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生物地质与环境地质国家重点实验室

学术发展规划纲要


一、实验室科学定位

实验室将以地球系统科学的思想为指导,以探索地球生物学的核心科学问题为目标,立足于地球科学与生命科学和环境科学的交叉融合,以地球表层系统中重大的生物地质与环境地质事件和过程为研究重点,在多重时间尺度上探索地球环境与生命系统之间的相互关系、作用机理和演变规律。在这一总体框架下,聚焦关键地质时期的生物事件与环境事件(包括当代异常事件),认识其规律、探索其机理。从而既能重塑地球发展历程,也能“以古示今”,为研究当代全球变化和生物多样性演变,探索环境修复和生物危机的缓解,提供对比史实、理论依据和技术方法支撑。

鉴于地球历史演变过程中重大生物和环境事件及其过程所跨越的时间尺度不同,实验室的科学研究包括:在长时间尺度(106~104年)上,以地质历史时期的重大生物和环境事件为主要对象,研究“关键地质时期生命与环境的协同演化”;在中时间尺度(104~102年)上,以全球变化背景下区域事件为主要对象,研究“新生代以来气候环境事件的生态响应”;在短时间尺度(102~100年)上,以工业革命以来生物和环境事件为主要对象,研究“与人类活动相关的生物―环境地质过程”。科学主攻重点是,在多时空尺度上围绕地球生物学的科学核心——生物与环境的相互作用,在生物对环境的作用方面重点突破微生物对环境的改造作用,在环境对生物的制约方面重点关注水环境对生物的影响,从而探索生物与环境协同演化的科学理论和研究方法。

为集中实验室优势力量,体现实验室科学研究和平台建设特色,实验室科学研究将设置“优先”、“重点”和“培育”三个层次的研究主题。其中“优先”和“重点”研究主题是本实验室近期和中期建设和发展的主流,在实验室科学研究、人才队伍和平台建设等方面重点支持。“优先研究主题”是指有好的科学积累、强的学术队伍和平台条件支撑的研究内容,并能够在2-3年内产出高层次的代表性科研成果;“重点研究主题”是指有较好科学积累、较强的学术队伍和平台条件支撑的研究内容,能够在3-5年内产出高层次的代表性科研成果;“培育研究主题”是指与实验室科学发展方向一致或密切相关,近期研究基础相对薄弱,但富有发展潜力的科学主题,有望在经历5-10年的研究之后,能够达到“重点研究主题”层次。


二、 优先研究主题

1. 地球生物学的理论和方法探索

地球生物学(geobiology)是地球科学与生命科学和环境科学的交叉学科。研究对象聚焦生物圈与地圈及其耦合系统,她的核心内容是研究生物与环境相互作用的记录、过程和机制。以往在探讨地圈与生物圈的关系时,主要强调地球环境影响生物,生物适应地球环境,对生物影响和改造地球环境关注不够。在近期和今后一段时间内实验室除要加强对先期成果进行创新性系统集成外,还要重点开展以下几方面内容的研究:

1)某些特殊地质载体的生物与环境相互作用记录研究;

2)地质微生物功能群对全球变化的响应与反馈;

3)地球生物学学科发展战略及理论方法的探索。

2.2. 关键地质时期高分辨率地质事件序列

关键地质时期是地球生物和环境演变的特殊时期。在高分辨率时间坐标基础上,查明生物事件、环境事件系列及其耦合关系与解耦过程是地球生物学应该优先解决的重大科学问题,也是深刻解读地球环境与生命过程的关键所在。在近期和今后一段时间内实验室的重点集中于以下三个关键时期的高分辨率生物―环境事件序列及其地球生物学过程研究:

1)古、中生代之交重大地质突变期;

2)晚中生代极端温室地球期;

3)中古生代重大地质突变期。

3.3. 长江流域第四纪气候变化与生态响应

气候变化研究是全球变化和人类社会发展的需求,与全球变化和季风演化密切相关的生命过程已成为现代地球生物学的重大科学问题。借助现代地质过程的野外观察与实验室模拟,构建准确示踪环境与生物变化的敏感指标体系,为第四纪关键载体古环境和古生物信息的准确解译奠定基础。在高分辨率年代地层基础上,研究新生代我国大陆季风气候背景下的陆地生态与环境过程,探索生物演化与环境变迁之间的激励、响应和反馈机制,为科学解决当前人类活动影响下的全球生态环境危机提供直接启示。在近期和今后一段时间内实验室的重点研究内容是:

1)第四纪环境与生态变化的指标体系构建;

2)长江流域第四纪高分辨率气候环境事件及其地球生物学过程。

4.4. 土壤―地下水系统生物地球化学过程与环境效应

土壤―地下水系统是自然演化与人类活动影响的典型复合系统,该系统中的生物地球化学过程与物质循环是地球生物学优先解决的重大科学问题之一,也是深刻解读人类活动与地质环境相互作用的关键所在。在近期和今后一段时间内实验室的重点研究内容是:

1)土壤―地下水系统结构、组成及其地质演化过程;

2)土壤―地下水系统的水―土―气―生相互作用过程和机制;

3)土壤―地下水系统中天然异常组分和污染组分的生物地球化学过程。


三、重点研究主题

1.  重大地质突变期代表性生物类群和生态系统的格局与演变

重大地质突变期是代表性生物类群和生态系统急剧变化的关键时期。地球环境的急剧变化导致已有代表性生物类群和生态系统遭受重创,同时也为新的生物类群和生态系统的发端和多样化发展提供重要环境条件。深入研究不同级别生物分类单元在不同地区、不同环境条件下的衰退、消亡和新生规律,查明生物大灭绝事件的性质、起因、灭绝型式以及大灭绝后的生物复苏和生态系统重建过程,是认识生命与环境协同演化不可或缺的重要内容。在近期和今后一段时期内实验室将主要围绕:

1)重大地质突变期代表性生物类群时空分布与演化;

2)重大地质突变期典型海相生态系统的组成、结构、格局与演化;

3)重大地质突变期典型陆相生态系统与海―陆生态系统相互关系;

4)重大地质突变期生态系统的组成、结构、格局与演化的数值模拟及对当代的启示。

2.  2. 关键地质时期古海洋环境与生命的协同演化

关键地质时期地球上的生命演化,如真核生物大辐射、后生动物诞生、显生宙大规模生物灭绝与复苏等都与当时特殊的环境条件(如古海洋氧化还原状态等)密切相关。生物过程也深刻地影响和改变着地球表层环境,对早期生物演化、重要生物类群起源与发展产生深远影响。因此,查明关键地质时期古海洋环境的时空格局、演化及其形成机制,认识地质微生物过程及其环境效应的机理,对于深刻认识早期地球环境与生命过程、探索地史时期生命与环境的协同演化具有重要科学意义。在近期和今后一段时期内实验室将主要围绕:

1)        超级大陆聚散期间的古环境演化及其生态系统响应;

2)        元古宙的生命记录、地质微生物过程及其环境效应;

3)        关键地质时期古海洋化学(如氧化还原条件)与重大生物演化事件。

3.   3.青藏高原新生代关键时期的高原隆升、气候变化与生态响应

青藏高原新生代隆升对中国、亚洲乃至全球的环境变化有着深刻的影响已成为共识。本实验室近年以高原新生代隆升的期次和幅度、原始高原形成与扩展、构造热年代学和年代地层格架建立、各时代构造地貌和构造岩相古地理演化及其对隆升的响应的精细解剖研究为主攻方向,已取得了一批有影响的成果。在近期和今后一段时期内,实验室将以青藏高原新生代 “构造隆升-气候变化-生态响应”研究为主攻方向,重点研究内容是:

1)重点围绕青藏高原新生代隆升过程中的48-33Ma、27-20 Ma(藏南18-13 Ma)、11-7 Ma和5-2.6 Ma四个关键时段,通过古生物学、高分辨率旋回地层学、古地磁学、构造热年代学和构造地貌演化分析,多手段刻画和建立精细的高原新生代重大气候、生态环境事件的时间序列;

2)重点研究高原生长(隆升与扩展)与气候和生态环境演变的耦合关系,包括原始高原的形成、高原生长古高程演化定量刻画、重大构造地貌演化事件(如地貌反转)对重大气候与生态演化事件(如高原快速隆升过程中的干旱化和盐碱化事件)的反馈关系研究。

4.4. 水循环关键带生物地球化学过程与生态环境效应

海岸带和内陆干旱区包气带是大气降雨-地下水-地表水(含海水)交互作用的关键而敏感地带。该地带的生物地球化学过程与生态环境效应研究涉及了水文地质学、海洋地质学与生物地质学等多学科领域,是地球生物学重点要解决的科学问题之一,也是深刻解读人类活动与水文循环、极端条件下生物与地下水相互作用的关键所在。在近期和今后一段时期内实验室将主要围绕:

1)水循环关键带地下水系统结构时空变异和区域生态响应;

2)极端干旱区大气―植被―土壤―地下水系统中的物质循环;

3)海水与地下水相互作用的生物地球化学过程。

5.5. 地球生物学研究中新方法、新技术探索

创新性分析技术和方法的研究是促进地球生物学研究发展的重要驱动力之一,也是地球生物学研究产生原创性成果的源泉。本主题紧紧围绕地球生物学的科学核心问题,以水圈、生物圈、表层岩石圈中不同载体、介质为重点研究对象,开展不同时空尺度的地球表层环境与生命过程研究新技术、新方法的探索,为地球生物学的研究提供创新性的研究平台与强有力的技术支撑。在近期和今后一段时期内实验室将主要围绕:

1)元素及同位素组成的原位微区分析新技术和新方法;

2)地质微生物的分子生物学、生物标志物及同位素示踪技术;

3)痕量、超痕量有机污染物的高通量分析技术;

4)微化石和地质微生物超精细结构与形貌分析技术;

5)新原理、新概念的分析检测仪器研发。


四、 培育研究主题

1.  极端环境的生命活动地质记录与天体生物学

生命的起源以及最终归宿是永恒的科学命题。极端环境生命活动的研究对了解生命的起源以及对探索外星球生命具有重要的参考价值。而外星球探测技术的快速发展则为探索外星球生命提供了强大的支撑,也是今后地球生物学值得关注的一个发展方向。随着国际及我国深空探测战略的实施,天体生物学己提上日程,我国在这方面尚为空白,亟需加强。天体生物学包括地外生命探索、前生命物质、生命的起源与演化及太空环境对生命的影响等内容。我们目前将重点从极端环境的生命活动地质记录着手,同时开展对陨石等天体的研究。

  2. 长江中游环境演化对青藏高原隆升的响应

对长江流域与青藏高原地区开展系统的地貌第四纪地质、沉积学、古气候学与地球生物学综合对比研究,在青藏高原隆升-地貌演化-沉积响应-季风演变耦合的基础上,集成研究晚新生代以来长江流域地貌的演化、网纹红土的堆积与发育、湖沼湿地群形成、演化与高原隆升和季风演化的关联。

3.3. 地表浅部与深部水―岩―气―生相互作用与热循环

水、气、热是联接地球表层系统与深部系统的纽带,是影响地质环境的重要因素之一。应用水文地质、地球化学和地热学方法,构建地表浅部与深部水循环系统,研究该循环过程中的深部热传导机制,探索地热系统水―岩―气―生相互作用和生物地球化学过程。