科研进展--中国科学院广州分院

广州地化所 | 月球41.6亿年前遭巨型撞击！嫦娥六号三颗月球岩屑揭示太阳系撞击历史新认知

中国科学家通过对嫦娥六号月壤样品的高精度年代学研究，首次精确测定月球阿波罗盆地形成于41.6亿年前。这一发现为揭示月球遭受太阳系内“撞击风暴”（晚期重轰炸，简称LHB）提供了关键证据，相关成果于8月20日发表于国际学术期刊《自然·天文学》（Nature Astronomy）。月球“伤疤“藏着太阳系动力学演化的秘密月球表面遍布的巨型撞击盆地，其中大多数是约38亿年前太阳系内小天体撞击的遗迹。科学家一直争论这场太阳系内“撞击风暴”是逐渐减弱，还是在距今约38亿至40亿年间出现了强度骤增。这一持续数十年的争议源于月球上关键撞击盆地缺乏精确年龄数据。嫦娥六号采样点所在的阿波罗盆地（直径约540公里）位于月球南极-艾特肯盆地（SPA）内部，是该区域最大的次级撞击构造，其形成年龄可能标志着晚期重轰击事件的启动时间，从而成为破解这场“撞击风暴”谜题的关键。三粒岩石破解远古真相中国科学院广州地球化学研究所徐义刚院士团队联合大湾区及国外合作者，在仅3.5克月壤中发现三颗大小150-350微米特殊的岩石碎屑（图1）。图1 嫦娥六号月壤中识别出的三颗KREEP岩屑这些岩屑是阿波罗盆地形成时产生的撞击熔融岩石，是记录撞击事件最理想的“岩石时钟”。研究团准确测定了岩屑的年龄，同时综合遥感图像和地球化学数据等多方面的信息，最终确认岩屑记录的41.6亿年为阿波罗盆地的形成年龄（图2）。图2 Pb-Pb等时线年龄推翻月球撞击通量的“灾变说“这一结果带来两大认知：1，更新“撞击风暴”开始的时间：研究获得的年龄将月球晚期重轰击事件（LHB）的开始时间点向前推进了至少1亿年。2，揭示早期动力学演化规律：本研究的撞击通量分析表明，月球晚期重轰炸（LHB）期间的撞击通量是呈渐变衰减趋势的，并不支持38-40亿年撞击通量激增的假说。阿波罗盆地年龄的精确测定，为太阳系撞击历史树起了“中国定标点”。徐义刚院士强调：“嫦娥六号样品的研究将持续推动人类重新认识地月系统的演化”。该研究由徐义刚院士指导，陈景有博士后与张乐高级工程师为论文共同第一作者。本工作得到了中国科学院、中国科学院广州地球化学研究所月球研究项目和中国科学院与香港地区“化学地球动力学联合实验室”等的资助。论文信息：https://www.nature.com/articles/s41550-025-02640-5

2025-08-21

华南植物园揭示藻源碳调控海洋溶解性碳库机制

浮游植物（藻）是海洋溶解性有机碳（DOC）的主要来源，它们产生的DOC一方面以生物可利用有机碳（BDOC）的形式被微生物快速消耗，并在转化过程中部分进入顽固碳（RDOC）库；另一方面也可直接分泌RDOC。无论是间接转化还是直接分泌，这些 RDOC 最终都会对海洋 DOC 库的长期积累产生重要贡献。因此，藻源碳的组分特征是调控海洋 DOC 库规模与稳定性的关键因素。然而，由于浮游植物物种多样且生长阶段快速变化，不同类群在生长与衰退过程中的碳分配与释放特征复杂多变，严重制约了我们对藻源碳特征及其作用机制的深入理解。针对这一科学空白，中国科学院华南植物园可持续生态学团队通过超高分辨质谱解析不同类群与生长阶段的DOC分子组成，并结合遥感与机器学习方法，在全球尺度上评估浮游植物对DOC动态的贡献（图1）。图1. 相关研究的技术路线首先，他们利用超高分辨率质谱技术（FT-ICR MS），系统地量化了六个典型藻门（蓝藻门、绿藻门、硅藻门、金藻门、甲藻门和定鞭藻门）类群在生长期与衰亡期下，不同碳馏分（胞内DOC，胞外结合态DOC及胞外溶解态DOC）中BDOC及RDOC的相对占比（图1a和b）。结果发现，在所有的实验藻株中，定义为难以被分解的RDOC都占其总有机碳的10%以上（图2）。这一结果突破了传统对藻源碳多以活性碳为主的认知，也强化了藻类可直接释放RDOC这一现象的普适性。紧接着，在获得这些类群特异的碳分配参数后，本研究进一步结合卫星反演的类群分辨叶绿素浓度数据，构建了机器学习模型，用于预测海洋表层DOC浓度（图1c）。结果显示，引入类群特异的碳分配参数后，模型的预测精度显著提高（生长期和衰退期的R2分别达0.92和0.80，图3a和b），远超未考虑此类信息的模型（R2仅为0.69和0.46，图3c和d）。最后，基于这一优化模型，本研究生成了全球尺度的海洋DOC数据集（图1d），不仅发现海洋表层DOC库的物种贡献度，其中硅藻门对该DOC库的变化贡献最大，解释了高达63.8%的变异；更揭示了不同生长季下藻源DOC的差异性，生长期产生的顽固型DOC显著高于衰退期。这些现象意味着未来浮游植物暴发持续时间及气候驱动的群落结构变化，将深刻影响着海洋DOC动态与碳循环过程。图2. 六个典型藻门（蓝藻门、绿藻门、硅藻门、金藻门、甲藻门和定鞭藻门）类群在生长期与衰亡期下，不同碳馏分（胞内DOC，胞外结合态DOC及胞外溶解态DOC）中不同碳组分的相对占比图3. 引入类群特异的碳分配参数前后的模型预测精度该研究为理解和预测全球碳循环提供了新的视角和工具，也为评估气候变化背景下海洋碳汇功能的变化提供了关键科学依据。相关研究成果以“The role of phytoplankton in structuring global oceanic dissolved organic carbon pools”为题近期发表于综合性期刊Nature Communications（《自然-通讯》）上。中国科学院华南植物园卢哲副研究员为第一作者，王法明研究员为通讯作者。此外，厦门大学焦念志院士，中国科学院水生生物研究所宋立荣研究员，香港科技大学刘红斌教授等参与了研究。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金和中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等项目及国家水生生物种质资源库的支持。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-63105-x

2025-08-20

华南植物园揭示长期高氮沉降下热带原始林土壤微生物代谢限制的垂直分异规律

华南植物园鲁显楷研究员团队在《全球变化生物学》发表最新研究，通过长达20年的野外氮添加实验，首次揭示长期高氮沉降下热带原始林土壤微生物代谢限制的垂直分异规律，即长期氮沉降会加剧表层土壤的磷限制，但缓解其碳限制；而深层土壤则呈现相反的响应模式。土壤微生物在生物地球化学循环和生态系统稳定中发挥着重要作用。近半个世纪以来，大气氮沉降升高显著加速了陆地氮循环过程，并改变了底物元素化学计量比，从而导致土壤微生物代谢限制发生变化。传统观点认为，热带森林相对 “富氮贫磷”的特性使其对氮沉降异常敏感，氮沉降会进一步加剧磷素限制。然而，目前尚不清楚在高度风化的热带森林中，长期氮素输入如何影响不同深度的土壤微生物代谢限制。研究团队于2002年在广东鼎湖山国家级自然保护区原始林（季风常绿阔叶林）建立了长期连续氮添加实验样地（4种梯度：0-150 kg N ha⁻¹ year⁻¹），探讨了长达20年的高氮素输入如何影响不同土壤剖面中土壤微生物代谢限制特征。研究发现，与传统观点不同，长期氮添加对磷限制的影响具有深度选择性：表层土壤的磷限制增强，而深层土壤则未受影响。土壤微生物可通过下调微生物群落丰度来适应磷限制，其中放线菌的相对丰度可指示磷限制状态。与此同时，长期氮添加通过增加表层土壤溶解性有机碳（DOC）含量缓解了微生物的碳限制，但加剧了深层土壤微生物碳限制。该研究首次证实长期氮沉降对热带森林土壤微生物代谢限制的影响具有深度选择性，并且修正了"氮沉降普遍加剧磷限制"的单一结论。考虑到微生物‌碳-磷代谢的"深度分异"现象，研究特别提出未来地球系统模型需纳入深度依赖的微生物代谢限制参数，特别是在预测热带森林碳汇功能时。这一成果为预测全球氮沉降加剧背景下热带亚热带森林生态系统功能变化提供了关键科学依据。相关研究成果以“Divergent microbial metabolic limitations across soil depths after two decades of high nitrogen inputs in a primary tropical forest”为题发表在全球变化研究领域权威期刊Global Change Biology（《全球变化生物学》）上。中国科学院华南植物园硕士研究生庞朝龙为论文第一作者，硕士生张泽和为共同第一作者，鲁显楷研究员为通讯作者。该研究得到广东省重点领域研发计划、国家自然科学基金和广东省科技计划等项目资助。文章链接：https://doi.org/10.1111/gcb.70440图1. 长期氮添加对不同土层微生物代谢碳限制（a,Vector length）和磷限制（b,Vector angle）特征的影响图2. 不同土层环境因子对微生物代谢碳限制和磷限制影响的相对重要性图3. 氮添加对表层和深层土壤微生物代谢限制的主要影响途径

2025-08-20

华南植物园在有机碳分析方法研究取得进展——溶解有机质信号优化策略及不同实验室间结果的可比性

溶解性有机质（DOM）是自然水体、土壤和沉积物中普遍存在的一类重要物质，在生态系统中扮演着多重关键角色： DOM就像天然的"防晒霜"，能够有效减弱紫外线对水生生物的伤害；它还能与各类污染物相互作用，影响其迁移转化过程；通过分析DOM的组成，还可以追溯其来源区域的土地利用情况。更值得注意的是，DOM在碳循环中占据着重要的地位：基于"微生物碳泵"机制，DOM成为连接不同碳库的重要纽带。因此，深入研究DOM的组成和循环，对于揭示碳循环和营养盐循环的奥秘具有特殊意义。但自然界中不同水体类型中的DOM，尤其是难降解部分，往往表现出高度相似性。因此，如何获得更加清晰、具有代表性的DOM“指纹图谱”，是方法研究中的关键点之一。理论上，提高仪器分辨率能获得更细致的DOM图谱。例如，21T超高磁场的FT-ICR MS能提供极高分辨率，但此类设备价格昂贵，仅有少数实验室配备。而单单是提高一倍分辨率的15T-FT-ICR MS，设备费用相对常规的7T就增加了数千万人民币。因此，在现有常规设备的条件下，优化方法以提升DOM信号的分辨率和检出通量是亟待解决的问题。为此，我们采集了典型端元水体（表层、深层海水，滨海红树林沉积物间隙水、内陆湿地间隙水，以及河水样品）进行方法调试和验证。基于当前常用的7T 、9.4T和12T FT-ICR MS设备，本研究比较了多种分辨率调整策略。这三种磁场强度代表了目前较为普及的仪器类型，研究结果可为使用不同仪器的研究人员提供优化思路，也有助于推动DOM研究方法的标准化和数据共享。结果表明，根据不同水体来源的特征差异和研究目标，相应的DOM信号调试策略也不同（图1）。该研究不仅有效提升了溶解有机质的信号（图2）、增强了不同水体端元（河流、间隙水、海水）指纹图谱的差异化特征，也提出了在不同分辨率条件下具有可信度的变异系数区间（图3），从而提升了不同实验室之间信号的可比性。相关研究以“Refining Resolution Settings for Analysis of Dissolved Organic Matter in Varied Natural Environments by FT-ICR MS”为题发表在ASLO旗下水生生态学和海洋学领域专业期刊Limnology and Oceanography – Methods（《湖沼学与海洋学：方法》）。中国科学院华南植物园可持续生态学团队成员甘淑钗为论文的第一作者，王法明研究员为通讯作者，合作单位包括中国广州分析测试中心、中国科学院广州地球化学研究所及哈佛大学。该研究得到国家自然科学基金项目、“一带一路”国家与国际科学组织联盟项目、国家重点研发计划、中国科学院青年创新促进会项目、广东省应用植物学重点实验室等项目资助。论文链接：https://doi.org/10.1002/lom3.10696图1. 基于超高分辨质谱FT-ICR MS分析有机质的信号调试策略指南概要图图2. 不同参数设置对溶解有机质“指纹图谱”特征的影响示意图图3. 不同方法设置条件下溶解有机质的组成变化、变异系数雷达图及生物可利用指数变化

2025-08-20

华南植物园揭示生态茶园常用间作乔木——台湾相思的抗虫物质及其形成机理

茶树（Camellia sinensis）是重要的经济作物，单一种植模式易导致茶园生态系统脆弱、虫害频发，制约茶产业的可持续发展。近年来，茶树与伴生植物的间作模式逐渐受到关注，其中与台湾相思（Acacia confusa Merr.）的间作在生态调控方面表现良好，不仅显著提升了害虫天敌的数量，还改善了茶叶的品质。中国科学院华南植物园科研团队系统解析了茶园常用间作乔木——台湾相思所释放的主要挥发性物质，明确了(Z)-3-己烯乙酯在调控茶园节肢动物行为中的关键作用。通过茶园实验与室内选择性评价，发现(Z)-3-己烯乙酯具有驱避害虫茶小绿叶蝉及吸引捕食性天敌蜘蛛的双重作用。进一步结合转录水平分析、体内外功能验证及转录调控等手段，明确AcAAT4为催化(Z)-3-己烯乙酯合成的关键酶，且该基因的表达受转录因子AcMYC2b的正向调控（图1）。该成果不仅揭示了台湾相思间作在茶园生态调控中的物质基础及其生物合成机制，也为景观生态茶园建设体系的完善与茶树优质高效栽培技术的提升提供了理论依据。相关研究结果以题为“Mechanism mediating the biosynthesis of the anti-insect volatile (Z)-3-hexenyl acetate in Acacia confusa Merr.,an intercropping plant in tea plantations”近日在线发表在Molecular Horticulture（《分子园艺》）上。中国科学院华南植物园已毕业的简国泰博士和广东省农业科学院茶叶研究所黎健龙研究员为论文的共同第一作者，中国科学院华南植物园曾兰亭研究员为论文通讯作者。该研究得到广东省杰出青年基金等项目的资助。论文链接：https://molhort.biomedcentral.com/articles/10.1186/s43897-025-00165-z图1. 台湾相思防御代谢物(Z)-3-己烯乙酯的抗虫功能与形成机制

2025-08-20

南海海洋所 | 南海西南次海盆海底扩张与洋壳增生模式取得新进展

近日，中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质实验室（OMG）赵明辉研究员团队联合广州海洋地质调查局、德国GEOMAR亥姆霍兹基尔海洋研究中心等国内外单位，在南海西南次海盆深部结构研究中取得突破性进展。相关成果发表在国际地学期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth《地球物理研究杂志-固体地球》上，南海海洋所副研究员张佳政为论文第一作者，德国GEOMAR亥姆霍兹基尔海洋研究中心博士后黎雨晗、广州海洋地质调查局教授级高工姚永坚为共同通讯作者。西南次海盆位于南海渐进式海底扩张西南端，是研究南海海底扩张与构造演化的关键区域。研究团队于2021年采集了一条横跨西南次海盆的540公里二维主动源海底地震仪（OBS）深地震剖面（SWSCS2021），首次实现对该区域洋壳、洋陆转换边界（COB）及共轭陆缘的“CT扫描”。通过广角反射/折射联合层析成像技术，团队揭示了西南次海盆海底扩张与洋壳增生的两阶段演化模式。第一个为岩浆充裕期（>19.2 Ma）：扩张速率超20毫米/年，形成典型双层洋壳结构，玄武岩层（层2）与辉长岩层（层3）速度梯度存在明显差异，莫霍面（Moho面）反射信号强烈，残余扩张脊（EMR）两侧呈对称扩张。第二个是岩浆匮乏期（<19.2 Ma）：扩张速率骤降至20毫米/年以下，洋壳极度变薄，Moho面消失，在薄洋壳下方存在蛇纹石化地幔，EMR两侧呈不对称扩张，构造作用取代岩浆活动成为主导。结合前人板块重建数据，团队提出：古南海向北俯冲终止引发的区域构造应力场突变，是驱动扩张机制从岩浆主导转向构造主导的核心诱因，这一发现为边缘海如何死亡提供了直接证据。该成果不仅为揭示南海渐进式扩张的动力学演化过程提供了关键的新证据，丰富与完善了边缘海形成演化理论，更为我国即将实施的南海大洋钻探计划优选了钻探靶区。本项研究得到国家自然科学基金项目和中国科学院南海海洋研究所自主部署项目等项目的联合资助。相关论文信息：Zhang,J.,Li,Y.,Yao,Y.,Zhao,M.,Grevemeyer,I.,Sallares,V.,et al. (2025). Seismic structure and the variation of magmatic budget in the southwest sub-basin of the South China Sea. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,130,e2025JB031304. 论文链接：https://doi.org/10.1029/2025JB031304图1 南海西南次海盆的二维主动源OBS深地震探测实验（SWSCS2021）图2 南海西南次海盆SWSCS2021测线的纵波速度结构及其地质解释

2025-08-19

广州能源所在碳排放“双控”制度研究方面取得系列进展

中国科学院广州能源研究所能源战略与碳资产研究中心王文军研究员课题组围绕碳排放“双控”制度下碳预算管理体系的构建与应用展开深入探索，取得系列进展。2023年7月，中央全面深化改革委员会第二次会议审议通过了《关于推动能耗双控逐步转向碳排放双控的意见》，标志着以碳排放“双控”制度为抓手推进经济高质量发展成为新时期绿色低碳机制创新的关键。中国科学院广州能源研究所能源战略与碳资产研究中心王文军研究员课题组围绕碳排放“双控”制度下碳预算管理体系的构建与应用展开深入探索，取得系列进展。课题组首先对全球主要国家碳排放总量管理制度即碳预算制度的理论和实践进行了深度剖析，从概念、内容、工具等维度绘制了碳预算制度架构全景图；其次，对主要国家的碳预算制度开展了中国适用性分析，提出适合中国国情的碳预算管理制度框架；第三，构建了可持续发展与碳排放脱钩模型SDCEM，对中国30个省份近20年的脱钩状态进行了时空特征分析，研究发现社会福利水平的均等状态对碳排放增速的影响正变得越来越重要，提出我国未来脱碳政策需重视非经济要素脱碳管理的观点；第四，开展重点耗能行业的碳预算制度建设与技术路径研究。研究为相关政策制定提供了坚实的科学支撑。研究成果发表在《中国科学院院刊》《中国软科学》《资源科学》Energy等学术期刊上，出版学术专著《碳预算制度体系研究：国际案例与中国方案》（北京：科学出版社，2025）。课题组在研究过程中得到了能源基金会低碳转型项目部的率先资助和滚动资助，后续得到了中国社会科学院重大创新项目、气候工作基金等方面的支持。论文、专著：王文军，黄辉泉，赵栩婕，等. 国外碳预算制度剖析及中国适用性研究[J]. 中国科学院院刊, 2025, 40(8): 1464-1477, doi: 10.3724/j.issn.1000-3045.20240712003.赵栩婕，王文军，谢鹏程，等. 可持续发展与碳排放脱钩模型构建与应用[J]. 资源科学, 2024, 46(11): 2194-2209. DOI: 10.18402/resci.2024.11.08.李帅威, 王文军.全球锂电池产业链贸易格局演化、趋势研判及韧性分析[J].中国软科学, 2025, (04):26-40. doi.10.3724 /1005-0566.20250403.Zhang Xiande, Fu Chonghui, Xie Pengcheng, Bo Yajie, Pan Feng, Wang Wenjun*, Carbon price prediction model based on multi-agent and environmentco-evolution, Energy, Volume328, 2025, 136679, ISSN0360-5442, https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.136679.王文军，傅崇辉，等著. 碳预算制度体系研究：国际案例与中国方案[M].北京：科学出版社，2025年。

2025-08-19

华南植物园揭示光敏色素phyA动态乙酰化修饰调控远红光信号转导分子机制导分子机制

近日，中国科学院华南植物园刘勋成团队在植物科学领域著名期刊Molecular Plant(《分子植物》)上发表了题为“HDT2-mediated lysine deacetylation promotes phytochrome A degradation during photomorphogenesis in Arabidopsis”的研究论文。该研究阐明：拟南芥远红光受体——光敏色素phyA的稳定性受乙酰化修饰动态调控，赖氨酸去乙酰化酶HDT2通过介导phyA去乙酰化，促进其泛素化与蛋白降解，从而精确调控远红光信号转导与幼苗光形态建成。该成果不仅深化了对光受体稳定性调控机制的理解，同时揭示了非组蛋白乙酰化修饰在光形态建成中的关键作用。1、研究背景光敏色素phyA是植物中唯一特异性感知远红光信号的受体蛋白。在暗生长幼苗中phyA大量累积，而出土照光后迅速发生降解——该过程对于幼苗光信号传递与光形态建成至关重要。然而，phyA稳定性如何被精确调控仍是未解之谜。赖氨酸（K）乙酰化作为进化保守的蛋白质翻译后修饰，既往研究多聚焦于组蛋白调控领域，非组蛋白（如光受体）乙酰化修饰在光形态建成中的作用尚属空白。2、研究内容（1）乙酰化组学揭示幼苗从黑暗到照光过程中发生全局去乙酰化事件研究团队通过Western blot实验发现，幼苗从黑暗转入光照后，整体乙酰化水平显著下降。进一步利用乙酰化组学技术系统鉴定该过程中发生修饰变化的蛋白及位点，发现光诱导了大量的蛋白和位点发生去乙酰化。phyA蛋白上存在4个保守的赖氨酸乙酰化修饰位点（K65，K296，K536和K744），其中K65和K744位点发生显著的去乙酰化（图1）。图1. 乙酰化组学分析发现phyA多个赖氨酸位点发生乙酰化修饰（2）K65位点乙酰化影响phyA稳定性、远红光信号转导以及幼苗光形态建成通过构建位点特异模拟乙酰化和去乙酰化的转基因回补材料，研究人员证实仅K65位点的乙酰化状态影响了phyA的生物学功能。进一步分析发现，该位点同时也是关键的泛素化修饰位点，其突变显著降低了phyA泛素化水平与降解速率，从而影响了下游转录因子HY5的水平与光响应基因的表达。免疫共沉淀实验表明，光照诱导的K65位点去乙酰化，直接促进了phyA泛素化修饰，进而被26S蛋白酶体途径降解。以上研究首次揭示光诱导的phyA降解需经历“去乙酰化-泛素化”级联反应。图2. 乙酰化修饰影响phyA的稳定性与生物学功能（3）赖氨酸去乙酰化酶HDT2介导phyA的去乙酰化通过蛋白质复合体等互作实验发现，植物特有的赖氨酸去乙酰化酶HDT2在光照后与phyA在细胞核内特异结合。生化分析显示，照光后HDT2催化phyA的K65位点去乙酰化，促进了其泛素化和蛋白降解。超表达HDT2促进而突变HDT2抑制phyA的蛋白降解。遗传证据进一步表明，HDT2特异性参与了phyA介导的远红光信号途径。综上，研究团队揭示了HDT2-phyA调控模块的核心分子机制：在黑暗条件下，phyA以高乙酰化状态累积；幼苗出土照光后，phyA进入细胞核被HDT2去乙酰化，进而触发泛素化修饰与26S蛋白酶体途径降解。该级联反应精确调控了远红光信号转导与光形态建成。值得关注是，团队近期在Plant Communications（2025）在线发表了“乙酰化-磷酸化互作”调控向光素phot1激酶活性与植物向光性的研究成果。系列工作表明：乙酰化通过协同泛素化、磷酸化等翻译后修饰，构成植物光信号转导的多维调控网络。图3. HDT2介导phyA去乙酰化调控远红光信号与光形态建成3、研究团队中国科学院华南植物园郑枫助理研究员、硕士研究生欧文立与邓玲为论文的共同第一作者，刘勋成研究员为通讯作者。博士研究生王雅寒与陈航聪，硕士研究生陈依婷、彭滔与杨泳仪，以及国际合作者Jaime A. Teixeira da Silva博士参与了该项研究工作。相关研究得到国家自然科学基金与中国科学院青年创新促进会优秀会员项目资助。

2025-08-18

广州地化所刘亮等-NC: 地幔内残余块体对地幔上涌的透镜式聚焦

“松辽沉积为何这么厚”、“南海洋底为何那么深”是徐义刚院士在2018-19年间给团队成员列出的两道、又像是同一道难题。一般认为，在岩石圈伸展结束后的热沉降阶段，裂谷盆地仍然会维持一种缓慢、平滑且相对持续的沉降过程；若没有后续伸展、挤压等岩石圈改造作用的叠加，盆地基底的深度会无限趋近于某一固定值。然而，在诸如松辽盆地、渤海湾盆地、中国南海等研究区，基底似乎在岩石圈应力趋于中性后又经历了至少一期的加速沉降，致使基底深度（沉积物厚度）远大于基于拉伸量的理论预测值。前人研究表明，在岩石圈层位的动力学演化过程（如：周缘俯冲、区域伸展、岩浆底侵、地壳流等）很难解释此类出现在较薄陆缘岩石圈之上狭长区域内的“异常”沉降现象。图1. 典型研究区的地幔波速结构。（a）图d的切面位置图。（b）图f的切面位置图。（c）图g的切面位置图。（d）东北亚地幔波速结构切面。（e）东北亚750公里深处的平均波速结构。（f）黄石-斯内克河平原下方的地幔波速结构切面。（g）中国南海下方的地幔波速结构切面。针对以上特殊地质现象，中国科学院广州地球化学研究所徐义刚院士团队经研究发现，在典型研究区正下方的深部地幔内，都（曾）存在有疑似的下地幔上涌（地幔柱？）与地震波高速体共存的现象（此类高波速结构可能代表了俯冲板块或拆沉岩石圈块体，在此统称为“残余块体”）（图1）；团队成员进而尝试提出了深部地幔上涌与残余块体相互作用导致浅表异常沉降—这一“反常规”的研究假设，并联合中国科学院地质与地球物理研究所刘丽军研究员团队、巴塞罗那海洋科学研究所的Jason P. Morgan教授，基于正演数值模拟与多学科观测联合约束的思路开展了系列的探索性研究工作。团队模拟结果显示，当660公里深处相变密度跳变 ≥7% 且相变克拉贝龙斜率>-2.8 MPa/K时，在上涌物质到达岩石圈底部之前，地表容易出现几十米至八百米深不等、1000-2000公里宽的沉降区（图2b）。但是，该沉降区却难以长久维持，当上涌物质到达岩石圈底部后，地形会出现反转、甚至恢复到沉降前的状态（图2c）。地表的沉降幅度，会因为地幔上涌途中接近正在下沉的残余块体而加强至公里级，但沉降中心的宽度却会显著缩小至200公里左右（图2d-2f）。在这类模型中，当上涌物质到达岩石圈底部后，只会导致沉降区一侧的地形发生反转，未受到上涌托举影响的另一侧岩石圈，则可以最终保留公里级的低洼地形（图2f）。因此，下沉残余块体会像“放大镜”一样，把深部地幔上涌（柱）对地形的影响放大并聚焦到相对有限的区域，导致狭长带内出现可维持的地表沉降，研究团队将该现象称为残余块体对地幔上涌的透镜式聚焦效应。图2. 代表性数值模型结果。（a）-（c）仅地幔上涌的模型。（e）-（f）地幔上涌与沉降残余块体共存的模型。团队测试过的其他动力学演化过程见文章正文。该研究还表明，在缺乏决定性地质学或地球物理学证据的研究区，下地幔低波速结构、上地幔高波速结构与浅表狭长地带内异常沉降现象的共存，可能为指示深部地幔存在有快速的物质上涌或正在形成的地幔柱提供判别依据（图3）。此外，该研究工作所侧重的，地球内部在表生系统中作用的研究理念，在我国正逐渐得到重视。约10年前启动的中国科学院先导专项“地球内部运行机制与地表系统演化”，与在2024年启动的国家自然科学基金委重大研究计划“地球宜居性的深部驱动机制”均是在这个方向的有益探索。图3. 残余块体对深部地幔（柱）上涌的透镜式聚焦效应示意图。本项工作发表于国际学术期刊Nature Communications，受到国家自然科学基金委重大研究计划（92479001）、基础科学中心项目（42288201）、国家重点研发计划—常规项目（2024YFF0808200）和青年科学家项目（2024YFF0809600）的联合资助。论文信息：Liu,L.*（刘亮），Cao, Z.（曹泽斌），Morgan, J.P.，Hua,Y-Y（华远远），Liu, L.J.*（刘丽军），Yang,F. （杨帆），Long,S.M.（龙时迈），Xu,Y.G.（徐义刚），2025,Nature Communications, 16,7603. 全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-62987-1

2025-08-18

亚热带生态所 | 喀斯特关键带多界面径流触发机制及其高效利用潜力研究取得进展

中国科学院亚热带农业生态研究所环江喀斯特生态系统观测研究站在喀斯特山坡关键带多界面产流机制及浅表层水资源高效利用新途径方面取得进展，相关研究成果近期以Harnessing subsurface flow at the soil‐bedrock interface as a hidden water resource for rainwater harvesting: Insights from long‐term hydrological monitoring on a humid karst hillslope为题发表在美国地球物理学会（AGU）旗舰期刊Water Resources Research，陈洪松研究员为论文通讯作者，付智勇研究员为第一作者。中国科学院亚热带农业生态研究所环江喀斯特生态系统观测研究站在喀斯特山坡关键带多界面产流机制及浅表层水资源高效利用新途径方面取得进展，相关研究成果近期以Harnessing subsurface flow at the soil‐bedrock interface as a hidden water resource for rainwater harvesting: Insights from long‐term hydrological monitoring on a humid karst hillslope为题发表在美国地球物理学会（AGU）旗舰期刊Water Resources Research，陈洪松研究员为论文通讯作者，付智勇研究员为第一作者。西南喀斯特区虽降水丰沛，但土层浅薄、岩石渗漏性强，地表存不住水，地下水深埋。在广大尚未实现集中供水的偏远喀斯特山区，工程性缺水与岩溶干旱问题突出，集蓄雨洪径流仍然是该区不可替代的干旱缓解策略。喀斯特山区地下岩溶空间形成的复杂网络状裂隙、管道、地下河系统替代了地表沟道系统，导致其地表沟道系统不发育，无法准确判别径流路径，采用传统土山区的小型蓄排灌工程，很难达到雨洪径流的高效调蓄与利用。因此，从地球关键带及山坡水文学的视角，系统揭示降雨过程中喀斯特山坡主要水文路径及其产流机制，是研发适用于该区特殊地质背景的水资源高效利用模式、创建高精度水文预测模型的前提。研究依托环江站喀斯特关键带地上-地下水土过程联动观测平台，基于长期水文水化学监测与岩土结构精细刻画，系统揭示了喀斯特山区浅表层关键带主要水文路径与径流触发机制，证实了浅表层岩土界面壤中流是喀斯特山坡次降雨径流的重要组成部分，其能作为一种方便利用的新水源，有望解决传统依靠地表集水面的雨洪径流集蓄方法在该区适用性差的问题。研究结果表明：喀斯特山坡岩土界面壤中流流量显著高于地表径流，雨季尤为明显；若将岩土界面壤中流归并到雨洪径流集蓄系统，雨水收集效率从2.2%提高到13.1%；控制岩土界面壤中流发生概率的关键结构因素包括土壤厚度和基岩风化程度，浅土层（<50 cm）和弱风化基岩分布区是发生岩土界面壤中流的热点区域；次降雨量、前期降雨量及岩土系统水分亏缺量是影响岩土界面壤中流量的主要气象因子。本研究基于野外台站大平台，跨越了地学生态学基础理论研究与生产应用实践之间的鸿沟，有望探索出一条基于坚实理论研究认识支撑的技术研发和产业应用系统性解决方案新路径。本研究证明，岩土界面壤中流是喀斯特山区一种尚未普遍认识到的重要雨洪资源，其为喀斯特山区水资源“开源”提供了一种新思路。充分考虑并利用喀斯特浅层多界面隐蔽伏流路径，有望将喀斯特山区传统点上单一集水转变为面上多途径互补集水模式，形成多来源相补、季节均衡的雨水集蓄新模式，从而拓展旱季救命水保障渠道，为缓解全球广大喀斯特区岩溶干旱问题提供理论与技术支撑。该研究得到了国家自然科学基金联合重点基金、国家重点研发计划项目的资助。论文链接喀斯特山坡地表径流与岩土界面壤中流交互作用及其对降雨量的响应机制

2025-08-17