揭秘黑碳的远距离传输，全球碳循环的新视角

你可能听说过亚马逊雨林的大火，也了解过极地冰川的融化，但你是否知道，远在非洲的草原大火竟然会影响到遥远的赤道大西洋呢？答案就在一种叫做“黑碳”的微小颗粒上。

黑碳，顾名思义，是一种黑色的碳颗粒，主要来源于生物质（如木材、草等）的不完全燃烧，黑碳是一种由不完全燃烧产生的有机碳，具有高度的热稳定性和化学惰性。这些细小的黑碳颗粒可以随风飘散到很远的地方，甚至跨越海洋。当它们最终落入海洋，就会沉积在海底，成为沉积物的一部分。

尽管河流输送被认为是黑碳进入沿海海洋的主要途径，但其进入开阔海洋的路径和来源仍不明确。研究人员通过使用碳的稳定同位素和放射性同位素，研究人员发现赤道大西洋沉积物中的黑碳主要来自C4植物的生物质燃烧，并通过风成沉积的方式进入海洋。

研究团队沿赤道大西洋进行了沉积物采样，并使用化学热氧化法（375°C）测量了表层沉积物中的黑碳通量。通过分析碳同位素值，研究人员能够确定黑碳的年龄和来源。

研究发现，赤道大西洋沉积物中的黑碳通量在0.10–0.35 mg cm−2kyr−1之间，表明其分布相对均匀。靠近非洲的沉积物中，黑碳主要来自年轻的C4植物，而在南美洲近海，黑碳则较为古老，主要来自C3植物。这些结果表明，C4植物的生物质燃烧对热带大西洋的黑碳贡献显著，风成沉积是其主要传输途径。

这些发现强调了C4植物生物质燃烧在热带大西洋黑碳循环中的重要性，并指出风成沉积是全球碳循环中黑碳的重要来源。生物质燃烧产生的黑碳通过风成沉积进入海洋，可能导致全球气候变化模型中碳排放量的高估。

这项研究通过对赤道大西洋沉积物中黑碳的研究，揭示了生物质燃烧对现代黑碳的贡献及其传输路径。这些发现为理解全球碳循环提供了新的视角，并强调了进一步研究黑碳沉积和传输机制的重要性。

参考文献：Samuel D. Katz，Roger Patrick Kelly，Rebecca S. Robinson，Frank J. Pavia，Robert Pockalny，Rainer Lohmann，Biomass burning is a source of modern black carbon to equatorial Atlantic Ocean sediments. （PDF）  Communications Earth & Environment，Volume 5, article number 536, (2024)，DOI：10.1038/s43247-024-01642-x

一、生物质燃烧产生的黑碳如何影响全球碳循环？

生物质燃烧产生的黑碳对全球碳循环有多方面的影响，主要体现在碳储存和转移、气候反馈机制、生态系统影响、海洋碳循环等过程。

1. 碳储存和转移：黑碳是一种高度稳定的碳形式，能够在环境中存在数百到数千年。当生物质燃烧产生的黑碳进入土壤和海洋沉积物时，它会被长期储存，从而减少大气中的二氧化碳浓度。这种长期储存有助于缓解气候变化，因为它将碳从快速循环的部分（如大气和生物圈）转移到慢速循环的部分（如土壤和海洋沉积物）。

2. 气候反馈机制：黑碳在大气中作为气溶胶存在时，会吸收太阳辐射，导致局部和全球气温升高。这种加热效应可以改变大气环流模式，影响降水分布和气候系统的其他方面。此外，黑碳沉降在冰雪表面会降低其反照率，加速冰雪融化，进一步加剧全球变暖。

3. 生态系统影响：黑碳进入土壤后，可以改变土壤的物理和化学性质。例如，黑碳可以增加土壤的持水能力和养分含量，从而影响植物生长和土壤微生物活动。这些变化可能会对生态系统的碳循环产生深远影响。

4. 海洋碳循环：黑碳通过河流和大气沉降进入海洋。在海洋中，黑碳可以被微生物降解，释放出二氧化碳，或者被沉积在海底，成为长期碳储存的一部分。这种过程对海洋碳循环和全球碳平衡具有重要意义。

生物质燃烧产生的黑碳在全球碳循环中扮演着重要角色。它不仅影响大气和气候系统，还通过改变土壤和海洋的碳储存和转移过程，对生态系统和全球碳预算产生深远影响。

二、黑碳对海洋生态系统有哪些具体影响？

黑碳对海洋生态系统的影响是多方面的，且较为复杂。

1. 光照影响和水温升高：黑碳颗粒会吸收太阳光，导致海水表层的光照强度减弱，从而减少了浮游植物的光合作用。这会直接影响海洋初级生产力，进而影响整个食物链。黑碳吸收太阳辐射后，将热量传递给海水，导致局部海域水温升高。这可能引发一系列连锁反应，如珊瑚白化、海洋酸化等。

2. 改变海洋化学性质：黑碳在海洋中分解时会产生酸性物质，加剧了海洋酸化。海洋酸化会影响海洋生物的生长、发育和钙化过程，特别是对珊瑚、贝类等有钙质骨骼的生物造成威胁。黑碳的沉降会改变海水中的营养盐分布，可能导致某些海域营养过剩，而另一些海域则营养不足。

3. 影响海洋生物多样性：如前所述，黑碳减少光照会影响浮游植物的生长，进而减少浮游动物的食物来源，导致浮游生物数量减少。浮游生物是海洋食物网的基础，其数量的减少会影响到整个食物网的结构和功能。黑碳的沉积会改变海底的物理和化学环境，破坏一些海洋生物的栖息地，导致生物多样性下降。

4. 其他影响：黑碳沉积在极地海冰上，会加速冰层的融化，导致海平面上升。黑碳会影响海气界面上的物质交换，从而改变海洋与大气之间的相互作用。

黑碳对海洋生态系统的影响是多方面的，且具有长期性和潜在性。它不仅影响海洋生物的生长和繁殖，还改变了海洋的物理、化学和生物过程，进而对全球气候变化产生影响。

总的来说，黑碳对海洋生态系统的主要影响包括降低初级生产力、加速海水变暖和酸化、改变海洋生物多样性、影响海洋碳循环、加速海冰融化等等。

三、为什么风成沉积在黑碳的全球分布中如此重要？

风成沉积（Aeolian deposit）是指风力作用下，砂、粉砂、黏土等物质被搬运和堆积的过程。这种沉积物主要分布在干旱或半干旱地区，如沙漠和海岸带。风成沉积在地球表面分布广泛，特别是在干旱和半干旱地区，如沙漠、戈壁等。

风成沉积在黑碳的全球分布中扮演着极其重要的角色。黑碳颗粒非常细小，容易被风携带。风成沉积过程使得黑碳能够从产生源地（如森林火灾、工业排放区）被远距离输送，甚至跨越海洋，到达遥远地区。这种长距离搬运使得黑碳能够影响全球气候系统。黑碳是一种强效的气候强迫因子，能够吸收太阳辐射，导致大气变暖。当黑碳沉积在冰雪表面时，会降低其反射率，加速冰雪融化，进一步影响全球气候。风成沉积的黑碳可以进入海洋和陆地生态系统，影响土壤和水体的化学性质，进而影响植物和微生物的生长。

例如，通过对极地冰芯中黑碳含量的分析，科学家发现工业革命以来，全球黑碳排放显着增加，这与人类活动密切相关。

总的来说， 风成沉积是研究黑碳全球分布和长期变化的重要载体。这些因素使得研究风成沉积在黑碳全球分布中的作用对于理解和应对气候变化具有重要意义。

四、C4植物和C3植物在黑碳来源中的区别是什么？

C4植物和C3植物在黑碳来源中的区别主要体现在它们的光合作用路径和地理分布上，这些因素影响了它们在生物质燃烧过程中产生的黑碳特征。

C3植物主要分布在温带和寒带地区，适应较为凉爽和湿润的气候条件。C3植物使用的是C3光合作用路径，即卡尔文循环。这个过程在大多数植物中普遍存在。C3植物的碳同位素比值（δ13C）通常在-24‰到-34‰之间。例如大多数树木、灌木和温带草类，如小麦和大豆。

C4植物主要分布在热带和亚热带地区，适应高温和干旱的环境。C4植物使用的是C4光合作用路径，这种路径在高温和干旱环境中更为高效。C4植物的碳同位素比值（δ13C）通常在-10‰到-14‰之间。例如热带和亚热带草类，如玉米、甘蔗和高粱。

由于C4植物和C3植物在不同的生态环境中生长，它们在生物质燃烧过程中产生的黑碳也具有不同的同位素特征。这些特征可以帮助科学家追踪黑碳的来源。例如，在赤道大西洋沉积物中，靠近非洲的沉积物中黑碳主要来自年轻的C4植物，而在南美洲近海，黑碳则较为古老，主要来自C3植物。

五、思考

除了草原火灾，还有哪些类型的生物质燃烧对赤道大西洋的黑碳贡献较大？例如，森林火灾、农业废弃物燃烧等。不同来源的黑碳的化学组成和粒径分布是否存在差异？黑碳从源地到沉积区的传输路径是否单一？是否存在季节性变化？不同季节盛行风向对黑碳传输的影响如何？大气环流系统（如厄尔尼诺-南方涛动）对黑碳的跨洋传输有何影响？是否存在特定的气候事件会显着影响黑碳的沉积？

黑碳颗粒在海水中的沉降速率、溶解速率以及与其他物质的相互作用如何？这些过程对黑碳在海洋中的最终归宿有何影响？黑碳颗粒是否可以通过食物链传递到更高营养级的生物体内？这是否会对海洋生态系统产生长期影响？海洋微生物能否降解黑碳？这种降解过程对海洋碳循环有何影响？

除了光照的影响，黑碳是否会通过其他机制（如改变营养盐分布、影响海洋酸化）影响初级生产力？黑碳对不同类群海洋生物的影响是否相同？是否存在对某些特定物种的毒性作用？黑碳是否会影响海洋生态系统的物质循环、能量流动和信息传递？

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