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中国科学（地球科学）
中国科学（地球科学）

孙枢

月刊

1674-7240

geo@scichina.org

010-64015883

100717

北京东黄城根北街16号

中国科学（地球科学）/Journal Scientia Sinica（Terrae）CSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>《中国科学》是中国科学院主办、中国科学杂志社出版的自然科学专业性学术刊物。《中国科学》任务是反映中国自然科学各学科中的最新科研成果，以促进国内外的学术交流。《中国科学》以论文形式报道中国基础研究和应用研究方面具有创造性的、高水平的和有重要意义的科研成果。在国际学术界，《中国科学》作为代表中国最高水平的学术刊物也受到高度重视。国际上最具有权威的检索刊物SCI，多年来一直收录《中国科学》的论文。1999年《中国科学》夺得国家期刊奖的第一名。
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    月球撞击坑识别的研究现状与展望

    姜衍徐长仪陈凌
    1411-1435页
    查看更多>>摘要：研究月球撞击坑的时空特征是了解月球内部结构、月球内外动力学演化、月球和太阳系撞击历史的重要手段.本文综述了国内外利用月球地形数据和重力数据识别撞击坑的研究进展,分析了地形撞击坑与隐伏撞击坑在地形、重力异常、重力梯度和壳幔界面起伏等方面的特征及产生这些特征的原因.利用撞击坑数据库,分别从盆地年龄和盆地内部结构两个方面讨论了月球早期撞击通量变化和热演化.通过总结,发现撞击坑统计定年的结果表明某些盆地的年龄不同于前人的研究结果,且盆地定年结果支持月球在～3.95Ga经历了晚期重轰击(LHB)事件.与高地撞击盆地相比,月海内部盆地的壳幔界面没有显著的沟槽结构,表明这些盆地形成于月壳温度较高的时期,经历了更长时间的松弛过程.最后,指出了目前隐伏撞击坑识别结果存在不准确、不全面的问题,并提出未来可以使用局部正交基函数构建的重力场来识别隐伏撞击坑、确定古老盆地的年龄,从而精确重建月球和其他行星的早期撞击历史.

    月球重力场撞击坑撞击通量早期演化

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    低硅碱性岩浆的成因及其构造联系

    周秋石王瑞
    1436-1458页
    查看更多>>摘要：虽然碱性岩在地球上的分布相对较少,但是其矿物种类、化学组成变化多样,因此在岩浆岩中种类最多.碱性岩普遍以硅相对不饱和、富钾、富钠或富碳为主要特征.虽然岩石学界还没有提出统一定量的碱性岩划分方案,但可以初步利用TAS图解、K2O-SiO2图解等手段对碱性岩进行简单划分.高硅碱性岩(SiO2＞52％)的成因相对复杂,往往包含多期岩浆作用的叠加,相对较多研究着眼于初始的低硅碱性岩浆的起源.自20世纪以来就有许多相关的实验岩石学研究.起初一些学者认为只需要地幔橄榄岩发生低程度部分熔融就可以实现微量元素的富集,但是产物熔体无法再现自然碱性岩的化学组成.随后,一些研究将实验对象聚焦到能够代表洋壳平均成分的含CO2石榴辉石岩、榴辉岩上.虽然实验产生了硅不饱和、碱过饱和的产物熔体,一些观点认为自然低硅碱性岩应是富集组分经多期次富集的结果,而非起源于单一深部源区.来自地幔的低程度部分熔融熔体可以在岩石圈地幔中就位,形成含金云母、角闪石、辉石的脉状侵入体.部分熔融实验表明,这些源岩产生的熔体可以较好再现自然条件下的低硅碱性岩浆.低硅碱性岩浆在各种构造环境中均有产出,其成因各有异同,例如板内环境(多为大洋板内)及离散边界(主要为陆内裂谷)的成因离不开再循环组分端元的加入,如俯冲洋壳在地幔过渡带深度或者更深位置下的再活化,或者预富集的交代岩石圈地幔的再活化等.而汇聚边界的低硅碱性岩浆可以起源于混杂岩(mélange)部分熔融、弧后深度金云母集中分解等.结合大数据分析发现,大陆碰撞带的低硅碱性岩具有明显区分于其他构造环境的富K特征.初步分析认为,俯冲的大陆沉积物作为一种重要的富K端元,对碰撞带碱性岩浆贡献了大部分K.此外,俯冲板片富钾矿物的稳定域决定了K仅参与俯冲带的物质循环.在俯冲板片进入大约300km深度以前,云母、钾长石、钾盐等富K矿物会随俯冲脱水作用逐渐消耗殆尽而难以参与更深部的循环;而相对富Na的辉石等矿物则可以随榴辉岩化的洋壳进入深部,其熔体可以随板内地幔流进入岩石圈,以交代成因角闪石岩等的形式赋存于岩石圈中,再在晚期岩浆作用形成富Na的低硅碱性岩.

    碱性岩构造背景成因机制大数据

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    汞稳定同位素示踪地质记录中火山活动的应用

    龚清凌明星郑旺
    1459-1483页
    查看更多>>摘要：古沉积物中的汞(Hg)富集现象已被用作火山活动,特别是大火成岩省(LIP)喷发活动的标志.然而,考虑到除了火山之外还存在其他潜在的汞源,以及能对汞赋存状态产生影响的多种因素(如有机质、黏土矿物、硫化物矿物和铁氧化物),将沉积汞异常简单地视为火山活动的标志存在相当大的不确定性.汞稳定同位素作为一种追踪汞起源和转化过程的很有前途的工具,已经越来越多地被用于确认汞峰值的成因和了解地质记录中汞的地球化学行为.迄今为止,已有许多研究运用汞浓度和汞同位素来识别与主要发生在显生宙时期的重大地质事件,如生物大灭绝事件、大洋缺氧事件和其他环境扰动事件有关的LIP火山活动.然而,前人的研究结果清楚地表明,并非所有的汞富集都来自于火山的输入,这也强调了在使用汞作为火山作用的标志时需要更加谨慎.随着未来对汞同位素的进一步了解,汞同位素将对重建岩石记录中的火山活动及其对生物演化的影响产生重要意义.

    汞稳定同位素大火成岩省生物灭绝事件大洋缺氧事件

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    地表-地下过程耦合的数值水文模型综述

    舒乐乐陈昊孟宪红常燕...
    1484-1505页
    查看更多>>摘要：水文模型是利用数学公式对水文循环过程的描述,是理解自然界水的时空运动和分布规律的重要工具;它不仅可以利用观测数据来验证理论的可靠性与适宜性,还能预测水文变量未来趋势,实现理解自然与预测自然的目的.随着计算方法的快速发展、观测与试验手段的持续更新,目前基于物理过程的地表-地下过程耦合的数值水文模型快速发展.这种模型以微观尺度的守恒原理和物理公式为基础,利用数值方法将地表和地下水流进行耦合计算,从而模拟流域尺度水文响应过程.由于其物理过程明确、时空分辨率高且利于学科耦合,数值水文模型已成为水文模型发展的前沿和主流方向之一.本文阐述了地表-地下过程耦合数值水文模型的理论基础,从模型框架、数值求解方法、空间表达和耦合算法等方面对比和分析了当前主流数值水文模型,同时与传统水文模型比较,厘清了数值水文模型的优劣势,探讨了未来数值水文模型发展的方向.

    数值水文模型地表-地下过程耦合数值方法水文模型

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    晚新生代六盘山隆升:来自新近纪风成红土堆积的证据

    贺志霖乔彦松郭正堂陈超勤...
    1506-1514页
    查看更多>>摘要：六盘山是中国西部的重要山脉之一,位于青藏高原东北缘与鄂尔多斯地块的交界处.目前,六盘山的隆升历史仍有争议.风尘堆积对区域地貌演化和构造运动具有良好的指示意义,因为风尘堆积对侵蚀敏感并且其形成和保存需要相对平坦的高地和相对稳定的构造环境.本研究调查了六盘山西部山麓的新近纪风成红土分布,并选取堆积于山前冲积台地的风成红土剖面(南坪剖面)开展研究,其磁化率地层与秦安地区的QA-Ⅰ中新世风成红土可进行逐层对比,结果指示南坪剖面(56m厚)的年代约为8.1～6.2Ma.南坪剖面的底界年龄为～8.1Ma,结合前人报道的庄浪红粘土(约9～8Ma时段为砂砾石夹黄土层和8～4.8Ma时段为几乎连续的风尘堆积)和朝那红粘土(8.1～2.58Ma)等证据,指示六盘山于晚中新世(约9～8Ma)发生了隆升并于～8Ma基本形成,之后未发生强烈的构造隆升.此外,基于庄浪钻孔和QA-Ⅰ中新世风成红土等证据,推断六盘山于晚渐新世-早中新世经历了显著隆升,并且在22～9Ma期间没有发生强烈隆升.

    六盘山造山运动新近纪风成红土黄土高原晚中新世晚渐新世-早中新世

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    人类活动与气候变化影响慕士塔格冰芯细菌群落百年变化

    刘勇勤焦念志计慕侃刘克韶...
    1515-1525页
    查看更多>>摘要：冰芯高保真地提供了高分辨率的历史气候和人类活动的长时间记录.已有的冰芯气候环境变化记录主要基于离子、同位素、粉尘等物理化学指标,而生物指标则鲜有涉及.本文对钻取自青藏高原慕士塔格冰川74m冰芯中的细菌群落进行了研究,以建立生物指标与过去气候环境变化和人类活动的联系.通过分析冰芯中1907～1991年间的微生物及其与环境指标的关系,发现冰芯中细菌丰富度随时间增加,并与指示农业发展的NH4+含量的升高有关;冰芯细菌群落组成受源自人类活动和自然生态系统的物质输入及气温的共同影响,在20世纪50年代后,人类活动的影响尤为显著.此外,我们还发现源自动物肠道的细菌科Aerococcaceae、Nocardiaceae、Mur-ibaculaceae和Lachnospiraceae的相对丰度与中亚地区养殖牲畜数量的变化相关,它们对牲畜数量变化的解释量达59.8％.这项研究定量化揭示了细菌多样性和群落组成与过去气候和人类活动之间的关系,突显了微生物在冰芯气候变化研究中的潜力.

    慕士塔格冰芯气候变化与人类活动生物指标肠道细菌中亚养殖牲畜数目

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    西北干旱区主要乔灌树种适宜植被盖度及空间分布

    张中典贾小旭祝萍黄明斌...
    1526-1543页
    查看更多>>摘要：植被建设是干旱区土壤侵蚀防控和退化生态系统修复的有效途径.然而,植被盖度过高会导致水分过度消耗和可用水量减少,进而威胁生态系统健康及其服务功能.确定适宜植被盖度是维持干旱区植被生长与水分消耗之间平衡的关键,但仍缺乏对整个西北干旱区的定量研究.本文以西北干旱区主要外来乔木(刺槐和樟子松)和灌木(柠条和沙棘)树种为对象,利用改进的Biome-BGC模型,模拟了246个气象站点长时段(1961～2020年)实际蒸散量(ETa)、净初级生产力(NPP)和最大叶面积指数(LAImax)的动态变化,采用多年平均LAImax表示适宜植被盖度.改进后的模型采用Richards方程模拟多层土壤非饱和水流,基于ETa观测资料对土壤和植物生理生态参数进行校验.结果表明,改进后的模型能较好地模拟四种植物ETa的动态变化.各树种多年平均ETa、NPP和LAImax空间分布格局与年均降水量(MAP)相似.黄土丘陵沟壑区(MAP:210～710mm)刺槐和沙棘适宜植被盖度分别为1.7～2.9和0.8～2.9,风沙区(MAP:135～500mm)樟子松、柠条和沙棘适宜植被盖度分别为0.3～3.3、0.5～2.6和0.6～2.1,西北荒漠区(MAP:90～500mm)沙棘适宜植被盖度为0.4～1.7.将模拟的LAImax与遥感观测的实际LAImax对比,发现近51％的乔灌林地实际LAImax超过了适宜植被盖度,表明这些地区的植被可能存在过度种植,尤其在黄土丘陵沟壑区较为严重.本研究为西北干旱区生态恢复提供了关键的植被盖度阈值,在植被超载地区应谨慎开展进一步的植树造林,并采取措施对超载植被进行科学管理,以维持干旱区可持续的生态水文环境.

    适宜植被盖度水分平衡叶面积指数Biome-BGC模型干旱区

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    喜马拉雅山不同森林群落主要树种叶片元素性状与生物量之间的关系

    Nita DYOLA梁尔源Josep PE?UELASJ.Julio CAMARERO...
    1544-1555页
    查看更多>>摘要：植物需要多种基本元素调节并保持其特定比例以维持生长发育,叶片元素含量反映了植物的功能及其对环境的适应性.然而,在森林海拔梯度上,我们对于资源获取、光合作用和生长相关的叶片元素如何调节森林生物量仍知之甚少.本研究在喜马拉雅山干城章嘉峰地区沿热带森林(海拔80m)至高山树线(海拔4200m)设置海拔梯度样带,每间隔海拔100m设置一个样点,对116个树种的1859个个体测定了叶片中10种元素(C、N、P、K、Ca、Mg、Zn、Fe、Cu和Mn)的含量,通过计算叶片元素含量的群落加权平均值(反映优势物种的性状优势度,表征质量比效应)和功能离散度(反映物种在生态位空间内的聚集或者离散程度,表征互补效应),探究叶片元素含量及其离散程度沿海拔梯度分异特征,解析其对森林群落生物量的影响.研究结果表明,较强的叶片元素质量比效应和较弱的互补效应有利于森林群落生物量的积累.叶片元素性状多样性与海拔的共同作用对生物量的解释量(解释方差:52.2％)高于元素性状多样性的解释量(解释方差:0.05％～21％).海拔调节了树种性状多样性在生物量积累中的作用,互补效应在低海拔和高海拔地区对生物量的影响分别体现为积极和消极作用,这表明海拔和互补效应之间也存在交互作用.此外,海拔和质量比效应的交互作用对海拔梯度上生物量的影响也存在异质性.本研究表明,不同森林群落生物量的积累可能受到由海拔调控的性状多样性的影响.尽管较高的性状分异不利于生物量的积累,但能增强高海拔地区树种对胁迫环境的适应性.

    生态系统功能海拔梯度功能多样性功能性状叶片元素生态位互补

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    冠层降水再分配驱动生态系统养分富集:机制、数量与模式

    袁川岳晓萍张亚峰张瑜...
    1556-1572页
    查看更多>>摘要：降水经冠层拦截后被再分配为穿透雨、树干茎流和截留损失,大量元素随之汇入土壤,影响土壤微生物群落结构、植株个体生存,乃至植物群落演替,构成了连接大气、叶际和根际的关键生态过程.然而,较之降水再分配水文过程,缺乏对其养分富集效应的充分认识.本文以冠层降水再分配驱动养分富集为主题,整理2000～2022年Web of Science和中国知网数据库1020篇论文中关键离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、Cl-、NO3-、SO4-的浓度和淋溶系数,总结养分富集机理,对比了全球不同干湿区、温度带、植被和生态系统类型的养分富集特征.结果显示,树干茎流平均离子浓度(6.13mgL-l)约2.1倍于穿透雨,二者SO2-(12.45和6.32mgL-l)和Cl-(9.21和4.81mg L-1)浓度最高,K+(13.7和5.8)和Mg2+(5.6和2.8)淋溶系数普遍最大.极湿润区穿透雨和树干茎流离子浓度最低,但淋溶系数最高;冷温带离子浓度最高,淋溶系数随温度增长无明显规律.灌木、针叶植物、混交林、人工生态系统离子淋溶系数1.1至3.0倍于乔木、阔叶植物、纯林、自然生态系统.当前研究多关注自然生态系统中阔叶乔木的冠层截留,建议未来研究重视养分富集能力更强的灌木、针叶植物和人工生态系统,结合土壤水分动态分析,综合评估降水再分配对养分过程、格局乃至全球陆地植被系统养分收支的影响.

    生态水文降水再分配养分运移富集特征生物气候带

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    海河流域地表水资源衰减归因与规律

    王庆明赵勇王浩翟家齐...
    1573-1587页
    查看更多>>摘要：1956～2016年海河流域是全国十大一级流域中地表水资源衰减最剧烈的流域.本研究基于地表水循环过程,结合海河流域降水及下垫面历史演变特征,将地表水资源衰减原因解耦为6项主要影响因素,逐项解析各因素的定量贡献,并揭示了海河流域地表水资源衰减的四大规律.一是主导因素规律,1980～2000年较1956～1979年流域地表水资源衰减117亿m3,降水变化是主导因素,贡献为70亿m3,占比为59％;2001～2016年较1980～2000年流域地表水资源衰减49亿m3,山区植被增加是主导因素,贡献为27.8亿m3m,占比为56％.二是空间分布规律,2001～2016年较1956～1979年,山区受植被增加影响更大,如滦河山区,植被增加贡献为42％,平原区受农田拦蓄影响更大,如北四河下游平原,农田拦蓄贡献为51％.三是衰减趋势规律,2001～2016年较1980～2000年,受大规模植被恢复耗水增加影响,山区地表水资源仍在持续衰减,而平原区下垫面变化对地表水资源的影响已趋于稳定.四是可逆性变化规律,地表水资源衰减影响因素中,植被增加、农田拦蓄、城市化等人类活动对地表水资源衰减的贡献占36％,是降水-径流关系变异的主要原因.本研究改进了传统气候变化和人类活动两大归因分类模式,基于水循环过程解析了海河流域水资源衰减的原因及贡献,可为流域制定水资源衰减应对措施提供科学支撑.

    海河流域地表水资源解耦归因定量贡献衰减规律

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