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.

中南祁连西段余石山铌钽矿成矿过程元素地球化学指标研究及意义

中南祁连西段余石山铌钽矿是近年在国内发现的变粒岩型铌钽矿床,规模已达大型,是一种新的铌钽矿床类型,但对变粒岩中铌钽富集成矿过程中元素地球化学变化尚未开展系统研究。本文通过详细的野外调查和室内综合分析,系统研究了余石山矿区无铌钽矿化变粒岩、含铌钽变粒岩、铌钽矿化体、低品位铌钽矿石、铌钽工业矿石等5类铌钽矿化程度不同变粒岩的元素地球化学特征,结果显示变粒岩型铌钽矿Nb富集成矿过程中Si、Al、Zr、Hf、REE等元素存在规律性变化,总结了成矿过程中有效元素地球化学指标,发现变粒岩中Nb含量与原岩岩石类型关系密切,揭示该矿床经历了新元古代岩浆成矿作用和加里东期热液变质成矿作用,共两期三阶段成矿过程,该研究为中南祁连西段铌钽矿找矿和成矿研究提供了依据。

生源要素的海洋生物地球化学过程研究进展

新学科的诞生是社会发展的需要,人类社会发展到今天,由于人类面临的资源与环境问题,使占全球面积71％的海洋成为21世纪开发的重点领域。然而,各成体系的海洋化学、海洋生物、海洋地质和海洋水文,已难以适应认识和解决当前面临的全球变化问题的需要。80年代初,随着国际地圈生物圈计划(IGBP)、全球海洋通量联合研究(JGOFS)、全球海洋生态系统动力学(GLOBEC)、全球海洋真光层研究(GOEZS)。

晚更新世以来杭州湾沉积地球化学特征对源–汇过程的启示

长江将大量泥沙排入东海,对杭州湾的沉积演变产生重大影响,但长江型碎屑对杭州湾不同时期、不同位置的贡献差异缺乏研究。通过分析杭州湾舟山海域水下钻孔(HZW1907孔)沉积物中有机、无机元素地球化学特征,对杭州湾沉积过程中的水体古盐度、源区风化过程、沉积物组成与来源和长江–杭州湾–东海陆架沉积系统进行研究,并基于稀土元素组成的两端元混合模型,定量探讨长江泥沙对杭州湾不同位置沉积的贡献程度差异。结果表明,杭州湾湾口从晚更新世以来,经历了冰期的下切河谷深切、河谷充填和河谷埋藏3个阶段演化过程,相应发育了河床相(约33.9~23.7kaBP)、河漫滩相(约23.7~12.0kaBP)、古河口湾相(约12.0~9.0 ka BP)、浅海相(约9.0~4.0 ka BP)和现代河口湾相(约4.0 ka BP至今);沉积物的Ga/Rb和K_(2)O/Al_(2)O_(3)关系揭示了中国东部在33.9 ka BP以来经历了冷干–暖湿的气候变化;TS和TOC的变化反映了淡水–不稳定淡水、海水混合–稳定海水的沉积水体演替,与东海陆架一致。晚更新世期间,杭州湾地区发育的河床相、河漫滩相沉积物源区主要来自钱塘江流域,显示长英质火成岩的特征;全新世以来的古河口湾相、浅海相和现代河口湾相沉积物为钱塘江型碎屑与长江型碎屑的混合,显示中基性火成岩的特征,湾口受到长江物质的影响更强。以长江和钱塘江流域(Gd/Yb)_(UCC)为端元的模拟结果显示,杭州湾湾口与湾顶受到长江物质影响差异较大,古河口湾相时期,长江供给杭州湾湾口沉积物约78%,湾顶约39%;浅海相时期,长江供给杭州湾地区超过80%的碎屑,湾口、湾顶无明显差别;现代河口湾相时期,长江供给湾口沉积物约76%,湾顶约22%。该模拟方法在长江向杭州湾输送的碎屑分析中具有定量化的作用,并有望适用于其他沿海陆架河流系统。

滇中富碱斑岩风化成土过程中元素地球化学行为及其主控因素

富碱斑岩带分布较广,目前对其风化过程中的元素地球化学行为研究较少。笔者等以滇中姚安富碱斑岩为例,通过对其化学风化过程的研究,有助于了解富碱斑岩成土过程中元素富集贫化控制因素,丰富碱性岩浆岩风化成土理论。笔者等分析了富碱斑岩风化过程中的矿物风化特征、元素含量分布特征、化学风化趋势、元素迁移富集特征及主控因素,结果表明:富碱斑岩各风化层元素含量与基岩具有继承性,体现了原位风化的特征,符合北亚热带季风气候下云南境内上扬子地块岩石的风化特征;与大陆上地壳组成(UCC)相比,风化成土过程中Ca、Na、K等阳离子强烈淋失亏损,Fe、Al富集;化学风化过程主要发生脱Ca、Na、K、Mg、Si与富Al、Fe作用,风化早期主要为去Ca、去Na过程,风化中、晚期为去K、去Mg、富Al、富Fe过程,并伴随着强烈的脱硅作用;结合迁移系数,常量元素活动性强弱顺序为:Ca>Na>K>Mg>Si>Al>Fe;微量元素地球化学行为一方面主要受地球化学性质相似的常量元素行为控制,另一方面受Al、Fe氧化物/氢氧化物和黏土矿物吸附作用的影响,Sm、Nb、Sc、Th、Ti、U、Y、Cu、Cr、Ni随风化原地残余富集,Ba、Rb、Sr与K、Na、Ca、Mg等常量元素行为一致,随风化而淋失迁出。

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。

中国海洋生物地球化学研究进展(1998-2002)

综述了 1998年以来中国海洋生物地球化学研究的主要进展。从河口和近岸海域生源要素、重金属、同位素、有机污染物、有机地球化学和温室气体等 6个方面对 4

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.

天然放射性核素^(32)P和^(33)P在海洋生物地球化学中的示踪研究概况

磷(P)是海洋生物生长和繁殖必需的元素，长期以来，氮被认为是绝大多数海区浮游植物生长的限制因子 [1]，然而最近有关资料指出，在较长的地质时间尺度上（>1 000 a），对全球海洋生物生产力起控制作用的可能是磷而不是氮 [2]。

海洋生物地球化学的产生与发展

对全球环境问题如全球气候变化、全球生态环境变化等的关注导致了海洋生物地球化学的飞速发展 ,使海洋生物地球化学成为了全球变化研究的核心 ,本文阐述了海洋生物地球化学的产生与发展及我们实验室近年来这方面研究的主要结果。

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。

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。

白云鄂博主、东矿三个剖面地球化学特征及其研究意义

近年来关于白云鄂博Nb-REE-Fe矿床H8岩体火成水成归属的争论已渐息,而矿床成矿过程以及REE富集机制仍是学术界关注的热点。文章对白云鄂博矿床白云石碳酸岩体、霓长岩化蚀变带、尖山组板岩3个典型剖面开展系统的岩石地球化学工作,发现赋矿碳酸岩、霓长岩、铁矿石微量与稀土元素配分模式具有相似性,靠近H8岩体的尖山组板岩往往有着更高的稀土元素含量,以及与成矿碳酸岩相近的微量元素配分模式。区内各类岩石单元稀土元素分馏明显,全岩La_(N)/Nd_(N)比值的变化规律显示,H8岩体内部比边缘更富La,边缘比岩体内部更富Nd。通过岩(矿)石薄片BSE图像结合矿物电子探针分析显示,H8岩体内的稀土元素矿物(主要是独居石、氟碳铈矿等)可分为2组,一组相对富La,呈半自形-他形,星点状分布;另一组相对富Nd,呈他形细粒,脉状分布。两组矿物中不同元素的富集特征可能代表了结晶过程中流体环境的改变。上述实验结合地质勘查结果表明,白云鄂博矿床初始成矿物质的起源与H8碳酸岩一致,均来源于中元古代碳酸岩岩浆活动,而不同类型的稀土元素矿物对应了白云岩成岩阶段与萤石矿化阶段两个不同的稀土矿化阶段。

海洋氨氧化古菌及其驱动的碳氮生物地球化学循环过程研究进展

氨氧化古菌(AOA)在海洋环境中分布广泛,是海洋水体中数量最为丰富的原核生物之一。AOA作为海洋中氨氧化作用的主导微生物,能在寡营养条件下通过化能自养的形式进行固碳,在海洋的碳、氮循环过程中发挥重要作用。AOA氨氧化过程驱动的化能自养固碳是深海内部重要能量来源,为研究深海内部有机碳输入与深海微生物群的有机碳需求之间的不平衡问题以及深海自养生物能量来源问题提供重要导向。本文对于海洋AOA的多样性分布、碳氮生物地球化学循环过程及其在海洋能量循环过程中的功能进行系统的综述,以期为本领域的研究提供借鉴。

深海极端环境黑碳的地球化学特征及其环境意义

黑碳是一种广泛存在于不同环境中且抗氧化、耐分解的含碳物质。作为惰性有机碳的重要组分,黑碳深刻影响着全球碳循环。当前海洋黑碳收支的不平衡研究结果表明海洋中可能存在未知的或被忽略的黑碳来源或埋藏路径。随着深渊海沟、热液区和冷泉区等这些地球上最为极端的海洋环境黑碳研究的不断深入,已经确认这些环境中存在独特的黑碳循环过程,可能是海洋黑碳的重要源或汇。本文综述了海洋极端环境中黑碳的地球化学特征,发现深渊海沟独特的“V”字型地形有利于物质汇聚,其中的黑碳比同沉积的有机碳更为古老,黑碳年埋藏量可达约(1.0±0.5)Tg;热液区的高温流体通过“灼烧”有机质形成原位自生黑碳,其每年向海洋贡献的黑碳可达1.6~9.7Tg,是海洋黑碳的重要来源;冷泉区黑碳的源汇过程尚不清楚,但区域内丰度极高的甲烷厌氧氧化古菌最近被证明可以直接产生黑碳,其碳同位素值负偏至-60‰以下,这是迄今为止唯一的一种微生物来源黑碳,是对黑碳类型传统认识的重要补充。尽管目前已经建立海洋黑碳源汇过程的总体框架,但尚缺乏对海洋极端环境黑碳的直接形态观察及特征分析,未来的研究需要明确海洋极端环境中陆源黑碳与海洋自生黑碳的比例,以进一步了解海洋黑碳源汇过程并探讨极端环境黑碳在海洋碳循环中扮演的角色。

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。