海洋沉积动力学研究与应用前景展望

海洋沉积动力学正在打破传统，走向海洋工程学、物理海洋学和地质学的联合，共同建立一门综合性的、统一的沉积动力学。其技术手段包括：悬沙输运的动力学模型方法、以力学为基础的半经验公式、经验公式、人工和天然示踪沉积物技术、地貌学信息方法、沉积学信息方法、以及现场直接观测。国际国内的研究动态均表明，这些方法的建立和完善将为海洋沉积动力学在海底地貌演化、生态系统的维护和改造、人类活动对环境影响的评估、海洋资源开发和持续发展战略制定等方面的应用 提供广阔的前景。     

深海热液羽流动力学特性的数值模拟研究:以卡尔斯伯格脊大糦热液区为例

建立了基于雷诺平均方法的计算流体动力学模型以模拟深海层化环境下高温热液羽流的上升、扩散和湍流混合过程,并应用于研究西北印度洋卡尔斯伯格脊大糦热液区羽流的特性.根据现场测量数据,分析了模型的参数敏感性,重点讨论了喷口流量、环境浮力频率等因素对羽流运动过程的影响.计算得到了层化海洋环境中热液羽流的三层流场结构形态以及最大上升高度、中性浮力高度等关键环境参数.结果表明,经典卷吸假设仅适用于0.6倍最大上升高度以下的羽干区域,而中性层水平输运和羽帽区循环等作用使得羽流上部具有复杂的结构;湍流动能和湍流耗散率均在热液口附近达到最大值,而湍流黏度的最大值却出现在羽帽区,说明羽帽区存在强烈的湍流混合.通过所建立的模型对大糦热液区所探测到的热液羽状流进行了定量模拟,其结果得到了现场观测数据的验证,并估计了高温热液喷口的热通量约为39.38 MW.研究结果对海底热液喷口的示踪、海洋物质能量循环过程研究和海底多金属硫化物资源勘查与环境评价具有支撑价值.     

土壤动物对大气CO2浓度升高响应研究的进展

土壤动物在农业生态系统腐屑食物网中占有重要地位，它们参与土壤有机质分解，植物管养矿化及养分循环作用，国外许多试验表明，土壤运动及其多样性对全球变化，尤其是大气CO2浓度升高产生正向，中性和负向的响应，本文首先介绍了土壤动物的分类在养分循环中的作用，其次论述了土壤动物对大气CO2浓度升高响应的研究进展，最后提出我国近期将优先研究的几项任务。     

生态系统服务功能、生态价值与可持续发展

生态系统服务功能是指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用。它不仅为人提供了食品、医药及其它生产生活原料,更重要的是维持了人类赖以生存的生命支持系统,维持生命物质的生物地化循环与水文循环,维持生物种与遗传多样性,净化环境,维持大气化学的平衡与稳定。人们逐步认识到,生态服务功能是人类生存与现代文明的基础。近年来生态系统服务功能的研究已了人们的广泛重视,生态学家、经济学家纷纷探讨生态系统服务功能的内涵与定量评价方法,并已成为当前生态与生态经济学研究的前沿课题。本文拟系统地分析生态系统服务功能的研究进展与趋势,生态系统服务功能价值的评佑方法,并探讨生态系统服务功能及其与可持续发展的关系。     

升高CO2浓度和温度对针叶林的影响以及在川西亚高山针叶林研究中的展望

以CO2浓度和温度升高为主要特征的全球气候变化受到了世界各国科学家们的普遍关注。目前已经有大量关于森林生态系统对全球变化响应的研究报道和综述性文章,涉及分子、生理生态、种群和群落生态以及区域和全球尺度等微观和宏观领域的研究内容,因而要想对森林生态系统对全球变化的响应研究进行全面的综述是相当困难的。因此,本文只简要评述了森林生态系统对升高CO2浓度和温度响应研究中的诸如CO2浓度和温度升高对森林生长和生产力的影响、森林生态系统物种组成和多样性对升高CO2浓度和温度的响应、植被变化与全球碳循环的互动以及气候变化与森林生态系统生物地球化学循环的关系等几个热点问题。川西亚高山针叶林区为我国的第二大林区,地处高山峡谷地带,是全球变化的敏感地带。相对简单的植物群落结构、较低的物种丰富度和多样性、巨大的冷冻土壤碳库、不同演替阶段和功能的植物群落组合以及分布于林线附近的邻接效应等为研究针叶林系统对升高CO2浓度和温度的响应提供了良好的天然实验室。针叶林生产力、植物群落物种组成和多样性以及土壤碳氮过程等对升高CO2浓度和温度的响应对于预测未来气候变化下针叶林系统的生态过程具有重要意义。     

连云港海域水文泥沙运动特征

根据2006年1月1～9日对连云港海域19个测站的水文泥沙同步观测资料，分析了该海域的水文泥沙运动特征。结果表明：连云港海域，潮差较大，潮流流速较小；涨潮流速大于落潮流速；涨潮历时小于落潮历时。悬沙浓度与潮流流速均呈现出由南向北、由近岸向远岸递减的规律；在一个潮周期过程中，近岸含沙量有涨落变化，远岸则没有明显的涨落过程；运用最小二乘法原理对实测含沙量、流速和水深资料进行回归计算，求得含沙量与流速呈很好的正相关关系，且落潮含沙量的变化对弗洛德数的变化更为敏感。     

弯曲河床中底沙运动和河床变形的三维k-ε-kp两相湍流模型

建立了曲线坐标系下的三维k-ε-k_p固液两相双流体湍流模型, 模拟了弯曲河道内的底沙运动和河床变形. 计算了实验室120°弯道内水沙两相流的时均流速、泥沙运动以及床面变形, 数值结果较好地再现了实验规律. 同时, 比较了单流体模型和k-ε-k_p模型的数值结果. k-ε-k_p模型能够求解悬沙的三维速度场, 并采用零梯度边界条件获得底沙的运动信息. 计算结果表明在弯道内泥沙运动轨迹的变化比水流运动轨迹的变化平缓, 泥沙轨迹从弯道入口开始逐步偏离水体轨迹, 其偏离程度随泥沙粒径增大而增大. 通过采用底沙的运动强度和方向来求解推移质运动方程以及床面变形, k-ε-k_p模型能够比单流体模型更好地模拟弯道内的床面演变.     

南大洋碳循环研究进展

本文介绍了南大洋碳循环的国内外研究动态及最新研究进展,包括南大洋的初级生产力水平,DOC、POC贮库,有机碳的输出通量及其深海沉积通量,讨论了限制南大洋初级生产力的最新研究进展。南大洋初级生产力总体水平较低,但在陆架区、海冰边缘区（MIZ）以及极锋等特殊的水文区域有较高的生物生产力。南极的生产力限制主要认为是Fe限制,但在[Si(OH)4]的浓度梯度（极锋附近的[Si(OH)4]剧烈变化带,其浓度以0.25-0.56uM/km速度向南发展）以北的南大洋（[Si(OH)4]浓度为1-15uM),形成Si限制。对极锋区浮游植物水华的观测表明,极锋区的浮游植物是受一系列过程的调节,包括：光、捕食、硅酸盐和Fe,这样,只包含一种机制的模式将是不充分的。南大洋POC、DOC贮库在春夏季增长极快,但夏季POC输出通量一直很小,直到秋季才突然增大。南大洋的叶绿素、初级生产速率、POC贮量以及有机碳的输出通量在时间上解耦合,反映了南大洋生态系统的特殊性。另一方面,由于存在许多锋结构及锋面系统,并且有广大的季节海冰区存在,南大洋包含有许多功能各异的亚系统,这些亚系统在碳循环中的作用各不相同,造成了南大洋碳循环的复杂性。今后的研究仍然需要更深入地了解南大洋碳循环的机制,以及南大洋碳循环在全球变化过程中的影响及反馈。     

基于文献计量的全球变化山地生态学研究态势分析

全球变化山地生态学是生态学研究的热点和核心议题。各国和各相关机构对全球变化山地生态学的研究力度不断加大。本文基于SCI-E和中国期刊全文数据库(CNKI),利用文献计量分析方法,系统分析国内外全球变化山地生态学领域的研究现状,剖析主要知名研究机构的热点研究主题,详细讨论该研究领域的研究热点及前沿方向。2001~2015年,国内外全球变化山地生态学研究的论文数量不断增加,发展态势良好。发达国家是全球变化山地生态学领域的主要研究力量,美国和瑞士占据绝对领先地位。中国在全球变化山地生态学研究领域的国际地位有所提升,累计发文量居世界第5位,而且中国科学院是全球发文量第1位的研究机构。依据文献发展态势分析,未来全球山地环境变化监测网络系统建设、山地生态系统对全球变化的响应与适应、山地生物多样性变化以及山地生态系统的功能维持与生态屏障建设等是重点发展的学科方向。作为世界第一山地大国,我国的山地生态科学研究应得到重视和发展,以应对全球变化对我国生态和环境安全的影响。     

反应动力学参数变化对MOVPE生长GaN的反应路径模拟的影响

在金属有机化学气相外延(MOVPE)生长GaN薄膜的反应-输运过程数值模拟中,反应动力学参数(活化能和指前因子)的选取存在很大的不确定性,从而导致不同的气相反应路径和生长速率.本文对前人采用的反应动力学参数的偏差做了归纳总结,讨论了偏差的来源.在此基础上,本文对垂直转盘式MOVPE反应器生长GaN的反应-输运过程进行数值模拟研究.模拟改变不同的反应动力学参数组合,包括加合物的生成和可逆分解的指前因子、加合物不可逆分解生成氨基物的活化能和指前因子以及三聚物生成的指前因子.通过分析主要含Ga物质的摩尔浓度和对应的生长速率的变化,研究上述反应动力学参数变化对GaN生长反应路径的模拟结果的影响.研究的主要结论如下:(1)不同的指前因子和活化能导致不同的反应路径和生长速率的差异,而热解路径比起加合路径能够更有效地提高生长速率.(2)在不考虑三聚物反应时,预测的生长速率值都与实验值接近.原因在于,输运限制的生长速率取决于含Ga粒子的输运速率,不同的反应路径对含Ga粒子的影响此消彼长,但到达衬底的含Ga粒子的总量变化不大,这也很好地解释了不同文献采用不同的动力学参数模拟都与实验基本吻合的原因.(3)改变三聚物反应的指前因子发现,由于热泳力对大分子的排斥作用,三聚物对生长的贡献很小,生成的三聚物越多,与实验的误差越大.模拟结果澄清了前人在模拟MOVPE生长GaN的反应-输运过程中存在的一些问题,并加深了对GaN生长机理的了解.