李靜、王旭、張干等-CEE:揭示核爆碳十四(14C)的大陸尺度效應(yīng)及其對(duì)歷史碳排放重建的干擾
近日,中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所張干研究員團(tuán)隊(duì)與中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所王旭副研究員團(tuán)隊(duì)合作,在基于樹(shù)輪放射性碳(14C)重建歷史化石源二氧化碳(CO2ff)排放研究方面取得了新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)整合了中國(guó)南嶺百年樹(shù)輪的14C實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、和國(guó)內(nèi)外多個(gè)站點(diǎn)資料,揭示了20世紀(jì)中期核武器試驗(yàn)所釋放的14C在中國(guó)及歐洲大陸的空間分布特征,評(píng)估了核武器試驗(yàn)14C對(duì)CO2ff排放歷史重建的干擾作用。相關(guān)成果于7月30日在線發(fā)表于Nature-Springer旗下學(xué)術(shù)期刊 《Communications Earth & Environment》。
樹(shù)木年輪中記錄的14C可用于重建歷史CO2ff排放,是認(rèn)識(shí)區(qū)域碳排放演變趨勢(shì)、評(píng)估碳減排成效的有力工具。20世紀(jì)中期,頻繁的核武器試驗(yàn)向大氣中釋放了大量14C,在全球形成明顯的“核爆峰值”,這可能會(huì)顯著增加基于樹(shù)輪14C記錄重建CO2ff排放歷史的結(jié)果不確定性。然而,現(xiàn)有研究多采用緯度帶或半球尺度建立大氣14C的背景基線,沒(méi)有對(duì)核武器試驗(yàn)的14C源特性及其14C跨區(qū)域大氣傳輸所導(dǎo)致的空間差異進(jìn)行專門的評(píng)估。
針對(duì)此問(wèn)題,中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所博士后李靜與張干等提出了“歷史核爆干擾基于樹(shù)輪14C的化石源CO2排放歷史重建”的科學(xué)假設(shè)。團(tuán)隊(duì)采集了我國(guó)南嶺地區(qū)逾200年樹(shù)齡的華南五針?biāo)傻臉?shù)輪樣品(圖1),逐年測(cè)定了過(guò)去100年來(lái)(1921–2020年)樹(shù)木年輪的14C豐度,并整合我國(guó)青海湟中、北京上甸子、黑龍江帶嶺和云南鳴音等樹(shù)輪14C文獻(xiàn)資料及全球公開(kāi)數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明,在1965–1985年間這些中國(guó)背景站的14C水平顯著高于同期相應(yīng)緯度帶的參考值、和歐洲清潔空氣觀測(cè)站點(diǎn)(如費(fèi)爾蒙特和少女峰)的觀測(cè)值,且無(wú)法以緯度梯度或同期化石源碳排放差異進(jìn)行解釋(圖2)。
結(jié)合公開(kāi)的核爆歷史資料,團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這一異常主要受到新疆羅布泊核試驗(yàn)場(chǎng)(1964–1980年)地面核爆的影響,尤其是低當(dāng)量核試釋放的14C所導(dǎo)致的對(duì)流層14C豐度強(qiáng)烈擾動(dòng)。大氣氣流軌跡模擬表明,含核試驗(yàn)14C的氣團(tuán)可長(zhǎng)距離遷移至中國(guó)大部分地區(qū),從而導(dǎo)致我國(guó)不同地區(qū)樹(shù)輪樣品中對(duì)應(yīng)年份的14C 豐度隨與羅布泊的距離增加而遞減,呈現(xiàn)出典型的“源擴(kuò)散”分布特征(圖3)。

圖1南嶺華南五針?biāo)桑?shù)齡>200年)與樹(shù)輪樣品 (攝影:張干,王旭)
團(tuán)隊(duì)還通過(guò)系統(tǒng)分析,依次排除了化石源碳排放(1965–1985年間)、核電站、宇生14C、海-氣交換和生物源通量等的影響,證實(shí)了核試驗(yàn)的地理位置、當(dāng)量和類型才是1965–1985年間區(qū)域14C變化的主導(dǎo)因子。
除我國(guó)羅布泊外,前蘇聯(lián)在塞米巴拉金斯克、新地島核試驗(yàn)所排放的14C,也可通過(guò)大氣傳輸,分別對(duì)中國(guó)西部及歐洲的14C水平造成長(zhǎng)距離干擾。塞米巴拉金斯克核試驗(yàn)影響了2400公里外的青海湟中和4000公里外的湘粵南嶺;新地島核試驗(yàn)主要影響北歐和中歐地區(qū),導(dǎo)致多個(gè)歐洲背景站點(diǎn)記錄到高達(dá)110‰的14C異常,凸顯出核爆對(duì)大陸尺度14C分布的重要影響。核試驗(yàn)釋放的14C不僅會(huì)在短期內(nèi)沉降至地面,還可在陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過(guò)程中再釋放,從而大幅延長(zhǎng)其在森林生態(tài)系統(tǒng)中的停留時(shí)間,估測(cè)可達(dá)5-20年(圖2)。

圖2:核爆14C的大陸尺度影響。(a) 展示了中國(guó)背景站點(diǎn)相對(duì)于同緯度帶的 14C水平差異(ΔΔ14C);(b) 展示了中國(guó)背景站點(diǎn)相對(duì)于歐洲大氣背景值的 14C水平差異。黑色實(shí)線和黃色實(shí)線分別表示湟中和上甸子自1965年起的 ΔΔ14C 線性變化趨勢(shì),垂直虛線表示趨勢(shì)線下降到 +10‰ 的年份。縱向柱狀圖展示了塞米巴拉金斯克(Semipalatinsk)和羅布泊(Lop Nor)核試驗(yàn)的年當(dāng)量輸出:橙色為裂變?cè)囼?yàn),綠色為聚變?cè)囼?yàn)。(c) 展示了新地島(Novaya Zemlya)核爆對(duì)歐洲的影響。
為量化核爆14C干擾對(duì)歷史CO2ff估算的影響,團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)評(píng)估了不同14C背景設(shè)置下西安、北京、深圳和衡山的歷史CO2ff重建偏差(圖4),發(fā)現(xiàn)若采用歐洲參考站點(diǎn)或同緯度帶基線而非本地實(shí)測(cè)背景值,將最高導(dǎo)致5.4 ppm的CO2ff系統(tǒng)性誤差,這已相當(dāng)于一個(gè)中等城市(如美國(guó)印第安納波利斯)的碳排放強(qiáng)度。因此,背景選擇不當(dāng)不僅會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)偏差,還可能引致城市碳排放增長(zhǎng)速率的高估(圖4),從而影響對(duì)區(qū)域碳減排成效和碳中和路徑的評(píng)估。為提高歷史CO2ff估算的準(zhǔn)確性、提升政策參考價(jià)值,團(tuán)隊(duì)建議優(yōu)先采用與研究區(qū)域匹配的實(shí)測(cè)14C背景,并應(yīng)加快構(gòu)建不同地區(qū)的專屬性大氣14C基線、系統(tǒng)整合核爆14C的大陸尺度干擾效應(yīng),以為全球碳排放評(píng)估和氣候政策制定提供更加可靠的CO2ff歷史排放樹(shù)輪檔案。
該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(42330715,42030715)和青年項(xiàng)目(42203081)、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)基金項(xiàng)目(2022A1515011851)、和中國(guó)博士后科學(xué)基金(2021M693184)等項(xiàng)目的資助。李靜為論文的第一作者,張干和王旭為共同通訊作者。南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院位楠楠博士、深圳市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站王偉民副研究員和廣東省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心陳多宏正高級(jí)工程師為主要合作者。

圖3 大氣氣團(tuán)軌跡頻率分布(核試驗(yàn)主要時(shí)期)。(a–c) 1966.10.27羅布泊核試驗(yàn)后,湟中(HZ)、上甸子(SDZ)和南嶺(NL)站點(diǎn)的氣團(tuán)軌跡頻率分布(1966.10.27–1966.11.26)。(d–e) 1957.8.22–1957.9.26蘇聯(lián)塞米巴拉金斯克核試驗(yàn)期間,湟中和南嶺的氣團(tuán)軌跡頻率分布(1957.8.22–1957.11.19)。(f) 1962.8.5–1962.12.25.新地島核試驗(yàn)期間,F(xiàn)ruholmen站點(diǎn)的氣團(tuán)軌跡頻率分布(1962.8.5–1963.1.1)。

圖4 不同背景選擇下的估算結(jié)CO2ff結(jié)果對(duì)比。(a–d) 分別展示了在不同背景參考條件下,西安、北京、深圳(本研究)和衡山(本研究)的CO2ff估算結(jié)果。藍(lán)色虛線表示平均值的變化趨勢(shì),粉色虛線表示中位數(shù)的變化趨勢(shì)。
論文信息:Jing Li(李靜),Nannan Wei(位楠楠),Xu Wang(王旭),Pingyang Li(李平陽(yáng)),Yanmin Sun(孫彥敏),Wenbiao Feng(馮文彪),Zhineng Cheng(成志能),Sanyuan Zhu(朱三元),Weimin Wang(王偉民),Duohong Chen(陳多宏),Shizhen Zhao(趙時(shí)真),Guangcai Zhong(鐘廣財(cái)),Guangyi Zhou(周光益),Jun Li(李軍),and Gan Zhang(張干). Communications Earth & Environment 2025,6(603)
原文鏈接:https://doi.org/10.1038/s43247-025-02532-6?

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