环境磁学

本世纪60年代,在由湖泊沉积物恢复湖泊及流域地球化学史时,美国地球化学家F.J.H.Mackereth认识到主要由于人类活动而造成的老颗粒碳对~(14)C定年的严重干扰,转而探索湖泊沉积物记录地磁场长期变并用之定年的可能性。研究表明,湖泊和海洋沉积物以及喀斯特溶洞的二次沉积物均可用来提取地磁场连续的长期变化信息,并将时间跨度扩大到数万年。为了对研究Lough Neagh湖的富营养化史提供时标,在Mackereth指导下,R.Thompson测量了多个岩芯记录的长期变,并同步测量了起始磁化率K。各岩芯的K值随深度变化的可比性及其与土壤剥蚀、沉积物源关系的研究,向人们揭示了又一重要自然现象:沉积物非天然剩磁的磁学性质,可以记录并保存流域的环境事件。其后,F.Oldfield和R.Thompson的长期合作研究以及其他先驱者的研究,为环境磁学这门新学科奠定了基础。     

中国黄土环境磁学

中国陆相风成沉积序列蕴含了晚新生代以来丰富的古地磁场和古气候信息.第四纪黄土-古土壤序列的岩石磁学性质可以揭示第四纪亚洲内陆地区干旱化过程和东亚古季风演化历史以及末次冰期-间冰期旋回的气候不稳定性特征.文章主要评述近年来中国黄土环境磁学研究所取得的一系列重要进展,同时提出目前需要深入研究的几个重要问题,如成土作用对黄土沉积物沉积剩磁的影响、微生物对磁性矿物的改造、亚洲内陆地区气候过程和环境演变的磁气候学记录等.     

中国第四纪黄土环境磁学研究进展

中国黄土分布广泛、沉积连续性好,是进行磁性地层研究和重建古环境、恢复古气候的理想材料。中国黄土高原黄土—古土壤序列的环境岩石磁学性质详细地记录了2.5 Ma BP以来古气候和古环境变化的信息,尤其是黄土和古土壤的磁化率作为很好的气候代用指标已得到广泛应用。古土壤磁化率增强成因机制一直在争论中,其中,与气候变化关系密切的成壤作用对古土壤磁化率增强起主导作用的观点已被普遍接受,目前利用不同方法建立了磁化率气候转换函数,从而使重建古降水量和古温度成为可能。     

中国南方红土环境磁学

第四纪红土是中国南方古环境演化与气候变迁的最佳载体之一,记录了南方的古地理、古气候环境变迁信息。典型红土剖面由现代红壤层、均质层、网纹层、砾石层或基岩层组成,均质红土磁化率值多在80×10-8~250×10-8m3/kg,网纹红土磁化率约低一个数量级。红土的磁化率-温度（-T）曲线、等温剩磁获得曲线、XRD和TEM分析认为,成土过程产生的细粒磁性矿物（包括磁铁矿、磁赤铁矿和赤铁矿）是红土磁性的主要载体。对红土的岩石磁学和矿物学综合分析认为,红土磁性矿物的含量、粒度、类型等可能指示其形成时期的某种环境变化,红土磁性是南方第四纪环境变迁研究的重要手段,但由于红土的物源以及受后期化学风化改造的复杂性,红土的环境磁学研究需要新的思路和方法。     

环境磁学在古气候环境研究中的回顾与展望

基于磁性矿物的性质变化能敏感记录现在和地质历史时期的气候环境变化信息,环境磁学方法能鉴别环境演化过程中磁性物质在大气圈、水圈和岩石圈中运移、沉积和转化的过程,系统介绍了沉积物中磁性矿物的特征和鉴别方法以及主要的环境磁学参数和意义,着重回顾了环境磁学在以黄土、湖泊和海洋沉积物为载体的古气候环境研究中的应用及其取得的重要进展,指出了环境磁学在古气候环境研究过程中要加强多磁学参数综合应用,促进地质记录和磁学指标之间的定量研究,有利于理解不同沉积物的磁性矿物特征和环境变化过程的相关关系。同时强调沉积物还原成岩作用过程的环境磁学研究是目前以至今后发展的一个重要方向。     

新疆伊犁地区典型黄土磁学特征及其环境意义初探

黄土地层记录的磁学参数受控因素复杂,全球不同地区黄土磁化率的主要受控因子存在差别。文章在伊犁地区选取两个地层磁化率与成壤作用分别存在较明显正相关和负相关的典型黄土剖面,进行了系统磁性地层学研究。结果表明伊犁地区黄土地层中磁性矿物浓度较大,磁学性质主要受呈现准单畴状态磁铁矿控制,黄土沉积物中磁性矿物主要为原生矿物,后期改造作用弱,地层的磁学特征受物源影响明显。地层的成壤强度与地层中磁性矿物浓度无明显相关关系,与磁性矿物中细粒磁性矿物的含量呈正相关关系。本研究结果暗示伊犁地区黄土沉积物的磁化率增强模式既区别于典型的西伯利亚黄土"风速说"模型,也不同于中国黄土高原"成壤说"模型; 当后期改造作用弱时,地层的磁学特征主要受物源影响; 随着地层成壤作用的增强,对原生磁性矿物的改造作用逐渐增强,次生磁性矿物含量逐渐增加,磁化率变化规律趋近于"成壤说"模型。     

磁学方法及其在环境污染研究中的应用

针对日益突出的环境问题,磁学方法依靠自身便捷、经济等一系列优势在环境污染研究方面得到了广泛的应用.文章总结了环境研究中磁性矿物的特征和鉴别方法及主要的环境磁学参数,回顾了磁学方法在地表沉积物污染、水环境污染和大气环境污染方面的应用进展.并指出增进对磁性物质与污染源关系、污染物磁性形成机理的理解,加强从单纯的磁化率测量到多磁性参数的综合运用以及与矿物学、地球化学等方法的结合来查明污染物质的多源性、记录环境信息在时空尺度上的不确定性和不同环境对污染物承载能力的差异性,是提高磁学方法在环境污染研究领域应用效果的关键,有利于使环境污染监测和评价由定性研究向定量化研究发展.     

渭河流域典型黄土剖面的环境磁学特征及其古气候意义

对黄土高原南部耀县全新世黄土地层的形成及保存环境进行了研究. 结果表明: 地层中磁性矿物主要为软磁性矿物, 硬磁性矿物对地层的磁学性质贡献小; 随着成壤强度的增加, 硬磁性矿物的相对含量在减少. 本区全新世地层的形成和保存环境为氧化环境, 适宜用磁学手段反演全新世古气候. 对磁化率和频率磁化率、无磁滞剩磁磁化率的对比分析, 可以看出: 成壤强度较低时, 细粒磁性矿物相对于磁性矿物总量的增加速率相对较快; 成壤强度较高时, 细粒磁性矿物的相对含量会达到或趋近饱和, 相对于磁性矿物总量的增加速率相对较慢. 研究表明, 在黄土地层中, χfd%和χARM/χ等指示细粒磁性矿物的磁学参数可以显示更细微的气候变化; 在古土壤中, χlf的气候指示意义相对更好.     

渭河流域典型黄土剖面的环境磁学特征及其古气候意义

对黄土高原南部耀县全新世黄土地层的形成及保存环境进行了研究.结果表明:地层中磁性矿物主要为软磁性矿物,硬磁性矿物对地层的磁学性质贡献小;随着成壤强度的增加,硬磁性矿物的相对含量在减少.本区全新世地层的形成和保存环境为氧化环境,适宜用磁学手段反演全新世古气候.对磁化率和频率磁化率、无磁滞剩磁磁化率的对比分析,可以看出:成壤强度较低时,细粒磁性矿物相对于磁性矿物总量的增加速率相对较快;成壤强度较高时,细粒磁性矿物的相对含量会达到或趋近饱和,相对于磁性矿物总量的增加速率相对较慢.研究表明,在黄土地层中,χfd%和χARM/χ等指示细粒磁性矿物的磁学参数可以显示更细微的气候变化;在古土壤中,χlf的气候指示意义相对更好.     

1200a来洪湖演变的环境磁学记录

对取自洪湖的 140cm沉积物样芯进行了环境磁学测量,分析了所获得的环境磁学参数随深度变化的曲线,结果表明,沉积物磁性特征由稳定单畴(SSD)和细粘滞性 (FV)亚铁磁性矿物所主导,磁性矿物颗粒由下至上粒径逐渐减小。结合AMS测年和地球化学分析,可以推断出洪湖在 1200a来经历了沼泽沉积和湖相沉积。并且磁性特征的变化与气候的变化大致对应:磁性参数较大值对应着冷干的气候条件;水热条件增强时,磁性参数值下降。较好记录了湖泊随气候的扩张和缩小过程,同时也反映了人类活动的影响。     

定量评估我国西北干旱区土地利用变化对植被指数的影响

在全球变化的背景下,定量区分人类活动和气候波动对干旱区植被的影响具有重要意义。采用多种统计学方法,分析了我国西北干旱区1990-2010年土地利用/覆被变化（LUCC）和1982-2010年归一化植被指数（NDVI）的时空变化特征,并定量评估了LUCC对NDVI变化的影响。结果表明：1990-2010年,西北干旱区耕地增加量最多,高达13 476 km²,其次是林地和水域,各地类增加的面积主要来自草地（12 590 km²）和未利用地（6 025 km²）。各土地类型变化速度快慢依次为：耕地 > 建设用地 > 水域 > 林地 > 草地 > 未利用地。2000-2010年,研究区土地利用程度综合指数（0.79）明显高于1990-2000年（0.23）,表明近年来人类活动对土地利用变化的影响程度显著增强。1982-2010年,西北干旱区NDVI呈增加态势,但近年来（2002-2010年）NDVI略有下降。其中,1990-2000年,LUCC对西北干旱区NDVI总变化的贡献率较低,仅为2.9%;而1990-2010,LUCC的贡献率为26.7%,表明气候变化对植被指数变化的贡献率高达73.3%。     

1961-2010年西北干旱区极端降水指数的时空变化分析

结合绝对阈值和百分位法定义极端降水事件的优点,提出了一种更灵敏的检测极端降水事件的方法. 该方法不仅能检测出常用降水指数无法检测到的降水量稀少地区尤其干旱区的极端降水事件,同时也能过滤掉其检测到的降水量丰富地区的虚假极端降水事件. 此方法首次被应用于统计1961年1月至2010年2月西北干旱区72个气象站点的年和季节的极端降水指数（大降水和强降水指数）,并分析了极端降水指数的时间变化趋势及其空间分布特征. 结果表明：西北干旱区春（3-5月）、秋（9-11月）、冬（12月至次年2月）三季极端降水指数无显著（P>0.05）变化趋势,夏季（6-8月）大降水的频率和降水量以及大降水降水量占总降水量的比重都显著增加;新疆地区极端降水指数为增加趋势的区域基本都分布在海拔较高（约海拔1 000 m以上）的地区;西北干旱区东部极端降水指数变化趋势的空间分布有明显的季节差异,表现为夏、秋季大部分地区为增加趋势,冬、春季大部分地区为减小趋势.     

Responses of phreatophyte transpiration to falling water table in hyper-arid and arid regions,Northwest China

Quantitative assessment of the impact of groundwater depletion on phreatophytes in (hyper-) arid regions is key to sustainable groundwater management. However, a parsimonious model for predicting the response of phreatophytes to a decrease of the water table is lacking. A variable saturated flow model, HYDRUS-1D, was used to numerically assess the influences of depth to the water table (DWT) and mean annual precipitation (MAP) on transpiration of groundwater-dependent vegetation in (hyper-) arid regions of northwest China. An exponential relationship is found for the normalized transpiration (a ratio of transpiration at a certain DWT to transpiration at 1 m depth, T_a*) with increasing DWT, while a positive linear relationship is identified between T_a* and annual precipitation. Sensitivity analysis shows that the model is insensitive to parameters, such as saturated soil hydraulic conductivity and water stress parameters, indicated by an insignificant variation (less than 20% in most cases) under ± 50% changes of these parameters. Based on these two relationships, a universal model has been developed to predict the response of phreatophyte transpiration to groundwater drawdown for (hyper-) arid regions using MAP only. The estimated T_a* from the model is reasonable by comparing with published measured values.© 2021 China Geology Editorial Office.     

西北气候由暖干向暖湿转型的信号、影响和前景初步探讨

全球大幅度变暖,水循环加快,增强降水和蒸发.中国西北部从19世纪小冰期结束以来100a左右处于波动性变暖变干过程中.1987年起新疆以天山西部为主地区,出现了气候转向暖湿的强劲信号,降水量、冰川消融量和径流量连续多年增加,导致湖泊水位显著上升、洪水灾害猛烈增加、植被改善、沙尘暴减少.新疆其他地区以及祁连山中西段的降水和径流也有增加趋势.这样气候转型前景如何,是仅为年代际波动还是可发展为世纪性趋势,是只限于天山西部还是可能扩及整个西北以至华北.从引用现有区域气候模式预测,对径流变化模式预测和相似古气候情景的讨论,认为转向暖湿的趋势可以肯定,但目前尚不能确切预测转型扩大在时间上与空间上变化的速度和程度.     

Environmental properties of metallic minerals and their applications in environmental protection in China

In terms of environmental mineralogy, the environmental properties of metallic minerals, including chemical activation, adsorption, pore effect and nanometer effect, have been analyzed. On the basis of the analysis of environmental properties of metallic minerals, the applications of iron-bearing sultides, iron and manganese oxides in the purification of wastewaters containing heavy metal ions （Cr^6＋ ,Hg^2＋ , Pb^2＋ , etc. ） have been summarized. Moreover, research on the application of metallic minerals in environmental protection has been anticipated. It should be a piece of dominating work for environmental mineralogie researchers in the future to lucubrate systematically the physical and chemical characteristics of the metallic mineral surfaces, further reveal the reciprocity process between metallic minerals and water surface, perfect the theory and model of the metallic minerals to remove contaminants, intensify study on the facilities and techniques of metallic minerals to remove contaminants, and entail well the extension and propagation of achievements.     

中国西北干旱区降雪和极端降雪变化特征及未来趋势

降雪是中国西北干旱区水文系统中关键的组成要素, 同时也是对气候变化极为敏感的因子。利用中国西北干旱区的89个气象站点逐日气象资料结合IPCC-CMIP5气候情景数据, 研究了该区域降雪和极端降雪的时空变化特征, 并分析了其对气候变化的响应机理及未来变化趋势。结果表明： 1971—2010年, 我国西北干旱区年降雪量显著增加, 但降雪次数却明显减少; 年极端降雪发生次数占总降雪次数的比例不足3%, 但其对年降雪量的平均贡献可达1/4, 且极端降雪量和发生次数的增加是近40年西北干旱区降雪总量增加的主要原因。极端降雪发生时的气温要比非极端降雪发生时的气温平均高3.3 ℃; 当气温在1 ℃以下, 降雪强度随气温升高而增大, 该变化特征基本符合克劳修斯-克拉伯龙方程理论, 气候变暖是导致极端降雪显著增加的主要原因。在RCP4.5气候情景下, 我国西北干旱区未来年降雪次数将大幅减少, 年降雪量将在（2040±5）年前后达到峰值随后下降, 年极端降雪量和发生次数预计（2060±5）年左右达到峰值; 相比基准期, 2050s西北干旱区所有站点的年降雪发生次数都将明显减少, 区域平均年降雪量将减少5%, 而年极端降雪量和发生次数有微弱的增加, 分别增加约2%和4%。     

本世纪西北气候可能转型的依据和原因分析

西北气候是否正在或已经转型不仅是个科学问题,它也与该地区甚至全国的生态建设和国民经济的可持续发展密切相关.从地球系统科学的角度出发,对西北地区气候转型问题进行了探讨.利用太阳活动周期长度、孢粉及冰芯等资料,在分析了西北气候变化的周期规律后指出,西北气候已经完成了由冷到暖的“转型”;推测西北的“千年湿期”将从22世纪开始;西北东部气候转为湿型可能要发生在2020年以后.     

基于因子分析法的西北五省区旅游环境竞争力评价

旅游业日益成为各国各地区重点扶持的战略产业,旅游环境竞争力的研究是旅游竞争力研究的重要方面。本文构建了旅游环境竞争力评价指标体系,借助SPSS17.0统计软件,运用因子分析法和聚类分析法,定量评价了西北五省区旅游环境竞争力,并依据评价结果提出了提升区域旅游环境竞争力和加强区域旅游合作的措施及建议。     

东北地区以泥炭为信息载体的全新世气候变迁研究进展

泥炭作为一种地质信息载体,在全球环境变化研究中起着越来越重要的作用.我国东北地区地处全球变化的敏感区,泥炭地研究的意义更为显著.笔者针对近年来东北地区泥炭地研究的多种成果,对该区全新世以来泥炭沉积和区域气候变迁历史进行了系统分析.得出:①东北地区泥炭有三次沉积高峰,分别始于早全新世、中全新世与晚全新世初期;②该区10000a以来大体上经历了冷湿-温暖适宜-凉湿-温暖偏干-冷干-寒冷略湿-变暖这样一个气候变迁过程.