专题：地球生物学前沿

地球生物学（geobiology）研究地圈．生物圈耦合系统,即生物圈与地球其他圈层如大气圈、水圈和岩石圈的相互作用机制及其过程．地球生物学、地球化学和地球物理学分别构成了研究地球系统的生物过程、化学过程和物理过程的学科体系．地球生物学的核心是生命与地球环境的相互作用与协同演化．我们过去讲地球与生命的关系,主要强调的是地球环境影响生命,生命适应地球环境,这是一个单向作用的关系．但地球与生命之间应为相互作用的关系,而且是协同演化的．生命演化能否影响地球环境演变,生物过程能否影响地球环境,这是一个重大科学问题．地球生物学对此作出了肯定的回答．生命与地球的协同演化这一概念符合地球系统科学的总体观,也符合人与自然协调发展的科学发展观．     

广东新丰江水库极端旱情期浮游藻类功能群特征及与环境因子的关系

为了解极端旱情对新丰江水库的浮游植物功能群(functional group)的演替规律及驱动机制,在干旱期以月为频次开展浮游植物和水质调查。结果表明,水库旱情期(2021年)浮游植物功能群可归类为23个,其中功能群A/E/F/J/K/L_o/M/MP/NA/P/SN/TB/X1/X2/X3/Y频率较高,且A/E/F/J/L_o/MP/P/X3/Y为优势功能群,水库功能群变化趋势为A/E/MP/P/X3(1月)→E/L_o/MP(2月)→A/E/L_o(3月)→A/E/L_o(4月)→A/L_o(5月)→A/L_o/Y(6月)→A/F/L_o/MP/Y(7月)→A/F/L_o/Y(8月)→A/F/L_o(9月)→A/F/L_o/MP(10月)→A/E/F/L_o/MP/Y(11月)→A/E/L_o(12月)。适应贫营养生境的功能群A/E/L_o/Y等为旱情期藻类群落结构的主体优势类群。相关分析(Spearman)和冗余分析(RDA)结果表明,旱情期影响水库浮游植物功能群组成的主要驱动因子是水温和透明度。水库月度生态状态指数(Q)值范围为4.07~4.87,达到极好水平,说明旱情对新丰江水库浮游植物群落结构影响相对较弱。     

生物地球物理:地球物理方法在研究生物地球化学过程中的应用和发展

微生物广泛参与了其所处地质环境的物理和化学性质改造过程.监控微生物与地质介质之间相互作用的过程并了解其机制对近地面环境工程中土壤及地下水污染整治等实际应用有着至关重要的作用.地球物理勘测成像技术不仅能够在传统应用中测量和表征地表以下的物理特性变化, 大量直接有效的证据表明这些方法还可以捕获孔隙介质中的生物地球化学变化的动态过程, 包括监测微生物、微生物活动以及它们与矿物之间的相互作用.生物地球物理(Biogeophysics)作为勘探地球物理的一个新兴分支学科, 包含了微生物学、生物地球科学以及地球物理勘测等多个学科, 侧重于研究微生物与地质介质相互作用对地球物理场的影响.过去十几年在生物地球物理领域的研究充分表明和验证了地球物理勘测方法的独特优点(最小化侵入、时空连续及跨尺度运用), 并为将传统勘测方法用于探索跨时间空间各尺度的地下生物地球化学动态过程提供了理论及实验依据.本篇综述将系统介绍生物地球物理学科的理论背景、发展和研究前沿.首先讨论微生物及其活动引起的孔隙介质中物理化学性质的变化.其次, 将侧重于探讨微生物活动对包括地电法、电磁法、探地雷达以及地震法等不同地球物理场的响应.最后将讨论生物地球物理领域的机遇、挑战和潜在应用.     

对地球生物学、生物地质学和地球生物相的一些探讨

在简要介绍国内近年来地球生物学研究概况之后,探讨了地球生物学和生物地质学的定义以及这两者之间的区别．地球生物学是由生命科学和地球科学交叉融合而形成的一级学科,而生物地质学则是由生物学和地质学交叉而形成的二级学科,因此,地球生物学所研究的领域包含了生物地质学的研究范围．列举了这两门学科的分支学科．地球生物相是指包含了生物与环境相互作用的全过程的一个地质体的相．讨论了地球生物相、生物相和有机相之间的区别．生境型、生物组成和生产力、古氧相以及埋藏效率是确定一个地球生物相的主要参数．对上述参数作了详细探讨,并据此提出了地球生物相的半定量评估方案．推荐地球生物相的二维命名法,每一维分别代表地球生物学全过程中的生物方面和环境方面的特征．     

二叠纪-三叠纪之交重大地质突变期微生物对环境的作用

生物与环境之间是相互作用和协同演化的.目前在生物对环境变化的响应方面已取得了许多重要的认识,而在生物对环境作用方面的认识还非常薄弱.本文以二叠纪-三叠纪之交这一生物与环境的重大突变期为例,探讨了微生物对环境的作用并指出了下一步的重点突破方向.类脂物生物标志化合物、C-N-S稳定同位素地球化学和矿物学的研究表明,硫酸盐还原微生物功能群、H2S的厌氧氧化微生物功能群、产甲烷微生物功能群、甲烷的好氧氧化微生物功能群、反硝化微生物功能群和固氮微生物功能群在二叠纪-三叠纪之交显著繁盛.不同微生物功能群既可以加剧环境的恶化,也可以改善环境,正是这些多方面的微生物作用才使得地球环境不至于向一个方向演变,而是处于一个能够自我调节的状态.     

地球系统视角下的多圈层复合极端事件研究进展与展望

复合极端事件对社会、经济和生态所造成的影响相较于各事件独立发生时更为严重,这类事件已成为近10年来地球科学领域的研究热点之一.气候变化背景下许多复合极端事件频发、强发,极端事件间的组合形式也呈现出新特点,对科学研究和防灾应对提出了更高的要求和更严峻的挑战.本文在地球系统多圈层相互作用的视角下系统梳理了多类高影响复合极端事件的定义、机理、变化、归因、预估等方面的研究现状;探讨了复合极端事件研究在数据需求、机理分析、模型模拟、归因预估、风险评估和适应应对等方面的挑战及可能的解决方案;进一步展望了该领域未来可能的发展趋势和急需多学科、多部门联合攻关的重点研究内容.在气候变化重塑极端事件类型的背景下,科学研究、防灾减灾和应对气候变化工作均需从传统单一极端事件视角向复合极端事件视角转变,对研究对象、思路和方法进行全方位的革新.本文对复合极端事件研究领域的发展和多学科领域的交叉合作将起到一定的促进作用.     

城市缓流水体生物膜群落与环境因子响应关系

以南京市秦淮河、石头城护城河、乌龙潭、玄武湖4个水体为研究对象,采用磷脂脂肪酸(PLFA)法对城市缓流水体生物膜群落特征进行分组研究.通过SPSS、CANOCO软件分析水体生物膜群落与环境因子的响应关系,结果表明:(1)温度及水体营养盐含量的降低会导致水体微生物新陈代谢缓慢,微生物大量死亡.静态水体生物膜中微生物量的变化范围是9.16×106~2.74×108cells/g,流动水体生物膜中为1.69×107~7.77×107cells/g,静态水体中生物量的下降趋势比流动水体中显著,可能是由于水体的流动加强了营养盐在固液相之间的质量传递,削弱了水体温度及营养盐含量变化对流动水体生物膜中微生物生长的影响程度.(2)功能菌群G-、G+、真菌是微生物菌群的主要成分,3者比重为:G-真菌G+.随温度的降低(T≥8.4℃),静态水体中主要功能菌群总含量变化波动较大,其波动范围为27.41%~66.20%,流动水体中主要功能菌群总含量的变化范围较小,为43.09%~68.25%,差异的主要贡献者是G-和真菌.(3)静态水体中环境因子温度、硝态氮、COD是功能菌群的主要影响因子,氮元素是流动水体中功能菌群的显著影响因子.     

金属矿地球物理勘探技术与设备:回顾与进展

地球物理勘探技术是深部矿产资源勘查的主要技术手段.长期以来,我国地球物理勘查技术和仪器严重依赖国外进口,国产勘查技术无论仪器设备,还是方法、软件尚不能满足日益增长的深部矿产勘查需求."十二五"国家高技术研究发展计划（863计划）资源环境技术领域设立了"深部矿产资源勘探技术"重大项目,以提高深部矿产资源探测的深度、精度、分辨率和抗干扰能力为目标,研发高精度重磁探测技术、电法及电磁探测技术、地震探测、钻探和井中探测技术和装备.经过4年的攻关研究,突破了高精度微重力传感器、铯光泵磁场传感器、宽带感应式电磁传感器等10余项关键技术;研发、完善和升级了地面高精度数字重力仪、质子磁力仪、大功率伪随机广域电磁探测系统、分布式多参数电磁探测系统等18套勘探地球物理仪器设备;创新和完善了20余项勘探地球物理数据处理、正反演方法,研发和完善了2套适合金属矿数据处理及解释的大型软件系统,和8套其他专用软件系统,大幅度提升了我国地球物理勘探技术水平.本文旨在介绍项目取得的主要成果,首先回顾我国地球物理勘探技术的发展历程,然后再重点介绍"深部矿产资源勘探技术"重大项目取得的主要成果和进展,最后对发展我国地球物理勘探技术提出作者的看法和建议.     

我们，只有一个地球

生命发展与环境变化 宇宙虽大,却只有一个地球。 相比宇宙150亿年的寿命,46亿岁的地球还算比较年轻。大约在42亿年前,大量陨石撞击地球的动荡局面才结束。逐渐稳定的环境为生命起源提供了可能。根据地球上迄今为止最古老的生物活动痕迹判断,约在38亿年前地球上出现了生命。由单细胞生物到多细胞生物,由原核生物到真核生物,由简单到复杂,从海洋到陆地,生物逐步进化。     

多尺度地球物理与成矿系统探测:现状与进展

不同的构造环境,物源基础和保存环境形成矿床在观测结果上表现为不同的地球物理属性,地球物理探测方法利用密度、磁化率、极化率、电阻(导)率、波阻抗等物性差异进行地下地质体探测.利用地球物理方法进行成矿系统探测需要剖析从局部到区域矿物矿床形成的物源、通道和富集以及保存的完整过程,以便在不同的尺度范围内完成地球物理多属性结构成像,指导下一步具体找矿任务.区域地球动力演化、物质和能量源区控制着成矿始端,成矿流体富集成矿以及保存条件控制着成矿末端,流体迁移的通道将成矿始端和成矿末端连接,形成一个完整的成矿系统.本文从成矿系统始端和末端两方面分别阐述各个地球物理探测方法的发展历程和适用范围,最后通过长江中下游成矿带庐枞矿集区泥河铁矿找矿实例论述多尺度地球物理探测方法在成矿系统始端和末端应用效果.     

生物大灭绝研究三十年

历次生物大灭绝除具有若干共同特征外,各自更存在许多特点,重视和阐释产生各大灭绝的环境差异与不同板块、相区、剖面中不同门类、类群和属种应对大灭绝的适应差异,是深化理解大灭绝的重要内容.化石采集、系统分类和精时地层研究是探索生物大灭绝的根基和关键;从生物多样性的丧失和生态系的变革这两方面来揭示大灭绝后的生物世界;从地球系统学的视角来探索大灭绝发生的复杂机制,重视多种外因(包括古气候,如古温度)的剧变对生命演化的影响.气候变化既可导致生物大灭绝,也可能有利于生物大辐射,笼统地说"由全球变暖或变冷引发大灭绝"是不合适的.就古温度而言,聚焦研究大灾变前的温度,温度剧变的幅度、历程和频率等四方面尤为重要.与其他学科的交叉研究是探索同期环境背景和生物演变的综合途径.大灭绝带给物种的选择压力是通过其自身适应和应对策略体现的,所以,在探索生物与环境的协同演化的同时,也要探讨生物门类之间和物种本身对环境剧变的适应演化.     

西乡群的时代与构造背景: 同位素年代学及地球化学制约

对西乡群下部白勉峡组和上部孙家河组进行了颗粒级锆石U-Pb同位素定年, 分别获得了(946±18)和(904±18) Ma的谐和年龄. 西乡群火山岩具有岛弧岩浆岩组合的元素和同位素地球化学特征, 且其形成环境具有由早期的前弧向晚期的弧后拉张盆地转变的演化趋势, 表明扬子西北缘于约0.95~0.90 Ga的晋宁期为活动性大陆边缘. 西乡群火山岩受到了后期(0.83~0.75 Ga)较大规模构造热事件的影响, 并使其Rb-Sr同位素体系发生了重置.     

西藏巴松错浮游植物功能群垂直分布特征及其与环境因子的关系

为了解青藏高原湖泊浮游植物功能群垂直分布特征与环境因子的关系,本文选取西藏东南部最大的高山冰川堰塞湖之一的巴松错为研究对象,于2017年11月(枯水期)和2018年9月(丰水期)在湖心利用挂锤式深水采样器进行浮游植物垂直分层采样,共设置7个断面,采集水样84个.应用浮游植物功能群、相关性分析、冗余分析(RDA)等方法,对巴松错浮游植物功能群垂直分布特征及其与环境因子的关系进行了研究.结果表明:1)巴松错水体稳定性强,水温有明显的分层现象,枯水期在30~60 m处形成温跃层,丰水期在1~15 m和30~60 m处形成双温跃层;2)巴松错浮游植物群落共鉴定7门76属242种,物种组成均表现为硅藻蓝藻绿藻型结构;3)根据浮游植物功能群分类方法,可划分为25个功能群,分别为A、B、C、D、E、F、G、H1、H2、J、L M、L O、M、MP、N、P、S1、S2、T、W1、W2、X1、X2、X3和Y,优势功能群从枯水期的MP、D、L O、P转变为丰水期的D、F、L O、MP、N、P,其中MP功能群为巴松错浮游植物群落绝对优势群;4)通过RDA表明,不同水情期浮游植物功能群垂直分布特征受环境因子影响差异较明显,整体上,pH、总氮和氨氮浓度是影响浮游植物功能群分布格局的主要环境因子.     

地球内部结构及物性研究的进展及问题

本文对近几年中国地球物理学家在地球内部结构和物质性质方面的研究工作进行总结.从地球内部结构的地震波速度成像,地幔介质的各向异性,地幔间断面及地幔介质物性进行了综述,指出在一些原有的研究领域,工作更加深入,方法更加先进,而且进行了广泛的国际合作,合作的范围也逐渐扩大,方式多样,并开拓了一些新的研究方向.在肯定我们近几年取得的一些新的进展的同时,也提出了地球内部结构研究中应进一步研究的问题.     

环境因子对浮游甲壳动物群落功能多样性的影响

基于功能性状的生物多样性分析是当前生态学研究中的常用方法之一.浮游动物作为水生态系统食物网的重要组成成分,其功能多样性受关注的程度远不如其重要性.本文通过对14个水体浮游甲壳动物群落结构的研究,分析了环境因子对其功能多样性指数,包括功能丰富度(FRic)、功能均匀度(FEve)、功能离散度(FDiv)和功能分散度(FD...     

巢湖浮游藻类功能群的组成特性及其影响因素

2015年1-12月逐月采集了巢湖9个断面的浮游植物,并对所采植物进行功能群划分,结果显示,巢湖的浮游植物可以划分为15个功能群:C、N、P、MP、S2、X1、X3、Y、F、J、H1、H2、LM、M、W1.不同时期调查的植物优势功能群存在差异,其中H2在12次调查中的优势度均≥0.02,成为巢湖的绝对优势功能群,H2功能群的组成藻类为鱼腥藻,次要的功能群为M,主要组成藻类为微囊藻,两个功能群均为富营养化功能类群.巢湖植物优势功能群不同时期的演替规律为:1月H2+Y经2月H2+J,3月H2,4月H2+F,5月H2,6月M,7月M+H2,8、9月M,11月H2+M转变为12月H2.RDA分析结果显示,巢湖植物功能群分布受水环境因子影响较为明显,整体上,水温、溶解性总磷、溶解性总氮、高锰酸盐指数和水深是影响巢湖植物功能群分布格局的主要因素.     

西藏麦地卡湿地的浮游植物——2.功能群特征及其与环境因子的关系

为揭示青藏高原湿地浮游植物功能群时空分布特征与环境因子的关系,本文于2019年7月(丰水期)和2019年10月(枯水期)在麦地卡湿地调查浮游植物功能群组成和生物量,并运用Spearman相关性分析、冗余分析(RDA)和典范对应分析(CCA)等方法,对麦地卡湿地浮游植物功能群时空分布特征及其与环境因子的关系进行分析.结果表明:1)根据功能群分类方法,麦地卡湿地浮游植物可划分为27个功能群,分别为A、B、C、D、E、F、G、H1、J、K、L_M、L_O、M、MP、N、P、S1、S2、T、T_B、T_C、W1、W2、X1、X2、X3和Z;在时间维度上,丰水期有26个功能群,枯水期有23个功能群;在空间维度上,河流湿地有24个功能群,湖泊湿地有23个功能群,沼泽湿地有12个功能群.2)丰水期,以功能群A、D、L_M、L_O、MP、N、P、T、T_B和X3为主,枯水期以功能群A、D、J、L_M、L_O、MP、N、P、T和T_B为主,其中A和T功能群为2个水情期的共有绝对优势功能群,功能群J仅为枯水期的绝对优势功能群.3)生态状态指数(Q)范围为1.80～4.86,平均值为3.80,表明麦地卡湿地水质状态为“好”.4)相关性分析表明,浊度、COD_Cr、总磷和硝态氮与部分优势功能群生物量具有显著相关性;RDA分析表明,盐度和总氮是影响丰水期优势功能群生物量的主要环境因子.CCA分析表明,总氮和硝态氮是影响枯水期优势功能群生物量的主要环境因子.     

地球自转速率变化及其与地球物理现象关系研究的进展

作为地球的基本运动形式之一的地球自转变化表征着地球的整体运动状态和地球系统各圈层之间的相互作用过程,其变化形式非常复杂．研究表明,地球自转速率的变化与众多地球物理现象有密切联系,与地震活动、EN-SO事件等重大自然灾害存在一定的相关性．因此,对地球自转速率变化及其与地球物理现象之间关系的研究长期以来就受到天文学家、地球科学家和从事灾害研究领域专家的重视．本文主要介绍了该研究领域近年来的研究进展,并认为在此基础上开展更深入的研究对天文学和地球科学的发展都是有意义的．     

中国第四纪花粉现代过程:进展与问题

花粉现代过程是第四纪花粉分析的基础,对正确解释地层花粉组合,定量恢复古植被、古气候至关重要.近年来,孢粉学者对花粉现代过程开展了很多卓有成效的工作,取得了长足进展.本文基于前人研究成果和笔者近几十年对花粉现代过程的探索,从花粉产量、花粉传播、花粉源范围、花粉沉积、花粉保存、花粉与植被和气候的关系及人类活动和土地利用等多个方面进行了综合探讨,介绍和评述了第四纪花粉现代过程的进展与问题.通过对比已有研究成果,笔者认为近几十年来国内外孢粉学者在古气候和古植被定量重建研究中取得了重要进展;但不同重建方法各有优缺点,且适用范围不同;花粉产量、花粉源范围、花粉传播与散布、古气候和古植被重建方法和模型等尚不完善,都有待改进;更希望尝试和研发新模型和新方法,进而获得更可信的古气候和古植被记录.虽然国外学者较早开展了花粉与人类活动关系研究,但目前中国在花粉与人类活动和土地利用研究方面处于领先地位,率先开展了人类活动强度定量重建的尝试,希望国内相关学者在今后研究中继续予以关注,以期在地层中定量识别和提取古人类活动信息方面有所突破.此外,国内外对花粉沉积过程和花粉保存研究尚显不足,虽然部分学者就其开展了部分实验和模拟,但缺乏自然环境条件下花粉沉积和埋藏过程研究,亟待开展相关工作.     

地球物质的人为转移与地球物理环境

通过分析航天活动向外层空间迁移物质形成的地球转动惯量改变,重叠1998年以来,从高纬度向赤道方向上,巨大物质发生再分布构成的地球转动惯量改变,和它们致使地球自转速率的变慢,重合地球自转运动的规律性变慢,以叠加的效果影响地球物理环境;以及与地壳差速旋转的巨大地核,及覆盖地表的水,包裹地球的大气层,在地壳转速变化时,完成其相互问角动量交换存在的时间滞后性,将会在一些瞬时段突出物质转移对地球物理环境的作用影响.讨论航天发射从地球迁移到外层空间的物质,正将形成一定规模的物质群而改变地球系统的空间结构,且现时,太空武器化竞争已剑拔弩张,其一旦加剧了航天活动构成外层空间新物质体系圈层的发展,其过程对地球物理环境的影响,合并地球自身多重因素的作用,可能会增大突破维持稳定自然环境的某些临界条件的几率和增大突发事件发生频率.