大西洋中溶解黑碳的分布图绘制

《Marine Chemistry》：Mapping of dissolved black carbon in the Atlantic Ocean

黑碳在大西洋中的分布及其非火源贡献研究显示，尽管非洲草原火灾提供了大量大气黑碳，但溶解黑碳（DBC）的浓度和同位素组成未发现显著关联。实验沿大西洋多个纬度、经度断面采集水样，通过BPCA氧化法分析DBC的浓度及冷凝度（B6CA:B5CA比率），发现DBC浓度在表层、浅层和深层水柱中均保持稳定，而冷凝度从南到北、从浅到深呈上升趋势。此现象可能与光解作用和陆地有机物的迁移有关。研究指出，未来需进一步探索海底热液输入、北半球陆地有机物通过NADW输运等替代来源的贡献。

　　### 研究背景与概述

海洋中的溶解性黑色碳（DBC）长期以来被视作陆地来源的主要贡献者，其质量通量主要来自于河流输入。然而，DBC的稳定碳同位素组成却与陆地来源不一致，这一矛盾引发了对DBC非河流来源的广泛研究兴趣。DBC是通过有机物不完全燃烧产生的，包括自然和人为的生物质燃烧以及化石燃料燃烧。这些碳以颗粒和溶解形式进入水体，其中溶解性DBC在水路向海洋输送的总碳中占约一半（Jaffé et al., 2013; Coppola et al., 2018; Jones et al., 2020; Geng et al., 2021）。DBC的总量估计在12–14 PgC之间（Dittmar and Paeng, 2009; Coppola and Druffel, 2016），占海洋溶解有机碳（DOC）总量的约2%（Hansell et al., 2009）。然而，基于质量平衡方程计算的DBC年龄却与估算的DBC质量通量（约18±4 TgC/yr）存在数量级的不一致，这引发了对DBC来源的重新思考。

此外，关于DBC的定义和分析方法也存在操作性挑战。现有的分析方法主要依赖于苯并芘酸（BPCA）的测定，这种方法在海洋和水生系统中被广泛应用（Dittmar et al., 2008; Stubbins et al., 2012; Coppola and Druffel, 2016; Wagner et al., 2019; Yamashita et al., 2022; Bao et al., 2023; Barton et al., 2024; Speidel et al., 2024; Zhang et al., 2024a, b）。尽管BPCA方法通常假设5和6个羧酸基团（B5CA和B6CA）仅来源于燃烧过程，但非燃烧来源如石油有机碳和腐殖酸也可能在氧化过程中产生这些标记物（Hindersmann and Achten, 2017; Chang et al., 2018; Goranov et al., 2021; Yin et al., 2024）。因此，对DBC的来源和转化过程的进一步研究变得尤为必要。

### 研究方法与样本采集

本研究旨在通过分析大西洋不同水体中的DBC，探讨其在纬度和水深方向的变化。研究采用了多条纬度和经度剖面，覆盖了从表层水到深层水的广泛范围，并且远离主要河流入海口，以确保样本不受河流输入的干扰。样本包括表层水、浅层水（如混合层和深叶绿素最大值）以及深层水（如南极底层水、北太平洋深层水等），分别代表不同的水体特征和来源。

在样本采集过程中，使用了Niskin瓶进行水体采集，并通过电导率-温度-深度传感器（CTD）测量了压力、温度、电导率、盐度、溶解氧（DO）含量和荧光。这些数据提供了水体的物理和化学特性，有助于识别不同的水体层。此外，还通过下船取样系统采集了表层水样本，用于进一步分析。

### DBC的量化与同位素特征

为了量化DBC，本研究采用了BPCA方法，该方法通过硝酸氧化DBC的多芳香结构，将其转化为具有3–6个羧酸基团的BPCA。这一过程包括将SPE-DOC样品放置在MARSXpress容器中，使用硝酸在160°C下进行氧化。随后，通过高分辨率液相色谱（HPLC）和紫外检测（LC-UV）分析BPCA。这种方法的回收率通常在40–52%之间，有助于准确评估DBC的含量。

此外，研究还分析了DBC的稳定碳同位素组成（δ13C）。结果显示，DBC的δ13C值在表层水和深层水中存在显著差异，表层水的δ13C值通常更轻，而深层水的δ13C值更重。这一差异可能与碳源的同位素特征有关，例如表层水中的DBC可能受到不同来源的贡献，而深层水中的DBC则可能更多地受到海洋生物过程的影响。

### 结果与分析

通过分析多个水体层中的DBC含量和同位素特征，研究发现DBC在不同水体中的浓度变化并不显著。具体而言，表层水、浅层水和深层水中的DBC浓度在统计上没有显著差异。然而，DBC的凝结度（B6CA:B5CA摩尔比）却显示出从表层到深层的增加趋势，这表明DBC在水体中经历了化学转化或物理过程，如光漂白和吸附。

研究还发现，DBC的凝结度与纬度之间存在显著相关性，而DBC浓度则没有明显的纬度变化。这一现象可能与不同水体的化学过程有关，例如在某些水体中，DBC的凝结度可能受到光漂白的影响，而在其他水体中，可能受到其他化学过程的调控。此外，DBC的浓度与溶解氧（DO）含量之间也存在一定的关系，尤其是在某些特定的水体层中，如氧最小区（OMZ）和南极底层水（AABW）。

### 讨论与未来研究方向

尽管大气中的DBC输入可能对海洋碳循环产生影响，但本研究的结果表明，这种输入对DBC的贡献并不显著。例如，在表层水中，尽管大气中的DBC输入存在显著变化，但DBC的浓度和同位素特征并未表现出相应的增加或变化。这可能与光漂白过程有关，即DBC在表层水中的光漂白作用抵消了大气输入带来的增加。

此外，研究还探讨了DBC的非燃烧来源，如海洋生物过程和陆源有机物的输入。例如，DBC的凝结度变化可能反映了海洋中不同化学过程的综合作用，如光漂白、吸附和生物降解。这些过程可能在不同水体中具有不同的影响，从而导致DBC的浓度和凝结度的变化。

### 结论

本研究通过分析大西洋不同水体中的DBC，揭示了DBC在纬度和水深方向的变化特征。研究发现，尽管大气中的DBC输入在某些区域显著，但这些输入对DBC的贡献并不显著，可能与光漂白和吸附等过程有关。此外，DBC的凝结度变化可能反映了不同水体中的化学过程，而DBC浓度的稳定性则可能与其高度耐降解的特性有关。

研究还提出了未来研究的方向，包括进一步分析DBC的非燃烧来源，如海洋生物过程和陆源有机物的输入。此外，还需要更多关于DBC在不同水体中的动态变化的数据，以更全面地理解其在海洋碳循环中的作用。通过这些研究，可以更好地评估DBC在海洋中的来源、转化和沉降过程，从而为全球碳循环模型提供更准确的输入数据。