科研进展--中国科学院广州分院

精确限定陆地向海洋输入Mo同位素组成对于利用Mo同位素准确重建地质历史时期全球海洋的氧化和缺氧事件至关重要。作为陆地与海洋物质及能量交换的关键节点，河口系统可能会显著影响河流输入海洋的Mo同位素组成。因此，揭示河口系统中Mo同位素分馏的机制，并量化其对河流Mo同位素组成的影响程度，是精确确定河流向海洋输入Mo同位素组成的核心任务。然而，目前对于河口系统中Mo同位素分馏的程度和机制尚不完全明确，特别是缺乏对沉积物早期成岩孔隙水释放对Mo同位素影响的直接评估。　　针对这一问题，中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学学科组王志兵副研究员、韦刚健研究员等联合南京大学洪清泉博士，选择中国第二大河流河口—珠江口为研究对象，系统地开展了河口系统溶解态和颗粒物 98Mo的季节性与空间分布变化的调查研究。研究结果显示，不论是冬季还是夏季，珠江口水体 98Mo的值都明显偏离了河水与海水理论混合线的预期（图1）。通过估算表层沉积物孔隙水释放Mo通量和分析其同位素组成，该研究提出早期成岩过程中孔隙水的释放是导致珠江口水体 98Mo值低于预期的主要原因（图2）。鉴于全球河口以及沿海地区普遍存在着低氧或缺氧沉积环境，这种成岩过程的释放可能对全球河流输入海洋的Mo同位素产生显著的降低效应。同时，随着盐度的增加，珠江口颗粒物 98Mo值显示出上升趋势（从0.02‰增至1.62‰），这表明陆源输入到海洋颗粒物 98Mo值超过了上地壳（UCC）的平均值。这一趋势主要受到铁（氢）氧化物吸附和解吸作用的影响（图3）。这项研究为理解河口系统中Mo同位素的分馏机制提供了新的见解，并对深入探究地球表生过程中Mo同位素循环及精确确定河流向海洋输入的Mo同位素组成具有重要意义。　　该研究成果近期发表于国际知名地学刊物《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》。该项研究获得了国家重点研发计划，国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金重大项目、南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）人才团队引进重大专项等项目支持。　　论文信息： Zhibing Wang*(王志兵), Feng Ye(叶丰), Jie Li(李杰), Jinlong Ma(马金龙), Yiwei Chen(陈怡伟), Xi Liu(刘熙), Chao Huang(黄超), Ti Zeng(曾提), Gangjian Wei(韦刚健), Qingquan Hong(洪清泉). Diagenesis decreasing the Mo isotopic composition in estuarine systems: Implications for constraining its riverine input to ocean. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2024, 25, e2023GC011251. https://doi.org/10.1029/2023GC011251 　　论文链接图1（a）珠江口水体Mo浓度与盐度相关性图，（b）珠江口水体1/Mo比值与 98Mo值的关系图。理论混合线由珠江河流水体（含西江、北江、东江）和中国南海海水端元确定。图2珠江口水体线性图（a）(Mo/S)–(Mn/S); （b）？ 98Mo Mea-Mix–(Mn/S); （c）？ 98Mo Mea-Mix–(Mo/S)。图3珠江口颗粒物相关性图：（a）夏季 Mo/Al与Fe/Al比值; （b）夏季 98Mo值与Fe/Al比值；（c）冬季和夏季 98Mo值与 13C POC值；（d）冬季Fe Fe-Ox/Fe Bulk和Mo Fe-OX/Mo Bulk比值与盐度; （e）冬季Fe Fe- Ox/Fe Bulk和Mo Fe-OX与 98Mo值; （f）冬季 Fe Fe-Ox/Fe Bulk与Mo Fe-OX/Mo Bulk的对比。Fe Fe- Ox/Fe Bulk和Mo Fe-OX/Mo Bulk比值分别表示Fe氧化物相中的Mo的Fe和Mo与全岩中的比值。翻译搜索复制

2024-03-01

广州地化所：交代地幔的锆同位素组成

　　在地球的形成与演化过程中，地幔的化学组成随着相应的地质事件和地质过程发生改变。这意味着地幔及其派生熔体的地球化学成分记录了大量的地球演化信息，是地质学家了解地球的形成与演化的重要手段。其中，地幔交代作用对地幔的矿物组成以及地球化学成分的改造均有重大影响。因此，限定地球化学指标在地幔交代过程中的行为及交代地幔的地球化学组成，是利用该指标的基本前提条件。　　高场强元素是一类难融、化学性质稳定，且不易受低温蚀变和风化过程改造的元素（如Nb，Ta，Zr，Hf，Ti）。这些特性使得行为相似的高场强元素比值（Zr/Hf和Nb/Ta比值）及其同位素（如Hf-Ti同位素）被广泛应用于示踪高温岩浆过程。近年来，得益于分析方法的改善，Zr同位素也开始被应用于研究地球高温岩浆过程。然而，目前对Zr同位素的研究主要集中于壳内岩浆演化过程，地幔交代过程中Zr同位素如何变化，以及交代地幔的Zr同位素组成仍然不清楚。　　来自地幔的熔体能够获取不同时空背景的地幔源区信息，是了解深部地幔物质组成和过程的主要窗口。由于Zr是强不相容元素（K d<1），因此交代地幔部分熔融产生的玄武岩能够高效抽取源区的Zr储库。为此，中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室地幔地球化学学科组邹宗琪博士、徐义刚院士联合中国地质大学（武汉）汪在聪教授对来自受不同介质（碳酸盐熔体、硅酸盐熔体和流体/含水熔体）交代的地幔源区的玄武岩进行Zr同位素分析。主要取得以下认识：　　（1）俯冲地壳物质的输入对地幔Zr同位素组成的影响有限。　　（2）虽然来自不同构造背景的循环交代介质具有显著不同的物质组成（如Zr/Hf比值），但是受这些不同介质交代的地幔源区熔融产生的玄武岩具有一致的Zr同位素组成。这说明交代过程及后续的熔融过程对熔体的Zr同位素组成的影响有限。这些熔体的Zr同位素代表地幔熔融源区的平均Zr同位素组成。　　（3）来自不同交代地幔的玄武岩和其他地幔储库的Zr同位素组成在分析误差范围内一致。这说明在长期的演化过程中，虽然地幔受到了复杂的壳幔相互作用的影响，但是地幔的Zr同位素组成保持不变。　　（4）基于已经报道的幔源岩浆的Zr同位素数据，我们估算交代地幔的Zr同位素组成为 94Zr NIST = 0.013 0.053‰(2 SD, n = 96)。该值也代表硅酸盐地球和地球的Zr同位素组成。　　该研究已发表在国际地球科学领域著名期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》上，本研究受自然科学基金基础科学中心项目(42288201)、南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）人才团队引进重大专项以及国家自然科学基金青年基金项目等基金的联合资助。　　论文信息：Zou, Zongqi* (邹宗琪), Xu, Yi-Gang* (徐义刚), Wang, Zaicong (汪在聪), Hu, Chuyu (胡楚玉), Feng, Lanping (冯兰平), Guo, Jing‐Liang (郭京梁), Zhang, Wen (张文), Ma, Liang (马亮), Hu, Zhaochu (胡兆初), Liu, Yongsheng (刘勇胜) (2024). Stable zirconium isotopic compositions of the metasomatized mantle. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 129, e2023JB028137. https://doi.org/10.1029/2023JB028137 论文链接图1，研究样品为来自中国东部的中生代玄武岩和中国东部新生代碱性和拉斑玄武岩。中生代玄武岩来自受富含流体的大陆地壳物质交代的地幔源区。而新生代拉斑玄武岩和碱性玄武岩则分别来自受硅酸盐熔体交代形成的辉石岩源区和碳酸盐化榴辉岩源区。图2，交代过程和部分熔融过程可以造成玄武岩样品的高场强元素之间发生显著分异。如具有类似离子半径、相同价态以及不相容性的元素对Nb/Ta和Zr/Hf。然而，不同玄武岩样品的Zr同位素组成极其均一，且与高程度部分熔融成因的科马提岩的Zr同位素组成一致。图3，Ba/Th和Nd同位素的巨大变化表了玄武岩源区的地球化学组分受到了不同程度的地壳循环物质的改造。Zr/Hf和La/Sm比值的变化也进一步表了源区岩性和部分熔融过程多熔体地球化学组分的影响。虽然大陆上地壳具有相对偏重的Zr同位素组成，且熔融过程可以造成地球化学性质的Zr-Hf分异，但是这两种机制均未对熔体的Zr同位素组成造成显著变化。图4，地幔的不同储库均具有一致的Zr同位素组成。翻译搜索复制

2024-02-27

广州地化所：俯冲洋壳中亲铜元素的深部循环

地球圈层相互作用不仅为生命活动提供了适宜的大气环境和营养物质，同时也为人类社会文明的繁荣发展提供了大量的Au、Cu和Ag等贵金属资源。通过板块构造运动，大量的碳和硫等挥发分可以通过蚀变洋壳再循环到深部地幔，引起深部地幔的氧逸度和熔融行为的显著改变，进而影响硫化物的稳定性。而硫化物作为地幔中亲铜元素的主要载体，其稳定性是影响亲铜元素迁移进入熔体的关键因素之一。因此，了解富含挥发分的循环洋壳中硫化物的稳定性，以及循环洋壳熔/流体如何影响地幔Cu-Ag-Au-PGEs 等亲铜元素的释放、迁移和富集过程至关重要。　　富含碳挥发分的汉诺坝碱性玄武显示出强烈的再循环蚀变洋壳印记（图1），且携带大量的地幔包体快速喷发至地表，表明未经历显著的分离结晶，是研究上述问题的理想样品。由于玄武岩的硫元素经历了脱气过程，很难直接通过硫元素约束源区亲铜元素的释放效率。而亲铜金属元素及其比值受控于硫化物，具有反演源区硫化物类型以及判别源区硫化物是否稳定存在的潜力。为此，中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室地幔地球化学学科组邹宗琪博士、徐义刚院士联合中国地质大学（武汉）汪在聪教授对汉诺坝碱性玄武岩进行亲铜元素分析，主要取得以下认识：　　（1）碳酸盐化榴辉岩的初始熔体具有亏损Cu-Ag-Au-Re-PGEs的特征（图2）。同时，该熔体的Cu和Ag显著分异，具有低Cu/Ag的特征（<1000），与MORB具有明显的区别（3600）。这些特征表明源区的结晶态硫化物（MSS）稳定存在（图2-3）。因此，俯冲板片中亲铜金属元素的释放受控于结晶态硫化物和熔体/流体之间的分配。　　（2）由于源区大量硫化物的稳定存在，大部分强亲铜性金属元素（如Cu，Ag，Au，PGE等）储存在硫化物中，并随着洋壳高效地循环至深部地幔。循环洋壳低程度熔融形成硫化物饱和的初始岩浆。该熔体可以富集碳和硫等挥发分（取决于溶解度），但是贫强亲铜性金属元素（图4-5）。虽然在熔体迁移过程中榴辉岩熔体由于减压等因素导致不饱和，从而与橄榄岩反应可以消耗小部分围岩的硫化物，但是反应熔体仍然具有相对MORBs和原始地幔亏损的强亲铜元素特征（图2，5）。这些结果说明强亲铜元素从俯冲板片中释放和迁移的效率低。　　（3）来自俯冲板片的熔/流体在迁移过程中会与上覆地幔反应，形成交代富集地幔。该富集地幔或者来自该源区的富金属岩浆通常被认为是形成大型Au，Cu，Ag，Mo等矿床的关键。由来自俯冲板片的交代介质的亲铜元素组成特征可知，该交代作用可以使交代地幔显著富集挥发分但不一定富集强亲铜金属元素（图5）。即便该交代过程可以导致交代地幔的氧逸度升高，交代地幔中的硫元素仍然可以以硫化物的形式存在。由于交代地幔中硫化物的增加（亲铜元素分配系数增加），强亲铜金属元素不显著增加，因此需要一些能导致硫化物消耗的过程（如高程度部分熔融或者高的氧逸度）或者促进金属元素与熔/流体中挥发分络合的条件来高效提取交代地幔的强亲铜金属元素，进而促进金属元素富集成矿（图4）。　　该研究已发表在国际地球科学领域著名期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上，本研究受自然科学基金基础科学中心项目(42288201)、南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）人才团队引进重大专项以及国家自然科学基金青年基金项目等基金的联合资助。　　论文信息：Zou, Zongqi (邹宗琪), Wang, Zaicong (汪在聪)*, Xu, Yi-Gang (徐义刚), Foley, Stephen, Cheng, Huai (程怀), Ma, Liang (马亮), Wang, Xiang (汪翔), Chen, Kang (陈康), Hu, Zhaochu (胡兆初), Liu, Yongsheng (刘勇胜), Liu, Yanhong (刘艳红), (2024) Deep mantle cycle of chalcophile metals and sulfur in subducted oceanic crust. Geochim. Cosmochim. Acta. https://doi.org/10.1016/j.gca.2024.02.007. 论文链接图1，研究样品为汉诺坝碱性玄武岩。低MgO，低CaO/Al2O3和高Dy/Yb特征的样品来自碳酸盐化榴辉岩部分熔融，该熔体与岩石圈相互作用，使其成分被进一步改造。图2，汉诺坝碱性玄武岩整体上具有相较MORBs和原始地幔低的强亲铜元素含量。汉诺坝碱性玄武岩具有平坦的PGEs配分模式，无法用硫化物（富集强亲铜元素）分离结晶解释。同时，Cu/Ag和Cu/Pd比值偏离经历了液态硫化物分离结晶的MORB演化趋势。Cu和Ag在液态硫化物分离结晶过程中分配行为相似，因此，液态硫化物分离结晶不会导致Cu和Ag的分异。相反，Cu在结晶态硫化物(MSS)和硅酸盐熔体之间的分配系数大于Ag。因此，MSS的存在会显著分异Cu和Ag。Cu/Ag和 Nd之间的线性关系也进一步支持了金属元素成分的变化是两个不同端元相互作用导致的。极低PGEs含量的初始熔体消耗围岩硫化物导致了汉诺坝碱性玄武岩平坦的PGEs配分模式。图3，汉诺坝碱性玄武岩迁移过程中的温度和压力条件位于硫化物熔点上方，表明在迁移过程中未经历MSS的分离结晶。这说明低的Cu/Ag继承自源区或者源区部分熔融过程。榴辉岩源区具有和地幔值一致的Cu/Ag比值，且源区硫化物分解不会分异Cu和Ag（元素完全释放进入熔体）。而源区在MSS稳定存在的情况下，部分熔融会生成低Cu/Ag比值的熔体。这说明源区的硫化物稳定存在（MSS）。图4 由于源区大量硫化物的稳定存在，因此强亲铜性金属元素赋存在板片的硫化物中。从而导致来自俯冲板片的交代介质可以富集挥发分但是贫强亲铜性金属元素。(a)受交代的橄榄岩可以富集S，但是其强亲铜性金属元素不会显著富集。(b) 这也与交代橄榄岩中硫化物的强亲铜性金属元素含量显著低于地幔橄榄岩硫化物包裹体中强亲铜性金属元素的含量相一致。(c-d) 由于富硫交代介质的加入导致交代地幔硫化物的增加，进而导致分配系数增加。因此，相同熔融条件下，强亲铜性金属元素的释放效率降低。图5 俯冲洋壳中亲铜元素的深部循环模式图。翻译搜索复制

2024-02-27

陆海统筹背景下珠江口新污染物生态风险防控研究的新进展

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室徐向荣团队在基于陆海统筹思路下珠江口有机磷阻燃剂生态风险防控方面取得了最新研究进展。相关成果以“Organophosphate flame retardants and their metabolites in the Pearl River Estuary: Occurrence, influencing factors, and ecological risk control strategies based on a mass balance model”为题发表于Environment International（2024, 184: 108478）。博士生黄倩怡为论文第一作者，副研究员侯瑞和研究员徐向荣为通讯作者。以有机磷阻燃剂（OPFRs）为代表的塑料添加剂是一类备受关注的新污染物，成为近海生态环境领域的研究热点之一。随着这类陆源污染物进入河口等近海环境，它们会在径流、潮汐等水动力过程的作用下进行迁移，随吸附、沉积、悬浮等过程进行再分配，在光降解和生物降解等作用下发生转化，并在不同生物之间富集甚至进行食物链传递，从而对整个近海生态系统构成污染胁迫效应。然而，目前对河口等近海环境中OPFRs等新污染物的研究大多都仅限于环境赋存、时空分布和来源识别等，对其在近海生态系统中的源汇格局及生态风险防控仍存在认知瓶颈。本研究通过季节性监测，揭示了OPFRs及其代谢产物在珠江口水体和沉积物中的时空分布及影响因素。OPFRs及其代谢产物在珠江口水体中表现出明显的陆海转移特征，并呈现显著的季节差异；而在沉积物中并没有表现出显著的季节差异，这表明在沉积物中OPFRs可能处于输入与输出平衡状态（图1-a）。进一步计算了OPFRs的水平和垂直迁移通量及水体和沉积物的库存，发现OPFRs在珠江口主要以水平迁移为主，库存评估表明水体和沉积物都是重要储存库（图1-b）。基于改进的质量平衡模型，首次系统地阐明了河口环境中OPFRs的季节性源汇格局，发现河流输入是OPFRs进入珠江口的主要途径，在平水期、枯水期和丰水期的通量分别是1.55 105，6.28 104和 9.00 104 kg/yr，而珠江口中大量的OPFRs（约占输入量的80.9-87.1%）最终会迁移到外海。珠江口对OPFRs在陆海转移过程中的生态屏障作用有限，更倾向于作为外海OPFRs的源（图1-c）。图1 （a）珠江口OPFRs在水体的季节性分布特征；（b）珠江口OPFRs在平水期和枯水期的水平和垂直通量以及水体和沉积物中的库存量；（c）珠江口OPFRs在各季节的源汇格局通过基于海洋生态系统的风险评估，发现其中一种OPFRs（EHDPHP）在水体中表现出中等生态风险（RQ均值：0.835），而其他目标化合物的海洋生态风险相对较低（RQ < 0.1）。结合已构建的质量平衡模型，运用可控因子的多情景数值模拟发现，通过限制EHDPHP在珠江口口门断面浓度可以有效降低其在珠江口的生态风险。基于珠江口区域内EHDPHP的PNEC值，我们提出平水期、枯水期和丰水期珠江口门EHDPHP污染的理论控制目标。本研究为陆海统筹的新污染物风险管控提供了思路参考，但由于数据有限，本研究在风险评估模型和环境模型方面仍具有一定的不确定性。在今后的研究中仍然需要对所提出的调控目标做进一步论证，在获得更多的毒性数据和野外调查数据的前提下进一步优化研究结果，以期服务于海洋和流域环境管理。图2 珠江口有机磷阻燃剂的生态风险控制策略该研究得到了国家自然科学基金项目、广州市科技计划项目、广东省应用海洋生物学重点实验室运行经费的共同资助。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.envint.2024.108478翻译搜索复制

2024-02-26

研究团队揭示了两类大西洋尼诺对欧洲气候的不同影响

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室（LTO）/全球海洋和气候研究中心（GOCRC）研究员王春在团队与研究员张磊团队探究了大西洋中部型尼诺（CAN）与东部型尼诺（EAN）对欧洲气候影响的差异及机理。研究成果以博士研究生陈柏洋为第一作者、研究员张磊和研究员王春在为共同通讯作者发表在国际著名期刊《Geophysical Research Letters》上（中科院一区，IF=5.2）。大西洋尼诺是热带大西洋气候系统年际变化的主要模态之一，通过局地海洋-大气相互作用和大气遥相关对全球气候条件产生重要影响。最近，该团队在《Science Advances》上发表了一篇文章，根据海温异常的最大位置确定了CAN和EAN两种类型的大西洋尼诺，并揭示了它们对随对ENSO发展的不同影响。然而，两种类型的大西洋尼诺是否可以激发不同的大气遥相关波列，从而对欧洲等地区的气候产生不同影响，仍然是一个待解决的问题。为解决上述问题，本研究利用了观测海温数据、再分析资料和数值模式试验，探讨了CAN和EAN通过大气桥对欧洲气候的影响。研究结果显示，两种大西洋尼诺对欧洲的降水和温度产生显著差异（见图1）。具体来说，CAN倾向于在西欧（东欧）引发正（负）降水异常和负（正）温度异常，而EAN引发的异常变化则较弱且位置更偏东。这些差异主要源于两种大西洋尼诺在热带大西洋的海温和降水存在显著不同。CAN主要表现为赤道大西洋中-西部区域出现显著的海温和降水异常，而EAN与赤道大西洋东部的变化有关。因此，与EAN相比，CAN引发的罗斯贝波源更强，向西延伸更远，导致其产生的大气罗斯贝波列更强，且位置更偏西。这些差异导致两种大西洋尼诺对欧洲的大气环流场影响不同，从而在欧洲的降水和温度上产生显著差异。该研究揭示了两种大西洋尼诺的气候效应存在显著差异，为提高季节性气候预测能力、完善气候动力学理论框架以及更好地理解热带和热带外地区之间联系提供了理论依据。该研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重大项目、中国科学院战略先导科技专项项目等的资助。相关论文信息：Chen, B., L. Zhang, and C. Wang, 2024: Distinct impacts of the central and eastern Atlantic Ni？o on the European climate. Geophys. Res. Lett., 51, e2023GL107012.文章链接：https://doi.org/10.1029/2023GL107012图1. 中部型大西洋尼诺（上图）和东部型大西洋尼诺（下图）对欧洲气候影响的示意图翻译搜索复制

2024-02-26

稻田和旱地土壤“新碳”微生物利用与残留物形成机制取得进展

通常，旱地土壤有机碳微生物转化过程中分解代谢强于稻田。然而，稻田和旱地土壤微生物合成代谢和残留物形成强度尚不清楚。考虑到农田土壤微生物残体碳对有机碳积累的重要贡献，解析“新输入有机碳”的微生物合成代谢过程对理解两类农田土壤碳积累机制至关重要。通常，旱地土壤有机碳微生物转化过程中分解代谢强于稻田。然而，稻田和旱地土壤微生物合成代谢和残留物形成强度尚不清楚。考虑到农田土壤微生物残体碳对有机碳积累的重要贡献，解析“新输入有机碳”的微生物合成代谢过程对理解两类农田土壤碳积累机制至关重要。中国科学院亚热带农业生态研究所流域农业环境研究中心吴金水研究员团队成员基于我国东部四个典型水稻分布区（中温带-黑土、暖温带-潮土、亚热带-红壤和热带-砖红壤）采集的240对稻田和旱地表层土壤，每个气候区随机选择10对配对土壤样品加入13C标记的根系分泌物，室内标准条件下培养50天，于3天、10天和50天测定13C标记的微生物活体和残体碳含量。结果表明：对于旱地土壤，暖温带13C标记的微生物活体碳含量最高，但其13C标记的微生物残体碳含量最低，是由于该区域高pH土壤环境抑制了真菌合成代谢和残体积累过程；对于稻田土壤，温暖气候区（亚热带和热带）土壤13C标记的微生物活体碳含量比寒冷气候区（中温带和暖温带）低，但13C标记的微生物残体碳含量呈相反趋势，归因于温暖地区土壤微生物量周转更快；四个气候区平均来看，旱地土壤13C标记微生物活体碳含量是稻田的1.4倍至2.6倍，进而引起旱地13C标记微生物残体碳含量是稻田的1.8倍至3.9倍，这是由于旱地好氧环境增强了真菌合成代谢。研究结果强调了旱地土壤强烈的微生物合成代谢和分解代谢导致其土壤有机碳积累弱于稻田，但其留存碳的稳定性高。因此，高稳定性有机物料（腐熟有机肥）投入、强化微生物合成代谢且降低分解代谢的管理策略可有效提高旱地土壤有机碳固持能力。该项研究近期以题为Contrasting processes of microbial anabolism and necromass formation between upland and paddy soils across regional scales发表在土壤学期刊Catena上。该研究得到了国家自然科学基金等项目的共同资助。论文链接四个气候区稻田和旱地土壤13C标记微生物残体碳含量稻田和旱地微生物合成代谢及残留物形成机理示意图翻译搜索复制

2024-02-27

华南植物园发现热带山地雨林土壤微生物残体碳空间变异与跨尺度关联

微生物残体是土壤有机碳的重要来源，在调控土壤有机碳库的结构和稳定性方面发挥着重要作用。植物、土壤和微生物碳库的空间分布和互作是当前碳循环研究面临的巨大挑战。热带森林储存了全球60%以上的植被碳，约为陆地碳储量的25% ，且拥有最高的有机碳周转率。因此，阐明热带森林土壤微生物残体碳的空间分布格局及其与其它碳库的多尺度关联特征是提升森林碳循环可预测性和适应性管理的重要途径。微生物残体碳表现出更强的空间异质性和更弱的均匀性,微生物残体碳和土壤有机碳之间的跨尺度相关性要比微生物残体与植物生物量之间更强更稳定。PB ，植物生物量。微生物残体是土壤有机碳的重要来源，在调控土壤有机碳库的结构和稳定性方面发挥着重要作用。植物、土壤和微生物碳库的空间分布和互作是当前碳循环研究面临的巨大挑战。热带森林储存了全球60%以上的植被碳，约为陆地碳储量的25%，且拥有最高的有机碳周转率。因此，阐明热带森林土壤微生物残体碳的空间分布格局及其与其它碳库的多尺度关联特征是提升森林碳循环可预测性和适应性管理的重要途径。中国科学院华南植物园恢复生态学任务团队基于海南尖峰岭热带山地雨林60公顷大样地，系统研究了土壤微生物残体碳的空间分布格局及其与植物和土壤有机碳库的跨尺度关联特征。研究发现：（1）土壤微生物残体碳及其在土壤有机碳中的比例表现出较大的空间变异和显著的自相关，具有显著的高-高和低-低聚类格局，土壤、地形和植物生物量是重要的驱动因子；（2）微生物残体碳、土壤有机碳和植物生物量的空间分布具有多重分形特征并遵循幂律标度；（3）微生物残体碳表现出更强的空间异质性和更弱的均匀性，微生物残体碳和土壤有机碳之间的跨尺度相关性要比微生物残体与植物生物量之间更强更稳定。该研究首次对热带山地雨林中植物、土壤、微生物碳库的关联特征进行了跨尺度分析，提升了我们对森林碳循环机理性理解，支撑了碳分布模型的发展，也为热带森林碳管理提供了新视角。相关研究成果已发表在国际学术期刊Science of The Total Environment《总体环境科学》和Journal of Environmental Management《环境管理杂志》上。华南植物园博士后丁彰琦为论文第一作者，刘占锋研究员和中国林业科学院热带林业研究所许涵研究员为论文共同通讯作者，该研究得到广东省基础与应用基础研究旗舰项目和国家自然科学基金等资助。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.170986 https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2024.120288图. 热带山地雨林土壤微生物残体碳空间变异及其与土壤有机碳和植物生物量的跨尺度关联。注：MNC，微生物残体碳；FNMC，真菌残体碳；BNMC，细菌残体碳；SOC，土壤有机碳；PB，植物生物量。翻译搜索复制

2024-02-26

广州地化所：联合Ce-Nd稳定同位素可作为定量表征地表环境氧化还原状态的新指标

稀土元素稳定同位素是新的非传统稳定同位素体系，有望为探索天体形成、岩浆演化、稀土成矿、大陆风化和海洋循环等过程稀土循环提供新的证据。特别是Ce具有+3和+4两种价态，在氧化过程中表现出与其他稀土元素如Nd明显的差异，但在非氧化过程中Ce与Nd元素具有相似的地球化学行为。因此，理论上Ce和Nd稳定同位素的联合应用能够量化地表的氧化还原状态特别是为氧化过程提供新的证据。然而，这一假定是否实际可行有待证实，而通过对同一地质过程中Ce-Nd稳定同位素分馏行为进行同步监测可准确回答这一问题，不过到目前为止尚没有相关的研究报道。　　针对这一科学问题，中国科学院广州地球化学研究所稳定同位素地球化学学科组白江昊博士后在韦刚健研究员、马金龙正高级工程师、王志兵副研究员和张乐高级工程师等老师的指导下，并与广东省科学院生态环境与土壤研究所钟松雄博士后合作，依托其前期建立的高精度Ce稳定同位素分析技术，对经历氧化风化作用并具有很好的稳定Nd同位素研究基础的海南新生代玄武岩风化剖面HK06开展了系统的研究。图 1 HK06风化壳 Th，Ce、Ce/Ce*和 142/140Ce值的变化特征　　研究结果表明，在该风化剖面中，Ce富集程度越高，其Ce异常值越正，相应的 142/140Ce值也越高；反之，Ce越亏损，其 142/140Ce值则越偏低。这一观察结果表明，强氧化风化过程中Ce元素会发生明显的迁移并伴随着Ce稳定同位素的显著分馏。为了更好地区分氧化与非氧化过程对稳定Ce同位素的影响，作者对风化产物进行了化学分相提取，并分别测定了各个相态的稳定Ce同位素组成。结果显示，在氧化过程中，Mn（氢）氧化物相具有最高的 142/140Ce值（+0.184 0.040‰），这可能归因于Ce(IV)倾向于富集较重的同位素 142Ce（基于质量相关分馏）和/或继承自流体相中的重同位素 142Ce（基于核体积效应）。为了区分这两种分馏效应，未来研究应当同时精确测量样品中的 136Ce/ 140Ce和 142Ce/ 140Ce比值。此外，研究发现Mn氧化物相中的Mn浓度与 Th，Ce和 142/140Ce值均呈现正相关，而与Ce异常无关，表明Mn氧化物中的 142/140Ce值相比Ce/Ce*更可靠地量化表征地表的氧化状态。在非氧化过程中，作者讨论了外部输入、pH值、有机物络合、Fe氧化物吸附/共沉淀以及粘土矿物形成等作用方式对稳定Ce同位素分馏行为的影响。在0.5 mol L -1 HCl交换相和残余相中， 142/140Ce值与 146/144Nd都呈正相关，表明在非氧化过程中稳定Ce和Nd同位素表现相似。基于此，作者提出联合Ce-Nd稳定同位素（ 142Ce- 146Nd）可以作为量化地表亚氧到强氧化状态的新工具。这一指标未来在准确解读地球氧化历史的研究中，可望发挥非常重要的贡献。图2 Mn氧化物相中Ce元素含量、Ce异常和 142/140Ce的变化特征图3 非氧化过程中Ce-Nd稳定同位素分馏行为类似　　相关成果发表在国际地球科学领域著名期刊《Earth and Planetary Science Letters》，该研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、博士后面上项目和中国科学院广州地化所所长基金等联合资助。　　论文信息：Bai J.H.,(白江昊) Wu C.,(吴超) Wu H.,(吴昊)Wang, Z. B., (王志兵) Zhang L.,(张乐) Zhong S.X., (钟松雄) Ma J. L.,(马金龙) Wei G.J.* (韦刚健). 142Ce minus 146Nd value as a redox indicator in Earth's surface environments[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2024, 629, 118597. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118597. 　　论文链接翻译搜索复制

2024-02-27

刘清梅、蒋文敏等-CG，MPG：甲烷团簇同位素（Δ13CH3D和Δ12CH2D2）测试的绝对参考体系及在塔里木盆地深层天然气来源判识中的应用

甲烷（CH4）是最简单有机物。一方面，它是重要的清洁能源，提供了全球能源总消耗量的20%；另一方面，它是仅次于二氧化碳的大气温室气体，其增温效应在百年尺度上是二氧化碳的28倍。此外，甲烷还是生命系统的关键组成部分，被视为生命起源的一种示踪剂。因此，明确甲烷的形成和演化对于预测全球能源储量、评估大气甲烷收支和探索生命起源等至关重要。　　自然界的甲烷根据成因机制的不同可分成生物成因（biogenic）、热成因（thermogenic）和无机成因（abiogenic）三大类。传统方法主要利用甲烷的单体碳（ 13C 1）和氢（ D 1）同位素以及气体成分来判断其成因。然而，这些方法具有明显局限性，不同成因的甲烷在传统判识图版上（例如“Bernard plot”， “Whiticar plot”）存在较大的重叠，判识结果具有多解性。近年来新兴的甲烷团簇同位素技术（Multiply-substituted或Clumped isotope）能够直接测量甲烷分子内同位素键序，可以提供甲烷的形成温度、形成路径等独立于单体同位素的全新信息，已经成为研究甲烷的重要手段。　　近期，中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室熊永强研究员课题组刘清梅博士生、蒋文敏副研究员、李芸副研究员等人，基于Nu Panorama高分辨稳定同位素比质谱仪（HR IRMS），建立了甲烷团簇同位素测试的绝对参考体系。由于缺乏国际统一的甲烷团簇同位素标样，团队首先建立了具有国际可对比的甲烷团簇同位素测试方法。通过优化质谱参数，获得超过40000的分辨率（MRP），实现了 13CH 3D和 12CH 2D 2独立测定（图1）。然后利用 -Al 2O 3催化剂制备100 下不同单体同位素甲烷的热平衡气，校正了离子源的非线性效应（图2）。再利用 -Al 2O 3和Ni催化剂制备0~500 范围内甲烷的热平衡气，校正了尺寸效应（图3），最终获得了本实验室甲烷参考气的真实团簇同位素值（GIG-STD1: 13CH 3D = +2.79‰, 12CH 2D 2 = +4.34‰）。通过与东京工业大学提供的两个外部标气（TIT-A和TIT-C）在两个实验室之间（GIG和TIT）测试结果与精度的比对，本实验室的测试精度更高（1 : 13CH 3D = 0.2‰, 12CH 2D 2 = 0.8‰）。以上相关工作历时2年（2021-2022），先后建立了样品前处理、分析测试、数据校正等标准化工作流程，最终建成了国内领先的高精度的甲烷团簇同位素分析测试平台。　　在此基础上，该课题组选取塔里木盆地克深（Keshen）、塔北（Tabei）、和田河（Hetianhe）和柯克亚（Kekeya）四个典型气田共16个深层天然气样品开展了甲烷团簇同位素分析测试与应用研究。首先利用处于热力学平衡的甲烷团簇同位素值，计算得到甲烷的生成温度在130~250 之间，为典型的热成因气。然后结合各个气田所在区域潜在烃源岩的埋藏史和热史，以天然气生成温度限定，圈定了不同气田的气源岩层位，解决了天然气来源的争议（图4）。例如，克深地区天然气来自侏罗煤系烃源岩；塔北地区天然气来自寒武系烃源岩，而非奥陶系烃源岩；和田河地区天然气来自寒武系烃源岩；柯克亚地区天然气来自石炭-二叠系烃源岩。对于甲烷团簇同位素处于非平衡的样品，表明其可能遭受到了后生作用改造，结合实际地质情况，进一步评价了不同地区天然气样品经历的主要次生作用（图5）。例如，和田河地区天然气单体同位素发生明显线性分馏，而甲烷团簇同位素处于平衡状态，说明运移扩散作用并非该区天然气同位素分馏的主控因素；克深地区天然气具有相似的 13CH 3D和负偏的 12CH 2D 2，可能经历了高温热蚀变（~400 ），导致 12CH 2D 2发生再平衡；塔北地区存在同源不同形成温度的天然气混合现象，结合气体干燥系数，推断是寒武系原油裂解气与干酪根裂解气的混合。图1. (a) 甲烷纯化系统IBEX; (b) Nu Panorama高分辨稳定同位素比质谱仪; (c) 13CH 3D测量模式下甲烷质谱峰图；(d) 12CH 2D 2测量模式下甲烷质谱峰图。图2. 非线性校正图版。(a) 100 温度下不同单体碳同位素甲烷的 13CH3D[HG vs. RG] vs 13CH 3D[HG vs. RG]；(b) 100 温度下不同单体氢同位素甲烷的 12CH 2D 2[HG vs. RG] vs 12CH 2D 2[HG vs. RG]。HG指加热平衡气，RG指本实验室参考气GIC-STD1。图3. 尺寸效应校正图版。(a) 0~500 温度范围内 13CH 3D[HG vs. RG] (非线性校正后的实验室测量值) vs 13CH 3D[Theory] (理论值)；(b) 0~500 温度范围内 12CH 2D 2[HG vs. RG] (非线性校正后的实验室测量值) vs 12CH 2D 2[Theory] (理论值)。HG指加热平衡气，RG指实验室参考气GIC-STD1, Theory指甲烷团簇同位素的理论值。图中线性拟合公式的截距即为本实验室参考气的甲烷团簇同位素值。图4. (a) 塔里木盆地构造划分与典型气田分布图；(b) 典型气田天然气甲烷团簇同位素 13CH 3D vs 12CH 2D 2图；(c) 典型气田天然气形成温度、储层现今温度以及潜在烃源岩最高埋藏温度对比图。图5. 非平衡甲烷团簇同位素评价次生作用。(a) 和田河地区天然气单体同位素 13C 1 vs D 1图；(b) 和田河地区天然气甲烷团簇同位素 13CH 3D vs 12CH 2D 2图指示未遭受明显的次生作用；(c) 克深地区天然气甲烷团簇同位素 13CH 3D vs 12CH 2D 2图指示存在高温热蚀变；(d) 塔北地区天然气甲烷团簇同位素 13CH 3D vs 12CH 2D 2图指示存在混合作用。　　相关成果近期发表于国际期刊《Chemical Geology》和《Marine and Petroleum Geology》，该研究得到国家自然科学基金面上项目、中石油基金、广州地化所“涂光炽优秀青年学者”（B类）等项目的联合资助。　　论文信息：　　Liu, Q. (刘清梅), Li, J. (李嘉成), Jiang, W. (蒋文敏), Li, Y.* (李芸), Lin, M. (林莽), Liu, W. (刘文), Shuai, Y. (帅燕华), Zhang, H. (张海祖), Peng, P. (彭平安), Xiong, Y.* (熊永强). Application of an absolute reference frame for methane clumped-isotope analyses. Chemical Geology, 2024, 646, 121922. 　　论文链接　　Jiang, W. (蒋文敏), Liu, Q. (刘清梅), Li, J. (李嘉成), Li, Y. (李芸), Liu, W. (刘文), Liu, X. (刘贤), Zhang, H. (张海祖), Peng, P. (彭平安), Xiong, Y.* (熊永强). Deciphering the origin and secondary alteration of deep natural gas in the Tarim basin through paired methane clumped isotopes. Marine and Petroleum Geology, 2024, 160, 106614. 　　论文链接

2024-02-26

华南植物园发现热带山地雨林土壤微生物残体碳空间变异与跨尺度关联

微生物残体是土壤有机碳的重要来源，在调控土壤有机碳库的结构和稳定性方面发挥着重要作用。植物、土壤和微生物碳库的空间分布和互作是当前碳循环研究面临的巨大挑战。热带森林储存了全球60%以上的植被碳，约为陆地碳储量的25% ，且拥有最高的有机碳周转率。因此，阐明热带森林土壤微生物残体碳的空间分布格局及其与其它碳库的多尺度关联特征是提升森林碳循环可预测性和适应性管理的重要途径。微生物残体碳表现出更强的空间异质性和更弱的均匀性,微生物残体碳和土壤有机碳之间的跨尺度相关性要比微生物残体与植物生物量之间更强更稳定。PB ，植物生物量。微生物残体是土壤有机碳的重要来源，在调控土壤有机碳库的结构和稳定性方面发挥着重要作用。植物、土壤和微生物碳库的空间分布和互作是当前碳循环研究面临的巨大挑战。热带森林储存了全球60%以上的植被碳，约为陆地碳储量的25%，且拥有最高的有机碳周转率。因此，阐明热带森林土壤微生物残体碳的空间分布格局及其与其它碳库的多尺度关联特征是提升森林碳循环可预测性和适应性管理的重要途径。中国科学院华南植物园恢复生态学任务团队基于海南尖峰岭热带山地雨林60公顷大样地，系统研究了土壤微生物残体碳的空间分布格局及其与植物和土壤有机碳库的跨尺度关联特征。研究发现：（1）土壤微生物残体碳及其在土壤有机碳中的比例表现出较大的空间变异和显著的自相关，具有显著的高-高和低-低聚类格局，土壤、地形和植物生物量是重要的驱动因子；（2）微生物残体碳、土壤有机碳和植物生物量的空间分布具有多重分形特征并遵循幂律标度；（3）微生物残体碳表现出更强的空间异质性和更弱的均匀性，微生物残体碳和土壤有机碳之间的跨尺度相关性要比微生物残体与植物生物量之间更强更稳定。该研究首次对热带山地雨林中植物、土壤、微生物碳库的关联特征进行了跨尺度分析，提升了我们对森林碳循环机理性理解，支撑了碳分布模型的发展，也可为热带森林碳管理提供了新视角和科学依据。相关研究成果已发表在国际学术期刊Science of The Total Environment《总体环境科学》和Journal of Environmental Management《环境管理杂志》上。华南植物园博士后丁彰琦为论文第一作者，刘占锋研究员和中国林业科学院热带林业科学研究所许涵研究员为论文共同通讯作者，该研究得到广东省基础与应用基础研究旗舰项目和国家自然科学基金等资助。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.170986 https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2024.120288图. 热带山地雨林土壤微生物残体碳空间变异及其与土壤有机碳和植物生物量的跨尺度关联。注：MNC，微生物残体碳；FNMC，真菌残体碳；BNMC，细菌残体碳；SOC，土壤有机碳；PB，植物生物量。

2024-02-26