地学前缘

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“全球变化、圈层相互作用研究与地球系统科学” 主题专辑目次

2025, 32(3): 0-0.

摘要 ( 6 )

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全球变化、层圈相互作用研究与地球系统科学

刘丛强

2025, 32(3): 1-6.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.88

摘要 ( 98 )

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PDF(1409KB) ( 41 )

全球变化是自然过程与人类活动协同作用的结果,是人类活动主导下地球系统发生的结构性转变,其核心在于地球系统有限承载力与人类无限发展需求之间的矛盾,表现为气候、生态系统和社会经济的变化。圈层相互作用是驱动全球变化的关键因素,精准解析和预测圈层相互作用的过程机制、动态演变及相应的气候、环境和生态效应,有助于揭示全球变化的深层机制、准确评估地球系统突变风险和设计切实可行的可持续发展路径。本专辑聚焦全球变化与圈层相互作用前沿科学问题,从地球系统观测、模拟和管理等方面,详细阐述地球系统关键界面过程机制及其与人类活动的互馈关系,概述了当前全球变化和圈层相互作用研究领域的发展现状和进展,梳理了地球系统科学研究面临的挑战和前沿科学问题,展望了未来发展方向,旨在为全球变化科学应对、人类-自然和谐共生以及社会-生态系统可持续发展提供坚实的理论支撑。

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表层地球系统的深部过程响应与地表自然灾害

刘静, 孙照通, 王文鑫, 李云帅, 姚文倩, 崔凤珍, 刘丛强

2025, 32(3): 7-22.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.11

摘要 ( 91 )

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PDF(4724KB) ( 29 )

地球深部过程对表层地球系统的影响构成了地球系统科学研究的核心议题。通过构造运动和火山喷发等多种机制,深部过程改变了物质循环和能量传输的深浅部模式,进而对表层地球系统产生深远影响。这种影响具体表现在以下几个方面:(1)构造活动通过地形的重塑,调控了流域尺度的侵蚀-沉积过程;(2)火山活动和构造运动通过改变大气成分和环流格局,在地质时间尺度上驱动了气候变化,其中硅酸盐风化作用在调节大气中CO₂浓度方面扮演了关键角色;(3)深部过程可能引发生态系统演化中的生物灭绝事件,同时也能促进生物多样性的形成;(4)在全球气候变化的背景下,地震和地质灾害通过影响社会-生态系统的稳定性,可能进一步加剧其不稳定性。随着观测技术的持续进步,地球系统科学研究将继续深入理解表层地球系统对深部过程的响应机制、量化其影响强度、预测自然灾害的演化趋势,以及增强社会-生态系统对灾害的适应能力。本文系统梳理了深部过程-表层系统-社会生态的跨尺度耦合机制,有助于理解地球系统整体演化。

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构造-地貌-气候-生态系统动力学研究进展

徐胜, 杨业, 张茂亮, 邵延秀, 李云帅, 徐海, 刘静, 刘丛强

2025, 32(3): 23-34.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.12

摘要 ( 60 )

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PDF(3367KB) ( 22 )

构造-地貌-气候-生态系统的相互作用构成了表层地球系统的核心动力学框架。这些要素之间的内在联系和作用体现了系统科学的属性:构造运动首先塑造了大地地貌格局,并与气候和生态系统形成了相互作用系统;气候因子驱动地貌演变和生态系统变化;生态系统通过生物地球化学循环反馈于地貌和气候。构造-地貌-气候-生态系统的协同作用是表层地球系统演化的核心内容。从地质时间尺度看,板块运动和地貌重组引发了区域气候变化和生物群落更替;在现代尺度上,这种耦合关系塑造了地球表层环境的动态平衡。对构造-地貌-气候-生态系统的系统研究对揭示表层地球系统过程和功能以及服务机理至关重要。本文通过梳理构造与气候和地貌、地貌和气候与生态系统变化的耦合关系,旨在探索构造-地貌-气候-生态系统动力学和表层地球系统科学研究的系统性思路。同时,青藏高原是研究这一主题的天然实验室,其独特的构造活动、复杂的地貌形态、多样化的气候带和敏感的生态系统提供了系统研究的关键平台。围绕青藏高原构造-地貌-气候-生态系统的综合研究,将帮助解决青藏高原表层地球系统科学中的前沿科学问题,为全球环境变化研究提供借鉴。构造-地貌-气候-生态系统动力学研究发展需要注重各要素之间的定量耦合关系与协同演化,深化多学科交叉融合,利用先进的实验测试与观测/监测技术,强调大数据驱动的多尺度整合与人工智能的深度应用,构建地球系统动态耦合模型,以期达到对地球系统多圈层相互作用的深入理解,并为应对全球变化带来的挑战提供理论支撑。

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表层地球系统界面过程与土壤圈演化研究

滕辉, 余光辉, 陈春梅, 郝丽萍, 张坚超, 朱翔宇, 孙富生, 王钺博, 刘丛强

2025, 32(3): 35-51.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.3

摘要 ( 40 )

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土壤圈是表层地球系统中大气圈、水圈、生物圈和岩石圈相互作用的产物,在地球表层系统演变中起着关键作用。本文回顾了控制土壤形成和演化的界面过程,强调了它们复杂的相互作用和反馈机制。土壤圈的形成和演化受物理和化学风化过程、气-水-岩异质反应以及生物有机质-矿物相互作用的协同影响。这些过程在不同的地理、气候和生物条件下有所不同,导致土壤的异质性和组分多样性。本文将界面过程分为两大类:无机圈之间的相互作用和生物与无机圈之间的相互作用。无机圈之间的相互作用包括空气和水对岩石的改造、热交换、风蚀、水-岩反应和成岩作用。这些过程对母质的物理分解和化学转变至关重要。生物与无机圈之间的相互作用包括光合作用、呼吸作用和微生物降解有机物的有机碳输入和输出,以及生物转化,其中涉及生物矿物营养素的释放和矿物-有机质聚集体的形成。本文探讨了土壤圈与生物圈的关系,强调了土壤与生态系统之间的物质和能量交换及其对生态系统的支撑作用。此外,本文还讨论了土壤在生态系统服务中的作用,如生产力、生物多样性维护和气候调节。最后,本文强调了多时间和多空间尺度研究的重要性,以了解地表过程对土壤圈演化的影响,并确定未来的研究热点。总体而言,本文详细概述了驱动土壤形成和演化的界面过程,强调了它们在维持生态平衡、支持人类活动和应对全球环境挑战方面的重要性。

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全球变化下生态水文学发展与展望

陈喜, 董建志, 王礼春, 张永根, 王学静, 狄崇利, 高满, 刘丛强

2025, 32(3): 52-61.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.13

摘要 ( 41 )

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在全球变化背景下,生态水文研究的时空尺度得到了极大的拓展,研究内容从水与生物之间的互馈关系及其变化,延伸至水与其他非生物要素(如大气、土壤、岩石)以及人类活动之间的互馈关系及其演变机制。本文基于地球系统科学理念,结合全球变化下生态水文面临的挑战以及研究范式转变,从“土壤-植被-大气”连续体(SPAC)、地球关键带以及流域等多维度探讨生态水文学过程,阐释水分、能量和物质在基岩、土壤、植被和大气界面之间的传输与交换机制以及植被生长对土壤结构和水分动态的反馈作用,论述气候变化和人类活动影响下基岩风化、土壤形成与生态水文过程的协同演变及其对水文循环和物质平衡的影响,并讨论了流域作为连接全球与局地尺度的关键中间单元的重要性。面向水-生态资源可持续利用需求,提出了在人工智能背景下生态水文研究的可能突破途径,包括多源数据融合、物理过程与机器学习结合的建模方法,以及跨学科协作的研究范式。本文旨在构建生态-水文-社会协同发展理论框架,为提升生态系统质量、保障水资源可持续利用、促进社会经济绿色发展提供科学依据和决策支持。

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流域生物地球化学循环与表层地球系统层圈相互作用

李思亮, 王欣楚, 戚羽霖, 钟君, 丁虎, 文航, 刘学炎, 郎赟超, 易沅壁, 王宝利, 刘丛强

2025, 32(3): 62-77.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.5

摘要 ( 34 )

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流域是表层地球系统中相对独立的单元或子系统,通过对流域系统性和综合性的研究能更深刻地理解表层地球系统层圈相互作用。流域物质循环是全球生物地球化学循环的重要组成部分,反映了表层地球系统各层圈之间的能量和物质循环状态,同时也反作用于各层圈的运行和维持。本研究综述了流域生物地球化学循环与地球层圈相互作用之间的关联机制,重点探讨了人类世以来强烈人为活动和全球气候变化对流域物质循环和生态环境的影响。首先分析了流域生物地球化学循环特征及其与全球变化的相互关联,其次剖析了流域生物地球化学循环与全球环境变化之间的互馈作用,以及人类世人为活动对流域生物地球化学循环的强烈扰动,然后解析了流域过程与全球生态系统之间的相互联系和作用机制。综合分析表明人类世以来强烈的人为活动极大地扰动/加速了地表部分物质循环,导致流域系统多个关键变量参数超过生态环境突变临界点,也极大地影响多层圈物质循环和地球系统的稳定维持。最后根据当前流域科学发展态势与挑战,提出了流域生物地球化学循环的研究前沿,通过研究范式变革、人工智能和多同位素等多学科新方法技术融合,指明了微生物等多因素驱动新机制以及构建流域动态系统模型等新方向,最终为深刻理解表层地球系统层圈作用的运行机制和人类可持续发展提供科学基础。

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表层地球系统科学视角下的生态系统科学研究

王铁军, 晏智锋, 宋照亮, 周浩然, 孙新超, 陈伟, 李攀, 刘丛强

2025, 32(3): 78-91.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.10

摘要 ( 28 )

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表层地球系统科学强调地球圈层间相互作用的整体性、动态平衡和互馈机制,为研究生态系统的结构、功能及其演变规律以及人类活动的影响提供了新的理论框架和方法体系。本文从表层地球系统科学的视角出发,探讨了生态系统科学在相关研究领域中的地位和作用,并梳理了当前的热点议题和面临的挑战。首先,讨论了表层地球系统科学与生态系统科学的关系:前者关注地球表层各圈层之间的相互作用及其整体行为,后者通过研究生态系统能量和物质流动,探究与其他圈层之间的协同演变机制。其次,探讨了表层地球系统科学对生态系统科学研究的理论革新,特别是多圈层耦合框架和复杂系统理论的引入,推动了生态系统科学从局部到全球、从静态到动态的研究范式转变。结合从局部观测到全球整合的发展趋势,本文还讨论了系统观测与数据集成、跨尺度建模技术、新兴技术和指标等在生态系统科学研究中的重要应用。从多圈层相互作用的角度出发,讨论了全球变化背景下生态系统与其他地表圈层间的关联关系,以及对全球变化的响应与适应机制等问题,表明通过整合不同圈层间的互作机制,可以为研究生态系统稳定性和服务功能等提供重要的科学基础。最后,面对人类活动加剧的全球变化,本文指出生态系统科学需要进一步整合遥感技术、大数据分析和人工智能等新兴技术,以深刻揭示人类世背景下生态系统的演变规律以及非线性响应机制和临界阈值等问题,为全球可持续发展提供科学依据和决策支持。

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地-气界面科学与全球变化研究

傅平青, 胡伟, 赵曦, 徐占杰, 丁士元, 吴礼彬, 邓君俊, 姜哲, 李晓东, 朱佳雷, 刘丛强

2025, 32(3): 92-104.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.1

摘要 ( 37 )

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随着全球变化加剧,地-气界面作为地球系统中关键的物质与能量交换界面,成为理解气候变化、生态演变以及地球系统反馈机制的重要窗口。地-气界面过程涉及大气与陆地、海洋之间的能量与物质交换,是陆地和海洋生态系统动态变化的核心,直接影响地球系统的演变。地-气界面科学研究对于深入理解地球系统的动力学过程至关重要,是地球系统科学中的重要前沿问题之一。本文首先概述了地球系统科学视角下的地-气界面科学研究,总结了地球系统结构中的地-气界面及其作用,以及地-气界面物质与能量交换过程与全球变化的关系。其次,综述了地-气界面过程对大气环境的影响,地-气界面过程对生态系统的碳、氮等元素循环、水循环及其功能服务的影响,以及陆-海-气系统作用与全球气候变化。最后,提出了地-气界面科学研究的前沿与挑战,包括建设地-气界面科学的多尺度跨学科研究体系,如天-地-空立体观测系统优化、地-气界面过程的模式研究与多尺度耦合机制、人工智能时代的地-气界面科学研究等,极地、高山和滨海等生态和气候敏感区的地-气界面过程及影响等。地-气界面科学研究将在气候变化应对、生态环境保护和可持续发展等领域发挥更加重要的作用。

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社会-生态系统科学与人类世可持续发展

李磊, 徐鹏, 曾昭, 赵丹丹, 马韶君, 刘丛强

2025, 32(3): 105-117.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.4

摘要 ( 23 )

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社会-生态系统科学在“人类世”背景下,为应对全球可持续发展挑战提供了重要理论指导与实践路径。本文首先从社会、经济、环境与生态四个维度分析当前全球可持续发展目标面临的主要挑战;其次,梳理了社会-生态系统科学的理论框架及历史演进,阐明了这一跨学科整合框架在全球变化背景下的应用前景;第三,本文聚焦社会-生态系统科学在促进跨部门协作、优化资源配置和推动政策创新中的核心作用,揭示了其在推动全球可持续发展目标实现中的关键意义;最后,本文展望了社会-生态系统科学的未来研究方向,特别强调了跨学科合作、系统建模与技术创新在实现可持续发展目标中的决定性作用。

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地球系统数值模拟研究进展与科学前沿

朱佳雷, 董建志, 张永根, 孙少波, 姜哲, 周浩然, 赵曦, 李攀, 陈伟, 王礼春, 李新, 刘丛强

2025, 32(3): 118-136.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.9

摘要 ( 41 )

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地球系统模式是理解和预测全球变化的核心工具,近年来取得了显著进展。其性能提升体现在圈层耦合过程的精细化发展,以及圈层内复杂物理和化学过程的逐步引入。不确定性的降低则得益于新方法和新技术的发展和应用。然而,地球系统模式仍面临诸多挑战,包括对复杂交互过程的表征能力不足、社会-生态系统过程模拟的局限性,以及区域极端事件模拟能力的提升需求。未来的发展需深化跨学科协作,借助新技术强化数据获取与模型预测能力,同时聚焦社会-生态系统过程及其影响机制的研究,以增强对区域极端事件的模拟与预测能力,构建完善的陆-海-气-人相互耦合的新一代地球系统模式,为人类社会的可持续发展及全球变化的应对和预测提供更科学的支撑。

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同位素地球化学与地球系统圈层相互作用和全球变化研究

陈玖斌, 郑旺, 刘羿, 孙若愚, 袁玮, 孟梅, 蔡虹明, 刘丛强

2025, 32(3): 137-155.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.2

摘要 ( 41 )

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地球系统是由地质圈、生物圈和人类圈构成的一个有机整体,研究这一复杂系统各圈层内部和圈层之间的物质能量交换及其动力学机制是地球系统科学研究的核心内容。圈层之间的物质能量交换主要受控于水和主微量元素生物地球化学循环。因此,元素的生物地球化学循环是联系地球系统各圈层的物质基础和制约或影响全球变化的关键机制。此外,在社会经济高速发展背景下,人类活动正深刻改变着元素生物地球化学循环,使地球系统发生前所未有的变化。如何精准刻画元素生物地球化学循环、揭示其动力学机制、预测其未来演变趋势及其对生态系统的影响,已成为地球系统科学前沿研究任务和面临的根本挑战。而同位素可有效追踪物质的跨圈层迁移转化和生物地球化学循环,在圈层相互作用和全球变化研究中发挥着不可替代的作用。本文回顾了近年来传统和非传统稳定同位素在示踪圈层相互作用和全球变化方面的研究现状,总结了地球系统各圈层典型同位素组成分布,阐述了圈层界面过程同位素分馏机制,追踪了人类活动对地球环境-生态系统的影响,梳理了地球系统科学框架下同位素地球化学研究面临的挑战和前沿科学问题。未来,应该在进一步完善同位素地球化学方法和理论基础上,在地球系统框架下开展同位素与地理学、生态学、分子生物学、地球系统模拟、人工智能和大数据等前沿领域交叉融合研究,完善示踪复杂地球系统多圈层、多过程、多要素耦合条件下元素生物地球化学循环的同位素分馏理论框架,突破原有应用范式,获得对圈层相互作用、人类活动与全球变化、环境与生命协同演化等领域前沿科学问题的创新认知。

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地球宜居性演化中的卤素角色:从地质时间尺度看有机卤起源与有机卤呼吸微生物进化

杨毅, 钟音, 汪善全, 王红岩, 廖恒毅, 王欣

2025, 32(3): 156-167.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.50

摘要 ( 27 )

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地球宜居性的演化与大气和海洋中氧气含量的变化密切相关,特别是大氧化事件(Great Oxidation Event,GOE)和新元古代氧化事件(Neoproterozoic Oxygenation Event,NOE)这两个关键的氧化事件。这些事件不仅影响地球的铁矿物形成过程,还对氮循环产生深远影响,如通过增加氧气浓度促进硝酸盐的生物可利用性。同样,卤素循环,包括卤化和脱卤过程,也可能受到早期地球氧化环境的影响。卤化酶,如卤过氧化物酶和卤化酶,需要氧气来氧化卤族元素并产生有机卤化物。因此,氧化事件可能在非生物产生卤化物以及卤化酶的增加和扩散中扮演了重要角色,从而促进地球上成千上万有机卤化物的生产。随着天然有机卤化物数量的增加,脱卤微生物的进化和脱卤基因(例如,还原脱卤酶基因)的水平转移速率可能加速。以脱卤球菌纲微生物为代表的专性脱卤微生物,包括Dehalococcoides和Dehalogenimonas菌株,被推断在寒武系时期出现。此类微生物在有机卤化物的生物地球化学循环中扮演着关键角色,然而关于它们的起源与进化及脱卤基因的演化信息仍然有限,限制了我们对地质时间尺度上卤素循环的理解。本研究旨在探讨地球宜居性演化过程中卤素的角色,特别是有机卤化物的起源和有机卤呼吸微生物的进化。我们将从地质时间尺度的角度,结合生物地球化学循环的视角,分析有机卤化物的生产、脱卤微生物的分布和演化,以及卤化酶和脱卤酶在地球氧化事件中的作用。通过这项研究,我们希望能够更深入地理解卤素循环在地球宜居性演化中的重要性,并为未来的环境管理和生物修复提供科学依据。

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贵州草海0.78 Ma以来古环境演化:来自XRF连续扫描的证据

许聿迪, 刘承帅, 高庭, 刘彧, 尹润生, 孙蕗

2025, 32(3): 168-182.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.60

摘要 ( 26 )

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云贵高原地区气候受到不同季风的显著影响,变化趋势较为复杂。为探究该地区环境变化与全球气候变化的内在联系,本研究选取贵州草海湖泊沉积柱2023CH(D)为研究材料,通过高分辨率X射线荧光(XRF)连续扫描和古地磁分析,结合磁化率、粒度及Al、Si、K、Ca等元素的多元统计分析结果,对草海地区0.78 Ma以来的古环境演化进行探讨。研究发现0.78 Ma以来草海的古环境演化可划分为5个阶段:Ⅰ阶段(0.78~0.66 Ma),草海地区气候基本响应全球气候变化;Ⅱ阶段(0.63~0.33 Ma)草海区域气候在全球气候主导的基础上,也明显响应地轴倾角和岁差周期;Ⅲ阶段(0.32~0.22 Ma)为相对温和的冰期凉湿气候,条件适宜碳酸盐岩大量淋溶;Ⅳ阶段(0.21~0.12 Ma)总体呈现冷干气候,早晚两段偏暖湿,物理和化学风化的相对强度均较好地响应岁差周期;Ⅴ阶段(0.12~0.02 Ma)整体趋于冷干,但气候在亚轨道尺度上于冷干-暖湿之间快速振荡,且波动幅度呈增大趋势。草海的气候演化同时受到轨道周期和亚轨道周期影响,不同古环境代用指标对轨道周期的响应存在差异。植被覆盖率受亚洲季风强度的显著影响,其变化主要受全球气候的调控,而物理风化、化学风化相对强度和降雨量对倾角和岁差周期响应更敏感。草海地区气候波动呈现频率更快且更加极端的趋势。总体而言,草海地区气候对全球变化的响应较为复杂,其背后的驱动机制尚需进一步探讨。

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基于流域系统水文水环境耦合模型的氮循环研究进展

弓耀奇, 岳甫均, 刘鑫, 郭田丽, 王浩阳, 李思亮

2025, 32(3): 183-195.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.19

摘要 ( 27 )

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在气候变化和强人类活动等多重因素的耦合影响下,活性氮输入过量,加剧了陆地生态系统氮素向水生生态系统的流失,影响了流域水环境质量。识别流域内氮素来源及其转化过程的时空变化特征,已成为防控流失及改善环境质量的首要任务。由于氮的来源多样、生物地球化学过程复杂,且受到诸多因素的耦合影响,限制了对流域系统氮循环的科学认知。在众多的研究方法中,模型模拟因具有灵活性高、系统性强、可多场景模拟分析等诸多优点,已成为揭示流域系统氮迁移转化及动态变化过程的重要手段。本文综述了流域水文模型及流域土壤、地表水与地下水氮素迁移模型的特征,对比了模型的原理、特点与研究范例。结果表明,在影响氮循环的诸多因素中,无序的强人为干扰、极端气候变化已成为扰动流域氮循环的重要因素。水文过程驱动下的水-氮耦合多过程、多机制研究尤为重要,基于此构建的水文生物地球化学模型(如CNMM-DNDC、PIHM等),已成为获取流域系统氮素时空分布规律及其预测分析的重要手段。此外,大数据与过程机理模型相结合已成为揭示氮循环过程中复杂问题的重要途径。通过综合诸多模型对空间格局、人为影响强度的适用性,梳理出针对受强人类干扰的滨海平原河网区氮循环适用模型,以加深对海陆交错带滨海流域地表水、地下水及海水相互作用下的氮循环科学认知,更全面、科学地评估滨海平原河网系统水环境质量与环境效应。

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大气中氨基酸的研究进展与展望

吴礼彬, 白景淇, 赵青茈, 傅平青

2025, 32(3): 196-206.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.16

摘要 ( 30 )

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氮循环是全球生物地球化学循环的重要组成部分,人类活动强度升高导致全球活性氮的排放增多,使得氮循环过程失衡,带来一系列生态环境问题。氮是大气气溶胶的重要组分,包括氨基酸在内的大气有机氮对氮循环和环境变化有重要影响。本文对大气中氨基酸的检测方法、成分组成、时空分布、来源和转化规律,以及环境效应等进行了综述。使用液相色谱-质谱、气相色谱-质谱和气相色谱-稳定同位素质谱等仪器可以检测氨基酸的含量、L型和D型氨基酸的含量,以及甘氨酸等单体氨基酸的同位素组成。大气中氨基酸的成分组成、粒径分布和分布规律受采样时间、地理位置和传输过程的影响。甘氨酸通常是大气气溶胶中丰度最高的游离态和结合态氨基酸。氨基酸的来源多样,包括生物和土壤释放、海洋泡沫破裂、生物质燃烧、人为排放,以及二次生成过程等。氨基酸可以影响大气化学过程、参与成云降雨影响气候、作为生物可利用的氮源,以及对人体健康构成威胁。尽管关于大气氨基酸已经开展了很多研究,但依然存在不足,例如,需要标准统一的氨基酸检测方法进行时空对比,结合多种方法进行源解析以提高其结果的准确性,对氨基酸的环境、气候和健康效应缺乏定量评估。同时,从地-气界面科学,乃至地球系统科学的视角分析和解决相关问题,进行全方位、多圈层、跨学科的创新性交叉研究,可以全面理解大气中氨基酸的循环过程和环境影响。

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闽江入海口透光层光电效应及微生物响应机制

陈丽, 汪淑慧, 袁味奇, 顾文智, 叶捷, 周顺桂

2025, 32(3): 207-217.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.24

摘要 ( 24 )

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非光合微生物的光电营养代谢途径在生态系统能量循环中发挥着重要作用。海洋透光层具有自然光可及、物质能量交换剧烈和生化过程活跃等触发光电营养代谢的基本条件,但其内部光敏物质和微生物的光电响应机制仍未得到充分研究。本研究解析了闽江入海口河口、近岸和近海区域透光层中光敏物质的组成与空间分布、光电响应以及微生物群落结构。结果表明,这3个区域均存在悬浮半导体颗粒、天然色素和溶解性有机质等光敏物质,且其含量随着离岸距离增加而逐渐下降,但近岸区域光合微生物的丰度最高。光电流实验结果显示,近岸区域的光电效应最为显著,可能是由于其具有较为丰富的光敏物质和较少的共存物质干扰。微生物群落分析结果表明,海洋透光层中的微生物群落结构表现出显著的光电响应特征,其中电活性微生物的丰度与光敏物质含量呈显著正相关,表明电活性微生物的分布与光敏物质高效光电转化的区域高度一致。因此,天然光敏物质与电活性微生物之间的光电协同作用,有可能为理解海洋碳、氮等元素的生物地球化学循环提供新的理论视角。

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海表温度日变化特征对海陆风模拟的影响研究

肖昀廷, 蔡晨康, 黄亦心, 朱佳雷

2025, 32(3): 218-230.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.17

摘要 ( 21 )

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海陆风是由于陆地和海洋热力差异导致的滨海地区一天内风向明显变化的天气现象,是滨海地区最为显著的区域大气中尺度环流过程之一。海陆风环流的强度、结构对滨海地区的大气边界层高度、大气化学过程、空气质量和辐射平衡等均有影响。作为影响海陆风环流的直接热力条件,海洋表面温度的日变化受太阳辐射、海洋热容量、风速、云量等多种因素综合影响,其对滨海地区海陆风发生发展的影响仍不明确。本研究利用高分辨率海表温度模拟数据结合中尺度天气研究与预报模型(WRF),分析了中国近海典型海域海表温度日变化的特征及其对海陆风的影响机制。研究结果表明:我国近海地区平均海表温度呈现出从南向北递减的趋势,渤海海域年均海温最低,为10.78 ℃,东海海域年均海表温度较渤海海域高94.6%,南海海域的年均海温最高,为25.19 ℃。渤海海域海温日变化的年内波动最大,可达0.55 ℃,最低仅为0.03 ℃,均值为0.25 ℃。东海海域海温日变化波动幅度适中,年均日温差为0.20 ℃,研究期间涉及的最高海温日变化幅度为0.45 ℃,约为渤海海域极值的82.0%,高出南海海域33%以上。通过考虑海温日变化的情景与以往模式海温恒定不变的假设情景对比发现,海温日变化可导致我国近海典型海域海陆风日数量增加,南海滨海地区年海陆风日数量增加了14天,涨幅为56.0%;渤海北部滨海地区年海陆风日数量增长了7天,涨幅为20.0%。从季节来看,海温日变化增加可导致冬季海陆风日数量增多,夏季海陆风日数量减少,对春秋两季的影响不大,从而导致我国沿海地区海陆风日季节差异减小。

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红壤关键带质子产生和消耗及其环境效应综述

杨金玲, 董岳, 冯文澜, 张昊哲, 张甘霖

2025, 32(3): 231-247.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.27

摘要 ( 19 )

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红壤在我国农业及经济社会可持续发展中占有重要地位。红壤关键带实质上是红壤区域自然和人为共同作用下由水-土-气-生-岩构成的地球表层系统。本文综述了红壤的酸化现状、红壤关键带中质子(H⁺)产生和消耗的过程与机制,以及这些过程所产生的生态环境效应。从关键带的视角,碳循环是土壤自然酸化过程中H⁺的主要来源。大气酸沉降(H⁺、氮、硫)和植物因生长对盐基离子(K⁺、Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺)的净吸收而产生的H⁺是自然生态系统下红壤中H⁺的主要来源,但化学氮肥施用带来的氮转化过程产生的H⁺和植物收获带走的盐基离子是农田生态系统中红壤酸化加剧的主导因素。氮在土壤中的转化过程和H⁺产生过程复杂,采用氮和氧双同位素的方法,可以定量化水体中硝态氮($\mathrm{NO}_3^{-}\mathrm{-N}$)的来源,从而定量不同来源氮对土壤中H⁺的贡献。矿物风化、阳离子交换、铁铝氧化物缓冲、硫酸根专性吸附和有机质的酸缓冲等均是红壤中存在的重要酸缓冲机制。这些过程交织在一起,不易量化单独的缓冲过程,难以准确定量红壤的酸化速率。借助矿物风化释放的盐基离子与硅的化学计量关系,可以解析不同风化程度的红壤地区H⁺用于硅酸盐风化和盐基交换的比例,从而更好地理解不同风化程度红壤对H⁺缓冲路径的差异。酸化不仅会改变土壤自身的物理和化学特性、活化重金属元素、引起铝毒等,还影响土壤中的微生物和植物生长,氮转化带来的$\mathrm{NO}_3^{-}\mathrm{-N}$迁移和深部累积会对地下水污染带来潜在的风险。质子的消耗过程可以缓解H⁺产生所带来的生态危害。红壤区径流水保持中性,说明土壤消耗了所有输入的H⁺,目前依然具有一定的酸缓冲能力。针对以上红壤关键带的H⁺产生和消耗的研究现状,本文提出了对未来的研究展望,探讨了红壤关键带需要进一步深入探索的相关科学问题。

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环境中微塑料的微生物降解机制与生物强化

丁佳妍, 刘翔宇, 陈旭文, 汤磊, 高彦征

2025, 32(3): 248-262.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.45

摘要 ( 23 )

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作为一类新污染物,环境中微塑料威胁生态安全和人类健康。微生物降解技术因其经济高效、环境友好的特质而备受关注。近些年来,生物膜、酶工程、基因调控等技术在微塑料微生物降解研究中取得重要进展。生物膜降解微塑料的过程通常包括改变表面特性、浸出添加剂、酶或自由基攻击、渗透分解等阶段。细胞外酶可裂解微塑料的大分子结构,细胞内酶则可改变底物结构并处理代谢产物,两者协同作用构建高效酶系统已成为当前研究的重点之一。基于基因工程技术,以往已培育了多种工程菌株,通过生物信息学挖掘功能基因、解析代谢途径,并结合宏基因组修饰技术,显著提升了微塑料的降解效率。本文综述了微生物降解微塑料的最新研究进展,剖析了微塑料降解功能微生物的物种多样性、降解代谢途径及其机制等。已有研究表明,细菌、真菌和微藻等多种微生物皆具备降解微塑料的能力,其中复合菌群的协同作用尤为显著。细菌主要通过分泌水解酶和氧化酶,切断大分子链或改变塑料化学结构来降解微塑料;真菌则依靠分泌细胞内、外酶及生物表面活性剂,将微塑料分解为单体,菌丝还能增强作用效果;微藻可借助光合作用,分泌毒素、酶以及胞外聚合物促进降解。微塑料的降解通常经历生物劣化、碎片化、同化及矿化四个阶段,不同微生物对聚乙烯、聚苯乙烯等各类微塑料降解效率及机制存在差异。本综述为深入探究微塑料微生物降解原理、进一步发展微生物降解微塑料的方法和技术提供了依据。

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清洁燃料应用对船舶源硫酸盐气溶胶辐射效应的影响研究

孙亦旸, 张蓓, 赵曦, 朱佳雷

2025, 32(3): 263-273.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.20

摘要 ( 18 )

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船舶排放SO₂在海洋大气中形成的硫酸盐气溶胶(PSO₄)可通过气溶胶辐射效应对气候产生显著影响,主要通过直接辐射效应(DRE)和间接辐射效应(IRE)对地球系统产生净冷却效应。本文利用地球系统模式和全球船舶排放清单,研究了在现行的全球0.5%燃料含硫量法规(0.5% S)控制下,以及将部分管控区的0.1%含硫量规定推行至全球的情景下(0.1% S),船舶源PSO₄及其辐射效应的变化。结果表明:0.5% S控制下船舶源PSO₄浓度全球均值为(58.2±6.5) μg·m^-2,产生(-10.4±1.6) mW·m^-2的DRE。IRE是船舶源PSO₄辐射效应的主要部分,0.5% S控制下船舶源PSO₄的IRE约为(-64.7±40.5) mW·m^-2。航线上的船舶源PSO₄浓度平均约为200 μg·m^-2,辐射效应可达-600 mW·m^-2。相比于现行0.5% S法规,在0.1% S情景下,船舶源PSO₄浓度减小了约80%。而从辐射效应来看,全球平均DRE下降至(-2.1±0.4) mW·m^-2,IRE则下降至(-15.2±11.2) mW·m^-2,总辐射效应减弱77%。船舶源PSO₄的辐射效应时空分布很不均匀。在全球范围内,总辐射效应在北半球,尤其是船舶航线密集的北大西洋、北太平洋以及北印度洋的沿岸最大,可达约-350 mW·m^-2。南北半球辐射效应最强的季节均为各自半球的夏季。全球平均水平表明,北半球夏季时船舶源PSO₄的总辐射效应最强(-34.9 mW·m^-2),部分区域可接近-1 200 mW·m^-2;北半球冬季最弱,仅为夏季的不到四分之一。在全球使用更清洁的船舶燃料在减少大气污染的同时也将大幅减弱船舶源PSO₄的制冷辐射效应。

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青藏高原周缘始新世—渐新世气候转换期风化演变及其对全球及区域气候环境变化的响应

崔灏, 韦刚健

2025, 32(3): 274-287.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.23

摘要 ( 36 )

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始新世—渐新世的气候转型(Eocene-Oligocene Transition,EOT)是新生代时期最为显著的全球降温事件之一,标志着地球气候系统从“温室”向“冷室”模式的关键转变。虽然深海沉积物较为一致地记录了这一降温事件,但众多陆相沉积记录却显示不同区域的气候响应呈现出显著的空间差异,凸显了全球气候背景与区域环境相互作用的重要性。青藏高原隆升显著影响全球大陆风化的格局,与新生代全球气候变化有密切关系,因而高原周缘的大陆风化演变是反映全球与区域气候变化的良好指示。本文汇总了晚始新世—渐新世青藏高原周缘大陆风化的演变记录,结合我们在青藏高原东南缘吕合盆地35~26 Ma期间的风化历史,探索这一时期青藏高原周缘风化演变的共同性和差异性。结果显示:青藏高原北部大部分区域自晚始新世起的风化强度便开始下降并延续至渐新世,与降温和干旱化过程相耦合;而东南缘则表现为多阶段的温度波动及持续湿润的气候特征。这种区域性差异主要由全球降温、构造隆升和季风系统演化的共同调控驱动。本研究为理解青藏高原不同区域在EOT期间的风化模式及其驱动机制提供了重要线索。

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全球变化背景下天然源痕量活性有机气体研究进展与展望

张艳利, 冉浩汎, 曾建强, 鲁钰婷, 庞伟华, 郭昊, 王新明

2025, 32(3): 288-310.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.26

摘要 ( 21 )

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天然源痕量活性有机气体,也叫生物源挥发性有机化合物(BVOCs),是地球系统中重要的痕量活性有机气体,对全球碳循环、大气化学和气候调控具有重要作用。BVOCs在大气中通过与氧化剂(如羟基自由基OH、臭氧O₃和NO₃自由基)快速反应,驱动二次有机气溶胶(SOA)的生成,调节大气辐射强迫,影响区域和全球气候。同时,BVOCs通过对流层与平流层臭氧的交互作用影响大气中羟基自由基(OH)的浓度,间接参与温室气体的生命周期调控。全球BVOCs排放量估计为每年1 000 Tg碳以上,主要来自森林生态系统,其中异戊二烯和单萜占主导地位。近年来,BVOCs排放的观测技术取得了显著进展,从传统的离线采样与气相色谱-质谱(GC-MS)分析到高时间分辨率的在线技术(如质子转移反应质谱PTR-MS和飞行时间质谱PTR-ToF-MS),极大提高了BVOCs排放数据的时间分辨率与化学精度。此外,基于无人机、卫星遥感与地基通量塔的多尺度监测技术,也为区域BVOCs排放的时空动态研究提供了新工具。结合动态箱法、涡度相关法和建模模拟,研究人员逐步构建了更精确的BVOCs排放清单,为理解其与气候变化的复杂反馈机制奠定了基础。环境因子对BVOCs排放的影响研究日益深入。光照和温度是控制BVOCs排放的关键因子,光照强度变化直接影响光合作用及异戊二烯的排放,而温度升高则加速BVOCs的生物合成和挥发。二氧化碳(CO₂)浓度的升高可能通过光合作用调节BVOCs的排放强度,同时降低气孔导度减少BVOCs的释放速率,但其长期效应可能因植物种类和适应机制的差异而有所变化。臭氧(O₃)浓度升高对BVOCs的作用具有双重效应:一方面通过胁迫反应诱导BVOCs的防御性释放,另一方面可能损伤叶片并抑制排放。气溶胶浓度和BVOCs之间存在重要的正反馈机制,高BVOCs排放可促进SOA生成,而SOA形成反过来通过散射光效应影响光合作用与BVOCs排放。氮循环改变对BVOCs排放的影响较为复杂,高氮输入可能通过改变植物养分分配与代谢路径,增加某些BVOCs的排放或抑制其他种类BVOCs的合成。未来全球变化情景下,气候变暖、极端天气频发和CO₂浓度持续升高可能显著改变BVOCs的排放模式及其与大气化学和气候系统的耦合机制。综合利用观测和建模技术,加强对多因子交互作用及长时间尺度下BVOCs排放的定量研究,将为揭示BVOCs的多圈层耦合作用机制提供重要支撑,并为气候变化和大气化学研究提供新的科学视角。

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水体硅碳化学计量趋同的浮游植物驱动机制

李婉珠, 王宝利, 刘丛强

2025, 32(3): 311-319.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.22

摘要 ( 24 )

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浮游植物元素化学计量比对其生境中营养元素可利用性变化的响应与反馈研究,是理解水生生态系统结构和功能相互关系的关键要素。水体中硅(Si)碳(C)化学计量比的动态变化一定程度上能够反映其中Si-C生物地球化学循环的耦合关系,但目前浮游植物Si∶C计量比与溶解硅(DSi)和CO₂浓度的相互作用模式和潜在机制尚不清楚。在此,我们发现湖泊浮游植物Si∶C摩尔比随年际变化趋向于与其生境中DSi∶CO₂摩尔比一致(即硅碳化学计量趋同),且这种趋同是由浮游植物群落演替来驱动的。不同类型内陆水体(河流、湖泊、水库和湿地)大空间尺度调查结果显示浮游植物Si∶C摩尔比和DSi∶CO₂摩尔比空间差异显著,大都偏离Redfield比例。随机森林分析显示,硅藻门相对丰度、水温和溶解无机氮是浮游植物Si∶C比形成的重要预测因子。宏转录组学证据表明,伴随着浮游植物群落演替,其分子水平上蛋白质周转响应并反馈DSi∶CO₂比变化,进而导致水体硅碳化学计量趋同。这些发现为水体浮游植物化学计量学的认识提供了新的见解。硅碳化学计量趋同在一定程度上可以表征表层地球系统岩石圈、水圈和生物圈之间的相互作用,并为描述水生生态系统结构和功能对环境变化的响应提供了一种定量模式。

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有机分子组成揭示渤海西岸末次盛冰期以来海平面变化对滨海湿地生态演化的影响

王鑫宇, 徐海, 王晶, 杨妍, 王福, 刘丛强

2025, 32(3): 320-333.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.21

摘要 ( 30 )

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滨海湿地生态系统是重要的生态系统之一,对环境变化响应敏感。海平面变化会直接影响滨海湿地的物质来源,进而影响湿地生态系统演化。然而,由于可靠地质记录的相对稀缺,长时间尺度海平面变化对滨海湿地生态系统的影响尚未全面澄清。本文旨在从沉积物有机分子组成视角探讨末次盛冰期(约22 000 a BP)以来渤海西岸海平面变化对滨海湿地生态系统演化的影响。本文基于超高分辨率傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)技术分析了渤海西岸沉积物有机分子组成,结果表明末次盛冰期沉积物内源脂肪族化合物占比较高,在海平面较现代海平面平均低约130 m,在渤海西岸滨海湿地不发育情境下该区可能存在局部水系并发育湖沼环境。进入全新世,海平面快速上升,本文岩心的两个海相地层记录了约7 100~6 900 a BP和约6 000~5 650 a BP两次海侵事件;约5 650 a BP以后,海平面相对稳定但缓慢下降,海岸线逐渐后退,形成了6道古海岸线和6期潟湖洼地。本研究表明滨海沉积物有机质CHO组分对海平面变化引起的环境变迁响应灵敏,有机质H/C和O/C的变化趋势指示滨海湿地在约8 050~4 850 a BP经历了陆相—海相—陆相的环境转变。其中约8 050 a BP和约4 850 a BP较高的O/C和较低的H/C表明这两个时期渤海西岸可能发育潟湖洼地,有机质主要来自陆生、半水生植物及土壤微生物活动;约5 700 a BP内源脂肪族化合物占比明显较高,表明滨海湿地转变为海洋环境,有机质主要来源转变为水生藻类和浮游生物。约1 350 a BP内源有机组分占比15.68%,显著高于约8 050 a BP和约4 850 a BP,表明湿地生态演化可能受到较强人类活动的干扰。本文的研究结果为认识海平面变化对滨海湿地生态系统演化的影响提供了新的视角和证据。

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藏南活动断裂带第四纪CO₂释放初探:来自钙华年代学与地球化学的约束

曹晨晞, 张茂亮, 王立胜, 王学锋, 段武辉, 徐胜

2025, 32(3): 334-349.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.68

摘要 ( 24 )

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青藏高原南部构造运动活跃,为深源含碳流体的形成和释放创造了有利条件,使其成为现今全球最重要的深部碳释放地区之一。如何估算地质历史时期构造运动导致的深部碳释放通量是探索青藏高原生长动力学过程对深部碳释放影响的重要科学问题,也是重建印度-亚洲大陆碰撞造山带地质碳循环的关键环节。活动断裂带内广泛出露的钙华沉积物为回溯地质碳排放提供了理想对象。本研究对青藏高原南部活动断裂带的44个钙华样品进行了铀系年代学、矿物学、元素和同位素地球化学分析,结果显示:(1)钙华U-Th年龄为267.3~1.8 kyr B.P.,形成于中更新世至全新世,沉积速率约为0.02~1.49 mm·yr^-1;(2)钙华主要由方解石组成,个别具有方解石和文石混合特征,CaCO₃平均含量为94.2%;(3)碳-氧同位素组成(δ¹³C_V-PDB=-3.1‰~+8.6‰;δ¹⁸O_V-SMOW=-0.5‰~+15.0‰)显示钙华具有热成因性质,沉积过程中受到不同程度的CO₂脱气、泉水沸腾及蒸发作用的影响;深部碳是钙华中总碳的最主要来源。基于钙华体积、孔隙度、CaCO₃含量以及沉积时间,估算得到研究区伴随钙华沉淀释放的CO₂通量处于10⁴~10⁶ mol·km^-2·yr^-1数量级,与意大利中西部构造活跃区的部分钙华沉积区相当。本研究为理解藏南活动断裂带中钙华的形成年代、成因机制以及CO₂释放通量提供了新视角,对于全面认识印度-亚洲大陆碰撞造山带的深部碳循环特征具有重要意义。

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青藏高原典型时段火山活动碳释放规模及其环境意义

谢显刚, 赵文斌, 张茂亮, 郭正府, 徐胜

2025, 32(3): 350-361.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.41

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火山活动等地球深部过程对气候环境的影响是全球变化研究领域的重要议题。新生代青藏高原隆升伴随着多期火山活动和深部碳释放,并且这一时期大气CO₂浓度发生阶段性变化,亚洲气候环境格局由行星风系主控转向季风主控。然而,青藏高原火山活动与气候环境变化之间的内在联系尚不明确,原因在于缺乏火山活动深部碳释放规模的直接约束。本文聚焦青藏高原碰撞后火山活动,以拉萨地块查孜、米巴勒地区的中新世火山岩和羌塘地块依布茶卡、俄久买马、鱼鳞山地区的渐新世火山岩为研究对象,利用激光原位拉曼光谱测定了火山岩斑晶的熔体包裹体CO₂浓度,进而结合火山岩体积和年龄等参数,估算了拉萨地块中新世火山活动和羌塘地块渐新世火山活动的CO₂释放通量。结果表明,拉萨地块和羌塘地块火山岩CO₂平均浓度分别为(1.73±0.59)%和(0.46±0.07)%,由此计算得到的拉萨地块中新世火山活动和羌塘地块渐新世火山活动CO₂释放通量分别为(0.252±0.091) Pg·a^-1和(0.012±0.002) Pg·a^-1。羌塘地块较低的渐新世火山CO₂释放通量与同时期大气CO₂浓度快速下降特征一致;拉萨地块较高的中新世火山CO₂释放通量可能对中中新世气候适宜期的大气CO₂浓度峰值有一定贡献。青藏高原火山活动深部碳释放通量与大气CO₂浓度的近似同步变化特征表明,印度-亚洲大陆碰撞和俯冲导致的火山活动是新生代大气碳收支的重要影响因素。

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大气中氨基酸的来源及氮同位素分馏机制

朱仁果, 肖化云

2025, 32(3): 362-374.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.25

摘要 ( 20 )

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近年来气溶胶中包括游离态氨基酸(FAAs)和结合态氨基酸(CAAs)在内的蛋白质类物质已被广泛关注。这是因为氨基酸在全球气候变化、空气污染物的去除效率、大气氮的生物利用性、二次有机气溶胶的形成以及对人体健康的影响等方面发挥着重要作用。本文将重点阐述氨基酸单体的稳定氮同位素这一新技术在示踪大气氨基酸来源和转化过程中的应用,综述潜在大气释放源中氨基酸单体的稳定氮同位素特征及其在燃烧和大气过程中的稳定氮同位素分馏机制。在未来的工作中需进一步研究不同粒径大小、不同气象条件下和特殊污染事件中的氨基酸单体的同位素分馏机制,这将有助于阐明氨基酸在云和降水形成、气候变化以及污染事件中所发挥的作用和贡献。

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河流汞同位素研究进展

何晟, 蔡虹明, 袁玮, 陈玖斌

2025, 32(3): 375-391.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.34

摘要 ( 22 )

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河流是有毒重金属汞跨圈层循环的重要通道,因而明确河流汞的迁移转化对了解其全球生物地球化学循环和生态环境效应至关重要。近十五年来,具有独特“三维”分馏体系的汞同位素已被证实是示踪河流汞来源-转化-归趋的有效手段。成熟的前处理和分析方法是开展河流汞同位素研究的前提。本文首先概括了适用于河流不同形态汞提纯和浓缩以进行同位素检测方法,包括用于溶解态总汞同位素分析的离子交换树脂法和吹扫捕集法、用于颗粒态总汞同位素分析的热解法和消解法以及用于甲基汞同位素分析的蒸馏-气相色谱法和蒸馏-离子交换树脂法。其次,本文系统讨论了汞同位素在河流汞来源解析、过程示踪和归趋判定三方面的应用成果,包括:(1)汇总河流样品和储库汞同位素组成,并定量解析了河流不同形态汞的来源及各端员的贡献比例;(2)依据不同转化过程的同位素分馏系数,揭示汞在储库释放、河流迁移及入海过程中的地球化学行为及其控制因素;(3)整合河流和海洋样品汞同位素组成,明确河流汞的环境归趋和生态效应。最后,本文将汞同位素嵌入河流-近海汞通量模型,进而评估了近海汞源汇平衡状态。目前,河流汞同位素研究仍处于起步阶段,未来研究应继续发展不同形态汞同位素分析方法和分馏机理,厘清人类活动和气候变化双重影响下大型河流与土壤、大气、海洋和生物等系统或圈层互作中汞的地球化学循环,为制定汞环境保护政策提供科学依据。

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大气宇宙成因核素¹⁰Be在地球科学研究中的应用:进展与展望

杨睿涵, 杨业, 曹振平, 徐胜

2025, 32(3): 392-407.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.40

摘要 ( 32 )

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高能宇宙射线及其次级粒子与大气和地表物质中的原子发生反应,分别生成大气和原位宇宙成因核素。大气成因¹⁰Be主要由散裂中子与大气中的氧和氮原子发生核反应生成,被气溶胶吸附后在大气层中迁移并通过干湿沉降过程沉积到地表。相比于¹⁴C,¹⁰Be具有更长的半衰期(1.387 Ma),定年尺度可达数个百万年。相比于原位成因¹⁰Be,大气成因¹⁰Be不仅可以作为年代学和地表风化剥蚀指标,同时也可以重建古地磁场强度和古气候降水变化。大气成因¹⁰Be具有应用范围广、自然界核素浓度高和实验室前处理简单等优势,有利于核素的实验室提取和加速器质谱分析。尽管大气成因¹⁰Be已经在各个领域中广泛应用,但对古地磁场强度、古气候降水、风化剥蚀通量、年代学等指标的适用性研究仍缺乏系统梳理和深入讨论。本文综述了大气成因¹⁰Be指标的基本原理和不同研究实例(如海洋沉积物、黄土沉积物、冰芯、河流沉积物等),探讨了大气成因¹⁰Be指标在表层地球系统科学研究中的适用性,并初步展望了大气成因¹⁰Be研究的机遇和挑战。

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铜锌稳定同位素对特殊生命过程:癌症的指示意义

刘文奇, 王柱红, 刘洋, 马宁, 陈岩, 郑旺, 刘红, 陈玖斌

2025, 32(3): 408-424.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.35

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微量金属元素在生命过程中扮演重要角色,其含量和分布由生物系统严格调节,并直接受到外部环境的影响。铜和锌在免疫调节、蛋白质合成和催化反应等方面发挥特定作用,其稳态失衡可能导致氧化应激反应、炎症损伤甚至疾病。研究表明,金属稳定同位素在地质、环境过程中普遍发生分馏,成为环境金属来源的有效示踪手段。而生物新陈代谢过程中,氧化还原反应、配体结合能改变等也会造成明显金属稳定同位素分馏。因此,研究生物体金属稳定同位素的组成、分布与平衡,有助于深入理解金属稳态及相关代谢过程。本文在系统总结了人体铜、锌同位素分布特征,阐述了性别、年龄、饮食习惯和环境暴露等因素对铜、锌同位素分馏影响的基础上,主要总结和讨论了癌症演进过程中人体铜、锌同位素稳态失衡的过程机制。结果表明,在癌症发展过程中,铜和锌同位素除分别受到性别和饮食习惯影响外,癌症患者相对健康人群血液明显富集轻铜同位素,而尿液富集轻锌同位素,展示了金属稳定同位素在癌症诊断和预后方面的巨大潜力。未来,应在标准化样品处理流程的基础上,完善人体金属同位素数据库,明确生命过程金属同位素分馏机理,为金属稳定同位素在临床疾病如癌症中的诊断应用奠定理论基础。

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滦河口河岸砂质潜水含水层渗透系数尺度效应分析研究

杨轶群, 李燊琰, 戴君一, 高迪, 周诗雨, 王礼春

2025, 32(3): 425-435.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.18

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渗透系数(K)是表征地下水流动和含水层特征的关键水文地质参数,但在不同尺度上河岸带潜水含水层渗透系数的差异性分析尚缺乏系统性研究。本研究以滦河口河岸带松散砂质潜水含水层为研究对象,结合变水头室内渗流实验、野外微水试验以及解析解反演三种方法,从室内土柱尺度(小尺度)、野外钻孔尺度(中尺度)和场地尺度(大尺度)系统分析了含水层的渗透系数特征。研究结果表明,随着研究尺度的增大,渗透系数逐渐升高,三种尺度下的渗透系数的中值分别为0.71 m/d、12.31 m/d和191 m/d。在小尺度下,渗透系数反映了含水层局部异质性特征;随着尺度的增大,形成了更多的优先流路径,渗透系数显著增大;而在场地尺度上,渗透系数表现为含水层整体等效后的结果。由于不同尺度下渗透系数存在显著差异,在研究河岸带地表水-地下水交换通量、海水入侵等潜水含水层中地下水运动过程时,需要谨慎选择与研究目标和工程需求相匹配尺度的渗透系数。本研究为滦河口地区潜水含水层的开发利用提供基础数据支持,同时可为其他区域含水层渗透系数的尺度转换提供借鉴。

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京津冀地区水资源供需演变面临挑战问题及研究途径

陈喜, 高满, 董建志, 王哲

2025, 32(3): 436-444.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.42

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近百年来京津冀地区社会经济快速发展、城市化进程加快、农田扩张、用水需求提高,叠加气候变化,导致区域水资源衰减和供需严重失衡;近年来大规模调水、节水、产业结构调整等缓解了水资源衰减和供需失衡状态;未来低碳、绿色发展以及应对全球变化,京津冀地区社会经济、生态环境将面临极大的调整,水资源演变情势、供需结构和安全保障将面临一系列新的挑战。本文将京津冀地区水文情势及水资源供需演变划分为三个阶段,系统分析历史不同阶段水资源演变“S型”曲线形成及驱动机制,阐述低碳、绿色发展以及应对气候变化对水资源供需格局转变的影响,提出促进当地水资源恢复能力的水循环机理以及提升应对极端气候变化的水资源保障能力研究途径,为京津冀地区乃至其他缺水地区水资源可持续利用提供科学支撑。

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城市地球关键带水文过程与水环境和水资源研究:现状、挑战与未来

桑丽源, 郭威, 张静文, 刘艺轩, 章同坤, 张竹卿, 岳展鹏, 李丹阳, 张润, 张旭, 唐伟平, 刘展航, 丁虎, 郎赟超, 刘丛强

2025, 32(3): 445-461.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.28

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城市化和城市发展是对生态环境影响最显著的人类活动,伴随人口增长和消费水平提升,城市化引发了一系列复杂的水资源与水环境问题。尤其在发展中国家,城市排水系统不足加剧了水环境恶化,严重威胁城市健康与可持续发展目标。为此,从地球系统科学视角探讨城市三维下垫面结构、水文过程与水资源管理之间的复杂关系成为关键科学问题。本研究基于“地球关键带科学”和“社会-生态系统科学理论”,系统梳理了城市下垫面结构与水循环动态变化、水环境质量及水资源可持续利用的耦合机制。通过整合物理、化学与生物过程,研究揭示了不透水面扩张对降水-径流-渗透动态平衡、污染物迁移及水资源供需分配的影响机制,强调社会与自然系统耦合研究对水资源优化管理的重要性。此外,研究结合水文过程与生态系统服务的关联,深入分析了水文动态对生态系统服务功能及人类福祉的调控作用,初步提出了基于社会-生态系统理论的城市水资源可持续管理框架。该框架为理解城市水文系统结构-过程-功能的耦合机制提供了科学支撑。本综述研究不仅有助于理解复杂的城市水文动态与生态服务关系,打通水文分支学科间壁垒,还为城市水资源管理和政策制定提供了理论依据和实践指导。

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