树干甲烷的研究进展

在全球变暖背景下,甲烷 (CH₄) 作为陆地生态系统中仅次于CO₂的重要温室气体受到了广泛关注,其在百年时间尺度上的温室效应潜力是CO₂的28~34倍,对全球变暖的贡献占20%~30%。现有对森林生态系统CH₄的研究主要集中在土壤,但基于热带森林地表排放估算和卫星CH₄通量之间的差异报告,以及近年的研究证明了树木是森林CH₄预算的重要来源和汇。笔者综合分析了树干CH₄的来源、通量大小、影响因素及其对陆地碳预算的影响,结果发现:①树干释放出的CH₄是来自土壤或者树木心材,然后主要通过树干扩散释放到空气中;②树干CH₄的通量范围为(-37.5±18.75)~(16 937.50±6 812.50) μmol/(m²·h);③树干表面CH₄通量具有较大的时空差异性,这些差异主要来自树种、年龄、组织类型、立地特征和环境条件等;④在不考虑树干CH₄通量的前提下,森林湿地 (或木本沼泽) 生态系统的CH₄释放量部分可能被低估,而旱地或者高山森林中CH₄的吸收量部分可能被高估。树干甲烷作为陆地碳循环的“新成员”,应该被充分重视,这对于预测未来全球气候变化具有重要意义。     

PM2.5浓度湍流特征和通量获取的实验研究

利用PM_2.5质量浓度测量仪E-Sampler的1 Hz高频采样功能, 采用涡动相关法, 计算山东省德州大气环境实验站2018年12月27日至2019年1月7日多次污染事件的PM_2.5浓度脉动和湍流通量, 探讨PM_2.5浓度湍流特征。结果表明, 实验观测期间PM_2.5浓度湍流通量均值为0.026 μg/(m²·s); 不同污染过程中PM_2.5浓度湍流通量传输方向不同, 表明不同污染过程的污染源汇属性不同。随着湍流统计特征量(如湍流动能、水平风速标准差、垂直风速标准差、水平风速、动量通量和感热通量)增大, PM_2.5湍流垂直通量呈现指数型减小的趋势, 即先急剧减小, 然后随各变量的增长变化不大。随着PM_2.5浓度增大, 其湍流通量绝对值呈现增加趋势, 因此PM_2.5浓度湍流通量的大小与PM_2.5浓度和湍流强弱有关。不稳定条件下, PM_2.5浓度归一化标准差与稳定度参数ζ = z/L 遵循-1/3幂次关系, 即 σ_c/C_* = 6.7(-ζ)^-1/3; 稳定条件下, 实验结果相对离散。另外, PM_2.5浓度脉动方差谱曲线在高频段满足-2/3幂指数率, PM_2.5浓度脉动与垂直速度脉动的协方差谱曲线在高频段满足-4/3幂指数率。研究结果表明, 利用E-Sampler的PM_2.5浓度1 Hz高频采样功能可以得到连续且有效的PM_2.5浓度湍流通量。     

祁连山玉石沟橄榄岩中非生物成因甲烷‒石墨流体包裹体及其形成条件

研究北祁连造山带玉石沟橄榄岩中富甲烷流体包裹体。激光拉曼光谱原位分析结果显示, 这些流体包裹体主要由液态或气态 CH₄+C(石墨)组成, 次要成分为N₂, H₂O, C₂H₆和C₃H₈, 代表还原性的C-H流体形式。根据石墨的拉曼特征谱峰, 利用石墨化碳质拉曼光谱(RSCM)温度计计算石墨形成温度, 结果指示石墨在流体中沉淀的最低温度介于430~590°C之间, 表明CH₄+C是非生物成因的, 并形成于地幔环境。     

艾比湖湿地季节性冻融土壤温室气体排放规律研究

利用静态箱–气象色谱法对2015年11月—2016年3月艾比湖湿地季节性冻融期土壤温室气体进行观测. 结果表明:季节性冻融期裸地土壤CO₂表现为汇、芦苇和柽柳土壤CO₂表现为源;芦苇、柽柳和裸地土壤CH₄表现为汇,而N₂O表现为源;芦苇、柽柳和裸地土壤温室气体最低值均出现在冻结期（11月—次年2月）且为负通量;不同植被类型下土壤CO₂在融化期（3月末）出现排放峰值,而土壤CH₄和N₂O在冻融交替期(3月初)出现排放峰值;在整个观测期,芦苇和柽柳土壤CO₂、CH₄和N₂O排放峰值高于裸地;温度对季节性冻融期土壤CO₂和N₂O影响显著,均达到显著正相关（P<0.05）,土壤温度能解释芦苇、柽柳和裸地土壤CO₂通量的77%～88%; 土壤质量含水量对土壤CH₄和N₂O影响均达到显著正相关关系（P<0.05）,土壤质量含水量能解释芦苇、柽柳和裸地CH₄和N₂O通量的25%～46%和41%～69%. 表明在干旱区季节性冻融期,温度变化对不同植被类型下土壤CO₂影响较大,而在冻融交替期水分变化对CH₄和N₂O通量影响显著. 芦苇、柽柳和裸地土壤呼吸Q₁₀值分别为2.37,2.58和2.33,不同植被类型基于100 a尺度,土壤温室气体全球增温潜势由大到小依次为芦苇（569.67 kg·hm–2）、柽柳（152.09 kg·hm–2）、裸地（–861.50 kg·hm–2）.      

CO2和CH4在3种分子筛中的静态吸附实验

采用静态容积法分别测量CO₂和CH₄在 5A、13X 和13X-APG 沸石分子筛上的单组份等温吸附曲线,探究了吸附温度和吸附压力对吸附量的影响.实验结果表明,降低吸附温度和增加实验压力会增大吸附剂对CO₂和CH₄的吸附量,3种沸石分子筛对CO₂的吸附量均比对CH₄的大,-30 ℃时CO₂和CH₄在3种吸附剂上的饱和吸附量都最高,CO₂分别为4.94,6.52,6.35 mmol/g,CH₄的分别为3.00,3.25,3.79 mmol/g.13X-APG沸石分子筛经200 ℃、180 min加热再生后的吸附效果较好,能满足吸附剂再生要求.     

生物炭添加对土壤冻融过程中温室气体排放的影响

【目的】研究模拟生物炭添加对土壤冻融过程中二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)和氧化亚氮(N₂O)排放的影响,为冻融期土壤温室气体的减排提供参考。【方法】以伊犁河谷典型农田为研究对象,野外采集原状土柱,并在室内模拟不同幅度的冻融过程(+5 ℃、-5 ℃～ +5 ℃和-10 ℃ ～ +10 ℃),探求冻融过程中土壤CO₂、CH₄和N₂O排放对生物炭添加(0、20和40 t/hm²)的响应特征。【结果】与不添加生物炭的处理相比,添加生物炭会使冻融过程中的土壤CO₂排放量提高1.1～1.4倍,但该影响远小于冻融作用对土壤CO₂排放的促进作用(为CK的1.5～3.2倍); 虽然冻融作用未显著(P > 0.05)影响土壤CH₄的累积排放量,但生物炭的添加显著(P < 0.05)促进了45.5%～81.8%的CH₄吸收量; 冻融作用使土壤N₂O的累积排放量提高了1.3～3.0倍,生物炭降低了冻融过程中10.2%～30.9%的土壤N₂O排放量,但在多数情况下这种减小并不显著(P > 0.05)。【结论】模拟生物炭添加会增加土壤冻融过程中CO₂的排放,也会促进CH₄的吸收和N₂O的减排。     

超临界水甲烷制氢的分子动力学研究

煤-超临界水气化过程中重要中间产物挥发分的反应机理尚未明晰,采用反应分子动力学方法对重要挥发分组分甲烷(_CH4)在超临界水氛围的反应机理及制氢机制进行了探究。系统比较了反应模拟时间和燃料分子规模对目标反应体系关键组分数时程和重要反应通道占比的影响,量化分析了反应温度、反应压力、_CH4质量分数对超临界水相反应中CH₄消耗路径和H₂生成反应的影响规律。仿真结果表明,CH₄在超临界水中氧化可转化为H₂、CO及少量C基中间体,H₂O+—H→—OH+H₂是贡献H₂生成的主导反应,反应过程中—OH自由基和—H原子的相对数量显著影响H₂产量。降低反应温度和压力对CH₄主要氧化路径影响较小,但H₂净产量增加;降低CH₄质量分数,_H2净产量先增加后减少,存在“最佳质量分数”。研究结果可为优化煤-超临界...     

LaAl0.5Ni0.5O3钙钛矿的制备及其对甲烷干重整的催化性能

采用硬模板法制备比表面积大的介孔LaAl_1-xNi_xO₃钙钛矿催化剂,将其用于碳中和甲烷干重整领域,研究不同温度下的反应活性。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、N₂吸附-脱附(BET)、H₂程序升温还原(H₂-TPR)、热重分析(TGA)对制备的催化剂进行表征。结果表明:LaAl_0.5Ni_0.5O₃催化剂在反应过程中表现出了最优异的活性与稳定性。在反应温度为750 ℃,空速GHSV=36 000 mL/(g·h)的反应条件下, CH₄与CO₂的转化率分别达到69.8%和81.5%,经25 h稳定性测试后CH₄与CO₂的转化率仅分别降低2.7%和3.3%。这是由于在H₂-Ar混合气还原过程中,LaAl_0.5Ni_0.5O₃催化剂获得了比LaAl_0.7Ni_0.3O₃催化剂更多的Ni活性位点,同时获得了比LaAl_0.3Ni_0.7O₃催化剂更优异的抗烧结、抗积碳性能。     

当量比天然气发动机Pd/Rh基三元催化器起燃特性研究

为开发一款天然气发动机高效专用三元催化系统,文章建立一种适用于当量比燃烧天然气发动机的三元催化器(three-way catalyst, TWC)整体模型,研究贵金属种类、排气温度和组分浓度对CH₄、NO和CO起燃特性的影响。研究结果表明：Pd基催化器上CH₄的起燃温度T₅₀和完全转化温度T₉₀较低;在Pd基催化器中添加Rh贵金属能促进NO还原,但抑制CO转化;增加H₂O的体积分数能促进CH₄、NO和CO催化转化,但不同贵金属催化器上CH₄、NO和CO起燃性能受H₂O体积分数影响的程度不一样;增加O₂的体积分数可以促进CH₄、NO和CO催化转化,O₂体积分数过高时,CH₄和NO转化被抑制;不同贵金属催化器上NO和CO起燃性能受O₂体积分数的影响从大到小顺序为Pd、Pd/Rh、Rh,不同贵金属催化器上CH<...     

生物炭孔隙结构对市政污泥好氧发酵过程中甲烷释放的影响

为探究生物炭孔隙结构(孔径、孔容和比表面积)在市政污泥好氧发酵过程中对甲烷(CH₄)释放的影响,本研究分别以榉木生物炭(WB)、稻壳生物炭(RB)和玉米芯生物炭(CB)作为调理剂进行好氧发酵实验,并设置不添加生物炭的作为对照组(CK),通过比表面积测试(BET)、气相色谱法(GC)、16S rRNA高通量测序技术和冗余分析(RDA)进行测定及分析。BET结果表明,WB和RB以微孔结构为主,分别占各自总孔隙结构的87.84%和73.72%,而CB以大孔结构为主,占比为89.94%。GC结果显示,与未加生物炭的CK相比,添加WB、RB和CB的市政污泥好氧发酵组的CH₄释放量分别减少41.83%、33.59%、8.20%。高通量测序结果表明,WB和RB通过提高发酵温度抑制了甲烷菌的相对丰度,而添加CB则使堆体的甲烷菌种类更丰富。RDA结果显示,生物炭孔径与CH₄释放速率呈正相关关系。综上可知,在本研究条件下添加以微孔结构为主的WB和RB对市政污泥好氧发酵过程中的CH₄减量化效果最佳。     

透氧膜反应器内NiO/MgO催化甲烷重整反应的途径

在透氧膜反应器内对比分析了不加催化剂和添加 1 g 9% Ni/γ -Al2O3 催化剂的甲烷重整反应实验. 结果表明, 不加催化剂时甲烷相对较惰性; 而在催化剂的作用下, 甲烷重整活性得到了较大提高, 但是催化剂易积碳. 推测甲烷重整反应路径如下: 甲烷在催化剂活性组分上发生裂解, 产生氢和碳; 生成的氢与膜表面的氧反应生成 H₂O,从而使得膜表面侧氧分压下降, 透氧量增大. 通过设计不同 Ni 含量 NiO/MgO 催化剂下的甲烷裂解和甲烷重整反应实验, 验证了以上的反应机理模型.     

非线性四阶双曲方程一个低阶混合元方法的超收敛和外推

对一类非线性四阶双曲方程利用双线性元Q₀₁及Q₀₁×Q₁₀ 元给出了一个低阶协调混合元逼近格式。证明了逼近解的存在唯一性。基于上述两个单元的高精度结果,利用对时间t的导数转移技巧, 导出了原始变量u和扩散项p=-Δu 在H¹模及流量=-∇u在L²模意义下具有Q(h²)阶的超逼近结果。进一步地, 借助插值后处理技术,得到了整体超收敛性。通过建立Q₀₁×Q₁₀元的一个新的渐近展开式,并构造一个合适的外推格式,得到O(h³)阶的外推解。这里,h表示空间剖分参数。     

区域生态环境评价（REA）的方法与应用——以黑河流域为例

区域生态环境状况评价是区域资源合理开发利用、制定区域经济社会可持续发展规划和生态环境保护对策的重要依据。在区域生态环境分区的基础上,确定生态环境评价指标体系,采用以AHP方法为基础的综合模式法,对区域不同环境要素状况和区域综合环境状况进行评价;并基于区域环境评价特点,在景观尺度上,利用景观生态学方法对流域中下游地区生态环境格局进行评价,两种不同方法的评价结果相互验证,以求得区域环境评价的可靠性。根据评价结果,提出流域生态环境的重点保护与治理区以及合理的保护与综合整治对策。     

煤层气试井注入压降法模拟实验

 煤层气开发首先需要通过试井分析来反演地层参数,而注入压降法是煤层气开发过程中最常用的试井方法。为进一步扩展注入压降法在煤层气试井中的适用性,尽量在煤层气试井过程中获得更多的地层信息,提高试井解释合格率,通过室内模拟实验的方法研究了注入压降法试井新方法。首先建立了室内模拟实验装置,通过控制注入流量的变化,获得井底压力时程变化曲线,与现场试井得到的井底压力曲线形式一致,证明室内模拟实验能够复现现场试井过程。实验首次提出并采用一次试井过程中多级流量注入的方法,获取井底压力不同阶段的变化曲线,结果表明,多级变流量注入时井底压力增加的幅值与注入流量的增加呈非线性关系。实验模拟过程可控制注入流量,充分反映井底压力变化,以此获得更多的数据资料,为后续试井资料解释提供更充分的信息,以便提高试井解释准确率和合格率。同时还可通过控制和改变地层参数(如渗透性)进行实验,从而在已知地层参数前提下,达到校验试井理论解释模型的合理性和准确性的目的。     

Cu3(BTC)2的改性及其填充PDMS/PEI膜的分离性能

采用水热法合成Cu3(BTC)2晶体,应用3种不同硅氧烷分别对Cu3(BTC)2晶体材料进行表面改性并进行XRD、疏水性能和FI-IR表征。将晶体填充到PDMS/PEI复合膜内制得填充膜,以CO2渗透通量和CO2/N2分离因子为指标对其进行评价,最后使用最佳改性材料K-Cu3(BTC)2对填充膜进行填充率影响的考察。研究结果表明,Cu3(BTC)2晶体成功改性且晶型未被破坏;在实验考察范围内,Cu3(BTC)2改性后的填充膜比未改性时渗透通量减少9.62%,分离因子提升21.13%;填充率为20%时,填充膜的渗透通量与分离因子分别比填充率为10%时提升16.57%和9.01%。     

添加铁氧化物和活性炭对玉米秸秆两相厌氧消化性能和微生物学特性影响研究

为了提高玉米秸秆厌氧消化性能,将铁氧化物（Fe₂O₃,Fe₃O₄）和活性炭分别添加到玉米秸秆两相厌氧消化系统中的酸化相和甲烷相进行试验。结果表明,在酸化相和甲烷相中分别添加Fe₃O₄粉末和活性炭粉末（PAC）的试验组效果最佳。Fe₃O₄粉末添加到酸化相后,挥发性脂肪酸（volatile fatty acids,VFAs）与乙醇的总含量比对照组中两者的总含量提高了25.4%。酸化结束后加入活性炭粉末继续进行甲烷化试验,玉米秸秆累积产甲烷量达到7 965 mL,比对照组提高了27.8%。与对照组相比,添加Fe₃O₄粉末和活性炭粉末试验组的t₈₀（累积产甲烷量达到总甲烷产量的80%所用的时间）缩短了8 d,电导率提高了33.3%。从微生物群落角度分析,在Fe₃O₄+PAC试验组中,细菌优势菌属为Clostridium_sensu_stricto_1,古菌优势菌属为Methanobacterium,可以提高H₂利用率并且促进厌氧过程中的直接种间电子传递（direct interspecies electron transfer,DIET）。因此,Fe₃O₄粉末和活性炭粉末的添加可以有效提高玉米秸秆厌氧消化产甲烷潜力。     

Orbital and millennial-scale features of atmospheric CH4 over the past 800,000 years

Atmospheric methane is an important greenhouse gas and a sensitive indicator of climate change and millennial-scale temperature variability. Its concentrations over the past 650,000 years have varied between approximately 350 and approximately 800 parts per 10(9) by volume (p.p.b.v.) during glacial and interglacial periods, respectively. In comparison, present-day methane levels of approximately 1,770 p.p.b.v. have been reported. Insights into the external forcing factors and internal feedbacks controlling atmospheric methane are essential for predicting the methane budget in a warmer world. Here we present a detailed atmospheric methane record from the EPICA Dome C ice core that extends the history of this greenhouse gas to 800,000 yr before present. The average time resolution of the new data is approximately 380 yr and permits the identification of orbital and millennial-scale features. Spectral analyses indicate that the long-term variability in atmospheric methane levels is dominated by approximately 100,000 yr glacial-interglacial cycles up to approximately 400,000 yr ago with an increasing contribution of the precessional component during the four more recent climatic cycles. We suggest that changes in the strength of tropical methane sources and sinks (wetlands, atmospheric oxidation), possibly influenced by changes in monsoon systems and the position of the intertropical convergence zone, controlled the atmospheric methane budget, with an additional source input during major terminations as the retreat of the northern ice sheet allowed higher methane emissions from extending periglacial wetlands. Millennial-scale changes in methane levels identified in our record as being associated with Antarctic isotope maxima events are indicative of ubiquitous millennial-scale temperature variability during the past eight glacial cycles.     

甲烷催化燃烧NOx排放特性的数值模拟

采用详细表面反应机理与气相反应机理GRI 3.0对甲烷-空气混合气体在微型管道内的催化燃烧过程进行二维数值模拟,讨论了不同甲烷浓度对NO_x排放量的影响,并对不同孔径内的浓度场、温度场与流场进行了研究。模拟结果表明：甲烷浓度的提高增加了反应器的排烟温度和NO_x排放量;孔道内径通过影响气相反应速率和催化反应速率改变了孔道内的温度场和速度场,进而影响了NO_x的生成;孔径的减小使得反应器的单位面积放热量和NO_x排放量均降低。以上结果可为优化催化反应器设计、降低其NO_x排放量提供参考。