科研进展--中国科学院广州分院

植物物种多样性支撑生态系统的结构和基本功能，是开展植被修复工程必须考虑的关键问题。多项证据显示，增加植物物种多样性有助于改善生态系统的碳汇功能，因为生态学互补效应可以促使植物群落吸收更多的大气二氧化碳。由于碳、氮循环的紧密耦合，生态系统的碳汇能力和可持续性很大程度上还取决于土壤氮的有效性。现有的研究表明，增加生态系统植物物种多样性可以提高土壤有效氮水平，但在部分案例中，土壤有效氮水平也可能随着植物物种多样性的增加呈现出减少或保持不变的现象。这种不确定性极大的限制了我们对植物与土壤氮动态关系的认识。
　　植物物种多样性支撑生态系统的结构和基本功能，是开展植被修复工程必须考虑的关键问题。多项证据显示，增加植物物种多样性有助于改善生态系统的碳汇功能，因为生态学互补效应可以促使植物群落吸收更多的大气二氧化碳。由于碳、氮循环的紧密耦合，生态系统的碳汇能力和可持续性很大程度上还取决于土壤氮的有效性。现有的研究表明，增加生态系统植物物种多样性可以提高土壤有效氮水平，但在部分案例中，土壤有效氮水平也可能随着植物物种多样性的增加呈现出减少或保持不变的现象。这种不确定性极大的限制了我们对植物与土壤氮动态关系的认识。
　　为探讨植物物种多样性对土壤有效氮水平的影响机制，中国科学院亚热带农业生态研究所李德军研究员团队以西南亚热带喀斯特森林生态系统为研究对象，选取45个植物物种多样性（香农-威纳指数）介于0.15至3.57的样方开展研究工作。结果表明，植物物种多样性显著提高了土壤有机氮矿化速率、硝化速率、微生物无机氮同化速率以及净氮矿化、净硝化速率。土壤供氮能力的提高促使有效氮水平沿植物物种多样性梯度显著增加。进一步分析表明，土壤初级氮转化速率受到土壤有机质和微生物属性的强烈影响。其中，土壤微生物量、微生物chiA基因丰度、细菌和古菌amoA基因丰度的增加是导致有机氮矿化速率、硝化速率沿植物物种多样性梯度显著增加的关键原因。而微生物无机氮同化速率的提高则与高植物物种多样性背景下土壤有机质的积累密切相关。该研究强调了植物物种多样性在调节土壤有效氮供应方面具有关键作用，并揭示了背后的机理。这些发现可以纳入到地球系统模型中，以更好地预测土壤氮可利用性水平和碳汇能力对植物物种多样性变化的响应。
　　上述成果得到了国家自然科学基金联合重点项目（U21A2007）和广西“八桂学者”项目的支持，并以Plant species diversity enhances soil gross nitrogen transformations in a subtropical forest, southwest China为题，发表在Journal of Applied Ecology上。
　　论文链接
　　研究区位置和采样点示意图
　　植物物种多样性对土壤无机氮含量及其转化过程的影响

2023-04-19

南海海洋所研究提出南海大陆岩石圈破裂及其洋盆打开的三维地质模型

　　近日，中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质重点实验室（OMG）赵明辉研究团队联合国内外多位科学家，对南海北部陆缘IODP钻探区的深部结构开展了深入研究，并提出大陆岩石圈破裂和洋盆打开的三维地质模型，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。张佳政为论文第一作者和通讯作者，赵明辉为共同通讯作者，丁巍伟、César R. Ranero、Valenti Sallares、高金尉、张翠梅和丘学林为共同作者。
　　南海是西太平洋最大的边缘海，其陆缘类型、张破裂模式及形成演化过程一直是国内外地学界研究热点。南海国际大洋发现计划（IODP）受到钻井数量及钻探深度的局限性，实施三维深部结构探测与研究，可以最大程度地解读南海如何经过张裂-破裂并演变成洋盆的过程。
　　基于三维OBS深地震探测实验结果（图1&2），结合重力、磁力、多道地震和IODP钻井资料，研究人员精准确定了南海北部陆缘IODP钻探区的陆洋过渡带（COT）范围，阐明了北部陆缘地壳结构在横向上的剧烈变化，划分出两个不同的陆缘段，东段（包含L5主测线）显示受到构造和岩浆的共同作用，西段（包含L2主测线）则以构造伸展为主，研究认为先存的岩石圈局部非均质性造成了陆缘分段破裂及其不同的张破裂样式。
　　本研究创新性提出南海大陆岩石圈破裂及其洋盆打开的三维地质模型（图3），实现了从“点（钻孔）”到“面（二维）”、到“体（三维）”的拓展，建立了一个有钻孔约束和多视角呈现的边缘海张裂陆缘研究范例，丰富和完善了张裂陆缘的形成演化模式。本项研究得到国家自然科学基金项目（41730532, 91958212, U20A20100）的联合资助。
　　相关论文信息：
　　Zhang, J., Zhao, M., Ding, W., Ranero, C. R., Sallares, V., Gao, J., Zhang, C., Qiu X. (2023). New Insights into the Rift-to-Drift Process of the Northern South China Sea Margin Constrained by a Three-dimensional Wide-angle Seismic Velocity Model. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 128, e2022JB026171.
　　https://doi.org/10.1029/2022JB026171
　　图1 南海北部陆缘IODP钻探区的三维OBS深地震探测实验
　　
　　图2三维纵波速度结构的多视角呈现
　　
　　图3 南海大陆岩石圈破裂及其洋盆打开的三维地质模型
　　

2023-04-18

南海海洋所在河口食物网新污染物生物富集机制研究取得新进展

　　海洋环境中的新污染物不仅直接危害生物群落，还可以通过迁移转化和在生态系统各单元之间的传递，对整个海洋生态系统构成严重威胁。因此，准确阐释海洋新污染物在生态系统层面的富集规律和传递机制成为海洋生态环境保护中一个亟待回答的重要科学问题。近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室徐向荣团队在新污染物（有机磷阻燃剂和类固醇激素）河口食物网生物富集与传递机制方面取得了最新研究进展，详细解析了污染物代谢转化过程对河口食物网富集和传递效率的关键影响机制，为探索海洋生态系统层面新污染物的生态效应提供了新思路。
　　研究团队对珠江口典型食物网中有机磷阻燃剂（OPFRs）及其代谢产物的生物富集与传递机制进行了深入解析。研究发现，磷酸三(2-丁氧基乙基)酯（TBOEP）和磷酸三(2-氯丙基)酯（TCPP）是食物网中富集量较高的OPFRs；磷酸二正丁酯（DNBP）、2-(2-丁氧基乙基)磷酸酯（BBOEP）、磷酸二苯酯（DPHP）是丰度较高的代谢产物，且代谢产物浓度接近甚至超过对应的OPFRs。大部分OPFRs未呈现显著生物放大现象，有的甚至呈现生物稀释现象；与此同时，生物体中OPFRs代谢产物的浓度随营养级升高而升高，形成OPFRs代谢产物的“伪生物放大现象”。然而，这这种现象并不是由于代谢产物的营养传递引起的，而是因为高营养级生物的代谢转化能力更强，使得更多的OPFRs被转化为代谢产物而富集于体内造成的。这一现象与阻燃剂母体化合物的生物稀释（或不显著生物放大）相对应，共同说明代谢转化是影响OPFRs食物网传递的重要机制（图1）。以上成果在发表环境领域权威期刊Environmental Science & Technology（自然指数期刊、IF: 11.357）上，团队硕士生黄倩怡为论文第一作者，侯瑞副研究员和徐向荣研究员为共同通讯作者。
　　图1 珠江口食物网中OPFRs及代谢产物的共富集与传递过程
　　此外，研究团队通过酶解的方法系统研究不同形态类固醇激素（自由态和结合态）在河口食物网中的组成、生物富集和食物网传递规律，讨论了类固醇激素的化学性质和生物自身因素对生物富集的影响。研究发现，与非酶解法处理的生物样品相比，经酶解处理的生物样品中检出的类固醇激素总浓度更高，且种类更多。自由态和结合态的代谢物是河口生物组织中类固醇的重要组成。大多数合成类固醇具有生物富集性。生物样品的体长、体重、水含率和营养级对生物富集有明显影响，而脂质含量和疏水性则无影响。在无脊椎动物食物网中，17α-methyltestosterone呈现生物放大，而17β-boldenone则呈现生物稀释现象。17β-boldenone、17α-methyltestosterone、prednisolone和norgestrel的结合态代谢物在整个食物网中呈现生物稀释现象。该研究结果表明，在以后的研究中应充分重视不同形态的代谢物的存在，特别是在生物样品中，否则可能会严重低估类固醇激素的生态风险和人体健康风险（图2）。以上成果发表于环境领域权威期刊Water Research（自然指数期刊、IF: 13.4）上，刘珊副研究员为论文第一作者，徐向荣研究员为通讯作者。
　　图2 珠江口食物网中类固醇激素及代谢产物的生物富集和食物网传递
　　综上所述，我们认为海洋新污染物的代谢产物本身同样具有一定生物累积性，解析污染物的代谢转化过程并甄别代谢产物在食物网中共积累情况可为揭示新污染物富集规律和食物网传递机制提供重要视角。
　　该研究得到了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划、南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）重大专项创新团队项目、南方海洋科学与工程广东省实验室项目、广东省基础与应用基础研究基金、广州市科技计划项目等的资助。
　　相关论文信息：
　　Huang, Qianyi; Hou Rui*; Lin, Lang; Li, Hengxiang; Liu, Shan; Cheng Yuanyue; Xu, Xiangrong*. Bioaccumulation and Trophic Transfer of Organophosphate Flame Retardants and Their Metabolites in the Estuarine Food Web of the Pearl River, China, Environmental Science & Technology, 2023, 57(9): 3549-3561. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.2c05619.
　　Liu, Shan; Xu, Ru; Pan, Yun-Feng; Huang, Qian-Yi; Wu, Nian-Nian; Li, Heng-Xiang; Lin, Lang; Hou, Rui; Xu, Xiang-Rong*. Free and conjugated forms of metabolites are indispensable components of steroids: The first evidence from an estuarine food web. Water Research, 2023, 235, 119913. https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.119913.
　　

2023-04-17

华南植物园揭示热带森林转变下功能碳库调控土壤有机碳来源机制

植物（如木质素）和微生物代谢产物（如氨基糖）是土壤有机碳库的重要来源，由于微生物来源碳具有较高的稳定性，因此不同来源组成对土壤有机碳库的稳定性具有重要影响。同时，不稳定的颗粒有机碳和相对稳定的矿物结合态有机碳是目前国际上普遍认可的两大主要功能碳库组分，其分布对土壤有机碳的形成和稳定具有举足轻重的作用。533-546 ），但对恢复的逆向过程即热带原始林的转变下不同来源碳积累特征及功能碳库组分的分布对土壤有机碳库的积累和稳定缺乏比较和量化评估，相关研究的开展不仅有助于提升热带森林转变过程土壤碳固持的机制性理解。图：热带森林转变下土壤有机碳中氨基糖与木质素的积累受功能碳库组分的调控作用。
　　植物（如木质素）和微生物代谢产物（如氨基糖）是土壤有机碳库的重要来源，由于微生物来源碳具有较高的稳定性，因此不同来源组成对土壤有机碳库的稳定性具有重要影响。同时，不稳定的颗粒有机碳和相对稳定的矿物结合态有机碳是目前国际上普遍认可的两大主要功能碳库组分，其分布对土壤有机碳的形成和稳定具有举足轻重的作用。由于人口增长和经济发展的需求，大量热带原始林被砍伐转变为人工林，造成大量碳损失，严重威胁热带雨林的土壤碳固持。前期研究发现植被恢复可显著增加土壤有机碳固持和微生物来源碳的积累（Li et al., 2023, Global Change Biology, 29, 533-546），但对恢复的逆向过程即热带原始林的转变下不同来源碳积累特征及功能碳库组分的分布对土壤有机碳库的积累和稳定缺乏比较和量化评估，相关研究的开展不仅有助于提升热带森林转变过程土壤碳固持的机制性理解，也可为区域生态森林管理实践和气候变化应对提供科技支撑。
　　中国科学院华南植物园恢复生态学研究团队基于马来西亚森林研究所的帕索森林保护区（2°58′N, 102°18′E）,以原始林、次生林、油棕林和橡胶林为研究对象，探究了热带原始林转变下土壤木质素与氨基糖的积累特征及颗粒有机碳与矿物结合态有机碳对土壤有机碳固持的影响。研究发现：（1）原始林转变为橡胶林显著降低了土壤有机碳及其功能碳库组分的积累，改变了功能碳库组分的分布，同时降低了土壤木质素的积累，但显著增加了氨基糖对土壤有机碳库的贡献；（2）随土壤有机碳浓度的增加，土壤有机碳中木质素（增加）与氨基糖（降低）呈现相反的积累趋势，却未在颗粒有机碳与矿物结合态有机碳组分中发现此趋势，说明不同来源碳积累的权衡关系可能是土壤有机碳库的整体属性，并受功能碳库组分的调控作用；（3）土壤理化性质对氨基糖的积累影响较大，木质素的积累受土壤微生物性质影响较大，表明热带森林转变可通过改变土壤理化和微生物性质影响土壤有机碳来源的积累；（4）热带原始林转变对土壤碳库形成与稳定的影响与转变的森林类型有关，并受人为管理措施如施肥等的影响，因此，可通过转变的植被类型和管理措施维持和提升土壤碳固持能力。
　　相关研究成果已近期发表在国际学术期刊Science of the Total Environment（《总体环境科学》）上，中科院华南植物园博士后李腾腾为论文的第一作者，刘占锋研究员和日本国立环境研究所梁乃申研究员为论文的共同通讯作者。该研究工作得到了广东省重点领域研发计划、国家自然科学基金和中国科学院青年创新促进会项目等资助与支持。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.163204
　　
　　图：热带森林转变下土壤有机碳中氨基糖与木质素的积累受功能碳库组分的调控作用。
　　

2023-04-17

湘猪育种第一“芯”：64K cGPS液相芯片研发成功

“种业振兴，良种先行”。优良的猪种是现代化和高效养猪生产的前提和核心。湖南拥有丰富的地方猪遗传资源，主要有宁乡猪、沙子岭猪、大围子猪、湘西黑猪、黔邵花猪等多个品种，因适应性强、耐粗饲和肉质风味独特深受广大养殖户和消费者喜爱。地方猪品种的种质资源保护和良种选育工作较为落后，导致地方猪繁殖、肉质、抗逆性等优良性状退化，且地方猪生长速度慢，严重影响经济效益。利用高效的现代分子育种技术和工具，多维度、多层次开发和利用地方猪优异种质资源是振兴湖南生猪产业的重要举措。
　　“种业振兴，良种先行”。优良的猪种是现代化和高效养猪生产的前提和核心。湖南拥有丰富的地方猪遗传资源，主要有宁乡猪、沙子岭猪、大围子猪、湘西黑猪、黔邵花猪等多个品种，因适应性强、耐粗饲和肉质风味独特深受广大养殖户和消费者喜爱。地方猪品种的种质资源保护和良种选育工作较为落后，导致地方猪繁殖、肉质、抗逆性等优良性状退化，且地方猪生长速度慢，严重影响经济效益。利用高效的现代分子育种技术和工具，多维度、多层次开发和利用地方猪优异种质资源是振兴湖南生猪产业的重要举措。
　　由中国科学院亚热带农业生态研究所印遇龙院士团队牵头，联合湖南农业大学与华智生物技术有限公司科研团队，利用cGPS（Genotyping by Pinpoint Sequencing of captured targets）靶向测序技术合作开发了首款适用于湘猪等地方猪的64K cGPS育种液相芯片。其应用将有效提高地方猪重要性状遗传基础解析和优异基因资源挖掘的准确性，提升生猪核心种源自主选育的效率，引领现代特色优质生猪种业发展，对推动生猪产业高质量发展具有重要战略意义。
　　【产品特色】
　　1、位点多态性好、基因组分布均匀
　　选择多样性丰富的湖南地方猪种（宁乡猪、沙子岭猪、黔邵花猪、大围子猪等）和广东地方猪种（蓝塘猪，粤东黑猪等），基于其全基因组重测序数据，筛选到湖南、广东地方猪种中高多态位点64 K，均匀覆盖全基因组（图1）。利用该芯片在猪早期进行分子标记辅助育种选择，提高生猪育种效率。
　　2、品种特异性位点及功能位点丰富
　　芯片包含宁乡猪和广东猪等品种特异性位点，包含背膘厚、肉质等功能分子标记位点256个，可进行背膘厚、肉质等重要性状基因的挖掘利用。
　　图1 湘猪64K cGPS液相育种芯片SNP标记在染色体上的分布
　　3、产品技术参数优良
　　经样本测试，该产品位点检出率高，平均检出率为99.23% （图2）。产品稳定性好，重复样本基因型平均一致率为99.31 %，整体性能优良（图3）。
　　图2 湘猪64K cGPS育种液相芯片样本基因型检出率
　　图3 湘猪64K cGPS育种液相芯片重复样本基因型一致率
　　【产品应用】
　　1. 遗传多样性评估、种质资源和亲缘关系鉴定（图4）
　　2. 基因图谱构建及基因定位、全基因组关联分析
　　3. 分子设计育种（分子标记辅助选择、全基因组选择等）
　　4. 重要性状的筛选培育和功能分析
　　图4 不同地方猪样本聚类分析图
　　【研发团队】
　　1、中国科学院亚热带农业生态研究所印遇龙团队
　　印遇龙，一级研究员，博士生和博士后导师，中国工程院院士。曾在德国国家农科院动物营养所、英国女皇大学、加拿大Guelph大学学习和工作，获英国女皇大学哲学博士学位。现任畜禽养殖污染控制与资源化技术国家工程实验室主任，先后获全国五一劳动奖章、优秀共产党员、全国创新争先奖和湖南省科学技术杰出贡献奖等殊荣。长期从事畜禽健康养殖与遗传改良的研究工作，先后主持完成科研项目30多项，带领团队发表SCI收录论文300多篇，被引用9000多次，H指数高达62（根据国内全球学者网站2021年10月报道，印遇龙为全球顶尖前1万名科学家），从2011年至今连续入选汤森路透全球高被引科学家(2014年和2015年全球中国引文桂冠奖)；主编中英文专著12部，获发明专利42项；以第一完成人获国家科技进步奖三项和国家自然科学奖一项，获World Animal Nutrition奖和第14届世界猪消化生理大会杰出猪消化生理科学家奖。
　　2、华智生物技术有限公司
　　华智生物是在农业农村部倡导下，国家发改委、科技部、湖南省等相关部省委支持下由中信农业、隆平高科等十余家龙头种企和专业机构共同组建的、我国领先的第三方生物种业关键共性技术平台和国家级分子育种创新服务平台，入选国家农作物、畜禽、水产三大类种业阵型专业化平台企业和首批20家种业打假维权种子检测机构推荐名单。
　　华智生物融合生物技术（BT）与数据技术（DT），为客户提供基因型鉴定、种质资源鉴定评价、优异性状基因创制挖掘鉴定、生物信息分析、种质创新创制、分子和智能育种、生物智能大数据管理和应用、品种测试评价、种子质量/土壤环境/农产品安全检验检测、生物技术法规服务等全链条和一站式综合解决方案。

2023-04-14

华南植物园发表竹类一新属——以礼竹属

竹类植物隶属于禾本科竹亚科，全世界有136属约1700种，主要分布在热带及亚热带地区。我国的竹类资源极为丰富，目前已记录有38属约540种，是竹亚科的现代分布中心之一。竹类植物是重要的森林资源，具有食用、材用、观赏、药用等多种利用价值，对维持生态平衡也有重要的作用。但由于竹类开花周期长，标本采集难度大，因此也是被子植物分类中较为困难的类群。随后，科研人员通过叶绿体基因组系列分析了该种的系统位置，结果与前人基于核基因的研究结果一致，该种与华赤竹属的物种是姐妹类群，而与其他矢竹属物种关系都较远。基于叶绿体基因组数据构建的青篱竹族系统发育树,示以礼竹（毛花茶秆竹）的系统位置。
　　
　　竹类植物隶属于禾本科竹亚科，全世界有136属约1700种，主要分布在热带及亚热带地区。我国的竹类资源极为丰富，目前已记录有38属约540种，是竹亚科的现代分布中心之一。竹类植物是重要的森林资源，具有食用、材用、观赏、药用等多种利用价值，对维持生态平衡也有重要的作用。但由于竹类开花周期长，标本采集难度大，因此也是被子植物分类中较为困难的类群。
　　矢竹属（Pseudosasa Makino ex Nakai）是竹亚科青篱竹族的一个小属，全世界约有20种，主要分布在中国（16种）、日本（3种）和越南（1种）。先前的研究表明该属不是单系类群，日本的种类和中国的种类分布于系统树不同的分支上。两群植物的形态也有较大差异：日本的种类具有宿存的秆箨，秆每节仅具1分枝（稀顶部具3分枝），雄蕊3至5枚，而中国的种类秆箨早落，秆每节具1至3分枝，雄蕊3枚。其中特产于湖南南部的纤细茶秆竹（P. gracilis S. L. Chen & G. Y. Sheng）的系统位置尤为特殊，该种在系统树上总是与华赤竹属（Sinosasa L. C. Chia ex N. H. Xia et al.）的物种聚成一支，而与国产其他矢竹属的物种关系较远。有些学者认为该种不是典型的矢竹属成员，或认为它可能与产自广东北部的毛花茶秆竹[P. pubiflora (Keng) Keng f. ex D. Z. Li & L. M. Gao]为同种，且可能是箬竹属（Indocalamus Nakai）的成员。因此，该种的名实问题和归属需要进一步研究。
　　中科院华南植物园植物中心童毅华博士等科研人员通过馆藏标本查阅和野外考察，确认纤细茶秆竹以及产自湖南的蓝山玉山竹（Yushania lanshanensis T. H. Wen），产自广东的薄鞘茶秆竹（Arundinaria teuivagina W. T. Lin）以及产自江西的抽展茶秆竹（P. parilis T. P. Yi & D. H. Hu）均为毛花茶秆竹的异名。本种主要的鉴别特征为：地下茎单轴型，节平坦，秆箨纸质，鞘口繸毛基部合生，箨片直立、抱茎并常长与箨鞘，秆芽狭卵形，秆中部每节具2～4分枝，末级小枝具1～4枚叶片，花枝生于小枝的节上，小穗排列成总状，小穗柄粗壮、直立并贴生于轴上，柱头2枚。其中，狭卵形的秆芽、长于箨鞘的箨片、基部合生的鞘口繸毛以及直立并贴生的小穗柄的特征组合在青篱竹族中尤为特别。形态证据表明该种与矢竹属、华赤竹属以及箬竹属差异都较大，不属于这其中的任何一属。随后，科研人员通过叶绿体基因组系列分析了该种的系统位置，结果与前人基于核基因的研究结果一致，该种与华赤竹属的物种是姐妹类群，而与其他矢竹属物种关系都较远。
　　因此，基于以上形态学和分子系统学的研究结果，科研人员建立了一新属——以礼竹属（Kengiochloa Y. H. Tong & N. H. Xia）予以放置这一形态尤为独特的竹种，并将该种重新拟名为“以礼竹”[Kengiochloa pubiflora (Keng) Y. H. Tong & N. H. Xia]。属名用以致敬我国第一位研究禾本科的学者耿以礼教授（1897-1975），他也是最早描述本种的学者。该研究澄清了以礼竹的名实和归属问题，厘清了一部分矢竹属内复杂的种间关系，为将来本属全面的分类修订提供了一些基础数据和资料。相关研究成果已近期发表在国际植物分类学期刊PhytoKeys（《植物键》）上，童毅华博士为论文第一作者，夏念和研究员为论文通讯作者。该研究得到了广东省基础与应用基础研究基金项目以及国家自然科学基金项目的支持。文章链接：https://phytokeys.pensoft.net/article/98920/
　　图1. 以礼竹的形态特征
　　图2. 基于叶绿体基因组数据构建的青篱竹族系统发育树，示以礼竹（毛花茶秆竹）的系统位置
　　

2023-04-12

马里亚纳海沟南部“挑战者深渊”附近的岩石圈变形和地震相关性研究取得新进展

　　近日，中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质重点实验室（OMG）张江阳副研究员、张帆研究员和孙珍研究员，联合香港中文大学杨宏峰教授团队等，在马里亚纳海沟南部“挑战者深渊”附近的岩石圈变形和地震相关性研究取得新进展。相关成果于近日发表在Tectonophysics（《构造物理》）上。
　　俯冲带作为汇聚型板块边界，是大地震最活跃的区域。俯冲带地震主要分为两类，一类是发生在上下板块之间的逆冲地震，另一类是发生在俯冲大洋板块内部，由岩石圈弯曲变形而引起的伸展型地震。由于板内地震深度较浅，容易引起海啸等自然灾害，造成重大的生命和财产损失，因此，是人们关注度比较大的地震。
　　马里亚纳俯冲带位于太平洋的西边界，其最南端的“挑战者深渊”深度接近11000米，是全球最深的点。但相比于其它海沟，如智利、日本海沟，马里亚纳海沟南端远离大陆，缺乏近场观测，研究程度相对较低。海底地形数据显示该区域的板块挠曲变形巨大，如此大的变形对板内地震有什么影响不清楚。
　　图1 板块挠曲应力分量与地震分布
　　针对这一问题，研究人员通过对“挑战者深渊”附近的海底高精度地形的分析和解释，统计板块挠曲断裂的走向，确定了板块挠曲的主方向。利用新开发的三维板块挠曲模型，重现了马里亚纳海沟最南端的岩石圈挠曲形态，采用粒子群人工智能算法（PSO）反演了俯冲板的弯曲参数。
　　研究发现挠曲应力沿海沟走向变化最大的区域，与外缘隆起区及地震群集中区一致。（图1）。结合前人研究发现板内地震所刻画的断层面与磁异常条带近似平行，本研究认为地震群与海底先存断裂的重新活化有关。
　　基于上述认识，研究提出了一个三维弯曲模式（图2），即沿海沟走向的载荷增加会引起板块挠度的横向变化，以及最大弯曲应力方向的改变，这可能导致先前存在的弱断层重新激活和非均匀分布的板内地震。
　　本研究揭示了马里亚纳海沟南端“挑战者深渊”俯冲板块变形、应力状态与地震分布之间的关系，不仅有助于理解俯冲带地震的力学过程，对于地震海啸的预警也具有重要意义。
　　相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.tecto.2023.229752
　　图2 俯冲板块挠曲形态变化对应力状态影响的模式图
　　

2023-04-12

中国科学院广州能源研究所超长重力热管技术应用成果正式发布

4月6日，超长重力热管技术应用评价暨成果发布会在山西太原召开。会上，中国工程院院士谢克昌、陈勇等组成的专家组对山西综改区超长重力热管技术应用示范项目进行了评价。中国科学院重大科技任务局业务主管曹大泉、中国科学院广州能源研究所所长吕建成和副所长黄宏宇、双良集团执行总裁马福林、慧居科技股份有限公司总经理李宝山等项目相关单位负责人及10余名项目团队成员参加会议。
　　4月6日，超长重力热管技术应用评价暨成果发布会在山西太原召开。会上，中国工程院院士谢克昌、陈勇等组成的专家组对山西综改示范区超长重力热管技术应用示范项目进行了评价。中国科学院重大科技任务局业务主管曹大泉、中国科学院广州能源研究所所长吕建成和副所长黄宏宇、双良集团执行总裁马福林、慧居科技股份有限公司总经理李宝山等项目相关单位负责人及10余名项目团队成员参加会议。
　　专家组组长谢克昌主持评价会。专家组经过考察示范现场、审阅相关资料、听取成果汇报和质询答辩，一致认为，该技术应用项目涵盖了从地热勘探—设计—钻井—装备制造—安装施工—调试运行的全链条核心技术创新和实际操作经验，创新性强，成果丰富且整体达到国际先进水平，部分成果居国际领先水平。专家组建议加快该技术的推广应用，为缓解适用地区的能源短缺问题贡献力量。
　　超长重力热管示范项目依托中国科学院广州能源研究所的超长重力热管专利技术，由双良节能系统股份有限公司负责加工制造、双良集团旗下的慧居科技股份有限公司组织实施。项目地点位于山西太原综改示范区，于2021年5月初开始实施，2021年12月底完成调试并投运，是世界首个超长重力热管中深层地热开采及供暖商业化示范工程。经第三方测试，该示范工程两口地热井（深度约2000米，井底温度约63°C）采用超长重力热管技术合计取热量850kW。据统计，项目在每个采暖季可提取地热270万kW·h，节约标煤900t，减排二氧化碳2250t。
　　“十四五”是推进碳达峰碳中和目标实现的第一个五年。推动地热能可持续高质量发展，是构建清洁低碳、安全高效的能源体系的重要途径之一。我国地热能产业经过几十年发展积累，勘探、开发与利用技术持续创新，地热能装备水平不断提高，地热能产业体系初成，领域进入全新发展阶段。加快对地热资源的开发和综合利用，对于当前推进北方地区清洁供暖替代燃煤供热的力度和覆盖范围，助力生态文明建设具有重要现实意义。
　　超长重力热管深部地热开采技术于2016年由广州能源所蒋方明团队首次提出，是一种革新性地热开发利用技术。近年来该团队在中科院“变革性洁净能源关键技术与示范”先导专项课题等支持下，对超长重力热管中-深层地热开发技术进行攻关，已在多个环节实现关键技术突破，在超长重力热管研发、工质优选、工程应用等方面形成多项原创性成果，目前已获得中国发明专利授权6件、国际PCT专利授权3件。
　　谢克昌主持评价会
　　会议现场
　　与会人员合影
　　

2023-04-09

刘亮等- Nat Commun & GRL:数值模拟与多学科观测联合揭示古新世以来印度北侧消亡的“喜马兰蒂亚”块体

　　古新世以来，曾位于印度次大陆与青藏地块群之间长约1000-2000公里消亡块体的属性存在极大的争议，如：印度次大陆的北侧延伸、大洋板块、或二者不同比例的结合体（图1）。由于该块体的消亡过程在很大程度上决定了青藏高原的形成、演化过程与机制，并对认识新生代以来亚洲季风形成与气候演化至关重要，厘清其属性与消亡过程，是地学热点议题之一。
　　近日，中国科学院广州地球化学研究所徐义刚院士团队刘亮副研究员，与美国伊利诺伊大学刘丽军教授、南方科技大学Jason P. Morgan教授、中国科学院地质与地球物理研究所陈凌研究员，借助数值模拟与多学科观测相结合的研究手段，将该消亡板块限定为：由～600公里长的高浮力地块（如克拉通）与～1400公里长的薄地壳地块（如减薄的大陆架或年轻大洋）组成，该研究阐明了地块的“三阶段”消亡过程，解释了以往看似矛盾的部分地质现象，并遵照学术惯例将其命名为“喜马兰蒂亚”。
　　图1 古新世以来印度次大陆与青藏地块群之间消亡块体的端员模型。
　　研究团队首先模拟了不同端员模型的俯冲、碰撞过程（图1），重点关注不同模型中增生地壳（喜马拉雅地层）物质量的演化、“喜马拉雅山系”的古高程演化、板内岩浆活动的时空分布、上覆岩石圈的地壳厚度与地形演化、“青藏高原”的现今规模、以及“当今”高原之下的上地幔结构等模型指征（图2）。随后，通过将以上指征与前人的多学科观测约束相比较，发现：1）单一的大陆型俯冲会产生过宽的喜马拉雅地层、过少的板内岩浆、以及过大的“青藏高原”；2）大洋板块俯冲过程几乎不残留增生地壳物质，且上盘板内岩浆活动长期活跃、当今的高原过小；而3）高浮力地块与薄地壳地块先后俯冲的模型，既可以“重现”早期陆-陆碰撞导致的地表隆升等指征、又能较好地再现高原之上岩浆活动等的时空分布与演化规律。最终，基于模拟与观测的联合约束，研究团队提出了喜马兰蒂亚模型（图3）。
　　本研究提出，喜马兰蒂亚的消亡过程大致分为三个阶段：高浮力地块的低角度底垫，薄地壳地块的俯冲、后撤与断离，印度次大陆的最终碰撞与部分俯冲（图2）。该模型融合了“大印度”与“大印度洋盆”为代表的端员模型，在一定程度上调和了二者看似矛盾的部分核心证据链：1）因为早期的高浮力地块底垫会导致青藏中-北侧的隆升，而稍晚的薄地壳地块俯冲会导致青藏中南部的沉降与凹陷，该模型或可解释始新世“原青藏高原”与“青藏高原中央谷地”共存的原因；2）薄地壳地块同样可以被海水覆盖（如亚洲东侧与西北利亚北侧的大陆架、新西兰及周边大陆架Zealandia等），该特征或可解释青藏南侧初始碰撞>20 Myr后，特提斯海道（Seaway）及相关海相沉积才彻底消失的现象；3）因为薄地壳地块在其俯冲阶段对上盘持续施加向下的拖拽作用，该模型或可解释喜马拉雅山系在近20 Myr以来才加快抬升的原因。此外，若假设模型中的薄地壳地块是大洋属性，其消亡过程中形成的“蛇绿岩套”会部分残留至今，因此，本项工作暗示喜马兰蒂亚的大陆主导属性，与前人在青藏高原和印度次大陆之间仅识别出一条缝合带的事实相吻合。然而，考虑到“不存在证据并不能作为不存在的证据”，本研究尚不足以最终明确喜马兰蒂亚“薄地壳”部分的属性，期望在后续研究中持续探索。
　　图2 “喜马兰蒂亚”数值模型。(a)-(h) 模型初始条件与演化过程。蓝色箭头—流体迁移，绿色箭头—熔体迁移。(j) 模型中板内岩浆分布（红色）与观测（灰色）的对比。(k) 模型中当今上地幔结构（蓝色线）与观测（P波地震层析成像，Li et al., 2008）的对比，剖面大致位置见i.
　　图3 “喜马兰蒂亚”概念模型。(a) 始新世早期喜马兰蒂亚的分布与几何特征。(b)-(c) 喜马兰蒂亚可能的当今类似物（又如西伯利亚北侧的大陆架）。
　　论文中的数值模型基于刘亮主导升级的热-动力学数值模拟程序，有自适应型网格（A2ML）、非线性粘-密度、熔-流体迁移、以及初步的岩浆组成模拟等算法。研究成果发表于国际学术期刊《自然-通讯》（Nature Communications）与《地球物理快报》（Geophysical Research Letters）。本项研究受到广东省基础与应用基础研究基金重大项目（2019B030302013）和国家重点研发计划项目（2022YFF0801002）的联合资助。
　　论文信息：
　　Liu, L.*（刘亮）, Liu, L.J.*（刘丽军）, Morgan, J.P., Xu, Y.-G.（徐义刚）, and Chen, L.（陈凌） (2023). New constraints on Cenozoic subduction between India and Tibet. Nat Commun 14, 1963. https://doi.org/10.1038/s41467-023-37615-5.
　　文章链接
　　Liu, L.（刘亮）, Liu, L.J.（刘丽军）, & Xu, Y.-G. （徐义刚） (2021). Intermittent post-Paleocene continental collision in South Asia. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL094531. https://doi.org/ 10.1029/2021GL094531.
　　文章链接
　　

2023-04-10

广州能源所在过冷解除过程中冰晶演化规律研究方面获得进展

近日，中国科学院广州能源研究所储能技术研究室冯自平研究员团队在中科院先导专项课题等支持下，在过冷解除过程中冰晶演化研究方面取得进展。相关成果以 Investigation on the evolution of ice particles and ice slurry flow characteristics during subcooling release 为题发表于传热传质领域国际学术期刊International Journal of Heat and Mass Transfer。
　　近日，中国科学院广州能源研究所储能技术研究室冯自平研究员团队在中科院先导专项课题等支持下，在过冷解除过程中冰晶演化研究方面取得进展。相关成果以 Investigation on the evolution of ice particles and ice slurry flow characteristics during subcooling release 为题发表于传热传质领域国际学术期刊International Journal of Heat and Mass Transfer。
　　冰浆（ice slurry）是一种由冰晶和水或水溶液组成的二元溶液，具有良好的换热特性和独特的流动特性，在冷能储存和运输方面具有显著优势。可控过冷相变技术是实现高效快速连续制冰浆的关键，本研究创新地采用数值模拟的方式研究过冷驱动下冰浆中冰晶粒径的演化规律。储能技术研究室基于该研究搭建的过冷式冰浆实验平台，能够实现高效连续制取冰浆。
　　研究基于计算流体力学，将数群平衡模型（Population Balance Model, PBM）与Euler-Euler两相流模型耦合，探究了过冷水冰浆在水平直管中的冰粒演化及流动特性。重点研究了由过冷解除导致的冰晶生长，同时还考虑了冰晶的团聚和破碎行为对其粒径的影响。研究发现，相较于团聚和破碎行为，过冷驱动下的冰晶生长作用对其粒径演化最为明显。与此同时，过冷水由过冷态到相平衡态的温度变化与冰粒直径变化规律相符。
　　本研究成果作为可控过冷相变技术中的重要一环，有望为冰浆制备过程中的促晶器设计、冰堵预防等技术问题提供解决方案。
　　文章链接：
　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S001793102300162X
　　CFD-PBM模型耦合过程
　　水平直管内轴向冰晶粒径的演化
　　

2023-04-06