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人类世生物地球化学循环及其科学

地学前缘 2024年第1期31卷 455-466页

作者：刘丛强李思亮刘学炎王宝利郎赟超丁虎郝丽萍张琼予天津大学地球系统科学学院、表层地球系统科学研究院天津300072 天津环渤海滨海地球关键带国家野外科学观测研究站天津300072 物质绿色创造与制造海河实验室天津300192

地球已进入新的地质时代——“人类世”,人类已成为全球变化的主要驱动力。人类活动导致的地球生态系统的生物地球化学过程及关键生源要素的生物地球化学循环的改变直接或间接地影响着地球生态系统的关键功能,给人类福祉和可持续发展带... 详细信息

地球已进入新的地质时代——“人类世”,人类已成为全球变化的主要驱动力。人类活动导致的地球生态系统的生物地球化学过程及关键生源要素的生物地球化学循环的改变直接或间接地影响着地球生态系统的关键功能,给人类福祉和可持续发展带来诸多威胁。本文基于地球系统科学研究的新进展,综述了人类世全球变化特征、生物地球化学循环在地球系统各圈层演化中的作用及其变化规律。特别关注了自然资源开发利用、生产和消费模式改变等人类活动对生物地球化学循环的影响,以及由此产生的气候、生态和环境效应。研究表明,应对人类世全球变化需要系统理解人类活动作为主要驱动力的多要素和多尺度生物地球化学循环过程及其生态和环境效应,基于地球系统科学的理论与方法开展针对人类世社会-生态系统的自然科学和社会科学的交叉融合研究。在文末提出了人类世生物地球化学研究的优先领域和方向,并强调解决受人类活动和气候变化高度影响下人类世生物地球化学循环的各种复杂科学问题的迫切性和重要性。

关键词：人类世生物地球化学循环全球变化地球系统科学

滨海湿地沉积物中不同形态无机硫分布特征及其影响因素

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生态学杂志 2024年

作者：乔曼容郎赟超韩晓昆剌伟丁虎刘丛强天津大学地球系统科学学院表层地球系统科学研究院天津市环渤海地球关键带科学与可持续发展重点实验室天津环渤海滨海地球关键带国家野外科学观测研究站山西大学环境与资源学院

硫（S）循环是生物地球化学循环的重要环节，深刻影响着碳、铁、磷等元素循环和滨海湿地生态功能。为了深入理解滨海湿地沉积物中硫的迁移转化过程，本研究通过采集天津北大港湿地沉积柱样品，分析了不同盐度湿地沉积物中酸可挥发性硫（... 详细信息

硫（S）循环是生物地球化学循环的重要环节，深刻影响着碳、铁、磷等元素循环和滨海湿地生态功能。为了深入理解滨海湿地沉积物中硫的迁移转化过程，本研究通过采集天津北大港湿地沉积柱样品，分析了不同盐度湿地沉积物中酸可挥发性硫（AVS）、元素硫（ES）、黄铁矿硫(FeS2)、有机碳和活性铁含量，阐明了不同盐度的湿地沉积物剖面的不同形态硫、活性铁和有机碳的垂向分布特征，探讨了不同形态硫迁移转化的影响因素。结果显示，中盐湿地和多盐湿地的沉积物中还原性无机硫以AVS为主，分别占还原性无机硫的71.45%±18.97%和58.96%±28.88%，其次是FeS2及其少量ES，而在寡盐的水库湿地中FeS2含量最高，其平均含量为83.41±33.03 μmol·g-1，占还原性无机硫的71.98%±13.01%，说明不同盐度湿地沉积物中还原性无机硫的分布情况具有明显差异。研究表明，中高盐度湿地水体中硫酸盐浓度较高，导致沉积物中甲烷和有机质驱动的硫酸盐还原作用较强烈，产生较多的AVS，其黄铁矿生成主要受到活性铁和ES含量限制，而寡盐水库湿地沉积物中FeS2的累积可能主要受到水库滞留效应和颗粒输入以及元素硫较高等因素的影响。研究结果有助于湿地生态环境的修复和管理。

关键词：滨海湿地沉积物还原性无机硫酸可挥发性硫元素硫黄铁矿活性铁

某工业场地土壤砷的空间分布及As(Ⅲ)迁移规律研究

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土壤通报 2024年第2期55卷 502-512页

作者：左玉涛孔文亮代义彬 SEIDOU C.D. 王铁军天津大学地球系统科学学院表层地球系统科学研究院天津300072 天津北大港湿地自然保护区管理中心天津300270 天津大学天津环渤海滨海地球关键带国家野外科学观测研究站天津300072 天津大学天津市环渤海关键带科学与可持续发展重点实验室天津300072

[目的]旨在掌握某工业场地土壤中砷(As)的空间分布特征并揭示其迁移规律,为该工业场地土壤As污染防治提供数据与理论基础。[方法]本文选取葫芦岛市某工业场地为研究区,首先统计分析了场地内土壤As含量的空间分布特征,并比较了等温与动... 详细信息

[目的]旨在掌握某工业场地土壤中砷(As)的空间分布特征并揭示其迁移规律,为该工业场地土壤As污染防治提供数据与理论基础。[方法]本文选取葫芦岛市某工业场地为研究区,首先统计分析了场地内土壤As含量的空间分布特征,并比较了等温与动态吸附两种获取土壤中As(Ⅲ)吸附参数的实验方法的特点与适用性,最终利用HYDRUS-1D模型反演计算了As(Ⅲ)在供试土壤中的D_(L)、K、α、β等迁移参数。[结果]场地土壤As浓度水平分布具有显著差异,在垂向上主要富集于40 cm深度内,且随深度增加而降低。等温吸附实验的结果表明:土样中As(Ⅲ)的平衡固相浓度随液相浓度增加呈非线性增长趋势,Langmuir模型(R^(2)=0.988)对实测数据的拟合效果优于Henry和Freundlich模型。动态吸附实验结果展示了As(Ⅲ)相对浓度完全穿透土柱所需的污染液体积随As(Ⅲ)初始浓度的增加而减少的规律;HYDRUS-1D反演结果表明三类吸附模型中,Langmuir模型(R^(2)=0.990)更适用于模拟土样中As(Ⅲ)的动态吸附过程。相较于等温吸附实验,使用动态吸附实验模拟As(Ⅲ)迁移行为更接近其在土壤中的真实迁移过程。[结论]该场地中的As污染来源于工业活动,主要集中在浅层土壤;土壤中As(Ⅲ)的迁移行为表现为非线性过程,较高的初始浓度将加速As(Ⅲ)的垂向迁移。动态吸附实验方法应优先应用于土壤As迁移过程及其参数获取的研究中。

关键词：土壤砷工业污染等温吸附动态吸附 HYDRUS-1D

2019-2022年天津北大港湿地遥感分类数据集

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中国科学数据（中英文网络版） 2024年第3期9卷 126-139页

作者：张心悦韩杏杏王铁军李攀黄辉陈楚天津大学地球系统科学学院表层地球系统科学研究院天津300072 天津大学天津环渤海滨海地球关键带国家野外科学观测研究站天津300072 中国林业科学研究院林业研究所国家林草局林木培育重点实验室北京100091 南京林业大学南方现代林业协同创新中心南京210037 河南黄河小浪底关键带国家野外科学观测研究站河南济源454650 天津市测绘地理信息研究中心天津300201

湿地是地球上最重要的生态系统之一,具有净化水质、维持生物多样性等重要功能。由于湿地具有特殊的水文和植被特征,传统的监测方法难以对其进行测绘和管理。随着大数据和云计算的兴起,GEE(Google Earth Engine)为长时间序列的数据处理... 详细信息

湿地是地球上最重要的生态系统之一,具有净化水质、维持生物多样性等重要功能。由于湿地具有特殊的水文和植被特征,传统的监测方法难以对其进行测绘和管理。随着大数据和云计算的兴起,GEE(Google Earth Engine)为长时间序列的数据处理提供了可能。本研究基于GEE平台,结合Sentinel-1雷达影像和Sentinel-2光学影像,利用随机森林分类算法对天津北大港湿地进行信息提取,探讨多源遥感数据和时间序列特征对天津北大港湿地分类的重要性,并最终得到2019–2022年天津北大港湿地遥感分类数据集。经实测数据验证,分类结果的总体精度为95.35%,符合精度要求。本数据集可为天津北大港湿地保护和管理提供科学依据。

关键词：北大港湿地 GEE Sentinel-1 Sentinel-2 随机森林

华北泥河湾盆地铺路哺乳动物群的磁性地层学定年

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地球物理学报 2024年第1期67卷 225-240页

作者：李嘉皓刘平高显丽中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 中国科学院大学地球与行星科学学院计算地球动力学重点实验室北京100049 中国科学院大学北京燕山地球关键带国家野外科学观测研究站北京101408

华北泥河湾盆地的晚新生代河湖相沉积地层,产出了十分丰富的旧石器和哺乳动物化石,记录了早期人类活动以及晚上新世以来哺乳动物群的演化过程.作为广义泥河湾动物群之一,铺路动物群化石点位于盆地内的壶流河东侧,含有晚上新世及早更新... 详细信息

华北泥河湾盆地的晚新生代河湖相沉积地层,产出了十分丰富的旧石器和哺乳动物化石,记录了早期人类活动以及晚上新世以来哺乳动物群的演化过程.作为广义泥河湾动物群之一,铺路动物群化石点位于盆地内的壶流河东侧,含有晚上新世及早更新世哺乳动物化石.本文结合生物地层学和岩石地层学,对含铺路哺乳动物化石的河湖相沉积物,进行详细的岩石磁学及高分辨率的磁性地层学研究,旨在对铺路哺乳动物群进行精确定年.结果表明,铺路剖面河湖相沉积物的磁性矿物主要为磁铁矿、磁赤铁矿和赤铁矿,平均粒度以准单畴为主.铺路剖面河湖相沉积物记录了布容正极性时(Brunhes normal chron)早期、松山负极性时(Matuyama reverse chron)、高斯正极性时(Gauss normal chron)和吉尔伯特负极性时(Gilbert reverse chron)晚期,铺路动物群产出在留尼旺(Réunion)地磁漂移之前,凯纳(Kaena)负极性亚时之后,年代约为3.0~2.2 Ma.本研究结果将广义泥河湾动物群的年代下限延至约3.0 Ma.此外,结合泥河湾盆地古气候学及古环境学研究结果,表明在上新世与更新世过渡期间,泥河湾动物群的演化受气候环境变化的影响,更适应干旱寒冷的生存环境.

关键词：泥河湾盆地磁性地层学泥河湾动物群铺路动物群晚上新世

典型黄土丘陵沟壑区生境质量时空变化及驱动力:以祖厉河流域为例

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环境科学 2024年第9期45卷 5361-5371页

作者：廖洪圣卫伟陈乐石宇中国科学院生态环境研究中心城市与区域国家重点实验室北京100085 中国科学院大学北京100101 陕西黄土高原地球关键带国家野外科学观测研究站西安710061

黄土丘陵沟壑区是我国重要的生态屏障之一,研究其生境质量的时空变化及其驱动力,对保障我国的生态安全,维护国家生态权益具有重要意义.以祖厉河流域为例,采用Google Earth Engine平台和Landsat遥感数据,系统调查了2000~2020年间遥感生... 详细信息

黄土丘陵沟壑区是我国重要的生态屏障之一,研究其生境质量的时空变化及其驱动力,对保障我国的生态安全,维护国家生态权益具有重要意义.以祖厉河流域为例,采用Google Earth Engine平台和Landsat遥感数据,系统调查了2000~2020年间遥感生态指数RSEI的时空分布情况,结合变异系数CV、Theil-Sen Median斜率估计、Mann-Kendall显著性检验和Hurst指数,分析了研究区生境质量的时空变化格局,并利用地理探测器方法研究了6个主要的驱动因子对RSEI空间分布的影响,结果表明:①2000~2020年,RSEI值呈先下降后上升的趋势,年均增幅为0.0845·(10 a)^(−1).②20 a间,生境质量改善区域占92.06%,其中显著改善区域占28.49%,改善地区以会宁县境内为主,而生境退化区域仅占7.82%.未来生态状况的变化趋势显示,74.98%的区域呈现持续改善或未来改善的趋势,但仍有23.48%的区域未来存在生态退化的潜在风险.③降水等气候因子是影响祖厉河流域生境质量的关键因素;因子之间的交互作用对生境质量的解释力高于单因子,其中降水因子与高程因子的交互解释力最强;梯田因子与环境因子交互作用能显著增加解释力,说明梯田对改善生境质量起到重要作用.研究结果可为黄土丘陵沟壑区生态环境管理和可持续发展提供科学基础.

关键词：生境质量谷歌地球引擎(GEE) 遥感生态指数(RSEI) 地理探测器祖厉河流域

地球关键带土壤微生物介导有机碳转化研究进展

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林业科学 2024年第7期60卷 165-174页

作者：杨阳王宝荣孙慧周媛媛乔江波宋怡张萍萍李自民王云强安韶山中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室西安710061 陕西黄土高原地球关键带国家野外科学观测研究站西安710061 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室西北农林科技大学杨凌712100

地球关键带是大气圈、生物圈、土壤圈、水圈、岩石圈高度交汇和相互作用的地球表层复杂系统,也是联结气候系统-地表过程-地球深部过程物质和能量循环的重要桥梁,微生物在地球关键带碳循环中扮演着重要角色,认识地球关键带结构与功能,阐... 详细信息

地球关键带是大气圈、生物圈、土壤圈、水圈、岩石圈高度交汇和相互作用的地球表层复杂系统,也是联结气候系统-地表过程-地球深部过程物质和能量循环的重要桥梁,微生物在地球关键带碳循环中扮演着重要角色,认识地球关键带结构与功能,阐明关键带土壤微生物介导的碳转化过程是当前关键带研究热点之一。本研究首先介绍地球关键带的结构与范畴,以及土壤微生物结构特征、微生物驱动的土壤碳循环研究进展;然后指出当前工作仍停留在地球关键带的基本结构认识和土壤碳储量特征描述上,建议从关键带整体框架出发,沿垂直方向综合考虑从植物冠层到基岩之间的碳循环过程,联合使用多种技术方法,将短期高频次观测和长期定位观测相结合,重视长时间尺度下土壤有机碳对全球变化和人类活动的响应及反馈机制,特别关注土壤碳在关键带各界面的微生物驱动过程及其迁移转化规律;最后在考虑地球大数据科学工程和全球碳排放路径等时代因素的背景下,开展大气、植被、土壤、微生物、基岩、地下水等多界面、多过程、多时间尺度的同步观测和系统性研究,为地球关键带土壤碳循环模型优化及气候变化预测提供科学依据,也为我国“双碳”目标提供理论支撑。

关键词：地球关键带土壤有机碳土壤微生物碳循环碳汇效应

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黄土高原关键带土壤水文过程研究进展与展望

地质通报 2024年第8期43卷 1346-1360页

作者：王云强张少康张萍萍杨阳中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室陕西西安710061 中国科学院大学北京100049 陕西黄土高原地球关键带国家野外科学观测研究站陕西西安710061

地球关键带是21世纪地球科学的前沿和重点领域之一。黄土约占全球陆地面积的10%,中国的黄土高原是典型的地球关键带之一。土壤水文过程驱动着黄土高原关键带不同尺度的系列生物地球化学循环过程,决定土壤−植被−大气连续体的演化方向与... 详细信息

地球关键带是21世纪地球科学的前沿和重点领域之一。黄土约占全球陆地面积的10%,中国的黄土高原是典型的地球关键带之一。土壤水文过程驱动着黄土高原关键带不同尺度的系列生物地球化学循环过程,决定土壤−植被−大气连续体的演化方向与可持续性。基于地球关键带“4M”研究框架,综述了黄土高原关键带土壤水文过程研究的热点与前沿,梳理了不同尺度土壤水文过程的观测方法与技术、模型模拟与填图、深层土壤干化管理等研究进展;在此基础上,围绕黄土高原关键带土壤水资源优化利用与生态系统服务功能提升,提出了全球气候变化和大规模人类活动共同影响下黄土高原关键带土壤水文过程的优化管理对策和建议,展望了黄土高原关键带土壤水文过程研究的未来趋势。以期深化黄土高原关键带研究的科学认知,促进地球关键带科学的发展,为黄土高原自然资源优化管理、山水林田湖草系统治理提供科学参考。

关键词：地球关键带黄土高原土壤水文过程优化管理生态系统服务

黄土丘陵区典型流域土壤侵蚀时空演变特征及其驱动机制:以祖厉河为例

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生态环境学报 2024年第6期33卷 908-918页

作者：廖洪圣卫伟石宇中国科学院生态环境研究中心/城市与区域国家重点实验室北京100085 中国科学院大学北京100101 陕西黄土高原地球关键带国家野外科学观测研究站陕西西安710061

黄土丘陵区作为中国生态脆弱区,水土流失形势严峻,准确评估其土壤侵蚀时空变化规律,深入探究其背后的驱动机理,对于指导当地水土保持工作具有重要科学意义。以祖厉河流域为研究对象,基于RUSLE土壤侵蚀评估模型,结合转移矩阵、空间自相... 详细信息

黄土丘陵区作为中国生态脆弱区,水土流失形势严峻,准确评估其土壤侵蚀时空变化规律,深入探究其背后的驱动机理,对于指导当地水土保持工作具有重要科学意义。以祖厉河流域为研究对象,基于RUSLE土壤侵蚀评估模型,结合转移矩阵、空间自相关和地理探测器等地学统计分析工具,对2000-2020年间土壤侵蚀模数的空间分布格局及背后驱动力进行评估。结果显示,1)2000-2020年祖厉河流域土壤侵蚀强度等级以微度和轻度为主,20年间平均土壤侵蚀模数由1.299×10^(3)t∙km^(−2)∙a^(−1)下降至635 t∙km^(−2)∙a^(−1),即侵蚀强度等级由轻度侵蚀降为微度侵蚀。2)2000-2010年期间,约有1.968×10^(3)km^(2)的区域土壤侵蚀状况向良性方向发展,占流域总面积的18.4%;而在2010-2020年间,约有3.089×10^(3)km^(2)的区域土壤侵蚀情况得到改善,占流域总面积的28.9%,水土流失治理效果显著。3)祖厉河流域土壤侵蚀存在明显的空间聚集性,其中“高-高”聚集区主要分布在会宁县与安定区交界处以及流域西北部的山地丘陵地带,“低-低”聚集主要分布在流域北部和西南部沿岸平原地区,20年来该“高-高”和“低-低”聚集类型面积逐年减少。4)降水是影响土壤侵蚀的首要因素,梯田在改善土壤侵蚀状况中发挥了重要作用,自然因子与人类活动因子之间的共同作用塑造了土壤侵蚀空间分布格局。未来水土保持治理重点应聚焦于低温干旱、高海拔、地势陡峭、植被覆盖低、土壤砂粉化程度高和梯田分布少等条件的风险区。

关键词： RUSLE模型祖厉河流域转移矩阵空间自相关地理探测器