水库氮硫循环研究论文

浅论水与可持续发展 摘要：水问题关系到人类的生存发展，是可持续发展的关键。他关系到我们每个人的生存、关系到我们子孙后代、关系到我们中华民族是否能傲立于民族之林。为此我们应以普遍联系的观点，从大自然的循环方面认识水问题，从人口、资源、环境的角度研究问题，并从提高整个国家的科技水平和全民意识入手，才能解决好水与可持续发展问题。 关键词：水 可持续发展 如何处理好水与可持续发展问题已成为人类尤其是贫水国或准贫水国必须面对的问题。本文从分析我国当前面临的水问题入手，剖析水与可持续发展的关系，提出解决水与可持续发展问题的一些想法。 一、我国当前面临的几个主要水问题及其原因浅析 由于我国水资源、降雨量时空分布的不均匀性，加之受历史及人为等因素的影响，我国当前面临的水问题主要表现及原因浅析如下： （一）旱涝灾害频繁 新中国成立后，我国七大江河都曾发生过大洪水。进入90年代，我国又连续发生几次大水。1991年江淮流域发生大水；1994年，珠江、长江、辽河和黄河流域均发生大洪水；1998年，长江、松花江、嫩江流域又发生大洪水。 不仅是水灾，进入90年代，每年受旱面积竟达0.27亿hm2，比50年代增加一倍半以上，成灾面积增加3倍。华北平原每年有1/4的耕地遭受干旱之害，1/6耕地沙化严重。我国可利用的草原面积有2.2亿hm2，其中可灌溉的草原仅33.3万hm2。目前全国农村有7000多万人、6000多万头牲畜饮水困难，城市有300多座缺水，其中严重缺水约有108座。 产生上述现象的原因的主要有如下几个方面：首先是因为我国降雨量时空分布不均，年降雨量变化较大，从而导致降雨期容易出现洪涝灾害，枯雨期又出现旱灾。同时由于历史原因，江河湖堤及水库大坝等水利工程防洪标准低，有些水利工程年久失修，有些工程在设计、施工中由于人为原因，甚至出现“豆腐碴”工程。其次，由于资金限制，我国许多地方水利工程不健全，建设维护资金匮乏。再者由于水土资源过度开发，造成对生态环境的破坏，生态环境的破坏又会影响到气候，从而加大了恶劣气候发生的几率。历史上由于人们不断地围湖造田、修堤防洪，从而导致洪水渲泻和调蓄的空间减小，另外一个方面，加高堤防等于抬高了洪水位，从而使防洪负担和防汛风险进一步增加，万一出事，将造成更大的灾害。 （二）沙漠化触目惊心 1994年普查结果显示，我国沙漠面积已达168.9万km2，而且每年正以2460ｋｍ２的速度扩展，荒漠化不仅威胁着北京城，而且影响到全国近1/3的国土，受影响人口近4亿。去年连续发生在我国北方的沙尘暴天气给人们敲响了警钟，如不及时采取措施，将引起许多耕地被损，许多城市甚至包括我们首都北京都将成为“楼兰古城”。沙漠化严重及其惊人的发展速度最重要的原因是森林植被覆盖率极低，而根本原因就是水资源的溃乏。其实上述现象是相互影响的，植被及森林覆盖率少必将影响区域气候，减少土壤含水率，而缺水也必将减少植物存活的机会，从而形成恶性循环。 （三）水环境继续恶化 到了90年代中期，全国水土流失面积约为367万km2，占国内面积的38%，每年流失水土50亿ｔ，相当于全球水土流失总量的12%。据测定仅黄土高原每年因水土流失带走的氮、磷、钾就有400万ｔ，相当于我国全年生产化肥的总量，一到暴雨期，多少条大小“黄河”令人触目惊心。有人担心：如不注意，长江也可能变成第二条黄河。 水土流失不但造成土壤贫瘠、生态环境恶化，而且给水资源开发利用和减少水灾害带来困难，如河床抬高、大坝（堤）防洪能力减少、增加防洪难度；水库淤积，降低防洪标准和兴利效益等。 据1997年《中国水资源公报》，全国废污水的排放总量为584亿ｔ。在10万km的评价河段中，水在Ⅳ类以上的污染河长占47%。北方辽、黄、海、淮等流域，污水与地表径流的比例高达1∶14～1∶6，全国湖泊约有75%以上的水域、近岸海域约有53%以上受到显著污染。根据全国118座大城市浅层地下水的调查，97.5%的城市受到不同程度的污染，其中40%的城市受到重度污染。 水污染严重的最根本的原因是由于我们正处在社会主义初级阶段，科学技术及经济条件还相对落后，同时人们缺乏环境保护意识所至。另外一个方面就是因为我国人口众多，生产、生活污水排放量明显地要高于其它国家。再者水污染和大气及环境污染是密不可分的，空气中的诸如硫的氧化物经溶解在水中或经降雨形成酸雨污染水体，环境中的金属、磷等化合物经氧化、分解作用最终也会成为水体的污染源。另外我国森林覆盖率低，不能对大气、水进行充分的净化也是水环境恶化的主要原因之一。 （四）用水效率不高和水浪费现象并存 虽然我国面临较大的水问题，但与此同时，用水效率不高、用水严重浪费的现象也普遍存在。我国的用水总量和美国相当，但GDP仅为美国的1/8。全国农业灌溉水的利用系数平均约为0.45，而先进国家为0.7甚至0.8。1997年全国工业万元产值用水量136m3，是发达国家的5～10倍。工业用水的重复利用率据统计为30%～40%，实际可能更低，而发达国家为75%～85%。全国多数城市用水器具和自来水管网的浪费损失率估计在20%以上。[NextPage]二、可持续发展 笔者认为可持续发展可以理解为人类生产力的不断发展，人类赖以生存的自然环境及资源不断得到改善或保护，人类的生产关系、文明程度不断地进步、提高。 由于水是生命赖以生存的基础，是构成地球物质循环的基本载体，是工农业生产的基础，因此可以说没有水资源的可持续发展，就没有人类的可持续发展。本文将从水的角度，研究水可持续发展的思路。 三、水与可持续发展 要想解决好水与可持续发展问题，就必须应用辩证唯物主义观点，把水与人类、水与生态系统联系起来。解决好水与可持续发展问题，归根到底就是解决生态系统及资源的良性循环问题。众所周知，水的三态变化是在太阳能作用下的循环，人类生存过程是生物循环的组成部分和特例。地球资源也是在一个大的循环系统之中，在这个循环中水作为载体、太阳作为动力起着不可替代的作用。人类的生产、生活只有在不破坏这个循环的环节和物质基础的条件下才能使自身得到发展。从普遍联系的观点将水作为生态及资源循环的一个环节加以研究，了解水循环、人类生存发展及生态系统的关系，将有利于上述问题的解决。 （一）加大科研力度，掌握水、生态及物质循环规律 据研究，世界上所有与水有关的问题，如旱灾、洪灾、污染和水土流失，不外乎是因为打破了大自然的循环。为此，我们必须充分掌握自然规律和先进科技，在发展生产力、提高人们生活水平的同时，要减少生产、生活对环境的影响，使自然和人类发展融为一体，互为促进。 水资源研究要将地理、地质、气象、水文、农业、林业、水利、土壤、环境、社会、经济等学科结合起来。加大科技力度，首先要充分研究导致水资源、水环境恶化的原因，减少污水排放量和生产使用环境污染物，加大封山造林，退耕还林、退田还湖等力度。同时加强下面几个方面的研究并建立相关机构。 （1）建立全国的水资源调度及监测中心，负责全国水资源规划利用和水质监测，同时负责与气象、环境及大气等部门的协调和配合。 （2）加强洪水及灾害（包括海啸、台风等）中长期预报、沙漠化治理、堤坝隐患发现和加固技术研究和应用。 （3）加速污水处理及水循环体系研究，合理优化工农业生产（包括采用节水高效农业）及生活用水（包括水质和水量），加大有机肥在农业生产中作用，倡导建立农村及城市生态保护圈。 （4）加强国际合作做好地球资源保护工作，提高科技水平，减少对环境的污染。 （二）合理规划，充分利用水资源 由于水资源是按水系划分的，没有行政上的区域划分，水存在于地面也可存在于地下，水有固态、液态、也有气态。于是合理利用水资源就要进行整体规划、合理调度。全面规划包括地表水与地下水、液态水与气态水、咸水与淡水的合理规划。在尊重自然规律的前提下，充分运用现代科技合理开发利用水资源。近年来实现的引大入秦、引黄济津和即将实施的南水北调工程就是地理上全面规划。许多海滨城市采用海水冲厕是咸淡水的合理利用。广西地区许多为岩溶地质，地下水资源丰富，于是地下地上联合调度就是必须的。当然采取地下水时一定要考虑到可能的副作用，如长江三角洲地区，由于过分开采地下水导致了地面沉降等问题。 （三）加快依法治水步伐 完善水法制建设，充分利用经济杆杠，加速水的商品化和治水法制化。 四、结语 水问题关系到人类的生存发展，是可持续发展的关键。他关系到我们每个人的生存、关系到我们子孙后代、关系到我们中华民族是否能傲立于民族之林。为此我们应以普遍联系的观点，从大自然的循环方面认识水问题，从人口、资源、环境的角度研究问题，并从提高整个国家的科技水平和全民意识入手，才能解决好水与可持续发展问题。

可持续发展与人的主体地位初探 自20世纪末以来，由于人类面临日益严重的各种“生态问题”，因而可持续发展问题成为备受人类关注的热门话题。可持续发展作为一种新的发展模式和发展观，也日益深入人心，并被越来越多的国家作为一种社会发展战略付诸实践，这是人类社会文明进程中的质的飞跃。但就目前情况看，对可持续发展内涵的理解仍不尽一致，甚至在一些基本问题上尚未形成共识，如人在可持续发展中的地位问题。这就直接关涉到如何把握可持续发展观的本质以至能否真正实现可持续发展的根本性问题。 一、人在与自然关系中的主体地位 所谓人的主体地位，是指人在与自然界关系中的一种位置，即在这种关系中，人是主 体，自然界是客体。人与自然界之间的关系是相当复杂的，有不同角度和不同的层次， “主—客”关系是人与自然关系的基本方面，但不能涵盖人与自然界关系的全部。因此 ，人与自然的“主—客”关系的确立也是有范围的，其作用也是有限度的。一般地说， 人与自然界的关系可以从两个角度加以确证，一是从存在论(事实)的角度看，人与自然 界中其他存在物(生命的、非生命的)一样，同属于自然生态系统构成中的一份子或一个 组成部分，人与其他自然存在物就是一种“平等”关系。在这个意义上，人与其他自然 物之间难以区分谁为主、谁为客关系。二是从价值论(价值)的角度看，人类具有不同于 其他自然存在物的特殊属性，具有其他存在物所不具备的自主性、创造性，人源于自然 而又超越于自然，人可以把人以外的自然物作为认识、利用和改造的对象，使直接的自 然物或被人改造过的自然物为人所用、为人服务。同时，人还具有认识和改造自身的自 觉性和能力，也就是在人类针对自然界的有意识、有目的活动中，对自然界的积极改造 和对人类自身的自觉改造是一致的，在改造自然中使人类自身得到改造。“自觉地”改 造自身与“积极地”改造自然两者之间相互作用、互为因果、相辅相成，进而实现人与 自然的协调、共生与互利。可见，在人与自然的关系中，人的主体地位主要是在“价值 论”的意义上构成的“主—客”关系中得到确证的。但是，人的实践和自然科学研究证 明，即使是在“存在论”的意义上，人类的活动也表现出一定程度的主体性，“由于人 类在地球上的活动非常广泛，不断地改变或影响地球的自然环境，已经成为生物生态系 统中的主导性生态因子”[1](P43)。概而言之，在人与自然关系中，人的主体地位的内 涵主要表现为：(1)人依据自身生存和发展的需要积极地利用自然、改造自然，实现主 体客体化；(2)人通过实践活动将外在于人的自然“内在化”以充实、完善和发展人自 身，实现客体主体化；(3)人的主体地位的实质在于人是目的。就人与自然关系的本质 而言，人具有目的价值，自然界具有手段价值。因为就人类而言，对人与自然关系的正 确认识与有效地处理，都必然以是否符合人类的生存与发展的客观需要，作为最终的价 值取向和评判标准。当然，这并不否定自然界在人们活动面前确证它存在的客观性和独 立性，即自然界可以独立于人而存在，它具有不依人的意志为转移的客观规律和本质。 但是，自然界的存在及其规律的“价值”是人的存在及其需要所赋予的。一方面，自然 界存在及其规律对人作为目的及其实现有制约作用，也就是说，人在自然界面前不能“ 为所欲为”，必须承认自然界的真实存在，尊重自然规律；另一方面，自然界存在及其 规律之所以有价值，就在于它为人的生存及其发展提供了条件，为人的活动服务，为人 的目的实现服务。这就是人的主体地位的基本涵义，也是人与自然之间“主—客”关系 的基本内容和基本规定，正是人的主体地位确定了人与自然关系的性质，确定了人的活 动和自然界作用的范围。

【前沿报道】Science：新生代海洋氮-硫循环变化及其与构造运动的关系 海洋氮、硫循环过程主要表现为这两种元素的氧化态和还原态在水体中相对比例的变化。该比例变化取决于海水中氮和硫元素不同价态化合物的输入和输出情况。海洋中硝酸盐和硫酸盐的还原是影响两元素氧化态和还原态收支的关键过程，海水中氧气的多寡决定了海洋硝酸盐和硫酸盐被还原的程度。在次氧或贫氧环境的水体中，通常硝酸盐与硫酸盐还原菌较为活跃，致使反硝化（将NO 3 - 还原成N 2 ）和硫酸盐还原（将SO 4 2- 还原成H 2 S）过程增强。由于细菌优先利用轻同位素（ 14 N和 32 S），这两个过程均伴随着重同位素（ 15 N和 34 S）富集在海水中剩余的硝酸盐和硫酸盐当中。但是，同位素变化最终是否能够被记录到还取决于还原反应中剩余的硝酸盐与硫酸盐的量。例如，在沉积物孔隙水中发生的反硝化过程，由于会将其中的硝酸盐消耗殆尽而不产生明显同位素分馏。 目前，氮、硫同位素（δ 15 N和δ 34 S）分析是研究海洋氧化或缺氧状态的有效手段。在众多研究载体中，有孔虫壳体碳酸盐中的有机质被认为是分析氮同位素的可靠对象，而重晶石（BaSO 4 ）和有孔虫碳酸盐晶格中的硫酸盐则是分析硫同位素的理想材料，主要是因为它们代表海洋来源且较少受到成岩作用的影响。本文讨论的研究成果均来自这两类物质的氮、硫同位素数据。 近期，美国普林斯顿大学地球科学系的Kast等在Science上首次报道了来自北太平洋（ODP 1209）、北大西洋（IODP U 140 9）和南大西洋（ODP 1263）新生代以来有孔虫壳体碳酸盐中有机质氮同位素（foraminifera-bound δ 15 N, FB-δ 15 N）记录，并讨论了与海洋O 2 含量相关的氮循环变化。在这里，FB-δ 15 N被认为反映了海洋浅部亚表层（100-300m深）水体中硝酸盐的δ 15 N变化。他们的结果显示：古新世时，FB-δ 15 N值要比现在高出约5‰-10‰；古新世到早始新世（57-50 Ma）时，FB-δ 15 N出现最大13‰的显著降低；随后，在中始新世以来，FB-δ 15 N总体维持在在较低水平，尽管在渐新世时又有所增加（图1）。古新世时的FB-δ 15 N值处于新生代来的最高水平，表明当时海洋硝酸盐的δ 15 N高，可能反映了水体中反硝化过程与沉积物内部反硝化过程发生速率的相对变化，即具有较高的全球海洋水体反硝化速率，或者较低的沉积反硝化速率。 然而，FB-δ 15 N表现出的空间差异（ODP 1209的δ 15 N要高于ODP 1263和IODP U 140 9）更支持水体反硝化过程的增强，暗示古新世时海洋出现广泛的贫氧（subo xi a）状态。此后，FB-δ 15 N表现出显著降低，说明反硝化减弱和海水中氧气含量增加。由于始新世以来海水温度的下降（海水中氧的溶解度会随之增加）在步调上与此时δ 15 N的降低不一致（图2），不能对其作以解释，作者将其归因于构造运动。在距今59 Ma时，印度和非洲板块向亚欧大陆的汇聚导致了特提斯洋的关闭，从此，温暖贫氧的特提斯洋水不再是太平洋中温跃层和中层水的来源，转而被寒冷富氧的高纬度表层海洋水所替代，从而导致水体贫氧状况缓解，反硝化强度减弱，δ 15 N降低。 图1 70 -30 Ma期间有孔虫壳体碳酸盐中有机质氮同位素变化。数据来自两种不同颗级有孔虫（颗粒>250 μm为实心，125-250 μm为空心）。实心线代表两种粒级数据的三点滑动平均，彩色背景区域为1σ不确定性区间。图中左侧箭头指示岩芯顶部的FB-δ 15 N值：来自南大西洋516钻孔（蓝色）、U 140 9钻孔（灰色）和1209钻孔（红色）。插图为55 Ma前全球板块重建格局，表明本研究中ODP和IODP钻孔在当时的位置（Kast et al., 2019） 图2 北太平洋ODP 1209钻孔FB-δ 15 N记录与温度替代性指标（TEX86和有孔虫δ 18 O）的对比。底栖有孔虫δ 18 O曲线的灰色段指示冰量变化可能对温度计算有影响（Kast et al., 2019） 与此同时，海水中硫酸盐的δ 34 S在古新世-始新世时段也经历了较大的变化。例如，Paytan等人早期在Science杂志上发表的重晶石δ 34 S结果和Rennie等人在Nature Geoscience杂志上发表的有孔虫碳酸盐晶格硫酸盐δ 34 S结果均记录了海洋硫同位素从53-40 Ma的显著升高，而且之后一直维持在相对高的水平（图3C）（Paytan et al., 199 8; Rennie et al., 2018）。Rennie et al.（2018）认为构造运动所导致的硫化物埋藏海域的变化是上述硫酸盐δ 34 S变化的主要原因。在新生代早期（约50.2±1.5 Ma），印度—洋内科希斯坦—拉达克岛弧发生碰撞，导致新特提斯洋的关闭和变窄，环特提斯洋边缘区域海平面快速下降，从而会导致浅海沉积环境的大规模减少。浅海沉积物中硫化物的δ 34 S值通常要高于深海沉积物中的硫化物（因为浅层沉环境中硫酸盐微生物还原速率较快，同位素分馏较小），所以如果全球的硫化物更多地在深海环境中埋藏，势必会使硫化物δ 34 S普遍降低，相应地海水中硫酸盐的δ 34 S则会升高。 图3 新生代早期孔虫δ 13 C值（A）与 FB-δ 15 N记录（B）和重晶石、有孔虫碳酸盐晶格硫酸盐δ 34 S记录（Paytan et al., 199 8；Rennie et al., 2018）（C）的对比。从古新世到始新世，底栖有孔虫δ 13 C值的总体下降可能表明有机质埋藏速率的降低，与大陆坡上方水体中较高的氧浓度是一致的（Kast et al., 2019, supplementary materials） 这两篇文章均提出了新生代早期构造运动导致海洋环境格局的变化，从而分别改变了海洋氮、硫循环。但是，为了解释氮、硫同位素的各自特定变化，二者对构造变动时间和海洋格局变化的着眼点却不同，尚不能用一个统一的因素来解释氮、硫循环的变化。这体现了海洋中氮、硫地球化学循环影响因素的复杂性以及同位素研究的多解性，需要多指标综合分析研究。 然而，Kast et al.（2019）提出的自59 Ma随着板块的汇聚海洋温跃层和中层水变得富氧，与Rennie et al.（2018）提出的构造变动导致硫化物埋藏至更深的海洋环境的观点并不是矛盾的。因为温跃层和中层水体的富氧会导致海洋硫酸盐还原界面向更深处移动，从而有利于更多的硫化物在深海环境中埋藏。值得注意的是海洋中溶解硫酸盐的滞留时间（～20 Ma）要远大于硝酸盐（<3千年），这至少是海洋硫酸盐δ 34 S变化滞后于硝酸盐δ 15 N约4 Ma的原因之一。今后的研究要综合多种替代性指标（如δ 15 N、δ 34 S和δ 53 Cr等），同时注意各指标对驱动因素响应的时间尺度，采用模型分析获得更为确切的新生代海洋氧化-还原变化 历史 。 主要参考文献 1.Fike D A , Grotzinger J P , Pratt L M , et al. Oxidation of the Ediacaran Ocean[J]. Nature, 2006, 444(7120):744-747. 2.Kast E R, Stolper D A, Auderset A, et al. Nitrogen isotope evidence for expanded ocean subo xi a in the early Cenozoic[J]. Science, 2019, 3 64 ( 64 38): 386 -389. 3.Paytan A, Kastner M, Campbell D, et al. Sulfur isotopic composition of Cenozoic seawater sulfate [J]. Science, 199 8, 282: 145 9- 146 2. 4.Rennie V C F, Paris G, Sessions A L, et al. Cenozoic record of δ34S in foraminiferal calcite implies an early Eocene shift to deep-ocean sulfide burial[J]. Nature Geoscience, 2018, 11(10): 761-765. 5.Schobben M, Stebbins A, Ghaderi A, et al. Flourishing ocean drives the end-Permian marine mass extinction[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015, 112(33): 10298-10303. （撰稿：王旭/新生代室） 美编：徐海潮 校对：HCN

轮胎在硫化过程中要消耗大量热能和电能，因此开发和推广节能硫化工艺意义重大。由于氮气分子量小、热容很小，氮气充入轮胎胶囊内腔时，不会吸热而引起温度降低，也不易造成胶囊氧化裂解破坏。采用充氮气硫化的主要优点是节能和延长胶囊寿命，可节省蒸汽80%，胶囊使用寿命可延长1倍。