2001-2010年生物地球化学研究进展与展望

阐述了21世纪第一个十年生物地球化学领域的重要研究进展和未来可能的重点发展方向。在近代陆-海系统碳循环的库和通量上已经取得了重要进展,并发现了一些参与氮、硫循环新的微生物功能群。阐述了显生宙生物大灭绝期间碳循环异常的特点及其可能的原因,但对氮、硫循环的了解比较薄弱。地球早期的碳、硫循环与生命起源、大气和海洋水化学条件的关系已经取得重要认识。生物地球化学过程可以通过生态毒理,以及大气成分和海洋水化学条件的改变影响生命系统。微生物地球化学功能的微区、原位、痕量示踪等技术得到快速发展。未来将加强地质历史时期碳、氮、硫循环的定量分析以及空间变化的研究,各种元素循环之间的相互关系及其界面过程、极端环境的生物地球化学过程将进一步受到重视。生命科学领域重要技术的引入将提升生物地球化学过程的研究。     

岩溶关键带水文地球化学研究进展

岩溶关键带处于岩石、水、土壤、大气、生物五圈交汇地带。正确认识岩溶关键带的结构、特点及其水文地球化学过程是当前地球关键带与岩溶水科学研究的重点问题。本文基于对国内外相关研究成果的归纳整理,剖析了岩溶关键带水文地球化学内涵、岩溶关键带水动力垂向分带、岩溶关键带框架下的水文地球化学过程与机制, 探寻变化环境下岩溶关键带水文地球化学过程演变的规律与驱动机制。指出了当前研究中存在的薄弱环节:目前工作仅停留在传统岩溶地下水科学工作范畴,未从岩溶关键带框架体系的角度考虑植物冠层至岩溶含水层之间水文地球化学过程及其耦合关系,未考虑新污染物持续输入、地球大数据科学工程深入实施、全球碳排放路径逐渐改变等时代因素对岩溶水文地球化学研究的潜在影响。进一步的研究可以从以下方面开展:基于岩溶关键带框架体系的新污染物水文地球化学研究,基于大数据框架体系的岩溶水文地球化学研究,“双碳战略”下的岩溶水文地球化学研究,岩溶关键带水文地球化学驱动的物质转化与能量迁移过程及其耦合以及高分辨率监测、评估与模拟手段的综合应用。     

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。     

陆地生态系统碳-氮-水耦合循环的基本科学问题、理论框架与研究方法

陆地生态系统碳循环、氮循环和水循环是生态系统生态学和全球变化科学研究长期被关注的三大物质循环,它们表征着全球、区域及典型生态系统的能量流动、养分循环和水循环。然而,自然界的生态系统碳循环、氮循环和水循环是相互联动、不可分割的耦合体系,在生态学、生理学、生物化学等方面受多个生物、物理、化学和生物学过程的调节和控制。本文在综合论述陆地生态系统碳-氮-水耦合循环研究的理论和实践意义的基础上,探讨了陆地生态系统碳-氮-水耦合循环的关键过程,提出该研究领域的基本科学问题,重点分析了植被-大气、土壤-大气和根系-土壤3个界面上碳、氮、水交换的生物物理过程,典型生态系统碳-氮-水耦合循环的生物学化学过程,制约典型生态系统碳-氮-水循环耦合关系的生态系统生态学机制,以及制约生态系统碳-氮-水循环空间格局耦联关系的生物地理生态学机制。在现有科学研究的基础上,构建了陆地生态系统碳-氮-水耦合循环机制的逻辑框架系统,讨论了开展陆地生态系统碳-氮-水耦合循环研究的主要技术途径与方法。     

生物地球化学的发展

生物地球化学作为地学的一门分支学科,是研究生物及其产物在自然界物质循环中的作用,研究无机质与有机质关系、能量输入与生物能量储存关系、能量释放和地球上主要矿物循环的科学。早在1548年Giordano Bruno提出循环发展的思想后,三十年代苏联学者维尔拉斯基提出了生物地球化学的概念。由于受到科学技术的限制,发展相当缓慢。直到近年来,由于生物学和地球化学研究领域的发展而迅速崛起,并在生物成矿论、元素循环和环境等方面取得了重大进展,才受到了人们的重视。     

水体内藻类的生物地球化学

藻类对水体内生命元素的转化及其分布、迁移的影响．是目前水体内藻类生物地球化学研究的重点内容。藻通过光合作用和生物矿化，控制着C、N、Si、P、S、Ca等元素在水体内的循环；驱动着C和S在水体和大气之间的交换，进而影响大气中的C和S。藻生物积累及其对环境变化的及时反馈，使藻类成为地球化学环境变化的生物指示物。本文对水体内藻类的生物地球化学进行了综述。     

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.      

环境地球化学的新起点——非线性环境地球化学过程的研究

文章综述了我国环境地球化学发展的历程、环境地球化学在科学领域和环境科学中的位置以及学科的综合性和边缘性。作者系统阐述非线性环境地球化学出现的必然性,指出研究目标、内容和入门的途径,以及研究的方法和程序。从元索地球化学分布的静态数学模型到地质历史演化过程的动态数学模型,以及元素地球化学循环耦合作用模型,作者认为非线性是环境地球化学过程最本质的特征。     

中国矿物岩石地球化学学会第七次全国会员代表大会暨第12届学术年会将于2009年4月20～26日在贵阳召开

中国矿物岩石地球化学学会第七次全国会员代表大会暨第12届学术年会将于2009年4月20～26日在贵阳召开（详情见：http://www.csmpg.org.cn/cn/index.asp）。会议将设13个分会场。 1）第九届全国同位素地质年代学和同位素地球化学会议分会场。主要讨论国内近4年来同位素地质年代学和同位素地球化学技术、方法和应用方面的最新成果。 2）矿物微区元素和同位素分析及其地球化学应用分会场。主要讨论矿物微区分析技术进步及其引发的岩石学和地球化学研究方面的新进展。 3）地质流体与成岩成矿作用分会场。主要内容包括热液系统和成矿过程中的流体作用,岩浆过程中的流体作用,变质过程中的流体作用,沉积、油气成藏过程中的流体作用,构造运动与流体作用,流体包裹体分析实验新技术、新方法。 4）矿床地球化学分会场。主要内容包括中国主要成矿区带成矿地球动力学和成矿规律,岩石圈伸展与大规模成矿作用,壳幔相互作用及其成矿效应,碰撞造山与成矿,成矿作用地球化学示踪及成矿年代学,成矿过程模拟和实验,重要矿产成矿预测地质地球化学理论和方法,危机矿山及深部找矿,矿产资源综合利用。 5）矿物学发展与新技术应用-新矿物及矿物命名分会场。主要内容包括工艺矿物与岩石,矿物材料（含宝石矿物材料）及其优化处理工艺,矿物物理与结构矿物学的应用与发展,稀有金属和贵金属的赋存状态,环境矿物学与生物矿物学,成因矿物学与找矿矿物学,新矿物研究成果交流,中国新矿物工作存在的问题及补救办法。 6）环境矿物学分会场。主要内容包括地球各层圈相互作用中的矿物反映与变化,矿物记录环境变化、影响环境质量及生态平衡,矿物与微生物交互作用、矿物与人体健康,矿物环境属性的开发与利用,治理环境污染的矿物学新技术、新方法、新设备,固体废弃物资源化新技术与新方法。 7）沉积学分会场。主要内容包括中国沉积学基础研究与发展,中国南方海相碳酸盐岩沉积作用与油气资源,中国西部（特别是青藏高原）含油气盆地分析、战略选区与评价。 8）环境地球化学分会场。主要内容包括地方病与元素的区域地球化学过程,重金属污染的生物地球化学过程及环境效应,有机污染物的生物地球化学过程及环境效应,矿山环境污染与修复,全球变化的地球化学记录,营养元素的生物地球化学循环过程。 9）实验矿物岩石地球化学分会场。主要内容包括高温高压下岩石的相变和流变,矿物-流（熔）体反应和水岩相互作用的化学动力学,岩石部分熔融的实验研究,高温高压下岩石的物性测试,地球化学数值模拟,地球化学分析测试技术研究。 10）地球深部气体地球化学与资源、灾害分会场。主要内容包括深部气体成因类型及其地球化学行为,成矿作用的气体地球化学耦合机制,深层天然气和非生物成因天然气形成机制及其地球化学特征,深部岩浆、构造活动及地震与火山作用的气体地球化学行为。 11）壳幔相互作用与岩浆成矿过程分会场。主要内容包括区域壳幔相互作用事件幕（岩浆活动事件幕）与成矿作用事件幕的时空耦合关系及其产物的时空分布规律;幔源岩浆的底侵作用与深部地壳的部分熔融和多层位岩浆-热流体系统的形成、演化及其对成矿组分富集成矿过程的制约;幔源岩浆的分异演化与壳幔同熔和（多层位）岩浆-热流体系统的形成、演化及其对成矿组分富集成矿过程的制约;区域壳幔相互作用与成矿过程。 12〖DK〗）〖DK〗（微）生物地球化学过程与物质循环分会场。主要内容包括喀斯特生态系统生态过程中的地球化学问题,营养元素的耦合生物地球化学循环过程〖DK〗,〖DK〗（微）生物-岩石-土壤界面相互作用的地球化学,养分和水分生物地球化学循环同位素示踪和创新应用,流域-湖泊（和水库）生物地球化学过程与流域水环境,陆地生态系统演化和功能对大气沉降的响应。 13）大陆岩石圈岩浆作用、火山活动与地幔深部过程分会场。主要内容包括岩石圈转型与克拉通破坏,地幔柱活动与大火成岩省,中新生代岩浆活动与地球动力学背景,新生代火山活动及火山灾害,增生型造山带与壳幔相互作用,幔源捕虏体与地幔交代作用。     

碳循环与全球岩溶

从地球系统科学来看,岩溶作用是在碳循环及与其相耦联的水循环、钙循环系统中碳酸盐岩的被溶蚀或沉积,而各种岩溶形态就是这个复杂的循环系统的运动在碳酸盐岩上留下的轨迹。岩溶地球化学及其一系列捕捉碳、水、钙循环的行踪的野外工作方法,为把地球系统科学的学术思想引入岩溶研究起了桥梁作用,揭示了许多重要的岩溶现象的形成机理及全球的分布规律。     

岩溶动力系统中的生物作用机理初探

岩溶动力系统是地球表层系统的重要组成部分。生物是地球表层系统中最活跃的地质营力之一 ,它在岩溶动力系统中扮演着重要的角色。地质历史时期 ,生物圈大气圈界面上 ,生物通过植物的光合同化、动植物分泌 ,使大气圈中的CO2 不断转移到碳酸盐岩中 ,形成岩溶发育的物质基础 ,并成为全球最大的碳库 ;生物圈水圈界面上 ,生物形成的生物 (微 )环境改变了水循环的强度和方向 ,并影响岩溶发育 ;生物圈岩石圈界面上 ,生物通过生物物理、生物化学过程 ,殖居碳酸盐岩之上 ,并以之为生存依托 ,生物的新陈代谢过程使碳酸盐岩岩石圈活化 ,使其积极参与全球碳循环。     

桂林岩溶洼地生态系统中大气CO2动态及环境意义

对桂林岩溶试验场岩溶洼地生态系统中大气ＣＯ２动态的昼夜观测结果说明,岩溶洼地对大气ＣＯ２具有一定的调蓄作用,并促进岩溶发育;植被的光合呼吸作用是制约大气ＣＯ２日动态直接的因素,而土壤ＣＯ２向大气的排放居次要地位。     

我国南方岩溶区和北方黄土区的大气CO2效应

我国南方岩溶区与北方黄土区都是巨大的碳库。碳酸盐的溶蚀及再结晶是两个碳库与大气ＣＯ２交换的重要过程;碳的区域平衡是评价化学风化消耗或逸散ＣＯ２的基础,岩溶区与黄土区在地球化学风化的环境背景。溶蚀过程,产物运移和归宿等差异很大。黄土区化学风化消耗大气ＣＯ２通量较岩溶区小。目前评价两类地区土壤与大气ＣＯ２的源汇关系尚不成熟,需要定量认识土壤ＣＯ２与下伏碳酸盐岩溶蚀或与下伏黄土次生碳酸盐化作用。岩溶区湖     

中国岩溶作用产生的大气CO2碳汇的分区计算

根据中国岩溶碳汇计算的需要,将我国岩溶地区划分为南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区4种类型区,各区的岩溶面积分别为56.48万km2、32.58万km2、55.60万km2和200.1万km2。各区岩溶水的径流模数和岩溶作用强度存在差异,南方岩溶区比其他区的岩溶作用强度明显大得多。以取得的调查监测和统计资料为依据,对4种类型区和中国的岩溶碳汇量进行了重新计算,南方岩溶区、北方岩溶区、青藏高原岩溶区和埋藏岩溶区岩溶碳汇量分别为1909.9万tCO2/a、600.5万tCO2/a、580.1万tCO2/a、608.6万tCO2/a,由此获得中国岩溶碳汇总量为3699.1万tCO2/a。该结果比前人的研究更全面地反映了当前我国岩溶地区碳水钙无机循环产生的大气CO2汇量。      

微型生物在岩溶碳循环中的作用研究回顾与展望

全球气候变化问题使岩溶系统碳循环的研究倍受关注,有关微型生物及其碳酸酐酶在岩溶系统碳循环中的作用的认识也在不断深入。文章回顾了微型生物及其碳酸酐酶在碳酸盐岩风化以及碳酸盐岩沉积过程中的作用过程及作用机制,指出未来的研究需结合不同岩溶生态环境,量化微型生物及其碳酸酐酶对岩溶生态系统碳增汇的影响,为深入研究微型生物及其碳酸酐酶对岩溶碳汇的贡献、增加岩溶生态系统碳汇的能力、助力实现碳中和提供参考。      

岩溶系统中土壤氮肥施用对岩溶碳汇的影响

有资料显示陆地碳酸盐岩风化消耗大气CO2的碳通量与世界森林碳汇通量量级相当。但农业地区过量施用氮肥形成的硝酸对碳酸盐岩的溶解会减弱岩溶碳汇效应,其量可达到7%~38%,而适量施用氮肥在增加农作物产量的同时,能降低土壤C/N比,增加土壤微生物活性,促进有机物料分解,从而提高土壤CO2浓度,提高土下碳酸盐岩的溶解速率。因此,要从两方面分析岩溶系统中土壤氮肥施用对岩溶碳汇效应的影响。同时,岩溶区碳酸盐岩风化形成的土壤具有较高的pH值及盐基饱和度,对H+有较强的缓冲作用,可能是导致自然条件下,河流中溶解无机碳(DIC)与水体中钙、镁等离子并不守恒的原因之一,因此,运用端元法可能过高估算了硝酸对碳酸盐岩的溶解量。岩溶区土壤环境中硝化作用产生的硝酸到底多少能对碳酸盐岩产生溶蚀,并影响到岩溶碳汇效应还有待研究。应结合土壤本身的特性及河流生物地球化学过程,综合研究不同施氮水平、土壤硝化产酸及其影响下的土下碳酸盐岩溶解及碳汇效应过程,客观评价岩溶区土壤氮肥施用对岩溶碳汇的影响,并寻求适宜氮肥施用量及促进岩溶碳循环,提高岩溶碳汇效应的技术方法。      

岩溶地区石生蓝藻与岩溶发育关系研究展望

探讨了国内外石生蓝藻研究的进展,以及石生蓝藻与生物岩溶的可能联系。引入水- 岩- 气- 生物相互作用的整体概念,运用“ CO2 - 水- 碳酸盐”三相耦联开放岩溶动力系统观点,分析了光合原核生物的生命过程及其代谢产物对岩溶系统的可能驱动作用,指出以蓝藻对H2O和CO2 的利用为中心环节,通过研究其在不同小生境、不同类群、不同生态因子下的HCO3- 水平差异,可以为了解藻类的生理机能与生物岩溶强度之间关系提供重要信息。建议在地球生物学的研究尺度下,针对碳酸盐岩表面殖居藻类如何影响其周遍微环境CO2、水文动态进而影响岩溶的效应、蓝藻分泌的胞外有机酸的种类和强度、石生蓝藻碳酸酐酶( CA)活性与生物岩溶关系等问题展开探索。      

中国南方表层岩溶系统的碳循环及其生态效应

表层岩溶系统因碳酸盐岩－水－CO²(气)三相的化学动态不平衡过程而产生特殊的碳循环环节,参加循环的碳包括碳酸盐岩中的碳、大气和土壤空气CO²部分。中国南方表层岩溶系统的碳循环非常活跃,并敏感地响应岩溶动力因素的变化,从而促进了地球化学过程和生物化学过程的结合,成为大气CO²汇的重要项。中国南方表层岩溶系统的碳循环通过驱动环境的元素迁移,促进土壤有机质的积累,并影响植物所需要的矿物质营养元素的全量和有效态,进而影响岩溶区的植物物种、特有性和作物的发育。     

硫酸型酸雨参与碳酸盐岩溶蚀的研究进展

碳酸盐岩的H2CO3溶蚀产生岩溶碳汇,占整个岩石风化碳汇的 94%。西南岩溶区硫酸型酸雨严重,硫酸型酸雨广泛参与碳酸盐岩的溶蚀。H2SO4参与的碳酸盐岩风化是一个大气CO2净释放过程,具有减汇作用巨大。另一方面,岩溶区石灰土壤和地下水具有较高的pH值及盐基饱和度,对H+有巨大的缓冲作用,大气酸沉降在碳酸盐岩地区可能并不会造成地下水的HCO3-和pH降低;相反,较高浓度的SO42-所产生的盐效应和SO2-4与各种阳离子形成的离子对会增大方解石、白云石溶解度,可增强H2CO3对碳酸盐的溶蚀,这可能会使岩溶作用产生更大的碳汇效应。因此,硫酸型酸雨参与碳酸盐岩风化的减汇效应不仅可能被高估,硫酸型酸雨还可能增强碳酸盐岩的H2CO3溶蚀,具有增加岩溶碳汇效应的作用。应结合石灰土壤对大气酸沉降的缓冲容量和阈值及大气酸沉降的H+与土壤中盐基离子的交换量,并综合考虑盐效应、离子对作用、同离子效应,客观评价硫酸型酸雨流经石灰土壤层后对碳酸盐岩溶蚀吸收大气/土壤CO2的影响      

The Impact of Human Activities on CO2 Intake by Carbonate Weathering: A Case Study of Conglin Karst Ridge-trough at Fuling Town,Chongqing, China

The chemical weathering can consume atmosphere/soil CO2. Human activities such as pollution, fertilization and acid precipitation have exerted a large impact on CO2 intake by carbonate weathering. Thus, based on the analysis on chemical component change of the karst groundwater in the karst ridge watershed of Conglin Village, Fuling District of Chongqing City, the influence of human activities such as fertilization, sewage discharges from mustard tuber processing, breeding industry and acid rain precipitation on carbonate weathering and CO2 intake in 1980, 2003 and 2006 was studied. The results showed that CO2 intake by carbonate rock declined with year. Because H+ derived from acid sewage discharge, fertilization and acid precipitation reacted with carbonate rock when mustard tuber production and swine breeding were developed fleetly after 2000 as well as the burning amount of high-sulfur coal augmented persistently, which led to the increase of (Ca2++Mg2+)/HCO3-. The difference on charge between Ca2++Mg2+ and HCO3- was balanced by NO3-+SO42-. The control on pollution and acid rain, especially the pre-neutralization of acid waste water, would rejuvenate the atmospheric CO2 intake strength of carbonate weathering besides the protection of water and soil environment