同位素地球化学与地球系统圈层相互作用和全球变化研究

摘要

地球系统是由地质圈、生物圈和人类圈构成的一个有机整体，研究这一复杂系统各圈层内部和圈层之间的物质能量交换及其动力学机制是地球系统科学研究的核心内容。圈层之间的物质能量交换主要受控于水和主微量元素生物地球化学循环。因此，元素的生物地球化学循环是联系地球系统各圈层的物质基础和制约或影响全球变化的关键机制。此外，在社会经济高速发展背景下，人类活动正深刻改变着元素生物地球化学循环，使地球系统发生前所未有的变化。如何精准刻画元素生物地球化学循环、揭示其动力学机制、预测其未来演变趋势及其对生态系统的影响，已成为地球系统科学前沿研究任务和面临的根本挑战。而同位素可有效追踪物质的跨圈层迁移转化和生物地球化学循环，在圈层相互作用和全球变化研究中发挥着不可替代的作用。本文回顾了近年来传统和非传统稳定同位素在示踪圈层相互作用和全球变化方面的研究现状，总结了地球系统各圈层典型同位素组成分布，阐述了圈层界面过程同位素分馏机制，追踪了人类活动对地球环境-生态系统的影响，梳理了地球系统科学框架下同位素地球化学研究面临的挑战和前沿科学问题。未来，应该在进一步完善同位素地球化学方法和理论基础上，在地球系统框架下开展同位素与地理学、生态学、分子生物学、地球系统模拟、人工智能和大数据等前沿领域交叉融合研究，完善示踪复杂地球系统多圈层、多过程、多要素耦合条件下元素生物地球化学循环的同位素分馏理论框架，突破原有应用范式，获得对圈层相互作用、人类活动与全球变化、环境与生命协同演化等领域前沿科学问题的创新认知。

关键词

同位素地球化学 / 同位素分馏机制 / 地球系统科学 / 生物地球化学循环 / 圈层相互作用 / 全球变化

基金资助

国家自然科学基金项目(42421003,42293262)