跨学科大类专业的实践教学改革——以中国地质大学(武汉)环境地球科学大类为例

为构建环境地球科学大类专业的实践教学体系,发挥实践育人的重要功能,本文在野外教学实习、国际实习和生产实习支撑关系基础上,围绕"三融合"育人和"三全育人"提出了实践教学改革的基本思路,并列举了八项改革举措。实践教学改革对培养高素质、复合型的环境地学人才具有积极的作用。

“生态学概论”通识课程体系构建与实践——以中国地质大学(武汉)为例

随着我国生态文明建设的深入推进,生态学通识教育势在必行,构建通识性生态学知识教育体系是我国高校当前面临的一项紧迫的重要任务。中国地质大学(武汉)结合学校中长期建设战略规划需要,率先在全校本科生推行“生态学概论”通识必修课,旨在培养未来社会优秀的决策者、教育者和管理者,致力于宜居地球管理和服务美丽中国建设,这一里程碑式的行动必将掀起当代中国大学生生态素质教育的新浪潮。本文详细介绍了中国地质大学(武汉)开设“生态学概论”通识教育课程的时代背景、课程体系构建及面临的问题与思考等。“生态学概论”采取线上线下混合教学形式,立足我校地球科学与环境科学优势,体现生态学与多学科的交叉融合,主要讲述美丽中国与宜居地球视野下的生态学基础知识及关注热点。总之,开展生态学通识教育教学活动不仅是当前生态环境形势的迫切需求,而且高度契合我校学科战略规划和人才培养的需求,助推生态文明建设。

中国地质大学(武汉)《地理与气象学》课程教学改革

从教学内容、教学方法以及教学与科研关系等方面对有中国地质大学(武汉)特色的《地理与气象学》本科生课程建设和教学改革进行探讨,并对《地理与气象学》课程的教学实践进行总结,提出了教学改革的一些经验、认识和思路,以期为搞好后续的《气候学》课程教学提供参考。

中国地质大学(武汉)加强大气科学专业建设的必要性及思路

由全球变暖带来的环境与可持续发展问题引起了各国政府的极大关注,并加快了大气科学自身的发展以及与其他学科间的交叉融合,使之成为当前地球科学领域中一个异常活跃的前沿研究学科。中国气象事业正面临重大发展机遇,中国地质大学(武汉)在地学领域的独特优势以及大气科学向地球科学其他领域的交叉渗透,使她具备了发展大气科学的得天独厚的条件,在中国地质大学(武汉)成立大气科学专业适逢其时。中国地质大学(武汉)大气科学专业发展的重点是,以气候学、应用气象、气候资源专业方向建设为重点并保持原有的地球科学专业特色和优势;大气科学专业建设必须与气象部门加强联合,取长补短,参与到中国气象事业大发展的进程中,才能富有生机并有所作为。

“环境地质学”课程教学创新与效果

为了解决传统教学学生被动接受,难以将知识、能力和素质有机融入的问题,我们在“环境地质学”课程教学中实施了系统的教学创新。按照学生中心-产出导向-合作教学的SOC教学模式,开展课程思政系统设计,采用线上线下混合教学,打造全时课堂。以学生为中心,采取“点线面”结合的教学方案,建设“二优三新”一流金课。采取多元考核方式和全过程教学监控,考查课程教学目标的达成情况。通过教学创新实践,课程教学质量不断提升,拓展了课堂广度,增加了有效学习时间和师生交流频率,学生获取知识和解决问题的能力显著提高,课程目标达成度明显提升。

黏土矿物-微生物相互作用机理以及在环境领域中的应用

黏土矿物与微生物在自然环境中广泛共存。二者之间的相互作用影响着环境中的能量流动与元素循环。黏土矿物能够给微生物提供物理或化学保护,提高微生物对外界胁迫和干扰的抵抗能力。黏土矿物同时还能给微生物提供营养元素,促进其新陈代谢过程。黏土矿物中的结构铁是微生物铁氧化还原循环的重要电子供/受体。在氧化还原的环境中,多种铁还原/铁氧化细菌可以通过还原氧化黏土矿物中的结构Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ),进而获得能量进行生长。在氧化还原过程中,微生物也可以通过溶解、转化、沉淀等作用改变黏土矿物的晶格结构及物相,或是产生新的次生矿物。黏土矿物-微生物相互作用在碳、氮、硅、磷等重要生命元素的地球化学循环中扮演着重要角色。黏土矿物可以通过吸附有机碳,降低有机碳的生物可利用性,减缓其矿化速率。在氧化还原波动的环境中,黏土矿物还可以通过活化分子氧,产生强氧化性自由基氧化降解有机质,提高其生物可利用性。黏土矿物还会吸附生物胞外酶,影响胞外酶降解有机质的效率。微生物通过耦合黏土矿物中铁氧化与硝酸盐还原,铁还原与氨氧化等过程影响氮循环。黏土矿物对磷的吸附以及风化过程中硅的释放影响着微生物的代谢活性。黏土矿物-微生物相互作用在重金属固化稳定、有机污染物降解、杀死病原菌等方面也有广泛的应用。

不同土地利用方式下的场地土壤环境容量评价

从土壤功能和环境风险的角度出发,结合我国具体实际,对场地土壤的不同土地利用方式进行分类,以人体健康、地下水安全、土壤生物为敏感受体,研究在不同土地利用方式下基于不同敏感受体的综合土壤环境阈值计算方法,构建场地土壤环境容量的评价方法.在此基础上,以重金属Cd为模式污染物,计算了我国红壤区不同土地利用方式下的土壤环境容量,对场地土壤环境容量的评价方法进行验证.公园用地、居住用地、工矿用地和商服用地的土壤Cd环境容量分别为11.68kg/hm^(2)、28.89kg/hm^(2)、40.84kg/hm^(2)和40.84kg/hm^(2).本研究为基于不同敏感受体的场地土壤的环境阈值和环境容量评估提供了参考方法和案例,为场地土壤环境容量的评价奠定科学基础,对提升我国场地土壤的环境管理水平具有重要意义.

中国优控多环芳烃土壤污染特征及国内外生物可给性研究进展

多环芳烃(PolycyclicAromaticHydrocarbons,PAHs)是一类持久性有机污染物,容易在土壤中累积并且毒性显著,但PAHs在土壤固相上的吸附性较强,基于土壤污染总量暴露会导致高估人群健康风险。本研究基于2000―2020年间发表的123篇文献,总结了我国土壤中16种优先控制多环芳烃(∑_(16)PAHs)的污染浓度分布和组成特征,介绍了11种常见的模拟PAHs生物可给性测试方法和主要影响因素,并总结了PAHs的生物可给性系数范围。调研表明土壤∑_(16)PAHs最高与平均浓度分别为23250和1314.7μg·kg^(–1),污染较为严重;近年来PAHs生物可给性测试方法主要基于生理原理提取法(PBET),在模拟消化过程和吸附剂等方面不断完善和改进,并且消化条件、土壤性质等因素对生物可给性结果影响较大。16种PAHs的生物可给性平均值范围为13.2%~72.4%,其中■和苯并[b]荧蒽的生物可给性较高,对∑_(16)PAHs暴露产生贡献较高。本调研结果为开展土壤PAHs污染精细化风险评估研究提供重要理论参考依据。

基于PS-InSAR技术的晋城矿区地表形变监测及地质灾害风险预警

地表形变是一种严重的地质灾害现象,不仅严重影响灾害区居民的日常生活,而且会造成巨大的社会经济危害,尤其在采煤区。针对传统地表沉陷监测方法费时费力、无法获取地表沉降面状信息、难以进行地表沉陷灾害评估的不足,基于高分辨率SAR卫星影像,利用永久散射体合成孔径雷达干涉测量(PS-InSAR)技术对山西省晋城市晋城矿区2018年1月至2018年12月期间地表沉陷进行监测,分析获取了该地区地表连续形变情况,并利用该技术获取的海量PS点建立支持向量机(SVM)地质灾害风险评估预警模型,对晋城矿区周边居民点地质灾害风险进行了识别和预测。结果表明:晋城矿区10个煤矿及其周边区域存在较大的地表形变;晋城矿区平均LOS向年平均地表形变速率范围为-37~30.3 mm/a;PS-InSAR技术在晋城矿区地表形变监测中具有可行性,且可以实现矿区地质灾害风险综合识别和预警。

武汉市地质环境综合评价与区划

在系统分析武汉市地质环境背景和主要地质环境问题的基础上,探讨了国土规划和地质环境的相互作用关系,进而构建了武汉市地质环境综合评价与区划的思路和流程,包括:以地质灾害易发性评价为基础的规划管制属性分类,将武汉市划分为"保护区"、"限建区"、"适建区"和"已建区";以不同功能用地地质环境适宜性评价为基础的功能区划,进一步将"适建区"划分为居住用地区、工业仓储区和农业种植区;以及地下空间开发地质环境适宜性评价为基础的地下空间开发区划,并按照一定的功能区划原则,对武汉市中心城区地下空间的开发利用进行了区划。论文以武汉市为例,提出了大型城市地质环境综合评价与区划方法体系,其结果对该区用地规划与调整具有重要的指导意义。

碱熔-原子荧光光谱法测定地质样品中锡的含量

取0.2500 g地质样品,加入约1.5 g过氧化钠,于700℃熔融20 min,冷却后加入微沸水30 mL浸取熔块,再滴加5滴无水乙醇,用水定容至50 mL。分取10.00 mL上清液,滴加3~4滴1 g·L^(-1)酚酞指示剂,用10%(体积分数,下同)盐酸溶液中和至无色后再加入10%盐酸溶液10 mL以及硫脲和抗坏血酸质量浓度均为50 g·L^(-1)的混合液5 mL,用水稀释至50 mL,在灯电流80 mA、原子化器高度8 mm、光电倍增管负高压300 V、载气流量400 mL·min^(-1)、屏蔽气流量1000 mL·min^(-1)、硼氢化钾质量浓度30.00 g·L^(-1)下采用原子荧光光谱仪测定溶液中Sn的含量。结果表明:Sn的质量浓度在150.00μg·L^(-1)以内与荧光强度呈线性关系,相关系数为0.9993,检出限(3s/k)为0.42μg·g^(-1);方法用于地质标准物质分析时,测定值的相对标准偏差(n=12)为3.7%,相对误差的绝对值小于10%,且测定值与认定值的对数差(△lg C)的绝对值小于0.10。方法用于土壤、水系沉积物和岩石样品的分析,测定值与电弧发射光谱法的基本一致。

军运会期间武汉东南传输通道PM_(2.5)中水溶性离子区域传输解析

2019年10月武汉市举办第七届世界军人运动会。为探究军运会期间武汉市和黄石市两地的大气细颗粒物浓度特征、污染源差异及区域传送情况,于2019年10月10日至2019年11月5日对武汉和黄石两站点的大气细颗粒物进行了连续观测,并分析了PM_(2.5)中水溶性离子的浓度特征,通过后向气团运动轨迹结合潜在源贡献因子(PSCF)和浓度权重轨迹(CWT)分析方法探究了两站点的污染物区域传送。结果表明:本次观测期间武汉站点和黄石站点的PM_(2.5)浓度超过《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)日均二级限值(75μg/m^(3))的超标率分别为26.1%和17.4%,时间主要处于军运会结束后;武汉和黄石两站点PM_(2.5)中的水溶性离子主要以NO-_(3)、SO_(4)^(2-)和NH~+_(4)为主;黄石站点CE/AE值的拟合曲线斜率小于1,表明颗粒物表面呈弱酸性,而武汉站点CE/AE值的拟合曲线斜率大于1,表明颗粒物表面呈中性或弱碱性;两地PM_(2.5)中水溶性离子的存在形式主要以NH_(4)HSO_(4)或(NH_(4))_2SO_(4)为主,武汉站点的缺氨样品的占比为30.4%,而黄石站点的缺氨样品的占比为43.5%;主成分分析结果表明,两站点污染源相同,以二次污染源、扬尘源和生物质燃烧源为主;PSCF和CWT分析结果表明,黄石是武汉站点PM_(2.5)的主要潜在源区,WPSCF因子大于0.7,且浓度贡献权重超过45μg/m^(3),而黄石站点的主要潜在源区位于湖北省与安徽省交界处和安徽省安庆市内。

不同类型热泉环境条件对微生物群落分布的影响

热泉环境的水化学条件与其他类型的水环境相比常差异显著,不同类型热泉的水化学条件也往往截然不同。开展不同热泉环境中微生物群落的分布规律及其影响因素的对比研究,有利于获取对热泉环境变化影响下微生物群落演替规律的系统认识,拓展极端环境微生物的研究体系。在云南典型岩浆热源型地热区(腾冲热海)和非岩浆热源型地热区(龙陵)采集了16个热泉沉积物样品,采用高通量测序技术和统计学方法研究了微生物群落的多样性和环境影响因素,并讨论了随机性因素和确定性因素对群落组成的影响以及物种间的相互作用关系。研究结果表明:热海和龙陵热泉的微生物主要由Crenarchaeota、Thermotogota、Aquificota、Acetothermia等门类组成,两地的微生物群落结构和多样性存在差异,这些差异主要由温度、pH值以及特征水化学组分决定;Li、Rb、Cs、B、As、Sb、Al、W、Sr等特征组分含量的差异是导致热海和龙陵热泉沉积物微生物出现物种差异的关键因素;热泉沉积物微生物群落变化则同时受到随机性因素的影响,物种间出现明显的生态位划分,且以正相互作用为主。上述研究结果揭示了岩浆流体输入导致的地热水化学条件对热泉微生物群落分布规律有极大的影响。

500 a来自然与人为因素对洞庭湖区水环境演变的影响

为扭转洞庭湖区人-水之争严重制约湖区可持续发展的局面,需要厘清洞庭湖区水环境在自然和人为因素影响下的演变规律。通过梳理500 a来洞庭湖区人-水关系演变历程,研究了围垦建垸与长江水利工程对湖区水环境的影响,结合洞庭湖区构造沉降和来水来沙特征,探讨了人类活动与地质环境对湖区水环境演变的影响,分析了洞庭湖区与长江水沙蓄泄关系变化,以及洞庭湖区未来演化的趋势。结果表明:(1)持续围垦建垸,侵占了蓄滞洪水的水域,大幅削减了洞庭湖蓄洪能力。(2)荆江大堤的修建,抬高了荆江洪水位并对洞庭湖形成了顶托作用,加剧了丰水期洪涝灾害。(3)荆江裁弯取直,造成城陵矶-武汉段淤积,以及荆江三口分流河道衰退萎缩,致使洞庭湖入口萎缩、出口堵塞。(4)三峡水库运行后,洞庭湖来水泥沙淤积量大幅减少,城陵矶以下荆江河段泥沙淤积量大幅增加。人类工程造成洞庭湖调蓄洪水容量大幅减少,洪水难泄,洪灾加剧;洞庭湖出现淤积滩涂,枯水期加长,长江水难以流入,旱灾加剧。(5)江汉-洞庭湖平原目前仍处于构造沉降速度较快时期,由于洞庭湖泥沙淤积速率超过构造沉降量,造成洞庭湖容量逐年减小,洞庭湖部分地区有沼泽化的风险。

基于时空综合分型的El Niňo事件对中国东部降水的影响差异

基于1961—2022年中国高分辨率降水格点资料、合成分析和经验正交函数分解方法,揭示了时空综合分型得到的生命史较长-异常中心位置偏东的低频-东部(LF-EP)型和生命史较短-异常中心位置偏西的准两年-中部(QB-CP)型El Niňo事件对中国东部降水的不同影响。结果表明,LF-EP型事件对降水的影响显著且稳定:自发展年秋季到衰减年夏季长达近4个季节,长江以南区域降水持续地显著偏多,且异常雨带中心自衰减年春季起逐步北抬。QB-CP型事件发生时降水异常特征变化更加复杂多变:发展年夏秋季其空间分布与LF-EP型事件中的特征大致相反,长江以南区域降水整体偏少,冬季开始长江以南逐渐有正异常降水出现,且春季以后异常雨带表现出逐渐南退特征,至衰减年夏季发展为华北-长江中下游-华南地区降水异常“正-负-正”分布。进一步通过比较不同类型事件中大尺度水汽输送的差异探讨了其影响不同的可能机制,发现由海温异常纬向位置差异导致的西太平洋区域大气环流直接响应以及衍生模态响应差异是造成中国东部降水异常空间分布特征差异的重要原因。同时,两类时空事件持续性和转相时间的差异也会使得对降水影响的时间尺度出现差别。

武汉两湖隧道东湖岩溶段岩溶水文地质条件及涌突水风险分析

随着施工精度要求的增加,隧道建设中的地质环境问题需要更为精准地提前预判与防控。在武汉两湖隧道的东湖岩溶段中,钻孔遇洞率达到67.29%,水动力条件强,岩溶较为发育,存在产生隧道涌突水问题的风险,因此迫切需要在隧道开挖前进行相应的预判性研究。在研究区现场调查及查阅相关勘察资料基础上,采用层次分析法结合Pearson相关性分析法选取评价因子,对隧道掘进过程中涌突水风险等级进行了分区研究,并基于流固耦合理论,利用FLAC3D完成了不同工况条件下隧道涌突水相对高风险区段的进一步定量化研究。结果表明:在约1000 m的隧道岩溶段,涌突水中风险区面积占比为7%、低风险区面积占比为93%,中风险区主要集中于隧道北部二叠系栖霞组、茅口组地层;模拟得到的隧道最大涌水量为329.05 m^(3)/h,出现于隧道下方穿过泥岩破碎带与灰岩地层相接区段,该区段隧道涌水量对施工的影响较小;而在隧道穿越溶洞及泥岩破碎带工况下,隧道涌水量则出现先逐步减少、开挖至临近泥岩破碎带附近后逐渐增加的现象。可见,在岩溶区湖底隧道涌突水风险评价研究中,水文地质条件的准确判断是必要前提,在此基础上将半定性半定量的隧道涌突水风险分区评估与针对高风险区段的流固耦合数值模拟相结合,则可以较好地获取隧道涌突水的高风险区段及涌水量参考值,进而为隧道的安全施工与运营提供可靠的科学依据。

阴生和阳生环境下慈竹叶片叶绿素荧光特性比较

为探究慈竹叶片对不同光环境的适应,取相同长势的阴生叶和阳生叶测量叶绿素荧光参数,比较两者F_(0)、S_(M)、Fv/Fm、DI_(0)/RC、TR_(0)/RC、DF_(abs)、DF_(total)、PI_(tota)l的数值差异。结果表明,两者最大的光化学效率Fv/Fm相近;阳生叶光合系统的驱动力(DF_(total))和活性(PI_(total))显著高于阴生叶(P<0.05),反映出阳生叶的光合性能高于阴生叶,叶绿体光系统比较发达;阴生叶捕获总能量(TR_0/RC)和耗散总能量(DI_(0)/RC)显著高于阳生叶(P<0.05)。本研究对了解慈竹叶片对光环境适应机制和慈竹栽培的光环境需求有一定的参考价值。

MODFLOW-CFPv2 模型在岩溶隧道突涌水及对地下水环境影响中的应用: 以云南鹤庆锰矿沟岩溶水系统为例

滇中地区构造复杂、岩溶发育,隧洞突涌水及泉流量衰减是隧洞施工过程中最棘手的问题之一。锰矿沟岩溶水系统岩溶管道化程度高,岩溶裂隙与岩溶管道2种含水介质差异显著。采用MODFLOW-CFPv2双重介质数值模型对锰矿沟岩溶水系统展开数值模拟研究,精细刻画岩溶管道与引水隧洞,进而掌握隧洞施工对地下水流场影响以及泉流量变化的规律。结果表明:(1)MODFLOW-CFPv2模型能够刻画岩溶地区复杂的地质结构,较好地模拟研究区地下水位的动态特征和岩溶泉流量响应特征。(2)在强排工况下隧洞单位长度最大涌水量为164 m^(3)/(d·m),单位长度稳定涌水量为69 m^(3)/(d·m),锰矿沟岩溶泉流量也出现显著下降的趋势,在模拟期内平均泉流量从天然条件下1578 L/s下降至1098 L/s,总体减少了30.4%;峰值泉流量从2133 L/s下降至1375 L/s,减少了35.5%,强排工况施工会对隧洞工程施工和地下水环境造成显著影响;限排工况下隧洞单位长度最大涌水量为39 m^(3)/(d·m),单位长度稳定涌水量为24 m^(3)/(d·m),隧洞单位长度涌水量显著降低,锰矿沟岩溶泉流量的下降趋势也得到了一定程度的改善,模拟期内平均泉流量降低至1284 L/s,减少了18.6%,峰值泉流量降低至1617 L/s,减少了22.1%。采用的MODFLOW-CFPv2双重介质模型具有较精确刻画岩溶区管道、溶洞、裂隙共存的高度非均质岩溶水系统的能力,能够定量评价香炉山隧洞施工对锰矿沟岩溶水系统地下水流场及泉流量的影响,为香炉山隧洞工程的突涌水灾害防治提供参考依据,也为岩溶地区复杂地质条件下地下水研究提供借鉴经验。

基于微水试验求解高渗透性承压含水层水文地质参数

为了提高高渗透性承压含水层渗透系数与储水率等水文地质参数的反演精度,科学解释井筒水位的非线性振荡现象,本研究建立了考虑表皮效应和非达西流效应耦合惯性力作用的微水试验模型。模型中表皮效应采用Robbin边界条件描述,非达西流效应采用Forchheimer方程刻画,惯性力作用采用动量平衡方程表达。利用Laplace变换法推导模型的解析解,基于现场试验数据,分析3种因素对反演水文地质参数的影响。结果表明表皮效应、非达西流效应与惯性力作用对参数反演结果的影响均不能忽视。无因次表皮因子(Sw)值、Forchheimer系数(γ)值与瞬时注水后井筒水位与承压含水层隔水顶板之间的垂直距离(l) 3个值越大,井筒水位恢复速度越慢;Sw值越大,井筒水位振荡幅度越小,而γ值和l值越大,井筒水位振荡幅度越大。忽略表皮效应、非达西流效应或惯性力作用均导致渗透系数与储水率的反演结果偏小。研究结果为裂隙承压含水层中水文地质参数的反演提供了一种合理的理论基础和技术依据。

莱州湾滨海平原沉积环境对古卤水盐分迁移能力的影响

海岸带沉积环境是研究地下水演化与运移的基础。为探讨莱州湾南岸沉积环境对咸-淡地下水空间分布及迁移能力的影响,钻探采集了2个第四纪典型钻孔(LZ01和LZ02)样品,利用压榨法提取了孔隙水,测定了沉积物的粒度组成和孔隙水Cl^(-)浓度。结果表明,2个钻孔均以细粒沉积物为主,平均粒径为5.5?。根据沉积物岩性和粒度参数特征,得出LZ01与LZ02钻孔分别包含10、9个沉积相态交替,揭露了晚更新世以来的3套海相地层单元。孔隙水以卤(咸)水为主,Cl^(-)浓度剖面形态呈现3个峰值,3个卤水层分别与3套海相地层对应,表明沉积物中残留海相古卤水,并向相邻沉积物中扩散。沉积物的水动力指数与Cl^(-)浓度垂向变化率呈现明显的分区性;中等水动力条件下,孔隙水Cl^(-)扩散迁移能力强。敏感粒径分析表明孔隙水迁移的优势粒径范围为45.61~111.47μm。研究区古海侵事件控制了卤水的分布,而低渗透性及岩性组合对封存古卤水起着重要作用。研究结果可为莱州湾滨海平原卤水成因、地下水咸化及运移研究提供理论依据。