近日，南京大学表生地球化学团队在人类活动对碳循环影响的研究中取得重要进展，最新研究成果以”Coal fly ash is a major carbon flux in the Chang Jiang (Yangtze River) Basin”为题于2021年5月17日发表在国际一流综合性学术期刊《美国科学院院报》(Proceedings of the National Academy of Sciences)。该研究表明，燃煤形成的粉煤灰具有潜力成为新的稳定碳汇，从新的角度揭示了人类燃煤对碳循环的影响。
煤炭是化石有机碳（fossil organic carbon）的主要形式，又称“老碳”，由光合作用产物经过漫长地质作用改造而成，是地球主要的碳储库之一。地层中的老碳在剥蚀风化过程中易于氧化，释放温室气体二氧化碳。在燃煤过程中，煤炭中的老碳经历高温灼烧改造，一部分被燃烧氧化成二氧化碳并排放，一部分存留在粉煤灰中（图1-图2）。粉煤灰老碳可以再次进入自然环境并参与碳循环，但人们对其活性和通量仍知之甚少，粉煤灰源老碳如何影响全球碳循环仍然有待揭示。
针对这一问题，表生地球化学团队以我国长江流域为研究区域进行了长期监测，系统采集分析了河流泥沙、三角洲沉积物、岩石、粉煤灰与植被样品，研究采用化学氧化、热裂解氧化以及拉曼光谱等技术对样品中的老碳进行了全面表征（图3），并结合水文、煤炭消耗数据进行计算。研究发现：1）在模拟自然氧化的化学氧化实验中，粉煤灰老碳难被氧化、损失量低，而页岩源老碳以及沉积物、植被中的有机碳易被氧化、损失量高；2）粉煤灰老碳活化能主要分布在~200-280 kJ/mol，高于页岩老碳的活化能（主要分布在~160-200 kJ/mol）；3）粉煤灰老碳主要以石墨或者与矿物结合的形式存在；4）1950年至2008年间，长江流域粉煤灰产量快速增长，截止2008年，长江输送进入东海的粉煤灰老碳已经与长江泥沙携带的自然源老碳通量相当。上述结果表明，经高温灼烧而成的粉煤灰老碳化学性质稳定，难被氧化降解，通量可观，具有成为新的稳定碳汇的潜力。
该研究由季峻峰教授和陈骏院士课题组主导，其它合作单位包括美国加州理工学院、南加州大学、伍兹霍尔海洋研究所、波士顿学院以及莱斯大学。南京大学表生地球化学教育部重点实验室为第一署名单位与通讯单位。项目得到了国家重点研发计划项目（2017YFD0800300）和加州理工学院Foster and Coco Stanback基金会和Resnick Sustainability Institute的支持。
论文链接：https://www.pnas.org/content/118/21/e1921544118
图1：山西地区某热电厂的粉煤灰堆（摄于2010年）。图片来源：绿色和平组织赵钢
图2：南京地区热电厂的粉煤灰库（摄于2021年）。图片来源：南京大学赵良教授
图3:长江流域粉煤灰、页岩、沉积物等样品的地球化学特征。A:粉煤灰有机碳含量频率分布图；B:粉煤灰拉曼光谱图；C:粉煤灰与页岩样品活化能分布图；D:粉煤灰以及其它样品化学氧化系数与有机碳含量关系图。图片来源：Li et al., 2021, PNAS
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