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  • 2021年, 41卷, 第04期
    刊出日期：2024-06-19
      
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  • 微生物磷脂脂肪酸单体碳同位素示踪碳循环过程
    张一鸣, 黄咸雨, 谢树成
    2021, 41(04): 877-892.
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    碳循环对于维持地球生命和调控气候变化具有重要意义。微生物是碳循环的关键驱动者之一,微生物群落结构和碳代谢活动的变化,能够影响温室气体的释放和碳储量,并进一步对气候变化产生反馈作用。在当前全球变化和人类活动加剧的背景下,需要进一步了解不同环境中的微生物群落组成和碳代谢活动的特征和响应。磷脂脂肪酸(PLFA)因其快速的周转速率和多样的分子结构,已经被广泛用于原位识别不同环境中活体微生物的生物量和群落结构。在此基础上,PLFA的单体碳同位素组成进一步指示了微生物利用哪些碳源,以及通过何种方式同化这些碳源,从而揭示微生物介导的碳流通和碳循环过程。本文综述了PLFA单体稳定碳同位素组成(δ~(13)C)和放射性碳同位素组成(Δ~(14)C)在示踪微生物碳循环过程中的应用。对比了农田、草地、森林、湿地以及海洋沉积物中活体微生物的碳源利用和碳同化途径的差异,这些差异可能与不同微生物对碳源的偏好以及不同环境中底物碳的可用性有关。对比了岩石、地下水、表层和深层土壤环境中微生物对化石碳源和年轻碳源的差异利用,化石碳是岩石和地下水环境中活体微生物碳源的重要组成部分,表明现代活体微生物可以直接利用部分老碳;相反,表层和深层土壤微生物倾向于利用现代碳源,这些碳源可能来自根系分泌物和从表面垂直输送的溶解有机碳。随着加速器质谱和单个化合物制备技术的进一步发展,预计PLFA单体放射性碳同位素将在微生物碳循环过程中发挥更重要的作用,值得在不同环境中进一步探索。
  • 陆生蜗牛壳体碳酸盐团簇同位素组成及其古气候意义
    王旭, 崔琳琳, 翟吉璇, 丁仲礼
    2021, 41(04): 893-902.
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    碳酸盐团簇同位素是国际上新近开发的地质温度计,可以精确重建过去的温度变化。蜗牛壳体化石是研究古气候的理想载体,其种属组合和碳、氧同位素组成分析提供了丰富的气候环境信息。在此基础上,蜗牛壳体团簇同位素分析势必会为古温度定量重建提供强有力手段。然而,相关研究却开展得较少,值得我们投入更多的精力去推动该领域的发展。本研究首先介绍了碳酸盐团簇同位素及其制备和分析方法,以便古气候研究者对新兴研究手段有所了解。然后,对蜗牛壳体团簇同位素的研究历史与现状进行了梳理,指出了研究中尚存的不解问题,并对未来的研究进行了展望。总之,尽管野外采集蜗牛的团簇同位素温度系统地高于生长季温度,但二者之间存在较好的线性关系,所以蜗牛壳体团簇同位素可以用来重建蜗牛生长季节的环境温度。然而,在相同地点蜗牛壳体团簇同位素存在种属差异(如华蜗牛团簇同位素温度比巴蜗牛高3℃左右),所以精确重建古温度需要建立属一级蜗牛壳体团簇同位素-温度转换方程。同时,通过团簇同位素温度和蜗牛壳体δ~(18)O计算出的蜗牛体液δ~(18)O可以反映降水的氧同位素信息,是研究古水文循环的重要指标。黄土地层中蜗牛壳体化石团簇同位素研究显示我国北方末次冰期的夏季温度要比现代低7～10℃左右。虽然该温度变幅有待进一步研究确证,但它们至少为冰期-间冰期温度变化提供了独立证据和有用参考。鉴于显口多点螺(Punctum orphana)化石在黄土地层中连续赋存且最可能被广泛用于古温度重建研究,我们未来可优先建立该种属蜗牛的团簇同位素-温度转换方程。
  • 陆生蜗牛壳体碳氧同位素组成与气候
    鲍睿, 盛雪芬, 陈骏
    2021, 41(04): 903-915.
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    陆生蜗牛响应气候环境变化敏感,其壳体化石碳氧同位素组成(δ~(13)C和δ~(18)O)具有重建古生态和古大气水文条件的巨大潜力。然而目前针对中国黄土古土壤沉积序列中蜗牛化石碳氧同位素组成开展的古环境古气候重建研究却仍然不足,根源在于对蜗牛壳体δ~(13)C和δ~(18)O指标气候意义的认识仍不明确。文章从现代过程研究着手,综述了目前有关蜗牛壳体δ~(13)C和δ~(18)O气候环境意义的研究进展,并指出各自指标存在受控因子的复杂性和多解性等问题。通过总结这些研究认为:陆生蜗牛壳体δ~(13)C值主要通过反映植物(尤其C_3)δ~(13)C值变化来进一步响应当地降水量变化,进而指示环境的干湿程度,但同时需要考虑环境碳酸盐、大气CO_2等额外因子对壳体δ~(13)C的影响;壳体δ~(18)O值可以在较大程度上反映大气降水δ~(18)O值变化,但同时需要考虑蒸发作用和温度等因素对壳体δ~(18)O的影响;壳体δ~(13)C和δ~(18)O在作为气候指标时常受区域和蜗牛种属等因素影响。此外,还介绍了目前中国北方黄土地层中蜗牛壳体化石稳定同位素组成重建季风变化的研究进展和近十年来有关蜗牛壳体团簇同位素新方法的研究进展。最后,论文针对壳体δ~(13)C和δ~(18)O指标存在的问题提出可能的解决办法,并对以后蜗牛碳氧同位素古环境研究方向进行展望。
  • 鄂西大九湖晚更新世以来沉积物的碳氮比值、有机碳氮同位素特征与气候环境演变
    潘进疆, 黄俊华, 张蕊, 黄春菊, 刘犟嗣
    2021, 41(04): 916-930.
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    通过对神农架大九湖DJH-ZK8孔岩芯上部739 cm的沉积物样品进行高分辨率总有机碳(TOC)、总氮(TN)、C/N、δ~(13)C_(org)以及δ~(15)N的测定和分析,结合天文调谐确立的年代框架及沉积物岩性特征分析,探讨了大九湖湿地98.5 ka B.P.以来的气候的演变历史及驱动因素。结果表明:1)湿地沉积相态的转变是控制TOC、TN的最重要因素。C/N值的有规律的波动,表明不同的沉积阶段有机质的来源不一样。C/N的低值对应湖相沉积,水生植物发育;C/N的高值对应陆生环境,陆生植物发育;C/N在一定程度上可以反映湿地的水文状态。TN和TOC呈现显著的正相关性,有机质中的碳、氮来源具有一致性,碳、氮具有类似的生物地球化学过程。2)与深海氧同位素记录对比发现大九湖湿地98.5 ka B.P.以来的气候演变阶段可较好的与深海氧同位素MIS5中后期(98.5～71.0 ka B.P.)、MIS 4(71～57 ka B.P.)、MIS 3(57～29 ka B.P.)、MIS 2(29～14 ka B.P.)和MIS 1(14 ka B.P.至今)阶段对应。3)大九湖湿地沉积物的δ~(13)C_(org)值和δ~(15)N值在冰期更偏正,间冰期时偏负,湿地植被的演替是影响δ~(13)C_(org)值、δ~(15)N值的最直接因素。4) DJH-ZK8孔沉积物有机地化指标与三宝/葫芦洞石笋高分辨率气候记录以及北半球夏季日照量曲线变化趋势具有较好的一致性,但在部分时段又有明显差异,说明大九湖湿地的气候变化主要由北半球太阳辐射量变化驱动,其气候和环境演变信息既响应了全球性变化又有区域特征。
  • 中国黄土高原沉积物稳定碳同位素指标在古植被环境研究中的进展
    徐向春, 周斌, 周雪航, 王者
    2021, 41(04): 931-947.
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    重建古植被、古气候演化历史一直是地质学领域的研究热点,恢复晚新生代以来古植被环境变化不仅可以加深气候驱动机制的理解,而且可以更准确地预测未来气候变化趋势。黄土沉积中不同载体(如土壤总有机碳、次生碳酸盐、正构烷烃和黑碳等)的稳定碳同位素组成响应植被和气候变化,被广泛应用于古植被环境研究。然而,黄土沉积中不同碳同位素组成的影响因素复杂等又在一定程度上限制了指标的准确性及不同指标间的相互印证。分析中国黄土高原22个典型沉积剖面约2500个样品的总有机碳稳定碳同位素(δ~(13)C_(TOC))与磁化率数据表明,二者具有复杂的时间、空间特征。约100 ka以来,绝大部分剖面δ~(13)C_(TOC)与磁化率的相关性较好,指示夏季风强盛时C_4植物增多。但在更长时间尺度上,要充分考虑δ~(13)C_(TOC)分馏和区域气候差异的影响。空间演化上,现代季风-非季风区分界线附近的剖面δ~(13)C_(TOC)与磁化率的相关性极高(R~2>0.7,p<0.001),可能指示该区域植被对季风强弱变化十分敏感。综合对比灵台、蓝田、白水等6个剖面的次生碳酸盐碳同位素记录(δ~(13)C_(PC)),将该指标用于黄土高原地区古植被比例重建时,首先要修正大气CO_2的影响,也可利用黄土序列δ~(13)C_(PC)记录来进行重建古大气p CO_2等新的研究。目前,正构烷烃单体碳同位素(δ~(13)C_(n-alkanes))相关记录较少,研究发现该指标可较好地指示植被演化,渭南剖面的δ~(13)C_(n-alkanes)记录呈现出与古温度、古降水等气候指标较好的一致性,但样品提取困难也阻碍了δ~(13)C_(n-alkanes)的深入研究。黑碳稳定碳同位素(δ~(13)C_(BC))更多反映的是燃烧植被信息,在以草本和灌木植被类型为主的区域与δ~(13)C_(TOC)记录更为一致,可以较为准确地指示生长植被类型的变化。
  • 南黄海黑碳记录的中国东部晚上新世以来C_3/C_4植被演化
    陈州美子, 万世明, 张晋, 黄杰, 刘书明, 李安春
    2021, 41(04): 948-964.
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    陆地植被是全球生态系统的重要组成部分,其C_3/C_4组成类型及演化进程对于理解过去生态系统对全球变化的响应及适应机制具有重要科学意义。晚上新世以来东亚C_4植被扩张的时间、过程和机制等仍存很大争议,尤其缺少长江流域C_3/C_4植被相对丰度演化的地质记录及不同纬度植被演化的时空综合对比。本研究利用大陆架科学钻探计划在南黄海钻取的CSDP-1孔约300.10 m长的岩芯沉积物的黑碳含量、通量及碳同位素组成,重建了晚上新世以来中国东部地区C_3/C_4植被演化历史。研究发现,在晚上新世(约3.0～2.6 Ma),黑碳碳同位素组成发生明显正偏,指示沉积物源区长江流域的C_4植被相对丰度的增加,可能受到了中低纬度地区干旱化增强及大气CO_2浓度下降的共同影响;而中高纬度如黄土高原地区的C_4植被则相对减少,推测更低的温度可能成为了C_4植被生长的限制因素。中更新世(约1.0 Ma)以来,黑碳碳同位素比值整体负偏,表明源区C_4植被相对丰度减少。尽管沉积物源区在0.8 Ma左右转变为纬度更高的黄河流域,但东亚不同纬度地区记录均显示了碳同位素负偏,表明这是一区域现象,分析认为全球气候变冷是影响中更新世以来C_4植被演化的重要因素。本研究揭示出,除了全球性的因素(大气CO_2浓度)外,区域气候(温度和干旱度)在东亚地区C_3/C_4植被长期演化中具有重要影响。
  • 新疆阿尔泰全新世双湖沉积物正构烷烃分布及其环境意义
    赵佳玉, 王淑贤, Andrey Darin, 孙青, 董浩伟, 储国强
    2021, 41(04): 965-975.
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    文章对新疆阿尔泰双湖沉积物进行了古气候、古环境变化研究。双湖(48°52'N,87°02'E)位于阿尔泰山中部,是山谷岩石滑塌阻塞形成的堰塞湖,湖长约1200 m,宽度约300 m,最大水深9 m。项目使用重力钻在双湖中心钻取了172 cm无扰动岩芯,根据核素测年(~(137)Cs,~(210)Pb,AMS~(14)C)建立了9.1 cal.ka B.P.以来的时间标尺,以正构烷烃分布特征(ACL_(23～33)、n C_(27)/n C_(31)、P_(aq))为指标,重建了该区的古植被、古气候变化。沉积物中正构烷烃以高碳数为主,中长链正构烷烃存在显著的奇碳优势。链长指标(ACL_(23～33))、n C_(27)/n C_(31)指标、P_(aq)之间具有很强的相关性关系,表明指标可能受到相似的气候驱动因素影响,反映了区域植被和湖泊水生生物的演替历史:9.1～8.8 cal.ka B.P.期间水生植被输入较少,陆生植被中草本植物相对占比较高;8.8～3.3 cal.ka B.P.期间大型水生植物大量繁殖,汇水区木本植物增多;3.3 cal.ka B.P.至今湖泊周围的木本植物减少,草本植物相对占比增多,水生植物输入减少。双湖沉积物ACL_(23～33)指标自9.1 cal.ka B.P.以来呈逐渐增加的趋势,可能表明温度逐渐增加,这一结果与前人在该区利用泥炭br-GDGT重建的温度序列具有相似的变化趋势,但在百-千年尺度上,温度变化不一致,可能与指标的敏感性和定年精度有关。
  • 大兴安岭阿尔山天池沉积物中正构烷烃记录揭示的全新世古气候变化
    冷程程, 赵成, 崔巧玉, 张灿, 孙晓双, 闫天龙, 赵艳
    2021, 41(04): 976-985.
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    我国东北地区地处东亚季风北缘,在高、低纬过程的共同影响下,区域气候和环境变化较为复杂。文章选取大兴安岭中段的阿尔山天池长2.5 m的全新世以来的湖泊沉积岩芯(ACL17C)作为研究对象,对源于植物叶蜡的正构烷烃及相关代用指标进行分析,结果表明阿尔山天池自10.0 cal. ka B. P.以来,正构烷烃浓度所代表的湖泊及流域的生产力逐渐增强,并在5.0～3.0 cal. ka B. P.期间达到峰值,结合其他指标推测该阶段湖泊水位较高,有机物输入稳定,沉积速率较慢,气候温暖湿润,可能是全新世气候适宜期; 2.3～1.5 cal. ka B. P.期间,正构烷烃浓度下降,沉积物颗粒变粗,指示湖泊水位突降,藻类含量上升,植被状况较差,可能发生了区域性的气候变干事件; 1.5 cal. ka B. P.之后,相关指标显示植被状况转好,湖泊水位上升。通过对比大、小兴安岭及附近区域的植被及气候演化结果,表明该区域全新世气候适宜期可能发生在中、晚全新世,与其他地区记录的早、中全新世适宜期存在显著差异。
  • 植物亲缘关系影响植物叶蜡正构烷烃的含量和分布特征
    石敏锐, 韩家懋, 周力平, 王国安, 李嘉竹
    2021, 41(04): 986-999.
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    沉积物中的长链正构烷烃主要来自陆生高等植物叶蜡,在古环境重建中有着广泛应用。植物叶蜡正构烷烃的含量和分布特征受植物遗传因素控制。尽管前人对遗传因素的影响有报道,但还没有学者从植物系统进化发育学的角度来揭示植物的亲缘关系对植物叶蜡正构烷烃含量和分布特征的影响。为此,本研究选择了气候差异显著的北京东灵山(温带半湿润气候)和宁夏沙坡头(温带干旱气候)作为植物样品采集地点,于2004～2019年每年9月中旬进行样品采集,通过超声提取法分离植物叶片的叶蜡正构烷烃并进行测定。结果显示,两个地区相同科的植物主峰碳(C_(max))分布相似,叶蜡正构烷烃总量(Σalk)和碳优势指数(CPI)存在显著性差异(p<0.05),东灵山Σalk和CPI的平均值分别是393μg/g和12,沙坡头是952μg/g和15。两个地区的平均碳链长度(ACL)没有显著性差异(p> 0.05),东灵山的ACL是29.4,沙坡头是29.6。本研究还发现东灵山和沙坡头地区都存在着不同科植物之间的叶蜡正构烷烃含量和分布特征具有显著差异,同一科不同属植物间差异相对较小,同一属不同种植物之间基本一致的规律,表明植物正构烷烃在植物间的分布基本上符合生态位保守理论,即亲缘关系越近的植物其叶蜡正构烷烃分布特征越相似,呈现出较强的系统发育保守性。由于两个地区都存在这样的规律,说明该规律不会受到局地气候环境的影响,具有普适性的意义。这在古环境重建中的意义是,当利用沉积物正构烷烃信号重建古环境时,除了考虑气候变化对植物叶蜡正构烷烃的直接影响,也应考虑气候变化会导致植物种类发生变化,从而改变正构烷烃含量和分布特征,最终影响沉积物中的正构烷烃信号。另外,沉积物正构烷烃信号与其他指标,如孢粉相结合,有可能提供植物群落结构变化的准确信息。
  • 鄂陵湖晚全新世沉积物记录的黄河源区气候环境变化
    蒲阳, 韩悦, 张虎才, 常凤琴
    2021, 41(04): 1000-1011.
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    通过对青藏高原黄河源区鄂陵湖35 cm长的沉积物岩芯(NR-1)中总有机碳含量(TOC)、总氮含量(TN)、碳氮比值(C_(org)/N_(tot))以及有机碳同位素(δ~(13)C_(org))和总氮同位素(δ~(15)N_(tot))等地球化学指标的分析,并结合青海地区文献资料记载的人口数量变化以及高原湖泊水位记录,对研究区近1500 a以来的气候环境变化进行了深入探讨。结果表明:近两百多年以来鄂陵湖沉积物中TOC和TN指标呈现明显上升的趋势,与青海东部地区人口数量变化趋势一致,表明近代人类活动已经对青藏高原最大淡水湖生态系统产生了显著的影响;而沉积物中δ~(13)C_(org)值变化与青海湖水文环境重建指标具有可比性,说明高原大型淡水湖泊沉积物δ~(13)C_(org)值可指示湖泊水位波动;此外δ~(15)N_(tot)值变化趋势与青藏高原东北部已有的古温度记录总体一致,推测鄂陵湖沉积物δ~(15)N_(tot)值可能响应了湖泊水体营养状态的变化,间接指示了湖泊夏季表层水温的波动。本研究为青藏高原腹地高海拔现代湖泊沉积物中有机碳和总氮含量及其同位素指标的解译提供了全新的思路。
  • 冲绳海槽长链二醇生物标志物对中晚全新世黑潮变化的指示意义
    罗中原, 何玲慧, 董良, 胡邦琦, 李清, 贾国东
    2021, 41(04): 1012-1020.
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    长链二醇(LCDs)是一类微藻生物标志物,在海洋沉积物中除了能够指示其生物来源,近年来的工作还表明它们能够很好地用于示踪表层海水温度(SST)和营养盐。本文对冲绳海槽北部OTK-6站位的1根中晚全新世柱状沉积物(长度468 cm)进行了长链二醇的提取分析,重建了7 ka B. P.以来的表层海水温度和营养盐变化历史,并与前人的黑潮指标变化进行对比。结果显示,在本研究区基于长链二醇的SST指标可能反映的是年均但略偏暖季的温度,其变化曲线与营养盐指标的变化曲线呈反向变化。而且上述温度和营养盐变化历史与前人给出的黑潮强弱变化历史对应较好,表现出黑潮增强时,SST温度升高,营养盐含量降低,与黑潮水的高温寡营养的特点一致。本文结果显示,在6.0～5.2 ka B. P.、4.2～3.5 ka B. P.、2.5～2.1 ka B. P.、1.8～1.4 ka B. P.以及1.1～0.8 ka B. P.前后黑潮对研究区域的影响加强。因此,认为基于长链二醇的温度和营养盐指标有潜力成为重建古黑潮演变的新型代用指标。
  • 中国末次冰盛期以来泥炭发育与气候变化
    乐秀琴, 吴海斌, 张文超, 李琴, 喻杰, 刘慧, 于严严
    2021, 41(04): 1021-1030.
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    泥炭是陆地生态系统碳库的重要组成部分,其发育演化对全球碳循环具有重要的影响。然而,目前轨道时间尺度上中低纬泥炭发育与季风演化关系及其对全球CH_4浓度变化的影响,还存在很大的争议。本研究基于末次冰盛期以来我国泥炭发育的起始~(14)C年龄数据,通过年龄概率密度方法,系统重建了东亚季风区泥炭发育的时空演变历史。结果表明:末次冰盛期我国南方泥炭开始发育,冰消期以来泥炭发育逐步扩展至华北、东北、西北和青藏高原地区,并发育增强;全新世时段,不同区域泥炭发育存在明显的空间差异,东北和西北泥炭发育呈现持续增加,而南方、华北和青藏高原地区在早-中全新世增加,之后呈现下降趋势。结合全国孢粉记录的古气候定量化重建结果,发现我国末次冰盛期以来不同区域泥炭发育主要受降水变化的影响,揭示出泥炭发育主要受控于东亚季风降水的演化。研究表明在轨道时间尺度上,东亚季风演化及其导致的泥炭发育变化对全球CH_4浓度变化具有重要的贡献。
  • 南海东北部末次冰盛期以来的水文气候变化
    陈越, 王跃, 党皓文, 翦知湣
    2021, 41(04): 1031-1043.
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    本研究以南海东北部MD18-3569孔(22°09.30'N,119°49.24'E;水深1320 m)上部10.09 m的沉积物为研究材料,利用浮游有孔虫Globigerinoides ruber壳体的氧同位素(δ~(18)O_c)、Mg/Ca比值计算了表层海水剩余氧同位素(δ~(18)O_(residual)),重建了过去两万年以来(19.88～0.78 ka B.P.,时间分辨率约152 a)的表层海水盐度演变历史,结合南海其他站位降水重建记录,分析了研究区的水文气候变化特征。研究表明:1)南海南部和北部δ~(18)O_(residual)记录的长期趋势呈反相变化关系,即南海北部δ~(18)O_(residual)在末次冰消期逐渐偏负、全新世以来逐渐偏正,指示海表盐度先减小后增大,而南海南部δ~(18)O_(residual)则呈现先偏正、后偏负的变化特征。这种南、北反相变化关系表明末次冰消期过程中,随着北半球夏季辐射量逐渐增加,热带海洋上方的大气对流活动增强,包括南海南部在内的暖池区水汽蒸发及相关δ~(18)O分馏增强,同时东亚夏季风增强、把更多蒸发水汽传输至东亚大陆,途中在南海北部产生更多δ~(18)O偏轻的季风降水,导致研究区海表盐度降低、δ~(18)O_(residual)逐渐偏负。2)在千年尺度上,全新世东亚夏季风于1.4 ka B.P.、2.7 ka B.P.、4.4 ka B.P.、6.2 ka B.P.、7.2 ka B.P.和8.9 ka B.P.共出现6次降水减少事件,平均间隔约1500年,与中国东部石笋δ~(18)O记录的全新世千年尺度事件一致,可能受太阳辐照度变化影响。因此,末次冰盛期以来,研究区的δ~(18)O_(residual)主要受夏季风降水影响。
  • 长江下游南漪湖沉积记录的全新世以来温度变化
    赵炳炎, 胡建芳, 刘丰豪, 陈炜, 王伟铭
    2021, 41(04): 1044-1055.
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    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0～450 cm中161个样品的br GDGTs代用指标,对过去12.0 ka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br GDGTs分子组成存在显著差异:土壤以br GDGTs-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br GDGTs分子组成更相似,其br GDGT-Ⅰ和br GDGT-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br GDGTs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。
  • 青藏高原柴达木盆地湖泊长链烯酮和中位酮的研究及其意义
    张婷, 王永莉, 魏志福, 汪亘, 何薇, 马雪云, 马贺, 玉晓丽, 李尚昆
    2021, 41(04): 1056-1068.
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    柴达木盆地地处西北干旱区、青藏高原和东部季风区三大自然区域交汇地带,生态环境极其脆弱,是开展古气候研究的理想场所。本次以青藏高原柴达木盆地湖泊沉积物为研究对象,利用先进的前处理方法和气相色谱-质谱联用技术(GC-MS),探讨该区长链烯酮和中位酮的分布特征及指示意义。研究表明,青海湖、尕海湖、托素湖和可鲁克湖的湖泊表层沉积物中均含有长链烯酮系列化合物,并显示出C_(37)优势模式。其中,尕海湖、托素湖和可鲁克湖具有相近的烯酮比值(C_(37)/C_(38)),暗示这3个湖泊可能具有相同的烯酮母源藻。而柴达木盆地湖泊中C_(37)四不饱和烯酮含量(%C_(37:4)指标)与盐度呈正相关关系,这与青海湖和已发表的结论相矛盾,可能是由于湖泊中藻类群落结构的差异性而导致的。在可鲁克湖湖边湿地钻取了520 cm的沉积物岩芯,将岩芯的烯酮数据与可鲁克湖和青海湖已发表的烯酮记录进行对比,发现存在一定的差异性,可能与采样的位置、烯酮母源藻物种效应和柴达木盆地湖泊的特殊自然条件有关。特别的是,本次研究在湖泊表层沉积物和沉积物钻孔中均检测出长链中位酮系列化合物(C_(31)-16-one、C_(33)-17-one和C_(35)-18-one),且其表现为随着碳数增加,化合物丰度明显减小的变化趋势,即C_(31)>C_(33)>C_(35)。通过与正构烷烃参数进行对比,发现C_(31)-16-one可能来源于沉水植物,而C_(33)-17-one和C_(35)-18-one可能来源于高等植物贡献。在"8.2 ka"和"4.2 ka"冷事件中,C_(31)-16-one的含量显著减小,而C_(33)-17-one和C_(35)-18-one增加,暗示中位酮系列化合物可能是指示古气候环境变化的潜在指标。
  • 中亚阿尔泰山南坡表土和泥炭沉积物GDGTs综合研究
    郭海春, 曹建涛, 魏士凯, 石福习, 贾国东, 卞昊昆, 顾兆炎, 饶志国
    2021, 41(04): 1069-1093.
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    相对于我国季风区,西北内陆地区表土和泥炭沉积物的甘油二烷基甘油四醚化合物(GDGTs)现代过程研究结果报道较少。对中亚干旱区阿尔泰山南坡海拔梯度表土、高山泥炭地哈拉沙子和那仁夏周边坡地表土以及哈拉沙子表层泥炭沉积物进行了GDGTs分析,结果表明:1)其海拔梯度表土当中细菌来源支链结构GDGTs(br GDGTs)的分子分布特征主要响应于湿度的变化; 2)同样主要由于湿度变化的影响,奇古菌的影响和贡献在相对低海拔地区更为明显,产甲烷古菌的影响和贡献在相对高海拔地区上升,导致古菌来源的类异戊二烯结构GDGTs(iso GDGTs)的TEX86参数随海拔上升具有显著的降低趋势; 3)哈拉沙子和那仁夏泥炭地泥炭沉积物当中的br GDGTs和iso GDGTs都并非主要来自周边坡地土壤的异源输入,而主要都是泥炭地原地自生来源。这些研究结果,一方面为在该区域利用GDGTs开展古环境、古气候重建提供基础性参考;另一方面,也对其他区域相应研究结果形成有益补充。
  • 基于脂类的环境pH代用指标:进展与思考
    黄钰莹, 裴宏业, 李婧婧, 党心悦, 钱施, 赵世锦, 杨欢
    2021, 41(04): 1094-1114.
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    pH是环境中影响生物地球化学过程的关键因子之一,其变化能够影响土壤肥力、改变环境微生物群落结构、影响海洋生物形成钙质骨骼和介壳等。不同沉积环境中pH的变化受控于不同的因素。对于地质历史时期一些重建起来难度较大的环境因素,如降雨量和大气CO_2浓度等的变化,pH能够充当"桥梁"的作用。通过重建沉积物或者水体中pH的变化进而间接实现对这些环境因子变化的反演。通过调查现代环境中生物脂类与环境关系等手段,已经逐渐发展起来一系列的环境pH代用指标,包括细菌支链型甘油二烷基甘油四醚化合物(GDGTs)的环化指标(CBT、CBT_(5ME)、CBT_(6ME))和异构体指标IR(IR_(6ME)、IBT等)、革兰氏阴性菌3-羟基脂肪酸的RIAN、Branched Index、RIN指标、C_(31)藿烷的ββ/(αβ+ββ)立体异构体指标、长链正构2-烷基酮指标等。本文总结了基于生物脂类的pH指标其建立过程及应用原理,并对这些指标在古环境中的应用进行概述,归纳各自优缺点和应用范围,并提出了这些指标未来的研究方向。
  • 中国主要河流的颗粒有机碳来源及通量
    汪进, 曲远馨, 金章东
    2021, 41(04): 1115-1127.
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    河流系统是连接陆地和海洋的纽带,在全球碳循环中起着重要的作用。河流中的颗粒有机碳(POC)主要由来源于土壤和植被的生物有机碳和来源于岩石的化石有机碳组成,POC的侵蚀、搬运、氧化和埋藏对不同时间尺度的碳循环有着重要的意义。本研究统计了我国31条主要河流(包括台湾12条)的POC含量、碳同位素和悬浮物通量等数据,获得生物POC和化石POC的年通量,探讨了我国河流POC来源和通量的控制因素。结果表明,这些河流的POC的来源和通量表现出明显的差异:黄河和长江侵蚀大量的年老生物POC,而台湾河流主要为化石POC;我国河流POC来源与通量主要受控于物理侵蚀、气候、地质地貌和人类活动等因素的影响。这些河流的流域面积占我国国土面积的47%,近10年其生物POC和化石POC的总年通量分别为4.25±0.78 Mt C/a和2.04±0.22 Mt C/a,各占世界河流通量的2.7~(+1.3)/_(-0.9)%和4.7~(+6.6)/_(-2.8)%,表现出对全球海洋有机碳的一定贡献。过去几十年,我国河流输沙量显著减少,改变了河流有机碳氧化和水库埋藏过程及通量,其过程和通量的进一步监测和研究对理解有机碳侵蚀、输运、氧化和埋藏及其在全球碳循环中的作用至关重要。
  • 喀斯特关键带溶解性碳的迁移转化过程及其对降雨事件的响应
    覃蔡清, 李思亮, 岳甫均, 丁虎, 徐胜, 刘丛强
    2021, 41(04): 1128-1139.
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    喀斯特地区良好的水文连通性和丰富的碳酸盐岩使喀斯特关键带碳循环过程十分活跃,并对全球气候变化具有快速响应。为解析流量-溶解性碳浓度-碳同位素(Q-C-I)之间的动态关系以及喀斯特关键带重要的碳生物地球化学过程,本研究在降雨过程中对中国西南典型喀斯特流域——陈旗流域内的雨水、穿林雨、山坡径流、地表水和泉水进行了同步高频采集。结果表明,雨水中的溶解性无机碳(DIC)浓度很低,对地表水和泉水的整体贡献小。地表水和泉水中的DIC浓度随流量增加均表现出"溶质恒定(chemostatic)"行为,生物降解来源的CO2是主要调控因素,其相对贡献比在采样期间随流量增加而上升,而碳酸盐岩以及大气CO2的贡献相对较低且在水文变化时波动较小。流量相同时泉水中的DIC浓度及其单位时间的输出量均高于地表水。相比而言,雨水中的溶解性有机碳(DOC)浓度在穿过植被冠层后能上升1倍左右,在随径流从山坡运输到流域洼地的过程中也有上升趋势。地表水和泉水中的DOC浓度均随流量增加而增加,具有积聚效应,在运输过程中主要靠陆源补给,其输出量受控于与降雨情况有关的运输限制。因此,不同赋存形态碳在水文变化中的响应具有差异性,相互之间的转化也可能会改变流域的碳归趋行为。整体而言,流域内强烈的碳酸盐岩风化和农业活动对碳循环、气候以及水环境都会产生潜在影响。未来需要深入研究溶解性碳相互转换的时间尺度和控制机制及其在地表-地下运移过程中与喀斯特关键带结构的相互作用机理。
  • 抚仙湖水生植物HCO_3~-利用效率及与之相关的内源有机碳沉积通量研究
    贺海波, 李祥忠
    2021, 41(04): 1140-1146.
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    因可能是全球"遗失碳汇"的重要组分,耦合生物碳泵效应的碳酸盐风化碳汇日益受到学界关注,并且其对不同时间尺度上的气候变化都可能产生重要影响。由碳酸盐风化产生的HCO_3~-能否形成稳定的碳汇尚缺乏足够论证,厘清这一问题的关键在于如何有效评估水生植物固定HCO_3~-的能力,尤其是植物残体进入沉积物后的实际碳固定量。本文基于已发表的抚仙湖数据,利用碳同位素端元模型估算了抚仙湖水生植物光合固定HCO_3~-碳量,发现无机碳源中约有57%是以HCO_3~-的形式被水生植物光合固定下来,碳汇通量达24.76 tC/(km~2·a)。而可能由于微生物分解等作用,抚仙湖现代沉积物中真正被埋藏下来的内源有机碳沉积通量,即耦合生物碳泵效应的碳酸盐风化碳汇通量仅为9.2～16.4 t C/(km~2·a),这大致相当于水生植物所固定HCO_3~-的一半。尽管如此,水生植物的光合作用和碳酸盐风化耦合作用仍表现出巨大的碳汇潜力。因此,在未来的全球碳循环和气候变化模型中需考虑碳酸盐风化碳汇的影响。
  • 不同类型湿地CO_2︰CH_4比例及其影响因素:整合分析
    周镭, 戴国华, 朱二雄, 冯晓娟
    2021, 41(04): 1147-1155.
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    湿地是温室气体二氧化碳(CO_2)和甲烷(CH_4)的主要来源之一,在全球碳循环中发挥着重要作用。由于CH_4在百年尺度上的全球增温潜势是CO_2的45倍,因此深入研究湿地CO_2︰CH_4的排放比例及其影响因素对准确理解和预测湿地碳循环过程及其对未来全球变化的响应具有重要意义。本文采用文献整合分析方法,对比了不同类型湿地中CO_2︰CH_4排放比例的特征及其影响因素。结果表明,藓类泥炭沼泽、滨海湿地和稻田中CO_2︰CH_4排放比例显著高于草本沼泽、河流湿地和湖泊湿地等其他类型湿地;相关性分析研究发现,湿地CO_2︰CH_4排放比例与pH和水位显著负相关,与盐度显著正相关。可见,藓类泥炭沼泽低水位和低pH抑制CH_4排放是导致其CO_2︰CH_4排放比例较高的重要原因,而滨海湿地高盐分抑制CH_4排放是其CO_2︰CH_4排放比例高的重要原因。与自然湿地相比,稻田CO_2︰CH_4排放比例高与其人为施肥和稻草还田抑制CH_4排放有关。此外,大气温度、土壤温度、降水量、土壤含水率等因子也对湿地CO_2︰CH_4排放比例具有重要影响,尽管它们之间的线性相关关系不显著。目前,湿地CO_2︰CH_4排放比例和影响因素仍存在很大的不确定性,未来亟待加强不同类型湿地CO_2︰CH_4排放比例及其关键影响因素研究。
  • 气温和降水量对东灵山阔叶林凋落物分解特征的影响
    谷永建, 吕璇泽, 陶千冶, 余志晟, 旺罗, 李玉梅
    2021, 41(04): 1156-1168.
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    植物凋落物分解是北半球中纬度森林生态系统生物地球化学循环的关键环节,其过程目前尚不甚清楚。北京东灵山暖温带落叶阔叶林凋落物破碎程度、颜色变化和微生物培养的定量化综合研究结果显示:大粒级碎片含量和颜色值L*是凋落物早期分解程度的直接量度。可培养微生物菌落数(CFU)自1月起逐渐增加,于9月达到峰值,增幅受控于气温和降水量。微生物菌落数与大粒级凋落物含量和L*值具有较强的相关性,显示了微生物的生长繁殖对提高森林凋落物降解速率的作用。本次研究中,气温和降水量两个环境因子能够得以分离。当气温升高而降水量却较低时,凋落物分解减慢;当降水量较高时,即便气温有所下降,分解速率也可能很高,其作用机理可能与微生物生物量有关。升温和降水量的合理分配能够提高凋落物分解速率,促进碳排放。若未来区域升温且降水量也增加,森林土壤碳排放量也将增大。
  • 我国主要树种类型通用生物量相对生长方程的建模比较
    刘建峰, 倪健
    2021, 41(04): 1169-1180.
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    森林生态系统是全球植被及碳循环的主体,快速准确地估算与评估大尺度的森林生物量,对于揭示全球森林的碳储量以及应对全球气候变化具有重要意义。本文搜集了1982～2019年间发表的我国生物量研究文献,以其中287篇文献的生物量数据为基础,利用生物量基本模型、最小二乘支持向量机(Least Square Support Vector Machine,简称LSSVM)模型和哑变量模型3种方法,分别研建了落叶阔叶树种、常绿阔叶树种和针叶树种3种树种类型的通用生物量相对生长方程,并评估不同方法的优劣。结果表明,本文不同方法构建的方程大多能达到相对较高的预估精度,可应用于我国生物量评估当中。基本模型受限于自变量影响,模拟结果存在较大不确定性; LSSVM方法通过机器学习,得到了优化参数,提升了模型模拟效果;而哑变量模型引入了环境指标等哑变量,降低各环境指标的影响,提高了模型适用性。使用胸径和树高D2H变量模型构建地上生物量方程大多优于仅使用胸径D变量模型,地下生物量则相反,但仅使用D变量构建的生物量方程也能达到较好的预估效果。我们认为将不同的建模方法融入到生物量评估中,对提升大尺度生物量评估精度具有重要意义,是未来生物量评估的发展方向。
  • 莱州湾沉积有机碳储量及海洋健康评估
    马海力, 肖晓彤, 金贵娥, 赵美训
    2021, 41(04): 1181-1191.
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    海洋沉积碳储量在全球碳循环中发挥着重要作用,而海湾作为海洋的重要组成部分,近几十年来由于受人类活动影响有机碳循环发生了明显变化,对碳储备能力的响应同样不可忽视,但却鲜有报道。研究区域位于莱州湾(37°～38°N,118.9°～120.3°E),是渤海三大海湾之一。利用39个表层沉积物和其6根沉积箱式柱状样(站位为6154、6174、6184、6194、7211和7214,柱长在17～39 cm之间)对海湾有机碳储量进行评估。同时,通过计算海洋健康指数(OHI)十个目标之一的碳储(carbon storage)来评估海洋健康状况。结果表明,莱州湾表层沉积物1 cm的有机碳储量平均为0.3 t/ha,在研究区域的中部、东部和北部偏高,莱州湾东南部、区域西北部以及黄河口处有机碳储量偏低。莱州湾0～20 cm有机碳储量为20.6 t/ha,低于我国表层土壤0～20 cm有机碳储量29.7 t/ha以及浙江、云南、海南和重庆等省市。莱州湾碳储(carbon storage)得分为37,远低于中国平均值51以及世界平均水平75。
  • 深水水库磷的生物地球化学循环
    王敬富, 陈敬安, 陈权, 金祖雪, 曾华献
    2021, 41(04): 1192-1205.
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    我国水能资源居世界第一。密集的水电开发形成数量庞大的梯级水库群,成为我国淡水资源最重要的存储形式之一。在这些水库中,磷的来源、生物地球化学循环过程与生态环境效应独具自身特点,但相关研究较为薄弱。本文以西南地区典型水库为例,系统地阐明了水库水体和沉积物中磷的赋存形态、时空变化特征、迁移转化规律及生物可利用性。随着国家水环境保护工作的有力推进,我国水库水体总磷(TP)浓度(0.02～0.21 mg/L)呈持续降低趋势。统计结果表明,水库水体叶绿素a(Chl.a)与TP浓度呈显著正相关,表明水库藻类生长仍主要受TP浓度的影响。相较于中国东部浅水湖泊,西南地区水库沉积物中TP含量通常更高(均值>1300 mg/kg),且活性磷组分(氧化还原敏感态磷:BD-P;Fe/Al结合态磷:NaOH-P;弱吸附态磷:NH_4Cl-P)占比超过50%。高分辨率观测发现,西南水库在夏季分层期显示出更高的内源磷释放速率(0.15～0.29 mg/(m~2·d)),远高于东部浅水湖泊(0.09～0.15 mg/(m~2·d))。季节性缺氧诱导的Fe/Mn结合态磷的还原溶解是水库沉积物内源磷释放的关键机制。此外,还论述了加强水库磷生物地球化学循环研究的重要意义,并提出了未来重点研究方向。
  • 泸沽湖沉积物中磷累积的时空变化及其环境意义
    陈月, 林琪, 刘恩峰, 张恩楼, 王萧, 沈吉
    2021, 41(04): 1206-1215.
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    湖泊沉积物中磷累积特征反映了流域人类活动影响下的磷入湖通量的变化,与湖泊生态环境密切相关。本研究分析了泸沽湖15根长17～27 cm沉积短岩芯中磷的含量,评估了自然源与人为源磷的贡献,探讨了近140年来不同来源磷累积的时空变化特征及其与流域人类活动和湖泊生态环境的关系。结果表明,不同湖区沉积物中磷含量垂向变化趋势总体一致。以南部湖心区LGS岩芯为例,1960年前,沉积物中磷的含量与累积通量较低,为人类活动干扰较弱的准自然沉积; 1960～2000年,自然源与人为源磷的含量和累积通量均逐渐增加,其中1960～1980年和1980～2000年人为源磷累积通量平均分别为4.9 mg/(m~2·a)和39.1 mg/(m~2·a)。2000年以来,沉积物中自然源磷的累积通量略有降低,但人为源磷的累积通量持续升高,平均为109 mg/(m~2·a)。空间上,南部湖区自然和人为源磷的累积通量总体上高于北部湖区,不同时期自然源磷的累积通量高值区均位于南部湖区东部,而沿岸居民点密集分布的南北湖区连接处和西北部湖区人为源磷的累积通量相对较高。不同来源磷累积通量的时空变化主要与农业和旅游业发展导致的土壤侵蚀和污染排放输入有关。沉积物中磷累积通量与硅藻、摇蚊等水生生物属种呈同步的历史变化趋势,指示了磷输入对湖泊生态环境变化的重要影响。
  • 四川锦屏隧道细菌群落特征及其组装过程
    王纬琦, 程晓钰, 向兴, 云媛, 王红梅, 邱轩, 刘晓燕, 宋宇扬
    2021, 41(04): 1216-1228.
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    深地生物圈微生物群落组成及其潜在功能研究对于探索生命生存极限,安全开发利用地下空间具有重大意义。锦屏隧道位于四川省凉山彝族自治州,上覆地层为三叠纪的大理岩和灰岩,其最大埋深可达2525 m,该隧道的开挖为研究陆地深地生物圈微生物群落提供了宝贵的机会。为了探究锦屏隧道细菌群落组成、潜在功能及群落组装机制,分别采集锦屏隧道内松散的表层岩壁和沉积物样本进行16S rRNA扩增子的高通量测序分析。结果表明锦屏隧道细菌群落具有较高的多样性,香农威纳指数变化范围为5.19～8.71。群落组成上变形菌门(Proteobacteria)在所有样本中占主导地位,其次为放线菌门(Actinobacteria)和浮霉菌门(Planctomycetes)。纲水平上,γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)占绝对主导,在大部分样本中的相对丰度超过61.4%,α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)和β-变形菌纲(Betaproteobacteria)也有较高的相对丰度。代谢功能上,锦屏隧道中化能异养细菌类群在锦屏隧道中占绝对主导,而以H2和CH4为能源进行代谢的细菌类群相对丰度极低,经岩溶裂隙进入隧道内的地表有机质是这些异养细菌类群的潜在物质和能量来源。此外,与深地基岩和地表土壤环境研究结果对比发现,锦屏隧道内动物寄生及人类潜在病原体细菌类群的相对丰度较高(分别达到6.4%和6.3%),这表明深地生物圈潜在的生物安全隐患及人类活动对深地生物圈的扰动不可忽视。锦屏隧道细菌群落的共发生网络具有良好的模块性,Ralstonia、Planctomyces和Woodsholea是维持网络结构稳定的关键类群。群落构建分析表明锦屏隧道细菌群落构建以确定性过程为主导,其中异质性选择贡献最大,在岩壁微生物群落构建中占52.8%,对沉积物微生物群落构建以及对所有样本微生物群落构建的贡献分别为61.1%和61.4%,这可能是由锦屏隧道黑暗无光且寡营养的极端环境特点所决定。该研究结果揭示了四川锦屏隧道深地生物圈细菌的群落组成以及化能异养为主的生态功能特征,明确了环境条件对细菌群落构建的决定性作用,也为更好地开发利用锦屏地下空间提供了重要的生物安全参考。