湖泊沉积物C_(4)植物含量重建方法的讨论——以新生代柴达木盆地大红沟剖面为例

当前气候变暖是一个全球面临的重大问题,它对人类赖以生存的植被生态系统造成的影响已经在全球各地逐步显现出来。为了深入了解植物生态系统对环境和气候变化的响应机制,我们需要更好地借鉴地质历史时期气候环境和植物协同演化的重要事件。C_(4)植物作为陆地生产力较强的植物,在植物生态演化中占举足轻重的地位。目前研究表明C_(4)植物可能最晚起源于始新世-渐新世之交,但从它早期起源到随后在生态系统中的大规模扩张时间间隔长达20多个百万年。是什么因素导致了C_(4)植物的起源和扩张是一个悬而未决的重要问题,需要开展大量的调查研究来评估和重建C_(4)植物在过去生态系统中的相对生物量变化。重建C_(4)植物的含量目前主要的方法是建立在C_(3)/C_(4)植物碳同位素和植物内部结构形态差异基础之上。最常运用的研究材料包括(古)土壤有机质、成壤碳酸盐、陆地食草动物体组织、沉积物生物标志物、孢粉、植硅体等。这些方法在重建现代以及地质历史时期C_(4)植物相对生物量变化的研究中发挥了重要作用,但同时也存在很多无法避免的问题。本文介绍了C_(4)植物起源和扩张机制的主流观点以及不同研究材料的碳同位素所推算C_(4)植物生物量的基本原理,并以柴达木盆地大红沟剖面为例,针对新生代湖泊沉积物中陆生高等植物的长链正构烷烃特征和单体烃碳同位素的研究结果,详细讨论C_(4)植物含量重建的方法与缺点,为探讨C_(4)植物起源、演化及控制因素提供参考。我们通过分析前人研究的大红沟剖面长链正构烷烃及单体烃δ^(13)C_(alk)值特征,推测在30~24 Ma、20~17 Ma和13~7 Ma期间δ^(13)C_(alk)值显示相对正偏的原因,可能是干旱和C_(4)植物在当地生态系统中出现的双重因素叠加造成的。但这一推断还需要借助于新的研究方法,即单颗粒孢粉碳同位素的方法来提供C_(4)植物的确凿证据。

EB/g-C_(3)N_(4)/Fe_(3)O_(4)复合光催化剂的制备及其在铬污染土壤中的应用

采用水热法将g-C_(3)N_(4)和Fe_(3)O_(4)负载在剥离膨润土(EB)载体上,制备出具有光催化活性的EB/g-C_(3)N_(4)/Fe_(3)O_(4)磁性复合材料,进一步将其用于还原土壤中的高价态铬离子,考察了不同土壤pH值、土壤初始Cr(Ⅵ)含量、催化剂剂量等因素对土壤中Cr(Ⅵ)光还原率的影响。实验结果表明:在500 g Cr(Ⅵ)含量为20 mg/kg,pH值为6.15的土壤中,投加Fe_(3)O_(4)含量为30%的EB/g-C_(3)N_(4)/Fe_(3)O_(4)(EB/g-C_(3)N_(4)/Fe_(3)O_(4)-30%)复合材料1.5 g,光照250 min时,土壤中Cr(Ⅵ)的光还原率可达97%。光还原土壤中Cr(VI)的动力学分析表明:Cr(Ⅵ)的光还原符合Langmuir-Hinshelwood(L-H)动力学模型,相关系数(R 2)为0.997。复合光催化剂材料EB/g-C_(3)N_(4)/Fe_(3)O_(4)-30%循环使用3次后,其光还原能力和磁回收率仍然保持较高水平。制备的催化剂复合材料EB/g-C_(3)N_(4)/Fe_(3)O_(4)具有用于铬污染土壤治理的应用前景。

g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)复合催化剂对土壤中绝缘油的光催化降解研究

利用尿素与TiO_(2)制备g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)光催化复合材料,并进行表征分析。然后针对绝缘油污染土壤进行光催化降解实验,考察不同光源、降解时间、催化剂用量、绝缘油初始浓度以及含水量对土壤中绝缘油降解效果的影响。结果表明:g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)催化剂复合效果较好,光催化降解对土壤中绝缘油污染有良好的去除效果,在汞灯照射下,使用TiO_(2)催化剂效果略好,40 h降解率达到41.77%,氙灯照射下整体催化效果要优于汞灯照射,尤其是使用g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)催化剂,土壤中绝缘油去除率明显提高,40 h时降解率达到77.67%。光催化效果随着绝缘油初始浓度的提高而下降,绝缘油浓度由0.5%提升至2%时,去除率由85.27%降至59.09%;随着催化剂用量的增加,绝缘油的整体降解率均有不同程度提高,在实验初期表现尤为明显;土壤中初始含水率在光催化反应初期对土壤中绝缘油去除率具有负面影响,含水量越高去除率越低,而随着水分不断挥发,24 h后初始含水量对降解速率已无影响。

高CO_(2)浓度对稻田CO_(2)排放影响的初步分析

大气CO2浓度升高显著增加作物生物量,从而使进入土壤的有机碳增加,这势必会影响土壤碳的稳定和积累。此项研究主要通过高CO2浓度对作物生物量的直接影响,利用δ13C技术间接地初步分析土壤呼吸CO2排放不同来源贡献的差异。研究表明,在水稻生长季,高CO2浓度降低田间CO2的排放,但不显著;种有水稻,根系对土壤总的呼吸影响主要体现在成熟期之前,且有相互消长的现象。在种有水稻的情况下抽穗期之前分解新有机质为主;高CO2浓度促进土壤原有有机质的分解,在水稻生长的中后期分解更为明显,且高N水平对老有机质的分解有促进作用。鉴于此项研究中的不足之处,将会不断得到完善。

植物和土壤δ^(15)N和δ^(13)C记录的土壤石油污染

石油工业化生产过程中引起的陆地系统石油污染已经成为一个严重的环境问题,受到广泛关注。稳定碳同位素和氮同位素组成(δ^(13)C和δ^(15)N)是研究石油污染胁迫下植物和土壤行为特征的有效指标。为了更好地了解土壤和植物在土壤石油污染下的反应,本研究通过野外原位试验,在不同浓度石油污染土壤条件下,研究了三叶草(C;光合作用途径、豆科植物)和扁穗冰草(C;光合作用途径)这两种植物及其生长土壤的δ^(13)C和δ^(15)N变化。研究结果表明:土壤中的石油污染导致土壤δ^(15)N值随污染浓度升高而升高(1.9‰到3.2‰),δ^(13)C值降低(-23.6‰到-26.8‰)。但是,三叶草δ^(13)C值随土壤污染浓度升高而降低(-29.8‰到-31.6‰),扁穗冰草δ^(13)C值降低而三叶δ^(13)C值相对保持稳定(-12.6‰到-13.1‰),说明两种植物对土壤污染不同的应对策略。特别在土壤石油污染条件下,三叶草δ^(15)N值随土壤污染浓度降低至大气氮同位素值水平(5.6‰到0.8‰),说明三叶草固氮系统起作用从而用以降低对土壤石油污染的胁迫。植物δ^(15)N和δ^(13)C值的变化说明了两种植物在胁迫条件下代谢系统发生改变。本研究结果表明稳定同位素组成是监测土壤石油污染和评估植物胁迫响应的有效指标。

中国荒漠C_(4)木本植物和土壤无机固碳研究回顾与展望

碳是贯穿自然和社会的首要元素之一,碳循环是自然和社会系统的重要纽带。陆地生态系统的自然固碳途径有2种,一种是植物碳同化,另一种是土壤碳同化,人们一直关注植物的有机固碳,对于土壤的无机固碳重视不够。本文回顾了中国荒漠区固碳能力强的C_(4)木本植物和土壤无机固碳研究进展。通过解剖结构观察、δ^(13)C值和气体交换特征全面分析得出,荒漠植物梭梭(Haloxylon ammodendron)和沙拐枣(Calligonum mongolicum)为典型的C_(4)木本植物,梭梭同化枝有大量的含晶细胞,沙拐枣同化枝有大量的黏液细胞。干旱区荒漠的非生物固碳能力至今缺乏合理解释。通过对戈壁、沙漠和壤质荒漠土壤无机碳密度和碳储量分析,提出了土壤碳同化(soil carbon assimilation)概念,并给出了土壤碳同化途径的3个阶段,解释了土壤无机固碳这一现象;与植物碳同化比较,土壤碳同化是荒漠固碳的主要途径。最后,展望了荒漠C_(4)木本植物和土壤碳同化的研究方向及对中国2060年前实现碳中和目标的可能贡献。

草原生态系统稳定性对升温和氮沉降的响应研究进展

自工业化革命以来,全球变暖和大气氮沉降逐渐加剧。草原生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分,对温度升高和氮沉降增加十分敏感,但目前对草原生态系统稳定性如何响应增温和氮素添加仍缺少整体性的认识。本文从植物群落以及土壤微生物群落等方面总结了国内外学者的研究,并概述了增温和氮素添加对草原生态系统稳定性影响的研究热点,以期为开展温度升高和氮素添加对草原生态系统影响的研究提供方向支撑。