焦炭/烟炱比值，一种新的气候变化指标？—来自燃烧实验及土壤的证据

Black carbon is composed of char and soot. Although both char and soot originate from incomplete combustion of biomass and fossil fuels, they form in different mechanisms. Char is combustion residues formed through pyrolysis; whereas soot forms via gas-to-particle conversion at high temperature. Thus, char and soot have different implications in global environmental and climatic changes. However, current studies have not differentiated between char and soot, and thus the relationship between char/soot ratio and climate change is still unknown. This proposal is put forward based on our previous studies that investigated the relations among char and soot in sediments, wildfire history and climate change and we found that high char/soot ratio corresponds to wet climate. In this study we will build the relationship between char/soot ratios and fuel moisture under the condition of different combustion efficiency from combustion chamber and field biomass burning experiments. In addition, we will collect soil samples from different climatic zones throughout China and test relationship between char/soot ratios in soils with local precipitation. This study will, on the one hand, provide a new proxy for precipitation in paleoclimate studies and, on the other hand, will help us understand the char/soot variations from different climatic zones for aerosol studies.

焦炭和烟炱是两种类型黑碳，二者尽管都来源于生物质和化石燃料不完全燃烧，但形成方式不同。焦炭是燃烧残留物，低温裂解生成；而烟炱是燃烧形成的气态前体物经气-粒转化过程中形成，因此二者具不同气候环境意义。但当前研究将黑碳作为一个整体测量，缺少有关焦炭/烟炱比值与气候环境关系的分析。我们前期在沉积物研究中发现焦炭/烟炱比值与火事件和大气降水关系明显，高比值对应于湿润气候。我们期望这种关系能在实验室模拟、野外观测和土壤研究中得到证实。因此，本研究一方面通过大型燃烧模拟实验和野外生物质燃烧观测，探讨和建立焦炭/烟炱比值与燃料湿度关系。另一方面，通过我国不同气候带土壤焦炭/烟炱比值变化与当地气温、降水关系研究，从统计学方面进一步验证二者比值与气候环境因子关系。本研究不仅为古环境研究提供一种新的大气降水指标，并为理解不同气候带大气气溶胶中焦炭/烟炱的差异性提供理论依据，可为气候模拟提供支持。

焦炭和烟炱是两种类型黑碳，二者尽管都来源于生物质和化石燃料不完全燃烧， 但形成方式不同。焦炭是燃烧残留物，低温裂解生成；而烟炱是燃烧形成的气态前体物经气 -粒转化过程中形成，因此二者具不同气候环境意义。但当前研究将黑碳作为一个整体测量， 缺少有关焦炭/烟炱比值与气候环境关系的分析。本研究我们通过不同介质进行两种不同类型黑碳-焦炭和烟炱其在燃烧来源、土壤、沉积物、湖泊历史变化、古气候长期变化中的表现形式的差异，力求查明焦炭和烟炱在环境中的差异性，从而为理解环境与气候变化中焦炭与烟炱的气候指示意义提供重要的支持。在本项研究中，我们通过实验室模拟、气溶胶观测、土壤焦炭烟炱分布于降水关系、湖泊沉积物中焦炭和烟炱变化历史、古火变化历史与降水和温度代用指标的对比等，我们提出了在现代大气中焦炭与烟炱同时受到了自然生物质燃烧排放以及人类化石燃料燃烧的影响。而在古气候研究中，焦炭与烟炱主要来自于自然火燃烧的排放，其变化确实与当地本身的气候和环境变化相一致。湿度越大，自然火排放中焦炭含量相对较高，而干旱环境中，自然火排放的烟炱越高。因此，在古火研究中，焦炭主要反映来自于局地低强度的焖烧，而烟炱主要反映区域高强度的明燃。我们研究了黄土高原地区整个第四纪的自然火变化历史，发现明燃具有很好的冰期-间冰期旋回变化的特点，这与前人的研究有很大的差异性。因此通过区分明燃和焖烧，这对于我们研究自然火与气候的相互作用机制有着重要的意义，比如区域的明燃可以通过影响海洋生产力，从而影响着古气候。这实际上也为我们进一步了解自然火与气候变化的相互作用及其关系提供了一种新的机制理解，为我们进行气候预测提供了新机理。