大气氧化态活性氮循环与稳定同位素过程：问题与展望

大气中氧化态活性氮主要包括氮氧化物(NOX=NO+NO2)和硝酸等。NOX的循环过程会影响臭氧和羟基自由基的浓度,进而影响大气氧化能力。NOX的氧化终端产物硝酸是颗粒污染物的重要组成部分,其干湿沉降过程会对生态系统产生影响。氮稳定同位素(δ15N)在大气活性氮循环,示踪区域和全球活性氮排放、传输和沉降等研究方面都展现出了一定的潜力。回顾目前用δ15N研究NOX排放和大气活性氮循环的现状,从NOX的产生机制和收集分析方法等方面讨论NOX源δ15N数据的不确定性及原因,分析NOX和硝酸在大气转化和传输过程中氮同位素的分馏效应和影响等,最后讨论用δ15N示踪NOX排放的可能性和问题。虽然目前用δ15N量化示踪排放源还存在比较大的不确定性,但是δ15N可以有效地示踪大气活性氮循环和转化过程。在此基础上,有望利用大气化学传输模型,结合同位素观测数据和分馏机制,对区域和全球大气活性氮循环过程中的同位素效应进行综合评估,提高用δ15N研究大气氧化态活性氮来源以及循环的准确性和可靠性。     

城市高氮沉降下植物组织游离氨基酸的代谢响应

<正>全球活性氮的释放和大气氮沉降在最近几十年显著增强,中国加剧的氮沉降(近30年由13.2增加到21.1 kg N ha–1 year-1)主要来自于快速增长的能源消耗(机动车和燃煤)和农业、畜牧业发展(化肥、家畜)等。大气氮沉降主要包括气态、气溶胶及降水中的各种化合物,如氮氧化物、氨、硝酸盐和有机氮等。大气氮沉降是生态系统最重要的氮源之一,而大量的可利用活性氮使得水体系统富营养化以及陆地生态系统氮饱     

植物叶片氮同位素(δ15N)指示大气氮沉降的探讨

大气氮沉降的植物监测还未得到重视,尤其是氮同位素(δ15N)示踪技术的研究在国内基本还没有开展。大气中的氮能够被叶片吸收而成为植物生长的氮源使得叶片氮同位素可以用于指示大气氮沉降,但影响因素甚多其可靠性不确定。本文总结了大气氮沉降输入及其被叶片的吸收机制,进而探讨利用叶片氮同位素识别大气氮沉降存在的问题。此外,近年来的研究表明,苔藓氮同位素是指示和评价大气氮沉降的可靠工具,还探讨了苔藓氮同位素指示大气氮沉降的可行性和优势,目的在于促进从氮同位素的角度认识地表植物对大气氮的吸收,为深入开展植物氮同位素指示大气氮沉降的研究提供理论依据。     

大气有机氮沉降及其对海洋生态系统的影响

有机氮是大气中含氮物质的重要组成部分。大气中有机氮化合物的种类繁多,按其存在的形态可分为：氧化型、还原型以及生物/颗粒型有机氮,这些有机氮可来自自然源和人为源的直接释放,也可来自于无机氮与碳氢化合物间的大气化学反应。大气有机氮对海洋的输入不仅可以促进海洋初级生产力的增长、进而增加二氧化碳的吸收速率,还可能影响海洋生态系统的结构和功能。分析了海洋大气有机氮沉降的最新研究进展,结果表明：气溶胶中的有机氮在总氮中所占的比例为39.6%±14.7%;陆地雨水中以有机形式存在的溶解氮为30.2%±15.0%,而海洋上,溶解有机氮可达到雨水中总氮的62.8%±3.3%。可见,目前仅包括无机氮沉降的入海通量可能低估了1/3。因此,开展大气有机氮沉降的研究,有助于评价有机氮在全球氮循环中的作用,以及对海洋生态系统的短期和长期的影响。     

石生苔藓组织氮含量和氮同位素指示贵阳地区大气氮沉降与迁移的研究

利用苔藓组织氮含量和氮稳定同位素研究了贵阳市大气氮沉降的来源、沉降和迁移。结果表明,贵阳地区苔藓氮含量的变化特征很好地指示了区内大气氮沉降的空间变化。贵阳市区苔藓氮同位素与郊区或农村地区差异明显,区内城市与农村有不同的氮源。苔藓氮同位素从市区往外逐渐偏正(-8.87‰~-2.48‰),说明来自市区的铵在逐渐减少,而来自农村的铵的贡献逐渐增加。贵阳地区从市区往外苔藓氮含量随距离指数降低(y=1.5e-0.13x+1.26),而氮同位素随距离对数升高[y=2.54ln(x)-12.227],揭示了源自市区的大气铵(NHx)向周边的扩散迁移呈指数降低的变化规律。运用极限法求解苔藓氮含量和氮同位素组成随距离变化的函数,发现市区铵沉降的影响范围小于41 km,在17.2 km以外的地区,市区铵沉降低于背景农业铵沉降值。     

碳氮稳定同位素指示苔藓生境特征以及树冠对大气氮沉降的吸收

对贵阳地区一生境内不同生长条件(石生苔藓、无树冠、不同树冠类型以及同种树冠不同树冠厚度)下的细叶小羽藓(Haplocladium microphyllum(Hedw.)Broth)碳氮同位素进行了研究。不同生境的苔藓δ13C和δ15N值具有相似的变化趋势和明显的相关关系。石生苔藓δ13C和δ15N值比土生苔藓偏高指示了其相对干燥和受到干沉降控制的生境;树冠下方光照条件差、湿度高、缺少干沉降氮的输入是苔藓δ13C和δ15N值偏低的主要原因;而树冠类型、叶片形态、叶面性质造成树冠对大气沉降氮吸收能力的不同是三种树冠下方苔藓氮同位素组成差异的潜在因素。此外,同一树冠(桂花树Osmanthus fragrans Lour.)下方苔藓的氮含量和碳氮同位素平均组成与树冠厚度呈线性关系,尤其是δ15N的响应很好地反映了吸收过程中树冠厚度对大气沉降氮源同位素组成的控制作用。结果表明,苔藓δ13C值能很好地指示苔藓的生境差异和生理响应(如光合作用能力和氮需求等);而δ15N值在示踪氮源和反映不同树冠吸收过程的同位素分馏效应方面更具有优势,二者的相关关系是环境因素相互作用的重要线索。此外,细叶小羽藓Haplocladium microphyllum(Hedw.)Broth具有高效利用大气沉降氮和分布广泛等特点,可进一步应用于该地区大气氮沉降的指示或监测研究。     

大气沉降对海洋初级生产过程与氮循环的影响研究进展

大气沉降通过为海洋提供外源性氮、磷和铁等微量元素,可显著影响海洋氮、碳循环过程,并产生气候效应。一方面促进海洋初级生产和生物固氮,增强海洋吸收二氧化碳的能力;另一方面影响海洋氮、碳循环路径,增加海洋生物源气溶胶排放量,间接影响气候变化。由于大气沉降对海洋生态系统及气候变化的重要影响,相关科学问题已成为海洋科学与大气科学交叉研究的热点,被多个国际研究计划列为核心研究内容。在大气污染物排放持续增加与沙尘事件频发的背景下,大气沉降对我国东部陆架海(黄海、东海)及其邻近西北太平洋碳、氮循环过程的影响日趋增强,因此该海区已成为大气沉降及其气候影响研究的代表性海域。结合分子生物学和实验生态学手段理解大气沉降影响下的海洋初级生产过程,利用同位素示踪技术研究大气沉降对海洋氮循环的影响,以及获得大气沉降影响下海洋生物源气溶胶排放的观测证据将是未来研究的重点方向。     

高寒草甸区典型景观单元土壤养分空间变异性研究

应用GIS技术和地统计学空间内插法,对黄河源区达日县跨热洼尔玛流域高寒草甸小流域典型景观单元土壤有机质、全氮和全磷的空间分布特征进行了研究.结果表明: 高寒草甸土壤养分(全氮、有机质、全磷)最佳拟合模型为球状模型;在小流域尺度范围内,土壤养分空间变异性依次为: 全氮＞有机质＞全磷;其中高寒草甸土壤全氮含量具有强空间变异,块金系数(C0/(C0 C))为23.5%,有机质和全磷属于中等空间变异,其块金系数(C0/(C0 C))分别为35.9%、41.7%;全氮、有机质和全磷的有效变程分别为2 133 m、1 412 m和1 239 m.区域土壤养分影响因素分析显示: 不同植被覆盖下土壤有机质和养分的积累和平衡状况存在差异,其空间变异主要受海拔、地形、坡度、植被、根系分布状况等因素影响.     

大气环境氮同位素示踪及生物监测

大气中氮的转化、迁移和沉降等大气过程与地表氮的生物地球化学循环密切相关。氮同位素对大气氮源和氮的大气化学过程的定量研究已引起广泛关注。本文对大气不同氮源的同位素特征、氮在大气过程中的同位素分馏机制以及如何定量化大气氮过程的方法进行了简要阐述,并介绍了苔藓氮同位素作为一种新的研究手段在示踪大气氮源和大气氮过程等方面取得的新进展。对国内开展的有关大气氮同位素以及苔藓氮同位素方面的工作进行了重点介绍。     

中国煤炭和城市苔藓的氮同位素组成特征

中国城市大气污染主要是煤烟型污染,因此研究中国主要聚煤区煤炭的氮同位素组成对利用氮同位素技术示踪中国城市大气N污染的来源具有重要意义.苔藓的主要N源是大气沉降N,故苔藓的氮同位素组成能有效识别大气N源.     

云南省区域斜坡稳定性评价

应用GIS技术建立了云南省各类岩土体类型的容重、内聚力、内摩擦角等力学指标和地形参数的空间数据库,将研究区按1km×1km精度进行栅格剖分,基于Newmark斜坡稳定性计算模型和GIS技术分析工具,完成了云南省区域斜坡稳定性评价图的编制.     

近海营养盐和微量元素的大气沉降

受气候变化和人类活动的影响,传输和沉降到全球近海的大气污染物急剧增加.1997年后对近海营养盐和微量元素大气沉降的众多研究表明,通过大气沉降至近海的氮和磷分别为13～73 mmol N/(m2·a)和0.11～1.6 mmol P/(m2·a),微量元素的沉降通量具有显著的时空变化特征,在不同海区最高可相差3个数量级.对于很多近海包括东海(East China Sea)和黄海(Yellow Sea),大气沉降的营养盐和部分微量元素可能超出了其河流输入量.大气沉降除了对近海富营养化有重要贡献之外,其事件性特征可使初级生产力在短期内大幅度增加,从而影响赤潮发生.微量元素沉降还可能抑制某些藻类生长,对初级生产力和生态系统结构产生更为复杂的影响.未来研究重点是准确估算近海各物质的大气沉降通量,了解其对浮游植物生长的影响机制.     

3D GIS与有限元模拟无缝耦合方法及其在隧道工程中的应用研究

为实现数值模拟获得的各种场数据与GIS空间信息的综合集成,有必要对GIS中融合有限元数值计算的方法开展研究。本文采用GRASS GIS、VTK等开源软件,通过Python语言建立了GIS与有限元模拟的复合系统开发框架,针对隧道开挖编写了3DGIS与有限元数值计算无缝耦合分析程序(3DPyGisTFEM)。给出了由中心线上多条轮廓线生成隧道模型的算法,提出了对各地层DEM与隧道模型进行剖切运算获得隧道开挖地质剖面的方法。引入Delaunay网格剖分算法,对GIS中TIN模型不断改良,获得了适合有限元模拟的地质剖面三角形网格。基于多个剖面计算结果,运用插值手段,形成研究区域场数据,结合GIS空间分析方法,对场数据分布规律进行综合分析,实现了GIS与有限元的无缝耦合。黄家寨隧道工程实例表明,相对坡度、隧道中心线缓冲区等因素,地表距隧道拱顶高差的空间分布特征与地表沉降规律相关性更强。     

亚洲粉尘的源区分布、释放、输送、沉降与黄土堆积

根据亚洲粉尘关键区域(中国沙漠、黄土高原、青藏高原和中国历史降尘区)大气气溶胶中15～28种元素的浓度-粒度分布、沉降速率和通量分析,以及元素示踪系统的进一步解析,发现中国北方沙漠存在两个粉尘地-气交换较活跃区域,即中国西部沙漠和北部沙漠高粉尘区,且证明这两个区域及其邻区是亚洲粉尘和黄土高原黄土主要源区的中心区域;通过对5个亚太区域粉尘沉降量的模式估算,得出亚洲粉尘释放总量每年约为800Tg,约相当于全球沙漠排放总量的一半;粉尘与黄土的对比表明,亚洲粉尘区域尺度输送受季风环流控制,但间冰期时并不取决于尘暴过程,而全球尺度输送主要由高空西风完成,无论冰期、间冰期均受尘暴过程控制;粉尘通量的结果表明干沉降是粉尘在黄土区沉降的主要过程,且晚第四纪粉尘沉积的再改造份额不超过其沉积总量的10%;元素示踪系统应用于风成黄土,发现在间冰期北部沙漠源区输出的粉尘量增加,而在冰期西部源区输出的粉尘量增加.这种晚第四纪亚洲粉尘“源区摆动”的快速变化其实是全球千年尺度气候变化的一环,并可视为过去北半球大气环流长期变化的代用序列.     

基于苔藓氮含量和氮同位素的太白山大气氮沉降研究

利用石生苔藓氮含量和氮同位素研究太白山地区大气氮沉降量及来源。对太白山不同海拔高度上石生苔藓样品氮含量(ω(TN))和氮同位素值(δ15N)进行分析,并对南北坡数据进行比较。南坡苔藓ω(TN)与海拔高度(Laltitude)的关系为ω(TN)=5.23-3.00×10-4Laltitude(R2=0.05),北坡为ω(TN)=3.48-3.00×10-4Laltitude(R2=0.14);南北坡苔藓ω(TN)随海拔高度变化规律不明显;根据前人经验估算出南坡大气氮沉降量最大值和最小值分别为122.11、48.07kg/(hm2·a),平均值为70.57 kg/(hm2·a);北坡大气氮沉降量最大值和最小值分别为61.66、21.72 kg/(hm2·a),平均值为39.03 kg/(hm2·a);南坡苔藓δ15N主要集中在-6‰~-2‰,北坡苔藓δ15N主要集中在-5‰~-1‰,太白山地区主要氮源为农业或土壤氮的自然释放。     

137Cs测年的东北兴凯湖现代沉积速率研究

对兴凯湖我国水域沉积物137Cs比活度及通量空间分布进行了研究,利用137Cs测年法建立年代框架,估算了兴凯湖的沉积速率,结合粒度C-M图分析了湖泊现代沉积环境。兴凯湖我国水域西岸白棱河河口区域137Cs剖面形态区别于典型的137Cs全球大气沉降模式,且137Cs沉积通量高、平均137Cs活度高,中部和东部区域137Cs沉积通量低、平均137Cs活度低;137Cs沉积通量的空间分布主要受流域输入、水动力条件以及沉积物粒径的影响。兴凯湖沉积环境多表现为静水沉积,受特殊的风浪条件和泄洪闸等人类活动的影响,1963—2019年平均沉积速率空间分布上呈现西部高,中、东部低的特点,XKH-1、XKH-2和XKH-3柱样1963—2019年的平均沉积速率分别为0.143 cm/a、0.080 cm/a和0.036 cm/a。     

贵阳地区主要大气氮源的沉降机制与分布：基于石生苔藓氮含量和氮同位素的证据

对贵阳市区到农村地区4个方向的175个石生苔藓样品氮含量和氮同位素(δ15N)进行了分析.苔藓δ15N表明贵阳地区大气氮沉降以铵沉降为主,主要来源为城市废水氨释放以及农村地区的农业氨挥发.苔藓氮含量从市区往外随距离呈指数降低,而δ15N随距离对数升高,揭示了城市来源的铵沉降随距离指数降低,该变化模式与其他点源氨的沉降分布以及点源氨附近苔藓氮含量的变化规律相同.因此,贵阳市区可以看成整个研究区的一个点状氨源.不同方向苔藓氮含量和δ15N随距离的变化梯度存在差异,表明城市铵向周边不同方向的扩散迁移具有非均一性,其原因可能与地形条件、植被状况、风向、城市化程度等有关.苔藓δ15N平均值在15 km以外没有明显差异,反映了农业面源氨的影响.此外,运用极限法计算,苔藓氮含量随距离的变化关系(y=1.5e-o.13x 1.26)表明城市铵的影响范围总体小于41 km,而苔藓δ15N的变化(Y=2.54lnx-12.23)反映了在17.2 km以内的地区,大气氮沉降以城市铵为主,17.2 km以外的地区主要受农业铵沉降的控制.本研究为城市氮沉降的变化提供了新的证据,促进了苔藓氮含量和δ15N方法研究大气氮沉降从定性向定量的发展.     

贵阳地区主要大气氮源的石生苔藓δ15N记录

化学氮肥和化石燃料的消耗量的急剧增加,导致过量的活性氮向大气系统迁移,最终引起大气氮沉降出现全球性和持续性的上升,地理分布不断扩大.     

大气校正方法及其在高光谱影像Hyperion中的应用

利用遥感影像反演地物反射率,大气校正必不可少。对于高光谱影像,其信噪比与多波段遥感影像相比非常低,消除大气的影响显得尤为重要。在大气辐射传输模型Modtran4.0基础上,给出了一种直接、有效的大气校正参数计算方法。结合MODIS/TERRA大气温湿度廓线产品,使用此方法计算了高光谱影像Hyperion大气校正参数,并用于Hyperion影像的部分波段的反射率反演,与卫星过境时地面同步实测的典型地物反射率以及高光谱大气校正软件ACORN的计算结果进行比较,获得了比较好的结果。研究表明,大气辐射传输模型和卫星遥感大气参数产品相结合用于遥感影像的大气校正是可行的。     

GIS空间分析在成矿预测中的应用——以西天山为例

GIS作为一种先进技术,以其强大的制图和空间分析功能,在地学领域中得到了广泛应用.以成矿预测理论为基础,用GIS空间分析进行成矿预测并分为三步加以阐述:数据的采集与建库、GIS成矿预测空间模型的建立、预测靶区的圈定,重点介绍了建立成矿预测空间模型中的地质异常与找矿有利度分析.对西天山北部金、铜矿点进行了空间分析,探讨了在GIS平台上开展区域成矿规律及成矿预测研究的方法.