地球環境研究所提出量化有機碳來源的新手段

有機碳是全球碳循環的重要組成部分。不同來源的有機碳在形態、年齡和特性上存在差異，因此，它們在地表碳循環中的角色也各不相同。例如，在地質時間尺度上，源自土壤和植被的生物有機碳的侵蝕、搬運和埋藏是重要的碳匯過程，而巖石有機碳氧化則是地質碳源；在短時間尺度上，氣候變化和人類活動對土壤碳庫的擾動，會影響大氣二氧化碳的濃度及氣候變化。

因此，在研究碳循環時，區分不同來源的有機碳顯得尤為重要。傳統分析方法，如碳氮元素比值和同位素分析，雖然已廣泛應用，但在某些情境下，這些方法無法有效區分不同來源的有機碳。特別是在巖石、土壤和植物的放射性碳和穩定碳同位素值高度重疊時，或者在同類端元成分差異較大時，這些方法的效果大打折扣。

中國科學院地球環境研究所金章東研究團隊，聯合上海交通大學和西北大學，提出熱裂解/氧化（Ramped Pyrolysis/Oxidation, RPO，圖1）示蹤有機碳來源的新手段。該團隊建立了一種基于RPO熱譜圖（逐步加熱有機物并記錄其在不同溫度下裂解/氧化速率的變化）的多端元混合模型，通過將端元物質的熱譜圖混合轉變為矩陣計算，從而量化不同有機碳端元的貢獻（圖2）。

圖1 地球環境研究所的熱裂解/氧化（RPO）裝置

圖2 基于RPO熱譜圖的混合模型的計算過程

研究團隊對巖石、土壤和植物樣品進行了二端元、三端元和四端元的混合實驗（圖3）。結果表明，通過混合模型計算出的各個端元的貢獻比例和實際比例的偏差均小于5%，證明了這一方法的可行性和可靠性。

圖3 端元混合實驗。左邊為混合實驗的端元物質和混合物的熱譜圖，右側為模型計算結果和實際結果的比較。

進一步，研究團隊將這一方法應用于量化青海湖布哈河顆粒有機碳的來源。通過流域內懸浮物、土壤、植被和基巖的RPO分析，利用混合模型，得到了土壤、植被和巖石對布哈河顆粒有機碳的貢獻分別為89±3%、4±3%和6±3%。同時，結合懸浮物的14C同位素分析，估算出侵蝕的土壤有機碳的平均14C年齡為2,800±440年，揭示了在全球變暖的背景下，青藏高原陳化有機碳正在被河流侵蝕輸出。

本研究建立了基于RPO熱譜圖的端元混合模型，證實了當傳統的氮碳比和碳同位素在復雜的多源系統中難以有效區分來源時，RPO熱譜圖是定量地解析有機碳來源的有效方法，為有機碳來源示蹤提供了新的手段。

該成果發表在GeophysicalResearch Letters上。汪進研究員為第一作者，金章東研究員為通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金（42322305）和科技部重點研發項目（2022YFF0800500）的聯合資助。

Wang, J., Zhang, F., Cui, X., et al. (2025). Tracing organic carbon sources with ramped pyrolysis/oxidation. Geophysical Research Letters, 52, e2025GL115321.

https://doi.org/10.1029/2025GL115321