近日，先进环境装备与污染防治技术全国重点实验室博士生怡欣、博士后耿晓飞、副研究员钟广财和研究员张干等组成的研究团队在黑碳物质的生物地球化学循环研究方面取得新进展。团队以河流黑碳（BC）为研究对象，利用苯多羧酸（BPCA）单体双碳同位素技术，定量评估了城市化石源对河流BC的贡献。研究发现，城市化石源输入可使河流BC的表观14C年龄显著偏老，提出在利用河流BC的14C年龄估算其陆地停留时间时，需充分考虑城市化背景下化石碳BC输入的影响。相关成果发表于《自然·通讯》。
生物质燃烧（如全球野火）产生的BC被认为是潜在的长期碳汇，是全球碳循环的重要组成部分。河流输送是陆地BC进入海洋的重要途径，其14C年龄常用于估算BC的陆地停留时间。然而，自工业革命以来，化石燃料燃烧产生大量不含14C的BC，进入河流后会导致BC的表观14C年龄偏老，从而高估其陆地停留时间。由于化石源BC与预老化生物质BC均具有14C亏损的特征，如何区分并量化二者的贡献，是准确评估陆地BC停留时间及其长期碳汇效应的关键问题。
针对这一问题，团队选取地表覆盖景观层次分明的流溪河开展研究。该流域由上游的森林覆盖河段逐渐过渡到高度城市化的下游河段，清晰的城市化梯度为区分和定量化石源与生物质源BC提供了理想的“天然试验场”（图1）。研究团队在枯水期和丰水期沿河流上、中、下游开展梯度采样，并在森林区和城市区开展为期一年的月度监测，结合苯多羧酸（BPCA）分子标志物、傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）以及BPCA单体双碳同位素（δ13C和Δ14C）分析，系统探究了河流溶解态黑碳（DBC）和颗粒态黑碳（PBC）的浓度、分子结构及来源变化。
图1 流溪河流域土地利用类型及采样点分布（上）、和外场观测实验概念图（下）
研究团队发现，随着城市化程度增加，河流DBC浓度总体呈升高趋势，溶解态和颗粒态有机碳（DOC和POC）的Δ14C值则由上游向下游逐渐降低，指示城市化梯度下不断增强的化石碳输入（图2）。FT-ICR-MS分析进一步显示，河流溶解有机质的分子组成沿城市化梯度发生系统变化，表明城市化显著影响了河流有机质的来源与组成。
图2 城市化梯度下流溪河流域有机碳和黑碳的变化特征
研究团队采用前期自主建立的BPCA单体双碳同位素分析技术，测定了DBC和PBC的δ13C和Δ14C组成。结果显示，流溪河城市区域DBC和PBC的Δ14C值均明显低于森林区域，而δ13C值相对富集，表明城市化显著增强了化石源BC的输入，并导致其表观14C年龄偏老（图3）。BPCA单体的Δ14C值进一步表明，城市化导致的DBC 14C年龄偏老主要与稠合度较低的组分有关，指示城市大气沉降可能是其重要来源；而PBC 14C年龄的偏老则主要与高稠合度的组分有关，反映了化石燃料燃烧颗粒物及轮胎磨损产生的炭黑等城市化石源的贡献（图4）。
图3 流溪河流域森林区域与城市区域DBC和PBC的Δ14C与δ13C值
图4 流溪河流域森林区域与城市区域DBC和PBC中不同BPCAs的Δ14C值
研究团队进一步通过包含现代生物质燃烧BC、预老化生物质燃烧BC和化石源BC的三端元质量平衡模型，定量估算了城市区域化石源BC的贡献。结果显示，化石源对城市区域DBC和PBC的贡献分别为18 ± 3%和24 ± 6%，并使其表观14C年龄分别增加了1,475–1,972年和1,619–2,877年。这表明，河流BC较老的14C年龄并不完全意味着其在陆地环境中经历了长期储存，城市化石源输入同样可造成显著的“增龄”效应。
这一结果重新审视了河流BC表观14C年龄的传统解释。全球许多大型河流在入海前流经人口密集的城市化区域，因此，城市化三角洲将使水体BC染上较为强烈的化石源印记。在利用河流BC的表观14C年龄约束其陆地周转时间及评价BC长期碳汇效应时，需要充分考虑流域土地利用特征，尤其是河口三角洲地区的城市化影响。
怡欣为论文第一作者，钟广财和张干为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金重大项目“黑碳物质的地球化学行为与效应”（42192511）、广东省基础与应用基础研究重大项目（2023B0303000007）和广东省杰出青年项目（2023B1515020067）等资助。
论文信息：Xin Yi (怡欣), Xiaofei Geng (耿晓飞), Guangcai Zhong (钟广财) *, Bolong Zhang (张伯龙), Sanyuan Zhu (朱三元), Hongxing Jiang (姜鸿兴), Yangzhi Mo (莫扬之), Chuxin Yao (姚楚鑫), Shizhen Zhao (赵时真), Jun Li (李军), Huizheng Che (车慧正), & Gan Zhang (张干) *. Where the river turns old: urbanized deltas imprint a fossil signature on black carbon exported to the ocean. Nat Commun (2026).
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-76202-2
附件下载：