江汉平原地球关键带监测网建设进展

地球关键带是地球科学领域的热点研究主题,我国地球关键带研究尚处于起步阶段,如何形成符合我国实情的地球关键带调查与研究范式,仍需进一步探索。江汉平原地处长江中游,是长江经济带的重要组成部分之一,其主要特点在于受不同级次水利工程的强烈影响。基于多年调查研究,在江汉平原建立了一套较为完善的地球关键带监测网络,涉及水、土、气、生物等各地球关键带要素。监测网络设置上,既考虑了不同级次水利工程的影响,也考虑了区域营养元素/重金属的富集特征; 监测技术上,部分指标实现了原位监测,大部分指标实现了野外现场测试,未来将进一步加强在线监测并实现数据远程传输。目前,江汉平原地球关键带监测网已成功纳入全球地球关键带研究网络,这是我国地球关键带调查与研究的初步探索,不仅可为长江流域的地球关键带调查研究提供示范,也可为长江大保护战略提供有力的理论与方法支撑。     

江汉平原地球关键带监测网建设进展

地球关键带是地球科学领域的热点研究主题,我国地球关键带研究尚处于起步阶段,如何形成符合我国实情的地球关键带调查与研究范式,仍需进一步探索。江汉平原地处长江中游,是长江经济带的重要组成部分之一,其主要特点在于受不同级次水利工程的强烈影响。基于多年调查研究,在江汉平原建立了一套较为完善的地球关键带监测网络,涉及水、土、气、生物等各地球关键带要素。监测网络设置上,既考虑了不同级次水利工程的影响,也考虑了区域营养元素/重金属的富集特征;监测技术上,部分指标实现了原位监测,大部分指标实现了野外现场测试,未来将进一步加强在线监测并实现数据远程传输。目前,江汉平原地球关键带监测网已成功纳入全球地球关键带研究网络,这是我国地球关键带调查与研究的初步探索,不仅可为长江流域的地球关键带调查研究提供示范,也可为长江大保护战略提供有力的理论与方法支撑。     

流域地球关键带调查理论方法:以长江中游江汉平原为例

围绕如何运用地球关键带理论解决巨型流域生态环境保护问题,在总结国内外地球关键带研究进展的基础上,结合在长江中游开展的地球关键带调查实践,将流域侵蚀基准面定义为流域地球关键带底边界,建立了流域生态环境问题库、地球四大圈层变量库和人类活动变量库;构建了以典型生态环境问题为导向的、基于地球系统四大圈层、人类活动和时间的六维环境变量矩阵;提出了流域地球关键带横向三断面和垂向五界面的结构概化模型,识别了各断面和界面的共性变量和特征变量.有效突破了传统地球关键带研究局限于小流域、环境变量梯度和生态环境问题相对单一的不足,科学回答了流域地球关键带“在哪里调查”、“调查什么”和“监测什么”的问题,初步构建了流域地球关键带调查理论方法体系,并在江汉平原进行了示范性研究.本文为长江流域地球关键带调查以及长江大保护战略的实施提供了科学依据,并为我国流域地球关键带调查理论方法体系的建立提供探索性经验.      

地球关键带:地质环境研究的新框架

当今经济社会所面临的资源、环境和生态问题相互关联、相互耦合,迫切需要打破传统的学科界限,搭建一个新的技术框架,进行跨学科、多领域系统研究。地球关键带将与经济社会最密切的近地表环境作为独立的开放系统,为这种需求提供了一个完整的系统框架。本文在界定地球关键带内涵与特征的基础上,分析了关键带科学研究的DPSIR(驱动力-压力-状态-影响-响应)体系框架和3M(填图-监测-建模)循环体系框架,从填图、监测、建模三个方面总结了关键带研究进展。通过将地质学、水文学、土壤学、生态学等学科进行融合,关键带科学为气候变化、生态管护、水资源安全、自然灾害防治等重大问题的解决展示了一种新的图景。在此基础上,提出了对我国地质调查工作的建议:将地球关键带作为重点靶区开展基础地质和水工环地质综合调查,建立三维地质框架;选择基础条件较好的小流域建设关键带观测站,为地质学与其他学科的融合搭建一个开放平台。     

喀斯特地区地球关键带科学与生态水文学发展综述

针对我国西南喀斯特地区生态环境演变历史及新的形势下面临的挑战问题,系统地总结了植被退化、人工恢复、自然演替三个阶段植被、水文、土壤和溶蚀等观测实验得出的成果,阐述了喀斯特生态水文模型的发展及存在的问题。以地球关键带科学系统思维和多学科综合研究范式,提出了喀斯特地区大气－植被－土壤－岩石系统结构和组成以及协同演变理念;从多学科交叉、系统观测、模型集成视角,探讨了生态水文与碳、水、钙循环协同演变的研究途径,并以此提出推动喀斯特生态水文学发展的建议,为全球气候变化和绿色发展形势下喀斯特地区生态环境恢复提供科学支撑。     

神农架大九湖泥炭湿地关键带监测进展

关键带科学是当代地球科学的热点研究领域之一.国际上主要通过关键带监测来促进关键带科学的发展,服务于社会经济发展和生态保护.在我国,关键带研究与监测还处在起步的阶段.神农架大九湖湿地是中纬度地区少见的亚高山泥炭藓湿地,是丹江口水库最大入库河流堵河的源头之一,已被列入国际重要湿地名录,是开展泥炭湿地监测的优良场所.在10多年来系统的古气候与现代过程研究基础上,我们在大九湖部署了较为系统的监测体系,涵盖了关键带的各种要素,特别是生物、水体及温室气体等方面.在监测点的设置上,既考虑了泥炭湿地内部的空间变化,也考虑表层和深部之间的关联,还设置了河流和湖泊对照点.在监测技术上,部分实现了在线高频监测,大部分达到了野外现场测试的要求.本文将对前期的工作进行回顾总结,并对后续的努力方向进行展望.在前期工作的基础上,要逐步完善监测技术和监测设施,并聚焦于泥炭湿地关键带对气候变化(如干旱)的响应,评估气候变化对大九湖泥炭湿地生态功能的影响.加强与国内外同行的合作,在大九湖开展多学科交叉研究.在关键带系统监测的基础上,完善亚高山泥炭湿地关键带的理论认识,并建立合适的泥炭湿地关键带模型,为湿地保护和可持续发展服务.      

江汉平原西部浅层孔隙水水文地球化学特征

为了揭示地下水由江汉平原周缘向中心径流过程中的水质演化和复杂的水文地球化学作用,以江汉平原西部地区为例,通过数理统计、水化学、同位素地球化学、离子比值关系等方法,开展了江汉平原西部边缘地带浅层孔隙地下水的水文地球化学特征研究.结果表明:平原区孔隙水以HCO3-Ca·Mg型为主,丘岗区(丘陵和岗地)主要是HCO3-Ca·Mg型,少量为HCO3·SO4-Ca·Mg型,还出现了HCO3·NO3-Ca·Mg型水,总溶解固体(total dis-solved solids,TDS)升高主要是由于碳酸盐岩的溶解;浅层孔隙水均来源于大气降水,蒸发作用对该地区孔隙水的影响较小;方解石、白云石和石膏的溶解主导研究区的水文地球化学过程,也是孔隙水中Ca2+、Mg2+的主要来源,Na+和K+的主要来源是阳离子交换吸附.     

江汉平原多目标地球化学调查主要成果与意义

介绍了覆盖区多目标地球化学调查江汉平原武汉试点区所取得的阶段性成果。共归纳出在土壤地球化学图件编制和在第四纪地质、土壤类型及分布、土壤环境状况、农业土壤利用地球化学解释5个方面的成果，从而以实际材料论证了覆盖区多目标地球化学调查在查明我国土壤资源与环境方面的重要作用以及在社会经济生活中的实际意义。     

江汉平原西部浅层孔隙水水文地球化学特征

为了揭示地下水由江汉平原周缘向中心径流过程中的水质演化和复杂的水文地球化学作用,以江汉平原西部地区为例,通过数理统计、水化学、同位素地球化学、离子比值关系等方法,开展了江汉平原西部边缘地带浅层孔隙地下水的水文地球化学特征研究。结果表明: 平原区孔隙水以HCO₃-Ca·Mg型为主,丘岗区(丘陵和岗地)主要是HCO₃-Ca·Mg型,少量为HCO₃·SO₄-Ca·Mg型,还出现了HCO₃·NO₃-Ca·Mg型水,总溶解固体(total dissolved solids,TDS)升高主要是由于碳酸盐岩的溶解; 浅层孔隙水均来源于大气降水,蒸发作用对该地区孔隙水的影响较小; 方解石、白云石和石膏的溶解主导研究区的水文地球化学过程,也是孔隙水中Ca²⁺、Mg²⁺的主要来源,Na⁺和K⁺的主要来源是阳离子交换吸附。     

马尔柯夫链在江汉平原第四纪沉积环境分析中的应用

应用马尔柯夫链基本原理,在系统统计江汉平原监利县周老镇ZL01钻孔揭示的第四系基础上,结合该区的地质特征,进行了极限概率分析、差值矩阵分析、置换分析和熵分析.根据马尔柯夫链的综合分析结果,总结出江汉平原周老镇ZL01钻孔剖面的第四纪沉积主旋回,发现该剖面主要形成于河流沉积环境,并建立了该区第四系的地方性沉积相模式,为研究该地区的沉积作用、判断沉积环境提供定量的解释依据,对研究江汉平原的变迁历史及其保护和开发利用具有重要意义.     

江汉平原土壤饱和渗透系数变化规律及影响因素

目前对影响土壤饱和渗透系数规律的机理缺乏深刻认识.以不同沉积环境、不同岩性及不同土地利用方式的江汉平原汉江下游浅层土壤为对象,采用改进的TST-55型土壤渗透仪开展室内变水头达西实验.结果表明,研究区内土壤饱和渗透系数平均值为4.94×10-5cm/s,服从对数-正态分布;粉砂壤土冲积物和湖积物的饱和渗透系数平均值为3.53×10-5cm/s和1.98×10-5cm/s,粉砂质粘壤土中,两者分别为8.13×10-7cm/s和5.88×10-7cm/s,同一岩性冲积物的饱和渗透系数较湖积物大;冲积物中,砂壤土、粉砂壤土和粉砂质粘壤土饱和渗透系数平均值为1.98×10-5 cm/s、3.53×10-5 cm/s和8.13×10-7 cm/s,表现为砂壤土>粉砂壤土>粉砂质粘壤土;耕作土壤中,粉砂壤土、粉砂质粘壤土的饱和渗透系数平均值为3.75×10-5 cm/s和8.11×10-7cm/s,非耕作土壤中,两者分别为1.88×10-6cm/s、5.93×10-7cm/s,同一岩性耕作土壤饱和渗透系数较非耕作土壤大.      

基于SPI模型的江汉平原旱涝分布及其变化规律的研究

近年,江汉平原受旱涝灾害影响日趋严重。利用监利水文站1954~2010年的月降水资料并结合SPI模型对江汉平原的旱涝分布及其变化规律做了典型性分析和研究。结果表明:运用SPI模型分析得到的监利地区多时间尺度的旱涝分布及其变化规律与实际基本相符,即该地区旱涝灾害频繁且呈交替发生。将SPI模型应用于旱涝分布及其变化规律的研究具有很好的实用性。     

江汉平原大气污染源分析

通过选择不同的环境功能区布置大气干湿沉降样点,分析重金属污染元素和有机氯农药的颗粒态与溶解态指标,计算季沉降通量和年沉降总量,了解其随季节变化的规律,分析比较不同地貌条件、不同城市及不同污染源区对其沉降的源贡献。结果表明:大气对江汉平原重金属的输入途径以降水为主;重金属元素颗粒物在平原区的沉降通量略高于岗丘地区;武汉市高于其他城市;工业污染源区明显高于一般农田区;三类污染源区相比,颗粒态为烟尘>化工尘>交通尘,溶解态为化工尘>交通尘>烟尘(个别元素除外),且大气降水中的营养元素N、K、Fe在化工工业区较为富集,而P的沉降在烟尘和化工工业区则受到一定程度的抑制。两种主要有机氯农药不同异构体间的组分关系表明本区环境中近期仍有林丹输入。     

江汉平原浅层含水层中土著硫酸盐还原菌对砷迁移释放的影响

硫酸盐还原菌是厌氧环境中参与砷形态转化的重要微生物种群,其介导的生物地球化学循环过程对铁氧化物表面吸附态砷迁移转化的影响亟待深入研究.选取江汉平原典型高砷含水层原位沉积物分离纯化出一株严格厌氧硫酸盐还原菌Desulfovibrio JH-S1,对其进行砷和铁还原能力鉴定,并通过模拟培养实验探究硫酸盐还原菌参与下的铁矿物相转化对吸附态砷迁移的影响.Desulfovibrio JH-S1具有Fe(III)还原能力,无硫和有硫体系中Fe(III)均能被还原,但在硫酸盐充足条件下铁还原量显著增加;该菌株不具备As(V)还原能力,但添加硫酸盐的培养体系中As(V)去除率可达96%以上.Desulfovibrio JH-S1能够还原硫酸盐从而促进载砷的水铁矿还原转化为纤铁矿,并导致吸附的砷释放.江汉平原高砷含水层土著硫酸盐还原菌兼具硫酸盐/铁还原功能,参与了高砷含水层系统中砷-铁-硫耦合循环,对高砷地下水的形成具有重要作用.      

国家地下水监测工程(自然资源部分)西辽河平原监测区建设成果概述

为落实国家地下水监测工程与地下水质监测工作任务,实现对西辽河平原地下水动态的有效监测,国家地下水监测工程(自然资源部分)在西辽河平原监测区共布设了国家级地下水自动监测井117 眼,其中新建监测井93 眼,改建机民井24 眼,安装自动监测仪器117 套.监测区控制面积57 000 km2,主要监测层位为第四系松散沉积物孔隙水含水层,监测层位最大深度为206 m.建成了国家地下水监测工程信息服务系统,提升了地下水监测信息获取、分析、共享和服务能力.该项目的实施大幅度提高了监测区地下水的监测频次以及信息的时效性、可靠性和准确性.     

江汉平原古生界构造结构特征及油气勘探方向

江汉平原古生界具有北西—南东向分为三块、北东—南西向分为三带及纵向上多层楼的构造结构特征。三个区块为当阳—京山构造区、荆州—仙桃构造区及鄂城—大冶构造区,每个区块均可划分出三个次级构造带,并在全区形成三个构造变形分带。这三个分带在变形强度、构造样式等方面具有特征性差异:北东侧的构造分带受东秦岭—大别山造山运动产生的挤压应力的直接作用,显示以逆冲推覆结构为主要特征;南西侧的构造分带在三个构造区有差别,在当阳—京山构造区形成斜坡稳定带,在另两个构造区则以推覆叠瓦构造为特征;中部构造分带一般显示前缘断褶或复合叠加构造。当阳—京山构造区东部和鄂城—大冶构造区应以逆冲推覆体为勘探对象;荆州—仙桃构造区的仙桃地区应以上古生界油气藏为勘探目标;当阳—京山构造区西部宜昌稳定带和荆州—仙桃构造区的珂理—簰洲地区则应以下古生界油气藏为勘探目标。