棕色碳（Brown Carbon，BrC）是大氣氣溶膠中一類在紫外-可見(jiàn)光波段具有較強(qiáng)光吸收，且其吸光特性呈現(xiàn)顯著的波長(zhǎng)依賴性的有機(jī)碳組分，廣泛存在于氣溶膠、云、霧和雨水等介質(zhì)中。作為重要的大分子有機(jī)質(zhì)，BrC不僅可以直接吸收和散射太陽(yáng)輻射，影響地球的能量收支平衡，還可以影響顆粒的吸濕性生長(zhǎng)，云凝結(jié)核和冰核形成，從而大氣環(huán)境和氣候變化。另外這類大分子有機(jī)質(zhì)還會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生活性氧物質(zhì)，對(duì)人類健康產(chǎn)生很大危害。

　　大氣BrC的來(lái)源很多，其中生物質(zhì)和化石燃料燃燒被認(rèn)為是最主要的一次排放源。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)都是以煤炭資源為主要燃料的能源結(jié)構(gòu)，根據(jù)中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局（2016）的數(shù)據(jù)，煤炭消耗量（4000Tg）占中國(guó)總能源的68%，其中93Tg煤用于冬季和全年做飯的家用燃料（NBSC, 2016）。家用燃煤的大范圍使用導(dǎo)致大量的污染物排放，受到了相關(guān)專家的高度關(guān)注并開(kāi)展了很多研究。然而這些工作主要集中在燃煤排放的有機(jī)碳、黑碳和多環(huán)芳烴等污染物，對(duì)燃煤排放BrC的研究則比較缺乏，對(duì)其排放特征認(rèn)識(shí)不深。近期中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所彭平安團(tuán)隊(duì)副研究員宋建中、博士李美菊選用不同成熟度燃煤（散煤和蜂窩煤），在家用煤爐進(jìn)行燃燒并采集排放的顆粒物樣品，對(duì)樣品中不同BrC組分（水溶性有機(jī)碳（WSOC）、水溶性類腐殖質(zhì)（HULIS_w）、堿溶性有機(jī)質(zhì)（ASOC）、甲醇溶解有機(jī)質(zhì)（MSOC）的含量、化學(xué)和光學(xué)特征等進(jìn)行系統(tǒng)研究，取得以下認(rèn)識(shí)：

　　（1）家用煤的燃燒是大氣棕色碳的重要排放源，其含量和吸光性特征主要受燃煤成熟度的影響，而煤的形狀則影響不大。在本研究中，不同的BrC組分如WSOC、HULIS_w、ASOC含量均隨著煤成熟度的增加顯示一個(gè)“啞鈴型”的變化趨勢(shì)（圖1）。另外，不同BrC組分的吸收光譜特性與燃煤的成熟度具有直接的相關(guān)性，例如低成熟度燃煤排放的WSOC和MSOC組分具有相對(duì)較低的吸光能力。研究還發(fā)現(xiàn)，不同溶解性質(zhì)的BrC組分的光學(xué)性質(zhì)也具有較大差異，與WSOC相比，ASOC和MSOC均具有較低的AAE值和較高的SUVA₂₅₄和MAE₃₆₅值，表明后者具有較低的波長(zhǎng)依賴性和更強(qiáng)的芳香性和光吸收能力。

　　（2）進(jìn)一步利用傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀（FT-ICR MS）研究了WSOC和MSOC組分的分子特征，探討了煤的成熟度對(duì)排放物質(zhì)分子組成的影響以及有機(jī)質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與吸光性的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，家用煤燃燒來(lái)源WSOC和MSOC均包含一系列復(fù)雜的有機(jī)大分子物質(zhì)，m/z分布范圍在150–600，平均分子式分別為C_14-16H_16-18O_4.5-5.6N_0.17-0.33S_0.66-0.88（WSOC）和C_19-21H_19-21O_2.3-3.9N_0.15-0.25S_0.05-0.23（MSOC）。顯然，WSOC和MSOC組分具有不同的分子組成，WSOC含有較多的O和S，而MSOC則含有較多的C和H。根據(jù)元素組成，這些有機(jī)物可以分為CHO、CHON、CHOS和CHONS等化合物。其中WSOC含有較多的含S化合物（CHOS和CHONS）（65–87%），而MSOC組分則含有較多的CHO和CHON化合物（79–96%）。與環(huán)境樣品相比，家用煤燃燒排放的水溶性有機(jī)物中含有明顯多的含S化合物，表明煤燃燒排放可能是大氣HULIS含硫成分的重要來(lái)源。值得注意的是，在CHOS化合物中，超過(guò)90%的CHOS化合物的O/S原子比大于4，表明了有機(jī)硫酸酯結(jié)構(gòu)的大量存在。因此，研究人員認(rèn)為家用燃煤可能是大氣含硫化合物，特別是有機(jī)硫酸酯的重要來(lái)源之一。

　　研究還發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)的分子特征受到煤成熟度的影響。低成熟度煤燃燒產(chǎn)生的大分子有機(jī)質(zhì)含有較低的芳香性結(jié)構(gòu)和較多的含氧極性基團(tuán)。另外有機(jī)質(zhì)的分子特征與其吸光性表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，具有較高芳香性、較低O/C比值和較低極性的有機(jī)組分具有較強(qiáng)的吸光性。另外從分子組成上看，CHO和CHON對(duì)吸光性的貢獻(xiàn)較大，特別是CHON具有較高的吸光能力。

　　綜合來(lái)看，該研究提供了有關(guān)家用燃煤燃燒排放的棕色碳的光學(xué)和分子特征信息，對(duì)于更好地理解家用煤燃燒排放對(duì)大氣棕色碳的影響具有重要的意義。上述成果發(fā)表在國(guó)際期刊Environmental Science & Technology上，得到國(guó)家自然科學(xué)基金委課題（41390240, 41673117, 41473104）和有機(jī)地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主創(chuàng)新課題等的資助。

　　論文鏈接：1 2  

圖1 不同成熟度家用煤燃燒的排放特征

圖2 不同類型BrC分子的DBE與碳數(shù)分布圖

圖3 BrC分子結(jié)構(gòu)與吸光性的相關(guān)性分析