地球关键带土壤微生物介导有机碳转化研究进展

地球关键带是大气圈、生物圈、土壤圈、水圈、岩石圈高度交汇和相互作用的地球表层复杂系统,也是联结气候系统-地表过程-地球深部过程物质和能量循环的重要桥梁,微生物在地球关键带碳循环中扮演着重要角色,认识地球关键带结构与功能,阐明关键带土壤微生物介导的碳转化过程是当前关键带研究热点之一。本研究首先介绍地球关键带的结构与范畴,以及土壤微生物结构特征、微生物驱动的土壤碳循环研究进展;然后指出当前工作仍停留在地球关键带的基本结构认识和土壤碳储量特征描述上,建议从关键带整体框架出发,沿垂直方向综合考虑从植物冠层到基岩之间的碳循环过程,联合使用多种技术方法,将短期高频次观测和长期定位观测相结合,重视长时间尺度下土壤有机碳对全球变化和人类活动的响应及反馈机制,特别关注土壤碳在关键带各界面的微生物驱动过程及其迁移转化规律;最后在考虑地球大数据科学工程和全球碳排放路径等时代因素的背景下,开展大气、植被、土壤、微生物、基岩、地下水等多界面、多过程、多时间尺度的同步观测和系统性研究,为地球关键带土壤碳循环模型优化及气候变化预测提供科学依据,也为我国“双碳”目标提供理论支撑。

中国西南及陕西秦巴地区岩溶石漠化研究进展

石漠化危害着生态环境健康和社会经济发展,经过20多年的综合治理,中国西南地区石漠化面积呈减少的趋势,国家也将西南八省、区、直辖市设定为石漠化监测区域;而在陕西秦巴地区岩溶地质遗迹的研究中已发现石漠化发育的迹象,这对秦巴地区的生态安全造成威胁。文章总结西南地区岩溶石漠化的内涵、现状、危害、成因和治理经验,为开展非监测区--陕西秦巴地区岩溶石漠化的调查工作提供理论依据。通过遥感解译、无人机遥感调查和碳酸盐岩溶蚀速率分析,首次查明了陕西秦巴地区石漠化的发育情况,填补了该区域石漠化研究的空白。

秦岭生态地质环境系统研究关键思考

生态地质环境系统研究应以地质学为基础,以生态学为指导,研究岩石、土壤、水、生物等在地质作用下产生的生态问题。秦岭生态地质特色鲜明,是催生生态地质基础理论、形成生态地质保护对策的理想实践地,迫切需要对秦岭生态地质环境角色地位予以系统剖析,梳理秦岭生态地质环境系统面临的主要挑战,构建秦岭生态地质环境系统框架体系。研究提出秦岭生态地质环境系统研究要把握以下关键思考:一是秦岭生态地质环境要素多元、圈层互馈过程复杂、灾害叠加影响效应突出、人-地-生相互作用强烈,立足生态秦岭面临的现实挑战,需认知秦岭生态地质环境系统的要素构成及家底,构建秦岭生态地质环境系统要素互馈演化模型,探索生态退化、水土流失和地质灾害共存递进关系,进而提出地质环境-生态环境-人类环境动态平衡调控对策;二是秦岭生态地质环境系统框架体系应以地质环境认知为基础,将生态环境充分融入地质环境之中整体考虑,并对各要素对生态环境影响进行梳理;其中,构造、地貌地质环境是“生态容器”,岩石、土壤及水文地质环境是“生态载体”,灾害地质环境是引起“生态损害”的重要因素,人类活动环境则为造成“生态扰动”的外在驱动;三是秦岭林体-土体-岩体-山体-水体五体关系复杂,内生互馈作用密切,认识“山水林田湖草生命共同体”同存-同演-同损-同荣规律的科学内涵,应立足于探究林体-土体-岩体-山体-水体的互馈与协同演进机制;四是秦岭地面生态损害、表层水土灾害、浅深层地质灾害呈现互馈耦合、共存递进演化特征,需重点把握“生态损害→地质灾害的递进关系及内在机制”这一关键问题;五是开展秦岭人类环境-地质环境-生态环境动态平衡调控机制研究,应以探索生态安全与人地协调的关系为核心,分析生态系统破坏和地质灾害与地质-地貌-气候-人类活动的时序演变关系,在此基础上探索生态地质环境系统的动态平衡机制,进而提出基于人地协调的生态安全防控策略。

中国西风区伊犁盆地塔勒德黄土-古土壤元素地球化学特征及环境意义

通过对新疆伊犁盆地塔勒德探井黄土-古土壤沉积物中常量、微量元素及其相关指标和参数的分析,讨论了西风区黄土-古土壤序列中各元素的分异规律及其与沉积环境之间的关系。结果表明塔勒德黄土-古土壤序列各层位中常量元素含量均表现出SiO_2>Al_2O_3>CaO>Fe_2O_3>MgO>Na_2O>K_2O的变化特征;微量元素Rb,Sr,Sc,Ni,Cu,Ga,Mo,Y,Pb和Th在(弱)古土壤层、黄土层中相对下伏黄土L_2层富集,而Zr,Cs,Nd和La在(弱)古土壤层中有不同程度的亏损。塔勒德黄土-古上壤的相关地球化学参数在整个研究地层序列中,黄土与古土壤之间分异并不显著,地球化学特征反映了受西风区影响的伊犁盆地黄土和古土壤形成时期其有效湿度较黄土高原同期小,形成环境更为干旱,具有其显著的区域特征。伊犁盆地黄土剖面元素地球化学特征主要受物质来源和气候环境的控制,当黄土物质具有相同来源时,其元素地球化学特征可以作为区域气候环境变化的良好代用指标。

黄土与地球系统——李希霍芬对黄土研究的贡献及对地球系统科学研究的现实意义

李希霍芬是19世纪德国著名的地质学家,对欧洲和中国黄土的研究工作,以及后来的黄土研究有着深刻影响,其学术思想在地球系统科学研究的时代依然有重要的现实意义。文章简要回顾了李希霍芬对黄土研究的贡献,并探讨这些贡献与黄土研究在地球系统科学研究中的现实意义。从李希霍芬时代到今天,黄土作为全球宝贵的地球系统演化的历史记录,在揭示地球岩石圈、水圈、大气圈、冰冻圈、生物圈及宇宙事件对地球系统的影响发挥了重要作用,并在未来地球系统科学研究时代有旺盛的生命力。

长期地温监测在地球科学研究中的重要意义

地球系统包含大气圈、岩石圈、水圈、生物圈等多圈层内部和圈层之间千变万化的地质、物理、化学、生物等作用过程和相互制约,基本上所有的作用和制约过程都伴随着能量传递,因而与温度有着密切联系。随着全球气候变化的加剧,大气温度和海洋温度变化已经引起人们的广泛关注,而地温变化及其在地球系统研究中的作用还没得到应有的重视。作者从地表温度对大气热力学状态的可能影响、地温变化与古气候变化的关系、地温异常与地震的可能联系、人类活动对地温的影响等角度论述长期地温监测在地球科学研究中的重要意义,建议采取措施确实加强地温监测与研究,以适应地球系统研究的需要,促进相关地球科学研究领域更快、更深入地发展。

太阳驱动地球环境变化研究进展

太阳是地球表层系统最重要的能量来源,地球表层环境变化记录中含有太阳辐射变化或太阳活动的印记,实际观测的太阳辐射变化却被认为不足以引起地球气候系统的剧烈变化,不同学者发展了多种物理模型来解释太阳驱动地球环境变化的机制。本文从地质记录入手,综述了太阳影响不同时间尺度气候变化的地质-生物记录,评述了几种放大机制,发现这些物理模型在解释某种气候现象时具有很好的适用性,但在其他方面也往往存在一定缺陷。我们认为:太阳变化是驱动地球环境变化的最根本因素;地球环境变化可能直接响应太阳变化。要么太阳活动引起的辐射量变化在气候系统中的作用被低估,要么还有未被发现的新机制,未来的研究应该针对这两个问题展开。

莫高窟文物保存环境的大气颗粒物背景浓度及化学组成

大气颗粒物是潜在威胁遗址与文物的一种大气污染物,颗粒物沉降或吸附后覆盖文物表面细节,降低其审美价值,并带来进一步的物理或化学侵蚀。通过分析莫高窟开放洞窟(16窟、257窟)、非开放洞窟(320洞窟)和窟外大气中各粒径颗粒物(总悬浮颗粒物TSP、粗颗粒物PM_(10)和细颗粒物PM_(2.5))背景和典型沙尘天气质量浓度及其碳组分和水溶性无机离子组分含量,获得文物保存环境中大气颗粒物的质量浓度及化学组成。各观测季节内,非沙尘天气窟内TSP质量浓度介于48.4~60.0μg/m^(3),PM_(10)质量浓度介于13.3~61.3μg/m~3,PM_(2.5)质量浓度介于9.9~59.2μg/m^(3)。洞窟是否向公众开放对窟内颗粒物浓度水平和组成的影响不显著,开放和非开放洞窟颗粒物质量浓度的I/O比值多小于1,显示窟内颗粒物主要源于室外。窟内颗粒物化学组成中,地壳源矿物尘多占据主导地位,在沙尘频发的春季占比介于53.0%至80.7%之间,冬季占比介于17.1%~44.0%。其他化学组分中,细颗粒PM_(2.5)中碳组分和总水溶性无机离子含量占比明显高于TSP和PM_(10)。冬季窟内PM_(2.5)质量浓度低于春季,但碳组分和无机离子浓度值和含量占比均高于春季(除去春季16洞窟),冬季碳组分和无机离子含量占比高达60%,其中酸性组分含量占比和可达30%。对莫高窟大气颗粒物的控制不能忽视细颗粒浓度及其化学组成的潜在危害。

黄土高原关键带土壤水文过程研究进展与展望

地球关键带是21世纪地球科学的前沿和重点领域之一。黄土约占全球陆地面积的10%,中国的黄土高原是典型的地球关键带之一。土壤水文过程驱动着黄土高原关键带不同尺度的系列生物地球化学循环过程,决定土壤−植被−大气连续体的演化方向与可持续性。基于地球关键带“4M”研究框架,综述了黄土高原关键带土壤水文过程研究的热点与前沿,梳理了不同尺度土壤水文过程的观测方法与技术、模型模拟与填图、深层土壤干化管理等研究进展;在此基础上,围绕黄土高原关键带土壤水资源优化利用与生态系统服务功能提升,提出了全球气候变化和大规模人类活动共同影响下黄土高原关键带土壤水文过程的优化管理对策和建议,展望了黄土高原关键带土壤水文过程研究的未来趋势。以期深化黄土高原关键带研究的科学认知,促进地球关键带科学的发展,为黄土高原自然资源优化管理、山水林田湖草系统治理提供科学参考。

巢湖碳氮地球化学沉积记录揭示全新世以来的环境演化

通过对巢湖湖泊沉积物的总有机碳(TOC)、总氮(TN)、有机碳同位素(δ^(13)Corg)、氮同位素(δ^(15)N)和粒度参数的研究,重建了全新世以来湖泊初级生产力的变化,从而揭示了巢湖地区全新世环境变化历史。早全新世时期(10100—8200 cal a BP),较高的TOC和TN、在波动中逐渐升高的δ^(13)Corg值以及高δ^(15)N值、高黏土(<4μm)含量指示了较高的湖泊初级生产力,反映气候温暖较湿;中全新世时期(8200—4200 cal a BP),TOC、TN、δ^(13)Corg值和黏土(<4μm)含量总体上较高但呈波动降低趋势,粉砂(4—64μm)含量升高,δ^(15)N值总体较低但变化幅度较大,指示初级生产力由较高水平开始逐渐降低,气候由温暖湿润逐渐向凉干方向发展;7300—5800 cal a BP和4300—3800 cal a BP的低δ^(15)N和高TN值可能受到固氮蓝藻的影响,分别对应着7500—7000 cal a BP和4200—4000 cal a BP气候事件时期夏季风强度的减弱;晚全新世前期(4200—2000 cal a BP),TOC、TN、δ^(13)Corg值、黏土(<4μm)含量的低值和较高的δ^(15)N值、高粉砂(4—64μm)含量代表初级生产力继续降低,气候环境进一步向冷干转变。全新世以来湖泊初级生产力的逐渐下降反映了季风的逐步减弱,而逐渐减少的30oN夏季太阳辐射是驱动季风减弱的主要因素。晚全新世后期(2000 cal a BP至今),各环境代用指标的变化表现出不同于全新世环境演化趋势的异常,说明湖泊环境及沉积物受人类活动的影响加剧。

活性炭吸附苯系物性能的研究进展

人类活动排放的挥发性有机物(VOCs),尤其是苯系物(BTEX),不仅影响空气质量,还会对人体健康产生不同程度的危害。室内苯系物具有浓度低、释放周期长及来源复杂等特点。由于活性炭(AC)优异的孔道结构和易调控的表面化学性质,采用活性炭吸附苯系物是封闭/半封闭空间空气污染控制的最有效策略之一。本文综述了封闭/半封闭空间苯系物的理化特征、活性炭的物理化学性质及其吸附苯系物的影响因素。这些因素主要包括活性炭物理结构、表面化学性质、苯系物分子结构和吸附条件。此外,还进一步探讨了活性炭再生技术,并展望了针对封闭/半封闭空间苯系物污染的活性炭吸附技术的改进策略。

陕西榆林柳树峁剖面L_(3)与S_(3)层位粒度端元特征与古环境研究

本文选取榆林市横山区柳树峁剖面,对其第3层黄土(L_(3))、第3层古土壤(S_(3))层位粒度数据进行分布特征分析和参数化端元分析,以此探讨沉积动力及其所代表的环境特征。结果表明:柳树峁剖面L_(3)、S_(3)层位粒度组成以粗粉砂(42.65%)和极细砂(32.40%)为主,中值粒径为47.11μm。剖面L_(3)、S_(3)层粒度数据可分为4个端元:EM1组分(众数粒径7.42μm)为大气中长期存在的、经过远距离携带搬运的细粒组分,EM2(众数粒径43.66μm)和EM3(众数粒径76.43μm)组分是由冬季风或沙尘暴所携带的近源组分,EM4(众数粒径161.20μm)组分为风成沙,物源来自于北部的毛乌素沙地,该组分含量变化可作为指示强冬季风或强沙暴的替代性指标。柳树峁剖面记录了L_(3)黄土沉积时期存在1个极冷期、2个冷期和1个较暖期,S_(3)古土壤发育时期存在2个暖期和1个冷期。同时,剖面也记录了L_(3)、S_(3)层位沉积发育时期毛乌素沙地的两次扩张事件和两次收缩事件。

中国西南地区中世纪暖期以来的温湿模式:来自黔西高原野鸡坪泥炭沉积记录的证据

通过高密度AMS14C测年构建黔西高原野鸡坪泥炭YJP01钻孔的年代框架,基于多环境代用指标分析,并结合多元统计分析,探究野鸡坪泥炭中主要地球化学元素来源及其环境指示意义,恢复该区中世纪暖期至小冰期详细的气候变化过程。结合已有研究成果,解析西南地区及临近区域在这2个时期气候条件的空间格局及其影响因素。结果表明:①野鸡坪地区中世纪暖期(1 200―1450年)和小冰期(1 450―1880年)的气候特征分别为暖湿和冷干,与周边地区的古气候记录具有较好的一致性;②西南地区在这2个气候特征时期存在“暖湿-冷干”和“暖干-冷湿”2种温湿度组合模式,在空间上存在一条分界线并呈现东西分异模式;③西风南支位置的南北移动对西南地区过去千年的温湿度组合模式具有明显影响。

南黄海SYS90-1A孔第四纪沉积物磁性地层学研究

可靠的年代地层框架是开展南黄海地区第四纪环境演变研究的基础。目前南黄海南部地区缺乏可靠年代学控制的长序列钻孔。通过对南黄海南部SYS90-1A孔(孔深90.1 m)沉积物开展详细的磁性地层学研究,并结合AMS14C测年结果及区域已有磁性地层学结果,建立南黄海南部地区第四纪沉积物年代地层框架。结果显示,SYS90-1A孔岩芯记录了从布容(Brunhes)正极性时至松山(Matuyama)负极性时上部,包括Kamikatsura和Santa Rosa地磁漂移事件。早、中更新世界线即布容正极性时与松山负极性时界线(B/M界线)深度位于74.2 m,Kamikatsura和Santa Rosa地磁漂移事件深度分别位于79.75~82.47 m和85.25~87.74 m。根据Kamikatsura和Santa Rosa地磁漂移事件的年代控制点和平均沉积速率,推算钻孔底部年龄为0.96 Ma。南黄海SYS90-1A孔早更新世晚期的沉积速率约为8.66 cm/ka,中更新世以来的沉积速率约为9.5 cm/ka,而全新世以来的沉积速率为12.8 cm/ka,沉积速率自早更新世晚期以来呈增加趋势。这一结果不仅为南黄海南部第四纪沉积物研究提供了有效的年代学约束,而且为南黄海地区第四纪地层划分和对比、沉积环境与气候变化、物源示踪等研究提供了重要的时间标尺。

土地利用变化下宁夏生态系统服务权衡协同关系研究

研究土地利用变化及其对生态系统服务的影响可为改善区域生态环境提供科学依据,然而以往的研究多关注历史时期的生态系统服务变化,缺少对未来情景下生态系统服务的预测及其权衡协同关系的分析。因此,本研究以宁夏地区为例,采用PLUS模型模拟了未来自然情景、耕地保护情景以及生态保护情景下的土地利用状况,并基于InVEST模型量化了不同土地利用类型下的碳储存、土壤保持、产水以及粮食生产四种生态系统服务,并在不同空间尺度上对生态系统服务间的权衡与协同关系进行了研究。结果表明:未来三种情景下的产水量较现状年份减少,土壤保持量和固碳量在生态保护情景下最大,分别为7.98×107 t和4.72×108 t,粮食产量在耕地保护情景下最大,达到了1.52×107 t;从全省尺度上来看,仅固碳和土壤保持服务之间表现出较高的协同关系,但在区域尺度和县区尺度下,产水和固碳服务之间的协同关系也较为显著。

砗磲生长的影响因素及其人工培养研究进展

砗磲是世界上最大的双壳贝类,与虫黄藻共生,生长过程中受到多种自然环境因素的影响。近年来,由于人类的过度捕捞,砗磲数量骤减,对砗磲进行人工培养、繁育、放流,成为砗磲保护的重要工作之一。此外,砗磲碳酸盐壳体还是一种良好的高分辨率古气候研究载体,但其壳体地球化学指标的环境指示意义还存在较大争议,实验室培养也是探讨砗磲地球化学指标环境指示意义的有效途径之一。基于上述原因,近年来有不少研究开展了砗磲的培养试验,通过改变培养条件分析各种环境因子对砗磲生长及壳体地球化学特征的影响。本文就砗磲的培养方法、人工培养条件进行简要综述,并从温度、光照、盐度、p CO_(2)、营养盐、金属离子等多个方面对人工培养条件下,砗磲生长的影响因素及其生理适应性机制进行总结分析,为后续砗磲的培养保护和地球化学研究提供参考。

基于地形梯度的典型退耕区土壤侵蚀时空分异特征研究

[目的]研究典型退耕区退耕前后地形分异条件下的土壤侵蚀时空动态变化特征,为巩固退耕还林(草)成果提供科学支撑。[方法]采用RUSLE模型定量分析了延安市1989—2019年土壤侵蚀强度时空演变特征,结合地形因子探究了土壤侵蚀在各高程、坡度上的分异规律,通过LMDI模型了解影响土壤侵蚀模数变化的降雨因子、植被因子与水土保持因子,并分析了其贡献值,利用CA-Markov模型预测了延安市2029年土壤侵蚀状况。[结果]1989年、1999年、2009年、2019年延安市平均土壤侵蚀模数分别为12 554.80 t/(km^(2)·a),8 237.17 t/(km^(2)·a),5 936.57 t/(km^(2)·a),4 473.02 t/(km^(2)·a),侵蚀类型整体以微度侵蚀为主,在空间上呈现北高南低的分异特征;侵蚀强度总体随高程的升高而降低,但在五级高程上侵蚀加剧;侵蚀强度与坡度存在一致性,坡度增加,侵蚀加剧;近年来,植被因子和水土保持因子对土壤侵蚀的抑制作用增加;2029年延安市土壤侵蚀状况总体好转。[结论]延安市土壤侵蚀状况总体明显改善,但局部依然存在侵蚀加剧的情况,未来延安市应重点治理北部高海拔、东部黄河沿岸地区,加强对高坡度区域的监测。

陕西红碱淖湖泊表层底泥磷形态研究

磷是一种重要的生命必需元素,其与氮都是引起水体富营养化的重要元素。红碱淖是中国最大的沙漠淡水湖,在区域生态系统中的功能十分显著。采用连续提取法对陕西红碱淖湖泊表层沉积物磷形态进行分析,得到弱吸附态磷(NH4Cl-P)、铁锰螯合态磷(BD-P)、铁铝氧化态磷(NaOH-P)、钙磷(HCl-P)、惰性磷(Res-P)五种磷形态。结果表明:总体上,红碱淖表层底泥磷向水体释放的风险较低,但在湖泊水体pH值上升背景下,一些碱溶解磷(如NaOH-P)向湖泊水体释放的风险可能增加。五种形态磷在全湖的空间分布表明:NH4Cl-P与BD-P呈现大致相似的特征,NaOH-P主要在湖泊南岸附近富集,HCl-P和Res-P呈大致相反的变化趋势,总磷(TP)在全湖近乎均匀分布。与国内典型湖泊沉积物的对比显示:红碱淖表层底泥无论是总磷还是活泼磷均处于较低水平,也说明该湖泊表层底泥磷向水体释放的风险相对较低。

陕西秦岭以北地区清代霜雪灾害与寒冷气候事件研究

运用灾害等级法、数理统计法、小波分析法等对清代陕西秦岭以北地区的霜雪灾害等级、时空分布、周期性及致灾因子进行研究。结果表明:(1)陕西秦岭以北地区清代(1644—1911年)268年内共发生霜雪灾害97次,1644—1703年和1864—1911年为高频期,1704—1783年和1784—1863年为较低频期,且存在3年、7年、11年、28年的准周期。(2)霜雪灾害频次和等级存在季节性特征。霜灾在春秋两季最为频繁,雪灾在冬春季节发生最多,冻灾几乎仅在冬季发生。中度等级灾害多发生于春秋两季,重度等级灾害常发生于秋冬之际。(3)霜雪灾害的强弱与频次在空间上有较好一致性,多集中于陕北黄土高原北部和西北部以及关中盆地东南部。(4)霜雪灾害发生高频期对应气候更为寒冷干燥。冬季风强度是决定霜雪灾害发生的直接因素。(5)小冰期气候在清代最突出的特点是在较暖或炎热月份发生降温达15~20℃的灾难性降温事件,并导致灾难性天气过程。(6)清代陕西秦岭以北地区发生两次极端寒冷气候事件,分别在1662—1692年和1861—1900年,后者指示清代气温最低的时期。

百年来海州湾沉积物中黑碳分布特征及环境意义

沉积物中黑碳记录了百年来区域生物质燃烧特征变化。本文以海州湾入海潮滩采集的岩芯沉积物样品为研究对象,采用热光反射法(TOR)分别对沉积物黑碳、焦炭和烟炱进行测定,分析探讨海州湾近百年来生物质燃烧演变过程。利用相关性分析、主成分分析和特征比值法分析黑碳含量的历史变化和可能来源,试图揭示该区域百年来能源结构的转变过程。结果表明,近百年来沉积物黑碳、焦炭、烟炱质量分数垂直变化幅度较大,分别在0.507~1.281 mg·g^(-1),0.395~1.080 mg·g^(–1),0.112~0.389 mg·g^(-1)范围内变化。其中,黑碳质量分数高值出现在20世纪80年代中后期(0.873~1.029 mg·g^(-1)),而低值出现在20世纪20年代到20世纪中叶期间(0.675~0.751 mg·g^(-1))。不同区域黑碳分布比较发现,我国东部边缘海地区比青藏高原和瑞典湖泊高出10倍,但发达国家黑碳通量峰值出现时间早,反映了黑碳沉积与区域工业化水平和人类活动相关性显著。黑碳特征比值法(char/soot)的源解析结果表明,黑碳的来源中化石燃料燃烧占48.8%,是生物质燃烧的4.2倍。根据相关性分析、主成分分析和char/soot比值结果分析,黑碳在1950年以前主要来源是生物质燃烧,在1950年以来煤炭燃烧、工业源、交通源比重增加,主要和区域人口、工业总产值、能源消费等因素有关,人类活动占据主导。研究结果为进一步理解该区域黑碳污染状况及制定未来海州湾地区的生态环境管理政策提供参考。