追踪炸弹高峰衰减：基于植物样本的14C示踪研究揭示人为碳排放对大气环境的影响

《Radiocarbon》：Fading of the 14 C bomb peak – students’ project to observe the Suess effect

本刊推荐：为监测人为活动对大气14C浓度的持续影响，研究人员通过学生项目在全球范围收集植物样本开展示踪研究。结果显示城市区域存在2-10%的化石碳稀释效应，并首次系统记录到炸弹高峰信号的全球性衰减趋势。该研究为环境监测和碳循环研究提供了低成本高效益的技术路径。

　　

在人类文明发展的漫漫长河中，我们从未像近两个半世纪这样深刻改变着地球的化学组成。工业革命的滚滚浓烟不仅标志着技术的飞跃，更悄然改写着大气中碳元素的同位素密码。其中，放射性碳同位素(¹⁴C)的自然平衡被两种截然不同的人为活动打破：18世纪中期开始的化石燃料燃烧导致"苏斯效应"(Suess effect)，以及20世纪中期热核试验产生的"炸弹高峰"(bomb peak)。这两种效应如同交织的指纹，记录着人类活动对地球系统的深刻影响。

随着全球碳排放持续增长，一个关键科学问题日益凸显：炸弹高峰信号将如何演化？其衰减过程能否揭示化石燃料排放对当代碳循环的支配作用？来自苏黎世联邦理工学院的研究团队通过一项持续十年的创新项目，利用植物样本作为天然记录仪，在全球尺度上追踪了这一过程。研究成果发表于《Radiocarbon》期刊，为理解人为碳排放的环境效应提供了独特视角。

研究方法的核心在于将植物样本作为大气¹⁴C的天然集成器。研究人员建立了包含150余个样本的全球收集网络，样本类型包括树叶、花朵和草类，采集地点覆盖从城市中心到偏远地区的多样化环境。所有样本均采用简化的前处理流程：首先使用0.5M HCl在60°C下处理1小时以去除表面碳酸盐污染，经超纯水清洗后冷冻干燥，最后通过元素分析仪燃烧转化为二氧化碳。关键的¹⁴C分析使用加速器质谱(AMS)技术完成，包括MICADAS和LEA两种系统，测量结果以F¹⁴C格式标准化。

样本地理分布特征

研究样本主要来自三个重点监测区域：苏黎世城市中心(409米海拔)、苏黎世联邦理工学院洪格堡校区(520米海拔)和苏黎世郊外的博佩尔森村(521米海拔)。此外还包括来自欧洲、非洲、亚洲、美洲和澳大利亚的全球采样点。这种设计使得研究既能捕捉局部环境变异，又能评估全球趋势。

ETH科学城校区监测结果

位于森林山丘上的洪格堡校区本应具备清洁大气环境，但监测数据显示持续的化石碳稀释效应。HPM建筑旁的波斯铁木多年监测显示1-2%的化石燃料稀释分数(%fF)，而草本植物和花朵的稀释效应更为显著，最高达到2.5%。值得注意的是，校园内不同位置的稀释程度存在明显差异：靠近森林的区域(HPK建筑)和蜂箱所在地点显示出较低稀释值，表明植被覆盖对空气质量具有改善作用。

博佩尔森与瑞士其他地区

郊外村庄的样本显示出较低且稳定的稀释水平(%fF介于-0.4%至1.4%)，证实了远离城市中心区域的空气质量优势。然而，2023年11月在"清洁"地点采集的样本出现异常高值，暗示局部污染事件的可能。瑞士全国范围内的监测揭示了更大幅度的空间变异：高速公路加油站附近的样本显示3.1%的高稀释度，而苏黎世阿尔特斯特顿繁忙街道旁的样本也达到2.9%。有趣的是，仅相隔不远的巴赫维森公园样本仅显示1.1%稀释度，证明污染源的局地性特征。

全球尺度观测

除欧洲外的样本虽然数量有限，但揭示了重要的地理规律。曼谷样本表现出10.5%的极端高值，的里雅斯特样本为5.6%，其他地区多在4%以下。这些数据与已有研究相互印证，表明发展中国家快速城市化地区的碳排放影响尤为显著。南半球样本的分析虽然受到背景值选择限制，但仍显示出与北半球类似的衰减趋势。

研究通过计算化石燃料稀释分数(%fF)量化了人为影响程度，公式为：%fF=(1-F¹⁴C_sample/F¹⁴C_clean)×100%，其中清洁背景值采用少女峰(JFJ)监测站数据。这种方法有效区分了自然变异与人为贡献，为环境评估提供了量化工具。

这项历时十年的观测研究首次通过标准化植物样本网络系统记录了炸弹高峰信号的全球性衰减。数据显示，大气¹⁴C浓度正在向工业化前水平回归，但这种回归并非自然过程的恢复，而是化石燃料排放持续主导碳循环的结果。研究证实植物样本作为大气¹⁴C监测工具的可靠性和经济性，特别适用于偏远地区和长期监测项目。

从科学视角看，这项工作建立了连接教育实践与前沿研究的成功范式。学生参与的样本收集和分析过程不仅产生了高质量科研数据，更培养了新一代环境科学家的实践能力。从应用价值看，研究方法为区域环境评估、城市规划优化和碳排放政策制定提供了技术支撑。作者提出的"叶片收集指南"标准化了采样流程，为公民科学项目的推广奠定了基础。

随着全球碳中和进程的推进，炸弹高峰信号的演化将继续为我们提供独特的观察窗口。这项研究开创的监测方法将有助于验证减排措施的实际效果，为评估人类活动对地球系统的影响提供关键证据。正如作者所指出，如果化石燃料排放持续高位运行，本世纪末的生物体F¹⁴C值可能降至0.8左右，这将从根本上改变放射性碳测年在法医学、艺术鉴定和考古学等领域的应用前景。