研究中心

界面过程与土壤圈演化研究中心

表层地球系统由土壤圈、大气圈、水圈、生物圈与岩石圈组成。这四个组成部分并非独立单元,而是由扰动-反馈机制串联在一起的有机整体。因此表层地球系统的行为不是单一组成部分变化的直接结果,而是由四个组成部分协同作用后的状态。基于独立组成部分的单学科,即土壤学、大气科学、水科学和生物学等,经过两个世纪的发展以经使得我们对表层地球系统各组分的状态有了深刻的认识,但在应对人类活动引起的全球环境变化的新挑战时无法全方面描述表层地球系统的整体动态和行为从而显示了其局限性。因此,2001 年地球科学家提出一个表层地球过程的系统科学框架,即地球关键带科学。地球关键带是高度异质性的近地表环境,垂直方向的范围从树的冠层往下直到地下水深层(图1);

岩石、土壤、水、空气和生物在其中发生着复杂的相互作用,其在调控自然生境的同时,还供应着经济社会发展所需的资源。因此,地球关键带对维持地表生命非常重要,这就迫切需要包括地理学、地球化学、生态学、地质学、土壤学、环境科学等多学科领域专家的协作研究来推动对关键带科学的理解和应用以维持人类生存发展与星球健康,这也是国际地学界提出地球关键带概念的意义所在。


地球关键带科学研究的核心科学问题包括:不同时间尺度上控制碳、悬浮粒子和反应气体的流动是哪些过程?人类与地质时间尺度上如何滋养生态系统?生物地球化学过程如何掌控水与土壤资源的可持续利用?物理和化学风化过程的变异如何影响关键带?这些问题的解决均依赖于对地球关键带的结构、组成和功能的认识。关键带中发生着复杂的物理、化学和生物过程,按照其性质与作用,这些过程大致可分为三类:生态过程、生物地球化学过程和水文过程。生态过程是生态系统中维持生命的物质循环和能量转换过程,主要研究土壤—生物—大气中的水循环和水平衡、养分循环、能量、微量气体产生、输送和转化、有机物及金属元素的分解、积累、传输等微观过程。由于人类活动对生态过程的影响越来越大,人类活动可被看作是生态过程的一部分。生物地球化学过程将生物过程与非生物过程联系在一起,通过流体、沉积和气体作用,使碳、氮等化学元素和物质在空间上的分布发生变化,重点研究各种化学物质的来源、存在数量和状态以及迁移转化规律,以及生物有机体参与下发生的地球化学过程。水文过程是通过水分运移转化使物质和能量在空间上重新分布的动态过程。生物地球化学过程和水文过程相互耦合,推动了生态过程的持续进行,又共同决定了关键带的整体形态和功能。因此,阐明关键带的生态过程、生物地球化学过程和水文过程需要对不同介质(相)之间的微观时空尺度界面过程开展研究,这也是地球关键带科学研究的重要抓手,对于阐明地球关键的结构、组成和功能具有重要意义。

界面过程与土壤圈演化研究中心针对以土壤为核心、界面为特征的地球关键带开展系统科学研究。研究的核心科学问题是物质(如硅铁砷铅)和能量(如电子)在土壤中矿物-水-生物界面(图2)上的转移过程以及所形成产物(如次生矿物)。

发展定位

聚力搭建界面过程可视化的世界一流研究平台,达成在毫米至纳米尺度的二维和三维成像,实现对界面时空动态过程的 “眼见为实”;着力招聘微尺度建模和生物-氧化还原探究等研究领域的优秀人才,完善师资队伍建设,补缺人才短板;致力壮大研究群体,丰富学生学习经历,提升向社会输出人才质量。 

中心使命

以微界面和微过程为研究对象,以物理化学基本原理(如热力学和化学动力学)为手段,借助先进的研究仪器平台,通过与院内其他研究方向团队(如同位素,地气过程,水文)的合作,为理解全球变化背景下的关键带科学、生物地球化学循环及生态系统功能和服务的可持续利用策略提供基础科学支撑。

组织结构

中心主任:滕辉

中心副主任:宋照亮、余光辉

中心成员:滕辉、宋照亮、余光辉、陈春梅、管冬兴、王钺博、郝倩、李云帅、张坚超、孙少波、朱翔宇、孙富生

研究方向

(1)地球关键带物质循环的微界面调控机制及其对生态环境变化的制约;

(2)微生物-矿物协同演化规律与土壤发生发育微观机制;

(3)土壤微界面溶质运移的动力学特征与数理模型建立;

(4)地球关键带元素耦合的生物地球化学循环与区域和全球变化响应。



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