地球科学进展 2019年第05期杂志 文档列表

地球科学进展杂志综述与评述

从土壤腐殖质分组到分子有机质组学认识土壤有机质本质451-470

作者：潘根兴; 丁元君; 陈硕桐; 孙景玲; 冯潇; 张晨; Marios; Doross; 郑聚锋; 张旭辉; 程琨; 刘晓雨; 卞荣军; 李恋卿 单位：南京农业大学资源环境科学学院土壤学系/农业资源与生态环境研究所; 江苏南京210095
期刊：《地球科学进展》2019年第05期
摘要：梳理了与土壤生态系统功能相联系的,特别是对固碳减排的土壤有机质本质认识的研究进展及路径,探讨了经典腐殖质学说存在的问题,概述了新近的有机质保护稳定学说及腐殖质组学学说,并追溯了生物标志物有机质分子研究,最后从土壤学的基本理念和理论出发讨论和重新认识土壤有机质的本质及其价值。从形成条件、分离条件和分子鉴定等多方面分析,土壤腐殖质形成和稳定学说越来越显示出局限性;而面向气候变化的碳固定研究可以深入探析土壤有机质的复杂存在状态。越来越认识到土壤有机质是投入土壤的有机物质经不同程度生物利用或降解的产物残留,只是被土壤不同程度地区隔和封闭,本质上仍是分子量变化极大的生命源有机物的集合。因此,可通过生物标志物分子作为靶标在土壤中提取和识别,该技术的发展将孕育萌生土壤有机质分子组学。后者可以用于判读土壤有机质的结构支撑、反应活性和促生功能等方面的本质差别,这些差别可能是由有机分子组成结构及存在状态所决定而不是由有机分子稳定性决定的。从这个概念出发,类似于土壤微生物分子生态,土壤有机质的丰度、组成、结构与功能间的联系可能是土壤有机质本质的核心问题。对这种关系的量化和参数化表征可用以探索土壤有机质永续固定,且可以保持生命活性的土壤有机质的管理策略及技术,并配合土壤的团聚体理论诠释土壤的本质和生态系统功能服务,这将是未来土壤学服务人类可持续发展的理论立足点。

地球关键带视角理解生态系统碳生物地球化学过程与机制471-479

作者：温学发; 张心昱; 魏杰; 吕斯丹; 王静; 陈昌华; 宋贤威; 王晶苑; 戴晓琴 单位：中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室; 北京100101; 中国科学院大学资源与环境学院; 北京100190
期刊：《地球科学进展》2019年第05期
摘要：陆地生态系统研究通常未考虑影响整个岩石风化层--土壤剖面的生物地球化学过程,而关键带科学则强调从冠层到基岩重新认识整个生态系统的结构和功能,在流域尺度上应该强调大气和植物之间、植物和土壤之间、小流域土壤和溪流之间物质和元素循环的相互联系等。植物碳固定及分配、从地表到基岩的土壤碳库分解和转化以及小流域碳迁移与平衡是碳生物地球化学循环的起始、周转和迁移过程的关键环节,应该加强流域尺度上从冠层到基岩的生态系统碳循环过程、机制及其生态功能研究。同位素技术具有指示、示踪和整合功能,通过δ13C自然示踪和人工标记技术,可以辅助解析碳生物地球化学过程与机制。

海草床食物链有机碳传递过程的研究进展480-487

作者：黄小平; 江志坚 单位：中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室; 广东广州510301; 中国科学院大学; 北京100049
期刊：《地球科学进展》2019年第05期
摘要：海草床是重要的近海生态系统,生产力极高,可为海洋动物提供良好的栖息地和丰富的有机碳食源;人类活动引起近岸海域的富营养化,可能会改变海草床有机碳源组成和性质,进而影响植食动物和次级消费者的摄食过程及其食物链能量传递效率,从而影响海草床的生物资源产出功能。归纳总结了国内外海草床食物链碳传递过程各方面的研究进展,主要包括:①海草床有机碳源组成及食源贡献;②海草床初级消费者对有机碳源的摄食;③海草床食物网营养级结构及其能量传递;④富营养化对海草床有机碳源组分结构及其成分的影响;⑤海草床食物链能量传递效率对富营养化的响应。在此基础上,提出了未来的研究重点:①联合运用总有机物的稳定同位素比值法、脂肪酸标志法和特定化合物稳定同位素分析方法,加强定量研究海草床各有机碳源的贡献、食物网营养结构图谱、关键碳流途径及其季节性变化规律;探究关键消费者成体和幼体的有机碳源差异,弄清生长阶段的食性转化过程。②结合野外观测、原位围隔实验和室内模拟实验,深入探讨富营养化对海草床有机碳源组成(海草与附生藻类等)及其化学成分(营养质量和次生化合物)的影响,海草等初级生产者成分变化对植食动物和次级消费者摄食过程的影响,以及牧食食物链和碎屑食物链的组成和碳传递效率等的响应机制。

岩溶关键带及其碳循环研究进展488-498

作者：吴泽燕; 章程; 蒋忠诚; 罗为群; 曾发明 单位：中国地质科学院岩溶地质研究所; 自然资源部/广西岩溶动力学重点实验室; 广西桂林541004; 中国地质科学院岩溶地质研究所; 自然资源部岩溶生态系统与石漠化治理重点实验室; 广西桂林541004; 中国地质大学(武汉); 湖北武汉430074; 佛山科学技术学院; 广东佛山528000
期刊：《地球科学进展》2019年第05期
摘要：岩溶关键带的范畴包含了大气-(降水)-植被-土壤-裂隙-基岩-水组成的“碳-水-钙”循环强烈的表层岩溶带以及岩溶管道-洞穴-地下河-隔水层组成的巨大岩溶地下空间,岩溶关键带碳循环是岩溶地球系统科学研究的前沿方向。总结概括了岩溶地球系统科学发展至今的岩溶关键带范畴内碳循环及其对大气CO2源汇效应的研究成果,包括早期碳运移模型、当前主流的区域岩溶碳汇量的计算方法和结果以及“生物碳泵”的新发现等,讨论了当前岩溶碳循环研究框架过于单一或不一致以及碳周转时间尺度等问题,提出应对岩溶关键带碳输入、赋存以及碳输出的各个环节做出系统化监测,通过联网在线高分辨率监测站点的建设以及“3S”技术实现点位到区域的研究,使岩溶碳汇在全球碳循环模型中的重要性更具说服力。

海水痕量元素--有机配体的配分特征与影响因素研究进展499-512

作者：泮枫敏; 袁华茂; 宋金明; 段丽琴 单位：中国科学院海洋生态与环境科学重点实验室; 中国科学院海洋研究所; 山东青岛266071; 中国科学院大学; 北京100049; 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋生态与环境科学功能实验室; 山东青岛266237; 中国科学院海洋大科学中心; 山东青岛266071
期刊：《地球科学进展》2019年第05期
摘要：在痕量元素的海洋生物地球化学循环过程中,有机配体直接控制痕量元素在不同形态及粒径范围内的分配,进而影响痕量元素的迁移转化过程和生物可利用性。深入研究海水中痕量元素-有机配体的配分特征及影响因素,明确有机配体分子量组分及其对痕量元素的配合作用差异,对于了解痕量元素的生物地球化学行为,评估痕量元素的生物可利用性和毒性效应均具有十分重要的意义。对海水中痕量元素-有机配体的分布规律、配分特征及盐度、pH、氧化还原条件和生物活动对配体的影响进行了系统总结。海水中的有机配体一般以低分子量部分为主体,配合能力因元素性质差异存在随分子量增加而提高或降低的不同趋势。除此之外,有机配体的结构、配合能力及分子量分布随水体各物理化学参数的变化而改变。盐度的增加会降低有机配体相邻官能团的静电排斥力从而降低配体的配合能力,还会导致高分子量金属有机配合物发生絮凝和降解而去除。pH的增加不仅可以促使有机配体离子化,还能促进部分痕量元素水解为与有机配体亲和力更高的形式,提高有机配体配合率。氧化还原环境同时影响了痕量元素的价态和有机配体的浓度,间接影响痕量元素-有机配体的配合率。浮游植物利用及微生物分解可以增加低分子量有机配体的比例,从而提高其配合能力,但当生物遭受过量金属离子的毒性胁迫时,其细胞内会释放胞内配体,将致毒元素转化为配合物并排出体外,从而增加水体中痕量元素高分子量有机配体的浓度。未来应结合有机物结构分析技术及痕量元素分离检测技术,系统研究海洋环境中不同分子量有机配体的结构及与痕量元素配合强度的相互关系,进一步揭示痕量元素的迁移转化过程与生态学意义。

海洋环境中铁的来源、微生物作用过程及生态效应513-522

作者：冯世博; 姜玥璐; 蔡中华; 曾艳华; 周进 单位：清华大学环境学院; 北京100084; 清华大学深圳研究生院海洋科学与技术学部; 广东深圳518055
期刊：《地球科学进展》2019年第05期
摘要：铁在地壳中的含量位列第四,在海洋中常以微量元素的身份出现。铁拥有多变的价态和多样的功能,是调节海洋初级生产力和驱动海洋生物地球化学循环的重要力量。以往的研究表明,铁在维持初级生产力、耦合物质循环以及调节生源要素转化中具有重要作用。近年来微生物生态学的发展将铁的研究推向了新的高度,包括微生物驱动的铁氧化-还原行为、代谢过程以及与主要元素(C/N/P)的交互关系等。以近15年发表的文献为重点,尝试综述铁的最新进展。首先梳理了海洋中铁的来源和赋存状态(溶解态、胶体态、颗粒态和有机态);其次阐释了微生物介导的铁氧化还原类型和过程机制(如硝酸盐氧化、生物还原等);最后总结了铁与C/N/P循环的耦合关系以及在特定生态事件中的生态效应。此外,对海洋铁研究的“化学-生物-物理”理论框架也进行了展望,旨在为更好地认识铁循环及其在海洋微生态过程的作用提供资料借鉴。

地球科学进展杂志研究论文

鄂尔多斯盆地北部深埋区“地貌-沉积”控水关键要素研究523-530

作者：杨建; 刘基; 黄浩; 梁向阳 单位：中煤科工集团西安研究院有限公司; 陕西西安710054; 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室; 陕西西安710054
期刊：《地球科学进展》2019年第05期
摘要：鄂尔多斯盆地北部深埋煤田区地表主要有沙漠、基岩台地和黄土沟壑等地貌类型,沙漠区工作面涌水量比其他地貌区大1~2个数量级。为了查清煤层顶板直接充水含水层补给水源、导水通道和充水强度的控制要素,从地形地貌和地质沉积方面开展了研究,结果表明:沙漠地貌地势平缓,降水入渗系数大,第四系厚度大、富水性强,为下伏含水层提供了丰富的补给水源;基岩台地和黄土沟壑地貌,地形起伏大,降水入渗系数极小,浅部地层富水性极弱,是下伏含水层补给能力较弱的水源。陆相沉积形成的砂泥岩互层结构,不存在区域性稳定隔水层,各层段均属于弱-中等富水性含水层,3个矿井的白垩系含水层水位下降了20~130 m,证明浅部与深部含水层存在较密切的水力联系。煤层顶板主要发育七里镇砂岩和真武洞砂岩含水层,为厚度较大的中粗砂岩段,直接充水含水层地质沉积条件相似,但是沙漠区工作面顶板钻孔水量、累计预疏放水量和采空区涌水量均远大于其他地貌区,直接充水含水层富水性主要受地貌控制,深部含水层的水源为大气降水和第四系含水层。沙漠地貌区的不同矿井,工作面顶板钻孔水量、累计预疏放水量、采空区涌水量也存在较大差异,该差异与直接充水含水层厚度和岩性等有关,反映了地质沉积条件也是控制含水层富水性的重要因素。地形地貌和地质沉积是控制直接充水含水层富水性和工作面涌水量的关键要素。

基于局地集合变换卡尔曼滤波的全球海洋资料同化系统设计及算法加速531-539

作者：范峥; 李宏; 刘向文; 徐芳华 单位：清华大学地球系统科学系; 地球系统数值模拟教育部重点实验室; 北京100084; 中国气象局国家气候中心; 北京100081
期刊：《地球科学进展》2019年第05期
摘要：通过对局地集合变换卡尔曼滤波(LETKF)算法的计算时间复杂度的完整分析,发现计算集合空间分析场误差协方差的逆矩阵这一过程计算量最大,耗时最长。且在并行计算环境下,该步骤CPU计算量分配不均是影响计算效率的直接原因。为解决这一问题,采用“贪心算法”设计了一套新的负载均衡策略,并使用该策略开发了一个基于LETKF和并行海洋模块2(POP2)的高性能并行海洋资料同化系统。将2004年1~2月日平均的最优插值海表温度资料(OISST)和同时期的Argo温盐剖面资料同化进入POP2。结果表明,同化有效降低了温度和盐度的均方根误差。同时,在不改变计算结果的前提下,相比原始同化系统,新系统计算性能提升1倍。在更高分辨率(0.1°×0.1°)下,该系统的计算性能仍然可以提升1倍,说明新设计的负载均衡方案稳定可靠。该方案具有很强的可扩展性和移植性,在业务预报中有广泛的应用前景。

地球科学进展杂志全球变化研究

东亚地区MIS 5时期孢粉记录的植被与气候研究进展540-551

作者：雒聪文; 马玉贞; 王凯; 李丹丹 单位：地表过程与资源生态国家重点实验室; 北京师范大学地理科学学部; 北京100875
期刊：《地球科学进展》2019年第05期
摘要：末次间冰期(深海氧同位素5阶段,MIS 5,71~128 ka BP)离现代间冰期最近,对其认识有助于预测未来环境,而化石孢粉是恢复古植被与古气候的重要指标。通过对选择出的东亚地区孢粉记录的具有年代数据和孢粉图谱的古植被和气候研究的综合分析,初步认为:①MIS 5的植被格局可与现代间冰期即全新世的植被格局对比。②各区孢粉记录了MIS 5气候波动,部分地区可划分出5a,5b,5c,5d和5e,存在轨道尺度变化,千年尺度事件较少发现。③东亚季风是影响现代东亚季风区环境的主要因素,但日本可能还受到西风环流和洋流的影响;西风、印度季风和地形是影响青藏高原环境的主要因素。④东亚地区,特别是干旱半干旱区,分辨率较高的孢粉记录的环境变化仍需更深入的研究。

地球科学进展杂志新学科新技术新发现

Argus系统在我国海滩研究中的应用进展与展望552-560

作者：时连强; 郭俊丽; 刘海江; 叶清华 单位：自然资源部第二海洋研究所国家海岛开发与管理研究中心; 浙江杭州310012; 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室; 上海200241; 浙江大学建筑工程学院; 浙江杭州310058; 荷兰三角洲研究院; 荷兰代尔夫特2614HV
期刊：《地球科学进展》2019年第05期
摘要：对海滩系统演变规律的准确把握,依赖于可靠、连续、长期的测量数据。由于Argus视频监测系统具有实时、低成本、操作简单、适应性强、分辨率较高和可提供连续数据等优点,因此,近年来该技术发展迅速,研究应用领域逐渐扩大。在简要说明Argus系统组成的基础上,详细介绍了该系统在我国海滩研究中的应用情况,分析了所提取数据的精度。结果显示垂向误差平均值为0.145 m,平面距离误差平均值为11.73 m,误差大小与到Argus观测站的距离有很大关系,距离越近,误差越小。Argus系统在国外海滩研究中已经获得了比较广泛的应用,而国内尚处于起步阶段,未来有望在海岸工程建设评估、近岸水动力监测与地形反演、海滩旅游管理与河口沙嘴动力地貌变化研究等方面提供更强大和完善的技术支撑。