近日，南方科技大学环境科学与工程学院沈惠中副教授团队与合作者在大气黑碳组成及其气候效应研究领域取得进展。研究成果以“Increase in global warming potential of atmospheric black carbon since 1750”为题，发表于 Nature Geoscience。

黑碳是燃料不完全燃烧产生的吸光性含碳颗粒，也是影响地球气候的重要短寿命气候强迫因子。与二氧化碳相比，黑碳在大气中的停留时间较短，减少其排放能够较快影响地球辐射收支，因此受到气候变化研究和空气污染治理领域的广泛关注。然而，黑碳并非性质均一的单一物质，而是包含不同结构和光学性质的混合物。根据形成机制，可进一步区分为char和soot两类典型组分。char主要由有机物热解，或含碳材料在供氧受限条件下的不完全燃烧形成，而soot主要由烃类在高温条件下经气相过程凝结形成，两者在形成机制和吸光能力上存在差异。

现有全球气候评估通常将黑碳作为一个整体处理，较少考虑其内部组分的变化。工业化以来，能源消费和燃烧方式发生了很大转变，不同来源产生的char和soot比例也不相同。这些变化是否改变了黑碳的平均吸光能力，又会如何影响其气候效应评估，仍缺乏系统认识。

针对上述问题，研究团队整合约2500次碳组分测量数据，构建了涵盖141类排放源的组分比例数据库，并结合全球多源高分辨率温室气体及大气污染物排放清单（GEMS）中的黑碳排放数据，建立覆盖224个国家和地区、时间跨度为1750-2019年的char和soot排放清单。在此基础上，通过光学实验、湖泊沉积记录对比和地球系统模式模拟，评估了黑碳组成变化及其气候影响。

热光实验结果显示，在有机碳干扰较小且测量条件可比的情况下，soot的单位质量吸光能力通常高于char。研究人员通过排放源分析进一步发现，燃煤电厂、柴油机动车和工业锅炉等燃烧效率较高的排放源，其黑碳排放中soot相对较多；居民燃烧和野火等燃烧效率较低的排放源则以char为主（图1）。这表明，黑碳的吸光效应不仅取决于排放量，也与其来源和组分构成有关。

图1 主要黑碳排放源的soot与char碳质量比（Rs-c）

全球黑碳组成呈现明显的区域差异。2019年，欧洲、北美和东亚的人为soot排放量与char相近，而南亚、东南亚及部分非洲地区则以char为主，主要反映了工业、交通和居民固体燃料使用的不同贡献。进一步结合排放量与组分吸光差异发现，相较于将黑碳作为整体处理，区分char和soot后，欧洲、东亚等地区的排放加权吸光潜势估算值有所提高，部分非洲地区则有所降低（图2）。这表明，忽略组分差异可能影响对不同地区黑碳吸光贡献的判断。

图2 2019年全球char和soot排放、人为排放组分比例及相对吸光潜势的空间分布

从历史变化看，工业和交通部门化石燃料消费增长推动了soot排放快速增加，而居民固体燃料使用是char排放增长的重要驱动因素。1750-2019年，全球人为soot排放量由约0.11Tg增至1.99Tg，同期char排放量由约0.59Tg增至3.66Tg，前者增长明显快于后者。随着排放标准收紧和清洁燃料技术发展，发达国家近年来的soot排放下降快于char，表明污染控制也在改变黑碳的排放组成（图3）。

图3 1750-2019年发展中国家和发达国家不同部门char与soot排放的变化

两类组分不同的排放变化轨迹，使全球人为黑碳排放中soot的占比由1750年的16%升至2019年的35%。部分湖泊沉积记录中soot/char比例的长期上升，也与排放清单重建的总体趋势一致。研究人员估算，这一组成变化使同期全球新排放人为黑碳的单位质量吸光能力提高约16%（图4）。因此，能源利用和排放源结构的转变不仅改变了黑碳排放规模，也增强了其单位质量吸光能力。

图4 全球人为黑碳排放、soot/char比例及相对质量吸收截面的历史变化，并与湖泊沉积记录对比

这一变化进一步影响了黑碳的气候效应评估。解析估算表明，在研究设定的假设下，考虑组分及其吸光能力的历史演变后，2019年黑碳直接辐射强迫较整体黑碳处理提高约13.6%。地球系统模式CESM模拟进一步显示，区分char和soot的光学性质后，全球全天空工业时代黑碳直接辐射强迫由0.37 W/m²增至0.41 W/m²，增幅约11%。两种方法均提示，忽略黑碳组分差异及其演变，可能低估其直接辐射增暖效应。

该研究强调，评估黑碳气候影响需要同时关注排放量和组分变化，为柴油交通、工业燃烧等soot丰富来源的针对性减排提供了科学依据。未来仍需进一步研究char和soot在真实大气中的包覆、老化、沉降及云相互作用过程，以完善气候模式，为减污降碳协同治理提供支撑。

南方科技大学环境科学与工程学院博士研究生申涵为论文第一作者，沈惠中为论文通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。中国科学院广州地球化学研究所、复旦大学、北京大学、德国马克斯·普朗克化学研究所等科研机构的相关学者参与研究。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划中欧国际合作项目的资助。

论文链接: https://doi.org/10.1038/s41561-026-02085-z

供稿：环境科学与工程学院

通讯员：周亦潆

主图：丘妍

编辑：曾昱雯