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  • 2023年, 43卷, 第02期
    刊出日期：2024-06-19
      
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  • 青藏高原陆地生态系统碳汇估算:进展、挑战与展望
    汪涛, 朴世龙
    2023, 43(02): 313-323.
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    陆地生态系统碳汇是实现碳中和的重要支撑。作为我国乃至亚洲的生态安全屏障，青藏高原具有良好的生态资源、固碳增汇潜力大。本文系统梳理了青藏高原陆地生态系统碳汇现状与未来潜力估算。主要结果如下：通过整合自下而上(清查法和生态系统模型)和自上而下(大气反演模型)不同方法的研究，当前碳汇大小为每年26.5～33.7 Tg C,占全国陆地生态系统碳汇的9.9%～19.6%;未来气候暖湿化以及生态恢复与管理措施加强情景下，到2060年碳汇有望实现倍增，达到每年53.0～63.7 Tg C。但高原碳汇估算仍存在很大不确定性，未来研究应聚焦在减少土壤碳汇不确定性、极端气候事件对碳汇功能影响、冻土碳库脆弱性、退化生态系统增汇潜力与途径、水体碳源汇功能和其他温室气体源汇功能等方面；通过补齐高原关键区域观测短板、研发自然与人文耦合的生物地球化学模型、构建模型-多源观测数据融合系统，以准确揭示青藏高原碳汇现状与未来趋势，为青藏高原碳中和贡献先行示范区和生态文明高地建设提供参考与支撑。
  • 泥炭地碳源汇功能与“双碳”目标
    张卉, 郭正堂, 赵艳
    2023, 43(02): 324-335.
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    自工业革命以来，大气中CO_2浓度快速升高导致了全球变暖，并引发了一系列气候和环境问题。应对气候变化、实现“碳达峰与碳中和”(以下简称“双碳”)已成为世界各国共同倡导的目标；而理解自然系统的碳源汇功能，对实现这一目标具有重要的意义。泥炭地是世界上分布最为广泛的湿地类型，对全球碳循环和气候变化有着十分重要的影响，其在实现“双碳”目标中的重要性受到越来越多的关注，这也使泥炭地碳循环研究成为前沿领域。本文简要回顾了国内外泥炭地碳循环的研究现状，阐述了泥炭地的碳源汇特征(包括CO_2净交换、 CH_4排放、溶解有机碳迁移、碳累积)、变化及驱动机制，并对其在实现“双碳”目标中的作用进行了分析。总体来说，泥炭地碳循环对全球碳源汇估算具有重要的影响，未来需进一步加强对泥炭地分布和碳库的研究，强化泥炭地生态环境演变规律、碳循环-相关过程对气候变化的敏感度以及研究薄弱地区等的针对性研究。在此基础上，科学地可持续管理和恢复退化泥炭地，如人为水文调节，以保持甚至增加其碳汇潜力和储存碳的稳定性，可发挥泥炭地在“双碳”时代的最大碳汇潜力，也将是减缓气候变暖经济而高效的途径之一。
  • 定量重建黄土高原末次间冰期土壤呼吸CO_2浓度
    季顺川, 聂军胜, 马龙, 文静雅, 安玉英, 范德仙, 聂菊敏
    2023, 43(02): 336-344.
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    成壤碳酸盐气压计(paleosol carbonate CO_2 barometer)是定量恢复古大气CO_2浓度的重要方法，但是目前重建结果仍然存在较大的不确定性，主要原因是土壤呼吸产生CO_2(简称S(z))的数值分布范围较大。S(z)在古土壤中不能直接测量，它受古降水影响具有明显的空间分异特征。中国黄土高原广泛分布的成壤碳酸钙结核是土壤呼吸作用和淋溶再沉淀的产物，具有恢复长时间序列古大气CO_2浓度的潜力，但是目前各指标方法恢复的S(z)存在差异。本研究利用黄土高原7个末次间冰期(对应古土壤S_1层)剖面的成壤碳酸钙结核恢复黄土高原S(z)值的空间变化规律，并对比不同指标方法恢复的S(z)。结果显示：黄土高原S(z)呈现出南部高于北部的特征，南部剖面S(z)的平均值为848±170 ppm,北部剖面S(z)的平均值为539±87 ppm。这个趋势与暖季平均降水量的空间变化趋势一致。本研究确定黄土高原S(z)的空间变化范围，为利用黄土碳酸盐重建古大气CO_2浓度提供可靠的参数限制。
  • 全新世渭河流域植被演替对陆地生态系统碳储量的影响
    于严严, 吴海斌, 李琴, 孙爱芝, 罗运利
    2023, 43(02): 345-355.
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    陆地生态系统古碳储量演化历史既是理解过去区域碳循环过程的基础，也是预测未来陆地碳库变化趋势的重要参照。以往由于实测记录的缺乏和现代碳循环模型应用的局限，难于实现过去陆地碳库的准确重建。本研究通过地质时期86个点位的孢粉记录与古碳循环模型模拟的结合，在定量化重建全新世渭河流域古气候参数空间格局的基础上，模拟了自然植被时空演化过程及其陆地生态系统碳储量变化。结果表明，全新世早期到中期，流域森林面积覆盖度由34%增至63%,导致陆地生态系统碳储量从2.48 Pg C增至3.40 Pg C;全新世中期到晚期，流域森林面积覆盖度降至20%,陆地生态系统碳库储量随之减少了1.03 Pg C。空间上，流域碳密度变化主要受控于植被类型的分布，后者又与地貌条件密切相关。全新世中期全球增温情形下渭河流域森林植被大面积扩张和碳储量显著增加的结果，预示着未来全球变暖背景下该流域陆地生态系统具有较强的碳汇潜力。
  • 典型黄土塬区地下水水化学成因机制及碳循环意义
    黄天明, 龙吟, 张芬, 赵雅静, 刘文景, 李义曼, 马金珠, 祁生文, 庞忠和
    2023, 43(02): 356-367.
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    水岩相互作用包括了溶解、沉淀和离子交换等作用，其参与了各种地质作用和生态-环境过程;而目前对离子交换作用在水中离子来源解析和同位素示踪等方面考虑不足，这限制了对水化学演化规律和碳循环刻画等方面的认识。本研究选择水文地质条件较为简单的甘肃陇东地区董志塬，在对降水入渗补给评估、地下水定年(~3H和~(14)C)等水循环规律刻画的基础上，通过对降水元素输入和阳离子交换容量分析，以及应用硝酸盐同位素(δ~(15)N-NO_3和δ~(18)O-NO_3)、硫酸盐同位素(δ~(34)S-SO_4和δ~(18)O-SO_4)、~(87)Sr/~(86)Sr(包括地下水及黄土各分量)、阳离子关系等手段，解析了董志塬地下水中主要离子来源。研究结果显示，降水入渗补给量为39±8 mm/a，土壤水运移速度为0.13±0.03 m/a;研究区包气带较厚(主要在40～75 m)，这说明年降水需要250～750年才能补给到地下水，但持续的补给使得自然条件下每年约有(3167±650)×10~4m~3地下水通过泉水补给两侧河流。地下水年龄较老，不含~3H,~(14)C校正年龄在417年至19420年之间，因此水化学组成受现代人类活动影响可忽略;地下水中Cl~-和SO_4~(2-)主要来自于古降水，并反演出古降水SO_4~(2-)平均含量为1.2 mg/L，显著低于受化石燃料等影响的现代含量(平均为6.6 mg/L);而地下水NO_3~-则主要来自于土壤氮的硝化。地下水~(87)Sr/~(86)Sr比值(0.7107至0.7114)与黄土中碳酸盐的比值(0.7103至0.7111)基本一致，表明Ca~(2+)和Mg~(2+)主要来自于碳酸盐矿物的溶解，部分被吸附至粘土矿物。研究区黄土具有较高的阳离子交换容量(149±33 meq/kg)，地下水总Na~+中，降水贡献平均占29%，其余Na~+主要来源于水中Ca~(2+)和Mg~(2+)和粘土矿物中Na的交换(平均为71%)，硅酸盐溶解对水中Na~+贡献可忽略(硅酸盐溶解会导致~(87)Sr/~(86)Sr增加)，而以往研究大多认为除了降水输入、蒸发岩溶解外，水中Na~+主要来自于硅酸盐矿物的溶解，并贡献了碳汇。本研究认为在研究区地下水中，硅酸盐风化的碳汇效应可忽略;同时强调了在含有粘土矿物的流域或水岩体系，阳离子交换作用在示踪水中离子来源及碳循环中的重要性。
  • 雅砻江下游表层土壤碳储量及其驱动因素
    吴迪, 冯雍, 陶贞, 邓浩俊, 钟庆祥, 宋文婕, 贺一聪, 王振刚, 丁健
    2023, 43(02): 368-380.
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    采集青藏高原东南缘雅砻江下游代表性植物群落表层土壤(0～10 cm)样品，测量土壤不同形态碳含量和稳定碳同位素组成(δ~(13)C_(org)),运用δ~(13)C_(org)和化学计量指标探讨干热河谷土壤碳储量及其驱动因素。结果表明：1)雅砻江下游表层土壤碳储量为121×10~9 kg C,其中颗粒有机碳储量占79.48%,颗粒无机碳储量占20.05%,溶解有机碳和溶解无机碳储量甚微。2)比较发现，研究区土壤碳含量和碳汇潜力较大。土壤有机碳(SOC)含量较高(21.23 g/kg),尤其杂木林地SOC含量高达49.71 g/kg。揭示研究区物种多样性对SOC含量的贡献。研究区分布多种植物群落且具有较强的光合碳同化(植被叶片碳氮比(C/N)高达31.21)固碳能力，为研究区较大的SOC储量提供了充足的植物源碳保障。研究区较大的土壤无机碳含量和成壤无机碳输出通量(2.065×10~8 kg C/a),揭示研究区存在相当大的成壤无机碳碳汇过程和贮存潜力。在流域尺度上计算土壤成壤无机碳碳汇时，径流输出的成壤无机碳不可忽视。3)研究区土壤C/N变化率和δ~(13)C_(org)变化率空间变化均不显著(p> 0.05),揭示研究区不同群落土壤微生物代谢活动无显著差异。研究区SOC含量变化受非生物因素(气温、降水和坡度)驱动的生物因素(群落生产力和微生物代谢活动)调控。本研究可为土壤碳汇/源调控机制研究和实现我国“碳中和”目标提供基础数据。
  • 斯洛文尼亚岩溶区草地昼夜尺度土壤CO_2含量与土温滞后效应
    章程, 肖琼, 汪进良, 苗迎, Mitja PRELOVSEK, 孙平安, 郭永丽, Martin KNEZ
    2023, 43(02): 381-389.
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    土壤CO_2含量及其变化规律研究，关系到土壤呼吸CO_2排放通量估算的准确性，昼夜尺度土壤CO_2与土温滞后效应形成机理与影响因素是其核心研究内容。本研究以斯洛文尼亚典型岩溶区草地土壤系统为例，开展土壤CO_2、土温与土壤水分高分辨率监测，分析昼夜尺度土壤CO_2与土温滞后效应及其产生原因，讨论滞后程度的多日演变规律及其与土壤水分的关系。结果表明，生长季土壤CO_2含量、土壤温度和土壤水分变化分别为1986～6689 ppm、 14.69～23.55℃和16.4%～33.3%,均值分别为3578 ppm、 19.69℃和23.3%。土壤温度和土壤CO_2均呈现出白天上升夜间下降的昼夜变化特征，后者昼夜变幅为176～780 ppm,均值425 ppm。土壤CO_2与土温昼夜滞后环呈顺时针方向演变，土壤干化阶段滞后环呈螺旋式下降，降雨期间则表现为螺旋式上升。滞后环的出现主要受光合有效辐射和土壤温度控制，也与土壤微生物种类密切相关，滞后程度受土壤水分含量控制，水分越高滞后效应越显著，水分大于25%时，滞后环宽度值高达300～800 ppm;低水分时滞后效应减弱，此时土壤CO_2与土温接近于线性相关。降雨期间土壤CO_2有快速下降现象，暗示部分CO_2随雨水脉冲过程向下运移，成为下伏碳酸盐岩溶蚀驱动力，为准确估算岩溶区土壤呼吸排放通量和评价岩溶作用的土壤CO_2减源效应提供了科学依据。
  • 云南湖泊碳库效应
    于苗苗, 蒙红卫, 陈金龙, 孙启发, 沈才明
    2023, 43(02): 390-402.
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    具有高精度年代序列的湖泊沉积物是研究古气候的理想载体，而碳库效应是制约精准年代序列建立的主要障碍之一。选取云南地区13个湖泊的年代数据，通过现代校正法、线性回归法和地层关联法等碳库校正方法，探讨了云南地区可能存在的湖泊碳库效应及其影响因素。结果表明，泸沽湖、程海、洱海、大理西湖、云龙天池、腾冲青海、星云湖、杞麓湖、阳宗海和滇池10个湖泊均存在较大的碳库效应，勐梭龙潭、异龙湖和抚仙湖的碳库效应则极小或不存在；云南地区湖泊的平均碳库年龄为1010年，碳库效应介于我国青藏高原、西北地区和北方地区、南方地区之间，这与云南地区碳酸盐岩基岩分布广泛、植被密集且湖泊生产力较高有关。从空间上看，云南地区的湖泊碳库效应有明显的差异，滇中的阳宗海碳库年龄高达2642年，滇西各湖的碳库年龄均低于2000年，滇南的勐梭龙潭碳库年龄仅有105年。在碳酸盐岩广布的云南地区，基岩性质可能是碳库效应形成的主导因素；此外，湖泊汇水面积和补给水源等也影响了抚仙湖和腾冲青海等湖泊的碳库效应。从时间上看，湖泊水文状况及流域植被覆盖度的变化可能导致了星云湖、腾冲青海、程海、泸沽湖和云龙天池等湖泊碳库效应的时间变化，比如泸沽湖深部岩芯的碳库年龄与现代碳库年龄相差较大，云龙天池的碳库年龄随着深度的增加而增大。研究表明，云南地区碳库效应时空变化的复杂性对建立精确定年有较大影响，因此厘清湖泊碳库效应大小及时空变化特征对建立可靠的湖泊沉积物年代序列十分重要。
  • 近70年滇池有机质来源和生产力变化的沉积记录
    张汝频, 万难难, 杨余, 冉勇
    2023, 43(02): 403-411.
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    总有机碳(TOC)、稳定碳同位素(δ~(13)C)、岩石热解分析(Rock-Eval)和甾醇生物标志物等有机地球化学指标用于研究滇池过去70年沉积物有机质的来源及水体生产力的变化。C/N、δ~(13)C、氢指数(HI)表明滇池沉积物有机质主要为水生来源，且主要为藻类有机质。初级生产力指标(热解烃峰参数(S2)、HI、δ~(13)C)和浮游植物甾醇(菜籽甾醇、甲藻甾醇)含量从2000年以后快速增加，而从近几年开始增速放缓或开始下降，说明滇池水体生产力在过去几十年不断上升，不过在最近得到一定控制，这与滇池沉积物营养盐的变化趋势相似。对生产力指标和浮游植物甾醇与环境因子如5年移动平均气温(T_5)、总氮(TN)、总磷(TP)进行相关分析，结果表明滇池生产力变化与环境因子呈现显著的正相关关系，说明气候变暖和营养盐增加均促进该水域藻类的繁殖；此外，多元线性回归分析结果表明，TN是影响滇池生产力变化的主要环境因子。研究结果对探寻水体富营养化过程及影响因子，并对湖泊管理和水华防治工作提供科学依据。
  • 典型喀斯特河流二氧化碳分压及交换通量季节变化
    倪茂飞, 李思悦
    2023, 43(02): 412-424.
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    河流水-气界面二氧化碳(CO_2)交换是全球及区域碳收支平衡的重要组成部分。然而，当前对喀斯特水体CO_2吸收及排放特征的研究仍然有限。为探究喀斯特河流CO_2分压(p CO_2)及水-气界面CO_2交换特征，本研究以我国典型喀斯特河流綦江为对象，调查了气象水文条件、碳酸盐平衡参数(p H、T、Alk、DIC、HCO_3~-、CO_3~(2-)、CO_2)、水-气界面CO_2交换通量(F)和环境变量(EC、DOC、TDN和TDP)的季节变化特征，分析了p CO_2的调控因素及其与环境变量的耦合关系，比较了不同河流的水-气CO_2交换现状。结果显示，綦江原位水体p CO_2在1.3～7205.2μatm范围内变化，其中有47%样品高于大气CO_2平衡浓度值。受雨季降水稀释作用和旱季呼吸矿化作用及人为输入复合影响，旱季水体p CO_2(1549.5±1786.8μatm)显著高于雨季初期(448.9±184.0μatm)和雨季后期(83.8±166.0μatm)(P<0.001)。河流F值在-213.6～5526.6 mmol/(m~2·d)范围内，其平均值为202.4±907.8mmol/(m~2·d)。其中，旱季碳源(F>0)样点比例较多为85%，次之为雨季初期(48%)，雨季后期样点碳源比例较少(6%)。水体p CO_2与环境变量EC和TDN具有显著相关关系(P<0.05)。喀斯特河流水-气界面可同时作为大气CO_2的源和汇，掌握其变化规律对我国生态系统“碳达峰、碳中和”目标的实现具有重要理论和现实意义。
  • 中国跨境河流水化学特征及其控制因素
    马冰洁, 张全发, 李思悦
    2023, 43(02): 425-438.
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    利用Gibbs图、三角图、非参数检验、主成分分析等方法对比研究中国主要跨境河流(雅鲁藏布江、怒江、澜沧江、伊犁河、额尔齐斯河、黑龙江、红河和狮泉河)的水化学特征，探讨不同气候、岩性等条件下跨境河流河水中溶解性物质的主控因素及来源。结果表明：河流pH范围为7.60±0.93～8.29±0.14,呈弱碱性；总溶解性固体(TDS)范围为139.14±106.58～238.03±85.47 mg/L,均高于世界河流平均值(100 mg/L),为弱矿化度水；河水水化学组成中阳离子以Ca~(2+)为主，阴离子以HCO~-_3为主，水化学类型为HCO~-_3-Ca~(2+)型。主要离子在河流间存在显著性差异，对河流水化学而言，岩性为第一级影响因子；河水离子主要受碳酸与硫酸参与的碳酸盐矿物化学风化作用控制，总体上，碳酸盐岩以方解石的风化作用为主；雅鲁藏布江、澜沧江、伊犁河、黑龙江和狮泉河水化学还受到人为活动影响；主要离子浓度未超过中国生活饮用水标准及世界卫生组织推荐标准。本研究为后续跨境流域岩石化学风化引起的大气CO_2消耗这一地质碳汇提供依据。
  • 近2000年南海北部沉积有机碳的来源及埋藏记录
    石雪松, 叶丰, 王利伟, 黄超, 韦刚健, 曾提
    2023, 43(02): 439-447.
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    在气候变化和人类活动日益增强的背景下，河口近海碳源汇途径的变化对区域乃至全球碳循环有着深刻的影响。本研究对南海北部河口-近岸-陆架海区3根沉积物柱状样顶部沉积记录约2000年的样品进行了有机碳(TOC)和总氮(TN)含量与稳定同位素组成等地球化学指标的分析。结果显示，南海北部沉积物TOC含量在过去2000年表现出稳步增加的趋势。根据稳定碳同位素(δ~(13)C)和TOC/TN比值构建的蒙特卡洛模拟估算，发现不同海区沉积有机碳的来源存在差异，其中陆源有机碳在近岸区贡献最高，河口区次之，南海北部陆坡贡献最小。在时间尺度上，陆坡区TOC来源在过去2000年维持稳定，而河口近岸区中海源有机碳比例不断增加，特别是河口区海源有机碳在过去1000年快速增加，同时与TN的变化存在显著的正相关关系，反映了人类活动持续输入的陆源营养盐促进了海洋初级生产力的升高；另一方面，河口区陆源有机碳的减少主要归因于华南地区减弱的东亚夏季风和人类活动与沿海地区大规模的围垦活动等。不同于河口近岸海区，南海北部陆坡沉积物有机碳埋藏的增加主要与东亚冬季风增强对营养盐供应和初级生产力的调控密切关联。整体而言，人类活动和气候变化共同控制着近2000年南海北部沉积物有机碳埋藏的演变过程。
  • 工业革命以来南海珊瑚钙化生长对海洋升温的响应
    陈雪霏, 邓文峰, 韦刚健
    2023, 43(02): 448-457.
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    珊瑚礁不仅滋养着近1/3的海洋生物，同时也贡献了近一半的浅海碳酸盐沉积，在海洋碳循环中扮演重要角色。然而，在“CO_2问题”的影响下，珊瑚钙化受到来自海洋升温和酸化的双重胁迫，致使珊瑚礁生态系统遭受到严重的扰动。我国南海由北至南分布有大量的珊瑚礁，在近几十年来活珊瑚覆盖率和生物多样性都呈现退化的趋势，但尚不清楚珊瑚钙化是否也同样受到气候变化的干扰而处于退化状态。本研究汇集了目前已报道的南海滨珊瑚钙化生长的重建记录，分别对海南岛、西沙和南沙典型珊瑚礁区的滨珊瑚钙化生长演变特征进行了对比分析，探讨了工业革命以来南海珊瑚钙化对海水温度变化的响应情况。研究结果表明，南海近岸和离岸的滨珊瑚骨骼密度均呈现长期下降的趋势；而骨骼生长速率呈现多年代际的波动变化，近50年以来仅在西沙显示出下降趋势，这使得珊瑚综合的钙化速率在西沙和南沙均出现明显退化。进一步分析表明，海水温度对南海滨珊瑚钙化生长有显著影响，并且不同海域的背景温度决定着珊瑚骨骼生长对海表温度变化的响应情况。具体来说，西沙和南沙的滨珊瑚骨骼密度受温度影响显著，随着海温升高而逐渐降低，而骨骼生长速率和钙化速率对温度变化并无明显响应。与前两者不同，海南东部滨珊瑚的骨骼密度与温度变化关系并不显著，而其骨骼生长速率和钙化速率受升温影响而有升高的趋势。这些差异可能反映了海南岛较低的冬季温度限制了珊瑚骨骼的钙化生长，因此升温对珊瑚生长有促进作用；而西沙和南沙海域的冬季温度均保持在适宜珊瑚生长的温度范围，且夏季温度较高，因此温度的升高可能限制了珊瑚钙化生长。
  • 雷琼火山现今幔源流体释放及气体源区温度研究
    赵慈平, 胡久常, 周艺颖, 郭明瑞
    2023, 43(02): 458-472.
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    雷琼火山位于欧亚板块与巽他板块交界处附近，规模大、喷发活动期次多。地震层析成像结果表明，雷琼火山区附近存在地幔柱，但地幔柱中心与现今雷琼火山区的中心位置存在200 km的错位。一种可能是地幔柱本身是倾斜的；另一种可能是，像夏威夷火山链那样，地幔柱没有发生位置变化，但地幔柱上方的岩石圈发生了漂移，从而火山喷发区与地幔柱发生了错位。为了探讨这两种可能性及其他可能的情景，本研究在雷琼火山及其邻近区域进行了地下水逸出气体氦氖碳同位素调查，共调查了雷州半岛及其东北邻近区域水文点(温泉、冷泉、自流井)62个(其中45个无逸出气体),获得并分析了主要位于雷州半岛东北邻近地区(海南地幔柱位置的正上方)17个温泉的逸出气体样品，而在雷琼火山区内(包括雷州半岛和琼北)则并未发现有逸出气体的水文点；雷琼火山区西南邻近地区海南岛中南部的14个温泉则直接利用前人数据。结果表明，雷琼火山邻区温泉逸出气主量化学成分主要来源于大气，微量化学成分主要是大气或大气饱和水与壳源或幔源气体不同程度混合的产物；He主要为壳幔来源，以壳源为主，幔源混入显著；幔源He比例呈双峰分布，分别是0.5%～5.0%和10.0%～20.0%; CO_2及CH_4多数为壳源，部分为幔源，少量为生物成因；视碳同位素温度普遍较低，5个泉点接近或大于400℃,最高863℃。从空间分布上看，不管是幔源He比例还是视碳同位素温度，均表现出从外围向雷琼火山区升高的总体趋势。样条函数插值预测，在雷琼火山区中心(雷州半岛)幔源He将达到50%,视碳同位素温度将达到1750℃,说明雷琼火山仍然是活动的，至少仍有幔源岩浆的补充；海南地幔柱的正上方有地幔柱源挥发份的少量渗漏。我们提出一个解释海南地幔柱和雷琼火山错位200 km的现象的模型：海南地幔柱的主体(下部)位置是固定的，而地幔柱经过的软流圈是流动的，流动的软流圈推动海南地幔柱的上部向西南方向偏离了主体的位置。华南地块软流圈的向西南方向和岩石圈的向东南方向的相互不同的运动方向决定了雷琼火山未来活动将向其正西方向(北部湾)发展。
  • 火山口湖温室气体释放规模研究
    孙玉涛, 张悦, 郭正府, 赵文斌, 李菊景, 马琳
    2023, 43(02): 473-484.
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    火山口湖是地球上最为壮观的自然地貌之一。作为连接地表系统和地球深部岩浆-水热系统的纽带，火山口湖是探索火山系统内部地质作用的重要窗口，也是地球深部碳循环的重要环节。本研究在全球火山湖温室气体排放研究的基础上，对火山口湖、玛珥湖和火山-构造有关的湖泊CO_2排放数据进行了甄别与梳理，对火山口湖和玛珥湖温室气体释放特征进行了初步探讨；同时，以我国长白山天池火山口湖为例，初步估算了天池火山口湖温室气体的释放规模，并就火山口湖温室气体释放研究进行了展望。初步研究结果表明，火山口湖的CO_2释放规模和释放速率整体上高于玛珥湖和火山-构造湖。火山口湖CO_2释放规模明显受火山活动的影响，对火山活动具有较高的灵敏度，是不可忽视的CO_2重要来源。作为我国典型的火山口湖，长白山天池通过水-气界面扩散向大气中输送的CO_2规模为3.44×10~4 t/a,大量CO_2溶解于湖水中，湖水中溶解的CO_2规模为1.96×10~5 t。结合以往研究，初步估算整个长白山天池火山区通过湿脱气系统向大气中释放的CO_2约占整个火山区CO_2释放总量的28%。虽然本研究仅对我国长白山天池火山口湖温室气体排放规模进行了初步估算，但是随着研究程度的不断深入、调查范围的不断扩大，火山口湖温室气体排放规模将会越来越精细，火山区温室气体碳排放研究也会越来越系统，火山区碳循环的路径也将会越来越清晰。
  • 2021年青海玛多M_W7.4地震地表破裂带CO_2脱气特征
    董金元, 周晓成, 李营, 李静超
    2023, 43(02): 485-493.
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    大气圈温室气体CO_2浓度的增加是人为排放和自然过程排放共同作用的结果，其中活动断裂带、火山地热区等地质源温室气体释放是导致大气温室气体浓度增加的重要自然因素。活动断裂带是地球脱气的重要通道之一，释放规模巨大的CO_2温室气体，尤其是在地震时气体释放会有明显的增强。2021年5月22日玛多M_W7.4地震在地表产生了约160 km长的破裂带。利用静态暗箱法在破裂带开展了系统的CO_2通量测量，获得了震后破裂带CO_2脱气特征。结果表明：1)玛多M_W7.4地震地表破裂带平均CO_2释放通量为22.25 g/(m~2·d),最高CO_2释放通量为103.18 g/(m~2·d)。CO_2通量剖面具有对称的特点，在剖面中心点主破裂处通量值最高，远离主破裂面，通量值逐渐递减；2)沿地震地表破裂带走向CO_2释放通量和同震水平位移具有较好的对应关系，同震水平位移大的破裂位置，具有较高的CO_2释放通量；3)玛多M_W7.4地震地表破裂带震后年CO_2释放量为0.76 Mt,释放规模相当于中国大陆新生代典型火山-地热区的3.5%。活动断裂带尤其是地震后产生的地表破裂带，其CO_2释放量对大气圈温室气体的贡献不可忽视，需要引起重视和深入研究。
  • 国际岩矿地球化学固碳技术研究进展
    姜禾禾, 王佳敏, 万博
    2023, 43(02): 494-508.
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    针对“全球变暖”问题，为实现碳中和，利用自然碳汇增速固碳的技术研发愈加受到国际社会的重视和增强的资金投入。地质增汇方案中，CO_2的碳酸盐矿化固碳为通过矿物、岩石的化学风化反应，将大气中CO_2转化为碳酸盐矿物稳定封存。由于该方案在固碳后CO_2返还回大气的风险小，可达到永久固碳，因此近年来国际上针对这一固碳方案开展了不少前瞻性研究和工业化运用。该类技术的实现及广泛运用面临的主要挑战和问题有如下几方面：哪些地质过程可带来快速CO_2的碳酸盐矿化，如何人为利用相关的物理、化学因素以进一步增汇，以及如若进行大规模工业化技术实施，其可行性、安全性和成本将如何评估。首先简要归纳无机地质碳汇过程的岩石地球化学原理及控制矿物溶解、碳酸盐化反应速率的主要物理、化学因素；随后在此理论基础上，重点介绍地球化学固碳增汇技术的最新国际研究进展，主要包括基性-超基性岩原位增温固碳技术和异地加速岩石化学风化固碳技术。当前国际上的此类地球化学矿化固碳增汇技术虽绝大多数仍处于探索阶段，安全性、成本评估体系也尚未完善，但该类方案的可用资源丰富，具有巨大的固碳潜力，而现有的方案也可随着能源结构的转型进一步降低成本。我国具备良好的地质条件，本文希望国内同行能在这些国际研究进展的启发下，根据我国国情研发创新性地质增汇工程，充分挖掘我国的地质碳汇潜力，解决国家对达成碳中和的紧迫需求，服务我国2060年碳中和战略。
  • 黄土高原土壤有机碳固存机制研究进展
    杨阳, 窦艳星, 王宝荣, 薛志婧, 朱兆龙, 黄懿梅, 王云强, 安韶山
    2023, 43(02): 509-522.
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    黄土高原土层深厚，蕴藏着大量的土壤有机碳，由于植被自然生长和生态建设等因素，黄土高原生态系统发挥了、并在未来持续发挥重要的碳汇作用。在“双碳目标”的重大国家战略背景下，黄土高原土壤碳汇效应将迎来重大的转机和严峻的挑战。鉴于此，首先回顾了黄土高原植被恢复进程和土壤的固碳效应，聚焦植被恢复过程中土壤有机碳固存这一核心过程，基于土壤物理、化学和生物学的固碳机制和原理，并结合土壤“微生物碳泵”核心调控理论，论述了黄土高原植被恢复过程中土壤有机碳的固定过程，同时概括和总结了土壤有机碳固定的驱动因素；最后，对黄土高原土壤碳固存所存在的问题和挑战进行了展望，为黄土高原乃至我国陆地生态系统土壤碳汇功能、生态效益提升具有重大意义。
  • 二氧化碳地质封存选址指标体系及适宜性评价研究
    祁生文, 郑博文, 路伟, 王赞, 郭松峰
    2023, 43(02): 523-550.
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    CO_2地质封存是实现碳中和与改善当前气候问题的有效手段。中国的CO_2地质封存工作起步较晚，封存选址的指标体系仍不完善。本研究根据目前国内外已有研究成果和工程实践，在陆地封存方面，考虑了区域级、盆地级、目标区级/靶区级、场地级和灌注级5个级别/尺度，以及油气藏、煤层和深部咸水层这3种储层类型，梳理了27类工程地质基本指标、 44类封存潜力基本指标和12类社会经济基本指标，在海洋封存方面，共统计了25类选址指标；在此基础上，优选了44类油气藏特征指标、 24类煤层特征指标和31类深部咸水层特征指标，归纳了CO_2地质封存中的地质环境风险、工程环境风险、生态环境风险和社会经济风险4类风险监测指标，绘制了8组CO_2地质封存选址分类分级指标图和9组选址指标适宜性评价表，建立了完备的选址指标体系，最后对未来通过机器学习建立智能评价体系进行了展望。本研究为不同级别和尺度、不同类型储层的CO_2地质封存选址提供参考，为未来进一步寻找关键指标、优化指标体系并开展实际应用奠定基础。
  • 基于多准则决策的CO_2地质封存场地适宜性评价方法
    许晓艺, 李琦, 刘桂臻, 景萌, 李小春
    2023, 43(02): 551-559.
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    二氧化碳(CO_2)捕集、利用与封存技术(CCUS)是减排温室气体CO_2、实现中国“双碳”目标的重要技术手段。CO_2地质封存作为CCUS技术的重要组成部分，是一种直接、有效的减排方法，已为全球多个国家CO_2增汇减排做出突出贡献。科学合理的场地适宜性评价和选址工作是实现CO_2地质封存的首要前提，场地适宜性评价中通常包含多个定性与定量指标，国内外常采用多准则决策(MCDM)方法处理此类多源复杂因素共同作用的场地适宜性评价工作。MCDM方法通常将指标权重与评价方法集成，以期实现各方法的优势互补，进而获得较为满意的评价结果。文章回顾了CO_2地质封存的国内外选址现状，并对基于MCDM方法的场地适宜性评价进行全面综述，以期为中国CO_2地质封存选址的适宜性评价提供参考依据。
  • 基于氮气吸附法和压汞法的玄武岩孔隙结构特征及其对储层渗透性的影响
    赵海军, 魏爱华, 张家祥, 彭昊, 祁生文
    2023, 43(02): 560-572.
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    微观孔隙结构特征是评价储层潜力的关键参数之一，玄武岩作为一种非常规储层，研究该类储集层岩石学特征、岩石孔隙特征及差异性，对油气、地热资源开发及二氧化碳地质封存等都具有重要意义。基于华北地区三地(河北省张北县、山东省昌乐县及山西省左权县)玄武岩野外考察和岩芯样品，采用大面积视域拼接矿物扫描、低温氮气吸附实验和高压压汞实验，定量评价玄武岩样品孔隙大小与分布，同时对比不同玄武岩样品的孔隙分布特征，探讨不同测试方法的孔隙孔径联合表征方法、孔隙孔喉大小分布对渗透率贡献与测试孔径的影响，以及孔隙类型及连通性对孔径测试的影响。研究结果表明，不同玄武岩样品均发育微纳尺度孔隙结构，低温氮气吸附法和高压压汞实验法得到的平均孔隙体积分别为0.0037 cm~3/g和0.0073 ml/g,其中，汉诺坝玄武岩样品和临朐群玄武岩样品介孔(2～50 nm)相对比较发育，孔隙体积占比分别为52.71%和48.77%,而左权玄武岩样品次微米级孔隙(100～1000 nm)比较发育，孔隙体积占比达54.54%。通过高分辨率扫描电镜分析发现，样品微观储集空间类型中发育一定量的粒间孔和晶内孔，孔隙间连通性差，但是粒缘缝及构造微裂缝相对比较发育，局部连通性较好。受不同成岩背景和构造环境影响，玄武岩微观孔隙结构存在一定差异性，不同样品测试计算的孔隙率为0.38%～4.82%,变化范围较大，但总体孔容较低，孔隙发育度较差。在样品孔隙结构中，对流体流动起到关键作用的孔喉分布范围最小为4～7 nm,最大为358～552 nm,对应的渗透率贡献值分别达49.46%和61.91%。可见孔吼尺寸小、孔隙连通性差是导致玄武岩微观渗透性较差的重要原因。本文微观测试尺度上的玄武岩储集空间为致密型，与现场出露岩体宏观储集空间的结构特征有明显不同，反映了天然裂缝系统对储层改造和储集空间的贡献比较突出，因此加强宏观裂缝系统特征的研究对认识玄武岩的储集空间具有重要意义。
  • 水体CO_2施肥及其碳增汇和富营养化缓解效应
    柳星, 贺海波, 刘再华
    2023, 43(02): 573-585.
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    碳酸盐岩风化能否形成长期稳定的碳汇很大程度上受控于陆地水体中生物碳泵(BCP)的效率。水体富营养化是BCP效应的表现形式之一，有助于固碳增汇，但却负反馈于水体生境。如何实现碳增汇和富营养化缓解效应的双赢，是具有挑战性的环境科学问题。通常认为氮(N)、磷(P)是富营养化的主要控制元素，而BCP还受到碳(C)元素的控制，尤其是在富营养化及喀斯特水体中，由于密集的水华生长和喀斯特独特的碱性水体，使得C限制问题在水体生产力和富营养化的研究中与N-P同样重要。水体CO_2施肥能有效缓解水体碳限制问题，促进生产力实现水体碳增汇，并通过改变生物结构和提高BCP除磷效率实现对富营养化的抑制作用。基于此，本文综述了水体CO_2施肥实现碳增汇和富营养化缓解共赢的可能性，并揭示其作用机制，这主要包括水体CO_2对生物群落组成和演替以及对BCP除磷机制和效率的影响。在此基础上，展望了喀斯特水体在其中的特异性表现以及生物结构变化对碳增汇和富营养化缓解带来的影响。
  • CO_2地质封存三维地质结构建模与表征研究进展
    崔振东, 魏涛, 赵磊磊, 刘东旭, 王龙灿
    2023, 43(02): 586-593.
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    碳捕集、利用与封存(CCUS)技术在快速、大规模地减排二氧化碳和实现我国“碳达峰”和“碳中和”的“双碳”目标等方面具有非常重要的应用价值。CCUS技术的成功实施离不开对目标封存场址的储层、盖层及地质结构的精细描述与定量刻画，因此，亟需对CO_2地质封存场址的三维地质结构进行精细化建模和透明化表征。本文简要阐述了三维地质建模技术在CCUS工程应用中的研究进展，归纳了适用于CCUS技术的三维地质结构透明化表征方法和流程，指出了目前三维地质建模精度和效率等与CCUS实践需求不适应的问题，并提出了针对性的建议，为推动我国CCUS领域三维地质建模和结构表征方法的研究与软件开发提供了重要的理论和技术支撑。
  • 碳中和背景下大气科学碳氮循环研究前沿问题与建议
    彭静, 丹利, 周天军, 季劲钧, 冯锦明, 黄玫, 杨富强, 徐忠峰, 郑辉, 应恺然, 李嘉伟, 钱拴
    2023, 43(02): 594-603.
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    碳循环不断受到气候变化、大气CO_2浓度、人类活动和氮循环等多种因素的共同影响。然而，未来以“碳达峰和碳中和”为目标的排放情景下，中国陆地生态系统碳汇潜力仍然存在很大的不确定性，影响了实现双碳目标的碳减排和碳增汇相关政策的制定和实施。厘清大气科学中关于碳氮循环演变研究有关科学认识将会为中国碳达峰和碳中和的实现提供有力地科学支撑。文章回顾了国内外大气科学中碳氮循环研究的基础和现状，分析了当前气候变化、大气CO_2升高、碳氮循环相互作用的关键过程和人类活动对地球系统碳氮循环研究的影响。其中，氮营养元素对碳循环的影响充分表明生物固氮和大气氮沉降等过程对碳汇有重要影响，可以减少地球系统模式中碳汇模拟的不确定性；此外，由于气候变化是气候系统对外强迫的快变响应和慢变响应的综合结果，在大气科学中有必要区分快变响应和慢变响应对中国碳汇的影响，分析人为碳排放清零后中国陆地生态系统碳汇潜力和固碳速率的变化；最后，在此基础上获得相应的启示并给出了未来的策略建议，以期为国家碳中和战略顺利实施提供参考与借鉴。
  • 地球气候敏感度研究的现状和未来
    周天军, 陈晓龙, 左萌, 江洁
    2023, 43(02): 604-624.
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    气候敏感度是指在给定大气二氧化碳(CO_2)浓度或排放下，相对工业化前地球表面温度的变化，它是描述温室气体增加与气候变暖关系的一个基本物理要素，具体的表征方式包括平衡气候敏感度(ECS)、瞬变气候响应(TCR)和对累积CO_2排放的瞬变气候响应(TCRE)等，每种表征方式刻画的是温室气体增加与气候变暖关系的不同侧面。在概述气候敏感度基本概念和定义的基础上，系统总结了关于影响气候敏感度的关键物理过程、估算气候敏感度的方法等方面的研究进展，主要结论如下：1)基于多种证据源，最新评估ECS的可能范围(概率大于66%,下同)为2.5～4.0℃, TCR为1.4～2.2℃, TCRE为1.0～2.3℃/1000 Pg C,不确定性较此前显著减小；2)影响气候敏感度的重要反馈过程包括黑体辐射反馈、水汽反馈、温度递减率反馈、冰雪反照率反馈、云反馈、生物地球物理反馈，以及非CO_2的生物地球化学反馈，其中云反馈仍是气候敏感度不确定性的最大来源(0.12～0.72 W/(m~2·℃)),能够解释总反馈中超过60%的方差，生物物理反馈和非CO_2生物地球化学反馈次之(-0.16～0.14 W/(m~2·℃)); 3)气候敏感度估算准确性的提高主要受益于4个方面的进展，包括对物理过程的理解、器测资料揭示的气候变化和变率信息、古气候证据和涌现约束技术，其中古气候记录和古气候模拟开始在气候敏感度研究中发挥重要作用，在估算气候反馈和气候敏感度时考虑了不同古气候的冷暖状态和地表增暖型的影响。在此基础上，阐述了气候敏感度不确定性对气候模拟、预估和《巴黎协定》温控目标下的未来碳排放空间估算的影响。最后，对未来亟待加强的研究方向进行了讨论，从6个方面提出通过加强不同学科方向间、观测-理论-模拟研究手段间、古气候与现代气候研究领域间以及气候变化预估与影响评价领域间的合作，推动气候敏感度及其影响研究。
  • 武汉市汤逊湖水-气界面CO_2通量昼间变化观测及其影响因素分析
    田小康, 吴忠立, 林斯静, 殷美绮, 杨富伟, 谭东杨, 李思悦
    2023, 43(02): 625-636.
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    为探究亚洲最大城中湖武汉市汤逊湖水体溶存CO_2浓度(pCO_2)及水-气界面CO_2通量(FCO_2)日变化规律，于冬季(1周)和夏季(3个昼间)对汤逊湖的两个样点(TXH1和TXH2)进行表层水样分析，并用水质参数仪和风速仪现场测定环境气象因子(pH、 DO、 DO%、 EC、水温、气温、风速),在实验室测定碱度。用CO_2 SYS模型计算(水温、 pH和碱度)水体pCO_2,薄边层模型计算湖泊水-气界面FCO_2,研究结果表明pCO_2和FCO_2在日尺度及季节尺度上有着显著性差异，且两个取样点间有显著性差异。汤逊湖存在CO_2“源/汇”功能转换，整体上呈现“源”的特征。TXH1表层水pCO_2均值为585.5±758.2μatm,FCO_2均值为3.52±20.58 mmol/(m~2·d); TXH2表层水pCO_2均值为799.3±579.4μatm,FCO_2均值为6.53±14.81 mmol/(m~2·d)。冬季TXH2表层水pCO_2均值(1032.1±183.5μatm)高于TXH1(均值为348.2±119.8μatm);夏季TXH2表层水pCO_2(均值为391.9±783.1μatm)低于TXH1(均值为1000.7±1143.8μatm);冬季TXH2的FCO_2平均值(13.94±3.91 mmol/(m~2·d))高于TXH1的平均值(-1.36±2.80 mmol/(m~2·d),夏季TXH2的FCO_2平均值(-6.43±17.77 mmol/(m~2·d))低于TXH1的平均值(12.06±32.49 mmol/(m~2·d))。pCO_2和FCO_2受环境因子EC、 DO、水温、气温的影响，并通过逐步回归分析得到DO和水温是影响FCO_2的主要环境因子。通过pCO_2和FCO_2各时间点均值和总均值比较，发现11:30～12:00时取样能较好地代表冬季8:00～15:30时之间的水-气界面碳释放，8:00～9:00时取样能较好地代表夏季7:00～18:30时之间的水-气界面碳释放。