多年冻土退化下碳、氮和污染物循环研究进展

多年冻土储存了大量的有机碳、氮素以及持久性有机污染物和汞等污染物.全球变暖背景下,目前全球大部分的多年冻土都处于退化状态.多年冻土区土壤温度升高、多年冻土层解冻后,土壤温度水分会发生变化,从而改变微生物的生长代谢过程,进而改变多年冻土区的物质循环.通过综述多年冻土区的碳、氮及污染物的储量及其在多年冻土退化下的迁移转化及输出特征,研究发现:多年冻土退化增加活动层厚度、形成热喀斯特地貌,一方面导致碳基和氮基温室气体快速释放到大气中,另一方面也向水生系统中输出溶解性碳氮组分及可溶性污染物,这些过程会导致多年冻土由碳、氮和污染物储存的"汇"转变为"源",并最终影响全球生物地球化学循环.明确多年冻土区碳、氮和污染物的生物地球化学循环过程对于全面理解气候变化对自然和人类社会系统的影响具有重要作用.未来研究中,还需要结合多学科技术手段,开展多年冻土退化过程、水文过程与生物化学循环过程的系统集成研究,此外,还需加强汞、POPs等污染物的二次释放过程与碳氮循环的耦合关系研究,定量多年冻土中污染物二次释放的环境效应,以深刻认识多年冻土中物质循环过程并为气候和环境变化提供预测依据.     

从第三极到北极： 热喀斯特及其对碳循环影响研究进展

北半球多年冻土区储存着大量的土壤有机碳, 气候变暖加剧了多年冻土退化, 多年冻土退化最明显的特征是热喀斯特。热喀斯特会直接导致活动层及多年冻土层土壤有机质暴露, 并改变水文、 植被和土壤生物环境条件, 对生态系统碳循环具有重要影响。热喀斯特对碳循环的影响是评估多年冻土碳循环和气候变化关系不确定性的关键问题之一。然而, 在气候变暖背景下热喀斯特地貌的发育及其对碳循环影响有多大, 目前对这个问题仍然缺乏足够的认识。通过综合比较第三极和北极热喀斯特相关研究, 分析了第三极和北极地区热喀斯特地貌特征及其变化趋势, 阐述了热喀斯特对植被演替、 土壤碳损失和生态系统温室气体排放过程的影响, 并提出了未来热喀斯特研究可能遇到的挑战。认识热喀斯特碳循环过程, 是评估气候变化对多年冻土碳循环影响的关键环节, 有助于加强多年冻土区生态系统碳循环与气候变暖之间反馈关系的认知。     

青藏高原多年冻土区热喀斯特湖水文特征及环境效应

全面认识热喀斯特湖水文过程的季节变化特征是准确评估其生态环境效应的关键。以青藏高原典型热喀斯特湖为例, 基于2018—2020年水文气象要素的野外观测及计算, 分析热喀斯特湖的水文特征及产生的环境效应。研究结果表明: ①春季降水补给热喀斯特湖, 迅速升高湖塘水位, 其中湖塘的储水量与湖塘水位之间存在较好的幂函数关系; ②湖面年均蒸发量和湖冰年均升华量分别可达738 mm和198 mm, 受温度升高的影响, 未来有增多的可能; ③热喀斯特湖水中离子质量浓度在暖季初期和后期较高, 冷季湖冰形成过程中自净作用和地球化学过程的影响使各离子表现出不同的迁移机制。受局地因素的影响, 热喀斯特湖的水文要素呈明显的季节变化特征, 水文循环过程会引起多年冻土退化、湖岸坍塌后退、水环境恶化、温室气体释放、土壤盐渍化、植被退化等, 未来研究需对整个高原地区热喀斯特湖的环境效应进行全面评估。     

多年冻土区土壤多环芳烃污染研究进展

多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs）是一种难降解、毒性强的致癌性污染物,其广泛分布于各环境介质中,陆地环境中90%的PAHs累积在土壤中。随着资源的开发,由油品泄漏、垃圾渗滤、污水排放等行为造成的多年冻土区PAHs土壤污染问题日益突显,并且在气候变化背景下,多年冻土中的PAHs具有重新释放而造成二次污染的风险,多年冻土区土壤多环芳烃污染分布特征和迁移规律研究对评估多年冻土区生态环境风险,防治土壤持久性有机物污染,保障广大多年冻土居民生命健康安全具有重要意义。通过回顾目前国内外多年冻土区土壤中PAHs污染的相关研究,分析发现多年冻土区未受污染的土壤中PAHs的污染水平远低于中低纬度人口密集区域,可代表地球土壤中PAHs的背景值;高纬度或高海拔的地理位置以及严寒的气候使得冻土区土壤中PAHs一个普遍且最重要的来源是大气远距离传输;活动层的冻融作用主要通过改变土壤理化性质和控制水分运移方向影响PAHs在多年冻土区土壤中的垂向分布特征,多年冻土的低渗透性具有阻碍PAHs垂向迁移的作用。综合分析已有研究成果,表明目前冻土区土壤PAHs污染研究还是大量集中于表层土壤中的污染分布调查和来源解析,而关于PAHs在活动层和多年冻土层中的垂向迁移研究还仅限于对其在土壤剖面中分布状况的解释性分析,冻融作用对PAHs在土壤中的迁移、转化和归宿的影响机制还不清楚。未来多年冻土区土壤中PAHs的研究将集中于迁移转化机理与污染治理技术两方面,针对PAHs在多年冻土区土壤中迁移行为的模拟模型亟待研究开发,以实现PAHs污染储量和迁移通量的定量预测;此外,多年冻土区土壤污染问题的深入研究还需要紧密联系多圈层、多界面、多介质、多要素以及多目标污染物而开展。     

青藏高原热喀斯特湖与多年冻土的相互作用

为深入理解热喀斯特湖与多年冻土间的相互作用, 本文以青藏高原北麓河盆地典型热喀斯特湖区域为例, 构建考虑热传导和热对流过程的水-冰-热耦合模型, 对热喀斯特湖作用下的多年冻土退化特征及热喀斯特湖的水均衡进行模拟,计算地质环境和气候变暖对热喀斯特湖水均衡和冻土的影响。研究结果表明: 热喀斯特湖周围冻土逐步退化并形成贯穿融区, 导致地下水循环模式发生改变;在地表温度作用下, 形成的活动层厚度为3.35 m;热喀斯特湖在整个模拟时段内表现为负均衡, 其排泄量在285~388 a间显著增加;地层渗透性能决定了热喀斯特湖和生态环境的发展方向;气候变暖加速多年冻土向季节冻土转变。研究结果可为进一步认识寒旱区生态水文过程提供科学依据。     

热卡斯特湖对多年冻土热状况长期作用的数值模拟研究进展

热喀斯特湖是其周边多年冻土重要的热源,也是排向大气的温室气体的重要源泉,对湖下及周边多年冻土中发生的物理、化学、生物、地貌和水文过程能产生重要的作用,严重影响冻土区环境和建筑物的稳定性。数值模拟为量化分析热喀斯特湖及其演化对周边多年冻土热状况长期影响的效果提供了有效的方法,极大地深化了人们对热喀斯特湖作用的认识,总结热喀斯特湖对多年冻土热状况数值模拟研究的进展对运用和改进现有数学模型以及开发更加有效的模型具有重要的指导作用。综述了最近10多年开发的描述热喀斯特湖对多年冻土热状况影响的相变热传导模型、热融滑塌模型、湖塘—冻土耦合模型、组合热量传递与质量传输过程的湖扩张模型、温度场与水分场耦合运移模型,以及基于移动网格方法的热喀斯特湖动态演化模型等主要数学模型的构成、功能、优点和不足,提出了未来数值模拟研究中值得重视的问题,包括建立更有效的模型,确定更符合实际的初始条件,深入研究土壤的热和物理参数,充分考虑湖水补给的作用,进一步研究热喀斯特湖周边冻土层上水的热效果,建立耦合相变热传导与对流传热过程的控制方程,在模型中嵌入气候变暖的效应,研究热喀斯特湖干涸对多年冻土区环境变化的长期影响,量化分析多个热喀斯特湖对冻土共同作用的效果,模拟热喀斯特湖邻近湖岸浅水区下面融区发展的过程与特点,并继续做好系统全面的现场观测等。     

气候变暖对多年冻土区土壤有机碳库的影响

多年冻土区存储了大量土壤有机碳。气候变暖、 多年冻土退化导致其长期封存的有机碳逐渐或快速释放, 进入大气圈或水系统, 改变原有多年冻土区碳循环, 并可能显著加速气候变暖。通过综述气候变暖对多年冻土区碳库的影响研究进展, 主要包括多年冻土碳库储量、 降解机理及变化预测, 研究表明： 北半球多年冻土区的碳储量巨大, 但不确定性很高, 尤其是海底多年冻土和水合物碳库储量的评估; 多年冻土碳库对气候变暖的响应速度受土壤水热特性、 土壤有机质C/N比、 有机碳含量和微生物群落特征等多种环境因素的控制或影响; 目前, 关于北半球多年冻土碳库对气候变暖响应模拟结果说明, 多年冻土退化短期内不会导致经济和生产方面的灾难性后果。但是, 无论是针对多年冻土碳库评估, 还是多年冻土有机碳库对气候变暖的响应模拟研究结果, 都有较大的不确定性。未来多年冻土碳库变化的模拟和预测研究应更多考虑多年冻土快速退化和多年冻土区水合物分解, 如中小尺度热喀斯特的生态环境和碳的源汇效应。准确的多年冻土区有机碳排放模拟可为未来多年冻土碳与气候反馈的预估提供重要支持。     

IPCC第六次评估报告解读：北半球多年冻土碳的观测结果和预估

政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告(AR6)第一工作组报告对多年冻土区土壤碳储量、碳汇效应及未来气候情景下温室气体排放进行了归纳和总结。报告明确指出,北半球多年冻土区表层土壤和深层沉积物的有机碳储量为1 460～1 600 PgC(1 Pg=10亿吨)(中等信度)。随着气候持续变暖,多年冻土显著退化,土壤有机质迅速分解并以二氧化碳(CO₂)或甲烷(CH₄)的形式释放到大气中,加速了气候变暖。在未来全球变暖情景下,近地表多年冻土面积将显著减少,并向大气释放CO₂和CH₄,造成多年冻土碳与气候的正反馈作用。报告还指出,预计到2100年,气温每升高1℃,多年冻土区CO₂和CH₄的排放量分别相当于18(3.1～41) PgC和2.8(0.7～7.3) PgC(低信度)。但由于所使用的估算数据异质性较大及模型之间的一致性有限,并且对多年冻土环境驱动因素及过程模型的认知尚不完整,故多年冻土对气候变化反馈的时间及幅度的可信度还处于较低水平。     

青藏高原热喀斯特湖演化及其对多年冻土的热影响模型计算研究北大核心CSCD

青藏高原热喀斯特湖分布广泛,近年来在气候变暖背景下快速发展。热喀斯特湖的形成和发展与地下冰含量及气候变化有着密切关系,强烈影响多年冻土的热稳定性。为了更深入理解在气候变暖背景下热喀斯特湖的发展及其对下伏多年冻土的影响,以青藏高原北麓河地区一个典型热喀斯特湖的长期监测数据为资料,发展了耦合大气—湖塘—冻土三个过程要素的一维热传导模型,模拟了四种不同深度热喀斯特湖在气候变暖背景下的发展规律及其对多年冻土的热影响。结果表明:浅湖(<1.0m)在目前稳定气候背景下处于较稳定状态,湖冰能够回冻至湖底,对下伏多年冻土影响较小;较深湖塘(≥1.0m)冬季不能回冻至湖底,湖深不断增加,且底部在50年内将会形成不同深度的融区。随着气候变暖,热喀斯特湖的热效应显著,深度快速增加,较深湖塘的最大湖冰厚度减小,底部多年冻土快速融化形成开放融区。研究将有助于理解气候变化对青藏高原多年冻土区地貌演化及水文过程的影响。     

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.      

贵州省煤中硫形态分布特征及与汞的相关性

<正>煤中硫和汞作为有害伴生元素,在燃煤过程中绝大部分释放进入大气,造成严重的大气环境污染问题,如二氧化硫排放引起的酸沉降、土壤侵蚀和生态退化、汞排放引起的大气和农作物汞污染等。当前我国燃煤引起的二氧化硫排放和汞排放分别占总排放量的90%和40%。准确了解煤炭中硫和汞的含量以及形态分布特征,对于掌握煤中硫和汞的来源、成因及选择性的制定污染控制技术具有重要的指导意义。贵州省是我国南方重要的产煤基地,煤炭储量约500亿吨,在我国排名第五。虽然前期已有不少学者对贵州省部分     

马衔山多年冻土与季节冻土区土壤微生物量及酶活性的季节动态

为了研究马衔山多年冻土区和非多年冻土区土壤微生物碳氮、土壤酶活性的差异,选取多年冻土区、季节冻土区和交界区为对象,分析了0~30 cm土层微生物碳氮和转化酶、脲酶、中性磷酸酶、淀粉酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶酶活性不同季节的变化特征。结果表明：全氮、总有机碳、微生物量碳氮与多数土壤酶之间呈显著相关关系。在不同区域,土壤微生物碳氮均在0~10 cm含量最高,10~20 cm次之,20~30 cm最低。土壤微生物碳氮在生长季表现为含量逐渐增加,但是多年冻土区与季节冻土区差异不大。土壤酶活性在深度方面表现与微生物碳氮含量变化一致。土壤酶并无的季节变化规律。在多年冻土区,转化酶、多酚氧化酶和磷酸酶活性明显高于非多年冻土区。本研究表明,尽管多年冻土区的植被和土壤总有机碳明显高于非多年冻土区,其土壤微生物碳氮含量相当,且一些土壤酶活性也相当。说明非多年冻土区土壤的生物地球化学相对强度较大。因此,多年冻土退化后可能会导致生态系统的退化。     

山地冰川消融过程中汞的行为及环境效应综述

汞是一种全球性污染物,雪冰是冰冻圈汞的生物地球化学循环中最主要的介质之一,汞在雪冰消融过程中的行为受到众多学者关注。除两极地区外,高海拔地区分布着大量山地冰川,其对气候响应更加敏感,距离人类居住区更近,可直接影响水资源和水质安全等。因此,研究山地冰川消融过程中汞的行为及环境效应对全面理解汞的生物地球化学具有显著的科学价值,同时对指导人类适应气候环境变化也具有很强的实际意义。概述了山地冰川区汞的沉降与贮存,总结了雪冰消融过程中汞的迁移转化以及冰川径流汞传输的特征,认为山地冰川消融是潜在的汞释放源,汞在冰川径流补给生态系统中的归宿和生态环境效应值得关注。最后,对山地冰川消融释汞过程和冰川径流汞传输研究的热点问题进行了展望。     

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。     

青藏高原多年冻土区热喀斯特湖环境及水文学效应研究

结合国际冻土研究的热点问题和青藏高原脆弱生态环境可持续发展的需求,针对多年冻土退化过程中趋于加剧的热喀斯特现象,及其因融穿冻土、造成区域地下水位的改变而诱发的生态环境影响,在国家自然科学基金重点项目支持下开展"青藏高原多年冻土区热喀斯特湖环境及水文学效应"研究。项目主要通过遥感分析及野外调查,分析气候变化和工程活动影响下的青藏工程走廊内热喀斯湖时空分布规律,评价其生态环境效应;选取热喀斯湖广泛发育区域,调查其发育条件、规模和几何分布特点,揭示典型热喀斯特湖影响因素变化、水热状况等,通过水文学、同位素示踪试验等阐明热喀斯特湖与地下水之间的转换关系;结合抽水疏干试验进行热喀斯特湖对区域地下水位影响分析,并通过数值模型及模拟,依热喀斯特湖发育不同阶段、规模,分析其对区域冻土、水文条件及生态环境的影响。研究成果将有助于区域性冻土生态环境演化准确评价及趋势预测,以及深入理解诸如江河源多年冻土区水文状况演化影响因素,及其相应的生态环境响应机制。     

汞的环境地球化学研究进展

介绍了目前环境样品中总汞及其各形态汞的分析方法以及大气和水生生态系统中 研究进展，并指出，燃煤，汞齐法采金和人造水库等引起的环境汞污染问题以及汞在热带地区水生生态系统中的迁移转化规律等是目前的研究热点。     

湿地汞环境过程研究进展

汞在湿地生态系统中的环境过程是汞全球循环的组成部分,并与人类的健康有着密切关系。分析了湿地环境过程研究的重要意义,综述了国内外湿地汞环境过程研究的进展情况,包括在湿地汞来源、含量、赋存形态,迁移、转化、界面反应等方面。指出由于湿地独特的水文过程和环境条件,汞的累积、迁移与转化过程具有与其它生态系统不同的特点。湿地能吸收大气沉降和地表径流的汞,是汞的汇。汞在湿地生态系统中呈富集状态。湿地具有较高的汞累积速率和甲基汞生产能力,湿地的氧化-还原条件和丰富的有机碳有利于汞的甲基化。湿地甲基汞通过食物链的"生物放大",威胁人类的健康。全球气候变暖、酸雨和臭氧层耗竭可能增加湿地汞的生态环境风险。提出应开展湿地特定环境条件下汞的循环及其在汞全球循环中作用的研究,并关注湿地对全球环境变化的响应。     

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。     

夏季红枫湖地区农田土壤-大气界面汞交换通量的初步研究

采用动力学通量箱法(Dynamic Flux Chamber)与高时间分辨率大气测汞仪联用技术对贵州红枫湖地区土壤-大气界面间汞交换通量进行了初步研究.结果显示,红枫湖地区土壤-大气界面间汞交换通量变化范围为-8.6 ng～215.3 ng@m-2@h-1,平均27.4士40.1 ng/m2@h(n=255);且土壤与大气界面间的汞交换是双向的既有土壤汞的释放,又有大气汞的沉降,主要以土壤汞的释放为主(n释放=253,n沉降=2n).土壤汞的释放通量与土壤温度、气温、光照强度有强相关关系,相关系数分别为0.80、0.83、0.74.     

青藏公路沿线热喀斯特湖分布特征及其热效应研究

热喀斯特湖的出现和发育是多年冻土变暖的指示器,研究热喀斯特湖发育及其热效应是应对青藏高原气候变化和人类活动诱发冻土灾害的基础工作.基于SPOT-5卫星影像资料,在ArcGIS平台下解译遥感影像,获取了青藏公路沿线楚玛尔河至风火山段热喀斯特湖的数量和分布特征,这些热喀斯特湖以楚玛尔河高平原和北麓河盆地为主要分布区,且80％发育于高含冰量多年冻土区.热喀斯特湖通过竖向和侧向2种传热方式影响多年冻土,竖向传热会造成其下部多年冻土融穿,侧向传热会造成湖岸多年冻土增温,扩大热影响范围.通过北麓河地区一典型热喀斯特湖的数值计算,湖全年都在向湖岸放热.当热喀斯特湖离路基较近,将会对公路产生潜在或者直接的危害,其侧向热侵蚀往往会导致冻土路基温度升高,诱发路基病害.