本文由TOP大学来了综合自“中国地理学会、各高校网站”
TOP前言
“TOP大学来了”小编按，近日，中国地理学会公布了2020年度“中国地理科学十大研究进展”入选成果名单。北京大学、南京大学均有两个项目入选，兰州大学、华东师范大学各有一个项目入选。
白石崖溶洞遗址发现晚更新世丹尼索瓦人DNA
10月30日凌晨2时，兰州大学环境考古团队青藏高原古人类活动研究重大突破、题为《青藏高原白石崖溶洞晚更新世沉积物中发现丹尼索瓦人基因》在《Science》杂志在线发表。这是继2019年5月《Nature》杂志报道兰州大学环境考古团队等发现青藏高原距今至少16万年前的丹尼索瓦人下颌骨化石后，国内外的焦点再次聚集到这一古老而神秘的古人类和白石崖溶洞。
经过多年努力，兰州大学环境考古团队在甘肃夏河白石崖溶洞的研究取得重要进展，发现该遗址保存有丰富的中更新世至晚更新世古人类活动遗存，成功获取丹尼索瓦洞以外的首个丹尼索瓦人线粒体基因序列，揭示丹尼索瓦人在晚更新世长期生活在青藏高原。
10月30日上午，国家文物局在京召开的最新一次“考古中国”重大项目重要进展工作会上，兰州大学环境考古团队青藏高原古人类活动研究重大突破作为第一个发布项目，由张东菊教授代表研究团队向业内专家、媒体郑重发布。这是应用国际最先进的古DNA分析技术在中国考古遗址沉积物中提取古人类遗传信息的首个成功案例。
2019年，中国科学院院士陈发虎领衔的兰州大学和中科院青藏高原研究所团队报道了夏河丹尼索瓦人下颌骨化石的研究成果，揭示这块化石为阿尔泰山地区丹尼索瓦洞以外发现的第一件丹尼索瓦人化石，提供了青藏高原最早的人类活动证据，将丹尼索瓦人的空间分布首次从西伯利亚地区扩展至青藏高原，将青藏高原人类活动历史从距今4万年推早至距今16万年，这是丹尼索瓦人研究和青藏高原史前人类活动研究的双重重大突破。
这项成果一经发表，吸引了上百家国内外媒体报道，并于2019年末荣获国内外众多学术机构评选的多个年度“十大”：“十大考古发现”“十大科学突破”“十大科技进展”“十大科技新闻”等。
北半球春季植被物候提前加剧夏季干旱和热浪
北京大学城市与环境学院朴世龙教授研究组利用长时间序列的遥感植被叶面积指数数据和多套融合遥感信息的土壤水数据，结合统计分析和陆气耦合模式模拟，系统探讨了北半球植被春季物候提前对夏季土壤水的滞后影响。
研究表明，由于春季物候提前，北半球春季植被蒸腾失水和降水量均增加,但降水增量不足以补偿蒸腾失水，导致大部分地区春季末土壤水含量下降。这一土壤变干趋势并延续到夏季，从而进一步改变了夏季地表能量平衡，致使高温热浪事件频率增加和强度加剧。需要指出的是，“物候提前导致夏季土壤变干”并非在所有地区皆成立，比如：在主要农业区，人为灌溉对土壤水的作用远胜于农作物春季物候提前的影响；在西伯利亚中部地区，上风向地区物候提前带来的水汽输入增量大于当地物候提前引起的蒸腾失水增量，导致该地区夏季土壤水不减反增。
这一发现说明大尺度环流过程对水汽空间分布起到了重要的调节作用。该成果揭示了北半球春夏季节间植被动态和水循环复杂的交互作用，为准确预报夏季极端干旱和高温热浪事件提供了新的参考依据。
春季物候提前对夏季土壤水滞后影响的示意图
IPSL模拟的春季物候提前对水循环的影响
近千年来黄土高原社会-生态系统演变过程及效应
社会-生态系统的动态演变是人地相互作用研究的核心内容，是地理学研究的前沿科学问题。稳态转换是指系统的结构和功能发生巨大、突然和持续的变化，是理解社会-生态系统变化的重要视角。识别长时间尺度社会-生态系统的演变阶段、驱动因素和效应对未来的系统管理十分重要。现有的稳态转换研究主要基于社会或生态要素时间序列的突变点识别，对系统要素间相互作用关注较少，而对稳态转换影响效应的研究主要集中在局地尺度，对其跨尺度的溢出效应研究有限。
黄土高原社会-生态系统演变阶段
针对这些问题，北京大学武旭同在傅伯杰院士的指导下发展了根据社会-生态系统要素相互作用变化识别系统演变阶段的方法，揭示了近千年来黄土高原社会-生态系统的演变过程及效应。他们提出根据系统要素相互作用变化识别社会-生态系统稳态转换，同时关注其驱动因素和本地与溢出效应的研究框架，并以黄土高原社会-生态系统近千年的演变为案例证明了该框架的适用性。框架假设在一个演变阶段（稳态）内，社会-生态系统要素之间的相互作用保持不变，而要素之间相互作用的变化则表示系统从一个阶段演变到另一个阶段。人类活动和气候变化等驱动因素决定了社会-生态系统要素之间的相互作用，进而对本地和远程的系统产生影响和效应。
通过整合统计调查数据、历史时期重建数据和相关文献资料，该研究分析了黄土高原近千年来人口、耕地面积和森林覆盖率等要素的关系变化，将其社会-生态系统演变划分为5个阶段：“耕种快速扩张”（1100-1750年代）、“耕种持续扩张”（1750-1950年代）、“农田工程以增加粮食生产”（1950-1970年代）、“从粮食生产向生态保护转型”（1980-1990年代）、“植被恢复以保护生态环境”（2000年代至今）。研究还建立了黄土高原社会-生态系统状态与政策、气候、社会经济等驱动因素和本地粮食生产、黄河输沙量、径流量、三角洲面积、下游自然决堤次数等本地与溢出效应的经验联系。研究发现前三个阶段对粮食生产的追求破坏了当地生态环境，加剧了土壤侵蚀，对黄河下游和三角洲产生影响，而退耕还林还草等生态恢复和水土保持措施的实施减少了黄土高原土壤侵蚀和黄河泥沙，但同时也带来了径流减少、黄河三角洲蚀退等新的问题。
该研究为社会-生态系统的动态演变研究提供了新的视角，可为世界其他区域的相关研究提供借鉴。黄土高原案例分析表明，社会-生态系统管理需要从系统与综合的角度，实现从追求单一目标到考虑要素相互作用，从关注局地到关注跨区域影响的转型，这对人地系统管理与调控和政策制定具有重要意义。这一研究成果与10月7日发表在国际著名学术期刊Science Advances。北京大学城市与环境学院博士生武旭同为第一作者，中国科学院生态环境研究中心傅伯杰院士为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目、中国科学院前沿科学重点研究计划项目和国际合作项目等项目的资助。
全球尺度植被CO2施肥效应变化趋势
二氧化碳（CO2）是植物光合作用的重要原料，二氧化碳浓度越高，植物的生长是否就越快？有最新研究结果显示，在全球范围内植被的二氧化碳的“施肥效应”有下降趋势。12月11日，南京大学国际地球系统科学研究所和地理与海洋科学学院张永光教授、居为民教授和陈镜明院士团队的相关研究成果在线发表在国际顶级学术期刊《Science》上。
未来全球变暖的速率及陆地生态系统对全球变暖的响应，是《科学》杂志列出的未来25年需要解决的125个重大科学问题之一。工业革命以来，人类活动造成大气中二氧化碳的浓度持续上升。以夏威夷冒纳罗亚观测站的数据来说，上世纪80年代大气中二氧化碳的浓度在340ppm左右，而在2020年大气中二氧化碳的浓度最高已经达到417ppm。
图3：营养元素（氮和磷）的变化对CO2施肥效应的影响
植被对于气候有负反馈作用。二氧化碳浓度的不断增加，在通过温室效应导致全球变暖的同时，也提高了植被的光合作用速率（即CO2施肥效应），增加了陆地生态系统吸收大气中二氧化碳的能力，从而减缓全球变暖的速率。研究表明，大气CO2施肥效应是造成近几十年来全球陆地生态系统碳汇显著增加的决定性因素，也是全球变绿的主要驱动因子之一。
南京大学的这项研究，基于团队多年的不断积淀，将植被遥感与全球变化生态学研究相结合，首次对近40年全球CO2施肥效应的时空变化格局进行了定量化评估。
张永光介绍，该研究首先基于系列卫星传感器的观测数据，得到了1982-2015年全球新型植被指数数据，了解全球植被光合作用的变化情况，利用植被CO2施肥效应的检测—归因模型，揭示了近40年全球植被CO2施肥效应的时空变化特征。
研究发现，全球植被CO2施肥效应在大部分地区近40年呈现显著的下降趋势；2001-2015年的全球植被CO2施肥效应比1982-1996年显著降低。全球超过60%的陆地区域CO2施肥效应呈现下降的趋势，欧洲、西伯利亚、南美洲和非洲大部以及澳大利亚西部地区尤为明显；在少部分地区CO2施肥效应存在着上升的趋势，例如东南亚部分地区和澳大利亚东部地区。“在我们中国，CO2的施肥效应则比较稳定，下降趋势不明显。”张永光说，CO2施肥效应的下降，主要是从全球尺度来说，在部分地区具体的时空变化及原因是进一步研究的方向。
该研究揭示了全球CO2施肥效应时空变化的相关原因。团队利用欧洲地区超过3万余条森林叶片关键养分（氮和磷）浓度观测数据进行分析，结果表明，欧洲植被叶片氮和磷浓度有显著的下降趋势。“随着二氧化碳浓度的上升，植被不断增长，但作为植物重要的营养成分的氮和磷浓度在下降，这可能是施肥效应下降的原因之一。”
在全球尺度定量化评估CO2施肥效应，并分析其时空变化格局，有助于准确评估全球陆地生态系统的固碳能力及其变化趋势，对降低未来气候变化预测的不确定性十分重要。
此项研究得到国家重点研发计划“全球变化及应对”重点专项、国家自然科学基金委和江苏省杰出青年科学基金等项目的支持，并在相关数据获取和验证方面得到了国内外合作实验室的大力支持。论文第一作者为王松寒副研究员，张永光教授为通讯作者，居为民教授和陈镜明院士为主要共同作者。
沙丘双稳态的发现及其形成机制
全球超过三分之一的人口居住在干旱与半干旱区，这些地区占全球陆地面积的40%。沙丘广泛分布在干旱与半干旱区，成为一种独特的自然景观。沙丘的形成及其演化机理一直是地球与环境科学领域关注的热点科学问题。
在人们的印象中，沙丘通常是寸草不生和流动的。而在半干旱地区，沙丘可以呈现出流动或固定等不同状态。流动沙丘与固定沙丘的植被覆盖度和流动性差异极大，却可以在相同的地表环境中长期共存，其共存机理是沙丘地貌和环境研究中悬而未决的科学难题。近年来的研究表明，地貌、生态、气候等复杂系统可能具有“多稳态（alternative stable states）”的特征。
流动沙丘和固定沙丘稳定共存于相同的环境条件下，这表明沙丘的形成发育可能也具有多稳态特征。根据多稳态理论预测，随着外部环境条件的渐变，微弱的扰动就可能使沙丘从一种稳定状态演化到另一种稳定状态，这种称之为“稳态转换”（critical transition）的系统行为通常表现出迟滞以及在临界点上的突变等非线性特征。当前，受限于实地证据缺乏，对于沙丘多稳态的形成机理以及这种独特生态-地貌景观长期演化轨迹的理解还非常有限。在沙丘发育演化过程中是否存在稳态转换这一根本问题上，学术界也存在激烈争议。由于沙丘的快速变化会对当地生态环境带来显著影响，并且多稳态的迟滞特征意味着沙丘一旦活化将很难恢复，因此，沙丘多稳态研究对于干旱半干旱区的防沙治沙和区域生态文明建设具有重要意义，特别是在澄清干旱区土地快速退化的触发条件并进行早期预警等方面可以发挥关键作用。
图1 沙丘双稳态现象（流动沙丘与固定沙丘共存）
围绕干旱区环境变化，南京大学地理学院鹿化煜教授的研究团队在我国北方沙漠沙地开展了二十年的研究工作。近年来，在科技部重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持下，他们对多个沙漠沙地开展了“拉网式”考察和大量样品采集、测试分析，构建了近百个有精确年代控制的风沙沉积记录，取得了一系列科研成果。
2016年起，南京大学徐志伟博士等与生科院徐驰教授团队协同美国、荷兰、以色列以及国内多个高校的学者组成的多学科联合团队，针对我国北方半干旱地区的主要沙地（包括毛乌素沙地、浑善达克沙地和科尔沁沙地等）144处风沙沉积进行了基于过程分析的点位特异性重建与集成，利用500多个地层-独立年代数据和古气候重建-模拟资料，获得了这些沙地过去一万两千年的环境变化历史（分辨率达到五百到一千年）。
研究发现，我国北方沙地在过去一万两千年以来就存在与现今类似的流动沙丘与固定沙丘共存的现象，并且在距今六千年前后流动沙丘面积最少。受到季风降水变化的影响，在局部沙丘状态（流动或固定）的变化在较短时间内发生，表现出明显的突变特征，但突变发生的时间节点具有显著的不同步特征，其演化轨迹也具有鲜明的空间异质性。沙丘双稳态格局的形成及状态突变主要与植被、土壤与风沙活动之间的多种正反馈作用有关，并且受到生态系统内部过程的调节。在全域尺度上的重建结果表明，由于局部空间异质性特征相互抵消，这些沙地的总体状态演化表现为渐变特征，并且与季风降水存在较为明确的定量关系（但仍然存在迟滞现象）。这一研究成果有助于理解目前我国北方沙漠沙地环境变化机理以及预测区域环境变化趋势。这项研究凸显出考虑空间尺度和地表圈层相互作用在干旱区地貌发育和环境变化研究中的重要性，同时为澄清撒哈拉沙漠等全球其它干旱区环境突变和渐变的历史过程和机制提供了重要参考。
图2 沙丘双稳态以及我国北方沙地过去一万两千年以来的风沙环境变化（详细说明请见原文）
图3 我国北方沙地环境对过去一万两千年以来气候变化的响应和迟滞（图中数据详细说明请见原文）
图4 “古环境档案”：风沙沉积记录的过去沙丘流动性变化历史
审核、编辑：大可
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.