淡水磷酸盐氧同位素前处理方法的优化

磷是地表水体中的关键性营养盐,在水生生态系统的物质循环与能量流动方面发挥着重要作用,研究水体中磷的来源、转化与归趋对于了解水环境的演变过程与科学保护具有重要意义.近年来,磷酸盐氧同位素(δ18 O P)技术已逐渐应用于淡水环境中磷的来源示踪与生物地球化学循环研究,其样品前处理主要沿用海水方法体系.相比而言,淡水样品中PO 3-4浓度通常较低,有机质和干扰离子含量却较高,复杂的样品前处理过程极大地制约了δ18 O P分析在淡水环境体系的广泛应用.为此,本研究针对现有海水样品δ18 O P前处理方法在地表淡水环境的适用性加以检验,并进行了三点优化改进:①将MAGIC沉淀步骤使用的MgCl 2替换为Mg(NO 3)2,避免了Cl-的干扰,减少AgCl杂质的生成;②调节生成Ag3PO4溶液pH值为8.0,保证Ag3PO4沉淀快速完全;③对Ag3PO4沉淀过程采用避光处理,降低了AgNO 3及Ag3PO4可能的光解影响,提高了Ag3PO4的纯度,使δ18 O P的测试结果更为准确.本改进方法为后续利用δ18 O P技术深入探究淡水环境中磷的生物地球化学循环与生态环境效应提供了有益的方法借鉴.     

变化海洋中的甲烷气候临爆点潜力及生成悖论

在世纪时间尺度上,甲烷的全球增温潜势大约是二氧化碳的30倍.甲烷排放被认为导致了地球史上多次全球气候变化事件的发生和大规模的物种灭绝现象.因此,研究甲烷生成过程对于理解全球气候变化至关重要.长期以来一直认为,海洋中可检测到的生源甲烷完全是由低氧和无氧环境中产甲烷古菌的厌氧代谢活动产生的.但是,有众多研究报道显示,全球海洋范围内的许多含氧表面水体和近表水体中的甲烷是过饱和的,由此造成向大气甲烷净排放.含氧海水生成甲烷的现象被称为"海洋甲烷悖论".尽管该悖论仍未完全得到解决,但是最近的研究已经提出了一些有关含氧海水中甲烷生成的科学假说.文章将对甲烷在全球气候中的重要性的理解进行总结,并分析含氧海水环境中甲烷生成的生物过程及其机理.此外,我们将初步探讨相关微生物代谢过程与气候及海洋环境的全球性变化之间的关系.     

土壤微生物碳泵储碳机制概论

土壤有机碳储量高于大气和陆地植被碳的总和,是一个巨大的陆地碳库.土壤碳库收支的微小波动势必影响区域碳通量和全球气候变化.土壤有机碳是土壤储碳机制的核心要素,探究土壤有机碳的组成、来源和稳定性机制是深入认识陆地碳汇功能和应对气候变化的关键.近年来提出的土壤微生物碳泵(microbial carbon pump,MCP)概念强调了土壤微生物同化合成产物是土壤稳定有机碳库的重要贡献者,其概念体系可以较好地阐释土壤有机碳的来源、形成与截获过程.本文以微生物介导的土壤有机碳转化过程为主线,详细阐述了土壤MCP介导的储碳机制及其影响因素,并展望了该机制驱动下可给予关注的代表性科学问题.     

海洋微型生物碳泵储碳机制及气候效应

海洋中存在一个巨大的惰性溶解有机碳(RDOC)库,可与大气CO2碳量相媲美.两个碳库之间的交换势必影响气候变化.RDOC可在海洋中保存数千年,构成了海洋储碳的重要机制.探寻RDOC碳库形成机制是认识海洋如何储碳的关键.新近提出的"海洋微型生物碳泵(Microbial Carbon Pump,MCP)"理论指出,海洋微型生物是RDOC碳库的主要贡献者.本文从MCP的主动机制和被动机制及其环境调控出发,论述了海洋RDOC的组成与生物来源,RDOC组分的微型生物代谢途径,病毒的裂解过程以及浮游动物活动对RDOC生产的贡献,不同类群微型生物有机碳代谢特征及其生物标记物与碳氢同位素表征,以及MCP的能量代谢特征与储碳效率,并结合MCP储碳的地史证据展望了MCP在增加海洋储碳能力方面的应用前景.     

东亚季风增强加剧中国南部富Mg上地壳化学风化及其全球意义

渐新世-中新世之交的亚洲气候重组伴随着东亚季风北向推进到中国亚热带地区是一个重要的大气CO_2消耗过程,但是目前对该过程知之甚少.本研究近似计算了这次气候重组通过加强中国亚热带地区硅酸盐化学风化和有机碳埋藏导致的大气CO_2消耗.依据侵蚀通量的重建结果,晚渐新世以来硅酸盐风化导致的长期大气CO_2消耗为0.06×10~(12)～0.87×10~(12)mol a~(-1),并且其中约50%的贡献来自于Mg硅酸盐风化.有机碳埋藏导致的大气CO_2消耗约为同时期硅酸盐风化的25%.本研究强调了中国东部富Mg上部大陆地壳风化对于晚渐新世全球大气CO_2含量下降和新近纪海水Mg含量增加的显著影响.如果这次气候转型主要与青藏高原隆升有关,那么本研究揭示了喜马拉雅-青藏高原的生长通过改变构造欠活跃的东亚地区水循环格局间接调控全球碳和镁循环.     

中国近海养殖环境碳汇形成过程与机制

中国是世界上海水养殖规模最大的国家,通过开展近海养殖增加海洋碳汇(亦称蓝碳)是应对全球气候变化和促进低碳发展的一条新的科学途径.蓝碳是"蓝色粮仓"建设的重要内容之一,通过提高贝藻等的养殖产量,增加可移出的碳汇,是近海蓝碳开发的一部分.而微型生物蓝碳、溶解有机碳(主要指惰性溶解有机碳)、颗粒碳的沉积等都是养殖碳汇的重要组成部分,是以往被遗漏的碳汇部分.从不同角度全面揭示近海养殖环境的碳汇形成过程与机制,科学评估近海养殖碳汇功能,不仅可为渔业经济可持续发展和生态文明建设提供重要的理论与技术支撑,并可能在未来碳市场中创造新的经济价值.     

如何提高天气预报和气候预测的技巧？

从理论上探讨如何提高天气预报和气候预测的技巧.气候包括以小时为基本单位的昼夜循环、以日为基本单位的年(季节)循环、年代际循环和世纪循环等时间尺度的变化.这些气候变化存在确定的外强迫,是可以被认识和预报的.相对气候昼夜循环和年(季节)循环的偏差是天气尺度扰动.天气尺度的瞬变大气扰动可引发极端天气事件.有技巧的天气预报正是要通过天气尺度大气扰动信号,提前几天甚至十几天,预报出极端天气事件的发生.相对气候年代际和世纪循环的偏差是气候异常,有技巧的气候预测正是要预报出这种异常.距平天气图会大大提高短期和中期—延伸期天气预报的技巧,距平数值预报模式的研制也会加快提高中期—延伸期天气预报和气候预测的技巧.     

紫阳黄柏树湾和竹山文峪河毒重石矿床碳、氧及硼同位素研究

紫阳黄柏树湾毒重石矿床和竹山文峪河毒重石-重晶石矿床呈层状或似层状产于下寒武统下部的硅质岩中, 矿体受岩性和岩相控制明显. 矿床中毒重石、钡解石和方解石的硼同位素及碳、氧同位素研究结果表明, 形成这些矿物的碳主要来自沉积物中的生物有机质在早期成岩阶段经降解、缩合及脱羧基作用所形成的烃类物质或生物气; 而硼主要为孔隙水中硼与有机质降解过程中所释放的硼的混合, 少部分硼来自盆地深部循环热卤水. 硼同位素及碳、氧同位素研究结果一致表明, 毒重石沉淀于早期成岩阶段富含有机碳的孔隙水介质中. 毒重石矿石中广泛发育的生屑及粒屑结构说明生物作用通过生物成因重晶石(Bio-barite)的形式将海水中的Ba²⁺浓集并沉降于海底, 形成钡矿床的初始富集体. 海水中生物作用和沉积物的早期成岩作用是形成本区毒重石矿床的主要成矿机制.     

热带对流热量与水汽收支的数值模拟研究

应用二维云分辨模式,数值研究了热带地区的对流活动,并诊断了热量和水汽的收支,发现在垂直温度平流和凝结潜热释放之间、垂直水汽平流和降水之间都维持着大体平衡,推断出质量加权平均温度及可降水分的局地变化分别由热量及水汽方程中的剩余项决定.机制研究表明,深对流与浅对流在热量及水汽循环中存在较大差异,深对流中水汽的凝结及潜热释放起着主导作用,而大尺度垂直平流的加湿和冷却在浅对流中发挥主导作用.最后讨论了对流触发后热量及水汽循环的调整机制.     

海岸带蓝碳研究及其展望

海岸带蓝碳是海洋碳汇的重要组成部分,在应对全球气候变化中具有十分重要的作用.通过系统调研,综述了海岸带蓝碳的组成、碳通量及其影响因素.针对海岸带蓝碳组成,重点阐述了红树林、盐沼和海草床这三种海岸带地区最具固碳效率生态系统的有机碳捕获与埋藏特征.在此基础上,从海岸带地区的水-气、土-气、地下水(孔隙水)向上交换的垂直界面,以及河口-(潮滩)湿地-近海的陆海水平界面两个维度分析了海岸带系统中不同形态碳的交换、输送过程及其通量,探讨了海岸带碳库收支对全球碳循环的影响.同时,结合海岸带人类活动特点以及对气候变化的响应规律,提出当前中国海岸带地区的蓝碳和碳汇功能正在经受着新一轮沿海土地开发、流域筑坝建库、近海富营养化及海平面上升等系列复杂因素的剧烈作用.因此,要充分结合中国海岸带地区的自然与社会属性特点,以陆海统筹为指导,进一步深化海岸带蓝碳研究,提高对不同区域及海岸带类型的固碳效率、碳库总量和生物地球化学循环过程的认识,建立和完善固碳增汇技术体系,构建海岸带蓝碳系统的综合观测网络与管理平台,服务于中国海岸带地区的蓝碳保护和生态文明建设.     

21世纪中国陆地生态系统与大气碳交换的预测研究

利用大气-植被相互作用模型（AVIM2）模拟研究了中国陆地生态系统碳贮量的变化和与大气的碳交换,即生态系统的净初级生产力（NPP）、植被和土壤碳贮量、土壤呼吸和净生态系统生产力（NEP）对SRES B2气候变化情景和大气CO2浓度变化情景的响应。研究表明,未来100a大气CO2浓度不变而只考虑气候变化情景时,中国陆地生态系统NPP总量随时间变化逐渐下降;与此同时,植被和土壤碳总量以及NEP总量也下降。至2020年,中国陆地生态系统由21世纪初的碳汇变成碳源。在同时考虑未来气候变化和大气二氧化碳浓度增加的情景下,未来100a中国陆地生态系统NPP总量持续增长,由20世纪末的2.94Gt C·a^-1增加到21世纪末的3.99Gt C·a^-1,同时土壤和植被碳贮量也持续增加,到21世纪末总量增大到110.3Gt C.NEP总量在21世纪初期和中期保持上升趋势,大约在2050年达到最大值,之后逐渐下降,到21世纪末接近于零。     

火星沙尘暴及其与大气波动的相互作用

火星上的气候跟地球有着重要的相似之处,两者的比较研究对于我们更好地了解地球大气历史和未来的演化具有重要意义.火星地表和大气中的沙尘及沙循环是火星气候系统中极为重要的一环,而沙尘暴是火星沙循环中最重要的动力学过程.基于已有的火星沙尘暴和大气波动的研究结果,我们对火星沙尘暴的发生时间和空间尺度以及季节演化进行了归纳;并对火...     

全球变化背景下的植物物候模型研究进展与展望

植物物候学是研究自然界的植物(包括农作物)和环境条件(气候、水文、土壤等条件)的周期性变化之间相互关系的科学.植物物候不仅通过物种间的物候适应度差异影响生态系统结构和功能,还可以通过改变植被冠层与近地面大气之间的碳、水和能量交换影响局地天气和气候系统.因此,准确模拟植物物候期对于理解生态系统对气候变化的响应,以及模拟陆地生态系统碳、水和能量平衡具有重要的意义.全球变化背景下物候学研究取得蓬勃发展,但物候模型研究相对滞后.物候模型模拟结果的不准确,已成为全球陆面模式模拟陆地生态系统碳、水循环准确性的重要限制因素.基于新的实验手段,明确物候响应气候变化机制,构建基于过程的植物物候模型,已成为全球变化生态学领域重要的前沿问题.文章首先综述了不同环境因子对植物物候的影响,回顾了植物模型发展历史,指出了气候变化背景下的植物物候模型所面临的挑战,探讨了结合机器学习和贝叶斯等数学方法的物候模型优化思路,以提高物候模型在全球变化背景下物候模拟和预测的准确性.     

鄱阳湖夏季水热通量特征及环境要素影响分析

气候变化加速了全球水文循环过程,然而,气候变化如何影响水体蒸发及其水热通量交换仍然不清楚.基于涡度相关系统观测鄱阳湖水体水热通量过程,在小时和日尺度分析了水热通量的变化规律及其主要影响因子.研究表明,潜热通量日变化波动剧烈,大部分为正值,变化范围在-50~580 W/m2之间.而感热通量数值较小,变化范围在-50~50 W/m2之间.8月份潜热通量和感热通量均呈波动下降趋势,均值分别为167.4和15.9 W/m2.8月份日平均潜热通量和感热通量之和大于净辐射,这是由于这一时段储存在水体中的热量释放并补充潜热通量和感热通量.小时尺度上潜热通量日变化在相位上与净辐射无显著相关性,而与风速显著相关.在日尺度变化趋势上,8月份日平均潜热通量仍主要受到风速和水温的影响,感热通量则主要受到风速和饱和水汽压差的影响.     

北冰洋考察区海-气CO2的分布特征和通量研究

利用中国首次北极科学考察中走航观测所获得的北冰洋考察区海-气CO2分压及相关资料, 分析研究了考察区夏季大气和表层海水中CO2分压的分布特征, 首次用实测的海-气CO2资料于多种方法估算了考察区夏季海-气CO2的通量. 结果表明考察区夏季大气中CO2分压(Pa)的测值范围在(352～370)×10-6 CO2@Air-1(单位下同)之间, 平均为358, 平面上具有波因特来的北部海域较高, 其余海域分布较均匀的分布特征; 夏季表层海水中CO2分压(Pw)测值在98～580之间, 极值之差竟达472, 平均值为242, 比相应的分压(Pa)低 116, 呈现西低东高、北低南高的平面分布特征, 并与研究区浮游生物、冰况、水温和环流状况有密切关系. 估算结果表明, 各种计算方法所估算出的碳通量F的平面分布趋势相似, 除考察区东部海域为大气CO2的弱源区外, 大部分海域都为大气CO2的汇区或强汇区, 但它们的值却有较大差异, 平均值在6.57(Liss法)至26.32 mg CO2@m-2@h-1(14C法)之间, 最大与最小值之间相差约4倍, 大约分别是全球平均值的2～10倍; 若以Wannikhof系数估算, 本海域的平均碳通量则是Takahashi, Feely等人在本海域模拟估算值的2倍左右.     

碳同位素地层学——一种古环境变化的监测器早白垩世以来的环境状况研究

今天人类活动引起的全球碳循环的扰动,已经掀起人们对全球碳循环的历史及其与气候和其它地球化学旋回的关系的新的兴趣。碳同位素地层学作为近两亿年来碳循环历史的监测器,已被证明是最有效的。在本文的引言里,总结了全球碳循环的运行模型,并证明了碳循环及碳同位素地球化学之间的联系。提出了阿普弟阶至阿尔布阶(Aptian-Albian)期间全球碳循环扰动的情况。在深海沉积的碳同位素地层研究中,记录了持续达数百万年的碳循环扰动。它叠加在高频沉积旋回之上,后者与持续时间为二万年、四万年和十万年的气候及海洋循环有关。本文论述的资料表明,全球碳系统的变化与地球化学循环的全球加速变化有关,后者是由大气中CO_2的长期变化引起的,而海底沉积的速率和火山活动则控制着大气中CO_2的变化。     

俯冲带地球深部碳循环作用

在地球深部和大气圈之间的碳循环(即深部碳循环)作用对于全球气候的长期和短期变化都具有非常重要的影响.碳可以通过多种方式和途径从地球深部进入大气圈,但从地表返回地球深部的途径主要是板块俯冲作用.由于碳存在形式的多样性和碳酸盐特殊的物理和化学性质,俯冲带中碳及含碳矿物的物理化学行为会显著地影响俯冲带动力学、氧逸度结构以及壳-幔作用过程中其他元素的活化迁移.因此,俯冲带碳循环不仅是调节大气CO_2浓度、影响全球气候变化和维持地球宜居性的重要因素,同时也是影响地幔物理化学性质和不均一性的关键因素.本文从俯冲带碳循环的观察和示踪、俯冲带碳的迁移与变化、俯冲带碳循环通量以及俯冲带碳循环的效应等四个方面对俯冲带碳循环的研究现状和需要深入研究的科学问题进行阐述.     

北冰洋夏季开阔洋面和浮冰近地层热量平衡参数的观测估算

利用中国北极科学考察队在北冰洋浮冰站和“雪龙号”考察船获得的大气边界层观测资料, 采用涡旋相关法和廓线法对1999年8月19~24日北冰洋浮冰和开阔水面近地层的热量平衡参数进行了估算. 结果表明, 冰面的净辐射仅为开阔海面的8%, 主要消耗于感热输送和融化, 冰面损失的热量超过了吸收的净辐射, 并由冰的深层热传导来补偿, 潜热通量对冰面热平衡的贡献较小. 开阔海面吸收的净辐射主要以潜热和感热向大气输送, 分别占52%和25%, 剩余部分向深层水体传导. 观测事实说明北冰洋夏季开阔海面/大气和冰面/大气之间的热量交换过程有显著差异, 开阔洋面有大量的水汽向大气输送, 这对研究北冰洋地区海/冰/气相互作用对气候过程的影响是十分重要的.     

海底天然气水合物中甲烷逸出对全球气候的影响

全球气候变化会降低海底天然气水合物的稳定性导致水舍物失稳分解,反过来天然气水合物分解释放出的大量甲烷气,又会对全球气候变化产生巨大的影响,地质历史上许多重大地质事件(如LPTM事件)都可能与天然气水合物的分解释气作用有关．除了地质历史上强烈的甲烷突然释放事件,现代海底的渗漏或喷口也连续不断地向海水甚至大气输入甲烷,从而影响着全球气候变化．由于天然气水合物中甲烷逸出对全球气候影响的研究刚刚起步,还缺乏海洋沉积物和海水中甲烷传输的恰当模式,甲烷在海水中的溶解度、甲烷的氧化作用及上升流等因素对其的影响程度,以及它对大气甲炕和二氧化碳浓度变化的具体贡献等目前还很不清楚,亟需深化研究．     

中亚东部晚全新世水文气候变化及可能成因

中亚东部水文气候变化对中纬大气环流非常敏感.为了查明该地区水文气候的长期变化及其与大气环流的关系,文章利用位于中天山深水湖泊——赛里木湖钻孔岩芯,在137Cs、210Pb和AMS14C定年基础上,对湖泊岩芯有机碳、有机氮、碳/氮比、碳酸盐含量和粒度等多指标进行了分析,重建了晚全新世以来该地区水文气候变化历史.结果显示,晚全新世以来共发生了4次降水显著增加时期(4000~3780、3590~3210、2800~2160和890~280cal a BP)和1次降水微弱增加时期(1700~1370cal a BP),这与中亚东部地区已有的降水/湿度记录相吻合,表明晚全新世以来该地区具有相似的水文气候变化模式.太阳活动减弱以及整个环北大西洋地区大气环流南移,特别是中纬西风主要路径的南移,可能是中亚东部地区晚全新世水文气候变化的最主要原因.此外,赛里木湖研究结果还揭示了该地区最近100年降水显著增加,但中亚地区未来水文气候如何变化仍需更多不同载体的深入研究.