微生物磷脂脂肪酸单体碳同位素示踪碳循环过程

碳循环对于维持地球生命和调控气候变化具有重要意义。微生物是碳循环的关键驱动者之一,微生物群落结构和碳代谢活动的变化,能够影响温室气体的释放和碳储量,并进一步对气候变化产生反馈作用。在当前全球变化和人类活动加剧的背景下,需要进一步了解不同环境中的微生物群落组成和碳代谢活动的特征和响应。磷脂脂肪酸（PLFA）因其快速的周转速率和多样的分子结构,已经被广泛用于原位识别不同环境中活体微生物的生物量和群落结构。在此基础上,PLFA的单体碳同位素组成进一步指示了微生物利用哪些碳源,以及通过何种方式同化这些碳源,从而揭示微生物介导的碳流通和碳循环过程。本文综述了PLFA单体稳定碳同位素组成（δ¹³C）和放射性碳同位素组成（Δ¹⁴C）在示踪微生物碳循环过程中的应用。对比了农田、草地、森林、湿地以及海洋沉积物中活体微生物的碳源利用和碳同化途径的差异,这些差异可能与不同微生物对碳源的偏好以及不同环境中底物碳的可用性有关。对比了岩石、地下水、表层和深层土壤环境中微生物对化石碳源和年轻碳源的差异利用,化石碳是岩石和地下水环境中活体微生物碳源的重要组成部分,表明现代活体微生物可以直接利用部分老碳;相反,表层和深层土壤微生物倾向于利用现代碳源,这些碳源可能来自根系分泌物和从表面垂直输送的溶解有机碳。随着加速器质谱和单个化合物制备技术的进一步发展,预计PLFA单体放射性碳同位素将在微生物碳循环过程中发挥更重要的作用,值得在不同环境中进一步探索。

     

流域尺度岩溶碳循环过程——“岩溶作用与碳中和”专栏特邀主编寄语

2020年9月22日, 习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上承诺, 中国力争于2030年前达到CO2排放峰值, 努力争取2060年前实现碳中和。中国的碳达峰与碳中和战略, 不仅是全球气候治理、保护地球家园、构建人类命运共同体的重大需求, 也是中国高质量发展、生态文明建设和生态环境综合治理的内在需求。碳中和战略涉及深度社会经济发展转型, 以期实现低碳甚至零碳排放和基于技术变革的增汇目标, 是面向可持续发展的重大机遇。碳酸盐岩是岩溶发育的物质基础, 不但记录着地球历史时期的环境变化, 而且还是地球最大的碳库, 对地球大气和生命演变起到重要的作用。据统计, 现代全球岩溶分布面积2200万km2, 占陆地面积的15%, 其中中国岩溶面积达344万km2, 约占全球岩溶总面积的15.6%。在水-二氧化碳-碳酸盐岩-生物的相互作用下, 岩溶碳循环活跃, 在全球形成0.824 Pg C/a的岩溶碳汇, 约占全球“遗漏汇”的29.4%。鉴于岩溶作用对全球碳循环具有重要的作用和影响, 2021年中国出台的《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》均明确提出要巩固提升岩溶碳汇能力。然而, 岩溶碳汇的流域尺度效应及其稳定性机理还不十分清晰, 以至于岩溶碳汇研究存在不确定性问题。为揭示流域尺度岩溶碳汇效应以及岩溶碳汇的稳定性问题, 明确岩溶作用与碳中和的耦合关系, 助力碳达峰、碳中和目标的实现, 《地球学报》组织了“岩溶作用与碳中和”专栏。     

红枫湖碳同位素变化指示的湖泊碳循环过程

碳同位素是示踪湖泊碳循环最有力的工具,其所有的生物地球化学过程只要碳的流动发生分异,并有同位素分馏效应,都可以利用同位素变化进行示踪.反过来,湖泊碳同位素与碳循环的相互关系研究也可以进一步提高对湖泊碳同位素的认识,揭示碳同位素变化指示的地球化学意义.     

土壤碳及其在地球表层系统碳循环中的意义

本文回顾了近10年来国内外对土壤碳研究的主要进展,分析了土壤碳的移动性及其影响因素,着重针对陆地系统碳汇饱和问题介绍了土壤碳对大气CO2源汇效应的碳转移过程及其在地球表层系统碳循环中的作用,指出应加强对土壤碳转移及其对全球变化的响应、土壤碳固存对大气CO2调控的机制和动态的研究,以便为缓解陆地系统碳汇饱和提供科学依据。     

土壤碳及其在地球表层系统碳循环中的意义

本文回顾了近１０年来国内外对土壤碳研究的主要进展,分析了土壤碳的移动性及其影响因素,着重针对陆地系统碳汇饱和问题介绍了土壤碳对大气CO²源汇效应的碳转移过程及其在地球表层系统碳循环中的作用,指出应加强对土壤碳转移及其对全球变化的响应、土壤碳固存对大气CO²调控的机制和动态的研究,以便为缓解陆地系统碳汇饱和提供科学依据。     

风蚀对中国北方脆弱生态系统碳循环的影响

风蚀是中国北方脆弱生态系统土壤质量退化和沙漠化的关键因素。文章基于土壤剖面普查和土壤侵蚀遥感调查数据,计算出风蚀土壤有机碳的侵蚀量和空间分布,并与风蚀区的净第一性生产力(NPP)比较。结果发现土壤风蚀区的一个显著特征是表层土壤有机质含量较小,并且随着土壤风蚀强度的增加,相应的表层土壤平均有机质含量和NPP基本上逐渐减小,而相应的土壤有机碳的侵蚀量却明显增大。在中国北方严重风蚀的脆弱生态区,土壤有机碳的侵蚀量超过了NPP,风蚀影响了生态系统的正常碳循环。     

氮输入对陆地生态系统碳循环关键过程的影响

碳氮作为陆地生态系统最关键的两大生源要素,它们在自然界的循环过程中不仅各自对全球变暖做出重要贡献,而且两者的循环过程显著耦合,互相影响各自的作用和效果。从氮元素对植物光合作用、呼吸作用以及土壤呼吸作用影响的角度入手,综述了氮输入对陆地生态系统碳固定和碳排放这两个碳循环关键过程的影响特征和机理,分析了陆地生态系统碳源汇对氮素变化响应的不确定性,在此基础上对未来的相关重点研究方向进行了探讨和展望。     

深海记录中的热带过程及其周期性

地球运行轨道参数包括偏心率、斜率和岁差, 在地质时期分别具有413ka和100ka、41ka、23ka和19ka的周期, 它决定地表太阳辐射在不同纬度和季节的周期性变化.太阳辐射变化中, 岁差周期最为明显, 斜率周期在中高纬度比较明显, 而偏心率周期本身作用微弱, 主要通过调控岁差周期的变幅影响气候.传统的地球轨道驱动理论认为, 北半球高纬的太阳辐射决定全球冰量和地表的气候变化, 轨道周期可能线性地反映到气候变化的周期中去.实际的深海记录反映的情况并非如此, 尤其在热带海区, 气候替代性指标的周期性与太阳辐射的周期性既存在相似性, 也存在较大区别.相似性在于, 热带海区的气候替代性指标均表现出较强的岁差和斜率周期, 而且通常情况下岁差周期的强度要高于斜率周期的强度, 说明热带海区的气候变化受控于岁差调控的太阳辐射的变化; 区别性在于, 热带海区气候替代性指标通常表现出较强的不容忽视的100ka、413ka的偏心率周期和10ka左右的半岁差周期, 而且100ka、413ka的偏心率周期还是季风系统的典型周期, 说明热带海区的气候变化并不是简单的线性响应太阳辐射的变化, 也不完全受北半球高纬的控制, 而是具有自身的特性.      

地质历史时期碳循环的研究

可以近似地把地质历史时期的碳循环看做为在沉积碳酸盐和沉积有机碳化学库之间的平衡。碳循环研究直接关系重建地球古大气、古海洋、古气候和古环境演变的历史，关系正确认识沉积矿产的成因。现在，人们已经对显生宙时期、对晚元古代碳循环进行了较多的研究，并取得了进展，但是对整个元古代和太古代碳循环的研究工作十分薄弱。预料元古代和太古代碳循环研究将成为未来地球科学重要的前沿研究领域。我国存在适于元古代碳循环研究的地质条件，建议开展相应的研究工作.     

金刚石与深部碳循环

深部碳循环是全球碳循环研究中不可或缺的部分。较之表层碳,人类对地球深部碳储库的储量、碳的迁移方式和交换量都缺乏清晰认识。作为来自地球深部的碳单质矿物,金刚石是研究深部碳循环的绝佳样品。近年来原位微区分析技术的突飞猛进为研究金刚石及深部碳循环提供了良好条件。文中对表层与深部碳交换、深部碳储库及金刚石矿物学性质进行了介绍,并通过金刚石及其包裹体的稳定同位素组成,探讨了金刚石的形成机制及含碳流体/熔体的性质与来源问题。     

致密砂岩高围压和高孔隙水压下渗透率演化规律及微观机制

深部岩石工程具有高地应力和高水头压力的特点。为了研究岩石在高围压和高孔隙水压条件下渗透率演化规律,选取致密砂岩开展不同围压条件下变孔隙水压的渗流试验。研究结果表明:(1)在所研究的围压范围内(0~50 MPa),随孔隙压力增加,渗透率依次呈现3种不同的变化趋势,即快速增长阶段(围压为10~20 MPa)、缓慢增长阶段(围压为30~40 MPa)和保持恒定阶段(围压为50 MPa);在围压卸载时,由于高围压作用使试样内部产生不可逆变形,导致渗透率具有明显的不可恢复现象,且随围压降低,渗透率恢复存在滞后效应。(2)渗流试验过程中,体积应变和渗透率演化具有较好的一致性。(3)在围压加卸载过程中,高孔隙水压力条件下渗透率对应力的敏感程度和恢复程度均大于低孔隙水压力。(4)偏光显微镜图像从微观角度揭示了试样在围压加卸载过程中产生不可逆变形的内在机制:骨架颗粒相互挤压、错动导致原有微裂隙压缩、孔隙减小甚至坍塌,引起渗透率不可恢复。渗流试验后,纵波波速增大,说明岩石致密性提高,与试样内部微观结构变化具有较好的一致性。     

典型喀斯特河流二氧化碳分压及交换通量季节变化

河流水-气界面二氧化碳(CO2)交换是全球及区域碳收支平衡的重要组成部分。然而, 当前对喀斯特水体CO2吸收及排放特征的研究仍然有限。为探究喀斯特河流CO2分压(pCO2)及水-气界面CO2交换特征, 本研究以我国典型喀斯特河流綦江为对象, 调查了气象水文条件、碳酸盐平衡参数(pH、T、Alk、DIC、HCO3-、CO32-、CO2)、水-气界面CO2交换通量(F)和环境变量(EC、DOC、TDN和TDP)的季节变化特征, 分析了pCO2的调控因素及其与环境变量的耦合关系, 比较了不同河流的水-气CO2交换现状。结果显示, 綦江原位水体pCO2在1.3~7205.2 μatm范围内变化, 其中有47%样品高于大气CO2平衡浓度值。受雨季降水稀释作用和旱季呼吸矿化作用及人为输入复合影响, 旱季水体pCO2(1549.5±1786.8 μatm)显著高于雨季初期(448.9±184.0 μatm)和雨季后期(83.8±166.0 μatm)(P < 0.001)。河流F值在-213.6~5526.6 mmol/(m2· d)范围内, 其平均值为202.4±907.8 mmol/(m2·d)。其中, 旱季碳源(F>0)样点比例较多为85%, 次之为雨季初期(48%), 雨季后期样点碳源比例较少(6%)。水体pCO2与环境变量EC和TDN具有显著相关关系(P < 0.05)。喀斯特河流水-气界面可同时作为大气CO2的源和汇, 掌握其变化规律对我国生态系统"碳达峰、碳中和"目标的实现具有重要理论和现实意义。     

泥炭地碳源汇功能与“双碳”目标

自工业革命以来, 大气中CO2浓度快速升高导致了全球变暖, 并引发了一系列气候和环境问题。应对气候变化、实现"碳达峰与碳中和"(以下简称"双碳")已成为世界各国共同倡导的目标; 而理解自然系统的碳源汇功能, 对实现这一目标具有重要的意义。泥炭地是世界上分布最为广泛的湿地类型, 对全球碳循环和气候变化有着十分重要的影响, 其在实现"双碳"目标中的重要性受到越来越多的关注, 这也使泥炭地碳循环研究成为前沿领域。本文简要回顾了国内外泥炭地碳循环的研究现状, 阐述了泥炭地的碳源汇特征(包括CO2净交换、CH4排放、溶解有机碳迁移、碳累积)、变化及驱动机制, 并对其在实现"双碳"目标中的作用进行了分析。总体来说, 泥炭地碳循环对全球碳源汇估算具有重要的影响, 未来需进一步加强对泥炭地分布和碳库的研究, 强化泥炭地生态环境演变规律、碳循环-相关过程对气候变化的敏感度以及研究薄弱地区等的针对性研究。在此基础上, 科学地可持续管理和恢复退化泥炭地, 如人为水文调节, 以保持甚至增加其碳汇潜力和储存碳的稳定性, 可发挥泥炭地在"双碳"时代的最大碳汇潜力, 也将是减缓气候变暖经济而高效的途径之一。     

超高温高压流变仪的研发及应用

随着我国能源勘探及地球深部探测等向深部发展,深井越来越多,地层温度、压力越来越高。保证高温高压状态下钻井液流变性能的稳定是深井安全钻进的必要前提,测定钻井液高温高压流变性是评价和优选钻井液体系最基础的工作。依托国家科技部重大仪器设备开发专项,通过对压力控制系统、温度控制系统、剪率控制系统、粘度检测系统等方面技术难题的攻关,研制成功了国内首台超高温高压流变仪。该仪器可在高温高压及低温高压条件下对钻井液、完井液、压裂液等样品的流变性进行高精度测量。     

松科二井高温高压随钻测温技术的应用研究

松科二井是亚洲国家组织实施的最深大陆科学钻井。松科二井完钻后38 h测井温度为241℃,创造了我国钻井工程最高井温应用记录。松科二井井内参数测试主要采用两种方法,一是综合物探测井,在下套管前进行综合测井;另一种是不影响正常钻进工作,随钻进行井下参数测试。及时掌握井下随钻温度等信息,对高温泥浆性能的调整和动力机具应用起着关键性的支撑作用。本文针对松科二井科学钻探高温难点问题展开系列研究,研制了一种存储式井下高温测试仪器。该仪器经过多轮攻关改进设计,成功应用于松科二井现场,在现场应用的最高随钻测试温度为222℃。     

高温高压下石英砂岩的电导率实验研究

利用交流阻抗谱实验技术,在0.5~2.0 GPa、573~873 K和10-1~106 Hz条件下,借助YJ-3000t紧装式六面顶高压设备和Solartron-1260阻抗/增益-相位分析仪测定了石英砂岩的电导率。实验结果表明:在测定的频率范围,样品的复阻抗的实部、虚部、模和相角对频率有很强的依赖性。随着温度升高,电导率增大,lgσT与1/T之间符合Arrhenius线性关系。通过拟合计算,获得了表征样品电学性质的指前因子、活化焓、活化能、活化体积等物性参数。杂质离子导电机制对高温高压下石英砂岩的导电行为提供了合理的解释。     

碳中和愿景下森林碳汇评估方法和固碳潜力预估研究进展

碳中和愿景下,加强森林的固碳增汇功能是抵消和吸纳碳排放最经济和最有效的途径.精准评估森林碳汇和预估森林固碳潜力,有助于量化森林在应对气候变化和实现碳中和愿景中的贡献.然而,森林分布的广泛性、森林生态系统结构的复杂性以及评估数据的代表性不够和方法学的差异性,造成森林碳汇评估的结果普遍存在精度低、不确定性高的问题.在界定森...     

高填方输煤暗道周边土压力试验研究

高填方暗道在西部沟壑地区得到越来越广泛的应用,但有关高填方暗道周边土压力分布的计算尚不十分清楚,需要进一步研究。通过对山西平朔东露天煤矿输煤暗道周边土压力现场测试资料分析,得出了高填方输煤暗道周边土压力分布和变化规律,对暗道周边的应力状态有了更为清晰地了解。试验结果表明,高填方暗道结构顶部存在竖向土压力集中现象,高填方暗道侧部竖向土压力分布呈现如下规律：当填土高度较低时,土压力随填土高度增加较快;当填土高度较大时变化缓慢。高填方暗道竖向土压力计算时,当填土高度较低时,宜采用土柱法;填土高度较大时宜选用顾安全公式法。与暗道结构相比,公路桥涵与地下埋管尺寸和刚度较大,建议计算侧向土压力系数采用静止土压力系数。     

碳中和背景下大气科学碳氮循环研究前沿问题与建议

碳循环不断受到气候变化、大气CO2浓度、人类活动和氮循环等多种因素的共同影响。然而, 未来以"碳达峰和碳中和"为目标的排放情景下, 中国陆地生态系统碳汇潜力仍然存在很大的不确定性, 影响了实现双碳目标的碳减排和碳增汇相关政策的制定和实施。厘清大气科学中关于碳氮循环演变研究有关科学认识将会为中国碳达峰和碳中和的实现提供有力地科学支撑。文章回顾了国内外大气科学中碳氮循环研究的基础和现状, 分析了当前气候变化、大气CO2升高、碳氮循环相互作用的关键过程和人类活动对地球系统碳氮循环研究的影响。其中, 氮营养元素对碳循环的影响充分表明生物固氮和大气氮沉降等过程对碳汇有重要影响, 可以减少地球系统模式中碳汇模拟的不确定性; 此外, 由于气候变化是气候系统对外强迫的快变响应和慢变响应的综合结果, 在大气科学中有必要区分快变响应和慢变响应对中国碳汇的影响, 分析人为碳排放清零后中国陆地生态系统碳汇潜力和固碳速率的变化; 最后, 在此基础上获得相应的启示并给出了未来的策略建议, 以期为国家碳中和战略顺利实施提供参考与借鉴。