中科院地球环境所牛振川STOTEN：高空“碳”秘：秦岭2000米高空CO2及其碳同位素（13C和14C）的垂直变化和来源

大气二氧化碳（CO ₂ ）是最重要的温室气体，其浓度的增加有多少来自化石燃料的排放是当前重要的环境问题。大气CO ₂ 的扩散和积累受到大气边界层的影响，其浓度分布具有空间不均一性。因此，我们不仅要关注近地面CO ₂ 浓度的空间变化，还要重视其垂直方向的浓度分布特征，这对于区域尺度上准确估算CO ₂ 排放至关重要。本研究利用六旋翼无人机搭载自制采样器在我国秦岭北麓采集不同时间0 ~ 2000 m高度范围内的空气样本，揭示了大气CO ₂ 、 ¹⁴ CO ₂ 和 ¹³ CO ₂ 的垂直变化特征和不同化石源和生物源的贡献。接下来，让我们一起探索无人机带来的新视野吧！

通过分析无人机采集的空气样本得到了大气CO ₂ 浓度、 ¹⁴ CO ₂ 和 ¹³ CO ₂ 的垂直分布特征。结果表明，夏季观测期间大气CO ₂ 浓度主要随海拔高度的增加呈下降趋势（图1a），而 初冬观测期间CO ₂ 浓度先升高后逐渐下降，在100 ~ 500 m处观察到浓度峰值（443.4 ± 0.4 ~ 475.7 ± 0.5 ppm） （图1d）。20~1000 m高度范围，初冬观测期间的CO ₂ 垂直浓度变化（21.6 ± 19.3 ppm）大于夏季观测期间（14.6 ± 14.3 ppm）； 20~2000 m高度范围内，CO ₂ 垂直浓度变化最大达到61.1 ppm。Δ ¹⁴ C和δ ¹³ C的垂直分布和CO ₂ 浓度垂直分布基本呈现相反趋势。 夏季观测期，近地面和1000 m的Δ ¹⁴ C值差异较小（0.9 ± 12.8‰）；而初冬观测期大气Δ ¹⁴ C从近地面（-62.2 ± 27.2‰）到200 m（-74.0 ± 22.2‰）逐渐减小，然后呈现增大趋势，1500 m和近2000 m分别为-27.9 ± 16.3‰和-26.2 ± 20.6‰。

图1 大气CO ₂ 浓度、 ¹⁴ CO ₂ 和 ¹³ CO ₂ 的垂直分布特征

Fig. 1 Vertical distribution characteristics of atmospheric CO ₂ concentration, ¹⁴ CO ₂ and ¹³ CO ₂

大气CO ₂ 浓度结合Δ ¹⁴ C得到CO ₂ 垂直剖面中化石源CO ₂ （CO _{2 ff} ）和生物源CO ₂ （CO _{2 bio} ）的贡献。初冬观测期 大气CO _2ff 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CO _2bio 浓度随海拔升高而降低 （图2）。结合δ ¹³ C的观测表明 初冬 CO _2ff （56.1 ± 15.2%）主要来自煤炭燃烧（81.2 ± 3.4%），大气CO _2ff-coal 和CO _2ff-vehicle 浓度也随海拔升高呈现先增加后逐渐降低的趋势 （图2）。区域CO增强（ΔCO）可以通过CO的观测值和背景值的差异来确定。CO _2bio 和ΔCO较强的相关性（r = 0.81, p < 0.01）显示 生物质燃烧是冬季CO _2bio 的重要贡献者 （图3b）。CO _2ff 与ΔCO的相关系数（r = 0.96，p < 0.01）（图3c）强于CO _2bio 与ΔCO的相关系数（r = 0.81，p < 0.01）（图3b），这表明 初冬观测中大气ΔCO的主要来源可能是化石燃料燃烧，生物质燃烧 对初冬观测中大气ΔCO有部分贡献。

图2 秦岭北麓夏冬观测期CO _2ff （煤炭燃烧CO _2ff-coal 、 汽车排放CO _2ff-vehicle ）和CO _2bio 的垂直变化

Fig. 2 Vertical variations in atmospheric CO _2ff from coal combustion (CO _2ff-coal ) and from vehicle emissions (CO _2ff-vehicle ) and CO _2bio concentrations during observations at the northern foot of the Qinling Mountains

图3 夏季和冬季观测期间CO _2ff 和CO _2bio 与ΔCO的相关性分析

Fig. 3 Correlation analyses of CO _2ff and CO _2bio with ΔCO during summer and early winter observations.

气团输送对大气CO ₂ 浓度有很大影响。 夏季和初冬观测期间，区域输送的影响集中在100、200和500米 。为了追踪大气CO ₂ 移动、扩散和可能的来源区域，我们进行了后向轨迹聚类和天气型分析。观测期间100、200和500米高度的后向轨迹聚类分析结果表明，来自 关中盆地的短程气团是夏季和初冬观测期间CO ₂ 垂直剖面的重要贡献者 （图4a、4b）。天气型分析结果表明，在初冬观测期间，西北冷锋从11月26日到28日逐渐靠近观测点，然后掠过观测点，导致11月30日的CO ₂ 浓度较低（图4c）。综上， 观测期间CO ₂ 垂直剖面受到关中盆地短程气团和冬季冷锋的影响 。

图4   （a）和（b）:夏季和冬季观测期间，对观测地点的CO ₂ 48小时气团后向轨迹进行聚类分析; （c）:冬季观测期间的天气型

Fig. 4  (a) and (b):The cluster analysis of 48-h air mass back trajectories of CO ₂ at the observation site in summer and early winter observations; (c) The pictures of synoptic pattern during the early winter observations

本研究可提高我们对我国土壤重金属污染状况的认识，为进一步治理和减少土壤重金属污染提供重要信息。本研究利用无人机平台搭载自制采样器在我国秦岭北麓采集不同时间、不同高度的气体进行大气CO ₂ 及其碳同位素（ ¹³ C、 ¹⁴ C）的垂直观测（< 2000 m）（图1），进而揭示了秦岭北麓大气CO ₂ 的垂直变化特征、不同来源的贡献以及传输的影响。研究结果可用于建立大气CO ₂ 和CO _2ff 的三维图像，校准和验证卫星测量以及验证全球碳循环模型，也可为制定碳减排战略提供科学支持。