地下水NO3-氮与氧同位素研究进展

人为活动通常是地下水硝酸盐污染的主要原因.不同来源的NO3-具有不同的氮、氧同位素组成,利用地下水NO3-中的δ15N和δ18O值可有效识别地下水硝酸盐污染的来源.引起地下水中NO3-含量显著减少的不同物理、化学和生物过程,所产生的氮、氧同位素分馏效应有明显差别.地下水系统中反硝化作用发生时,NO3-中氮和氧同位素分馏系数呈一定比例.因此NO3-中δ15N和δ18O值也是示踪地下水硝酸盐循环,尤其是反硝化作用的有效手段.利用NO3-中氮和氧双同位素,并与其他环境同位素及化学分析技术相结合,示踪NO3-来源及其循环是地下水硝酸盐污染研究的重要方向之一.综述了利用地下水硝酸盐中氮和氧同位素识别NO3-污染源与循环的研究进展,简述了近年迅速发展的阴离子交换树脂取样法,概述了此方面研究存在的主要问题,并展望了今后的研究方向.     

青木关岩溶地下水系统硝酸盐污染研究进展及展望

人为活动通常是地下水硝酸盐污染的主要原因。不同来源的NO3-具有不同的氮同位素组成,利用地下水NO3-中的δ15N值可有效识别地下水硝酸盐污染的来源。以重庆青木关岩溶地下河为例,综述了利用地下水硝酸盐中氮同位素识别NO3-污染源与循环的研究进展,简述了近年迅速发展的阴离子交换树脂取样法,概述了此方面研究存在的主要问题,并展望了今后的研究方向。     

桂林甑皮岩岩溶地下水硝酸盐来源与转化

峰林平原是人类活动和居住的密集区，也是岩溶地下水系统的主要径流、排泄地段，地下水资源丰富。随着城市化的发展，地下水硝酸盐污染问题日渐突出。为研究桂林甑皮岩岩溶地下水硝酸盐来源与转化，分别于2018年10月、2019年2月、3月和4月采集地下水样，利用常规水化学及氮氧同位素技术识别硝酸盐来源与转化。结果表明:甑皮岩地下水中NO3-浓度在0~19.523 mg?L-1，δ15N-NO3-和δ18O-NO3-分别在-0.17‰～45.12‰和-5.82‰~16.47‰。硝酸盐氮氧同位素数据表明，甑皮岩地下水硝酸盐来源主要为粪便及污废水，少量来自降雨中的NH4+和土壤有机氮。受岩溶介质不均一性的控制，甑皮岩地下水中NO3-浓度、δ15N-NO3-和δ18O-NO3-均表现出明显的空间变异性。甑皮岩地下水硝酸盐的转化过程复杂，受控于季节和岩溶介质不均一性，表现为旱季以反硝化为主，雨季则以硝化过程为主。厘清硝酸盐来源与转化为治理甑皮岩地下水硝酸盐污染提供一定的科学依据。      

地下水NO3^-氮与氧同位素研究进展

人为活动通常是地下水硝酸盐污染的主要原因。不同来源的NO3^-具有不同的氮、氧同位素组成,利用地下水NO3^-中的δ15N和δ18O值可有效识别地下水硝酸盐污染的来源。引起地下水中NO3^-含量显著减少的不同物理、化学和生物过程,所产生的氮、氧同位素分馏效应有明显差别。地下水系统中反硝化作用发生时,NO3^-中氮和氧同位素分馏系数呈一定比例。因此NO3^-中δ15N和δ18O值也是示踪地下水硝酸盐循环,尤其是反硝化作用的有效手段。利用NO3^-中氮和氧双同位素,并与其他环境同位素及化学分析技术相结合,示踪NO3^-来源及其循环是地下水硝酸盐污染研究的重要方向之一。综述了利用地下水硝酸盐中氮和氧同位素识别NO3^-污染源与循环的研究进展,简述了近年迅速发展的阴离子交换树脂取样法,概述了此方面研究存在的主要问题,并展望了今后的研究方向。     

氮同位素技术的应用:土壤有机氮作为地下水硝酸盐污染源的条件分析

在土壤排水良好、氧化的地下水环境中,地下水的氮同位素组成反映了源的特征。当地下水硝酸盐的δ15N值在+4‰～+9‰范围内时,这个值域指示地下水硝酸盐污染源是土壤有机氮或化肥与粪便的混合。通过分析对比前人研究资料,地下水中硝酸盐是否来自土壤有机氮的转化,其前提条件是研究区土壤有机氮是否丰富,特别是包气带中是否积累了大量有机氮转化的NO3-,并以石家庄市地下水硝酸盐污染为例,说明了这种条件分析在氮同位素技术应用时的重要性。通过包气带岩性、有机质和NO3-含量分析、施肥区与未施肥区灌水试验对比,土壤有机氮不是石家庄市地下水NO3-的一个主要污染源。当地下水硝酸盐低浓度时(1991),85.7%的样品NO3-的δ15N值在+6.1‰～+8.4‰范围内,指示污染源主要为化肥与粪便的混合,而当现今的高浓度时,样品硝酸盐的δ15N均值(+9.9‰±4.4‰)大于+8‰和超过半数(65%)样品的δ15N值大于+8‰,指示污染源主要是粪便或含粪便的污水。     

地下水硝酸盐污染的同位素研究进展

土壤原生氮、无机化肥和动物粪便等氮源中15N富集程度存在差异,使得利用稳定同位素N(δ15N/14N)能有效识别地下水中NO3-的来源。但N不是一个稳定的示踪剂,地下水中NO3-的δ15N是N源的初始δ15N值、后期进入含水层的迁移路径中和地下水流运动途径中不同形态的N之间相互转化过程,如矿化、吸附、硝化和反硝化作用,发生的同位素分馏作用后的综合反映。利用地下水中NO3-的δ15N确定其来源必须首先确定分馏作用是否发生及其反应程度。本文重点探讨了判断分馏作用是否发生及其反应程度的方法,总结了N同位素判别地下水NO3-污染源方法的发展历程,并指出未来研究工作应该以硝酸盐在包气带中的迁移转化规律为重点。     

城市地下水硝酸盐污染及其成因分析——以珠海香洲区为例

为判断华南地区典型城市地下水硝酸盐污染源,采集珠海市香洲城区及周边地区地下水样,并测定NO3-、NH4+、NO2-、PO43-、1δ5N-NO3-以及EC、pH值等。结果显示:在城市区地下水大多数样品中,NO3-是主要的无机氮形态。近40%的水样超过世界卫生组织饮用水标准(NO3--N≤10mg/l),部分井水有NO2-检出,整体污染较为严重。地下水硝酸盐1δ5N落在6.879‰~26.144‰范围内,而生活污水及化粪池泄漏是地下水NO3--N主要污染源。反硝化作用可能是导致雨季地下水1δ5N值升高的重要因素。另外,稀释、混合等作用可能是导致地下水NO3-浓度季节变化复杂的原因。     

利用氮氧同位素研究桂林寨底地下河硝酸盐来源

工农业生产的迅速发展使地下水硝酸盐氮(NO3-—N)污染成为世界性的环境问题。地下水中硝酸盐的来源研究在水文地质结构特殊的西南岩溶地区就显得尤为重要。稳定氮同位素和氧同位素在地下水硝酸盐的来源示踪研究中有着广泛的应用。本研究选取岩溶地区典型地下河——广西桂林寨底地下河为研究对象,通过氮氧同位素数据,判断寨底地下河硝酸盐来源是以动物粪便为主的农家肥,为该区地下水的保护和利用提供科学依据。     

东阿水文地质单元地下水硝酸盐污染来源的同位素分析

针对近年来地下水硝酸盐污染日益严重的现象,本文运用氮同位素技术对位于典型农业区的东阿水文地质单元地下水氮污染来源进行了研究,结果表明:浅层地下水监测点的NO3-含量较高,平均含量为27.77 mg·L-1 ,δ15N 为7.8‰~12‰,反映了浅层地下水主要受到生活污水或粪便的污染;深层地下水（岩溶水）中NO3- 含量相对较低,平均含量为12.81 mg·L-1,δ15N为7.2‰~14.3‰,同样指示为生活污水或粪便污染,与补给区人为干扰密切相关。部分监测点地下水质量较差,建议研究区内使用高效的灌溉技术及科学的施肥方式,补给区附近的家禽养殖场可通过修建发酵池和改善饲料配方等方式,从源头上降低地下水硝酸盐的输入量。      

聊城市城郊浅层地下水硝酸盐污染源解析

为准确探究聊城市城郊浅层地下水硝酸盐污染来源,通过分析聊城市城郊区域25个监测点地下水硝酸盐含量,运用氮、氧双同位素追溯地下水硝酸盐污染来源,运用物质平衡混合模型计算各种源的贡献率。结果表明:(1)聊城市城郊的地下水硝酸盐含量介于3.96～38.88mg/L,52%的监测点硝酸盐浓度超过《生活饮用水卫生标准》中Ⅲ类水20mg/L的上限值;(2)聊城市城郊地下水中δ~(15)N-NO_3~-介于-11.3‰～3.9‰之间,δ~(18)O值介于-5.2‰～25.8‰之间,表明地下水硝酸盐污染与农业施肥密切相关,其主要来源为化肥中的NH_4~+和NO_3~-,其次为土壤中N的矿化作用;(3)通过物质平衡混合模型计算,化肥中的NH_4~+对硝酸盐污染的贡献率为82%,化肥中的NO_3~-贡献率为12%,土壤中N矿化作用贡献率为5%;(4)建议加强区域的的化肥施用管理和市政自来水管道建设,区域居民选择饮用市政供水。     

南秦岭下地壳组成及岩石圈的拆离俯冲作用

根据新提供的Pb同位素组成及岩石地球化学研究成果，本文进一步证实了位于北秦岭北界的明港地区发育的早中生代安山玄武质火山角砾岩岩筒所携带的下地壳捕虏体属于南秦岭。所恢复的南秦岭下地壳剖面自下而上为：底侵成因的变辉长岩-基性麻粒岩(其中含有榴辉岩及辉石岩的透镜体)-酸性麻粒岩。秦岭造山带总体的岩石因模型为：南秦岭(扬子块体)向北拆离俯冲，北秦岭地壳向华北仰冲，华北岩石因呈楔状插入秦岭造山带，拆离面约在中、下地壳之间。南秦岭俯冲岩片延伸的范围在平面上有可能达到400km。     

青藏高原综合观测研究站的回顾与展望

中国科学院青藏高原综合观测研究站从１９８８年建站到１９９８年以来,在各个方面均取得了长足的发展,横向生产性项目的开展和完成不仅解决了部队和地方的实际问题,而且缓和了观测研究站在运行过程中所面临的经费严重不足的问题,同时也为我所冻土专业研究人员提供了在生产中实践的机会,在基础理论研究方面,承担了国家攀登计划项目,国家基金项目,中国科学院重点项目和中国科学院冰冻圈专项项目等的研究工作,在多年冻土变化,     

共和盆地层状地貌系统与青藏高原隆升及黄河发育

利用卫星遥感影像,结合实地调查和测年结果,对共和盆地层状地貌系统进行了解译、分析。研究表明,共和盆地层状地貌系统由山麓剥蚀面、洪积扇面、盆地面以及黄河阶地面构成,其空间结构、物质组成对发生于早更新世早期的青藏运动C幕和中更新世末期的共和运动反映清晰。青藏运动C幕使青藏高原主夷平面在高原差异性隆升中彻底解体,垂直变形量高达1700m。共和运动使黄河在0.11Ma进入共和盆地,其后黄河平均以3.5mm/a的侵蚀速率下切盆地,同时在盆地边部的山前古冲洪积扇以大致相近的速率被抬升,最终导致高差在2000m左右的层状地貌系统的出现。     

铀钍的地球化学及对地壳演化和生物进化的影响

本文论述了在含挥发份和贫挥发份条件下Ｕ、Ｔｈ的迁移行为及其对地球和行星演化的影响,并阐述了造成地球独特地质演化历史的原因。提出了Ｕ、Ｔｈ在地球中的迁移模式以及该模式对地壳形成、演化的控制作用和对生物发展演化的可能影响。     

Wavelets and the Generalization of the Variogram

The experimental variogram computed in the usual way by the method of moments and the Haar wavelet transform are similar in that they filter data and yield informative summaries that may be interpreted. The variogram filters out constant values; wavelets can filter variation at several spatial scales and thereby provide a richer repertoire for analysis and demand no assumptions other than that of finite variance. This paper compares the two functions, identifying that part of the Haar wavelet transform that gives it its advantages. It goes on to show that the generalized variogram of order k=1, 2, and 3 filters linear, quadratic, and cubic polynomials from the data, respectively, which correspond with more complex wavelets in Daubechies's family. The additional filter coefficients of the latter can reveal features of the data that are not evident in its usual form. Three examples in which data recorded at regular intervals on transects are analyzed illustrate the extended form of the variogram. The apparent periodicity of gilgais in Australia seems to be accentuated as filter coefficients are added, but otherwise the analysis provides no new insight. Analysis of hyerpsectral data with a strong linear trend showed that the wavelet-based variograms filtered it out. Adding filter coefficients in the analysis of the topsoil across the Jurassic scarplands of England changed the upper bound of the variogram; it then resembled the within-class variogram computed by the method of moments. To elucidate these results, we simulated several series of data to represent a random process with values fluctuating about a mean, data with long-range linear trend, data with local trend, and data with stepped transitions. The results suggest that the wavelet variogram can filter out the effects of long-range trend, but not local trend, and of transitions from one class to another, as across boundaries.     

从榴辉岩与围岩的关系论苏鲁榴辉岩的形成与折返

位于华北和扬子两板块碰撞带中的苏鲁榴辉岩形成的温压条件不但是超高压，而且是高温。榴辉岩的PTt轨迹表明其为陆-陆磁撞俯冲带的产物。榴辉岩的区域性围岩花岗质片麻岩为新元古代同碰撞期花岗岩，榴辉岩及其他直接围岩皆呈包体存在于其中，并见新元古代花岗岩呈脉状侵入榴辉岩包体中。区域性围岩新元古代花岗岩的锆石中发现有柯石英、绿辉石等包裹体，表明新元古代花岗岩的组成物质也经受过超高压变质作用，且榴辉岩与围岩新元古代花岗岩的锆石U-Pb体系同位素年龄基本相同。但新元古代花岗岩所记录的变质作用和变形作用期次（或阶段）却少于榴辉岩。椐上述可得如下推断：超高压榴辉岩与新元古代花岗岩岩浆是同时在碰撞带底部（俯冲板块前部）形成的；榴辉岩的第一折返阶段是由新元古代花岗岩岩浆携带上升的，其第二折返阶段是和新元古代花岗岩一起由逆冲及区域性隆起而上升，遭受剥蚀。     

南海的形成演化与新特提斯在南海的重新活化

南海位于印度板块、欧亚板块和太平洋板块之间,是世界上最大的边缘海,其构造位置处于太平洋构造域和特提斯构造域,地质构造复杂.关于南海形成演化的动力学机制存在有多种不同观点,其中最重要的一个观点是印度板块与欧亚板块的碰撞致使华南地块和印支地块地幔物质沿东南方向蠕动,从而导致南海的海底扩张.从特提斯的演化规律,以及新特提斯的闭合过程来看,南海并不是特提斯洋的残留海,而是新特提斯在闭合过程中配合印度板块与欧亚板块碰撞导致华南地块和印支地块地幔物质东南方向蠕动的动力学机制下,在南海重新活化的结果.     

Principles of spatial organization and evolution of the biosphere and the noosphere

In his last lifetime essay, “A Few Words about the Noosphere”, Academician V.I. Vernadsky (1944) wrote that all living organisms on the planet, including man, are integral to the biosphere of the Earth, its material and energy structure and cannot be physically independent of it even for a minute. However, the substrate that generates all living beings and is no less tightly bound to the biosphere has always been characterized by a significant geochemical heterogeneity, traced both in the vertical and in the lateral structure of all geospheres.

The present work is devoted to three most important aspects of modern geochemistry and biogeochemistry:

• — evolution of the ecological and geochemical state of the environment under conditions of a virgin (anthropogenically untouched) biosphere;
• — structural features of the geochemical organization of the modern noosphere;
• — specificity of the interaction of living matter with the environment under increasing anthropogenic load.

On the basis of theoretical concepts of biogeochemistry and geochemical ecology, formulated in the works of V.I. Vernadsky, A.P. Vinogradov, A.E. Fersman, B.B. Polynov, A.I. Perel’man, M.A. Glazovskaya, V.V. Kovalsky, E. Odum, B. Commoner, E.I. Kolchinskii and others, the author puts forward a hypothesis that there exist two qualitatively different stages in the evolution of the biosphere.The first stage is recognized as the period of natural evolution of the biosphere during which it evolves successively into a more complex and more biogeochemically specialized object. In the course of the geological time, this constantly results, on the one hand, in an increase in species diversity and the perfection of individual species, and, on the other hand, to directed improvement and a greater differentiation of the geochemical conditions of the environment. At this stage, the evolution of all systems of the biosphere that were controlled by the mechanisms of self-organization and self-regulation resulted in the establishment of a dynamic equilibrium, which was responsible for the cycling of all essential chemical elements and therefore providing ecologically optimal geochemical conditions in all ecological niches and for all species and biocenoses inhabiting the biosphere at any given moment.The beginning of the second stage is related to the appearance of reason and qualitative changes in the biosphere caused by the goal-directed activity of the human mind, as an entirely new geological force that appeared to be able not only to disrupt the functioning of natural mechanisms of self-regulation and selforganization, but also to transform the environment in the intersts of a single biological species, Homo sapiens. A direct consequence of this change was the uncontrolled transformation of the natural environment, during which the primary structure (geochemical background) created in the course of billions of years was eventually superimposed by a qualitatively new layer of anthropogenically-derived chemical elements and compounds, thus building an interference pattern of a new geochemical field with which practically all modern living organisms are now forced to interact.An outstanding feature of the new evolutionary stage of the natural environment, called by Vernadsky the noosphere, is that biogeochemical changes at this stage proceed at a rate which exceeds that required for the living matter to adapt to these changes. The result is the disruption of the existing parameters of the biological cycle, leading to the emergence of a significant number of endemic diseases of geochemical nature.The proposed approach was used to prove the anthropogenic genesis of existing geochemical endemic diseases and explain the mechanisms of their appearance. In addition, this approach allowed us to develop a new methodology for mapping zones of ecological and geochemical risk and noticeably simplify the procedure of monitoring distribution and prevention of all diseases of geochemical nature.