土壤氮素生物地球化学循环的研究现状与进展

氮素的生物地球化学循环不仅影响土壤生产力,还会引起全球环境变化,其过程主要包括氮素矿化、固氮、 氮素硝化和反硝化、铵离子的吸附和释放。文章全面综述了氮素生物地球化学过程研究的现状与进展及其可能存 在的问题。

河口湿地氮素生物地球化学循环研究

河口湿地是陆海相互作用形成的自然综合体，处于陆地生态系统和海洋生态系统之间的过渡地带，其独特的地形地貌、水文情势和剧变的湿地底质盐度梯度形成了河口湿地丰富的生境类型，使其成为具有较高的生物多样性和环境调节功能和环境效益的生态过渡带。氮素作为河口湿地生态系统重要的生源要素，它的各种生物地球化学循环过程耦合多变，深刻影响着湿地生态系统的平衡，是湿地生态系统物质地球化学循环研究的核心内容，对全球变化具有重要意义。文章结合河口湿地的特点，阐述了湿地氮素生物地球化学循环的内涵及意义、河口湿地氮素生物地球化学的主要过程及特征以及氮素生物地球化学循环过程的生态环境效应和对全球环境的响应。并对氮素生物地球化学循环的研究前景进行了简要的评述。

农林复合生态系统氮素生物地球化学循环及其环境影响研究

对长江上游典型农林复合生态系统N素收支平衡及其污染特征研究结果表明 ,农林复合生态系统旱地N素盈余相对较多 ,水田基本平衡 ,而林地有较大亏缺。N素收支平衡评价表明其旱地平衡合理 ,水田平衡略高 ,但整个农田N素已由 2 0世纪 6 0年代严重亏缺达到目前的较合理水平 ;大规模造林以及水保耕作措施对农田N素合理分配均产生重要影响。但化肥施用量剧增已导致农田气态N素释放量增加和水体非点源污染风险加大。

湖泊氮素生物地球化学循环及微生物的作用

氮素是影响湖泊富营养化的关键元素之一,对湖泊中氮素生物地球化学循环整个过程进行全面的了解,有利于对湖泊富营养化进行控制和治理．本文综述了湖泊生态系统(特别是富营养化湖泊)中氮素的输入、输出及其在沉积物-水界面的迁移转化规律,着重分析和比较了藻型湖泊和草型湖泊的不同食物链中的氮紊营养循环过程,重点讨论了微生物参与的硝化作用、反硝化作用、生物固氮和厌氧氨氧化等过程的最新研究进展,并对氮循环相关的研究方法和技术进行了小结．最后指出当前国内外研究中亟待解决的问题,并对湖泊氮循环今后的研究方向提出了建议．

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。

杉木人工林生态系统的生物地球化学循环Ⅱ:氮素沉降动态

在福建南平地区 ,对两片杉木人工林 (标记为FFC和XQF)的氮素沉降进行了为期 3a(1994～ 1996 )的定位研究 .结果表明 ,降水通过林冠后 ,穿透雨的氮素含量没有发生明显变化 ,但树干径流的养分富集现象则十分显著 .降雨、穿透雨和树干径流中的氮素含量表现出明显的季节变化 ,均以夏季最低 ,冬季最高 ,春秋季居中 ,这种格局强烈受降雨量的控制 .在FFC和XQF监测场 ,每年从降雨中输入的NH+4 N分别为 8.73kghm-2 和 4.6 2kghm-2 ,NO-3 N分别为 9.36kghm-2 和 6 .83kghm-2 ,总计氮素输入分别为 18.0 9kghm-2 及 11.45kghm-2 ,其中16 .4% (2 .97kghm-2 )和 4.9% (0 .5 6kghm-2 )在降水过程中直接被两林分的林冠所吸收 .吸收行为主要出现在春、夏两季 ,这是杉木生长旺盛的阶段 ,而在秋、冬季则主要表现为淋溶 .林龄和密度是影响林冠对氮素吸收量的两个主要因子 .图 3表 1参 2

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。

赣南几处地热环境下的微生物多样性及其潜在的地球化学循环作用

地热微生物作为地热极端生态系统的重要组成部分,在局域和区域的元素循环中发挥着关键作用。目前华南地区地热微生物的相关研究还非常有限。本文聚焦赣南地热,利用16S rRNA基因全长测序技术分析了6处地热(40~80℃)及4处沉积物的细菌多样性和群落结构,鉴定出1072属、2856种细菌。研究发现,温度、pH、硫酸根、硝酸盐氮、钙地热因子对地热细菌群落有显著影响,其中温度是主要影响因子,与物种丰富度和多样性呈正相关。特征细菌包括变形菌、热球菌、产水菌、厚壁菌等,其中Thermus、Sulfurihydrogenibium、Thermodesulfovibrio和Hydrogenobacter在赣南夹湖(JH)和蓝田(ND)高温地热中显著富集,这些微生物类群可能参与了蓝田地热的S、Fe及矿质元素的生物地球化学循环。本研究还分离出20株耐高温细菌,多为芽孢杆菌属。这些发现揭示了赣南地热微生物特征,为地热资源开发与保护提供科学指导。

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。

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。

湿地铁的生物地球化学循环及其环境效应

湿地位于水陆过渡地带,干湿交替引起的氧化还原变化是湿地中最为典型、普遍的现象。铁作为湿地中的主要氧化还原物质,它的变化对湿地环境具有重要的指示性作用。本文介绍了湿地中铁的时空分布及其转化规律,指出湿地铁循环的影响因素,分析了湿地铁循环在湿地土壤形成、湿地植物的生理生态、湿地的物质循环、环境指示等方面的效应;最后对湿地铁循环研究中的存在问题及发展方向提出几点建议。

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。

锑的环境生物地球化学循环与效应研究展望

研究表明锑与铅和汞一样,是一个可长距离输送的全球性有毒元素;但锑的研究最近才引起国际社会的关注。与其它金属如汞、铅、镉和砷等相比,国际上锑的研究开展得相对较少。为了揭示锑的全球性污染程度、循环过程及其对生态环境的影响,急需开展深入研究。概述了前人在锑的环境生物地球化学循环和效应方面的研究成果,分析了存在的科学问题,凝练了进一步研究的方向、思路和方法,并指出我国西南地区是开展这一方向研究的理想区域,及在该地区开展深入研究的重要性。

植物在硅生物地球化学循环过程中的作用

硅是地球上重要的矿质元素,在许多生物地球化学过程中起着重要作用。传统认为硅的循环主要受岩石风化、矿物溶解和水体沉积的影响。实际上,植物在硅的生物地球化学循环中起着重要作用。植物体本身就是一个相当大的硅库,它们能以无定型硅(SiO2.nH2O)的形式积累硅,称作生物硅(BSi)、植硅石或蛋白石。陆地植物每年以BSi的形式固定约1.68×109～5.60×109t的硅,通过枯枝落叶返回到土壤中的BSi有92.5%被植物再吸收,7.5%进入土壤库。陆地植物从土壤BSi库吸收的硅量远超过从岩石风化释放吸收的硅量,植物-土壤内循环的有效性强烈地影响着陆地生态系统中的硅向河流和海洋的输送。在海洋中,硅藻通过吸收、溶解和沉积在很大程度上影响着海洋里的硅循环,硅藻每年固定的硅约为5.60×109～7.84×109t,同样,在向海底沉积的过程中,97%的BSi重新被硅藻吸收,每年只有1.43×108～2.55×108t(约3%)沉积到海底。可见,植物在陆地生态系统和水生生态系统硅的循环中均起着非常重要的作用,研究硅的全球生物地球化学循环时必须考虑到植物的作用。

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。

夏季南极普里兹湾碳的生物地球化学循环Ⅱ:POC的分布特征

在中国第 1 5次南极考察期间对普里兹湾的颗粒有机碳 (POC)进行了研究。结果表明 :夏季普里兹湾 POC表层含量在 94.2 0 - 1 1 2 4 .0 0μg/L ,平均 2 79.1 1μg/L ,POC含量由湾内向湾外递减。湾内平均含量 5 2 7.1 4μg/L,湾外平均含量 1 71 .72 μg/L,湾内 POC含量远远大于湾外。断面分布表明水体上层 POC含量高于底层含量 ,在 1 0 0 m附近含量达到最低 ,且变化显著。 POC与叶绿素 a的高度相关性 (r=0 .889,n=91 )表明普里兹湾 POC主要由 POCB组成即主要来自于浮游植物的贡献。 POC/chl a值为 1 1 0 .3 3与 Ross海相近 ,但高于太平洋等海域。 POC与DIN、PO4 3 - 之间均呈现良好的负相关 ,相关系数分别为 - 0 .6 0 7、- 0 .486 (n=86 )。

硅的生物地球化学循环研究进展

生命元素硅在陆地生态系统和水生生态系统中都扮演着重要的角色。它的生物地球化学循环与全球碳循环和全球气候变化密切相关。因此,近年来逐渐成为研究的热点。本文概述了近年来国内外有关硅的生物地球化学循环的研究进展,包括陆地和海洋中硅的生物地球化学循环过程及人类活动对硅循环的影响等方面,指出目前研究中存在的问题,展望了研究的重点。

磷化氢在湖泊磷生物地球化学循环中的作用

重点介绍磷化氢对湖泊富营养化和在湖泊磷的生物地球化学循环中的作用 。

长江流域氮的生物地球化学循环及其对输送无机氮的影响——1968～1997年的时间变化分析

通过研究长江流域 1 968～ 1 997年氮的输入、输出、平衡的生物地球化学循环 ,表明长江流域 1 997年氮的输入量、输出量和储存量分别为 1 0 .0× 1 0 9、 6.7× 1 0 9、和 3.5× 1 0 9kg,分别是 1 968年氮输入量、输出量和储存量的 4、 5和 3倍。在氮的输入中 ,1 977年以前 ,长江流域氮输入主要是生物固氮 ,年均固氮量约 1 .0× 1 0 9kg;而在 1 985年后 ,化学氮肥年均输入量约5 .0× 1 0 9kg,占总氮输入的 5 0 %以上。在氮的输出中 ,1 997年通过长江大通站水体中溶解态无机氮 ( DIN)的浓度和通量分别是 1 .60 mg/ L和 1 .40× 1 0 9kg,从 1 968年到 1 997年约增加了1 0倍 ;大约 2 5 %的氮输入通过长江输送到东海 ,约 33%的氮输入通过反硝化和氨挥发进入大气中 ,剩余 42 %的氮输入储存在流域内。研究发现 ,长江流域的氮输入量 ,特别是化肥氮的输入量 。

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。