近日，先进环境装备与污染防治技术全国重点实验室张干研究员团队与中国林业科学研究院热带林业研究所王旭副研究员团队合作，在基于树轮放射性碳（14C）重建历史化石源二氧化碳（CO2ff）排放研究方面取得了新进展。团队整合了中国南岭百年树轮的14C实测数据、和国内外多个站点资料，揭示了20世纪中期核武器试验所释放的14C在中国及欧洲大陆的空间分布特征，评估了核武器试验14C对CO2ff排放历史重建的干扰作用。相关成果于7月30日在线发表于Nature-Springer旗下学术期刊 《Communications Earth & Environment》。
树木年轮中记录的14C可用于重建历史CO2ff排放，是认识区域碳排放演变趋势、评估碳减排成效的有力工具。20世纪中期，频繁的核武器试验向大气中释放了大量14C，在全球形成明显的“核爆峰值”，这可能会显著增加基于树轮14C记录重建CO2ff排放历史的结果不确定性。然而，现有研究多采用纬度带或半球尺度建立大气14C的背景基线，没有对核武器试验的14C源特性及其14C跨区域大气传输所导致的空间差异进行专门的评估。
针对此问题，先进环境装备与污染防治技术全国重点实验室博士后李静与张干等提出了“历史核爆干扰基于树轮14C的化石源CO2排放历史重建”的科学假设。团队采集了我国南岭地区逾200年树龄的华南五针松的树轮样品（图1），逐年测定了过去100年来（1921–2020年）树木年轮的14C丰度，并整合我国青海湟中、北京上甸子、黑龙江带岭和云南鸣音等树轮14C文献资料及全球公开数据进行了系统分析。结果表明，在1965–1985年间这些中国背景站的14C水平显著高于同期相应纬度带的参考值、和欧洲清洁空气观测站点（如费尔蒙特和少女峰）的观测值，且无法以纬度梯度或同期化石源碳排放差异进行解释（图2）。
结合公开的核爆历史资料，团队发现这一异常主要受到新疆罗布泊核试验场（1964–1980年）地面核爆的影响，尤其是低当量核试释放的14C所导致的对流层14C丰度强烈扰动。大气气流轨迹模拟表明，含核试验14C的气团可长距离迁移至中国大部分地区，从而导致我国不同地区树轮样品中对应年份的14C 丰度随与罗布泊的距离增加而递减，呈现出典型的“源扩散”分布特征（图3）。
图1南岭华南五针松（树龄>200年）与树轮样品 （摄影：张干，王旭）
团队还通过系统分析，依次排除了化石源碳排放（1965–1985年间）、核电站、宇生14C、海-气交换和生物源通量等的影响，证实了核试验的地理位置、当量和类型才是1965–1985年间区域14C变化的主导因子。
除我国罗布泊外，前苏联在塞米巴拉金斯克、新地岛核试验所排放的14C，也可通过大气传输，分别对中国西部及欧洲的14C水平造成长距离干扰。塞米巴拉金斯克核试验影响了2400公里外的青海湟中和4000公里外的湘粤南岭；新地岛核试验主要影响北欧和中欧地区，导致多个欧洲背景站点记录到高达110‰的14C异常，凸显出核爆对大陆尺度14C分布的重要影响。核试验释放的14C不仅会在短期内沉降至地面，还可在陆地生态系统的碳循环过程中再释放，从而大幅延长其在森林生态系统中的停留时间，估测可达5-20年（图2）。
图2：核爆14C的大陆尺度影响。(a) 展示了中国背景站点相对于同纬度带的 14C水平差异（ΔΔ14C）；(b) 展示了中国背景站点相对于欧洲大气背景值的 14C水平差异。黑色实线和黄色实线分别表示湟中和上甸子自1965年起的 ΔΔ14C 线性变化趋势，垂直虚线表示趋势线下降到 +10‰ 的年份。纵向柱状图展示了塞米巴拉金斯克（Semipalatinsk）和罗布泊（Lop Nor）核试验的年当量输出：橙色为裂变试验，绿色为聚变试验。(c) 展示了新地岛（Novaya Zemlya）核爆对欧洲的影响。
为量化核爆14C干扰对历史CO2ff估算的影响，团队系统评估了不同14C背景设置下西安、北京、深圳和衡山的历史CO2ff重建偏差（图4），发现若采用欧洲参考站点或同纬度带基线而非本地实测背景值，将最高导致5.4 ppm的CO2ff系统性误差，这已相当于一个中等城市（如美国印第安纳波利斯）的碳排放强度。因此，背景选择不当不仅会带来系统偏差，还可能引致城市碳排放增长速率的高估（图4），从而影响对区域碳减排成效和碳中和路径的评估。为提高历史CO2ff估算的准确性、提升政策参考价值，团队建议优先采用与研究区域匹配的实测14C背景，并应加快构建不同地区的专属性大气14C基线、系统整合核爆14C的大陆尺度干扰效应，以为全球碳排放评估和气候政策制定提供更加可靠的CO2ff历史排放树轮档案。
该研究受到国家自然科学基金重点项目（42330715, 42030715）和青年项目（42203081）、广东省基础与应用基础基金项目（2022A1515011851）、和中国博士后科学基金（2021M693184）等项目的资助。李静为论文的第一作者，张干和王旭为共同通讯作者。南华大学核科学技术学院位楠楠博士、深圳市环境监测中心站王伟民副研究员和广东省生态环境监测中心陈多宏正高级工程师为主要合作者。
图3 大气气团轨迹频率分布（核试验主要时期）。(a–c) 1966.10.27罗布泊核试验后，湟中（HZ）、上甸子（SDZ）和南岭（NL）站点的气团轨迹频率分布（1966.10.27–1966.11.26）。(d–e) 1957.8.22–1957.9.26苏联塞米巴拉金斯克核试验期间，湟中和南岭的气团轨迹频率分布（1957.8.22–1957.11.19）。(f) 1962.8.5–1962.12.25.新地岛核试验期间，Fruholmen站点的气团轨迹频率分布（1962.8.5–1963.1.1）。
图4 不同背景选择下的估算结CO2ff结果对比。(a–d) 分别展示了在不同背景参考条件下，西安、北京、深圳（本研究）和衡山（本研究）的CO2ff估算结果。蓝色虚线表示平均值的变化趋势，粉色虚线表示中位数的变化趋势。
论文信息：Jing Li（李静）, Nannan Wei（位楠楠）, Xu Wang（王旭）, Pingyang Li（李平阳）, Yanmin Sun（孙彦敏）, Wenbiao Feng（冯文彪）, Zhineng Cheng（成志能）, Sanyuan Zhu（朱三元）, Weimin Wang（王伟民）, Duohong Chen（陈多宏）, Shizhen Zhao（赵时真）, Guangcai Zhong（钟广财）, Guangyi Zhou（周光益）, Jun Li（李军）, and Gan Zhang（张干）. Communications Earth & Environment (2025)6:603
原文链接：https://doi.org/10.1038/s43247-025-02532-6
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