海洋微型生物碳泵理论的发展与展望

微生物是驱动海洋元素循环的主体,在调节全球气候变化中起着重要作用.近半个世纪海洋研究的一个谜团就是"为什么有着一个相当于大气CO2碳总量的惰性溶解有机碳(Recalcitrant Dissolved Organic Carbon, RDOC)库在海洋中长期存在?".生物泵(Biological Pump, BP)和微食物环(Microbial Loop, ML)研究加深了我们对生物在海洋碳循环中作用的理解,但直到微型生物碳泵(Microbial Carbon Pump, MCP)理论的提出,才真正阐释了海洋惰性溶解有机碳来源和存储的生物地球化学机制. MCP是由微型生物介导的溶解有机碳(非沉降)转化和迁移的海洋储碳新机制,提出了RDOC产生的3个重要途径:(1)微型生物特别是异氧细菌和古菌在有机质降解代谢过程中改造并分泌RDOC;(2)病毒颗粒裂解宿主导致细胞的死亡并释放RDOC;(3)原生动物等捕食者摄食微型生物并释放RDOC. MCP揭示了海洋RDOC的惰性机制,定义了两类RDOC组分(RDOCc和RDOCt),为调节气候和改善生态环境提供了可验证的理论.为纪念中国科学家在海洋碳循环领域的突出贡献,文章在回顾海洋微型生物与碳循环相关研究基础上,系统总结并讨论了MCP理论提出以来中国在此领域的国际引领地位和影响力,并展望了未来研究的方向.     

海草凋落叶分解对沉积物有机碳组成及其关键转化过程的影响

海草凋落叶是海草床沉积物有机碳(Sediment Organic Carbon,SOC)的重要来源.然而,海草凋落叶分解对SOC组分及其主要转化过程的影响机理尚不清楚.本研究通过室内模拟实验,研究海草凋落叶分解对SOC活性组成及其关键酶活性的影响.结果显示,海草凋落叶分解提高了沉积物盐提取有机碳(Salt-Extractable Carbon,SEC)的含量和SEC/SOC比例,也显著提高了与SOC转化相关的蔗糖酶、多酚氧化酶及β-葡糖苷酶活性,多酚氧化酶和β-葡糖苷酶活性的提高,可能会加快沉积物惰性有机碳的分解.在24d培养期内,海草凋落叶分解增加了CO2的释放量,并降低了SOC含量.因此,海草凋落叶分解释放了大量溶解有机碳,提高了SOC的活性,促进了SOC的转化.     

基于中国大气反演系统的卫星CO2数据同化对全球碳收支的评估

卫星CO₂浓度观测可以对地表碳通量反演提供重要约束,尤其在地面观测覆盖不佳的区域.文章使用自主研发的中国大气反演系统,利用OCO-2(Orbiting Carbon Observatory-2)卫星CO₂柱浓度观测估算了2015～2019年全球CO₂源汇分布,并与其他五个先进反演系统的结果进行了对比.通过同化卫星CO₂观测,反演得到的全球净陆地碳汇(净生物群系生产力, net biome productivity, NBP)为(1.03±0.39)PgC a^-1,低于地面观测反演得到的结果(1.46～2.52PgC a^-1).文章估算的北半球陆地碳汇为1.30PgC a^-1,热带陆地为碳源,碳释放量为0.26PgC a^-1,结果与其他独立证据相符.相较之下,其他系统反演出的北半球陆地碳汇较强(1.44～2.78PgC a^-1),而对热带碳通量的估算存在较大分歧,估算范围为0.77～-1.26...     

海岸带蓝碳的科学概念、研究方法以及在生态恢复中的应用

海岸带蓝碳广义上指盐沼湿地、红树林和海草床等海岸带高等植物以及浮游植物、藻类和贝类生物等,在自身生长和微生物的共同作用下,将大气中的CO_2吸收、转化并长期保存到海岸带底泥中的这部分碳,以及其中一部分从海岸带向近海及大洋输出的有机碳.海岸带蓝碳单位面积的固碳能力远大于陆地碳库.盐沼湿地、红树林、海草床、渔业碳汇和微型生物碳泵等5类海岸带碳汇需要进一步研究其固碳机理和调控因子.海岸带蓝碳的定量研究方法包括碳收支的监测、模拟实验和模型研究.我们可以通过恢复、保护和增加这些碳汇来获取新增碳汇,从而得到碳积分,进而通过市场机制推动生态保护和恢复.针对全球应对气候变化的迫切需求以及中国固碳减排的承诺,我们应加强海岸带蓝碳的科学和政策研究.利用蓝碳原理,保护和恢复盐沼湿地、红树林、海草床,增进微型生物碳泵的储碳功能,并建设可持续性海洋牧场等重要海岸带生态系统.     

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。     

英国海洋科技战略计划及其特点分析

引言 英国作为全球主要的海洋国家之一,近年来密集推出了若干重要的海洋战略和研究计划,数量仅次于美国.本文对英国近年来主要的海洋研究战略、计划和项目进行梳理后发现几个特点,即：十分重视海洋研究国家层面的顶层设计;未来海洋研究,十分注重海洋研究基础设施的建设;未来将重点关注海洋酸化、海洋可再生能源开发和海岸带灾害的研究.     

生态增汇,助力碳中和国家战略

正工业革命特别是第二次世界大战以后经济的快速发展带来全球碳排量激增,引发全球气候变暖和极端天气频发等问题,受到世界各国高度关注。中国是全球碳排放第一大国,在2020年9月22日第75届联合国大会一般性辩论中,习近平主席庄严宣布:"中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力减排政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。"(以下简称"双碳")。     

从海洋碳汇前沿理论到海洋负排放中国方案

海洋是地球上最大的活跃碳库,对调节气候变化发挥着无可替代的作用.文章从全球气候变化的视角,厘清"蓝碳""海洋碳汇""海洋负排放"等概念的科学内涵和实用意义,回顾我国在海洋生物储碳过程机制方面的科学成就及其对该领域国际发展趋势的影响,展望我国领衔海洋负排放国际大科学计划、积极参与全球治理、支撑碳中和战略的前景.     

从古气候学历史看Nicholas Shackleton的学术贡献

Nicholas John Shackleton生前是英国剑桥大学地球科学系教授.因为在利用氧-碳同位素研究第四纪气候变化方面的奠基性工作,他于1995年获得Crafoord地球科学奖.他的主要学术成就包括:(1)改进了同位素质谱仪,使得小样品测试成为可能,并确立了深海氧同位素可以作为全球冰量的指标;(2)提供了验证米兰科维奇假说的深海氧同位素关键证据;(3)对建立轨道调谐年代序列作出了突出贡献;(4)在古大洋环流及CO2对全球气候的驱动和响应方面做了开创性研究工作.Shackleton教授被誉为"深海氧同位素之父",他的里程碑式的研究影响着20世纪下半叶古气候的发展历程.本文简要介绍Shackleton教授的学习与科研工作经历、主要的学术成就及成功的素质,希望从中得到一些对中国科学家有益的启示.     

植物根系碳输入对非根际土壤碳库贡献的全球定量研究

植物根系碳输入(I_root)是土壤碳的主要来源.一部分I_root进入土壤后会通过根际微生物呼吸、淋溶和动物啃食等过程迅速离开土壤(I_loss),从而限制I_root对土壤固碳的贡献.然而,全球尺度上鲜有针对I_root和I_loss的定量研究.通过整合三套全球观测数据集(包括土壤放射性碳同位素¹⁴C、植物地上和地下净初级生产力以及植物根系生物量垂直分布,共计2,034个站点),文章估算了I_root和I_loss及其全球分布格局.结果表明,全球0～200cm土壤中,I_root平均为3.5Mg ha^–1a^–1,其中约80%为I_loss.I_root随土层深度增加指数减少,全球0～200cm土壤中超过60%的I_root集中在表层0～20cm;I_loss的绝...     

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.     

海洋储碳机制及区域碳氮硫循环耦合对全球变化的响应

海洋储碳机制及区域碳氮硫循环耦合对全球变化的响应是全球变化及应对领域的关键研究主题之一,分析了全球变化过程中海洋储碳需要解决的4大前沿科学问题、需要重点开展的4项海洋储碳研究以及未来可能的突破点.     

中国草地碳储量时空动态模拟研究

基于陆地生态系统模型(TerrestrialEcosystemModel,TEM5.0),利用温度、降水和太阳辐射等气象资料,结合草地植被类型、土壤质地、海拔、经纬度以及大气CO_2浓度数据,模拟研究了1961~2013年中国草地碳储量和碳密度的时空特征及其影响因素.结果表明:(1)1961~2013年间,面积394.93×10~4km~2的中国草地碳储量为59.47PgC,其中植被碳3.15PgC(约占全球植被碳储量的1.3~11.3%),土壤碳56.32PgC(约占全球土壤有机碳储量的9.7~22.5%).草地碳储量以19.4TgCa~(-1)年平均增长速率从1961年的59.13PgC增加到2013年的60.16PgC.(2)研究时段内,青藏高原草地碳储量贡献最大,占总碳储量的63.2%,其次是新疆草地(15.8%)和内蒙古草原(11.1%).(3)1961~2013年,植被碳储量呈增加趋势,年平均增长速率为9.62TgCa~(-1),温度是植被碳库变化的主要因素,二者相关系数可达0.85.在空间分布上,植被碳变化以增加为主,减少主要出现在南方草地中部,内蒙古西部和中部以及一部分青藏高原草地区.土壤碳储量以7.96TgCa~(-1)的速率呈极显著增加趋势,其中20世纪80年代和90年代降水较多温度较低,降水是土壤碳增加的主要影响因素.     

重力卫星GRACE Mascon产品的应用研究进展与展望

2002年重力卫星GRACE的成功发射极大地促进了地球科学多个领域,包括全球海平面变化、极地冰盖与高山冰川消融、水文以及固体地球等多个领域的发展.然而,GRACE观测数据主要是以球谐系数的形式给出,需要应用者进行一系列预处理才可以得到对应的物理量.为了克服此困难,也为了提高GRACE恢复重力场地空间分辨率,相关机构在近些年推出了新一代GRACE观测数据产品,即Mascon产品.该产品的初衷是便于非大地测量和地球物理专业的人使用,比如水文学家、海洋学家,它无需进行任何后处理过程,使用上更加方便.然而,尽管Mascon产品以较高的空间分辨率(如1°)给出,但是,该产品的应用范围以及其实际的分辨率等都是科学家们非常关注的问题.目前科学家们已经对该产品在不同流域尺度以及不同应用领域上的适用性问题进行了系统性地评估.本文综合介绍了Mascon产品的基本原理和方法、三家Mascon产品的差异,并梳理了该产品和球谐系数产品之间在一些具体物理问题的应用中的适用性以及应该注意的问题,为广大科研工作者提供科学依据和使用参考.     

欧洲航天局:火星探测十年回顾

2013年6月3日,欧洲航天局(ESA)在其火星探测卫星Mars Express发射10周年纪念日,推出ESA火星探测历程回顾专题报道,首次发布新的火星全球地图并回顾了火星探测10年成果. 1 最新火星全球地图 ESA此次所发布的新火星全球地图,全景呈现了这个红色星球上水和火山活动的历史,为下一代火星探测任务锁定了目标位点.该独特的地图集包括火星表面一系列水成、火山成因及风化形成的矿物的分布图,每幅地图代表了火星地质进化史的一个不同时期,地图集揭示了塑造火星的主导地质过程的全球背景.     

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.     

治霾要打持久战和攻坚战 大气污染专家柴发合分析中国空气污染治理方略

<正>2016年秋冬季节,除中国之外,欧洲的英国、法国、意大利、西班牙,亚洲的印度、伊朗、印度尼西亚等全球多个国家的城市均出现不同程度的雾霾天气。据世界卫生组织发布的最新报告显示,全球92%的人口生活在空气质量低于世界卫生组织规定的安全标准地区。在近日举办的"2016年度全球十大环境热点"评选结果宣讲会     

“国际土壤年”的缘起和意义

健康的土壤对全球粮食生产至关重要,但是我们却没有给予这一重要"无声盟友"足够的重视。联合国粮农组织总干事若泽·格拉济阿诺·达席尔瓦在2014年12月5日庆祝"世界土壤日"前夕说:"健康的土壤不仅是粮食、燃料、纤维和医药产品的基础,而且还在水资源管理和促进碳封存方面发挥着至关重要的作用,使其成为适应和减缓气候变化的战略工具。"     

英国发布《对地观测战略实施规划2015—2017》

<正>引言2015年7月15日,英国航天局发布新一轮即2015—2017年对地观测战略实施规划,规划基于英国对地观测战略(2013—2016)、2015—2016财年英国航天局运营计划以及英国国家航空航天政策制定,对英国对地观测任务进行全新部署,明确了未来对地观测的重点领域和优先方向,并制定了具体的行动方案。本文对规划的相关要点予以简要介绍。1战略规划背景在全球层面,地球空间观测已经成为支     

应对全球气候变化军队应走低碳发展之路

地球是全世界各国人民的地球。全球气候变化深刻影响着人类的生存与发展,世界各国都在密切关注气候变化对国家安全的影响。美国、英国、俄罗斯、韩国、日本等国家已将应对气候变化的战略上升为国家战略。经济全球化和科技的迅猛发展,使得国家安全的概念已由传统的国防安全扩大到经济安全,包括生态安全、粮食安全、能源安全、水资源安全、公共卫生安全等领域,而气候变化则是影响这些安全的重要因素之一。