1 中国地质大学(北京)土地科学技术学院, 北京 100083
2 自然资源部矿业城市自然资源调查监测与保护重点实验室, 山西 晋中 030600
3 山西省煤炭地质物探测绘院资源环境与灾害监测山西省重点实验室, 山西 晋中 030600
4 太原理工大学矿业工程学院, 山西 太原 030024
生物多样性是人类赖以生存的基础。 受环境和气候变化的影响, 全球生物多样性丧失日趋严重, 研究区域生物多样性对保护濒危物种栖息地、 合理规划与利用区域资源具有重要意义。 基于2002年—2018年多光谱遥感植被产品中的NDVI、 EVI、 FPAR、 LAI、 GPP数据集, 构建了累积、 最小和差值三种动态生境指数(DHI), 结合气象数据和物种分布数据, 采用多元回归分析分别研究了①基于NDVI、 EVI、 FPAR、 LAI、 GPP多光谱遥感指数构建的DHIs评价生物多样性的适用性； ②累积、 最小和差值DHIs表达物种多样性的互补性； ③气候变化对我国生物多样性的影响； ④累积、 最小和差值DHIs表达物种丰富度的能力。 研究表明: ①基于同种MODIS多光谱植被指数的同一DHIs之间具有很强的相关性(相关系数0.77到0.98之间), 可相互替代； 同一植被指数的累积、 最小和差值DHIs之间有一定关联性, 但三者不可相互替代。 ②与基于NDVI、 EVI、 FPAR、 LAI产品数据构建的DHIs相比, GPP-DHIs监测我国生物多样性的能力最强, 且与物种丰富度之间存在良好的相关性(相关系数0.32到0.84之间)。 ③持续发生的气候变化会显著影响区域内的植被总生产力, 极端气候对大区域内的影响不大； 蒸散量对大尺度区域的植被总生产力影响比气温和降水的影响更显著。 ④环境变化对两栖动物物种丰富度影响最大, 其次是鸟类, 受影响最小的是哺乳动物。 ⑤我国累积DHI与最小DHI表现为自西北内陆向东南沿海地区逐渐增大的格局, 西北和华北地区, 高山、 高纬度地区, 以及西北沙漠地区最小DHI很小, 表明东南沿海区域的生态环境更适合生物生存, 恶劣的环境严重影响生物多样性； 差值DHI表现为东北、 华北较高, 华中、 华南较低的空间格局, 表明东北、 华北地区物种生存环境的变化较大, 华中、 华南地区物种的生存环境比较稳定。
多光谱遥感 生物多样性 动态生境指数 气候变化 Biodiversity Dynamic habitat indices Species richness Climate change 光谱学与光谱分析
2023, 43(4): 1282
为探究气候变化背景下，小麦-大豆轮作体系中小麦季施用硝化抑制剂对大豆土壤无机氮、N2O排放及相关酶活性的后效作用，在控制气室内设置了不同的大气CO2浓度(400和600 μmol/mol)和气温(环境温度T和T+2℃)，在此基础上测定了小麦季添加硝化抑制剂时大豆土壤的硝态氮和铵态氮的含量、土壤硝化-反硝化相关酶活性以及N2O排放量。结果表明，小麦季添加硝化抑制剂配合麦秸还田，使大豆土壤的硝态氮和铵态氮均有所增加，但是对土壤硝化-反硝化酶的活性影响较小。升温(ET)使大豆土壤硝态氮含量显著增加，而铵态氮含量显著降低; 大气CO2浓度增加(EC)或同时升高气温和CO2浓度(ECT)，土壤硝态氮和铵态氮的含量均有所增加，但与环境高温和CO2浓度(CK)下的无机氮含量差异不显著。不同环境条件下的土壤硝化-反硝化酶的活性没有明显规律。在ET和ECT条件下，大豆生长季N2O排放总量均显著高于CK处理，且添加硝化抑制剂使N2O排放量降低。EC与CK条件下的N2O排放量差异较小，但在CK条件下，硝化抑制剂处理的N2O排放量显著高于普通尿素处理。综上所述，在气温和CO2浓度升高背景下，硝化抑制剂的合理施用有利于大豆土壤有效氮的增加，但是温度升高(ET和ECT)使N2O排放量增加，在此条件下添加硝化抑制剂可以减少N2O的排放，单独升高CO2浓度(EC)时，N2O排放的变化不明显。本研究可为未来气候变化背景下的小麦-大豆轮作施肥管理及农田N2O减排提供理论支持。
大豆 气候变化 土壤硝态氮 酶 soybean climate change soil nitrate nitrogen N2O N2O enzyme
光学 精密工程
2022, 30(24): 3159
1 福建师范大学湿润亚热带生态-地理过程教育部重点实验室, 福建 福州 350007
2 福建师范大学地理科学学院, 福建 福州 350007
赤铁矿(α-Fe2O3)和针铁矿(α-FeOOH)是风成沉积物和土壤中常见的两种致色矿物, 具有重要的环境指示意义。 赤铁矿指示干热环境条件, 针铁矿指示湿冷环境条件。 两者同存于沉积物或土壤中, 相互竞争。 在实际研究中, 通过应用两者的比例来指示环境条件的变化。 由于天然样品中赤铁矿和针铁矿含量低、 磁性弱, 传统的X射线衍射方法、 化学分析法以及岩石磁学方法都难以准确、 便捷地检测出二者的含量。 基于两者光学特征, 近年来越来越多的研究者使用漫反射光谱和色度方法尝试进行天然样品中赤铁矿和针铁矿的定量研究。 然而, 这两种方法也存在着一些问题。 漫反射光谱中赤铁矿和针铁矿特征峰强度受基底效应、 晶格离子替代等因素影响; 色度参数的红度同样受晶格离子替代影响, 黄度影响因素更为复杂。 因此, 两种方法的相关参数不能简单地等同于赤铁矿或针铁矿含量。 两种方法的对比研究显得尤为重要。 采用漫反射光谱和色度两种方法分别对干旱区的新疆博乐、 半湿润区的四川金川和湿润区的广东徐闻三个风成沉积剖面进行实验, 分析不同参数对于赤铁矿和针铁矿的指示意义及其适用范围。 在此基础上, 探讨针铁矿与赤铁矿比值的环境指示意义。 研究结果表明: (1)漫反射方法与色度方法是识别风成沉积物中针铁矿和赤铁矿信号的有效方法, 但由于影响因素复杂, 在大范围空间内仅能作为半定量指标; (2)a*能够较好地指示赤铁矿含量, Gt/Hm与b*/a*能够较好地反映针铁矿与赤铁矿之间的比值, 但Gt与b*不能很好地指示针铁矿的含量; (3)大气水热条件不能完全等同于土体水热条件。 大气降水并非完全进入土体, 温度通过蒸发作用影响土壤中水分含量, 土体水热状况受多因素影响。 大范围地理空间尺度上, 温度决定化学反应速率, 对于赤铁矿和针铁矿的生成与保存作用大于降水量。
风成沉积 针铁矿 赤铁矿 漫反射光谱 色度 气候带 Aeolian deposit Goethite Hematite Diffuse reflection spectrum Chroma Climate zone 光谱学与光谱分析
2022, 42(6): 1684
农田土壤温室气体排放对气候变化的响应是农业响应气候变化的热点问题。本试验开展了CO2浓度和温度升高对冬小麦土壤温室气体排放影响的研究，测定CO2浓度(600 μmol/mol)和温度升高(环境温度+2℃)条件下冬小麦土壤中硝态氮和铵态氮的含量，以及温室气体排放通量和生长季排放总量，结合冬小麦的产量计算该生长季的综合温室效应(GWP)和温室气体排放强度(GHGI)。结果表明: 拔节期CO2浓度和温度升高条件下，冬小麦土壤硝态氮含量显著增加; 三个时期CO2浓度和温度升高条件下，冬小麦土壤铵态氮含量均以不同程度增加; 升温(T1C0)、CO2浓度升高(T0C1)及复合(T1C1)条件下，CO2生长季总排放量较对照(T0C0)分别增加了20.73%、22.18%和23.28%; 而N2O生长季排放总量只有在T0C1中会显著增加，T1C0及T1C1中N2O生长季总排放量较T0C0分别减少了26.35%、18.41%; T1C0中CH4生长季总吸收量较T0C0显著减少了93.56%，T0C1及T1C1对其无显著影响; T1C0中冬小麦产量较T0C0显著减少了19.93%，而T0C1和T1C1中分别增加了15.36%、9.88%。T1C0、T0C1和T1C1中GWP与T0C0相比均显著增加，而GHGI在T1C0中较T0C0显著增加，T0C1和T1C1中GHGI与T0C0相比有所减少，但不显著。综上所述，在CO2浓度升高和温度升高的条件下，CO2和N2O生长季总排放量均有不同程度的增加，CH4生长季总排放量在升温处理下会显著减少。麦田三种温室气体预估GWP对环境不利。本研究对CO2浓度和温度升高条件下的北方麦田温室气体进行了估算，可为未来农业减排措施的制定提供理论支持。
麦田 温室气体 气候变化 综合温室效应 温室气体排放强度 winter wheat greenhouse gases climate change global warming potential greenhouse gas emission intensity
1 浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
2 浙江大学宁波科创中心，浙江 宁波 315100
星载环境探测激光雷达能够获取昼夜环境垂直剖面信息，已成为各国发展的重要遥感技术。经过近30年的发展，该技术获取了大量全球地表信息和大气海洋环境信息，为人类合理利用地球资源、应对全球生态环境和气候问题做出了巨大贡献。概述了星载环境探测激光雷达的发展历史，重点阐述了星载激光雷达模拟器、星地真实性检验和数据处理与应用等关键技术，探讨了星载环境探测激光雷达技术的未来发展方向。通过介绍星载环境探测激光雷达及其关键技术的背景知识，帮助科研人员理解星载环境探测激光雷达如何为地球系统探测提供关键数据，从而更好地保障数据精度及将数据应用于地球科学研究。
测量 星载激光雷达 大气科学 海洋科学 测绘 环境 气候 光学学报
2022, 42(17): 1701001
1 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室, 北京 100029
2 中国科学院大学地球与行星科学学院, 北京 100049
3 中国科学院城市环境研究所区域大气环境研究卓越创新中心, 福建 厦门 361021
大气中的沙尘气溶胶颗粒物会通过与太阳辐射相互作用、参与云的形成过程等, 对气候系统产生强烈影响。对流层中的沙尘气溶胶通常是含有各种粒子成分的不均匀混合物, 只有通过详细了解单个沙尘粒子的理化特性才能充分认识其对气候的影响效应。基于此, 对过去 20 年基于光学方法对大气沙尘气溶胶观测分析的研究进行了全面的综述。回顾了利用电子显微镜、激光雷达以及单颗粒质谱等光学技术的研究成果, 简要介绍了基于扫描电镜和能谱、偏光特性、非对称因子等的观测分析技术, 并讨论其优缺点; 总结了沙尘气溶胶形貌、混合态特征研究, 讨论其参与大气物理化学过程的主要方式; 讨论了污染沙尘的光学性质、吸湿特性及成核能力, 这些特性都对气候变化和预测有重要影响。大气中的沙尘气溶胶是复杂多样的, 如何将精确的单粒子分析技术和快速响应的在线检测技术结合将是未来大气探测的研究重点, 这些研究成果也将进一步扩展到气溶胶的环境和气候影响研究, 以及人类健康风险评估中。
沙尘气溶胶 形貌特征 混合态 单颗粒检测 大气化学过程 气候效应 dust aerosols morphological properties mixing state single particle detection atmospheric chemical process climatic effects
长三角生态绿色一体化示范区位于江苏省、浙江省和上海市的交界处，在长三角一体化进程中发挥着重要作用。为了探究示范区自2008年以来的土地覆被变化及其驱动力，结合2008年的Landsat-5 TM光学影像和双极化PALSAR数据以及2020年的Sentinel-2 MSI多光谱光学影像和双极化PALSAR-2数据,采用局部气候分区(Local Climate Zone，LCZ)分类体系以及随机森林分类方法分别对2008年与2020年示范区进行了土地覆被分类。结果表明，2008~2020年，示范区的建设用地面积显著增加。其中，开阔高层建筑的增幅最为明显，从2008年的12.23 km2增加到2020年的361.26 km2；而低矮植被面积大量减少，从2008年的535.92 km2锐减到2020年的197.26 km2；茂密树木、灌木和矮树均有所减少。土地覆被变化的主要驱动因素为城市扩张、棚户区改造、人口增长以及产业结构优化。本文不仅可为城市化进程中城郊的土地覆被变化研究提供参考，而且还可为推动长三角生态绿色一体化发展示范区建设以及长三角一体化提供决策依据。
土地覆被变化 长三角 局部气候分区 随机森林 合成孔径雷达 land cover change Yangtze River Delta local climate zone random forest SAR
1 合肥工业大学 电子科学与应用物理学院, 合肥 230009
2 中国科学院 安徽光学精密机械研究所 安徽省光子器件与材料重点实验室, 合肥 230031
3 深圳技术大学 新能源与新材料学院,深圳 518118
4 中国科学技术大学 科学岛分院, 合肥 230026
5 中国科学技术大学 环境科学与光电技术学院, 合肥 230026
6 合肥工业大学 智能制造研究院, 合肥 230009
古气候学是研究地球的过往气候的一门学科, 可以预测未来气候变化, 解决有关环境、资源等问题。基于激光诱导击穿光谱的元素成像技术可以快速、准确、原位分析复杂多样的大面积古气候样本, 获得能够与气候建立联系的元素信息, 在气候变化研究中展现出很好的应用前景。首先介绍了基于激光诱导击穿光谱的元素成像技术的基本原理, 其次回顾了目前常用的成像系统的仪器配置, 包括激光光源、聚焦系统和光谱探测系统等, 最后介绍了国内外基于激光诱导击穿光谱元素成像技术分析古气候代理物的典型案例。该研究对基于激光诱导击穿光谱的元素成像技术在古气候研究中的应用有很好的指导作用。
光谱学 激光诱导击穿光谱技术 元素成像 古气候学 洞穴沉积物 海洋动物外壳 spectroscopy laser-induced breakdown spectroscopy elemental imaging paleoclimatology cave deposits marine animal shell
X射线衍射(XRD)光谱是分析土壤粘粒矿物组成的重要手段, 但常规XRD分析存在前处理复杂、 耗时较长、 光谱分辨率低、 扫描不充分等问题。 为此, 该研究依托北京同步辐射装置(BSRF)的4B9A衍射实验站, 以我国东部不同气候带(即温带、 亚热带、 热带)的7种地带性森林土壤(棕色针叶林、 暗棕壤、 棕壤、 黄棕壤、 黄壤、 赤红壤和砖红壤)为研究对象, 利用同步辐射X射线衍射(SR-XRD)光谱对土壤粘粒矿物组成特征进行分析。 结果表明: (1)温带土壤(棕色针叶林、 暗棕壤和棕壤)质地以粘壤土为主, 而亚热带土壤(黄棕壤、 黄壤和赤红壤)分布在粘土和粘壤土的分界线上; 从亚热带到热带, 土壤质地呈现出粘土→壤土→砂土的变化趋势。 (2)土壤硅铝率(Sa)表现为温带土壤(5.22)>热带土壤(4.53)>亚热带土壤(4.49); 同样地, 硅铝铁率(Saf)也呈现出温带土壤(4.06)>热带土壤(3.53)>亚热带土壤(3.36)的变化规律。 (3)从温带到热带, 土壤粘粒矿物中高岭石的含量增加、 结晶度提高, 而伊利石的含量则逐渐减少; 温带土壤以2∶1型粘粒矿物为主, 而热带土壤则以1∶1型矿物为主; 在SR-XRD光谱中鉴定出了伊蒙混层、 长石两种粘粒矿物的存在, 而这两种矿物在常规XRD光谱中未被识别。 (4)与常规XRD法相比, 利用SR-XRD法分析土壤粘粒矿物组成具有以下优势: 一是前处理工作量较少, 常规XRD法需将粘粒样品制成不同类型的载玻片再进行测定, 而SR-XRD法直接测定粘粒样品即可; 二是光谱分辨率高, SR-XRD法的分辨率可达到≤100 nm, 从而能够检测到更多的衍射峰; 三是实验效率提高, SR-XRD法的优化扫描步长可达0.04°, 比常规XRD法增加1倍, 从而提高了测试效率; 四是扫描辨识度增加, SR-XRD法的看光时间可优化为4 min, 是常规XRD法的2倍, 使得样品的扫描更加充分。
SR-XRD光谱 常规XRD光谱 气候带 地带性森林土壤 粘粒矿物 Synchrotron Radiation X-ray diffraction spectrum Conventional X-ray diffraction spectrum Climatic zones Zonal forest soil Clay minerals
