地球系统数值模拟研究进展与科学前沿 被引量：1

1

作者 朱佳雷 董建志 +9 位作者 张永根 孙少波 姜哲 周浩然 赵曦 李攀 陈伟 王礼春 李新 刘丛强 《地学前缘》 北大核心 2025年第3期118-136,共19页

地球系统模式是理解和预测全球变化的核心工具,近年来取得了显著进展。其性能提升体现在圈层耦合过程的精细化发展,以及圈层内复杂物理和化学过程的逐步引入。不确定性的降低则得益于新方法和新技术的发展和应用。然而,地球系统模式仍... 地球系统模式是理解和预测全球变化的核心工具,近年来取得了显著进展。其性能提升体现在圈层耦合过程的精细化发展,以及圈层内复杂物理和化学过程的逐步引入。不确定性的降低则得益于新方法和新技术的发展和应用。然而,地球系统模式仍面临诸多挑战,包括对复杂交互过程的表征能力不足、社会-生态系统过程模拟的局限性,以及区域极端事件模拟能力的提升需求。未来的发展需深化跨学科协作,借助新技术强化数据获取与模型预测能力,同时聚焦社会-生态系统过程及其影响机制的研究,以增强对区域极端事件的模拟与预测能力,构建完善的陆-海-气-人相互耦合的新一代地球系统模式,为人类社会的可持续发展及全球变化的应对和预测提供更科学的支撑。 展开更多

关键词 地球系统模式 发展历程 研究进展 不足与挑战 陆-海-气-人耦合

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表层地球系统科学视角下的生态系统科学研究 被引量：1

2

作者 王铁军 晏智锋 +5 位作者 宋照亮 周浩然 孙新超 陈伟 李攀 刘丛强 《地学前缘》 北大核心 2025年第3期78-91,共14页

表层地球系统科学强调地球圈层间相互作用的整体性、动态平衡和互馈机制,为研究生态系统的结构、功能及其演变规律以及人类活动的影响提供了新的理论框架和方法体系。本文从表层地球系统科学的视角出发,探讨了生态系统科学在相关研究领... 表层地球系统科学强调地球圈层间相互作用的整体性、动态平衡和互馈机制,为研究生态系统的结构、功能及其演变规律以及人类活动的影响提供了新的理论框架和方法体系。本文从表层地球系统科学的视角出发,探讨了生态系统科学在相关研究领域中的地位和作用,并梳理了当前的热点议题和面临的挑战。首先,讨论了表层地球系统科学与生态系统科学的关系:前者关注地球表层各圈层之间的相互作用及其整体行为,后者通过研究生态系统能量和物质流动,探究与其他圈层之间的协同演变机制。其次,探讨了表层地球系统科学对生态系统科学研究的理论革新,特别是多圈层耦合框架和复杂系统理论的引入,推动了生态系统科学从局部到全球、从静态到动态的研究范式转变。结合从局部观测到全球整合的发展趋势,本文还讨论了系统观测与数据集成、跨尺度建模技术、新兴技术和指标等在生态系统科学研究中的重要应用。从多圈层相互作用的角度出发,讨论了全球变化背景下生态系统与其他地表圈层间的关联关系,以及对全球变化的响应与适应机制等问题,表明通过整合不同圈层间的互作机制,可以为研究生态系统稳定性和服务功能等提供重要的科学基础。最后,面对人类活动加剧的全球变化,本文指出生态系统科学需要进一步整合遥感技术、大数据分析和人工智能等新兴技术,以深刻揭示人类世背景下生态系统的演变规律以及非线性响应机制和临界阈值等问题,为全球可持续发展提供科学依据和决策支持。 展开更多

关键词 表层地球系统科学 生态系统科学 互作机制 全球变化

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社会-生态系统科学与人类世可持续发展 被引量：3

3

作者 李磊 徐鹏 +3 位作者 曾昭 赵丹丹 马韶君 刘丛强 《地学前缘》 北大核心 2025年第3期105-117,共13页

社会-生态系统科学在“人类世”背景下,为应对全球可持续发展挑战提供了重要理论指导与实践路径。本文首先从社会、经济、环境与生态四个维度分析当前全球可持续发展目标面临的主要挑战;其次,梳理了社会-生态系统科学的理论框架及历史演... 社会-生态系统科学在“人类世”背景下,为应对全球可持续发展挑战提供了重要理论指导与实践路径。本文首先从社会、经济、环境与生态四个维度分析当前全球可持续发展目标面临的主要挑战;其次,梳理了社会-生态系统科学的理论框架及历史演进,阐明了这一跨学科整合框架在全球变化背景下的应用前景;第三,本文聚焦社会-生态系统科学在促进跨部门协作、优化资源配置和推动政策创新中的核心作用,揭示了其在推动全球可持续发展目标实现中的关键意义;最后,本文展望了社会-生态系统科学的未来研究方向,特别强调了跨学科合作、系统建模与技术创新在实现可持续发展目标中的决定性作用。 展开更多

关键词 人类世 系统科学 可持续发展 生态系统

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表层地球系统的深部过程响应与地表自然灾害 被引量：1

4

作者 刘静 孙照通 +4 位作者 王文鑫 李云帅 姚文倩 崔凤珍 刘丛强 《地学前缘》 北大核心 2025年第3期7-22,共16页

地球深部过程对表层地球系统的影响构成了地球系统科学研究的核心议题。通过构造运动和火山喷发等多种机制,深部过程改变了物质循环和能量传输的深浅部模式,进而对表层地球系统产生深远影响。这种影响具体表现在以下几个方面:(1)构造活... 地球深部过程对表层地球系统的影响构成了地球系统科学研究的核心议题。通过构造运动和火山喷发等多种机制,深部过程改变了物质循环和能量传输的深浅部模式,进而对表层地球系统产生深远影响。这种影响具体表现在以下几个方面:(1)构造活动通过地形的重塑,调控了流域尺度的侵蚀-沉积过程;(2)火山活动和构造运动通过改变大气成分和环流格局,在地质时间尺度上驱动了气候变化,其中硅酸盐风化作用在调节大气中CO_(2)浓度方面扮演了关键角色;(3)深部过程可能引发生态系统演化中的生物灭绝事件,同时也能促进生物多样性的形成;(4)在全球气候变化的背景下,地震和地质灾害通过影响社会-生态系统的稳定性,可能进一步加剧其不稳定性。随着观测技术的持续进步,地球系统科学研究将继续深入理解表层地球系统对深部过程的响应机制、量化其影响强度、预测自然灾害的演化趋势,以及增强社会-生态系统对灾害的适应能力。本文系统梳理了深部过程-表层系统-社会生态的跨尺度耦合机制,有助于理解地球系统整体演化。 展开更多

关键词 表层地球系统 地球关键带 构造-气候耦合 自然灾害链 社会-生态系统

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表层地球系统界面过程与土壤圈演化研究 被引量：2

5

作者 滕辉 余光辉 +6 位作者 陈春梅 郝丽萍 张坚超 朱翔宇 孙富生 王钺博 刘丛强 《地学前缘》 北大核心 2025年第3期35-51,共17页

土壤圈是表层地球系统中大气圈、水圈、生物圈和岩石圈相互作用的产物,在地球表层系统演变中起着关键作用。本文回顾了控制土壤形成和演化的界面过程,强调了它们复杂的相互作用和反馈机制。土壤圈的形成和演化受物理和化学风化过程、气-... 土壤圈是表层地球系统中大气圈、水圈、生物圈和岩石圈相互作用的产物,在地球表层系统演变中起着关键作用。本文回顾了控制土壤形成和演化的界面过程,强调了它们复杂的相互作用和反馈机制。土壤圈的形成和演化受物理和化学风化过程、气-水-岩异质反应以及生物有机质-矿物相互作用的协同影响。这些过程在不同的地理、气候和生物条件下有所不同,导致土壤的异质性和组分多样性。本文将界面过程分为两大类:无机圈之间的相互作用和生物与无机圈之间的相互作用。无机圈之间的相互作用包括空气和水对岩石的改造、热交换、风蚀、水-岩反应和成岩作用。这些过程对母质的物理分解和化学转变至关重要。生物与无机圈之间的相互作用包括光合作用、呼吸作用和微生物降解有机物的有机碳输入和输出,以及生物转化,其中涉及生物矿物营养素的释放和矿物-有机质聚集体的形成。本文探讨了土壤圈与生物圈的关系,强调了土壤与生态系统之间的物质和能量交换及其对生态系统的支撑作用。此外,本文还讨论了土壤在生态系统服务中的作用,如生产力、生物多样性维护和气候调节。最后,本文强调了多时间和多空间尺度研究的重要性,以了解地表过程对土壤圈演化的影响,并确定未来的研究热点。总体而言,本文详细概述了驱动土壤形成和演化的界面过程,强调了它们在维持生态平衡、支持人类活动和应对全球环境挑战方面的重要性。 展开更多

关键词 地球系统科学 土壤圈 界面过程 圈层相互作用 人类世

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同位素地球化学与地球系统圈层相互作用和全球变化研究 被引量：3

6

作者 陈玖斌 郑旺 +5 位作者 刘羿 孙若愚 袁玮 孟梅 蔡虹明 刘丛强 《地学前缘》 北大核心 2025年第3期137-155,共19页

地球系统是由地质圈、生物圈和人类圈构成的一个有机整体,研究这一复杂系统各圈层内部和圈层之间的物质能量交换及其动力学机制是地球系统科学研究的核心内容。圈层之间的物质能量交换主要受控于水和主微量元素生物地球化学循环。因此,... 地球系统是由地质圈、生物圈和人类圈构成的一个有机整体,研究这一复杂系统各圈层内部和圈层之间的物质能量交换及其动力学机制是地球系统科学研究的核心内容。圈层之间的物质能量交换主要受控于水和主微量元素生物地球化学循环。因此,元素的生物地球化学循环是联系地球系统各圈层的物质基础和制约或影响全球变化的关键机制。此外,在社会经济高速发展背景下,人类活动正深刻改变着元素生物地球化学循环,使地球系统发生前所未有的变化。如何精准刻画元素生物地球化学循环、揭示其动力学机制、预测其未来演变趋势及其对生态系统的影响,已成为地球系统科学前沿研究任务和面临的根本挑战。而同位素可有效追踪物质的跨圈层迁移转化和生物地球化学循环,在圈层相互作用和全球变化研究中发挥着不可替代的作用。本文回顾了近年来传统和非传统稳定同位素在示踪圈层相互作用和全球变化方面的研究现状,总结了地球系统各圈层典型同位素组成分布,阐述了圈层界面过程同位素分馏机制,追踪了人类活动对地球环境-生态系统的影响,梳理了地球系统科学框架下同位素地球化学研究面临的挑战和前沿科学问题。未来,应该在进一步完善同位素地球化学方法和理论基础上,在地球系统框架下开展同位素与地理学、生态学、分子生物学、地球系统模拟、人工智能和大数据等前沿领域交叉融合研究,完善示踪复杂地球系统多圈层、多过程、多要素耦合条件下元素生物地球化学循环的同位素分馏理论框架,突破原有应用范式,获得对圈层相互作用、人类活动与全球变化、环境与生命协同演化等领域前沿科学问题的创新认知。 展开更多

关键词 同位素地球化学 同位素分馏机制 地球系统科学 生物地球化学循环 圈层相互作用 全球变化

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流域生物地球化学循环与表层地球系统层圈相互作用 被引量：1

7

作者 李思亮 王欣楚 +8 位作者 戚羽霖 钟君 丁虎 文航 刘学炎 郎赟超 易沅壁 王宝利 刘丛强 《地学前缘》 北大核心 2025年第3期62-77,共16页

流域是表层地球系统中相对独立的单元或子系统,通过对流域系统性和综合性的研究能更深刻地理解表层地球系统层圈相互作用。流域物质循环是全球生物地球化学循环的重要组成部分,反映了表层地球系统各层圈之间的能量和物质循环状态,同时... 流域是表层地球系统中相对独立的单元或子系统,通过对流域系统性和综合性的研究能更深刻地理解表层地球系统层圈相互作用。流域物质循环是全球生物地球化学循环的重要组成部分,反映了表层地球系统各层圈之间的能量和物质循环状态,同时也反作用于各层圈的运行和维持。本研究综述了流域生物地球化学循环与地球层圈相互作用之间的关联机制,重点探讨了人类世以来强烈人为活动和全球气候变化对流域物质循环和生态环境的影响。首先分析了流域生物地球化学循环特征及其与全球变化的相互关联,其次剖析了流域生物地球化学循环与全球环境变化之间的互馈作用,以及人类世人为活动对流域生物地球化学循环的强烈扰动,然后解析了流域过程与全球生态系统之间的相互联系和作用机制。综合分析表明人类世以来强烈的人为活动极大地扰动/加速了地表部分物质循环,导致流域系统多个关键变量参数超过生态环境突变临界点,也极大地影响多层圈物质循环和地球系统的稳定维持。最后根据当前流域科学发展态势与挑战,提出了流域生物地球化学循环的研究前沿,通过研究范式变革、人工智能和多同位素等多学科新方法技术融合,指明了微生物等多因素驱动新机制以及构建流域动态系统模型等新方向,最终为深刻理解表层地球系统层圈作用的运行机制和人类可持续发展提供科学基础。 展开更多

关键词 表层地球系统 流域 生物地球化学 层圈相互作用 全球变化

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人类世生物地球化学循环及其科学 被引量：6

8

作者 刘丛强 李思亮 +5 位作者 刘学炎 王宝利 郎赟超 丁虎 郝丽萍 张琼予 《地学前缘》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第1期455-466,共12页

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... 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。 展开更多

关键词 人类世 生物地球化学循环 全球变化 地球系统科学

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地-气界面科学与全球变化研究 被引量：2

9

作者 傅平青 胡伟 +8 位作者 赵曦 徐占杰 丁士元 吴礼彬 邓君俊 姜哲 李晓东 朱佳雷 刘丛强 《地学前缘》 北大核心 2025年第3期92-104,共13页

随着全球变化加剧,地-气界面作为地球系统中关键的物质与能量交换界面,成为理解气候变化、生态演变以及地球系统反馈机制的重要窗口。地-气界面过程涉及大气与陆地、海洋之间的能量与物质交换,是陆地和海洋生态系统动态变化的核心,直接... 随着全球变化加剧,地-气界面作为地球系统中关键的物质与能量交换界面,成为理解气候变化、生态演变以及地球系统反馈机制的重要窗口。地-气界面过程涉及大气与陆地、海洋之间的能量与物质交换,是陆地和海洋生态系统动态变化的核心,直接影响地球系统的演变。地-气界面科学研究对于深入理解地球系统的动力学过程至关重要,是地球系统科学中的重要前沿问题之一。本文首先概述了地球系统科学视角下的地-气界面科学研究,总结了地球系统结构中的地-气界面及其作用,以及地-气界面物质与能量交换过程与全球变化的关系。其次,综述了地-气界面过程对大气环境的影响,地-气界面过程对生态系统的碳、氮等元素循环、水循环及其功能服务的影响,以及陆-海-气系统作用与全球气候变化。最后,提出了地-气界面科学研究的前沿与挑战,包括建设地-气界面科学的多尺度跨学科研究体系,如天-地-空立体观测系统优化、地-气界面过程的模式研究与多尺度耦合机制、人工智能时代的地-气界面科学研究等,极地、高山和滨海等生态和气候敏感区的地-气界面过程及影响等。地-气界面科学研究将在气候变化应对、生态环境保护和可持续发展等领域发挥更加重要的作用。 展开更多

关键词 地-气界面 全球变化 生物地球化学循环 地球系统模式 陆-海-气相互作用

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构造-地貌-气候-生态系统动力学研究进展 被引量：1

10

作者 徐胜 杨业 +5 位作者 张茂亮 邵延秀 李云帅 徐海 刘静 刘丛强 《地学前缘》 北大核心 2025年第3期23-34,共12页

构造-地貌-气候-生态系统的相互作用构成了表层地球系统的核心动力学框架。这些要素之间的内在联系和作用体现了系统科学的属性:构造运动首先塑造了大地地貌格局,并与气候和生态系统形成了相互作用系统;气候因子驱动地貌演变和生态系统... 构造-地貌-气候-生态系统的相互作用构成了表层地球系统的核心动力学框架。这些要素之间的内在联系和作用体现了系统科学的属性:构造运动首先塑造了大地地貌格局,并与气候和生态系统形成了相互作用系统;气候因子驱动地貌演变和生态系统变化;生态系统通过生物地球化学循环反馈于地貌和气候。构造-地貌-气候-生态系统的协同作用是表层地球系统演化的核心内容。从地质时间尺度看,板块运动和地貌重组引发了区域气候变化和生物群落更替;在现代尺度上,这种耦合关系塑造了地球表层环境的动态平衡。对构造-地貌-气候-生态系统的系统研究对揭示表层地球系统过程和功能以及服务机理至关重要。本文通过梳理构造与气候和地貌、地貌和气候与生态系统变化的耦合关系,旨在探索构造-地貌-气候-生态系统动力学和表层地球系统科学研究的系统性思路。同时,青藏高原是研究这一主题的天然实验室,其独特的构造活动、复杂的地貌形态、多样化的气候带和敏感的生态系统提供了系统研究的关键平台。围绕青藏高原构造-地貌-气候-生态系统的综合研究,将帮助解决青藏高原表层地球系统科学中的前沿科学问题,为全球环境变化研究提供借鉴。构造-地貌-气候-生态系统动力学研究发展需要注重各要素之间的定量耦合关系与协同演化,深化多学科交叉融合,利用先进的实验测试与观测/监测技术,强调大数据驱动的多尺度整合与人工智能的深度应用,构建地球系统动态耦合模型,以期达到对地球系统多圈层相互作用的深入理解,并为应对全球变化带来的挑战提供理论支撑。 展开更多

关键词 地球系统科学 构造抬升 地貌演化 气候变化 生态系统 风化剥蚀

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基于流域系统水文水环境耦合模型的氮循环研究进展 被引量：1

11

作者 弓耀奇 岳甫均 +3 位作者 刘鑫 郭田丽 王浩阳 李思亮 《地学前缘》 北大核心 2025年第3期183-195,共13页

在气候变化和强人类活动等多重因素的耦合影响下,活性氮输入过量,加剧了陆地生态系统氮素向水生生态系统的流失,影响了流域水环境质量。识别流域内氮素来源及其转化过程的时空变化特征,已成为防控流失及改善环境质量的首要任务。由于氮... 在气候变化和强人类活动等多重因素的耦合影响下,活性氮输入过量,加剧了陆地生态系统氮素向水生生态系统的流失,影响了流域水环境质量。识别流域内氮素来源及其转化过程的时空变化特征,已成为防控流失及改善环境质量的首要任务。由于氮的来源多样、生物地球化学过程复杂,且受到诸多因素的耦合影响,限制了对流域系统氮循环的科学认知。在众多的研究方法中,模型模拟因具有灵活性高、系统性强、可多场景模拟分析等诸多优点,已成为揭示流域系统氮迁移转化及动态变化过程的重要手段。本文综述了流域水文模型及流域土壤、地表水与地下水氮素迁移模型的特征,对比了模型的原理、特点与研究范例。结果表明,在影响氮循环的诸多因素中,无序的强人为干扰、极端气候变化已成为扰动流域氮循环的重要因素。水文过程驱动下的水-氮耦合多过程、多机制研究尤为重要,基于此构建的水文生物地球化学模型(如CNMM-DNDC、PIHM等),已成为获取流域系统氮素时空分布规律及其预测分析的重要手段。此外,大数据与过程机理模型相结合已成为揭示氮循环过程中复杂问题的重要途径。通过综合诸多模型对空间格局、人为影响强度的适用性,梳理出针对受强人类干扰的滨海平原河网区氮循环适用模型,以加深对海陆交错带滨海流域地表水、地下水及海水相互作用下的氮循环科学认知,更全面、科学地评估滨海平原河网系统水环境质量与环境效应。 展开更多

关键词 氮循环 流域 模型 滨海流域 过程模型

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甲烷团簇同位素研究进展及其在表层地球系统碳循环研究中的应用

12

作者 王欣楚 刘丛强 +4 位作者 李思亮 徐胜 丁虎 庞智勇 帅燕华 《地学前缘》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第2期463-478,共16页

团簇同位素是当今地球化学研究的前沿领域。有关团簇同位素技术原理、指示意义、模型校正等方面研究已取得初步成果,而在表层地球系统研究领域以及地理、环境和生态等领域的综合应用研究工作亟待加强。在表层地球系统中,碳循环过程涉及... 团簇同位素是当今地球化学研究的前沿领域。有关团簇同位素技术原理、指示意义、模型校正等方面研究已取得初步成果,而在表层地球系统研究领域以及地理、环境和生态等领域的综合应用研究工作亟待加强。在表层地球系统中,碳循环过程涉及广泛且影响深远,而甲烷(CH_(4))作为碳循环中关键环节的重要物质组成,揭示其来源及地球化学过程具有重大意义。甲烷团簇同位素技术的引入将为开展相关研究提供有效工具,该技术在揭示时间-空间不同尺度碳循环研究等领域具有广阔的应用前景。本文综述了团簇同位素的理论基础、测试分析现状及国内外主要研究成果。重点讨论了CH_(4)团簇同位素研究现状、理论模型和同位素不平衡的影响因素,并论述了团簇同位素在天然气、大气和水体CH_(4)成因和转化的应用典型案例。最后提出对开展不同实验室间测试结果对比、测定自然丰度下环境样品、探索准平衡过程的展望,以期对未来应用甲烷及其他物质,如二氧化碳的团簇同位素开展表层地球系统碳循环研究起到一定的借鉴作用。 展开更多

关键词 团簇同位素 甲烷 二氧化碳 表层地球系统 碳循环

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基于系统动力学模型的天津市水资源承载力模拟分析 被引量：18

13

作者 陈文娟 姚润钖 +3 位作者 石文豪 李奇 赵景窥 张永根 《水资源与水工程学报》 CSCD 北大核心 2023年第2期42-51,共10页

为研究天津市水资源供需远景发展情况,根据天津市水资源供需和发展现状,结合系统动力学方法和层次分析法建立了天津市水资源可持续发展系统动力学模型。将2012—2019年的历史数据与系统动力学方法的模拟数据进行比较,相对误差绝对值基... 为研究天津市水资源供需远景发展情况,根据天津市水资源供需和发展现状,结合系统动力学方法和层次分析法建立了天津市水资源可持续发展系统动力学模型。将2012—2019年的历史数据与系统动力学方法的模拟数据进行比较,相对误差绝对值基本小于10%,所构建的模型具有较高的可信度,可用于预测天津市未来的水资源承载力发展情况。在此基础上,通过设定现状延续型(S_(1))、综合节水型(S_(2))、开源治污型(S_(3))和综合发展型(S_(4))4种不同情景,利用所构建的系统动力学模型预测了2020—2035年水资源供需平衡情况。结果表明:2035年现状延续型情景下天津市总需水量可达41.58×10^(8)m^(3),2035年S_(1)~S_(4)情景的水资源承载系数分别为0.1782、0.3973、0.4815和0.7281,分析得到2025年南水北调东线供水将大幅缓解天津市水资源超载现状;在4种发展情景中,综合发展型方案对缓解水资源供需不平衡的效果最优,未来应遵循“节水优先,保障供水”的原则,综合实施节水、治污、开源等措施保障天津市水资源系统的可持续发展。 展开更多

关键词 水资源承载力 系统动力学模型 水资源承载系数 天津市

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全球变化下生态水文学发展与展望 被引量：1

14

作者 陈喜 董建志 +5 位作者 王礼春 张永根 王学静 狄崇利 高满 刘丛强 《地学前缘》 北大核心 2025年第3期52-61,共10页

在全球变化背景下,生态水文研究的时空尺度得到了极大的拓展,研究内容从水与生物之间的互馈关系及其变化,延伸至水与其他非生物要素(如大气、土壤、岩石)以及人类活动之间的互馈关系及其演变机制。本文基于地球系统科学理念,结合全球变... 在全球变化背景下,生态水文研究的时空尺度得到了极大的拓展,研究内容从水与生物之间的互馈关系及其变化,延伸至水与其他非生物要素(如大气、土壤、岩石)以及人类活动之间的互馈关系及其演变机制。本文基于地球系统科学理念,结合全球变化下生态水文面临的挑战以及研究范式转变,从“土壤-植被-大气”连续体(SPAC)、地球关键带以及流域等多维度探讨生态水文学过程,阐释水分、能量和物质在基岩、土壤、植被和大气界面之间的传输与交换机制以及植被生长对土壤结构和水分动态的反馈作用,论述气候变化和人类活动影响下基岩风化、土壤形成与生态水文过程的协同演变及其对水文循环和物质平衡的影响,并讨论了流域作为连接全球与局地尺度的关键中间单元的重要性。面向水-生态资源可持续利用需求,提出了在人工智能背景下生态水文研究的可能突破途径,包括多源数据融合、物理过程与机器学习结合的建模方法,以及跨学科协作的研究范式。本文旨在构建生态-水文-社会协同发展理论框架,为提升生态系统质量、保障水资源可持续利用、促进社会经济绿色发展提供科学依据和决策支持。 展开更多

关键词 生态水文 水资源 地球系统科学 全球变化

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水体硅碳化学计量趋同的浮游植物驱动机制

15

作者 李婉珠 王宝利 刘丛强 《地学前缘》 北大核心 2025年第3期311-319,共9页

浮游植物元素化学计量比对其生境中营养元素可利用性变化的响应与反馈研究,是理解水生生态系统结构和功能相互关系的关键要素。水体中硅(Si)碳(C)化学计量比的动态变化一定程度上能够反映其中Si-C生物地球化学循环的耦合关系,但目前浮... 浮游植物元素化学计量比对其生境中营养元素可利用性变化的响应与反馈研究,是理解水生生态系统结构和功能相互关系的关键要素。水体中硅(Si)碳(C)化学计量比的动态变化一定程度上能够反映其中Si-C生物地球化学循环的耦合关系,但目前浮游植物Si∶C计量比与溶解硅(DSi)和CO_(2)浓度的相互作用模式和潜在机制尚不清楚。在此,我们发现湖泊浮游植物Si∶C摩尔比随年际变化趋向于与其生境中DSi∶CO_(2)摩尔比一致(即硅碳化学计量趋同),且这种趋同是由浮游植物群落演替来驱动的。不同类型内陆水体(河流、湖泊、水库和湿地)大空间尺度调查结果显示浮游植物Si∶C摩尔比和DSi∶CO_(2)摩尔比空间差异显著,大都偏离Redfield比例。随机森林分析显示,硅藻门相对丰度、水温和溶解无机氮是浮游植物Si∶C比形成的重要预测因子。宏转录组学证据表明,伴随着浮游植物群落演替,其分子水平上蛋白质周转响应并反馈DSi∶CO_(2)比变化,进而导致水体硅碳化学计量趋同。这些发现为水体浮游植物化学计量学的认识提供了新的见解。硅碳化学计量趋同在一定程度上可以表征表层地球系统岩石圈、水圈和生物圈之间的相互作用,并为描述水生生态系统结构和功能对环境变化的响应提供了一种定量模式。 展开更多

关键词 水生生态系统 浮游植物 化学计量比 群落组成 宏转录组

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铀系不平衡法定量风化壳生成速率:原理、应用和挑战

16

作者 贾国栋 徐胜 刘丛强 《地球化学》 北大核心 2025年第3期352-363,共12页

作为岩石圈、水圈、生物圈和大气圈相互作用的界面,风化壳记录了地球不同圈层的演化信息,是地球科学研究的重点内容之一。生成速率作为风化壳最重要的参数之一,是开展风化壳研究的前提和基础。铀系不平衡法是当前定量风化壳生成速率的... 作为岩石圈、水圈、生物圈和大气圈相互作用的界面,风化壳记录了地球不同圈层的演化信息,是地球科学研究的重点内容之一。生成速率作为风化壳最重要的参数之一,是开展风化壳研究的前提和基础。铀系不平衡法是当前定量风化壳生成速率的独特手段,具有其他方法不可比拟的优势,其发展和应用为科学理解风化壳形成和演化提供了不可或缺的数据支撑。本文首先介绍铀系不平衡法定量风化壳生成速率的基本概念和方法,系统梳理模型的发展和测试方法的进步,评述铀系不平衡法在风化壳生成速率确定中的应用,最后总结铀系不平衡法定量风化壳生成速率的难点,并展望该方法未来发展方向。 展开更多

关键词 铀系不平衡法 风化壳 生成速率 形成和演化

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大气中氨基酸的研究进展与展望

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作者 吴礼彬 白景淇 +1 位作者 赵青茈 傅平青 《地学前缘》 北大核心 2025年第3期196-206,共11页

氮循环是全球生物地球化学循环的重要组成部分,人类活动强度升高导致全球活性氮的排放增多,使得氮循环过程失衡,带来一系列生态环境问题。氮是大气气溶胶的重要组分,包括氨基酸在内的大气有机氮对氮循环和环境变化有重要影响。本文对大... 氮循环是全球生物地球化学循环的重要组成部分,人类活动强度升高导致全球活性氮的排放增多,使得氮循环过程失衡,带来一系列生态环境问题。氮是大气气溶胶的重要组分,包括氨基酸在内的大气有机氮对氮循环和环境变化有重要影响。本文对大气中氨基酸的检测方法、成分组成、时空分布、来源和转化规律,以及环境效应等进行了综述。使用液相色谱-质谱、气相色谱-质谱和气相色谱-稳定同位素质谱等仪器可以检测氨基酸的含量、L型和D型氨基酸的含量,以及甘氨酸等单体氨基酸的同位素组成。大气中氨基酸的成分组成、粒径分布和分布规律受采样时间、地理位置和传输过程的影响。甘氨酸通常是大气气溶胶中丰度最高的游离态和结合态氨基酸。氨基酸的来源多样,包括生物和土壤释放、海洋泡沫破裂、生物质燃烧、人为排放,以及二次生成过程等。氨基酸可以影响大气化学过程、参与成云降雨影响气候、作为生物可利用的氮源,以及对人体健康构成威胁。尽管关于大气氨基酸已经开展了很多研究,但依然存在不足,例如,需要标准统一的氨基酸检测方法进行时空对比,结合多种方法进行源解析以提高其结果的准确性,对氨基酸的环境、气候和健康效应缺乏定量评估。同时,从地-气界面科学,乃至地球系统科学的视角分析和解决相关问题,进行全方位、多圈层、跨学科的创新性交叉研究,可以全面理解大气中氨基酸的循环过程和环境影响。 展开更多

关键词 氨基酸 大气气溶胶 时空分布 来源 环境效应 氮循环

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裂隙扩张及惯性效应共同作用下裂隙中非达西渗流模拟研究

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作者 戴君一 王礼春 孙晓林 《水文地质工程地质》 北大核心 2025年第2期44-52,共9页

裂隙渗流是核废料、CO_(2)地质储存等重大工程的关键因素,常涉及高压环境。随着水力梯度增加,惯性效应增强,导致非达西效应(表观渗透率减少)。然而,前人研究常忽略高压下水力耦合作用对裂隙的扩张及相应的表观渗透率上升效应,造成刻画... 裂隙渗流是核废料、CO_(2)地质储存等重大工程的关键因素,常涉及高压环境。随着水力梯度增加,惯性效应增强,导致非达西效应(表观渗透率减少)。然而,前人研究常忽略高压下水力耦合作用对裂隙的扩张及相应的表观渗透率上升效应,造成刻画和模拟渗流过程不准确。为此,基于二维粗糙单裂隙和裂隙-基质系统,采用直接数值模拟方法研究裂隙扩张和惯性效应2种机制共同作用下的非达西渗流发展规律,探讨不同岩石基质力学性质对裂隙非达西渗流的影响。结果表明:(1)当压力梯度较小时,渗流处于达西流态,2种机制对渗流的影响都可以忽略,随着压力梯度逐渐升高,渗流进入非达西流态,2种机制都起到重要作用;(2)在2种机制竞争作用下,非达西渗流由惯性效应主导转向裂隙扩张主导,与之对应,裂隙等效水力开度呈现出先减小后增大的规律;(3)基质岩石的抗变形能力越弱,裂隙扩张主导效应越显著,并且使得由惯性效应转向裂隙扩张作用主导的临界值也越小,反之惯性效应主导显著。研究成果能为准确研判高压环境下裂隙介质中后达西渗流机制提供科学依据。 展开更多

关键词 粗糙裂隙 非达西渗流 裂隙扩张作用 数值模拟 水力开度 临界雷诺数

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降水驱动下大港河硝酸盐迁移转化过程及来源解析 被引量：6

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作者 王俊 亢晓琪 +2 位作者 吴亚丽 牛远 余辉 《中国环境科学》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第1期288-299,共12页

为定量识别大港河流域硝酸盐来源的贡献,在降水条件下,对秋季(2020年11月)和春季(2021年3月)典型月份在大港河流从上游山林农业区到下游湖滨区共布设8个河水及沉积物监测点,其中包含地下水、生活污水及畜禽粪便、山林农业区和流域土壤... 为定量识别大港河流域硝酸盐来源的贡献,在降水条件下,对秋季(2020年11月)和春季(2021年3月)典型月份在大港河流从上游山林农业区到下游湖滨区共布设8个河水及沉积物监测点,其中包含地下水、生活污水及畜禽粪便、山林农业区和流域土壤等20个硝酸盐氮源监测点,通过大港河水体水化学分析、结合硝酸盐氮氧双同位素示踪技术和贝叶斯混合模型,探究了大港河流域水体硝酸盐来源及迁移转化过程,确定了各硝酸盐源的贡献.结果表明:(1)秋季和春季大港河流域水体中TN浓度均值分别为3.20和3.23mg/L,劣于地表水环境质量Ⅴ类标准,NO_(3)^(-)-N是影响水体水质氮素超标的主要赋存形式;(2)降水的驱动作用影响大港河流域硝酸盐浓度的季节变化,流域氮循环过程以硝化作用为主,多种氮转化过程共同发生;(3)生活污水或畜禽粪便对流域水体的硝酸盐为主要贡献,其贡献率在秋季和春季分别为40.8%±32.8%和55.8%±27.3%,其次是地下水和流域土壤,降水对流域硝酸盐的贡献作用始终最小. 展开更多

关键词 降水 大港河流域 氮氧双同位素 硝酸盐来源 贝叶斯混合模型 来源解析

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表层岩溶带土岩结构对降雨-径流响应特征的影响

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作者 徐子凡 陈喜 +2 位作者 刘维翰 刘皓 张志才 《中国岩溶》 CAS CSCD 北大核心 2024年第4期863-875,共13页

碳酸盐岩在溶蚀作用下形成的表层岩溶带,其上层土壤特性和厚度以及下覆裂隙大小和分布控制降雨入渗、蒸散发和地下径流过程。而不同土岩结构对水文过程的影响尚不明晰。文章构建3种典型土岩结构(薄层石灰土-石灰岩块型、薄层石灰土-白... 碳酸盐岩在溶蚀作用下形成的表层岩溶带,其上层土壤特性和厚度以及下覆裂隙大小和分布控制降雨入渗、蒸散发和地下径流过程。而不同土岩结构对水文过程的影响尚不明晰。文章构建3种典型土岩结构(薄层石灰土-石灰岩块型、薄层石灰土-白云岩碎石型、厚层土壤-石灰岩碎石型)土柱试验装置并进行观测,通过对比分析,揭示不同土岩结构的产流能力和径流响应特征的差异。结果表明:土岩结构对水平衡有显著影响。厚层土壤(85 cm)极大增加了蒸发量,其产流能力较小,表现为形成地下径流所需的降雨阈值大和形成的径流总量小。相比之下,薄层土壤(20 cm)具有较大的产流能力。当薄层土壤下覆为白云岩碎石时,相比于下覆为石灰岩岩块,碎石表面滞留水分能力较强,导致蒸发损失增加和径流量减少。此外,土岩结构还显著影响降雨-径流响应特征:对于厚层土壤,其对径流的调蓄能力强,洪峰流量显著减小,初始径流和洪峰流量的响应时间延长,但这种延长的幅度随着降雨事件的雨量和强度的增加而减小;对于薄层土壤,其对径流的调蓄能力较弱,其中对于下覆石灰岩岩块结构,裂隙率低、导水性强,在小降雨下容易入渗并形成较大的洪峰;而下覆白云岩碎石结构储水能力较大,在大降雨下,有利于入渗水积蓄,从而形成较大的洪峰。 展开更多

关键词 岩溶 土岩结构 地下径流 水量平衡 径流响应特征

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