岩溶碳循环及碳汇效应研究与展望

碳酸盐岩风化是全球碳循环的重要组成部分, 具有大气与土壤CO₂汇效应, 受生态系统因子驱动与全球变化影响, 岩溶地区碳汇具有地表和地下双碳汇特征。简要介绍岩溶碳循环与全球变化关系, 论述岩溶碳汇的相关科学问题和主要进展, 分析岩溶增汇潜力与土地利用变化, 进一步提出基于岩溶关键带理念的碳酸盐岩风化过程概念模型。碳酸盐岩风化产生的碳汇可能是全球碳循环"遗漏碳汇"的贡献者, 同时具有缓解土壤CO₂向大气释放的作用, 进而成为全球碳循环模型中"土地利用变化项"(E_LUC)的重要调节者(减源效应)。碳酸盐岩风化过程能快速响应短时间尺度变化环境因子, 是岩溶关键带中连接生物、水文与地球化学过程的核心驱动机制。岩溶碳循环可理解为是土壤-生态系统碳循环的延伸或横向组成部分, 共同组成岩溶地区完整的陆地浅表层碳循环系统。碳酸盐岩风化对大气CO₂浓度上升的负反馈效应, 石漠化治理与生态修复工程的持续推进, 蕴藏着巨大的岩溶固碳增汇潜力。应加强土壤CO₂季节及其区域变化监测与研究, 构建基于土壤CO₂与流域水化学指标相关性的反向模型, 为估算区域碳汇本底、评估年际碳汇增量与潜力提供更加清晰且有效的岩溶增汇方案与途径。      

“碳中和”目标下海洋黑碳的源汇过程及其意义

黑碳是由生物质和化石燃料不完全燃烧生成的碳质混合物。由于黑碳含碳量高,具有芳构化的分子结构,可在自然环境中长期存在,因此黑碳是全球碳循环的重要组分。虽然近年来有关黑碳的性质以及黑碳在地球各圈层中的循环通量及储量的研究取得了一定的进展,但仍需进一步厘清其源汇过程,探讨黑碳在全球碳循环中的作用。初步梳理了全球黑碳循环的路径、通量、时间尺度的相关数据,分析总结了海洋黑碳源汇过程中的迁移机制及相关制约因素。分析认为：海洋沉积物是黑碳的巨大储库,储量达569～1 380 Pg,黑碳可在海洋沉积物中持续存在数千年,符合当前“碳中和”背景下“有效碳汇”长周转时间这一重要条件;同时,黑碳在环境中的周转循环时间一般长于生物质碳,对全球变暖具有负反馈效应。因此,黑碳入海沉积是一种有效的海洋碳增汇和碳封存手段,可能是实施碳的捕集、利用和封存(CCUS)战略的有效途径。通过总结与评估海洋沉积物中的黑碳在“碳中和”领域的战略价值和气候意义,认为在生态环境友好的前提下,应积极调控生物质燃烧成因的黑碳的生产源头,优化黑碳入海沉积路径和埋藏海域,充分发挥黑碳在海洋负排放中的积极作用,为我国海洋“碳中和”目标的实现提供...     

多年冻土区河流溶解性有机碳输出的研究进展

多年冻土区河流中溶解性有机碳（DOC）的输出对全球碳循环有着重要贡献，是全球气候变化研究的热点。当前研究主要集中在2个方面:多年冻土区河流DOC输出的时空特征及其影响因素；多年冻土区河流DOC输出对气候变暖和冻土退化的响应。研究表明，河流中DOC的浓度、通量、化学组分等主要受流域内水的流动路径、滞留时间及路径上潜在DOC源的特征控制，而多年冻土的分布及其季节性融冻循环对上述因素有显著影响，进而控制多年冻土区河流DOC的输出规律。气候变暖可从3个方面对多年冻土区河流DOC输出产生影响:①造成多年冻土退化，使地下水的流动路径变深和滞留时间增长，导致河流的DOC输出量降低；②使多年冻土中储存的老有机碳释放，导致河流的DOC输出量增高；③改善深部土壤的通气和温度条件，促进土壤微生物活性，进而影响河流DOC的输出量和化学特征。今后，有3个方面的研究需要加强:①中、低纬度高海拔冻土区河流DOC的输出规律及其与流域水文过程的关系；②小型源头河流DOC输出的对比与控制性试验；③冻土区地下水流过程的精细刻画和潜在有机碳源的直接探测。      

砷在金属矿山中的赋存形态及迁移机制

金属矿山在采矿、选矿、冶炼的过程中经常会产生环境污染的问题, 其中矿山酸性废水(acid mine drainage, 简称AMD)所带来的砷污染是最为严重的重金属污染问题之一。总结了砷在金属矿山中的赋存形态及其在不同矿物中活化、迁移的化学过程和形态转化规律, 认为: ①黄铁矿和毒砂是金属矿山中最普遍的含砷矿物; ②砷随着原生矿物的氧化溶解活化出来, 在AMD中主要以砷酸盐和亚砷酸盐的形态存在, 其中亚砷酸盐的迁移性更强; ③AMD中次生矿物(如黄钾铁钒、针铁矿、臭葱石等)吸附沉淀可以减缓砷的迁移速率、减少砷的迁移量但不能阻止砷的迁移。含砷矿物的次生氧化过程和次生矿物中砷的稳定能力研究可以对砷在矿山环境中迁移机制的深入理解和砷污染治理方案的制定提供新的思路和研究方向。      

季风影响下北部湾颗粒无机碳浓度时空变化特征

以北部湾1999年7月至2009年6月11年的Sea Wi FS卫星遥感颗粒无机碳度资料为基础,研究北部湾颗粒无机碳浓度的时空分布特征,并初步探讨其可能的海洋动力调控机制。结果表明:在季节变化上,整个冬季北部湾颗粒无机碳浓度普遍较高,表现出季节平均最大值(0.012 mol·m-3),春季普遍较低(0.004 mol·m-3),表现出全年最低水平;不同区域的最高水平出现的季节却有所不同:北部湾北部沿岸区域颗粒无机碳浓度在秋季较高,海南岛西部大部分海域在冬季较高,北部湾西北部沿岸则在夏季较高;在空间分布上,近岸海区的颗粒无机碳浓度明显高于海湾中央区域,北部湾北部海域普遍高于南部海域,东部海域高于西部海域。综合相关分析表明,北部湾颗粒无机碳浓度的这一时空分布特征主要同季风的强弱及风向有关,同时也可能与海表温度、流场(如沿岸上升流等)及陆地径流量等有关。     

森林碳蓄积量估算方法及其应用分析

近些年来,森林锐减、土地退化、环境污染、生物多样性丧失,特别是人类活动产生的C0₂浓度急剧上升和由此导致的温室效应等是目前人类面临最严峻的全球环境变化问题,所以全球碳循环问题日益成为全球变化与地球科学研究领域的前沿与热点问题,其中陆地生态系统碳循环又是全球碳循环中最复杂、受人类活动影响最大的部分。而森林生物量占整个陆地生态系统生物量的90%,因此,为了正确评估森林在全球碳平衡中的作用,了解森林生态系统在碳循环中的作用,森林的碳动态研究正日益成为人们关注的重点。本文总结了估算森林固碳量的几种方法--样地清查法、模型模拟法和遥感估算法,分析了它们的特点及应用等有关问题。     

喀斯特地区不同岩土组构对岩溶碳通量的影响

我国南方喀斯特地区岩石裸露率高、土层浅薄且分布不均,这种特殊的岩土组构如何影响水文过程对于准确估算岩溶碳通量具有重要意义。水化学径流法是计算流域尺度岩溶碳通量的常用方法,其中流域面积和流量作为2个重要参数在喀斯特地区往往难以准确获取。在普定喀斯特生态系统观测研究站设计了一组岩土比(1:1和4:1)和一组土层厚度(5,20,100 cm)共计5种岩土组构的模拟试验场。通过一个完整水文年的流量和水化学监测,定量研究了岩石裸露率和土层厚度对水文过程以及岩溶碳通量的影响。研究结果表明,5个模拟试验场岩溶碳通量平均值为(17±3) gC/m2/a,受渗漏量控制,雨季(5-10月)约占95%;岩石裸露率(2组岩土组构之间)对渗漏量的影响可达14%,且随着岩石裸露率增加,入渗系数也相应增加;土层厚度对渗漏量的影响仅在1%~2%之间。此外,对8个野外流域观测数据的分析发现,入渗系数与岩溶碳通量的相关性最为显著,说明入渗系数是喀斯特地区不同岩土组构地质背景影响和控制岩溶碳通量的主要因素,同时这种影响可能随降雨量变化而变化,即入渗系数并非常数。      

冷泉沉积研究进展及环境意义

冷泉是当今科学界研究的前沿和热点之一。对冷泉研究的进展进行了综述,着重对冷泉渗漏过程中沉积的冷泉碳酸盐岩进行了较为深入的分析,如形成机理,形态特征,矿物成分,结构构造,稳定碳、氧、硫同位素组成,稀土元素特征以及冷泉生物群落等;认为具有极负碳同位素值和独特组构的冷泉碳酸盐岩是研究冷泉的主要手段之一;初步探讨了海底水合物分解冷泉渗漏与温室气候、碳循环、大洋缺氧事件(OAE)和生物灭绝之间的关系。      

桂江流域河流有机碳特征

通过对桂江流域内植物、土壤碳同位素、河流有机碳含量及同位素进行系统取样测试分析发现,桂江流域C3 植物的
δ13C范围为-37.89‰~ -23.27‰,C4 植物δ13C范围为-14.49‰~-12.00‰。土壤碳库的δ13C 范围为-30.43‰~
-11.56‰,平均值为-24.32‰。土壤碳库主要受C3 途径植物控制,C4 途径植物对土壤碳库的δ13C影响有限,植物残体转化成
土壤有机质的过程中产生有机碳同位素分馏效应,造成土壤有机碳同位素比植物碳库偏重4.42‰。桂江河流DOC分布范围
0.68~2.16mg/L,平均值为1.39mg/L。ρ(POC)分布范围0.11~1.14mg/L,平均值为0.37mg/L,DOC/POC的范围1.31~
9.04,ρ(DOC)>ρ(POC),成为水体有机碳的主要形式。流域水体中δ13CDOC值的范围为-29.682‰~-15.377‰,平均值为
-24.810‰;δ13CPOC值的范围为-27.886‰~-24.271‰,平均值为-25.868‰;两者均位于土壤有机碳库同位素范围内,说明河流
有机碳主要来源于土壤的机械侵蚀和土壤有机质的降解,受人类生产生活有机废弃物和河流自生浮游植物的代谢分泌物影响小。      

基于OGC WPS的碳循环模型服务平台的设计与实现

 碳循环模型是模拟陆地生态系统,估计和预测不同尺度碳收支格局和变率的重要手段。但传统碳循环模型应用中存在数据处理量大、运算复杂、互操作性差、难以推广等问题。由开放地理信息联盟(OGC)制定的网络处理服务(WPS)标准为实现碳循环模型的发布、共享、重用与组合,促进碳循环模型的发展和应用提供了一种新的途径。本文遵循OGC WPS标准,以SOA设计了碳循环模型服务平台的整体架构,详细描述了平台模型接口设计、模型算法开发、WPS服务的封装与发布、平台浏览器客户端界面开发等关键环节的实现方法,为用户提供了碳循环相关数据和模型服务的发布、管理、调用、组合、异步交互、状态监控和结果可视化等功能。并以VPM模型服务链为应用实例,演示碳循环模型WPS服务开发、封装、调用和组合的方法,展示了该服务平台的功能。该平台的建立为我国碳循环模型研究的发展提供了技术支撑。     

SEASONAL VARIATIONS OF RIVERINE ORGANIC CARBON CONTENTS IN MAKOU AND HEKOU GAUGE STATIONS OF THE ZHUJIANG RIVER, CHINA

Water samples were collected and analyzed in high water season (July 1997) and in middle water season (October, 1997) from two main lower reach gauge stations of the Zhujiang (Pearl) River, namely Hekou and Makou, respectively. Content of particulate organic carbon is always higher than that of dissolved organic carbon in both seasons, which is obviously different from the global average pattern, i.e. dissolved organic carbon is the dominant component of the transported riverine organic carbon. The content of dissolved and particulate organic carbon changes with the water levels in a direct ratio. The percentage of organic carbon in total suspended substance changes with the content of total suspended substance in an inverse ratio. The more intense is the soil erosion in the drainage, the more concentrated is the riverine organic carbon in the river. The contribution of autochthonous organic carbon is large in high water season than in middle water season. Fundation item: This project was supported financially by the National Natural Science Foundation of China (No. 49901002), the key funds of resources and eco-environmental research of the CAS (No. KZ952-J1-402), a funds of the state key laboratory of organic geochemistry, and Guangdong Province Science Funds (No. 984131). Biography: Gao Quan-zhou (1965 —), male, a native of Anhui Province, associate professor. His research interests are geomorphology and Quaternary geochemistry.     

The effects of estuarine processes on the fluxes of inorganic and organic carbon in the Yellow River estuary

Riverine carbon flux is an important component of the global carbon cycle. The spatial and temporal variations of organic and inorganic carbon were examined during both dry and wet seasons in the Yellow River estuary. Concentrations of dissolved organic carbon (DOC) and dissolved inorganic carbon (DIC) in the Yellow River during dry seasons were higher than those during wet seasons. The effective concentrations of DOC (C_DOC*) were higher than the observed DOC at zero salinity. This input of DOC in the Yellow River estuary was due to sediment desorption processes in low salinity regions. In contrast to DOC, the effective concentrations of DIC were 10% lower than the DIC measured at freshwater end, and the loss of DIC was caused by CaCO₃ precipitation in low salinity region. Particulate organic carbon (POC) and particulate inorganic carbon (PIC) contents of the particles stabilized to constant values (0.5%±0.05% and 1.8%±0.2%, respectively) within the turbidity maximum zone (TMZ) and showed no noticeable seasonal variations. A rapid drop of PIC and rise of POC occurred simultaneously outside the TMZ due to an intense dilution of riverine inorganic-rich particles being transported into a pool of aquatic organic-poor particles outside the TMZ. Annually, the Yellow River transported 6.95×10⁵ t of DIC, 0.64×10⁵ t of DOC, 78.58×10⁵ t of PIC and 2.29×10⁵ t of POC to the sea.     

山东省汶泗河冲洪积平原地下水污染评价与安全供水对策

在对汶泗河冲洪积平原水文地质条件和污染源现状进行阐述的基础上,对不同含水岩组无机组分指标进行了分析,表明浅层孔隙水和部分地区岩溶裂隙水无机组分含量大幅增高,深层孔隙水无机物含量则变化不大。在有机污染方面,浅层孔隙水有机物检出率26.8%,但含量很低,远未达到饮用水标准限值;岩溶裂隙水有机物检出率46.7%,检出率相对较高,局部地段有机物超标;深层孔隙水有机物基本未检出。该区地下水污染评价结果表明,浅层孔隙水和岩溶裂隙水无机污染呈面状污染特征,且污染程度较重,而有机污染则呈现点状污染特征,且污染程度总体较轻。对研究区地下水污染现状,提出了地下水安全供水对策。     

基于多源人工示踪试验表征岩溶管道结构特征: 以贵州苍蒲凹地下河为例

人工示踪试验是岩溶水文地质领域的重要研究手段, 分别在基流期和降水条件下对苍蒲凹地下河实施了多源示踪试验, 以探究其岩溶管道的展布特征。试验结果显示, 基流期和降水条件下均检测到来自水箐、黄连村及廖家坡3个落水洞的示踪剂, 降水条件下的示踪剂回收率分别为88.12%, 90.01%, 84.01%, 表明苍蒲凹地下河为多源单汇型地下河。基流期及降水条件下示踪剂运移特征均表明, 水箐至苍蒲凹的流动路径曲率最大, 黄连村至苍蒲凹的流动路径为主岩溶管道, 廖家坡至苍蒲凹的流动路径上存在双通道, 且在靠近地下河出口处存在溶潭, 据此建立了苍蒲凹地下河管道结构的概念模型。研究成果可为复杂岩溶地下河的水资源调查及开发利用提供依据。      

Vertical flux of particulate organic carbon in the central South China Sea estimated from 234Th-238U disequilibria

234Th-238u disequilibria were applied to examine the particle dynamics in the euphotic zone of the central South China Sea during the spring 2002 cruise. The particulate organic carbon (POC), 234Th (including both dissolved and particulate) and 238U in the water column at three stations were determined. The profiles of 234Th/238U activity ratio at the three stations all showed consistent 234Th deficit as compared to 238U in the upper 100 m water column. Based on the profiles of the dissolved and particulate 234Th and a steady state box model, the dissolved 234Th scavenging rates, the particulate 234Th removal rates and their resident times were quantified. It was found that the POC downward export fluxes out of the upper 100 m euphotic zone ranged from 9.40 to 14.78 mmol.m-2.d-1. The results from this study provide new information for our understanding of carbon biogeochemical cycle in the South China Sea.     

RIVERINE INORGANIC CARBON DYNAMICS： OVERVIEW AND PERSPECTIVE

1INTRODUCTION River systems are the major linkage between the land and the ocean, not only transporting carbon from terres- trial environment to the ocean, but also exchanging CO2 with the atmosphere, actively involved in the global car- bon biogeochemical cycle (RICHEY et al., 2002; COLE and CARACO, 2001). The inorganic carbon, mainly o- riginating from soil CO2, carbonate minerals and atmo- sphericCO2,constitutedthegreatpart(about 60%) ofthe riverine carbon exported to the ocean…     

山东省地下水污染特征与初步评价

以20世纪80年代以前地下水水质测试资料为背景,利用近几年工作中取得的大量水质测试资料,采用“污染指数法”进行区域地下水污染综合评价。研究表明：目前地下水仍以无机污染为主,但有机污染危害程度更大。“三氮”是浅层地下水的主要无机污染指标,其中又以硝酸盐污染为最。有机污染指标主要为1,2-二氯乙烷、1,1,2-三氯乙烷和四氯化碳等,裂隙岩溶水较孔隙水更容易受到有机物污染。     

VARIATIONS OF THE SUSPENDED MATTER AND THE PARTICULATE ORGANIC CARBON IN THE ENTRY OF THE GIRONDE ESTUARY, FRANCE

The effects of using different types of glass fiber filters (GF/F, GF/C) and of sample treatments evaluated. Studies on the variation of suspended matter (SM) and particulate organic carbon (POC) showed that: 1) the transversal and day to night variations are important and must be taken into account in order to get a corrcet river flux; 2) no regular seasonal variations of SM and POC observed, as they are controlled essentially by the climatological, hydrologic, physiochernical, biological, and geological conditions of the drainage area.     

Variations of the suspended matter and the particulate organic carbon in the entry of the Gironde Estuary,France

The effects of using different types of glass fiber filters (GF/F, GF/C) and of sample treatments were evaluated. Studies on the variation of suspended matter (SM) and particulate organic carbon (POC) showed that: 1) the transversal and day to night variations are important and must be taken into account in order to get a correct river flux; 2) no regular seasonal variations of SM and POC were observed, as they are controlled essentially by the climatological, hydrologic, physiochemical, biological, and geological conditions of the drainage area. Contribution No 2246 from the Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences.