广州大学地理科学与遥感学院杨涵菲等对全球范围内的SCPs 研究进行系统性回顾，分析近年来相关工作的研究进展，揭示当前研究中的挑战和不足，并为SCPs 在具体应用领域提供新的研究思路和方向。
杨涵菲, 陈秋怡, 董旭辉, 等. 碳球粒沉积记录揭示的人类工业活动: 研究历史、现状与展望[J]. 地球科学进展, 2024, 39(7): 685-701. DOI: 10.11867/j. issn.1001-8166.2024.054.
1.1 SCPs的特性
SCPs 主要由碳构成，耐高温、耐化学侵蚀、难溶于水和常见有机溶剂，具有很强的化学稳定性。SCPs 在物理特性上类似于焦炭（char），化学特性上类似于烟炱（soot），但不同于BC 中的其他组分，SCPs仅来源于化石燃料的燃烧并且具有易于辨识的结构，与焦炭和烟炱是互为不同的物质。从结构上来看，尽管烟炱也是富碳的固体物质，但它们通常为亚微米级颗粒并且在形态上与SCPs 没有相似之处（烟炱颗粒由聚集的球粒组成）。烟炱是生物质以及化石燃料不完全燃烧时由气态碳氢化合物凝结而成的二次聚合物，而SCPs 是原始化石燃料颗粒通过熔炉时发生转化而形成的。从成因上看，SCPs 是在诸如钢铁制造、金属冶炼、石油加工、化学合成和火力发电等重工业活动中形成的，来源于化石燃料（煤炭、石油和油页岩等）高温（>1 000 ℃）下的不充分燃烧，没有自然来源，即木材和生物质燃料的燃烧不会产生SCPs，由此区别于焦炭和木炭。
计数统计后的SCPs 通常会被表述为浓度数据，即每克干燥沉积物中的颗粒数（单位：个/g）。另一类表述方法是将SCPs 的浓度数据乘以对应深度的沉积速率，从而表述为通量/累积率数据（单位：cm-2⋅a-1）。在条件允许时，SCPs 的研究中总是优先使用通量/累积率数据而非浓度数据，原因在于通量数据考虑到了沉积速率的变化对SCPs 浓度数据产生的影响，例如沉积速率的显著增加会使实际的SCPs 浓度发生“稀释”效应。精确来讲，SCPs的浓度数据取决于SCPs 自身的沉降量、沉积物的累积速率和有机质/非有机质值，同时也会受到水体中生物扰动和沉积物集中积聚的影响。为了消除沉积外因和内因的影响，有研究者建议以沉积物中非矿物组分的质量作为分母（例如，化学消解过程中被化学试剂溶解掉的有机物质的质量）来表示SCPs 的浓度，而非整个沉积样品的干重，从而更准确地展现SCPs 浓度变化所反映的工业污染情况。当涉及到空间尺度上SCPs 分布模式的探究和研究点之间的对比分析时，为了有效排除区域差异的干扰因素，也有学者提出使用“ 污染指数”指标（SCP/210Pb inventory）来替代浓度，从而反映整个沉积期间的大气污染程度，便于不同研究点之间的对比。当涉及到时间尺度上的变化时，类似的可以考虑使用SCPs 在整个沉积序列上的累计百分比或称为SCPs 总储量的累计变化。
图2 球状碳质颗粒（SCPs）在地球系统中的传播及沉积
SCPs 来源于工业活动中化石燃料在高温下的不完全燃烧，没有自然来源，因此环境中的SCPs 完全表征了工业来源的大气污染沉降情况。目前大气环境污染研究中的绝大部分SCPs记录来自于湖泊，科学家往往通过3 种方式收集其中的SCPs数据用于环境分析。
SCPs 自身即为一种大气污染物，虽然目前没有直接证据表明SCPs对生物群本身有害，但多孔结构和较大的比表面积使得SCPs 具有很强的吸附能力，是有毒污染物传输和沉降的重要载体。已有研究表明，由于SCPs 对微量金属、PAHs、PCBs和PCDD/Fs 这些具有持久性、生物累积性和毒性的大气污染物的吸附，导致工业活动中排放出的SCPs 也会危害人体健康。除此之外，SCPs 还可能通过多种方式参与环境中的化学反应，从而对生态乃至现代的居住和文化环境产生不利影响。早在1974 年，美国劳伦斯伯克利国家实验室通过室内实验的设计，发现了碳质颗粒在SO2氧化为硫酸盐［通常为H2SO4或（NH4）2SO4］的过程中发挥了重要的催化作用，由此加速了大气中硫酸盐颗粒污染物的形成。
沉积记录中SCPs 的变化代表了工业化进程中化石燃料的燃烧在某些时间节点上发生的重大变化，因此SCPs具有时标意义，已被证明能够为传统放射性核素测年提供良好的检验和补充。
SCPs 作为一种“间接”的沉积物定年方法，可对存在误差的放射性核素定年结果进行校正，亦可作为特定手段对无法利用常规测年方法的沉积岩心进行定年，发挥简单而高效的优势。值得注意的是，利用SCPs 对沉积物进行间接定年存在一个必要的前提条件，即建立一个可供对比校正的“标准曲线”，此曲线可以是具有独立测年的SCPs 沉积序列，也可以是化石燃料消费量或者火力发电量统计数据(图5)。
图5 地质记录中球状碳质颗粒（SCPs）浓度变化与工业统计数据对比
SCPs 仅由高温下化石燃料的不充分燃烧产生，其形态和化学组成特征因燃料类型而异。这与IASs不同，IASs 的化学组成取决于燃料中不燃物质内的原始矿物而非燃料类型。由此，通过对SCPs 进行形态和化学组成特征的分析，能够判断化石燃料种类，进而对排放源进行识别。这些信息能够为针对性减排政策的制定提供依据，为大气颗粒物传输模型提供基础数据。
工业活动产生的SCPs 广泛保存在海洋、湖泊、泥炭和冰芯等多种地质载体中，在反映人为工业污染程度、辅助近现代沉积物定年以及示踪污染排放源等方面具有重要应用。然而在当前的研究进展下，SCPs 研究尚存在若干不足，因此未来仍需开展大量工作以进一步完善。
（1）建立SCPs 的鉴定标准。SCPs 具有独特的黑色、球状和多孔特征，是BC中可被明确识别的组分，但更加微观和精细的形态特征需要通过扫描电子显微镜才能得到精准判别，而实际研究中多通过光学显微镜进行SCPs 的鉴定和计数，存在一定的人为误差。随着全球各地不同地质载体中发现的SCPs 逐渐增多，现有的湖泊沉积物鉴定分析方案已不足以指导未来研究，迫切需要建立新的SCPs 识别与参照标准。
（2）探索SCPs 记录人类活动的全球意义。尽管在地质时间尺度上增加“人类世”的提议暂被否决，但人类长期活动对地球造成的巨大影响却是不争的事实，揭示和阐述人类活动的显著方式及其深远影响，依然是探讨人类活动对地球环境和社会系统影响的关键议题。
（3）探究SCPs 在生态系统中的协同效应。自工业革命以来，人类活动的规模、速度和复杂性显著增强，工业生产、能源消耗和交通运输等活动向大气中排放了大量污染物，对生态环境造成严重影响。SCPs 化学性质稳定，在环境中具有持久性和难以降解性，已被发现在湖泊、湿地、河流和海洋等不同生态环境中存在，具有广泛的分布及潜在的生态影响。
（4）建立可供对比的区域SCPs 年代标尺。当前广泛应用于近现代沉积物定年的放射性核素具有测年范围的限制，以210Pb（半衰期为22.3年）为例，随着时间的推移，210Pb 的测年下限也会相应地向后推移（即测年的时间范围始终限制为最近的150 年），由此会导致210Pb 的测年范围逐渐无法覆盖到整个工业时代。鉴于此，SCPs 定年和放射性核素测年的结合将会成为一种强有力的近代沉积物定年技术，特别是建立典型区域与当地工业发展历程相匹配的SCPs 浓度— 年代标准曲线。
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