青藏高原东南和西南部冬季积雪化学组成研究

根据2021年1月在青藏高原东南和西南部所采集的73个积雪样,通过测定积雪中氢氧稳定同位素和可溶性无机离子,结合主成分分析和Hysplit后向轨迹分析,揭示了干季氢氧稳定同位素(δD和δ^(18)O)分馏特征及水汽迁移对积雪剖面化学组分变化的影响,讨论了氢氧稳定同位素与气候的关系和可溶性无机离子组成及来源。结果表明:整个研究区积雪大气水线为δD=7.86δ^(18)O+11.8(R2=0.95),接近拉萨冬季大气水线,且东南部大气水线斜率和截距略低于西南部;δD和δ^(18)O波动分别介于-178.11‰~-68.07‰和-23.80‰~-9.61‰,d-excess值波动范围为11.03‰~23.49‰,表现为冬季δD、δ^(18)O低值,高d-excess值;雪坑表层相对富集重同位素,同位素值高于下层雪样,且积雪内部的水汽迁移使得分层雪样的δD和δ^(18)O关系曲线的斜率出现差异;主要可溶性无机离子浓度序列为Ca^(2+)>SO_(4)^(2-)>Na+>NO_(3)^(-)>Cl^(-)>K^(+)>Mg^(2+)>NH_(4)^(+),其中Ca^(2+)(42.47%)、SO_(4)^(2-)(23.53%)分别在阳、阴离子中占比最大,且东南部离子浓度平均值高于西南部;主成分分析结果显示,陆源是积雪中离子的主要来源,NH_(4)^(+)和部分NO_(3)^(-)与人类活动有关;后向气团轨迹显示,水汽来源与高空西风环流控制的水汽输送有关,且离子大多为冬季西风所携带的陆源矿物粉尘。

三极雪冰中铅浓度变化及其污染来源同位素示踪研究进展

铅是一种对人类危害极大的有毒重金属元素,示踪铅的来源是控制铅污染的前提。由于铅同位素在自然过程中难以发生明显的分馏而保留了污染源区的特点,成为追踪铅污染源强有力的“指纹”工具。雪冰作为冰冻圈重要的环境介质,因具有保存大气铅的特征,对雪冰的研究可以重建区域和全球的大气污染变化,探讨过去铅排放的活动历史。本文系统地总结了三极地区(南极、北极、青藏高原及周边地区)雪冰中铅浓度与铅同位素记录、空间分布以及使用铅同位素对雪冰铅源进行识别与解析的相关研究。结果表明:三极地区雪冰铅浓度呈现第三极>北极>南极的空间分布特征,其中第三极北部地区雪冰中铅浓度整体较南部偏高且拥有更低的^(206)Pb/^(207)Pb比值。冰芯环境记录表明,铅污染显著发生在古罗马和中世纪时期、工业革命时期(采矿、冶炼、燃煤)和20世纪下半叶(含铅汽油使用前后),三极地区雪冰中铅浓度峰值主要出现在20世纪70年代左右。铅同位素示踪显示矿物粉尘是三极地区雪冰中铅的主要自然来源,其中南极不同地点雪冰还受到火山活动不同程度的影响。南极雪冰中的铅污染主要来源于澳大利亚和南美洲国家,北极雪冰中的铅污染主要来源于北美和欧亚大陆,第三极不同冰川雪冰中的铅来源存在差异。

祁连山冰川中痕量元素的空间分布及其来源分析

痕量元素在山地冰川中的时空格局可以作为评价人类活动对大气环境影响的良好指标。为了研究祁连山雪冰中痕量元素的空间分布及其主要来源,2020年9月在祁连山的7条冰川,包括阿尔金山冰川、扎子沟冰川、老虎沟冰川、七一冰川、四号冰川、八一冰川和宁缠河3号冰川中采集表层雪样进行酸化处理,使用电感耦合等离子体质谱仪(Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry,ICP-MS)测定了大量元素Al、Fe与痕量元素As、Ba、Co、Cr、Cu、Li、Mn、Mo、Pb、Sr、Tl、Zn、Cd的浓度,并选用Jonckheere-Terpstra非参数检验来对比痕量元素平均浓度,数据结果表明祁连山西部扎子沟冰川和老虎沟冰川的痕量元素浓度较高,祁连山东部宁缠河3号冰川痕量元素浓度较低,痕量元素浓度总体空间分布趋势为西段>中段>东段。痕量元素总浓度的富集因子(Enrichment Factors,EF)表明,Co、Cr、Cu、Tl、Fe、Li、Mn、Mo、Sr元素主要受自然粉尘输入影响(EF<10),Pb、Cd、Zn元素受人为源影响较大(EF>10)。然后对痕量元素浓度数据进行主成分分析(Principal Component Analysis,PCA),发现7条冰川的第1主成分中总浓度上有较高正载荷的元素主要来源于自然粉尘源,特别是新疆地区的粉尘,第2主成分则代表不同程度的人为源影响。最后结合后向轨迹的聚类分析表明,研究区主要受西风环流控制,痕量元素自然输入源主要来自新疆中部和北部的沙漠和盆地等,而人为源则包括河西走廊部分城市人类活动、交通运输排放、矿物开采和金属冶炼等。本研究为祁连山脉各分段地区冰川人类活动对环境的影响作用提供了数据支持,为祁连山地区的生态文明建设和社会经济的可持续发展提供了重要的科技支撑。

木质素制备燃料电池阴极电催化炭材料研究(Ⅲ)——改性酶解木质素炭的微观结构演变

为了研究木质素基炭微观结构演变规律,以阔叶材酶解木质素及其尿素改性和三聚氰胺改性木质素为原料,在300~900℃之间炭化制备木质素基炭。采用X射线衍射、氮气吸附/脱附等温线、电阻率测试和扫描电镜分析了木质素基炭的微观结构、导电性和孔隙结构,全面分析了改性处理对木质素基炭的微观结构和孔隙结构演变过程的影响。研究结果表明:不管木质素是否改性,当炭化温度从600℃升高到700℃时,木质素基炭的导电性急剧提高,并从绝缘体转变为半导体,木质素基炭的类石墨微晶结构快速发展。然而,尿素和三聚氰胺改性导致类石墨微晶中碳网平面层间距的缩小,且氮含量越高的三聚氰胺改性变化更加明显;同时可以明显提高炭化温度低于700℃时炭化得到的木质素基炭的导电性,并降低炭化温度高于700℃时炭化得到的炭的导电性。非常突出的是,尿素和三聚氰胺改性显著阻碍了木质素基炭孔隙结构的发展,甚至完全抑制了微孔的形成。在700℃下制得的未改性、尿素改性和三聚氰胺改性木质素基炭的比表面积分别为524、102和69 m^(2)/g。

木质素制备燃料电池阴极电催化炭材料研究(Ⅳ)——材料的制备及其催化氧气还原性能

在对酶解木质素以及尿素、三聚氰胺改性木质素的热解过程、木质素基炭的化学结构和微观结构等系列研究基础上,采用木质素改性、炭化和氨气活化等过程制备了木质素基活性炭,运用氮气吸附法、傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱和电化学等方法分析了木质素基活性炭的孔隙结构、表面化学结构与电催化氧气还原反应(ORR)的催化性能。研究结果表明:以酶解木质素为原料,通过含氮化合物改性、炭化和高温氨气活化能够制备出ORR电催化性能优良的木质素基活性炭。采用含氮化合物改性和氨气活化的方法,可以有效调控木质素基活性炭的孔隙结构,以及吡啶氮(N-6)、吡咯氮(N-5)和季氮(N-Q)等含氮基团含量,从而达到调控木质素基活性炭的ORR电催化性能的目的。木质素经三聚氰胺改性、800℃炭化、950℃氨气活化制得的活性炭L-M-800-NH_(3)-950比表面积为1304 m^(2)/g,微孔(0.438 cm^(3)/g)和中孔(0.302 cm^(3)/g)结构发达,含氮量为6.82%,季氮基团为64.8%,电催化性能与商业20%Pt/C材料接近。

基于流域的陕西省水资源承载力研究

以陕西省9个流域为评价单元,基于宏观指标和综合指标构建水资源承载力综合评价模型。通过分析经济压力、人口压力、承载压力及协调指数,进而对研究区水资源承载力进行评价并探讨其时空分布特征。结果表明:(1)陕西各流域水资源承载力差异较为明显,其中陕南最大,陕北次之,汉中最小。陕南地区的汉江和嘉陵江两个流域水资源丰富且降水充足,WI<0.6处于承载适宜阶段,但该流域水资源利用效率较低HI<0.6,流域人均用水量、万元GDP用水量以及农田灌溉亩均用水量均超过全省平均水平。陕北地区的河口-龙门、内流区以及北洛河三个流域水资源紧缺且存在水质性缺水问题,处于轻度超载阶段;而关中地区的渭河、泾河、龙门三门峡及伊洛河四个流域水资源供需矛盾随着人口与经济的增长进一步加剧,水资源承载力综合评价指标值WI>1.5,处于严重超载阶段。(2)从承载压力指数分析可以看出,流域调水对缺水地区或经济中心城市的发展起到决定性作用。从丰水流域跨流域调水能解决地区性缺水问题,进而解决水资源危机所带来的社会经济可持续发展问题。(3)基于水资源的自然资源属性,以流域为评价单元,其研究结果更符合自然规律,有利于实现流域间水资源的合理均衡和分配。

木质素制备燃料电池阴极电催化炭材料研究(Ⅱ)——改性酶解木质素炭的化学结构演变

采用尿素和三聚氰胺改性酶解木质素,研究了改性前后木质素炭化制备的木质素基炭的化学结构演变过程。采用傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱分析了不同炭化温度(300~900℃)对3种木质素基炭化学结构的影响,全面分析了炭的含氧和含氮化学官能团变化规律,研究结果显示:不管是未改性还是改性的酶解木质素,600~700℃是炭表面含氧和含氮基团发生显著变化的炭化温度区域。在600℃之前,3种木质素基炭主要含有羧基、羰基和羟基等含氧基团;高于600℃时得到的炭则主要含有羟基和羰基等含氧基团,且羟基官能团最多。经尿素和三聚氰胺改性后,600℃下木质素基炭含有的绝大部分含氮基团是吡啶氮和吡咯氮;达到700℃以后,升高炭化温度导致吡咯氮转化为季氮,季氮含量明显提高,木质素基炭含有的含氮基团则以吡啶氮、吡咯氮和季氮为主。

木质素制备燃料电池阴极电催化炭材料研究(Ⅰ)——改性酶解木质素的热解过程

为了制备高性能的木质素基燃料电池用电催化炭材料,以酶解木质素为原料制备尿素、三聚氰胺改性酶解木质素,采用TG和DSC分析了酶解木质素、尿素和三聚氰胺改性酶解木质素的热解过程;同时采用立式管式炉在不同热解温度下对3种木质素进行热解,计算了固体产物得率,并采用元素分析仪测试了固体产物的碳、氮、氢元素含量。研究结果显示:尿素或三聚氰胺改性酶解木质素显示出与未改性酶解木质素显著不同的热解过程,其中尿素改性酶解木质素的热解过程主要发生在180~360℃之间,三聚氰胺改性酶解木质素的主要热解反应发生在温度范围较窄的280~350℃之间。尿素改性和三聚氰胺改性木质素都能制备得到含氮量较高的木质素基炭。尽管三聚氰胺在400℃就完全热分解,但三聚氰胺改性酶解木质素能在900℃下制备得到含氮量超过10%、炭得率与未改性木质素得率相当的产物炭,三聚氰胺的改性效果显著。进一步的对比分析揭示,三聚氰胺改性酶解木质素在热解过程中产生了化学活性高的含氮有机化合物,大大提高了三聚氰胺改性木质素在较低温度下发生二次热解的几率,从而显著影响最终固体产物的得率及其含氮量。

基于多源遥感数据的1970-2020年巴尔喀什湖动态监测

利用ICESat-1、CryoSat-2测高数据与水文站实测数据,分析了1970-2020年巴尔喀什湖水位变化特征,结合MOD09A1数据及相关资料分析了巴尔喀什湖长时间序列面积和水量变化状况,并利用巴尔喀什湖流域灌溉数据及Climatic Research Unit(CRU)气象数据,简要探究了气候变化及人类活动对湖泊长期变化的影响。结果表明:巴尔喀什湖水位在研究时段内总体呈现先下降后波动上升的趋势,1987年水位值达到最低(340.64 m),年内水位增长主要发生在2月底至6月初,且暖季(4-10月)水位波动比冷季(11月-次年3月)更剧烈;1970-2020年巴尔喀什湖面积从19996 km^(2)减少到16641.93 km^(2),湖面缩小约16.77%;在此期间巴尔喀什湖水量损失约为12.33 km^(3)。湖泊动态变化为多种因素共同作用的结果,1970-1987年湖泊动态变化主要由卡普恰盖水库蓄水和哈萨克斯坦境内灌区耕地扩张等人类活动引起;气温与降水在总体趋势上与湖泊的动态变化并无明显相关性,定量讨论各因素对湖泊动态变化的影响,还需进一步研究。

黄河上游典型流域滑坡稳定性预测及模型应用

黄河中上游地带是滑坡的易发区域,了解这些滑坡的空间分布对于黄河流域的生态环境治理与保护至关重要。三维确定性模型Scoops3D模型能很好地对滑坡稳定性进行定量化分析,但是关于输入参数对模型结果影响的研究很少。为了定量化分析不同输入参数组合对模型结果的影响,以黄河上游甲加沟为例,基于Scoops3D模型对滑坡的空间位置进行预测分析。并对影响模拟效果的两种因素(数字高程模型(DEM)分辨率和搜索面积)进行分析对比。通过输入不同的参数得出的模拟结果,发现DEM分辨率和滑坡搜索面积对模拟结果都有显著的影响。首先,DEM分辨率越高,模拟效果越好,但是也存在大量的过度识别;其次,对于同一DEM分辨率而言,不同的滑坡搜索范围对于模型结果的影响也不同,并且随着DEM分辨率越来越低,这种影响也越来越大;最后,低分辨率DEM条件下较大的搜索范围也能得到较好的模拟效果。因此,在为模型选择合适的参数时,要对区域的滑坡大小有充分了解,然后根据实际情况选择合适的参数。

重新认识滑坡作用

山体滑坡是全球山区环境中最为常见和严重的自然灾害之一,每年都会造成大量的人员伤亡和财产损失。前人大量研究主要集中于滑坡灾害的动力学过程、形成机制和风险评估、监测预警等方面。然而,山体滑坡不仅仅是重要的自然灾害,更起到重塑地形,限制山体起伏,改变土壤的物理和生化性质,加速土壤侵蚀,扰乱植物演替,影响生态系统多样性,影响人类社会等多方面作用,而这些作用对于拓深自然地理、地质和生态过程的认识有着重要的意义。但遗憾的是这方面的研究目前相对薄弱,没有引起学界足够的重视。基于此,该文详细论述了山体滑坡在这方面的作用,为进一步深化对山体滑坡作用的认识提供了全新的研究思路与独特见解。

青藏高原典型山地冰川中痕量元素的空间分布和来源分析

为了探究青藏高原雪冰中痕量元素的空间分布与主要来源,对2019年7—9月在青藏高原七一冰川、八一冰川、岗什卡雪峰、煤矿冰川、玉珠峰冰川、古仁河口冰川以及玉龙雪山白水河1号冰川采集的表雪样酸化后,利用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测试了常量元素Al、Fe与痕量元素As、Ba、Co、Cr、Cu、Li、Mn、Mo、Pb、Sr、Tl、Zn、Cd共15种元素的含量,通过Jonckheere-Terpstra非参数检验分析痕量元素空间分布趋势。结果表明:中部煤矿冰川和玉珠峰冰川浓度最高,南部古仁河口冰川和玉龙雪山最低,东北部3条冰川居中;本研究与其他研究区关于冰川As、Cu、Pb、Zn、Cd浓度对比的结果显示,青藏高原冰川中元素含量的空间分布总体趋势为:中部>北部>南部。富集因子分析表明,Co、Cr、Cu、Tl、Fe、Li、Mn、Mo、Sr元素主要受粉尘输入影响,Pb、Cd、Zn元素受人为源影响较大(例如有色金属冶炼、交通排放、化石燃料燃烧等)。后向轨迹结果表明,东北部3条冰川主要受东北和西北部地区影响;中部冰川元素来源复杂,以青藏高原西部和北部的粉尘输入为主,且受西部临近煤矿和交通运输影响;南部冰川主要受南亚和青藏高原西南部地区影响。研究成果将进一步丰富青藏高原雪冰痕量元素数据库,为评估人类活动对青藏高原大气环境的污染和水源区的潜在环境风险提供科学依据。

2000-2020年格陵兰冰盖夏季表面温度变化及其对物质平衡的影响

基于MODIS温度产品,着重分析了2000-2020年格陵兰冰盖夏季表面温度和表面融化范围的年际变化趋势;联合IMBIE(冰盖物质平衡对比实验)数据分析表面温度对于冰盖物质平衡的影响;进一步讨论了大气环流对于格陵兰冰盖表面温度变化的影响。结果表明:格陵兰冰盖夏季表面温度和融化范围趋势较为一致,2000年初期呈现出显著的上升趋势,2012年达到峰值,随后波动下降;整个研究阶段北部区域是增温速率最大的区域,高于其他任何区域两倍,东南部和西南部是温度最高的区域却具有最小的增长率;格陵兰冰盖夏季表面温度、融化范围以及物质平衡之间都具有显著的相关性,同时格陵兰冰盖夏季表面温度每上升1℃,会导致其物质损失增加74.29Gt·a;最后,经过对北大西洋涛动(NAO)和格陵兰阻塞指数(GBI)指数的分析得到,格陵兰冰盖夏季表面温度受到GBI的影响要强于NAO的影响,冰盖夏季表面温度和NAO呈现出负相关(r=-0.64,P<0.05),和GBI呈现出正相关(r=0.77,P<0.05)。