成果动态--陕西关中平原区域环境变化与综合治理国家野外科学观测站

关中平原站揭示土壤有机碳对氮沉降响应具有土层深度依赖性

人为活动导致的大气氮沉降增加改变了土壤有机碳储量，从而影响碳循环-气候反馈。由于表土层和深层土壤在外源植物碳输入、微生物群落结构、通气性、土壤质地等存在明显差异，因此氮沉降对不同土层深度的有机碳的影响将会有所不同甚至可能出现相反的结果。但当前对深层土壤碳循环的研究还非常匮乏。基于此，关中平原站陈骥研究员团队和中国科学院华南植物园邓琦研究组开展合作研究，博士后胡苑柳为论文的第一作者，探究了表层（0-30 cm）和底层（30-100 cm）土壤碳对氮添加的响应。研究发现：（1）氮添加显著增加表层土壤有机碳，而对底层土壤有机碳的影响并不显著；（2）表层土壤有机碳随着施氮时间显著增加；与之相反，底层土壤有机碳在短期氮添加下显著增加，而在长期氮添加下出现显著下降的趋势。本研究强调了土层深度和氮添加时间在预测氮添加下土壤有机碳响应的重要性。考虑到底层土壤在有机碳封存中的关键作用，底层土壤碳随长期氮添加的损失意味着早前研究很可能高估了氮沉降增强下土壤碳汇作用。Yuanliu Hu, Qi Deng*, Thomas K？tterer, J？rgen Eivind Olesen, Samantha C. Ying, Ra l Ochoa-Hueso, Carsten W. Mueller, Michael N. Weintraub, Ji Chen*. Depth-dependent responses of soil organic carbon under nitrogen deposition. Global Change Biology. 2024, 30, 3, e17247. https://doi.org/10.1111/gcb.17247 1. 表层和底层土壤有机碳对长期氮添加的响应及解耦关系

2024-03-23

关中平原站运用双碳同位素揭示冬季雾霾期间我国北方典型城市碳气溶胶的来源特征

随着我国空气治理政策的实施，全国绝大部分地区空气质量都得到了明显改善，但北方重点污染区域在冬季仍然存在严重的大气污染情况。因此，对冬季雾霾事件中碳气溶胶的来源特征，尤其是二次有机碳气溶胶的来源特征需要重点关注。为此，牛振川研究员团队以北京市和西安市作为京津冀地区和汾渭平原的典型代表，分析了两个城市2019年1月一次涉及京津冀和汾渭平原的大规模雾霾事件中碳气溶胶的来源特征。研究通过分析雾霾事件和临近的非雾霾时期PM2.5样品中的元素碳（EC）、有机碳（OC）、左旋葡聚糖（Lev）、稳定碳同位素（13C）和放射性碳同位素（14C），并结合拉丁超立方体抽样技术研究了源解析结果的不确定性。源解析结果显示（图1）：（一）雾霾期北京市一次机动车排放（17.8±3.7%）对总碳（TC）的贡献率高于一次燃煤排放（7.3±4.2%），且其贡献率与非雾霾期相比呈显著增加趋势（7.1%）。在西安市雾霾期间，一次机动车排放的贡献率（4.1±2.8%）与一次燃煤排放的贡献率（4.3±3.3%）接近。（二）一次生物质燃烧对TC的贡献率在北京市雾霾期间为21.1±10.5%，在西安市雾霾期间为40.9±6.6%（与非雾霾期相比增加了3.3%）。（三）雾霾期间，两地的二次有机碳（SOC）对TC的贡献均有明显增加（北京市：13%；西安市：3.7%）。（四）与非雾霾期间相比，北京市雾霾期间二次化石燃料源（SOCff）对SOC的贡献增加了29.2%，西安市增加了18.4%，这表明二次化石燃料源贡献的增加是导致我国北方典型区域冬季碳气溶胶污染的重要原因之一。将来在我国不同城市，需要针对性地加强空气污染的具体管控措施，例如在北京重点控制机动车排放，在西安市及其周边管控冬季煤炭和生物质燃料的使用。相关成果已发表在环境科学领域的国际知名期刊Journal of Environmental Management上，中国科学院地球环境研究所赵卉伊褶博士为第一作者，牛振川研究员为通讯作者。研究得到中国科学院先导专项（XDA23010302），国家自然科学基金（42173082, 42330114）和陕西省自然科学基础研究计划（2019JCW-20）的共同资助。Huiyizhe Zhao, Zhenchuan Niu*, Weijian Zhou, Sen Wang, Xue Feng, Shugang Wu, Xuefeng Lu, Hua Du. Comparing sources of carbonaceous aerosols during haze and nonhaze periods in two northern Chinese cities. Journal of Environmental Management, 2023, 346, 119024 https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.119024 图1 2019年1月北京市和西安市采样点雾霾事件和非雾霾期间不同来源碳组分的浓度（ μgC/m3）和对总碳的贡献率（%）。灰色和粉色框分别代表了非化石源和二次源的贡献范围。

2024-03-18

关中平原站在秦岭北麓CO2及其碳同位素的综合立体观测和来源等取得新进展

大气二氧化碳（CO2）是最重要的人为温室气体，其空间分布的不均一性是阻碍区域尺度准确反演CO2排放的关键问题之一。秦岭是我国南北地区重要的地理分界线，在这个地理和生态关键区进行大气CO2及其碳同位素（13C、14C）的综合立体观测并解析其来源，有助于评估区域碳排放，服务国家“双碳”战略。牛振川研究员团队在秦岭北麓的陕西关中平原区域生态环境变化与综合治理国家野外科学观测研究站开展为期两年的大气CO2连续观测和14CO2定期观测，并利用无人机平台在冬夏季采集不同高度的气体，进而进行大气CO2及其碳同位素（13C、14C）的垂直观测（< 2000 m）（图1），以此揭示了秦岭北麓大气CO2的时空变化特征、不同来源的贡献以及传输的影响。具体结果如下：（1）近地面（20米）高精度Picarro在线观测表明，观测期间（2021年3月-2023年2月）大气CO2年均浓度为442.2±16.3 ppm，年增加4.7 ppm（i.e., 1.1 %）（图2a）。CO2浓度在夏季最低（433.5±13.3 ppm）且日振幅最大（图2b）。冬季CO2小时浓度最高值的出现时间（10:00）滞后于其它三个季节（05:00-07:00）。各季节工作日和非工作日CO2小时浓度的日内变化趋势一致，但浓度在工作日普遍更高。工作日和非工作日的日均浓度在冬季差异显著。垂直观测表明，夏季大气CO2浓度主要随海拔高度的增加呈下降趋势，而初冬时期CO2浓度先升高后逐渐下降，在100~500 m处达到峰值（443.4±0.4~475.7±0.5 ppm）（图4a、4d）。（2）14C观测结果表明，秦岭北麓超过背景水平（417.0 ppm）的大气CO2主要来源于化石源CO2（CO2ff）排放（67.0±26.8 %），且CO2ff的浓度在冬季最高（图3b）；夏季负的生物源CO2（CO2bio）值表明秦岭植被对大气CO2的吸收作用（图3b）。初冬观测期大气CO2ff浓度随海拔升高呈现先增加后逐渐降低的趋势，冬夏季观测期CO2bio浓度随海拔升高而降低（图5）。结合 13C的观测表明初冬CO2ff主要来自煤炭燃烧（81.2±3.4 %）（图5）。CO2bio和 CO较强的相关性显示生物质燃烧是冬季CO2bio的重要贡献者（图6a）。此外， CO:CO2ff值与先前观测相比降低表明研究区域的燃烧效率正在提高（图6b）。（3）秦岭北麓较高浓度的大气CO2主要来自西安本地和秦岭南部气团的短距离传输，这种传输也被在100~500 m处观测到的CO2和CO2ff浓度峰值所证实（图4d、图5）。研究成果连续发表于环境领域国际知名刊物Science of The Total Environment，第一作者分别为博士研究生刘婉玉和西安地球环境创新研究院职工梁单，通讯作者为牛振川研究员。研究受国家自然科学基金（42173082、42330114）、中国科学院先导专项（XDA23010302）和陕西省自然科学基础研究计划（2024JC-JCQN-34）的共同资助。Liu, W., Niu, Z*., Feng, X., Zhou, W., Liang, D., Lyu, M., Wang, G., Lu, X., Liu, L., Turnbull, J.C., 2024. Atmospheric CO2 and 14CO2 observations at the northern foot of the Qinling Mountains in China: Temporal characteristics and source quantification. Science of The Total Environment, 170682. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.170682.Liang, D., Niu, Z*., Zhou, W., Wang, G., Feng, X., Lyu, M., Lu, X., Liu, W., Qu, Y., 2024. Vertical measurements of atmospheric CO2 and 14CO2 at the northern foot of the Qinling Mountains in China. Science of The Total Environment, 171200. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.171200. 图1. 秦岭北麓大气CO2及其碳同位素（13C、14C）的综合立体观测研究图 2. 秦岭北麓近地面观测期间（a）大气CO2日均浓度变化和（b）各季节大气CO2小时浓度变化图 3. 秦岭北麓近地面观测期间（a）大气 14CO2变化和（b）CO2ff和CO2bio浓度变化图 4. 秦岭北麓观测期间大气CO2、 14C和 13C的垂直变化图 5. 秦岭北麓初冬观测期燃煤源CO2（CO2ff-coal）、机动车源CO2（CO2ff-vehicle）和CO2bio的垂直变化图 6. 秦岭北麓观测期（a）CO2bio与 CO的相关性和（b）CO2ff与 CO的相关性

2024-03-11

关中平原站揭示粉尘源区气溶胶远距离输送对关中地区冬季自由对流层大气的重要影响

相比我国东部和华北地区，关中平原的大气污染特征具有明显的独特性：一方面受半干旱气候影响，且北临黄土高原，地表粉尘的输送影响较大；另一方面受盆地环境限制，工业、机动车及农村生物质燃烧排放集中且难以扩散，人为源污染的贡献也十分显著。因此，关中平原一直是我国大气颗粒物污染最为严重的区域之一。近年来，有关关中平原大气污染的时空分布、来源和演化机制的研究很多，但对近地表地区污染如何影响关中地区自由对流层大气环境的认识仍存在明显不足，亟需进一步研究。基于此，李建军研究员团队于2020年在关中平原华山地区开展了大气综合观测研究，同时收集了华山山脚和山顶（海拔约2060 m）大气PM2.5和分粒径颗粒物样品，并分析其水溶性无机离子的组成和粒径分布，结果显示：（1）尽管很多研究表明高山地区白天谷风的影响可以将大气污染物从近地面地区推送到自由对流层区域，但华山冬季自由对流层的大气气溶胶主要来自于我国西北地区粉尘源区的远距离输送，关中区域近地表的人为污染影响较小（图1）；（2）由于粉尘远距离输送的影响，冬季华山山顶气溶胶的酸碱度主要呈中性（pH平均值为6.10 1.29），与夏季的酸性特征（pH=2.7 1.3）呈鲜明对比；（3）冬季自由对流层中氨的气粒转化主要受到硝酸盐的影响（图2）。考虑到高空气溶胶对大气云凝结核具有更直接的贡献，本研究的结论对关中地区大气气溶胶的气候与环境效应提供了新的科学认识。该成果2024年2月13日在线发表于环境化学领域期刊Chinese Chemical Letters，第一作者为刘海娇助理研究员，通讯作者为李建军研究员。研究受到陕西省科技厅、国家自然科学基金委及中国科学院青年创新促进会等的共同支持。全文详见H. Liu, Q. Feng, Y. Huang, F. Wu, Y. Liu, M. Shen, X. Guo, W. Dai, W. Qi, Y. Zhang, L. Li, Q. Wang, B. Zhou, J. Li*, Composition and size distribution of wintertime inorganic aerosols at ground and alpine regions of northwest China, Chinese Chemical Letters, 2024, 109636. https://doi.org/10.1016/j.cclet.2024.109636.原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1001841724001554 图1 华山山顶和山脚水溶离子的粒径分布图2 华山山顶NHR与AE/CE(a) , A/(S+N)(b),PM2.5中NO3-浓度(c)及SO42-浓度(d)的相关性分析

2024-02-26

关中平原站揭示秸秆还田有助于提升全球粮食产量和增加土壤碳储量

在追求农业可持续发展的当下，秸秆还田策略因其独特的生态化学特性而备受关注。无机肥料虽为作物提供关键养分，却引发了土壤碳流失和酸化问题。秸秆还田可调节土壤生态化学平衡，缓解微生物和作物代谢压力，进而促进土壤有机质累积。现有研究多聚焦表层土壤，而对秸秆还田在全球尺度上对土壤深层碳、氮、磷储存及谷物产量上的影响，尚缺乏系统理解。本研究通过全面分析全球806个不同耕地类型实验，探索秸秆还田对土壤剖面（0-60 cm）内碳、氮、磷库存及谷物产量的影响（图1）。结果显示，秸秆还田在所有土层中均显著提升了土壤碳储量（8%-13%），特别是在表层（0-20 cm）。表层土壤氮（9%）和磷（5%）储量也显著增加。此外，秸秆还田在缓解旱地土壤酸化及提升粮食产量（7%）方面也展现出积极效果。这一结果证明秸秆还田不仅优化表层土壤生态化学计量，还改变了下层土壤的生态化学计量，从而调节整个土壤剖面的生物地球化学循环。本研究强调了秸秆还田在增加表层土壤碳、氮、磷储量，改善作物生长环境及在促进环境改善方面的重要性。更关键的是，为提升深层土壤碳储量提供了有效的长期策略，以应对全球气候变化的挑战。上述成果发表在农林科学著名期刊Agronomy for Sustainable Development。研究得到国家自然科学基金、德国“洪堡学者”等支持。中国科学院地球环境研究所刘济副研究员为第一作者，中国科学院地球环境研究所陈骥研究员和武汉理工大学方临川教授为通讯作者。Liu, J., Fang, L., Qiu, T. et al. Crop residue return achieves environmental mitigation and enhances grain yield: a global meta-analysis. Agron. Sustain. Dev. 43, 78 (2023).论文原文链接: https://doi.org/10.1007/s13593-023-00928-2. 图1 不同耕地类型和土壤深度的土壤碳、氮、磷储量、pH 值和谷物产量

2024-02-05

关中平原站揭示挥发性有机物（VOCs）跨秦岭传输加剧区域臭氧污染观测证据

我国南北方经济、人口存在显著差异，气团跨区域传输会导致南北方人为活动/自然过程排放臭氧（O3）前体物（如VOCs等）的相互作用，使臭氧污染呈现区域性分布特征。受大气VOCs排放、迁移传输机制的认识局限，我国的臭氧污染控制政策与措施仍不充分。秦岭作为我国南北气候的重要分界线，在表征气候带分布及气团区域输送路径与强度等方面均具有典型性和代表性。为深入理解VOCs跨区域传输的驱动机制，中国科学院地球环境研究所黄宇研究员团队在秦岭高山背景区开展大气O3、NOx及VOCs综合观测研究。结果显示：（1）秦岭不同海拔处大气VOCs的组成受不同气团控制，山脚处（海拔683m）主要受局地排放的影响，而高海拔区域（海拔2060m）易受跨区域传输气团影响，导致山顶处夜间含氧VOCs及O3出现极高值。（2）经分子尺度的VOCs示踪物检测，结合潜在源贡献计算、卫星遥感反演及气象分析发现，夏季东亚季风携带气团含高浓度含氧VOCs与O3，可越过秦岭跨区域输入关中平原，而秦岭局地山谷风则将秦岭北部关中平原城市群排放的非甲烷烃类VOCs输送至高山背景区。（3）跨秦岭传输气团使我国南北气候分界高山背景区O3与甲醛浓度分别升至152 ppbv与5 ppbv。本研究加深了东亚季风与区域山谷风协同驱动大气VOCs跨秦岭传输导致区域性臭氧污染的机制理解，识别了VOCs与O3传输路径，并深化了气候带间自然源与人为源排放影响光化学反应的机制认识，可为不同区域的臭氧治理减排提供技术支撑。该成果2023年12月26日在线发表于Journal of Geophysical Research Atmospheres，研究受中国科学院战略重点研究项目（XDA23010000, XDA23010300）、国家自然科学基金委项目（42030511, 41877308, 42175134），中国科学院西部青年学者项目（XAB2019B06）及中国科学院青年促进会项目（2023429）资助。 Xue, Y., Wang, L., Jing, Y., Zhang, T., He, S., Ho, K. F., et al. (2023). Asian monsoon and local valley wind caused transport of volatile organic compounds episode across Qinling Mountain in China. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 128, e2022JD038256. https://doi.org/10.1029/2022JD038256原文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1029/2022JD038256 图1. 夏季华山顶站点大气a.(甲醛)，b. (乙炔)，c.（二甲苯）潜在源区分布。图2. 秦岭周边区域甲醛柱浓度空间分布。图3. 典型臭氧污染期秦岭周边区域大气压与水平风分布（800百帕）。

2024-01-09

关中平原站在区域大气OVOCs和有机气溶胶形成和演化研究中取得进展

自2013年《大气污染防治行动计划》（大气十条）实施以来，我国落实了严格的排放控制战略，通过加快产业结构、能源结构、交通运输结构和用地结构调整，使得主要的人为排放大气污染物（如SO2、CO、粉尘等）持续降低，空气质量得到显著改善。减排措施也使得我国大气气溶胶的化学组成发生改变，其中无机物的占比下降而有机物的占比迅速升高。此外，由于NOx的下降趋势较弱，VOCs仍呈升高趋势，我国大气中O3污染问题进一步凸显。因此研究我国大气VOCs和有机气溶胶的形成和演化过程，对实现我国大气PM2.5和O3协同管控具有重要的科学指导意义。关中地区近年来空气质量同样获得较大的改善，但O3和PM2.5仍是关中大气污染的两大重要贡献因子。中国科学院地球环境研究所粉尘与环境研究室李建军研究员课题组近年来一直致力于关中地区大气中气粒两相有机组分的研究，并取得一些最新进展，主要包括：（1）以位于关中盆地东部边界的华山作为研究对象，在华山山顶（2060 m a.s.l）和山脚（402 m a.s.l）开展OVOCs和有机气溶胶同步观测，探究其垂直分布特征及其对PM2.5和O3形成的影响。结果表明，夏季在白天谷风的影响下，地表排放的大气组分（包括气相羰基化合物、颗粒相有机及无机组分等）可以从山脚垂直传输到山顶，从而影响自由对流层大气环境。人为排放污染物的输送对山顶羰基有重要的贡献，甲醛、乙醛、乙二醛和甲基乙二醛对华山地区对流层O3的形成有显著贡献。两个站点草酸的形成机制存在差异，山顶为mGly-Pyr- C2-C2，山脚则为Gly- C2-C2。乙二醛和甲基乙二醛的理论气粒分配系数低于实际外场观测值6-7个数量级。（2）分析西安市冬季典型污染事件PM2.5中PAHs和OPAHs的分子组成和稳定碳同位素贡献，首次发现PAHs稳定碳同位素组成对指示PAHs老化具有重要的作用。关注关中平原农村地区有机气溶胶（OA）的来源，证实生物质燃烧是关中平原农村地区OA的主要来源，尤其是在冬季。化石燃料源排放在夏季和冬季的贡献相当，但夏季二次生成的贡献比冬季更为显著。雾霾期OA增长的主要原因是相对稳定的大气条件下，生物质燃烧、燃煤等直接排放源排放的POA的积累，而非SOA的生成。（3）分析西安市典型住宅社区室内外空气中的20种羰基化合物，发现室内羰基化合物总浓度是室外的1.4—3.4倍。室内羰基化合物的浓度在供暖季节比非供暖季节高，而室外羰基化合物的浓度在非供暖季节比供暖季节高。室内羰基污染主要受建筑材料、烹饪油烟和木质家具的影响。室内空气中的甲醛暴露对儿童的健康风险比乙醛暴露更大。高分子量醛类化合物是室内气味污染的主要贡献者，被认为是“建筑病”的重要原因。这些成果近期发表于大气环境研究主流期刊Science of the Total Environment、Atmospheric Research、Indoor Air等期刊上，工作得到国家自然科学基金、陕西省自然科学基础研究计划、中国科学院西部之光项目以及中国科学院青促会等项目的联合资助。文章详见：[1] M. Shen, W. Qi, X. Guo, W. Dai, Q. Wang, Y. Liu, Y. Zhang, Y. Cao, Y. Chen, L. Li, H. Liu, J. Cao, J. Li, Influence of vertical transport on chemical evolution of dicarboxylic acids and related secondary organic aerosol from surface emission to the top of Mount Hua, Northwest China, Science of The Total Environment, 858 (2023) 159892. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.159892.[2] Y. Zhang, W. Dai, J. Li, S.S.H. Ho, L. Li, M. Shen, Q. Wang, J. Cao, Comprehensive observations of carbonyls of Mt. Hua in Central China: Vertical distribution and effects on ozone formation, Science of The Total Environment, 907 (2024) 167983, 0048-9697. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.167983.[3] Q. Feng, H. Liu, W. Dai, Y. Cao, M. Shen, Y. Liu, W. Qi, Y. Chen, X. Guo, Y. Zhang, L. Li, B. Zhou, J. Li, Comparison of chemical composition and acidity of size-resolved inorganic aerosols at the top and foot of Mt. Hua, Northwest China: The role of the gas-particle distribution of ammonia, Science of The Total Environment, 905 (2023) 166985. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.166985.[4] L. Li, W. Dai, M. Shen, X. Niu, T. Hu, J. Duan, J. Cao, Z. Shen, K.F. Ho, J. Li, Molecular Characteristics, Sources, and Health Risk Assessment of Gaseous Carbonyl Compounds in Residential Indoor and Outdoor Environments in a Megacity of Northwest China, Indoor Air, 2023 (2023) 7769354. https://doi.org/10.1155/2023/7769354.[5] W. Qi, Y. Zhang, M. Shen, L. Li, W. Dai, Y. Chen, Y. Liu, X. Guo, Y. Cao, X. Wang, Y. Jiang, J. Li, Comparison of Gas-Particle Partitioning of Glyoxal and Methylglyoxal in the Summertime Atmosphere at the Foot and Top of Mount Hua, Molecules, 28 (2023) 5276. https://doi.org/10.3390/molecules28135276.[6] J. Li, X. Wang, W. Dai, W. Qi, H. Liu, M. Shen, Y. Liu, X. Guo, Y. Zhang, L. Li, Y. Cao, L. Li, Y. Chen, Q. Feng, Molecular compositions and stable carbon isotopes ( 13C) of PAHs in wintertime PM2.5 in urban Xi'an, China: Implications for source distribution and atmospheric oxidation, Atmospheric Research, 292 (2023) 106890. https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2023.106890.[7] Liu, Y., Shen, M., Liu, H., Dai, W., Qi, W., Zhang, Y., Li, L., Cao, Y., Wang, X., Guo, X., Jiang, Y., Li, J., 2024. Molecular compositions and sources of organic aerosols at a rural site on the Guanzhong Plain, Northwest China: The importance of biomass burning. Particuology 89, 44-56. https://doi.org/10.1016/j.partic.2023.10.014. 图1 华山山顶和山脚相对湿度、温度、臭氧浓度、PM2.5浓度、二元羧酸、酮羧酸和 -二羰基的昼夜变化图2 华山山顶和山脚羰基化合物的平均浓度和臭氧生成潜势图3 西安冬季PM2.5中PAHs稳定碳同位素组成随浓度变化的相关性分析

2023-12-28

关中平原站在全天候太阳光驱CO2资源化利用取得新突破

发展CO2资源化利用技术可为我国经济与生态环境协调发展提供重要机遇。CO2的资源化转化是一个典型的负熵过程，需要大量的能量投入，所以清洁可再生的太阳能是较为理想的能源来源。地表太阳辐照强度受昼夜更替和天气影响，且太阳光的供给与CO2的排放在时间上并不同步，实现全天候后太阳光驱的CO2资源化是一大挑战。地球环境研究所空气净化新技术团队（AirPNT）联合国内多家单位，利用钨基纳米材料的变价电荷存储机制，设计Pt-WO3新型催化剂，通过模拟光和作用，解耦太阳光能吸收与CO2催化转化过程（图1），实现全天候太阳光驱CO2转化。并开发外场应用示范装置，证实该CO2资源化新技术可有效应对昼夜更替、短期天气变化等影响（图2）。该研究思路可突破全天候太阳光驱CO2资源化利用的关键技术瓶颈。该研究成果近期发表于《国家科学评论》（National Science Review，NSR）。中国科学院地球环境研究所博士研究生石先进为论文第一作者。中国科学院地球环境研究所黄宇研究员、中国科学院大气物理研究所曹军骥研究员和中国科学技术大学熊宇杰教授为论文共同通讯作者。研究工作得到中国科学院战略先导专项（XDA23010300，XDA23010000）、中国科学院青年交叉团队项目（JCTD-2022-17），及国家自然科学基金（21725102，22232003，51878644和41573138）的共同资助。Xianjin Shi, Yu Huang, Ran Long, Zhenyu Wang, Liqin Wang, Junji Cao, Gangqiang Zhu and Yujie Xiong. Sustainable all-weather CO2 utilization by mimicking natural photosynthesis in a single material. National Science Review, 2023, DOI: 10.1093/nsr/nwad275/7332928原文链接：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwad275/7332928 图1. 自然光合作用和人工光合成原理示意图　图2. 太阳光驱动的全天候CO2转化装置及测试结果

2023-11-10

关中平原国家野外观测研究站在植物叶蜡氢同位素的控制因素方面取得进展

氢同位素组成是生物地球化学和古降水重建的重要指标，植物叶蜡氢同位素分馏系数（ε）变化涉及对植物氢同位素分馏机制的认识，也是利用叶蜡氢同位素示踪环境变化的基础问题。到目前为止，人们对植物合成叶蜡氢同位素分馏的认识还不清楚，这极大的限制了叶蜡氢同位素在环境变化示踪中的应用。　　因此，针对目前国际上应用叶蜡氢同位素定量重建古降水面临氢同位素表观分馏系数不稳定这一难题，地球环境研究所刘卫国研究员团队系统调查了我国不同区域（包括青藏高原、新疆、中国东北和中国南方）的陆生植物叶蜡δD组成和对应的源水（降水和土壤水）δD组成，以及控水实验观测的叶蜡δD组成和对应的源水（土壤水和叶片水）δD组成，讨论了高等植物叶蜡氢同位素表观分馏系数的变化特征和主要影响因素。　　结果表明：陆生植物叶蜡表观分馏系数（εprecipitation）变化范围很大，且随着干旱指数的增大逐渐偏负，结合水生植物和控水实验陆生植物叶蜡氢同位素分馏系数结果，表明高等植物叶蜡氢同位素生物合成分馏系数应该是一个常数，而目前观测到的不稳定的陆生植物叶蜡氢同位素表观分馏系数主要是由于大气降水通过土壤水和叶片水被植物利用的过程中，由于蒸发蒸腾作用强度不同，植物叶蜡合成所利用水的δD值不断变化造成的。　　因此，本研究为应用叶蜡氢同位素进行古环境重建提供了机制上的理解。　图1 我国不同区域植物叶蜡和源水δD值 A：大气降水δD值，B：土壤水δD值，C：单子叶植物叶蜡δD值，D：双子叶植物叶蜡δD值。图2 陆生和水生植物叶蜡氢同位素分馏系数对比，其中陆生植物叶蜡氢同位素分馏系数按干旱指数的增加分为干旱区、半干旱区、湿润区和半湿润区。上述成果发表在学术期刊Science of the Total Environment上，第一作者为刘虎副研究员，通讯作者为刘卫国研究员。本研究得到中国科学院战略先导专项（XDB40000000）、国家自然科学基金（42173014, 42103018）和第二次青藏科考（2019QZKK0101）等资助。　　详文见：Liu, H., Wang S., Wang H., Cao, Y., Hu, J., Liu, W.*, 2023. Apparent fractionation of hydrogen isotope from precipitation to leaf wax n-alkanes from natural environments and manipulation experiments. Science of the Total Environment 877, 162970.　　全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969723015887

2023-09-05

关中平原国家野外科学观测研究站在华山黑碳棕碳垂直观测研究中取得进展

大气黑碳、一次和二次棕碳是主要吸光性碳气溶胶组分，其在大气环境的光吸收和辐射强迫对气候、能见度和空气质量具有重要影响。对大气黑碳和棕碳气溶胶垂直变化特征及其环境效应的研究有重要意义。　　关中平原站副站长、中科院地球环境研究所朱崇抒研究员等在华山山麓和峰顶(海拔2060米)同步开展连续高分辨率大气气溶胶观测，获得黑碳和棕碳在不同波段光学吸收特性、直接辐射，以及黑碳和一次棕碳排放区域。结果表明：黑碳是主要吸光性碳组分，在山麓（77%）和峰顶（79%）都占重要比重；山麓黑碳和棕碳光学吸收系数远高于峰顶（约3倍）；一次棕碳的光学吸收和直接辐射在山麓明显高于二次棕碳（尤其是冬季）。高湿度等促进了峰顶二次棕碳生成，增强了其光学吸收系数和直接辐射。垂直对比表明黑碳、一次和二次棕碳的光学吸收特性季节变化受排放、气象条件和光化学氧化等因素的影响。说明山麓主要受一次排放影响(包括黑碳和一次棕碳)，而峰顶（尤其夏季）二次棕碳有重要贡献。结果有助于理解黑碳和棕碳垂直分布特征及效应。　　该成果近期发表于《Science of the Total Environment》期刊上。该工作得到中国科学院先导项目资助(XDB40030200).　　Chong-Shu Zhu, Yao Qu, Wen-Ting Dai, Xiao-Li Su, Jia-Mao Zhou, Nan Wang, Jing Qu, Jun-Ji Cao. 2022. Comparison of black carbon, primary and secondary brown carbon light absorption and direct solar absorption at the foothill and summit of Mt. Hua, China. Science of The Total Environment, 848, 157814.　　文章链接: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157814 图1 山麓和峰顶黑碳、一次棕碳、二次棕碳及气象参数的时间序列变化

2023-08-29