人类世生物地球化学循环及其科学

地球已进入新的地质时代——“人类世”,人类已成为全球变化的主要驱动力。人类活动导致的地球生态系统的生物地球化学过程及关键生源要素的生物地球化学循环的改变直接或间接地影响着地球生态系统的关键功能,给人类福祉和可持续发展带来诸多威胁。本文基于地球系统科学研究的新进展,综述了人类世全球变化特征、生物地球化学循环在地球系统各圈层演化中的作用及其变化规律。特别关注了自然资源开发利用、生产和消费模式改变等人类活动对生物地球化学循环的影响,以及由此产生的气候、生态和环境效应。研究表明,应对人类世全球变化需要系统理解人类活动作为主要驱动力的多要素和多尺度生物地球化学循环过程及其生态和环境效应,基于地球系统科学的理论与方法开展针对人类世社会-生态系统的自然科学和社会科学的交叉融合研究。在文末提出了人类世生物地球化学研究的优先领域和方向,并强调解决受人类活动和气候变化高度影响下人类世生物地球化学循环的各种复杂科学问题的迫切性和重要性。

陆地高分辨率水文—生物地球化学过程CNMM-DNDC三维模型的研发及应用进展

CNMM-DNDC模型是本文作者团队研发的陆地高分辨率水文—生物地球化学过程三维模型。本文系统介绍了建模背景和理念、核心过程和模型特点、模拟功能和观测验证、多尺度区域或流域初步应用以及未来发展展望。自2018年刊发首个版本以来,该模型经过了多方面科学过程改进和模拟功能扩展,在元素化学反应、物质相变和机械迁移等基本物理、化学、生物过程层面,完成了对陆地表层系统碳氮磷水循环全耦合的精细刻画。迄今开展的观测验证表明,CNMM-DNDC模型基本普适于不同生物气候带(从热带到寒区多年冻土地带)的流域或区域长时间序列“三高”(时间、空间和过程高分辨率)综合模拟,实现对陆地生态系统的碳、氮、磷、水三维运移、水土流失、水力驱动溶解态和颗粒态碳氮磷横向迁移、碳氮温室气体和污染气体排放、生态系统生产力、水分蒸散发和水分能量平衡等众多可持续发展目标表征变量的预测。该模型广泛推广应用于多尺度区域或流域的复杂过程虚拟科学试验研究和服务于面向生态环境建设与减污降碳的优化调控决策,可望为协同落实联合国多个可持续发展目标提供先进的数值模拟技术支撑。

红枫湖流域农业面源污染治理的生物地球化学垒体系构建初探

在点源污染得到有效控制后,流域内农业面源污染逐渐成为了湖库氮、磷等营养物质外源输入的主要贡献者。本研究选取红枫湖流域农田土壤为研究对象,对其添加改良剂并种植植物来构建生物地球化学垒,并对其氮、磷拦截效应进行了综合评估。研究结果表明,添加Al_(2)(SO_(4))_(3)、CaCl_(2)与钠基膨润土显著提高了土壤对NH_(4)^(+)-N、NO_(3)^(-)-N和磷的拦截率,降低其流失程度。其中,对土壤添加CaCl_(2)改性钠基膨润土并种植植被构建的生物地球化学垒,对NH_(4)^(+)-N、NO_(3)^(-)-N和磷的综合拦截效果最佳,截留率分别为87%、95%、93%。而添加了FeSO_(4)的土壤,NO_(3)^(-)-N的淋失程度增强,不宜选取。种植植物后,植物生长对土壤中氮和磷有一定的活化作用,导致模拟径流中NH_(4)^(+)-N和溶解性磷浓度较种植植物前升高,但是均低于对照组。而且种植植物后经改良的土壤单元有效磷(Olsen-P)较种植植物前显著降低,也反映出植物对土壤磷的活化利用。综上表明,通过对土壤添加Al_(2)(SO_(4))_(3)、CaCl_(2)与钠基膨润土并种植适生植物(黑麦草和白花三叶草)来构建生物地球化学垒,可以实现红枫湖小流域内的氮、磷等污染物拦截和植物生长两相促进,从而有效、持续拦截土壤氮、磷,降低其流失程度,对实现农业面源污染的可持续治理具有重要意义。

铀元素微生物地球化学循环研究进展

铀元素是地球上广泛分布的放射性重金属元素之一,其地球化学循环过程受到多种微生物的调控。重点综述了微生物在铀元素形态转化过程中的作用机制,包括还原固定、非还原固定、氧化迁移及非氧化迁移。通过自然环境中铀元素-微生物之间相互作用的探讨,分析了铀元素的迁移、转化和富集机制,从而为铀矿资源勘探开发、放射性含铀废料安全处置及重金属铀污染防治修复提供指导性意见。

海洋镉生物地球化学循环研究进展

镉是一种重要的有毒重金属元素,对生态系统和人体健康造成严重威胁.目前已有学者对土壤、大气、植物等介质中镉的环境行为进行了综述,而对海洋镉循环的系统梳理较少.本文综述了海洋中镉的来源、浓度分布与影响因素、镉生物地球化学循环过程及镉同位素在海洋中的示踪应用,并对海洋镉循环未来研究方向进行了展望.在现有研究的基础上,未来应在镉全球海洋大尺度循环、迁移转化及微观动力学机制方面开展更深入研究.海洋镉及其同位素生物地球化学循环的研究可为深入理解镉的环境行为与风险和发展有效的镉污染风险防控技术提供科学依据和数据支撑.

海洋沉积物孔隙水硫酸盐的硫、氧同位素组成及其对硫生物地球化学过程的指示

海洋沉积物中由微生物硫酸盐还原作用(MSR)驱动的碳、硫耦合作用及甲烷消耗,是影响全球碳、硫循环和气候变化的关键生物地球化学过程。准确认识微生物硫酸盐还原代谢过程及其环境影响因子,是探究MSR驱动的碳、硫循环及生态环境效应的重要基础。沉积物孔隙水中硫酸盐的硫、氧同位素组成是揭示MSR过程及其驱动的硫循环的重要方法。本文从细胞内代谢途径和胞外硫循环过程角度,厘清影响孔隙水硫酸盐硫、氧同位素组成的硫的生物地球化学过程,阐述其在示踪有机质驱动和甲烷驱动的硫酸盐还原过程类型及“隐秘”硫循环的意义,为探究微生物硫酸盐还原作用在地球表层环境演化中的作用提供新启示。

全球变化背景下的河流生态系统代谢与碳生物地球化学研究

河网连结了陆地、海洋与大气,形成了最大规模的生物地球化学联系。目前,对于河湖流域在全球碳循环中作用的了解仍然有限,难以预测全球变化(气候变化、土地利用变化、径流调控)对河流固碳与温室气体排放的时空分布影响。回顾了河流生态系统代谢的研究现状,综合当前对河流生态系统代谢量的最佳估算结果,对由陆地到全球河流的有机碳与无机碳通量进行量化,结果表明:净生态系统生产力(NEP)与二氧化碳排放改变了陆地到近岸海洋碳循环过程中的有机碳与无机碳平衡。

“双碳”战略下的生物地球化学循环教学改革

在“双碳”战略下,教育部提出要构建高校碳中和人才培养体系。文章结合生物地球化学循环的教学实践,分析该课程当前的现状,将双碳理念和实践融入课程教学体系中,从教学内容、教学模式及课程评价体系等角度进行探讨,提出在“双碳”背景下的教学改革措施,以提升课程教学质量,激发学生潜能,助力“双碳”时代新型高素质人才的培养。

河套地区砷生物地球化学特征及机理研究

近年来,高砷地下水引起的慢性砷中毒事件在国内外时有发生,我国的新疆、山西大盆地、内蒙古河套平原等地的人们多年来深受其害(Bhattacharya,2007;Karin,2002;Wang,2006;高存荣,1999;赵伦山,2007)。针对高砷地下水引起慢性砷中毒以及目前国际砷研究的热点,就河套平原这一典型的水砷异常区,开展了砷生物地球化学过程及特性研究,研究了环境介质、动物、人体中砷的分布情况,探索水、

农业生物地球化学——新兴的边缘学科

简述农业生物地球化学(生物地球化学的分支学科)的内涵,并提出建立可持续性发展的生物地球化学营养工程模式。该工程的实施对于发展21世纪的富素绿色有机农业、富素绿色有机食品提高人类健康水平和促进农业经济产业化具重要的现实意义并将产生深远的影响。

“人类-生物地球化学循环”概念

人类参与对自然的作用,改变原有的地球化学平衡,形成新的生物地球化学过程———"人类-生物地球化学过程"。这是地球生态系统进化的质变。它对人类在地球上生存提出严重挑战。

喀斯特生态系统生物地球化学过程与物质循环研究:重要性、现状与趋势

喀斯特地质与生态系统是地球表层系统中的重要组成部分,其变化将对其他地区以及整个地球系统产生影响.生物地球化学循环是全球和区域变化研究的核心内容,而生态系统的演化与系统内水分和养分的生物地球化学循环密切相关。因此,我们有必要将喀斯特生态系统纳入到更大区域或全球生态系统中进行分析研究,在充分研究认识整个喀斯特生态系统物质生物地球化学循环规律的基础上,进一步研究喀斯特生态系统的全球变化响应或影响机制,为喀斯特生态系统优化调控对策和措施提供科学基础。研究生态系统演化过程中物质的生物地球化学循环规律,是研究植物适生性、物种优化配置和适应性生态系统调控机理的关键基础。在介绍前人工作基础的同时,本文全面而概括地总结了我们近年利用元素、同位素(如δ13C、δ15N、δ34S、87Sr/86Sr)示踪和化学计量学理论和方法对喀斯特生态系统中不同界面和流域中物质的生物地球化学循环及其生态环境效应的研究成果。认识到:喀斯特流域生物地球化学循环活跃,相互耦合,并与流域生态环境变化相互制约;人类活动正干预流域物质的自然生物地球化学循环过程,并导致相应的生态和环境效应;全球变化科学深化有赖于区域生态环境变化及物质生物地球化学循环的研究。这些认识是我们将来系统深入开展喀斯特以及其他流域生态系统物质生物地球化学循环研究的重要方向。

胶州湾沉积物中氮与磷的来源及其生物地球化学特征

通过对比分析和相关分析对沉积物中氮、磷含量、OC∶TN、TN∶TP进行了研究,探讨了胶州湾沉积物中氮、磷的来源及其生物地球化学特征。研究表明,胶州湾表层沉积物中总氮、总磷的变化趋势一致,即从湾内到湾外含量依次降低,其中总氮依次为0.41、0.25、0.20mg/g,总磷的含量依次为0.29、0.24、0.22mg/g。在整个柱状样中总氮、总磷平均含量的变化也和表层基本一致,有机氮在大部分层次占总氮的50%—70%,无机磷所占总磷的比例一般大于60%。根据沉积物OC∶TN比、氮、磷的垂直分布可以判断湾内和湾口沉积物中的氮主要是陆源的,海洋自生的氮分别占28.9%和13.1%,湾外的氮主要是自生的,海洋自生的氮占62.1%。与氮相比,磷主要是陆源的,但在湾外海洋自生磷的比例明显高于湾内。悬浮颗粒物的组成也证明了湾内沉积物中氮、磷主要是陆源的。沉积物中OC∶TN值的垂直变化也反映了近年来胶州湾物质来源的变化特征,即河流来沙急剧减少,沿岸倾倒垃圾不断增多,后者已经取代前者成为胶州湾主要的沉积物来源。另外,沉积物中TN和TN∶TP的垂直变化也和近年来胶州湾水体中营养盐含量的变化相一致。胶州湾不同地区氮、磷的沉积通量相差很大,湾口的沉积通量最大,而湾外的沉积通量最小;在表层沉积物中,氮的矿化速率高于磷,有机磷的矿化速率大于无机磷,但有机氮的矿化速率并不一定大于无机氮。OC、pH、Eh、Es等环境因素影响氮、磷的矿化,但在不同海区影响程度并不相同。

环境中硒的生物地球化学循环和营养调控及分异成因

硒是环境中重要的生命元素,它在环境中含量水平的高低直接影响着人及动植物的健康安全。结合国内外资料及最新的研究进展,阐述了环境中硒的生物地球球化学循环,包括环境中硒的生物地球化学循环特征,土壤中硒的含量分布、形态及有效性,大气和水环境中硒的形态分布,植物体中的硒及其对硒的吸收关系;讨论了低硒高硒环境中硒营养水平的调节及环境分异的成因,诸如母质类型、气候特征、风化淋失、气体挥发、土壤质地和地力耗竭等方面;并提出了环境中硒研究的前沿及今后关注的热点问题,以促进今后环境中硒的研究。

西双版纳热带季节雨林生态系统氮的生物地球化学循环研究

用小流域集水区和物质平衡方法 ,于 1999年对西双版纳热带季节雨林生态系统的氮素循环进行了初步研究。西双版纳季节雨林生态系统的氮库总储量为 6 4 81.2kg·hm-2 ,其中活体生物量、凋落物层和土壤 (0～ 30cm)中的氮储量分别为 970 .9、37.7、5 4 81.2kg·hm-2 。土壤中的氮占生态系统氮总储量的 84 .4 % ,活体生物量占 15 .0 % ,凋落物层仅占 0 .6 %。结果表明季节雨林的氮主要分布在土壤中 ,而在生物量中只占很少部分。大气降水、林内穿透水、树干流及地表径流的氮含量分别为 0 .5 6 5、0 .82 8、0 .983和 1.0 4 2mg·dm-3 ,氮通量则分别为 8.89、10 .97、3.5 7、5 .95kg·hm-2 ·a-1。大气降水输入氮 8.89kg·hm-2 ·a-1,径流输出氮 5 .95kg·hm-2 ·a-1,收支平衡 (输入—输出 )为2 .94kg·hm-2 ·a-1。氮的生物循环 :吸收为 14 9.86kg·hm-2 ·a-1,存留为 6 9.30kg·hm-2 ·a-1,归还为 80 .5 6kg·hm-2 ·a-1,循环系数为 0 .5 4。结果表明未受干扰的季节雨林生态系统处于氮积累的状态 ,有利于该生态系统的稳定与持续发展。

潮滩沉积物重金属生物地球化学研究进展

潮滩是一个物理、化学以及生物条件复杂多变的场所 ,重金属在这个特殊的环境中有着独特的地球化学行为及其生物有效性。笔者意在对该领域的研究成果进行阐述 ,并指出该领域中研究比较薄弱的环节以及将来的发展方向 。

南黄海沉积物中氮、磷的生物地球化学行为

于2004年10月采集南黄海4个站位的柱状沉积物和29个站位的表层沉积物,用氧化浸取分光光度法研究了自然粒度下沉积物中的氮、磷分布特征以及控制其分布的生物地球化学机制。结果表明,多数站位随着沉积深度的增加,沉积物中氮、磷浓度趋于稳定。4个站稳定时氮浓度平均约为289μg/g,磷约为329μg/g,平均稳定浓度出现的沉积层次分别为氮>30cm,磷>22cm。氮、磷垂直分布形状的规则性与沉积速率密切相关,沉积速率越小的站位,其氮、磷垂直分布愈规则;海洋沉积物中的氮主要来源自海洋生物的代谢,而磷与陆源碎屑输入密切相关。氮与沉积物粘土含量、浮游动物生物量干重有明显的正相关关系。海水中浮游动物干重每增加1mg/m3,则沉积物中氮浓度增加5.64μmol/g,磷不存在这样的关系。沉积物中氮的早期成岩速率远高于磷,在沉积物海水界面附近氮约为磷的7.4倍。海水浮游生物生物量与沉积物中氮的早期成岩类型密切相关,在所研究的2004年秋季海水中,浮游动物生物量干重19mg/m3是沉积物中氮早期成岩类型转变的界限值,小于这一界限值,水体中的氮趋向于向沉积物中凝聚;大于19mg/m3,则沉积物中的氮趋向于向水体释放。

长白山岳桦林化学元素生物地球化学分析

从化学元素生物学和地球化学分类的角度，分析了大量营养元素、必需微量元素、可能必需元素、非必需元素和有毒元素在岳桦（Ｂｅｔｕｌａｅｒｍａｎｉ）体内的含量特征和变化规律。结果表明：大量营养元素在岳桦体内的含量高于其它几类元素的含量；在新陈代谢旺盛的叶片中各类型元素含量均高于其它器官；化学性质和地球化学性质相近、生物学功能相似的大量营养元素和必需微量元素在岳桦不同器官中的含量变化具有相似的规律；其它三种类型的元素变化无规律可循，表明植物所必需的元素在植物体内的变化是按一定规律进行的；在不受人为因素干扰的情况下，它们之间处于相对平衡状态。

湿地系统氮的生物地球化学研究概述

系统地回顾了湿地系统氮的生物地球化学循环的研究进展。在氮的输入与累积方面,概述了湿地的大气干湿沉降、湿地有机氮素的矿化、植物累积与枯落物分解以及氮的湿地迁移转化的过程及影响因素等。分析了湿地氮的硝化、反硝化过程,并对湿地土壤水分、水位、温度、pH、Eh、有机质含量、土壤质地、土壤基质以及植被类型等影响因素进行了深入的分析和讨论。并分析了湿地氮各种存在形态的生态效应,展望和提出了湿地氮生物地球化学研究的方向和重点。