陆地硅的生物地球化学循环研究进展

地球表层硅(Si)的生物地球化学循环与大气CO2浓度变化、大洋生物泵作用以及海岸带富营养化等过程密切相关,因此成为全球环境变化研究的核心问题之一。在地质时间尺度上,硅酸盐矿物的化学风化是地球表层所有次生Si的来源。陆地生态系统各次生Si库具有不同的形成机制和驱动因子,这导致各Si库的贮存量和循环周期存在明显差异。土壤Si库中的黏土矿物Si、溶解硅(DSi)和淀积在其他矿物表面的无定形Si都源自硅酸盐矿物的化学风化过程;植物生长过程中吸收土壤中的DSi形成生物Si,然后经微生物分解过程返还给土壤;地表径流将流域陆源Si以悬移质Si和DSi的形式输入河流、海洋。迄今,陆地不同形态Si库的大小及其对全球Si循环的贡献仍不确定。因此,在研究陆地Si的生物地球化学循环过程中,综合考虑各种地表过程及其耦合作用是非常必要的。     

全球海洋硅循环及研究中面临的主要挑战

海洋硅循环是海洋生物地球化学循环的关键过程之一,对调控全球二氧化碳浓度、海洋酸碱度和多种元素(氮、磷、铁、铝等)的循环具有重要作用。在当今气候变化和人类活动影响日益增强的背景下,硅循环与“生物泵”及碳循环的紧密联系,是其成为地球科学领域研究热点的主要原因。海洋中硅的外部来源主要为河流、地下水、大气沉降、海底玄武岩风化作用和海底热液输送5个途径,在全球气温变暖趋势的影响下,极地冰川融化成为高纬度海域不可忽视的硅源。生物硅在沉积物中的埋藏、硅质海绵和生物硅的反风化作用是重要的海洋硅移除过程。海洋硅循环过程复杂,受生物(生物吸收、降解)、物理(吸附、溶解)和化学(矿化分解和反风化作用)多重因素的影响,针对海洋硅循环关键过程的研究有助于综合评估海洋硅的“源-汇”和收支。本文总结了海洋硅循环的主要过程及海洋硅的收支,根据国际和国内研究现状讨论了当前海洋硅循环研究中面临的主要问题和挑战。现有研究成果显示,海洋硅的外源输入和输出通量比以往的评估分别增加了2.4和2.2倍。在短时间尺度内(<8 ka),全球海洋中硅的收支大致平衡,海洋硅循环基本处于稳定状态。气候变化和人类活动导致河流输送至陆架边缘海的硅通量发生变化,可能影响硅藻等海洋浮游植物种群结构,是未来海洋硅循环研究需要关注的问题之一。陆架边缘海较高沉积速率和强烈的反风化作用提高了该区域生物硅的埋藏效率,准确评估该区域生物硅的埋藏通量仍是亟须解决的难题。目前的研究评估了全球海洋浮游硅藻、硅质海绵以及放射虫生产力,而海洋底栖硅藻生产力的贡献受到忽视,未来需要关注底栖硅藻对生物硅的贡献及其在海洋硅的生物地球化学过程中的作用。     

喀斯特生态系统生物地球化学过程与物质循环研究:重要性、现状与趋势

喀斯特地质与生态系统是地球表层系统中的重要组成部分,其变化将对其他地区以及整个地球系统产生影响.生物地球化学循环是全球和区域变化研究的核心内容,而生态系统的演化与系统内水分和养分的生物地球化学循环密切相关。因此,我们有必要将喀斯特生态系统纳入到更大区域或全球生态系统中进行分析研究,在充分研究认识整个喀斯特生态系统物质生物地球化学循环规律的基础上,进一步研究喀斯特生态系统的全球变化响应或影响机制,为喀斯特生态系统优化调控对策和措施提供科学基础。研究生态系统演化过程中物质的生物地球化学循环规律,是研究植物适生性、物种优化配置和适应性生态系统调控机理的关键基础。在介绍前人工作基础的同时,本文全面而概括地总结了我们近年利用元素、同位素(如δ13C、δ15N、δ34S、87Sr/86Sr)示踪和化学计量学理论和方法对喀斯特生态系统中不同界面和流域中物质的生物地球化学循环及其生态环境效应的研究成果。认识到:喀斯特流域生物地球化学循环活跃,相互耦合,并与流域生态环境变化相互制约;人类活动正干预流域物质的自然生物地球化学循环过程,并导致相应的生态和环境效应;全球变化科学深化有赖于区域生态环境变化及物质生物地球化学循环的研究。这些认识是我们将来系统深入开展喀斯特以及其他流域生态系统物质生物地球化学循环研究的重要方向。     

沿海地区气溶胶硅的组成、来源及其生态效应研究进展

作为地壳中第二大元素,硅对土壤形成、陆生高等植物和水生浮游植物生长发育以及碳循环有着重要的影响。在气候变化加剧的背景下,硅生物地球化学循环研究变得格外重要。近年来关于陆地和海洋系统的硅循环研究相对成熟,而大气系统中的硅研究明显缺乏。气溶胶是大气中的活跃组分和元素地球化学循环的重要载体。目前关于气溶胶中硅的组成、来源以及部分地区硅沉降负荷的重要程度的认识还不够,制约了对表层地球系统中硅循环的认知。基于当前国内外的研究成果,总结了气溶胶硅的组成及其与其他元素间的耦合关系,综述了新兴的硅同位素在大气颗粒物溯源方面的应用,分析了沿海地区硅长距离传输的生态效应以及硅纳米颗粒对公共健康的影响。总体来说,气溶胶中硅以无机硅为主,部分近海海域气溶胶硅的沉降对于浮游植物生长具有控制作用。未来需要针对气溶胶硅的产生和转化机理、硅沉降及其对生物地球化学循环关键过程的影响以及硅纳米颗粒的毒理效应等方面开展进一步研究。     

陆地生态系统与气候相互作用的研究进展

陆地生态系统与气候系统通过地面与大气之间能量平衡、水汽交换和生物地球化学循环相互作用,影响大气中温室气体浓度和气溶胶,继而影响气候变化。较系统分析总结了当代国际上陆地生态系统与气候相互作用的最新研究进展。首先介绍了陆地生态系统与气候相互作用的机制与过程,总结了陆地生态系统与气候相互作用研究的三个发展阶段,以及当代相互作用的过程模拟研究中三类主要的全球生态系统模型,即生物物理模型、生物地理模型和生物地球化学模型。并介绍了气候对生态系统变化的响应,即两种主要的反馈机制。最后,对未来的研究方向和重点作了分析。     

植硅体在河流硅输送中的作用

高等植物产生的植硅体是古气候和古环境研究的重要手段,也是陆地硅循环中重要的硅的储库;植硅体通过河流的跨区域输送在全球硅的生物地球化学循环中起着重要作用,是区域硅循环研究的重要载体,然而这方面的关注却很少。河流输送的生物硅大致分为自源和异源两种类别。"自源"生物硅主要包括河流水体本身自生浮游植物(主要是淡水硅藻)产生的硅质颗粒;"异源"生物硅主要由流域土壤的侵蚀输出到河流的植硅体所构成。流域地表过程是使得部分土壤中的植硅体进入河流的主要途径,并成为河流生物硅输送中重要的形式,这对河流-河口水循环体系的硅生物地球化学循环过程产生了重要的影响,但人们对河流输送的植硅体在硅循环中的作用的研究还不够。文章着眼于陆海相互作用研究,以河流中水体携带的植硅体为中心,总结了河流植硅体输送在地表水体硅循环系统中贡献的研究进展,分析了长江与黄河植硅体入海通量与河口行为及对近海海洋环境的影响。最后,对未来河流输送的植硅体参与硅循环研究可能需要加强的科学问题提出了建议。     

磷的生物地球化学循环研究进展

磷是生命体的必需元素,也是粮食生产的重要限制因素。磷的生物地球化学循环不仅调控着海洋的初级生产力,而且影响着全球气候系统,并决定着磷矿资源的形成和分布,与地球上生命的生存繁衍息息相关。当前“地球系统科学”理论将大气圈、水圈、岩石圈（地壳和上地幔）和生物圈等子系统有机整合,为研究磷的生物地球化学循环提供了更加广阔的视野。基于已有研究,结合“地球系统科学”理论观点,针对磷的生物化学循环获得了以下重要认识： 磷在地质历史时期的演化决定了现今磷在全球范围内（陆地生态系统与海洋生态系统）的循环模式;人类的工业和农业活动作为重要的地质营力,改变了磷的生物地球化学循环过程,造成了磷矿枯竭的资源危机及水体富营养化的环境问题;解决磷短缺的资源危机问题和磷过剩的环境污染问题的关键在于调控引起这些问题的生物地球化学循环过程。     

植被生态系统汞的生物地球化学循环研究进展与挑战

汞是联合国环境规划署重点管控的全球性污染物.植被是联结大气圈与土壤圈的关键纽带,在全球汞生物地球化学循环中扮演着举足轻重的角色.植被生态系统是全球大气重要的汞汇,但由于大气-植被-土壤的汞界面交换过程及植物组织中汞的分布、来源与迁移转化规律及驱动机制认识不清,致使当前的全球汞生物地球化学循环模型缺失植被过程模块,无法厘定全球植被的大气汞汇通量.近年来迅速发展的汞同位素地球化学、同步辐射和微气象汞通量观测等新方法,为多层次解析不同类型植被与土壤及大气界面汞交换过程,阐明植物组织中汞的分布、来源与迁移规律提升了可能,能为进一步解决当前森林生态系统汞的生物地球化学循环的研究难点提供独辟蹊径的视角.     

全球生物地球化学循环研究的进展

简要介绍了全球元素生物地球化学循环研究的新进展。首先说明几十年来生物地球化学循环研究重点的转变，其次分析了当前研究的特点，这就是多层次地（时空及生态系统）进行实验和数学模拟并外推至全球，比经典的循环研究要细致得多，经典研究往往只是将定位点的结果简单地外推到区域甚至全球。最后有选择地阐述了生物地球化学循环各领域（源、汇、转化过程、测量方法、模式等）内的发展趋势与热点，其中主要有农业生态系统含碳、氮痕     

植物中汞的研究进展

植物生态系统中汞的环境过程是生物地球化学循环过程的重要组成部分，且与整个生态系统中各物种的生存和发展密切相关。本文介绍了植物中汞生物地球化学循环的进展，包括汞对植物的生物毒性、植物中汞的来源、分布与迁移转化、植物大气间汞的交换过程及其研究方法，以及植被在生态系统间汞循环中的重要作用，最后简要介绍今后的研究重点和热点。     

地表过程与人类活动对硅产出影响的研究进展

硅元素是地球第二大组成元素,深刻影响着地表物质循环,是陆海相互作用研究、全球碳循环研究的关键元素之一.从自然风化、生物过程和人类活动3个方面综述了国内外有关地表过程对硅产出影响的研究进展,重点分析了生物过程和人类活动在硅生物地球化学循环过程中的作用.综合分析指出,应着重开展生物参与下原生/次生硅酸盐矿物风化速率的研究,重视高等植物在区域硅循环中的作用;富营养化与筑坝对于河流硅的滞留都十分重要,因筑坝产生的水库清水下泄在中下游河道产生的潜在效应很可能对河口硅输入产生重要的影响.应采用地球化学示踪技术,加强这方面的定量研究、模型研究、过程研究以及系统的综合性研究,特别是对流域地表过程的改变以及与筑坝、富营养化过程的联合作用,应进行深入的多学科交叉综合研究.     

Human perturbations on the global biogeochemical cycles of coupled Si–C and responses of terrestrial processes and the coastal ocean

We present a model of the global biogeochemical cycle of silicon (Si) that emphasizes its linkages to the carbon cycle and temperature. The Si cycle is a crucial part of global nutrient biogeochemistry regulating long-term atmospheric CO₂ concentrations due to silicate mineral weathering reactions involving the uptake of atmospheric CO₂ and production of riverine dissolved silica, cations and bicarbonate. In addition and importantly, the Si cycle is strongly coupled to the other nutrient cycles of N, P, and Fe; hence siliceous organisms represent a significant fraction of global primary productivity and biomass. Human perturbations involving land-use changes, burning of fossil fuel, and inorganic N and P fertilization have greatly altered the terrestrial Si cycle, changing the river discharge of Si and consequently impacting marine primary productivity primarily in coastal ocean waters.     

全球变化与陆地生态系统研究：回顾与展望

全球变化与陆地生态系统相互关系的研究是国际地圈－生物圈计划（IGBP）的核心研究计划之一，也是整个全球变化的研究核心领域之一。该计划自上世纪八十年代启动以来，已经取得了一系列重要的研究成果，对于推动全球变化研究发挥了重要作用。中国学者在全球变化与陆地生态系统研究领域也开展了许多工作并取得了重要成绩。按照我国科学技术和社会经济发展的需求，本文提出了未来我国在该领域的研究重点，包括（1）中国陆地生态系统重要生命元素的代谢及其耦合机制研究；（2）全球变化敏感区域或重要样带上陆地生态系统对全球变化的影响研究；（3）我国的C、N、P、S生物地球化学循环与全球变化的关系研究；（4）发展中国特色的区域植被动态模型。     

Effects of river damming on biogenic silica turnover: implications for biogeochemical carbon and nutrient cycles

Rivers link terrestrial ecosystems and marine ecosystems, and they transport large amounts of substances into oceans each year, including several forms of silicon (Si), carbon (C), and other nutrients. However, river damming affects the water flow and biogeochemical cycles of Si, C, and other nutrients through biogeochemical interacting processes. In this review, we first summarize the current understanding of the effects of river damming on the processes of biogeochemical Si cycle, especially the source, composition, and recycling process of biogenic silica (BSi). Then, we introduce dam impacts on the cycles of C and some other nutrients. Dissolved silicon in rivers is mainly released from phytolith dissolution and silicate weathering. BSi in suspended matter or sediments in most rivers mainly consists of phytoliths and mainly originates from soil erosion. However, diatom growth and deposition in many reservoirs formed by river interception may significantly increase the contribution of diatom Si to total BSi, and thus significantly influence the biogeochemical Si, C, and nutrient cycles. Yet the turnover of phytoliths and diatoms in different rivers formed by river damming is still poorly quantified. Thus, they should be further investigated to enhance our understanding about the effects of river damming on global biogeochemical Si, C and nutrient cycles.     

陆地生态系统水—碳耦合循环与过程管理研究

陆地生态系统的水循环与碳循环是地球表层系统物质循环与能量交换的核心，也是最基本的耦合的两个生态学过程。区域或全球尺度生态系统的水管理与碳管理是全球变化科学与可持续发展研究的两大主题，是人类维持全球生态系统的物质与能量循环、自然资源循环再生的重要生态学途径。我们在综合评述现代应用生态学研究的发展趋势，陆地生态系统水和碳循环与生态系统管理关系的基础上，提出了陆地生态系统水循环与碳循环过程管理的内容与思路，阐述了生态系统水和碳耦合循环机制与模拟综合研究的新设想。     

The geochemical composition of the terrestrial surface (without soils) and comparison with the upper continental crust

The terrestrial surface, the “skin of the earth”, is an important interface for global (geochemical) material fluxes between major reservoirs of the Earth system: continental and oceanic crust, ocean and atmosphere. Because of a lack in knowledge of the geochemical composition of the terrestrial surface, it is not well understood how the geochemical evolution of the Earth’s crust is impacted by its properties. Therefore, here a first estimate of the geochemical composition of the terrestrial surface is provided, which can be used for further analysis. The geochemical average compositions of distinct lithological classes are calculated based on a literature review and applied to a global lithological map. Comparison with the bulk composition of the upper continental crust shows that the geochemical composition of the terrestrial surface (below the soil horizons) is significantly different from the assumed average of the upper continental crust. Specifically, the elements Ca, S, C, Cl and Mg are enriched at the terrestrial surface, while Na is depleted (and probably K). Analysis of these results provide further evidence that chemical weathering, chemical alteration of minerals in marine settings, biogeochemical processes (e.g. sulphate reduction in sediments and biomineralization) and evaporite deposition are important for the geochemical composition of the terrestrial surface on geological time scales. The movement of significant amounts of carbonate to the terrestrial surface is identified as the major process for observed Ca-differences. Because abrupt and significant changes of the carbonate abundance on the terrestrial surface are likely influencing CO₂-consumption rates by chemical weathering on geological time scales and thus the carbon cycle, refined, spatially resolved analysis is suggested. This should include the recognition of the geochemical composition of the shelf areas, now being below sea level.     

从第三极到北极： 多年冻土碳循环研究进展

多年冻土区储存着大量的土壤有机碳, 其碳库变化及生态系统碳反馈机制是当前全球气候变化研究中备受关注的热点问题。为了增强对多年冻土碳循环的认识, 通过综合第三极和北极地区多年冻土碳循环研究, 概述了土壤有机碳库大小、 脆弱性及生态系统碳交换过程, 分析了涉及大气、 海洋和陆地综合影响的多年冻土区生态系统碳循环。研究表明： 第三极和北极多年冻土区碳储量不确定性较大, 影响和控制有机碳分解和生态系统碳交换的生物地球化学过程仍需进一步研究, 进而改进生态系统碳循环相关的模拟研究。在全球气候变化背景下, 研究多年冻土碳库变化及其对气候变化的响应, 是预估未来气候变化的关键环节。     

Century-scale nitrogen and phosphorus controls of the carbon cycle

In recent decades, humans have become a very important force in the Earth system, demonstrating that emissions (gaseous, liquid, and solid) are the cause of many of our environmental issues. These emissions are responsible for major global reorganizations of the biogeochemical cycles. The oceans are now a net sink of atmospheric CO₂, whereas in their preindustrial state they were a source; the trophic state of the coastal oceans is progressively moving toward increased heterotrophy; and the terrestrial realm is now vacillating between trophic states, whereas in preindustrial times it was autotrophic. In this paper, we present model calculations that underscore the role of human-induced perturbations in changing Earth's climate, specifically the role of anthropogenic nitrogen and phosphorus in controlling processes in the global carbon cycle since the year 1850 with projections to the year 2035. Our studies show that since the late 1940's emissions of nitrogen and phosphorus have been sequestered in the terrestrial living phytomass and groundwater. This nutrient-enhanced fertilization of terrestrial biota, coupled with rising atmospheric CO₂ and global temperature, has induced a sink of anthropogenic CO₂ that roughly balances the emission of CO₂ owing to land use change. In the year 2000, for example, the model-calculated terrestrial biotic sink was 1730 Mtons C/year, while the emission of CO₂ from changes in land use was 1820 Mtons C/year, a net flux of 90 Mtons C/year emitted to the atmosphere. In the global aquatic environment, enhanced terrestrial inputs of biotically reactive phosphorus (about 8.5 Mtons P/year) and inorganic nitrogen (about 54 Mtons N/year), have induced increased new production and burial of organic carbon in marine sediments, which is a small sink of anthropogenic CO₂. It is predicted that the response of the global land reservoirs of C, N, and P to sustained anthropogenic perturbations will be maintained in the same direction of change over the range of projected scenarios of global population increase and temperature change for the next 35 years. The magnitude of change is significantly larger when the global temperature increase is maximum, especially with respect to the processes of remobilization of the biotically important nutrients nitrogen and phosphorus.