变化中的地球所面临的挑战:全球变化的科学理解(英文)

简要介绍了变化中的地球所面临的挑战 ,并在描述地球系统科学近年来所取得成就的基础上给出了全球变化的科学理解。同时也简要介绍了世界正在面临的主要环境问题 ;描述了气候系统研究所达成的共识、面临的挑战及所取得的研究进展 ;并从大气、海洋和陆地间的CO2 交换、转换、不确定性等方面阐述了碳循环 ;然后 ,简单描述了全球水循环研究进展 ;最后 ,展望了在变化的地球中生存所要面临的挑战与机遇。     

古水文地球化学形迹与地浸砂岩铀成矿的关系

本文以水成铀矿床、地质构造学、沉积学、古水文地质学、铀水文地球化学、同位素地质学等学科理论,从分析伊犁盆地南缘铀成矿大地构造背景入手,初步进行了盆地地质构造、地质演化、含矿岩系沉积特征、地下水中同位素(D、18O、3H、234U/238U、230Th/232Th等)和水文地球化学的研究,基本查明了伊犁盆地南缘区域地下水动力条件,研究了区域水文地球化学条件与铀成矿的关系,探讨古地下水演化与铀成矿作用的关系,为全盲型地浸砂岩铀成矿的水文地球化学及古水文地质预测研究提供理论基础.     

川西阿坝州壤古温泉成因机制研究：来自水文地球化学和地球物理勘探的证据

地热资源是一种清洁低碳、储量丰富、安全优质的可再生能源,大力开发利用地热资源,对落实“碳达峰、碳中和”战略目标具有重要意义。壤古温泉位于青藏高原东南缘川西阿坝州壤塘县,为松潘-甘孜褶皱带地热资源空白区钻获的优质地热资源,井口水温39.5℃,自流流量1500 m³/d,属富含偏硅酸、偏硼酸、锶的氟、锂优质热矿水,具有极高的医疗价值。文章以壤古温泉为研究对象,通过水文地球化学、地球物理特征研究,探讨了地热形成机制。结果表明：壤古温泉pH值6.7～7.1,溶解性总固体2050~2760 mg/L,水化学类型为HCO₃-Na型,水岩作用强烈。其氢氧同位素分布于全球大气降水方程线附近,说明热水主要为大气降水补给。Na-K-Mg平衡图表现为未成熟水,表明热水受裂隙潜水或地表冷水强烈混合作用。基于传统地热温标、硅焓混合模型、Cl⁻校正估算热储温度为138~183.3℃,冷水混合比例为77.9~84.3%。综合地球物理勘探、钻探揭露特征,本文构建了壤古温泉成因概念模型,可为壤古温泉的开发利用提供理论支撑。

     

“四深”微生物的地质作用——从气候环境变化到生态灾难

“四深”微生物是指深海、深地、深空和深时环境的微生物,特别是细菌、古菌、真菌、病毒等。人们对“四深”微生物的了解非常有限,是亟待突破的地球生物学前沿领域。“四深”微生物的研究对理解地球生命起源、界定生物圈的边界条件、促进地球科学与生命科学以及行星科学之间的交叉融合具有不可替代性的贡献。随着我国深海、深空、深地等重大工程计划的推进,一系列与“四深”微生物有关的前沿科学问题不断提出,包括地质微生物与气候环境的相互作用、地质微生物的生物安全与生态安全、地质微生物参与的隐匿地质过程等。特别是,“四深”环境活性氧自由基对微生物的影响、地质病毒对生物演化和地质过程的影响等前沿领域都亟待突破。活性氧自由基能对生物分子、细胞、组织和器官,乃至整个生物圈的演化以及微生物地质作用都产生重要影响。病毒引发了现代和近代诸多全球性疫情爆发,地质病毒则可能对生物的背景灭绝和大灭绝以及一些地质过程产生影响。     

“四深”微生物的地质作用：从气候环境变化到生态灾难

“四深”微生物是指深海、深地、深空和深时环境的微生物,特别是细菌、古菌、真菌、病毒等。人们对“四深”微生物的了解非常有限,是亟待突破的地球生物学前沿领域。“四深”微生物的研究对理解地球生命起源、界定生物圈的边界条件、促进地球科学与生命科学以及行星科学之间的交叉融合具有不可替代性的贡献。随着我国深海、深空、深地等重大工程计划的推进,一系列与“四深”微生物有关的前沿科学问题不断提出,包括地质微生物与气候环境的相互作用、地质微生物的生物安全与生态安全、地质微生物参与的隐匿地质过程等。特别是,“四深”环境活性氧自由基对微生物的影响、地质病毒对生物演化和地质过程的影响等前沿领域都亟待突破。活性氧自由基能对生物分子、细胞、组织和器官,乃至整个生物圈的演化以及微生物地质作用都产生重要影响。病毒引发了现代和近代诸多全球性疫情爆发,地质病毒则可能对生物的背景灭绝和大灭绝以及一些地质过程产生影响。     

长江武汉段4.5～2.5 ka沉积地层与古洪水标志识别

长江中游近年洪灾频发,武汉江段更是其防洪重点,开展武汉地区的古洪水研究,从而延长古洪水记录,对洪水预测具有重要意义。本文选取武汉地区河谷沉溺湖区SK10钻孔沉积作为研究对象,运用AMS 14C测年技术厘定地层年代,通过粒度和地球化学元素的测定与分析,与文献中记录的古洪水频发期进行对比,建立一套适用于长江武汉段古洪水沉积的识别指标,并对长江武汉段距今4. 5~2. 5 ka的古洪水期进行研究。结果表明：①基于后湖与长江的分布关系,在钻孔沉积中选取粒度指标（P95、砂含量、平均粒径、黏土/粉砂、（粗粉砂+砂）/黏土)和地球化学指标（Na2O、Al2O3、Fe2O3、Rb/Sr、 Zr/Rb）作为古洪水频发期识别标志,对武汉地区的洪水频发期沉积有较好的指示作用。②通过指标识别出的古洪水频发期为：2608±30 a BP、2814±35 a BP、3094±35 a BP、3577±35 a BP、3830±35 a BP、3939±35 a BP、4084±35 a BP、4193±35 a BP、4391±35 a BP左右,与文献记录中距今4. 5~2. 5 ka的几次洪水频发期基本一致。     

过去全球变化研究中环境地球化学进展

由于自然档案中稳定同位素组成对气候变化的有效指示作用,环境地球化学研究对古全球变化研究起着十分重要的作用,长期以来被看成古全球变化科学的基石。本文从时间尺度、空间尺度和气候驱动因素等方面的环境地球化学研究,论述了近年来取得的一些新进展。     

示踪全球环境变化的微生物代用指标

文章详细总结了示踪全球环境变化的一系列微生物替代指标。重建古温度的定量指标包括藻类长链烯酮的U、古菌甘油二烷基甘油四醚化合物(GDGTs)的TEX_(86)指标、细菌GDGTs的甲基化指数(MBT)与环化指数(CBT)的组合。古温度的定性指标有脂类单体的氢同位素组成、不饱和脂肪酸的相对含量、有孔虫和硅藻的组合及其生物体的同位素组成和微量元素比值。重建古水文的指标包括有壳变形虫组合、细菌GDGTs的环化指数CBT、细菌和古菌GDGTs的陆源输入指数BIT、古菌和细菌GDGTs的相对丰度R、直链脂肪族化合物的碳优势指数CPI、好氧与厌氧微生物的丰度。古大气CO_2分压的估算可采用藻类长链烯酮的碳同位素组成、有孔虫的硼同位素组成。认为这些微生物指标在古环境重建中潜力巨大,并对一些重要微生物指标的应用原理和限定条件进行了分析。有些指标因受多种环境因子和成岩作用的影响,在应用中需特别的注意,不能无限夸大其应用领域。     

现代黄河三角洲北岸1.9Ma以来孢粉组合及古环境变化

通过对现代黄河三角洲地区YRD-1101钻孔的沉积地层研究和孢粉分析,认为该地区1.9 Ma以来孢粉组合代表的植被面貌自下而上表现为:针叶阔叶混交林—灌丛草甸→落叶针叶—阔叶混交林→落叶阔叶林→常绿阔叶落叶林→针叶阔叶混交林→落叶阔叶混交林→针叶落叶混交林及灌丛草甸→落叶阔叶混交林及林下灌丛。YRD-1101钻孔沉积特征变化显著,孢粉组合波动频繁。第四纪期间存在3次大的气候拐点,分别发生在0.75 Ma,0.125 Ma和9.1 ka,气候整体表现为温度逐渐上升、湿度逐渐升高的特点。特别是晚更新世以来气候趋于温暖湿润,MIS2陆相沉积阶段气候短暂转为凉爽干燥,海平面下降,植被以耐干旱草地灌丛植被扩张为特点;全新世阶段气温升高、湿度增加,海平面上升,植被以木本植物再次扩张、蕨类和藻类增加为特点。这一趋势与我国第四纪海侵地层分布及范围一致。     

220ka BP来萨拉乌苏河流域地质剖面地球化学特征及其对全球气候变化的响应

萨拉乌苏河流域位于我国北方沙漠/黄土过渡带和生态脆弱带,它对全球气候变化反映非常敏感,是研究全球气候变化响应的理想区域.对该区域滴哨沟湾剖面地球化学元素氧化物及其比值变化进行了分析,结果表明:约220 ka BP以来我国北方气候变化极不稳定,存在着不同时间尺度的频繁变化,这种不稳定性无论是在冰期还是间冰期都有很好的反映.其中倒数第二次间冰期存在3次气候波动;倒数第二次冰期存在7个气候旋回;末次间冰期存在7个气候旋回;末次冰期存在9个气候旋回.这些气候变化与深海氧同位素、极地冰芯反映的全球变化具有良好的对应关系,反映了该区气候变化与全球变化的高度一致性.     

长江下游南漪湖沉积记录的全新世以来温度变化

了解全新世的温度变化能为理解目前日益突出的全球变暖、评估未来全球气候变化给出重要的参考。在这项研究中,基于长江下游南漪湖沉积岩芯深度为0~450cm中161个样品的brGDGTs代用指标,对过去12.0ka的大气温度进行重建,以进一步深化对全新世温度变化的理解。发现湖泊周边土壤与湖泊沉积物brGDGTs分子组成存在显著差异：土壤以brGDGTs-Ⅰ系列为主,占到总比重的80%以上,计算得的MBT'_5ME平均值为0.81;湖泊表层和柱状沉积物的brGDGTs分子组成更相似,其brGDGT-Ⅰ和brGDGT-Ⅱ分别为43%、48%和62%、35%,对应的MBT'_5ME平均值分别为0.44和0.62,因此认为湖泊沉积物brGDGTs主要为自生来源,进而选用基于MBT'_5ME的湖泊温度经验计算式进行古温度的重建。重建的南漪湖年均大气温度自12.0 ka B.P.以来变化范围为13.8~22.4℃,根据变化趋势,可以分为4个阶段：①阶段,早全新世（约12.0~8.2 ka B.P.）,温度变化范围为15.1~20.6℃,属低温阶段;②阶段,中全新世（约8.2~6.0 ka B.P.）,温度为16.8~20.0℃,为稳定高温阶段;③阶段,中晚全新世（约6.0~3.0 ka B.P.）,温度为13.8~19.4℃,快速降温阶段;④阶段,晚全新世（约3.0 ka B.P.以来）,温度在17.4~22.4℃,快速升温阶段。通过对比其他古气候记录,可以得到以下结论：长江下游地区在约12.0~8.2 ka B.P.时期温度变化主要受高纬度冰川残留的影响,为低温时期;在约8.2~6.0 ka B.P.时期的温度变化主要受到较强的太阳辐射量控制,属稳定高温期,对应全新世大暖期;约6.0 ka B.P.后,温度受到6.0~3.0 ka B.P.中低纬度冷事件以及上升温室气体辐射强迫共同影响,呈现先降后升的"V"型变化趋势。本研究表明长江下游地区自12.0 ka B.P.以来温度变化主要受全球温度变化控制,自晚全新世以来温室气体辐射强迫是影响其温度变化的主要因素。

     

6 000 a BP以来长江下游地区古洪水与气候变化关系初步研究

通过对埋藏古树、泥炭、以及海相贝壳测年资料进行搜集和整理，结果表明：长江下游地区6000 a BP以来古洪水的发生与气候变化有着密切的联系。由于长江下游地区地势低平这一地貌特点，使得海面变化对于研究区洪水发生有着重要的影响，气候变化导致的海面上升对长江下游河段径流的顶托作用导致河流上溯以及地面排水不畅，致使洪水发生频率加大以及洪水危害的程度加强，出现“小水大灾”的现象，长江三角洲地区古洪水发生频率与美洲地区古洪水发生频率的对比研究表明，长江三角地区乃至整个长江流域在大的气候变化趋势上与全球其它地区是相似的，既有全球气候变化特点的同时又具有区域响应的特点，这对于未来研究区洪水发生的预测有着重要意义。     

长江源区径流量变化分析

利用1960~2012年长江源区直门达以上流域水文观测数据,采用Mann-Kendall法对径流量数据进行突变检验,并结合径流过程线共同判断突变年份,最终确定2008年为径流量变化的突变年份。以径流突变年份分割时间序列为1960~2008年和2009~2012年,得到累积径流量、累积降水量与年份线性关系式。沱沱河以上降水和非降水因素对径流量增大的贡献率分别为22.89%和77.11%;直门达以上分别为67.85%和32.15%。研究结果显示长江源区近年来径流量呈增加趋势。     

长江流域20cm蒸发皿蒸发量的时空变化

利用长江流域107个气象站1951-2000年的20cm口径蒸发皿逐日蒸发资料,采用Mann-Kendall趋势检验法和IDW反距离权重空间插值法分析了近50年来,尤其是20世纪90年代长江流域的年和季节蒸发皿蒸发量的时空变化.50年来,长江流域以年平均、夏季和秋季蒸发皿蒸发量显著下降为主要特点,尤以20世纪90年代最为显著,是年平均和夏季蒸发皿蒸发量最小的时期,比前0年平均值分别低-25.9mm和-36.1mm,这种趋势中下游地区比上游地区明显得多,尤其是在鄱阳湖流域.     

10ka BP来石羊河流域气候演变特征分析

根据石羊河流域及周边地区的大量研究结果分析,整理和建立了10 ka BP来石羊河流域气候演变序列,可以划分出主要的7个气候湿润期和6个干旱期.近50 a以来石羊河流域气候干旱化趋于显著,有4个主要特点:1971—2000年比1951—1980年平原绿洲地区年平均降水(气温)增加(正常);高山和沙漠边缘地区降水量减少(气温正常或偏高);大部分地方年平均蒸发量普遍减少10～131 mm;年平均沙尘暴、雷暴日数减少.     

长三角经济高速发展地区土壤pH时空变化及其影响因素

通过调查和分析长三角地区张家港市2004年和第二次土壤普查时(1980)的土壤pH,探讨了该市近20年来基于经济高速发展影响下的土壤pH变化及影响因素。结果表明,自第二次土壤普查以来,该市土壤pH变化明显。南部人为土地区绝大部分土壤pH值都下降了一个单位,平均值由7.39降至6.33;北部雏形土区,两个时期的土壤pH值分别为7.92和7.98。土壤pH的降低可能同该地区长期施用化学肥料、酸雨及工业酸性“三废”排放的增加有关。此外,土地利用和田间管理也对土壤pH变化起着较为重要的作用,而土壤地球化学性质差异则是导致南北地区土壤pH变化不同的内在因素。     

长江源区蒸散量变化规律及其影响因素

利用空间分辨率为1 100 m的NOAA遥感数据,运用表面能量平衡系统(SEBS)模型,结合当地气象站实际观测数据,计算了1991-2001年长江源区的蒸散量,运用线性回归的方法计算了源区各像素点的蒸散量变化趋势,统计分析了蒸散量的多年变化规律。运用地理信息系统技术分析了气温、地表温度、降水量和植被指数(NDVI)等主要因素对蒸散量变化的影响。研究结果表明,源区蒸散量以6.8 mm/a的速度增加。全球变暖引起的气温、地表温度的升高是蒸散量增加的主要原因;在空间分布上,河流左岸阳坡蒸散量增加,右岸阴坡蒸散量减小;降水量、植被覆盖度分别与蒸散量有很好的正相关关系,源区东南部降水量大,植被相对旺盛,蒸腾作用强烈,蒸散量大;西北部降水量小,植被生长稀疏,蒸散量较小。     

长江中下游典型湖泊近代环境变化研究

选择长江中下游的典型湖泊洪湖、巢湖、石臼湖和太湖,采集了沉积柱样,测定了总有机碳、总氮、总磷,并采用210Pb和137Cs定年以研究湖泊近代环境演变。根据洪湖137Cs蓄积峰得到过去50 a里洪湖沉积速率经历了一个由慢到快再变慢的过程,1963~1986年之间沉积速率最大,达0.174 cm/a,这可能是因为当时湖区大规模开垦有关。巢湖钻孔核素的研究发现20世纪70年代以来随着深度的减少,巢湖钻孔中沉积通量在增加,可能与流域内水土流失逐步加重有关。对营养盐的分析表明,洪湖50年代以来沉积物中营养元素急剧增加,巢湖70年代以来营养元素开始增加,在太湖中体现为80年代,石臼湖中则为近百年来营养元素开始快速增加。从营养盐增加的幅度来看,草型湖的洪湖、石臼湖要大于藻型的巢湖以及太湖藻型区域。本文尝试利用总有机碳、总磷获取了湖泊环境变化的速率。研究表明总有机碳和总磷的变化速率存在波动性,这可能与湖泊的自我调节有关。而总有机碳的变化速率在最近时间阶段内基本呈正值,对于洪湖来说在80年代初,石臼湖在1970年左右,太湖在80年代初,巢湖在60年代。总有机碳、总磷变化速率的振荡幅度与周期也许对理解当今湖泊处于何种位置,由此采取何种湖泊管理手段提供重要认识。     

长江口主要阳离子随盐度变化的研究

以追踪混合水团的方式采样,并测定了长江河口混合区表层和底层中主要阳离子Mg2+、Ca2+、Na+和K+的浓度,讨论了长江口水体的pH分布特征和主要阳离子的混合特征.结果表明,长江口水体的pH状况受人为污染影响较小,河口混合区主要阳离子的浓度随着水体盐度的增大而增大,Ca/Mg比值随水体盐度的增大而迅速减小,且主要阳离子浓度相对于盐度的变化在表层和底层水体间没有显著的差别.在长江河口混合区主要阳离子的浓度及其比值随盐度的变化可用线性混合模型进行较好地预测和模拟.