荒漠土壤氧化亚氮排放及其驱动因素研究进展

氧化亚氮(N₂O)具有寿命长、增温潜势高且对臭氧层破坏性大等特点,陆地生态系统是其产生的主要来源。温度升高、降水变化以及由此引起的土壤中多种生物过程的改变,会促进或抑制N₂O排放,进而对环境产生深远影响。基于此,本文回顾和总结了有关国内外荒漠区土壤N₂O排放的研究进展,分析了荒漠土壤N₂O的产生-排放过程及排放通量,并详细综述了环境因子、土壤生物和非生物因素对荒漠土壤N₂O排放的影响机制。结果表明：荒漠土壤N₂O排放由硝化作用和反硝化作用主导,且具有明显的季节特征,具体表现为生长季排放量高,非生长季排放量低甚至为负。在总结已有研究的基础上,展望了荒漠区土壤N₂O排放的研究方向及亟待解决的问题：(1)基于同位素示踪技术及分子生物学技术探究微生物及相关功能基因对荒漠土壤N₂O产生和消耗的影响;(2)探究不同时间尺度(日、月、季节以及年际)多因素交互作用下荒漠土壤N₂O排放规律;(3)完善荒漠生态...     

人类活动影响下淡水沼泽湿地温室气体排放变化

利用静态箱/气相色谱法,研究了三江平原淡水沼泽湿地及垦殖农业利用下CO₂、CH₄、N₂O排放变化。不同类型湿地生长季土壤呼吸速率以季节性积水的小叶章草甸最大,湿地垦殖后土壤呼吸速率明显增大。不同类型沼泽湿地CH₄排放在时空两个方面都有明显的变化,与土壤水分条件、植物群落类型和生长状况有密切关系。沼泽湿地及垦殖后农田土壤在植物生长季都为N₂O的源,常年积水沼泽湿地在植物生长季N₂O排放通量值较小,而土壤水分常年处于非饱和的草甸灌丛土壤N₂O排放相对较高,垦殖后农田土壤N₂O排放通量最大,沼泽湿地土壤N₂O排放通量与土壤温度呈正相关关系,而垦殖后农田土壤不显著。     

反硝化-分解模型在荒漠土壤CH4和N2O通量估计中的应用

甲烷(CH₄)和氧化亚氮(N₂O)等温室气体通量具有高度时空变化特点,通过野外站点直接测量耗时且费力。为弥补监测方面不足,解析变化环境下反硝化-分解模型(DNDC)模拟值和样地原位观测值之间的对应关系,探讨模型在温室气体预测方面的潜力具有意义。本文选择古尔班通古特沙漠,对氮沉降影响下荒漠土壤CH₄和N₂O通量进行了模拟估计,并与实测数据进行了对比分析。结果表明：DNDC模型可较好地模拟荒漠土壤N₂O通量的变化,模拟值与实测值显著相关(P<0.001);而模型对荒漠土壤CH₄吸收量的变化模拟效果不显著,但模拟的年累计吸收量与真实值较为符合。DNDC模型敏感性试验分析表明,随着年平均气温、土壤有机碳(SOC)含量和施氮量的增加,土壤N₂O排放量和CH₄的吸收量显著增加;年降水量对土壤N₂O和CH₄通量变化影响不显著;土壤容重与土壤N₂O排放量和C...     

大兴安岭多年冻土区森林土壤温室气体通量

多年冻土温室气体排放对全球气候变化有重要影响。采用静态暗箱—气相色谱法,于2016—2017年生长季（5—9月）,对大兴安岭多年冻土区兴安落叶松林、樟子松林和白桦林土壤二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）通量进行野外原位观测,对比分析温室气体通量的动态变化特征及其关键影响因子。结果表明：3种林型土壤CO₂通量范围为65.88~883.59 mg·m^-2·h^-1;CH₄通量范围为-93.29~-2.82 μg·m^-2·h^-1;N₂O通量范围为-5.31~45.22 μg·m^-2·h^-1。整个生长季兴安落叶松林、樟子松林和白桦林土壤均表现为CO₂、N₂O的排放源、CH₄的吸收汇,土壤CO₂和CH₄通量在不同林型和年际间差异显著。3种林型土壤CO₂通量与5 cm、10 cm和15 cm土壤温度呈极显著正相关（P < 0.01）;CH₄通量受土壤含水量和10 cm、15 cm土壤温度的影响较大（P < 0.05）;兴安落叶松林和樟子松林土壤N₂O通量与气温呈显著正相关（P < 0.05）,而白桦林土壤N₂O则与15 cm土壤温度呈显著负相关（P < 0.05）。基于100 a时间尺度计算温室气体全球综合增温潜势,3种林型土壤温室气体的排放对气候变暖具有正反馈作用。     

胶州湾河口湿地秋冬季N2O气体排放通量特征

2009年9月~2010年2月,利用静态箱-气相色谱法对秋冬季胶州湾大沽河口受潮汐影响的芦苇(Phragmites australis)湿地和潮上带常年无积水杂草湿地N₂O排放通量特征进行了研究。研究表明:两类湿地N₂O排放和吸收具有明显的昼夜变化规律。白天N₂O排放高峰出现在12时左右,夜间高峰出现在21时左右,最低值出现在凌晨6时左右。芦苇湿地和杂草湿地秋冬季的最高值分别为151.1 μg/(m²·h)、29.3 μg/(m²·h),最低值分别为-128.9 μg/(m²·h)、-21.5μg/(m²·h)。芦苇湿地秋冬季夜间N₂O排放量高于白天,分别是白天的1.54倍和2.09倍;杂草湿地秋季N₂O排放通量白天高于夜间,冬季则夜间高于白天且以吸收为主。在对芦苇湿地和杂草湿地进行监测的6个月份中11月排放量最高,排放量分别为42.42 mg/m²、6.89 mg/m²,芦苇湿地N₂O排放量普遍高于杂草湿地。芦苇湿地秋、冬季的排放通量分别为56.32 mg/m²、63.38 mg/m²,杂草湿地秋、冬季的排放通量分别为10.45 mg/m²、3.08 mg/m²,芦苇湿地高于杂草湿地,分别是杂草湿地的5.39倍、20.58倍,主要是两类湿地不同的水文特征和不同的植被种类造成的。杂草湿地秋冬季N₂O排放通量与5 cm地温、10 cm地温呈显著相关关系(P<0.05),芦苇湿地则相关不显著,主要原因是芦苇湿地N₂O排放量除了受温度影响,由潮汐引起的干湿交替过程也在很大程度上影响N₂O排放和吸收。胶州湾大沽河河口受潮汐影响芦苇湿地和常年无积水的杂草湿地秋冬季均为大气N₂O的"源"。     

党河流域敦煌盆地地下水补给与演化研究

综合应用水文地球化学指标和稳定同位素技术研究了党河流域敦煌盆地地下水补给和演化规律。岩盐、石膏及芒硝等矿物的溶解对Na⁺、Ca²⁺、Cl^-及SO₄^2-离子浓度影响较大。阳离子交换作用明显,地下水中Mg²⁺和Ca²⁺浓度增加,并与碳酸盐发生沉淀,导致HCO₃^-减少。地下水的δ¹⁸O值介于-12.1‰~-7.5‰,δ²H值变化范围为-84.3‰~-61.5‰,指示了盆地不同地带地下水补给来源不同。潜水δ¹⁸O和δ²H数值随着地下水径流路径方自西南到东北越来越富集,反映了蒸发浓缩效应,南湖、盆地南部潜水同位素与河水相近,体现了现代补给。相比之下,承压水稳定同位素相对贫乏,指示过去寒冷时期的补给。该研究可以为敦煌区域地下水资源规划和管理提供一定的借鉴意义。     

台风“灿鸿”期间中国东部沿海城市降水中稳定同位素的变化及影响因素

为探讨极端天气降水中稳定同位素的变化,应用2015年9号台风“灿鸿”影响期间中国东部沿海城市台北、温岭、海宁、南通降水中稳定同位素资料,分析降水中稳定同位素的时空变化。结果表明：台风“灿鸿”影响期间,台北降水的δ18O平均值为-4.40‰,为最高值;温岭降水δ18O的平均值最低,为-9.80‰;海宁与南通降水的δ18O平均值居于两者之间,分别为-8.83‰和-7.88‰。4地降水δ18O均呈现出2个阶段的“厂”型变化特征。“灿鸿”降水δ18O值在时空分布上冲刷效应明显,采样站点距离台风中心越近降水δ18O值越低d值越高。台风灿鸿影响期间整个降水过程以湿润的热带海洋气团为主,台北阶段1降水受台风外围云系影响,降水的冲刷程度较轻,δ18O值偏高;台北阶段2降水与温岭降水受单一水汽团冲刷效应影响,降水δ18O不断降低;海宁和南通与灿鸿中心的距离基本相似,且水汽源相同,降水δ18O值波动比较接近。     

长沙地区蒸发皿水体蒸发过程中稳定同位素的变化特征

蒸发过程中水体同位素分馏与蒸发时的气象要素密切相关。为此,于2013年6―9月份在长沙地区进行了4组室外蒸发皿蒸发实验,从而探讨蒸发剩余水体中稳定同位素与温度、相对湿度等气象要素之间的关系。实验结果表明：1）剩余水体中稳定同位素比率随着剩余水比例f的减少而富集,在高温无雨的伏旱天气下,蒸发剩余水体中稳定同位素分馏结果与瑞利分馏模式比较吻合;2）温度越高,分馏效应也将变大,蒸发过程中稳定同位素比率的改变量也将变大,随着水体质量的减小,稳定同位素比率的变化与相对湿度呈现负相关,尤其到蒸发后期,负相关关系更为明显,这可能是由于实验后期剩余水体绝对质量太小,易受空气中稳定同位素的影响;3）蒸发线δ2H＝3.89δ18O－24.55与δ2H＝3.38δ18O－24.96的斜率和截距明显小于同时期长沙降水线δ2H＝6.85δ18O－4.4的斜率和截距,与同时期湘江河水蒸发线δ2H＝3.9δ18O－13.2的斜率接近。以上结果说明本蒸发皿实验能一定程度上体现夏季自然水体蒸发分馏情况。     

珠穆朗玛峰地区雪冰中重金属浓度与季节变化

对2005 年9 月采自珠穆朗玛峰北坡海拔6523 m 的东绒布冰川积累区一批雪坑样品中重金属Ba, Co, Cu, Zn 和Pb 的浓度利用电感耦合等离子体质谱仪进行了测试, 重金属浓度范围分别为(pg/ml); Ba2~227、Co2.8~15.7、Cu 10~120、Zn29~4948、Pb14~142。并利用气体稳 定同位素质谱仪MAT-252 对样品稳定氧同位素比率(δ¹⁸O) 进行了测试, 雪坑样品对应的时间为2004 年夏到2005 年秋, δ¹⁸O和重金属元素的浓度都存在着季节变化特征。在夏季风期间δ¹⁸O 值和重金属元素的浓度都很低,而在非夏季风期间δ¹⁸O值和重金属元素浓度升高,反映了不同的水汽来源对重金属浓度季节变化的影响及其环境意义。Co, Cu, Pb, Zn 的地壳富集系数(EF_c) 分别为: 3.6、27、33、180, 表明该地区Pb, Cu, Zn 已经受到了人类活动的污染, 其中Zn 受到的污染最大。     

北极新奥尔松地区夏季近地面CO2、CH4和N2O浓度的观测研究

2008和2009年夏在北极新奥尔松地区（Ny-Ålesund）不同苔原区域（鸟类保护区、海滩苔原、矿区、人类活动区等）监测CO₂、CH₄和N₂O近地面浓度的时空变化并分析其可能的影响因素。2008年7月25日-8月13日和2009年7月13-26日,在不同观测区域设置常规和非常规采样点采集气体样品共239瓶并妥善保存。实验室内使用气相色谱（GC）测定准确真空瓶中温室气体（CO₂、CH₄和N₂O）的浓度。鸟类保护区的日变化中,2008年鸟类保护区CO₂和N₂O日变化浓度均大于2009年约30 ppm和25 ppb。2008年海滩苔原CO₂浓度均高于2009年约30 ppm;N₂O浓度低于2009年11 ppb;2008年鸟类保护区CH₄浓度低于2009年,而海滩苔原2008年浓度高于2009年,差值均约为0.7 ppm。这些年际变化可能由环境条件（天气变化等）和地表覆盖情况的变化引起。高海鸟活动区（HB）CO₂浓度低于海鸟活动较少的区域（MB 和 LB）;鸟类保护区CO₂浓度低于海滩苔原,N₂O浓度高于海滩苔原,主要原因是海鸟活动和鸟粪增加了土壤营养元素,影响苔藓植被发育的情况并改变上垫面状况。综合不同苔原区域：新奥尔松地区CO₂和CH₄浓度高于ZEP (Zeppelin Station)监测平均浓度,地表向大气输送CO₂和CH₄;而N₂O低于ZEP监测的平均浓度,地表从大气吸收N₂O。不同区域影响因素不同：鸟类保护区、海滩苔原和鸟岛主要是受到海鸟活动影响;矿区主要是受水分和土壤基质影响;站区和机场受到人类活动影响但并不明显,总的来说直接原因是由于地表覆盖情况以及地形不同引起。     

南极大气CO_2、CH_4和N_2O本底趋势特征分析

对南极大气温室气体CO_2(含δ~(13)C-CO_2和δ~(18)O-CO_2)、CH_4和N_2O长期测值进行比较分析。结果表明,南极是全球大气温室气体浓度(CO_2稳定同位素丰度值)随纬度分布变化中的最低(高)区域。南极大气温室气体浓度值变化趋势、年增长率与全球整体上一致,但在具体数值上存在差异。南极CO_2平均年增长率(1958—2014年)为(1.43±0.59)mg·L~(–1)·a~(–1),低于同期赤道(1.51±0.72)mg·L~(–1)·a~(–1),但1980—2014年和2000—2014年年增长率均高于南半球中纬度地区。δ~(13)C-CO_2和δ~(18)O-CO_2丰度趋势揭示了化石燃料排放和全球尺度过程对CO_2的影响,但南极是受影响最小的区域。1983—2014年南极CH_4平均增长率为(6.2±4.9)μg·L~(–1)·a~(–1),低于北半球中纬度(6.5±5.6)μg·L~(–1)·a~(–1)而高于赤道(5.6±5.3)μg·L~(–1)·a~(–1)和南半球中纬度(6.1±4.9)μg·L~(–1)·a~(–1),这与CH_4人为排放增强主要在北半球中纬度地区而显著被OH氧化在赤道和中纬度地区的事实是吻合的。南极N_2O平均年增长率为(0.87±0.15)μg·L~(–1)·a~(–1)(2005—2013年),与南半球中纬度地区接近但低于北半球而高于赤道地区。     

南极苔原沼泽温室气体通量变化特征及其对气候变化的响应

以南极阿德雷岛苔原沼泽为研究区域,2016年12月至2017年1月南极夏季期间观测研究了温室气体CH_4、CO_2和N_2O通量的变化规律及其对环境因子的响应关系。结果表明:光照条件下干旱苔原沼泽表现为CH_4吸收,通量为(–5.4±4.3)μg CH_4·m~(–2)·h~(–1),半干旱苔原与淹水苔原沼泽表现为净排放;三个类型苔原沼泽观测点均表现为N_2O净吸收,最高吸收通量出现在淹水苔原,为(–2.6±2.4)μg N_2O·m~(–2)·h~(–1);黑暗条件下苔原沼泽一致表现为CH_4和N_2O净排放。光照与土壤水分减少增加了苔原CH_4有氧氧化吸收,同时促进了反硝化作用对N_2O的还原转化。观测期间所有观测点均表现为CO_2的汇,最高CO_2净交换量与光合作用强度都出现在淹水苔原区,分别为(–40.1±17.6)μg CO_2·m~(–2)·h~(–1)和(91.2±26.5) mg CO_2·m~(–2)·h~(–1);而最高苔原沼泽呼吸速率出现在干旱苔原观测点,为(73.1±17.6)μg CO_2·m~(–2)·h~(–1)。夏季适宜的温度、降水条件促进了苔原植被的光合作用,增加了苔原沼泽CO_2吸收量。CO_2、N_2O、CH_4通量随时间变化的相互关系规律不显著(P0.05),但在降水与温度波动下,N_2O与CH_4通量都随CO_2通量呈现相似的波动。三种温室气体与各种环境因子之间的响应关系值得进一步研究;不同光照条件对CH_4、N_2O排放量的估算有重要影响。     

Responses of Soil CO2, CH4 and N2O Fluxes to N,P, and Acid Additions in Mixed Forest in Subtropical China

Understanding how nitrogen (N) availability interacts with soil acidity and phosphorus (P) availability to affect soil-atmosphere exchanges in CO₂, CH₄ and N₂O in forest ecosystems is important for understanding the mechanisms driving ecosystem responses to enhanced N deposition. Here, we conducted an experiment with N, P and acid (H) addition in a mixed forest in subtropical China to investigate how acid and P addition affects CO₂, CH₄ and N₂O exchange under N addition. Our results showed that soil NH₄⁺-N and NO₃^--N increased after N addition, but CO₂ emissions in N addition plots remained unaffected. CH₄ uptake in N-, P-, NP-, NH- and NPH-addition plots were reduced by 21.1%, 15.7%, 39.1%, 26.6%, and 28.4%, respectively. CH₄ uptake in NP-addition plots were lower compared to N-addition and P-addition plots, indicating that N and P addition had an additive effect on inhibiting CH₄ uptake. N₂O emission in N-, NP-, NH- and NPH-addition plots increased by 158.6%, 176.0%, 117.2%, and 91.8%, respectively. N₂O emissions in NPH-addition plots were lower compared to NP-addition plots while showed no difference between N-addition and NH-addition plots. This suggests that only under P rich conditions, acid addition would greatly mitigate N₂O emissions under N addition. Our results demonstrate that for N and P co-limited forest ecosystems with acidic soils, low P availability constrains the inhibition of soil CH₄ uptake by N deposition. When P availability is low, a weak soil acidation induced by N deposition may have less influence on the stimulation of N₂O emissions by N deposition.     

基于氢氧同位素和水化学的祁连山老虎沟冰川区径流过程分析

基于2012-2013年两个消融期在祁连山老虎沟冰川区连续2 a采集的冰川融水径流、雪冰以及降水样品,分析探讨了冰川区水体介质中氢氧同位素和水化学要素(主要化学离子、pH值、TDS和电导率等)在消融期的变化过程及特征。结果表明:祁连山老虎沟雪冰融水中的氢氧同位素值(δD和δ¹⁸O)表现出明显的消融期随月份波动,先升高再降低的趋势,在7月份表现出高值,反映了冰川消融强弱程度的变化过程。冰川径流中同位素含量与冰雪融水接近,且处于当地降水线上,其主要来自冰雪融水和降雨补给。老虎沟冰川融水径流水化学主要表现为Ca-Na-HCO₃-SO₄和Ca-Mg-HCO₃-SO₄型,其组成特征也表现出随消融过程而变化。对氢氧同位素和化学要素组成在消融期(6~9月)随时间的变化过程进行了分析,表明结合冰川区氢氧同位素和化学要素(包括化学离子、TDS、pH值和电导率等)的组成可以区分雪坑和新雪、河水的组分变化,可以反映冰川融水径流在消融期的变化过程。     

基于水环境化学及稳定同位素联合示踪的土地利用类型对地下水体氮素归趋影响

识别复杂土地利用类型对地下水体氮素归趋的影响一直是非点源污染研究中的重点及难点。本文采用水环境化学及同位素联合示踪法对具有复杂地类的三江平原阿布胶河流域地下水体中氮素归趋进行解析研究。结果表明：研究区域内地下水体中存在严重的氮素污染,部分点位超出标准限值近4倍。土地利用类型不仅是氮素浓度和水化学类型演变的主导因素,而且对地下水体氮素循环过程及氮素来源产生了重要的影响。其中：在林地区域内,硝态氮占主导,氮素主要来源于土壤有机氮硝化;在城镇区域内,硝态氮超标,具有较高的氯离子浓度,主要来源于粪便及废水,受硝化过程所控制;在水田区域：铵态氮超标,具有较高的硝酸盐同位素值（δ ¹⁵N-NO₃ ^-和δ ¹⁸O-NO₃ ^-）且二者存在显著的线性关系,表明存在着显著的反硝化过程。在旱田区域,硝态氮占主导,氮素来源及循环过程较为复杂,受反硝化及雨水混合过程等多重影响,难以单一使用同位素示踪法进行溯源解析。通过联合水化学解析法能进一步揭示该区域氮素污染主要来源于肥料施用。因此,通过联合示踪法能够补充复杂土地利用区域氮素来源识别工作的缺陷,提升地下水体氮素归趋识别的精度。     

基于水化学和稳定同位素定量评价巴音河流域地表水与地下水转化关系

以分析青海巴音河流域地表水与地下水转化关系为目标,2016年8月,沿巴音河采集了23组地表水样、13组地下水样和9组泉水样,室内分析得到了其对应的主要水化学离子和氘氧稳定同位素数据,运用统计分析、Piper三线图、Gibbs图分析了流域水化学特征;以溶解性总固体（TDS）、氯离子（Cl^-）和氧同位素（δ¹⁸O）作为示踪剂,定性分析了巴音河沿程地表水与地下水的转化关系;基于质量平衡法,运用δ¹⁸O定量计算了巴音河沿程地表水和地下水之间的转化量。研究结果表明：TDS、Cl^-、δ¹⁸O可用于定性分析巴音河流域不同河段地表水与地下水之间的转化关系,定量评估其转换强度;巴音河流域地表水和地下水的水化学类型主要为HCO₃·Cl-Ca·Mg,地下水水化学类型更为多样,地表水受控于岩石风化作用,地下水与泉水受到岩石风化与蒸发作用的影响;地表水与地下水水力联系密切,沿巴音河流向,二者相互转化频繁,上游河段,地下水主要接受地表水渗漏和沿途侧向径流补给,补给比例分别为65.33%、34.67%,至黑石山水库上游,地表水接受上游地下水和溢出泉水的补给,补给比例分别为49.54%、50.46%;中游河段,地下水接受地表水和北部山区侧向径流补给,补给比例分别为65%、35%;下游河段,地表水接受地下水和泉水补给,补给比例分别为53.12%、46.88%。研究结果有助于建立流域水循环模式、揭示水资源形成机制,可以为巴音河流域水资源可持续开发利用和生态环境保护提供理论和技术支持。     

海河流域降水稳定同位素的云底二次蒸发效应

云底二次蒸发导致的同位素动力分馏可显著影响观测的降水同位素组成和大气水线。本文利用海河流域7个监测站点的降水δ²H和δ¹⁸O数据,分析了云底二次蒸发对流域降水同位素的影响。结果表明：流域降雨水样的大气水线为δ²H=7.19δ¹⁸O-0.74,显著不同于降雪水样的大气水线(δ²H=8.42δ¹⁸O+15.88);流域降雨,特别是小降雨(<5 mm)事件,易受到云底二次蒸发的影响,导致其大气水线的斜率和截距均随着降雨量的减小而减小。流域降雨同位素的云底二次蒸发主要受气温和相对湿度控制,随着气温的升高和相对湿度的减小,云底二次蒸发加剧,导致观测的地面降雨富集重的同位素,同时伴随的同位素动力分馏导致流域降水过量氘(d)值以及大气水线的斜率和截距均减小。与平原地区相比较,流域山间盆地地区受“雨影效应”影响,气候相对干燥,其降雨同位素受更强的云底二次蒸发影响。观测期间,流域小的降雨事件占总降水事件的42%,故云底二次蒸发对流域降水同位素具有重要的影响。     

Holocene precipitation δ18O as an indicator of temperature history in arid central Asia: an overview of recent advances

Holocene δ¹⁸O records from various archives (ice cores, cave stalagmites, and peat sediments) from the Xinjiang region of northwestern China, in arid central Asia (ACA), are all derived ultimately from local precipitation δ¹⁸O (δ¹⁸O_p). Nevertheless, they have been proposed as indicators of different climatic parameters, such as wetness and temperature changes. This article summarizes previously reported records of moisture sources for the Xinjiang region and the results of modern observations conducted at an ice core site and a peat site in the Altai Mountains. The findings are used to propose that the overall positive trends in Holocene δ¹⁸O records from the various archives from the Xinjiang region primarily reflect the Holocene's long-term warming trend. It is concluded that more site-specific modern observations are needed to further elucidate the environmental significance of Holocene δ¹⁸O records from this region, especially for the separation of different seasonal temperature signals present within δ¹⁸O records.