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。

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。

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。

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。

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。

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。