的两阶段加热气溶胶OC/EC分离-捕集系统（图3，Zhang Yanlin et al., NIMB, 2010; Liu Di et al., 2013, ES&T），经石墨化制靶，以固体源AMS测定¹⁴C丰度；

（2）基于OC/EC商用分析仪（Sunrise TOT）的微量样品OC/EC分离制备系统（图4，参考Zhang Yanlin et al., 2012, ACP），用于对气溶胶中的有机质进行分离，并作为CO2收集，以气体源AMS测定¹⁴C丰度；

（3）基于催化加氢技术（hydropyrolysis）的有机碳、黑碳（OC-BC）分离方法和装置（图5）。

图3 基于热化学的两阶段气溶胶OC、EC分离制备系统。Zhang YL, 2010, NIMB; Liu D, 2013, ES&T.

图4 基于商用OC/EC (TOT)分析仪改装的微量样本OC、EC分离制备与AMS气体源14C测定技术。参考Zhang YL 2012, ACP.

、

图5 催化加氢装置。

在此研究方向，我们与瑞士Bern大学Sonka Szidat研究组、瑞典斯德尔摩大学Orjan Gustufsson研究组具合作关系和人员交流。

从2015年开始，受国家基金重点、面上项目和广州市有关项目的支持，相关的方法和技术正/将分别用于以下研究：（1）中南半岛生物质燃烧污染排放；（2）珠江三角洲/广州市灰霾的物质示踪和源解析；（3）河口/海岸带沉积碳埋藏与碳循环过程；（4）森林土壤碳动态。

目前，张向云正完善催化化加氢分离OC/BC的方法；姜懿珊正应用PLFA的单体14C信息，探讨森林土壤碳动态；莫扬之在探索以¹⁴C示踪气溶胶中棕碳（BrC）吸光组分的来源；苏涛探讨以¹⁴C对气溶胶PMF源解析结果进行制约；徐步青开始研发大气中多元酸（草酸等）的单体化合物分离与¹⁴C测定方法；孙悦正建立基于苯多酸（BPCA）的黑炭（BC）和水溶黑炭（DBC）的¹⁴C测定技术。