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黄土与第四纪地质国家重点实验室(中国科学院地球环境研究所)

黄土与第四纪地质国家重点实验室隶属于中国科学院,依托中国科学院地球环境研究所。实验室其前身为1984年成立的中国科学院黄土第四纪地质研究室。

黄土与第四纪地质国家重点实验室 [1] 隶属于中国科学院,依托中国科学院地球环境研究所。实验室其前身为1984年成立的中国科学院黄土与第四纪地质研究室。实验室现有固定人员35人,主要学术带头有安芷生院士、周卫健院士、刘禹研究员、刘晓东研究员、曹军骥研究员、刘卫国研究员等。现任实验室主任:周卫健院士,学术委员会主任为安芷生院士。

以科学目标为导向 注重科研能力建设 搭建开放的研究平台,在安芷生院士的带领和指导下,实验室认真布局学科方向,现有环境演变、气溶胶与环境、近代环境过程、生物地球化学和地球环境模拟等5个研究方向和研究室。涵盖了第四纪研究中不同时间尺度环境演变、年代学与气候代用指标测试分析、计算机模拟研究以及体现过去与现代环境过程相联系的粉尘气溶胶研究等方面,形成了比较齐全的学科布局。实验室以黄土等多种地质载体为研究对象将研究目标确立为:

在长时间尺度上,探索东亚季风环境系统变化规律,研究东亚季风环境形成和演化过程及其与青藏高原阶段性隆升及全球变化之间的动力学联系;

在短时间尺度上,通过100年、10年和1年分辨率气候环境变化序列的研究,探索其变化特点及其发生的原因和机制;重建近代东亚季风环境,特别是西北地区的干湿变化历史;查明亚洲内陆粉尘的源区、传输和沉积规律及其对区域和全球的影响;恢复黄土高原及周边地区生态环境的自然背景图像,为黄土高原生态环境保护和建设以及西部发展战略的实施,提供科学依据与建议。

黄土与第四纪地质国家重点实验室发展简史:实验室的发展可以概括为三次跨越:

第一步跨越1984年,在刘东生院士、施雅风院士、李振声教授等老一辈科学家的倡议下,中国科学院决定在西安组建一个专门从事黄土与第四纪地质研究的单元。中国科学院黄土与第四纪地质研究室第一任主任是刘东生院士。在刘东生先生的指导下,安芷生院士(时为副研究员)带领从中国科学院地球化学研究所抽调的8名科研人员在西安开始了艰苦而辉煌的创业历程。他们从拉板车运仪器开始,在极其简陋的条件下,先后组建了年代学实验室、地球化学实验室和沉积学实验室。在智慧和汗水的浇灌下,这棵专注于黄土与第四纪地质研究的幼苗开始茁壮成长并在日后焕发出勃勃生机。1987年8月,被中国科学院批准为开放实验室,实现了第一步跨越。

第二步跨越从1987-1993年,西安黄土与第四纪地质开放实验室成功运行,刘东生院士和安芷生院士及时把握国际第四纪地质研究的最新动态,以开阔的视野、敏锐的目光,积极开拓前沿性的研究工作,取得了一批重要理论成果。1993年3月,实验室被原国家计委列入“国家重点实验室建设计划”,1995年通过验收,成为国家重点实验室,实现了第二步跨越。

第三次跨跃黄土与第四纪地质国家重点实验室第一任主任是安芷生院士,学术委员会主任是丁国瑜院士。拥有14C测年、释光测年、环境磁学、树轮学、稳定同位素、粉尘地球化学、沉积学孢粉分析等实验室,成为我国第四纪过去全球变化研究的实验基地之一。在中国科学院实施的一期创新工程中,以黄土与第四纪地质研究室为基础成立地球环境研究所,并于1999年5月整体进入创新工程试点,完成了我室的第三次跨跃。

从1985年到2000年,在国家组织的实验室评估中,实验室连续4次被评为优秀实验室,2005年免评而成为优秀国家重点实验室。2005年被评为“国家重点实验室计划先进集体”,安芷生院士被评为“国家重点实验室计划先进个人”。

实验室拥有一批先进的分析测试仪器和样品采集与观测系统。如3MV 加速器质谱计(AMS)、放射性碳AMS制靶系统、10Be-AMS制靶系统、超导磁力仪、TL/OSL释光测量系统、稳定同位素质谱仪(MAT-252、MAT-251、δPlus)、元素分析仪、ICP-MS、X荧光光谱仪、X射线衍射仪、激光粒度仪、碳气溶胶分析仪、气溶胶野外采集系统、离子色谱、树轮测量系统、计算机工作站等。形成了比较齐全的地质年代学测试序列和古环境代用指标测试系统。

实验室是优秀年轻科研人才成长的摇篮。以前沿课题带动人才培养是我室一贯坚持的有效措施,鼓励高水平起步,在争取和完成国家重要项目中,增强责任感和竞争意识,发挥创造能力。通过国际合作,让年轻科研人员进入国际一流实验室从事研究,参加国际学术活动,在高层次的国际合作中,开阔眼界,提高理论水平,取得了丰硕的研究结果。有7人在实验室工作期间获得杰出青年基金资助,4人获得中国科学院百人计划资助。在中国科学院、科技部、国家自然科学基金、国际大陆钻探计划(ICDP)的资助下,实施了“中国大陆环境科学钻探计划”,在我国不同环境单元开展环境钻探工程,获取了大量重要的原始资料,并规划配套建设专用的岩芯库,为后续研究提供了宝贵的战略资源。安芷生院士为实验室的发展倾注了大量心血,并身体力行依然奋斗在科研一线。2003年他连任国际第四纪联合会(INQUA)副主席,同年当选为国际地圈生物圈计划 (IGBP) 科学委员会副主席,成为我国在该大型国际学术机构获得的最高席位。多年来,通过具有重要意义的研究方向和课题吸引并凝聚了一批优秀的科学家,形成了事实上的三个研究群体:一是以高水平科学家为核心,青年优秀学术带头人为主力的固定人员队伍;二是以国家重大项目牵引,联合国内多所科研院校学者形成的多学科交叉综合集成研究的研究群体;三是以“中国黄土与第四纪变化”作为影响全球变化要素之一,通过国际合作和举办国际学术会议,吸引国外著名科学家而形成的国际合作研究群体。

(一)科学研究瞄准国际前沿 紧扣国家战略需求

实验室瞄准国际前沿,组织国内外科学家共同开展了“季风气候的不稳定性与突变事件”、“晚新生代风尘沉积与青藏高原阶段性隆升”、“粉尘与环境”、“最近2000年气候环境序列与预测”、“黄土高原和我国北方环境敏感区生态环境综合治理及可持续发展”等研究。取得了一批重要基础理论成果:

(1)安芷生院士以及他领导的团队提出的“东亚古环境变迁的季风控制论”对中国的第四纪研究和过去全球变化研究起了导向作用,曾被国际科学联合会全球变化委员会确定为东亚地区进行过去全球变化研究的中心课题,极大地推动了中国乃至世界第四纪环境变迁研究的发展。

(2)系统研究了不同时间尺度东亚季风气候历史与时空变率,提出了亚洲内陆季风-干旱耦合概念模型,认为22Ma年前后,喜马拉雅运动导致亚洲内陆干旱化开始发育,印度季风和东亚冬季风可能开始出现。在约10-8Ma前,青藏高原尤其是北部发生了显著的生长事件,内陆干旱化较大规模发展,东亚冬、夏季风显著发育。在3.6-2.6Ma期间,青藏高原北部尤其是东北部的生长导致东亚冬、夏季风和内陆干旱化同时增强,奠定了我国近代季风-干旱环境和三级阶梯式的地貌格局基础。2.6Ma后,高原东北部可能发生多次生长事件,与全球冰期、间冰期气候旋回变化相结合,导致内陆干旱化呈现增强趋势,东亚季风气候和内陆干旱化变率加大。

(3)联合国际上著名科学家共同提出“全球碳循环中的粉尘铁联系理论”,该研究工作描述了由含铁粉尘联系的全球生物地球化学循环过程与气候反馈机制,表明我国内陆频发的沙尘暴现象虽然对邻近区域环境造成负面影响,但从全球角度来看,大气输送的粉尘物质促进了北太平洋的渔业生产,降低了大气中的二氧化碳浓度。粉尘、大洋古生产力和大气二氧化碳密切联系的“全球铁假说”在我国环境外交和国家安全上具有重要意义。

(4)开展了全球增温背景下环境变化趋势的历史相似型研究,指出末次冰期结束后的增温过程中出现的“新仙女木事件(Younger Dryas)”既有高纬的寒冷性质又有低纬暖湿空气的影响,表现为干冷和湿冷的波动以及北半球Younger Dryas的空间变率。提出全新世气候变化是大陆、海洋、大气的相互作用的结果,古ENSO对YD降水有一定的影响。对内蒙古西部贺兰山和东部白音敖包未来20年的季节降水趋势进行了预测。结果表明,1992-2004年,两地降水有增加的趋势,随后减少,2012-2014年前后,二地都将是降水最少的时期。贺兰山北部5-7月的降水量在2013-2014年减少所导致的干旱程度有可能与1929年前后的干旱相当,随后降水将有所增加。

实验室科研人员撰写或参与撰写的5篇论文发表在Nature、Science等国际权威刊物上,在国内外产生深刻的影响。将基础理论研究成果同国家战略需求相结合,作为主持单位或重要参与单位先后向中央和地方政府提交了9份咨询报告,涉及气候趋势预测、与生物地球化学循环相联系的生态环境脆弱区综合治理、大气环境污染防治、区域生态环境规划和可持续发展对策等方面,为制订西部生态环境建设和修复规划提供了科学依据。2001年应江泽民同志要求向中央提交了《自然过程和人类活动对我国西北地区生态环境的影响》的报告,认为我国西北干旱区的形成是亚洲和全球气候环境长期演变的结果,自然环境状况决定着我国西北现今的沙漠、黄土以及草原和森林等生态景观的分布格局。年降水量200-400 毫米的半干旱草原带和黄土高原地区生态环境脆弱,对人类活动极为敏感,应视为治理我国荒漠化、沙尘暴源区和水土流失的重要地区。

(二)把握三个转变 实现新的跨越

在成绩面前我们丝毫不敢懈怠,遵循“如履薄冰,努力拼搏”的室训,安芷生院士提出实验室未来发展要把握三个重要转变,即:实现从“过去全球变化研究”到“过去与现代相结合的全球变化研究”的转变;实现“从季风环境研究”到“季风-干旱环境”乃至“区域与全球变化研究相结合研究”的转变;实现“从自然过程的研究”到“自然与人类相互作用研究”的转变。

结合正在建设中的加速器质谱中心、大陆环境钻探岩芯库以及环境演化模拟和数据信息共享中心,黄土与第四纪地质国家重点实验室将搭建一个向国内外科学家开放的大陆环境变化研究平台,吸引国内外顶尖科学家在此工作,为国家经济可持续发展提供基础性、战略性、前瞻性的科学依据。把我室建设成为一个国际大陆环境变化研究中心,实现新的跨越。

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