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科学通报
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夏建白

旬刊

0023-074X

csb@scichina.org

010-64036120

100717

北京东城区东黄城根北街16号

科学通报/Journal Chinese Science BulletinCSCD北大核心CSTPCDEISCI
查看更多>>《科学通报》创刊于1950年，是中国科学院主办、中国科学杂志社承办的自然科学综合性学术刊物，报道自然科学各学科基础理论和应用研究方面具有创新性和和高水平的、具有重要意义的最新研究成果，要求文章的可读性强，能在一个比较宽范的学术领域产生深刻的影响。我们的目标是：成为国内外读者了解中国乃至世界范围的自然科学各研究领域最新成果的主要窗口之一。《科学通报》进入了国际上主要检索系统，如CA，EI，日本《科技速报》和美国科学信息研究所（ISI）的以下系统：Science Citation Index(SCI-CDE)，SCISearch，Current Contents(PC&E)和Research Alert。
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    水循环地质演变研究的重要性

    朱茂炎郭正堂汪品先
    1421-1424页
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    水循环的地质演变:研究现状与关键问题

    朱茂炎郭正堂汪品先
    1425-1442页
    查看更多>>摘要：由大陆-海洋-大气之间水的3种相态(固态-液态-气态)相互转换和位移构成的水循环,是地球气候系统的主要过程之一.太阳辐射量在地球表面分布不均匀,是地表水循环的基本驱动力.水循环与碳循环密切关联,是气候系统演变中的两条主线.不同时空尺度的水循环和碳循环受天文、地质和生物因素以及它们之间相互作用的控制,揭示水循环地质演变过程及其与气候变化之间的关系,可为了解当今水文气候变化提供宝贵启示.通过水循环地质演变研究现状回顾,提出如下5个科学问题应在未来予以重点关注:(1)雪球地球时期的水循环;(2)植被起源和演化对水循环的影响;(3)深时热带辐合带(inter-tropical convergence zone,ITCZ)的演变与水循环;(4)暖室期地下水与海平面变化;(5)深时水循环中的氧同位素示踪.同时建议我国未来亟须加强的4个研究方向:(1)深时冰室期向暖室期转变中的水循环;(2)深时水循环与生态系统演变;(3)深时水循环研究方法的发展;(4)深时水循环与长周期地球系统演变的数值模型.

    水循环碳循环古气候学水文气候学地球系统演变

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    轨道驱动对高低纬水循环的影响特征:海冰和降水

    吴志鹏尹秋珍梁明强郭正堂...
    1443-1458页
    查看更多>>摘要：轨道尺度上的水循环及其对轨道三要素、温室气体和冰盖的响应一直是古气候学界研究的热点科学问题之一.海冰和降水作为水循环的两个重要组成部分,其变化更是备受关注.研究海冰和降水在轨道尺度上的变化,特别是对外部驱动的响应机理、内部过程和反馈机制,有望对现代海冰和降水变化的理解及其未来趋势预测提供长尺度的背景参考.最新研究结果表明,在轨道尺度上北半球海冰对太阳辐射的变化更敏感,而南半球海冰对温室气体的变化更敏感.就轨道三要素而言,北半球海冰主要受岁差控制,而南半球海冰主要受斜率控制.岁差、斜率和CO2在全球不同区域降水中的相对重要性随时间和空间不同而发生变化.受赤道最大太阳辐射影响,热带降水中还含有明显的半岁差信号.此外,缓慢的轨道尺度太阳辐射变化可以通过影响北极海冰变化来引起大西洋经向翻转环流(Atlantic meridional overturning circulation,AMOC)百年-千年尺度的突变,从而引起全球温度和降水随之发生改变.在东亚季风区,中国南方夏季降水受冰盖影响显著,冰盖主要通过影响热带辐合带(inter-tropical conver-gence zone,ITCZ)的季节性摆动来影响降水;而中国北方夏季降水主要受太阳辐射控制,以岁差信号占主导;太阳辐射和冰量对夏季风降水的影响具有较强的区域性和非线性特征.

    水循环降水海冰轨道驱动冰盖高低纬相互作用

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    早期维管植物辐射演化与长时间尺度水循环的耦合关系

    薛进庄李炳鑫王嘉树刘乐...
    1459-1472页
    查看更多>>摘要：志留纪-泥盆纪陆地革命以早期维管植物的起源和辐射演化为标志.早期维管植物的繁盛导致形成全新的土壤-植物-大气连续体(soil-plant-atmosphere continuum,SPAC).早期植物在根系、输导组织、气孔、叶片、个体大小和构型等方面的一系列演化革新,深刻改变了SPAC中的水分传输过程与机制.由于根系的进化及其诱导的化学风化作用增强,泥盆纪以来的古土壤厚度逐渐增大、分层结构复杂化、组成成熟度增加、类型多样化.伴随着早期维管植物的演化,SPAC的空间范围极大扩展,生物可利用水资源增多,水分在SPAC中的循环过程更为复杂、高效.早期维管植物的辐射增强了植被-地貌-水循环之间的反馈机制.志留纪晚期以来,植被与水文、地貌、生物地球化学等物理和化学要素相互作用,维管植物型陆-海水文连续体(land-ocean hydrologic continuum,LOHC)形成并逐步发展,内陆水体流域至滨岸体系的地貌稳定性增强,由陆到海的生物地球化学循环、物质供给和迁移体系产生变革.早期维管植物通过SPAC、LOHC系统及其内部过程与全球水、碳循环耦合,表现为稳定的低地生境增多,植物残体和有机质的埋藏学窗口增多,以煤为代表的陆地有机碳埋藏增加,河流运输的陆源有机碳通量增大.目前对早期维管植物SPAC系统的研究,大多是定性描述和推测,如何开展定量研究与机理探讨是未来的重要挑战.从微观、生境、区域到全球的多个空间尺度,研究地质剖面中记录的长时间尺度维管植物型LOHC系统的演变,有助于解析早期植物演化、水-碳循环以及地表环境之间的耦合关系.

    早期维管植物泥盆纪古土壤土壤-植物-大气连续体陆-海水文连续体碳循环

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    晚泥盆世-密西西比亚纪植物水循环与生物礁耦合演化

    要乐黄璞陈波
    1473-1486页
    查看更多>>摘要：古生代陆地植物的起源和繁盛,导致地表水文循环发生了显著变化,对地球表层系统产生了深远的影响.陆地植物一方面通过蒸腾作用增加地表降雨量,加剧了大陆硅酸盐风化作用和有机碳埋藏量;另一方面,通过地表径流将陆源营养元素带入海洋,导致海洋初级生产力提高、海水缺氧程度和有机碳埋藏量增加.在晚泥盆世-密西西比亚纪期间,陆地植物和海洋生物礁系统均发生了显著变化,可识别出3个耦合演化阶段:(1)晚泥盆世弗拉期-法门期(Frasnian-Famennian/F-F)转折期植物多样性和覆盖面积明显增加并向高纬度扩张,伴随Kellwasser生物灭绝事件和显生宙最大的层孔海绵-珊瑚礁系统崩溃;(2)泥盆纪-石炭纪(Devonian-Carboniferous/D-C)转折期种子植物多样性显著增加,伴随Hangenberg生物灭绝事件、层孔海绵-珊瑚礁消失以及密西西比亚纪早期后生动物礁缺失;(3)密西西比亚纪中-晚期(Middle-Late Mississippian/M-LM)种子植物科达类树木的丰度显著增加,伴随M-LM生物灭绝事件和珊瑚礁系统崩溃.种子植物不仅具有较深的根系,还可以克服对水分的依赖,从近岸湿润低地向内陆干旱高地扩张,进而加强陆地水文循环过程.泥盆纪-石炭纪陆地植物(尤其是种子植物)繁盛引发水文循环和硅酸盐风化作用增强,进而导致气候变冷、海水温度降低和缺氧程度加剧可能是控制海洋后生动物礁系统崩溃或消失的主要因素之一;此外,构造运动伴随的陆壳抬升和火山作用可以促进硅酸盐风化,进一步导致海洋环境恶化和生态系统崩溃.

    种子植物水文循环后生动物礁缺氧气候变冷生物灭绝事件

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    被子植物演化和水循环

    史恭乐
    1487-1500页
    查看更多>>摘要：陆地植物的蒸腾作用将部分降水再循环到大气中,是陆地水循环非常重要的一个环节.地质历史中陆地植物的形态和解剖结构不断演化,其蒸腾作用能力也在不断演化.现代陆地生态系统中占优势的被子植物具有导水性较强的导管和较高的叶片叶脉密度,使得它们在水分运输效率和蒸腾作用能力方面远高于其他现生和已灭绝的植物.早白垩世早-中期被子植物演化的最初阶段其叶脉密度较小,与其他现生和已灭绝植物的叶脉密度相近.但在白垩纪中期和白垩纪-古近纪之交被子植物经历了两次叶脉密度的显著增加,代表了两次被子植物蒸腾作用能力的显著提高.单穿孔板导管的出现和叶片叶脉密度的增加显著提高了被子植物的导水率、蒸腾能力和光合能力,进而增加了被子植物在生态系统中的竞争优势,并很有可能同时增加了水循环的活跃程度和降水量.利用被子植物化石可以重建古降水和古湿度等多个与水循环相关的气候指标.前人基于植物化石的研究发现,全球温暖的晚白垩世、古新世和始新世时期,现今为严寒荒漠的北极地区具有常年温凉湿润的海洋性气候和茂盛的温带森林.温暖的北冰洋和广布的森林导致了北极地区旺盛的水循环和较高的空气湿度,进而又有助于维持这一地区常年的温凉湿润气候.

    被子植物蒸腾作用水循环导管叶脉密度叶相

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    古生代-中生代之交的水循环演变及驱动机制

    宋汉宸宋海军张仲石吴玉样...
    1501-1516页
    查看更多>>摘要：水循环是连接大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的重要物质循环过程.本文根据地质记录和深时气候模拟等数据总结了古生代-中生代之交的水循环演变.结果表明,水循环在晚古生代、早中生代发生了重大变化:(1)地质记录恢复的气候带显示,当时全球的干旱带发生了明显扩张,蒸发岩面积从中-晚二叠世开始扩张,到早三叠世达到顶峰,中三叠世恢复至中-晚二叠世的水平,晚三叠-早侏罗世继续收缩;(2)全球年平均降水量在晚石炭、早侏罗世较高,中-晚二叠世和早三叠世较低,呈现为"V"字形变化,显示出一次重大的波动;(3)全球大陆的聚合可能导致泛大陆巨型陆面风和特提斯区域跨赤道风的形成,进而构成全球性的超级季风;(4)热带辐合带摆动的纬度位置在志留纪-石炭纪以及侏罗纪-现代较低,在二叠纪-三叠纪时期向高纬度大幅度漂移.根据事件发生的时间,这些水循环的重大变化与泛大陆的聚合、华力西造山、晚古生代冰期的结束以及大量碳释放和升温事件吻合,这些因素与当时的大气环流和水循环的变化存在密切联系:泛大陆的聚合改变了当时水储量的空间分布,同时改变了大气环流和"季风",进而导致中-晚二叠世干旱带开始扩张,降水量减少;晚古生代末期华力西造山运动的减弱增强了热带辐合带的摆动,促进了超级季风的发展;碳释放驱动的升温事件改变了能量传输,影响了大气环流;同时植物面貌的转变影响了碳释放,进而影响水循环.由此可见,古生代-中生代之交水循环的强烈波动可能是该重大地质历史转折期岩石圈(地球深部过程)、大气圈(大气过程)、水圈(水循环)及生物圈(生命活动)相互作用的重要体现.

    热带辐合带降水超级季风泛大陆聚合干旱带扩张

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    天文驱动的温室时期地下水储库与海平面变化

    李明松张皓天王蒙金之钧...
    1517-1527页
    查看更多>>摘要：由全球变暖引起的海平面上升已经成为当前人类面临的核心挑战,迎接这一挑战的关键途径在于完善对温室地质时期全球海平面变化机制的理解.在无冰川活动的温室时期,海平面发生了频繁、大规模且快速的变化.然而,主流的冰川型海平面变化模型无法解释这一现象.大陆沉积物的潜在储层容量估算和大数据研究表明,温室时期的全球海平面变化可能与气候变化引起的大陆地下水活动有关.本文回顾了天文驱动的大陆地下水活动导致的海平面变化这一机制,提出了海绵大陆假说,认为天文因素驱动的气候变化使大陆含水层像海绵一样储水和排水,这可能是引起温室时期全球海平面和内陆湖平面大规模变化的机制之一.我们总结了近年来与深时海平面和湖平面重建有关的技术突破以及相关的温室时期研究实例,讨论了该方向亟待解决的问题,包括地下水的储量评估、研究手段及其储库的储水和排水机制等.

    地下水海平面变化深时温室海绵大陆假说

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    氧同位素在古温度重建及水循环研究中的应用

    陈波朱茂炎
    1528-1543页
    查看更多>>摘要：适宜的温度是宜居地球最基本的要素之一.地质历史时期海水温度演变规律成为揭示地球气候变化和生物演化的关键环境参数.目前,恢复深时古海水温度最常用的技术手段是碳酸盐和磷酸盐矿物化石骨骼的氧同位素组成.但该方法面临成岩蚀变、化石属种的生命效应、区域性海水氧同位素组成差异、海水氧同位素组成是否随时间发生变化等诸多不确定性因素的影响.本文在回顾深时氧同位素古温度计基本原理的基础上,详细评估了成岩蚀变、生命效应、区域性海水同位素组成等不确定性因素对准确重建深时古温度的制约和解决方法;同时,还对应用氧同位素指标开展深时地表和深部水循环研究中的进展与存在的问题进行了探讨.

    碳酸盐化石磷酸盐化石岩石圈水圈深部水循环表层水循环

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    晚古生代大冰期碳-水循环回顾与展望

    仲钰天陈吉涛高彪杨文莉...
    1544-1556页
    查看更多>>摘要：晚古生代大冰期(360～260 Ma)是地球上自动植物繁盛以来持续时间最长的冰期事件,记录了陆地自有高等植被和复杂陆地生态系统以来,唯一的一次从"冰室气候"向"温室气候"的转变.针对晚古生代大冰期的研究大多聚焦于全球碳循环以及冰川性海平面变化等方面,对大冰期的水循环研究相对较少,并且其主要基于气候模拟研究结果.随着单颗粒锆石精确测年技术的应用,高精度的综合地层框架使得冈瓦纳中高纬度地区冰川消长与低纬度地区沉积记录、生物多样性与演化及各种全球地球化学记录建立时序关系,为研究地球循环系统和反馈机制提供了基础条件.目前,对晚古生代大冰期碳同位素变化趋势已有较好认识,存在3次显著的碳同位素正漂事件,依次为杜内中期、巴什基尔早期和阿瑟尔早期,并且在时间上与冈瓦纳大陆识别的3次冰川高峰吻合.在宾夕法尼亚亚纪卡西莫夫末期发生了一次短暂的碳同位素负漂事件,引起显著的全球变暖和海洋缺氧.冰川体积与古热带区域气候动态在天文轨道周期尺度至1～8个百万年的冰期-间冰期时间尺度上都具有耦合关系.在各种时间尺度上,晚古生代大冰期地球表层系统各个圈层之间的反馈过程都非常复杂.因此,今后需在高精度综合地层框架下,开展不同复杂程度的生物地球化学循环和地球系统模型等的模拟工作,以全面地揭示晚古生代大冰期碳-水循环关联机制.

    石炭系二叠系碳循环水循环冰室气候

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