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。

海岸带地下水中氮生物地球化学过程研究进展

海岸带氮地球化学过程及其演化是海岸带水资源管理与生态环境保护的关键内容.在气候波动以及海洋潮汐动态的影响下,海岸带地下水中氮的地球化学过程会表现出时间变异性.基于国内外研究成果调研,本文针对海岸带含水层中的氮元素地球化学过程演化机制这一科学问题,归纳了影响海岸带氮元素地球化学过程的6个因素,包括温度、潮汐与波浪、海水入侵、盐度、生物扰动以及地下水动力条件;总结了氮生物地球化学过程动态演化机制的主要研究方法,包括野外水化学监测、室内氮循环实验和数值模拟方法;指出数值模拟应与室内外方法相结合,并综合考虑气象水文、潮汐水动力、温度、盐度、生物扰动及含水层非均质性等因素,以实现复杂条件下的高精度氮地球化学过程及其变化的定量识别.

神府矿区直罗组含水层水质形成的水文地球化学过程研究

【目的】为探究神府矿区直罗组含水层地下水化学形成机制和控制因素,【方法】选取侏罗系直罗组风化基岩层和基岩层地下水为研究对象,综合运用Piper图、反距离权重法、Spearman相关性分析、离子比例关系和反向水文地球化学模拟等方法进行分析。【结果】结果表明:神府矿区直罗组地下水呈弱碱性,风化基岩含水层为低矿化度HCO_(3)型水,基岩含水层为高矿化度HCO_(3)型水。沿西北向东南方向,地下水由补给区流向排泄区,水化学类型复杂,演化规律为HCO_(3)型→HCO_(3)·SO_(4)型,局部出现SO_(4)型和Cl型。直罗组风化基岩层地下水主要水文地球化学作用为方解石、石膏、钾长石沉淀和白云石、岩盐和钠长石溶解,其次是Na-Ca阳离子交替吸附作用和黄铁矿氧化作用;基岩层地下水质形成主要受方解石、石膏、岩盐和钾长石沉淀与白云石和钠长石溶解等岩石风化作用控制,其次是Na-Ca阳离子交换、脱碳酸作用和混合作用。【结论】研究结果能够为区域地下水资源开发利用提供理论支持。

新污染物有机磷酸酯生物地球化学过程的研究进展

有机磷酸酯(organophosphate esters,OPEs)作为阻燃剂和增塑剂广泛应用于建筑材料和电子产品等材料,随着生产和使用量的增加,导致其普遍存在于各种环境介质中.作为一类新污染物,OPEs的环境行为及归趋引起了越来越多环境学者的关注.本文系统阐述了OPEs在环境中可能发生的物理、化学和生物过程.现有研究表明:(1)OPEs自身理化性质和结构(疏水性和π-π效应)是影响其迁移转化过程的重要因素;(2)复杂的介质环境(温度、pH值、溶解性有机质、氧化活性物种等)能够影响OPEs的大气传输/沉降、吸附/解吸、水解、光解、生物富集和植物吸收等过程;(3)OPEs在迁移转化中能生成二酯或单酯类产物(化学键断裂)、羟基化产物、甲氧基化产物以及其他小分子化合物等.针对目前的研究现状建议未来可重点关注OPEs在小型生态系统中多介质中的迁移转化过程与机制以及在迁移转化过程中生成产物的理化特性与生物效应等.

新疆焉耆盆地平原区地下水演化的主要水文地球化学过程分析

地下水资源是焉耆盆地生活、生产及生态用水的主要供水水源.深入研究焉耆盆地地下水演化特征及水文地球化学过程对合理开发地下水资源及保护地下水环境具有重要意义.利用Gibbs图阐明了焉耆盆地平原区地下水所经历的水文地球化学作用(大气降水、蒸发浓缩和岩石风化作用等),平原区采样点主要分布在Gisbbs图的右上角及中部左侧,表明平原区地下水受风化、蒸发浓缩作用影响,且受大气降水作用影响较小;方解石、白云石等碳酸盐矿物,以及岩盐、石膏等蒸发岩的风化溶解是平原区地下水主要离子来源,应用PHREEQC地球化学模拟软件计算了平原区各矿物饱和指数,大部分采样点方解石与白云石未达到饱和状态;随着平原区地下水中的TDS和Cl-浓度的逐渐升高,Mg^(2+)在地下水中的富集受到了白云石沉淀过程的限制,而Ca^(2+)的含量随TDS的增大而持续增加,并结合平原区2011年与2014年地下水水化学Piper三线图,平原区地下水大部分呈Ca·Na型或者Ca·Mg型;地下水ORP值均为正值,表明平原区地下水处于氧化状态;根据离子比例法,γNa+/γ(Na++Ca^(2+)+Mg^(2+))比值深层承压水>潜水>浅层承压水,表明平原区地下水阳离子交换作用由强到弱依次为深层承压水、潜水、浅层承压水.

湖泊水体中氮的生物地球化学过程及其生态学意义

通过大量文献资料和实际数据分析,讨论了浅水型湖泊水体中氮的生物地球化学过程及其生态学意义.以太湖流域为例,采用入湖河流多年水文和水质监测数据,分析了流域内氮的主要来源、不同来源的相对贡献及入湖通量的年变化规律.利用氮形态转化的文献资料,讨论了入湖河流、湖泊水体和沉积物环境氮的形态转化过程及控制形态转化的物理化学条件.结合湖泊富营养化机制,讨论了氮的湖相循环及氮、氮磷比对藻类的限制性作用.围绕湖泊富营养化中氮的生物地球化学过程及其生态学意义,提出未来需要重点解决的关键科学问题.

^(15)N示踪技术在湿地氮素生物地球化学过程研究中的应用进展

稳定性同位素技术是现代生态学研究中的一门应用技术,它几乎在生态学研究的各个领域都有着广泛的应用。其中15N技术由于具有示踪和区分氮素物质的源与去向等优越性而在生态系统氮循环研究中发挥了极为重要的作用。文章主要从湿地氮素的输入过程、转化过程以及归趋过程三方面综述了该技术在当前国内外湿地氮素生物地球化学过程研究中的应用进展,特别指出当前基于该技术的湿地氮素生物地球化学过程研究尚缺乏一定的系统性、深入性和广泛性。最后,文章就该技术在湿地氮素生物地球化学过程研究中的应用前景进行了展望研究。

海洋碳循环研究的关键生物地球化学过程

主要阐述了海洋碳循环生物地球化学过程研究的主要进展,包括海 气界面CO2 通量过程、溶解—颗粒碳的海洋转化过程、生物固碳与生物泵过程以及河口碳的生物地球化学过程。海—气界面CO2 通量随着海—气界面的扰动程度的变化而变化,而海—气界面的扰动程度主要由风速决定,各海域的CO2 通量各不相同;溶解 颗粒碳的海洋转化过程则是由海域的初级生产力所决定,是温度的函数,所以受时间和季节更替的影响很大;河口地带由于处在海水和淡水交界面,又有大量河流带来的陆源输入,所以总体碳循环的生物地球化学过程与大洋主体水域不同,碳通量主要由河流带入;生物在海洋碳循环中的作用不可忽视,浮游植物通过光合作用固碳,而浮游动物在垂直分布过程中通过取食呼吸和排泄作用使碳进行垂直迁移。

潮滩湿地N、P生物地球化学过程研究

潮滩湿地是一种特殊类型的海岸湿地,其生态系统表生环境生物地球化学过程以及特殊生态与生物多样性保护的基础研究已经日益成为海岸生态系统相关研究的热点问题之一。由于其独特的演化过程、地理位置、地理环境、和所受的动力条件,使N、P在其生态系统内的生物地球化学过程不同于其他湿地类型。通过对潮滩湿地N、P生物地球化学循环特点和循环过程、盐沼植物在N、P生物地球化学循环中的作用以及潮滩湿地生态系统N、P的输入和输出等几个问题进行了概述,分析了当前国内外潮滩湿地N、P生物地球化学过程的研究特点和存在问题,提出了今后相关问题的主要研究趋势。

石灰土(碳酸盐岩风化壳)形成地球化学过程研究

以选自贵州遵义官坝、安顺天龙和贵阳龙洞堡三个剖面为例,运用ACNK和ACNKFM三角图解、元素对的协变特征及元素质量迁移系数,对石灰土形成的地球化学过程进行了详细讨论。结果显示:石灰土形成地球化学过程遵循碳酸盐岩风化成土之两阶段模式;官坝剖面的风化程度和过渡性具有碳酸盐岩风化成土初级阶段的特征,天龙和龙洞堡剖面与红色风化壳的基本特征相似,体现出所经历的风化作用过程或所处的阶段不同;龙洞堡剖面与天龙剖面的地球化学特征和演化过程存在一些不同,可能指示灰岩和白云岩风化壳的本质差异。

长江口滨岸排污活动对潮滩营养盐环境地球化学过程的影响

选择长江口滨岸为典型研究区,分析探讨了排污活动对长江口滨岸潮滩营养盐环境地球化学过程的影响.结果表明,潮滩环境因子对排污活动有明显的环境响应.排污口滨岸潮滩上覆水、表层沉积物孔隙水和表层沉积物中的NH4+-N,TIN,TDP,Ads-P,Fe-P和CFAP+Ca-P等都有显著富集效应,这不仅与排污直接贡献营养盐相关,而且与排污活动使环境因子发生变化进而影响营养盐的地球化学过程相联系;而NO-x-N在长江口滨岸潮滩上覆水、表层沉积物孔隙水和表层沉积物中并未出现累积高峰值,表明外源输入不是潮滩环境中NO-x-N主要来源.分析结果还显示,排污口潮滩沉积物-水界面间N、P分子扩散通量明显大于非排污口,反映排污活动不仅加剧营养盐N、P在潮滩环境中富集,而且还加剧了潮滩沉积物-水界面间营养盐的扩散过程.

典型新生代断陷盆地内孔隙地下水地球化学过程及其模拟:以山西太原盆地为例

以地处中国北方半干旱地区的典型新生代断陷盆地——太原盆地为例,分析了影响孔隙地下水化学特征的水-岩相互作用过程。研究结果显示:孔隙地下水的水化学类型表现出明显分带性,并与盆地水文地质单元分区吻合得很好。地下水地球化学过程的定性研究结论与基于PHREEQC的反向水文地球化学模拟结果一致,均表明对于地下水化学特征的形成和演化而言,硅酸盐和碳酸盐矿物的溶解-沉淀作用、排泄区地下水的蒸发浓缩作用及其与含水层介质的阳离子交换作用是控制性的地球化学过程。研究表明:地下水地球化学特征可指示地下水流动场,水化学过程研究是地下水系统结构研究的重要手段之一。

洞穴滴水的水文地球化学过程:贵州犀牛洞的研究

为了揭示洞穴滴水的水文地球化学过程,对贵州镇宁犀牛洞3个滴水点的滴率、水化学组成等进行为期1年的动态监测,示踪结果显示出犀牛洞滴水对大气降水的响应较快(28天以上),滴水的物质组成直接源自于洞穴环境,即土壤和岩石,而大气降水携带的物质成分较少,滴水点均受到不同源来水的影响。洞穴滴水的化学组成中元素含量的变化主要由水运移过程中水-土、水-岩作用导致的岩石溶解-方解石沉淀过程所控制,表明犀牛洞滴水点的次生沉积物可能记录了环境变化信息。

海洋沉积物中氮的生物地球化学过程(英)

主要阐述海洋沉积物中氮的存在形式与分布、氮的早期成岩和去营养化作用、硝化和反硝化作用以及氮与生物特定种群的关系等,探讨了影响海洋沉积物中的氮循环的主要因素,分析了海洋沉积物中的氮与生态系的关系,以期对研究氮的海洋生物地球化学过程有所帮助。

岩溶区河流水化学昼夜变化与生物地球化学过程

河流水化学昼夜动态变化的研究有助于揭示水体中相对快速的生物地球化学过程（河流内过程）,同时也有助于判别上游补给区流域过程。已有的研究表明生物过程（光合作用与呼吸作用）、地球化学过程（碳酸盐平衡、碳酸钙沉积）是控制河流pH、SpC、Ca^2＋和HCO3^-含量昼夜变化的主要因素。不同级别、类型及河床微环境均会对水化学昼夜变化产生影响,与气温密切相关的光合作用是产生河水pH值和DO昼夜变化的主控因素。在偏碱性与富含钙离子的岩溶河流,有机体的钙化作用与酸分泌可能对光合作用具有重要作用,从而导致水体中Ca^2＋和HCO3^-出现白天下降-夜间回升的昼夜动态变化,下降幅度达20%～30%。水生植物通过光合作用产生DIC（主要为HCO3^-）的原位沉降,是真正意义上的净碳汇。昼夜生物地球化学循环及效应研究有助于全面认识岩溶区碳循环特征及岩溶含水层源汇关系,尤其是岩溶碳汇稳定性与净碳汇估算;同时对长时间尺度河流监测计划的制定具有重要意义。

海洋环境有机磷酸酯的来源、分布与生物地球化学过程

继多种溴代阻燃剂加入《斯德哥尔摩公约》持久性有机污染物黑名单后,有机磷酸酯(organophosphate esters,OPEs)作为替代品,生产和使用量日益增加。研究表明OPEs可通过大气长距离传输、河流输运等方式进入海洋环境,并对海洋生态系统产生一定风险。本文详细梳理了海洋大气、水体和沉积物介质,以及海洋生物体中OPEs的含量水平和分布特征,并探讨了OPEs的海气交换、大气沉降、洋流输运等物理过程,以及生物富集与转化、生物泵耦合和微生物降解等生物地球化学过程。考虑到OPEs仍在大量生产和使用并将持续进入海洋环境,系统的海洋OPEs连续监测和生态风险评估亟待开展。

黎塘碳酸盐岩红土风化壳形成的地球化学过程演绎

黎塘碳酸盐岩的红土风化壳成熟度较高，赋存有牧厚的高钦三水型铝土矿。本文分析了红土风化壳分布的地貌单元与碳酸盐岩之间在化学成分和矿物组成上呈渐变关系，认为三水型铝土矿是碳酸盐岩不溶残渣在原地经红土化作用的产物。还通过一个挖穿风化壳的浅井系统采集样品化学分析资料，并与在风化条件下相对稳定的化学组分Ａｌ＿２Ｏ＿３进行对比，计算出基岩与风化壳各层之间的组分得失率及其活动顺序，进而推断红土风化壳形成的物理化学条件和地球化学过程，对该区高铁三水型铝土矿的成因、物质来源和指导找矿具有实际意义。