稳定碳同位素在第四纪古环境研究中的应用

文章对陆相沉积物、湖沼相沉积物以及脊椎动物牙齿中的δ¹³C研究作了系统的综述,特别对存在的问题提出了一些看法,认为黄土-古土壤序列中有机质δ¹³C与碳酸盐δ¹³C变化趋势相反的原因是CO₂与碳酸盐交换平衡时的分馏系数在古土壤堆积时和黄土发育时不一致造成的;陆相沉积物的有机质δ¹³C较碳酸盐δ¹³C能更加直接地反映沉积时地表植被状况,陆相沉积物的碳酸盐δ¹³C在古生态中的应用还有待于对它的形成机制和形成过程进行进一步的研究;我国黄土高原末次冰期的气候不利于C4的生长.文章强调古环境、古生态研究应该从现代过程入手,了解现代植物δ13C与气候参数的关系以及现代C4植物的分布规律.同时还认为分子化石的稳定同位素研究这一新研究手段将会给第四纪研究带来更新的活力.     

植物-土壤有机质转化过程中的碳同位素组成变化

土壤有机质的碳同位素信息反映了上部的植被和气候状况，但植物体在被微生物分解、利用、转变为土壤有机质的过程中会产生碳同位素的分馏。本研究探了高山草甸和典型草原两种不同气候、生态环境条件下，植物转变为土壤有机质过程中的碳同位素组成变化。结果显示：在太白山高海拔地区的4个采样点，表土的δ13Corg值均随深度的增加而逐渐偏正，到距离地表10-15cm左右时，土壤的δ13Corg值基本稳定。经过长期分解稳定以后的土壤有机质的δ13C值要比其源植被约偏正1.65‰-2.27‰左右，平均约偏正1.9‰左右。在内蒙草原样地的4个采样点，亦表现出与太白山相似的变化：土壤样品的δ13Corg值从地表开始，随着深度的增加而逐渐偏正，到约距离地表10cm左右深度后，δ13Corg值逐渐达到稳定，在距地表10-16cm间基本稳定不变。在该深度土壤的δ13Corg值比它上面生长的植物的δ13C值要分别偏正1.3‰、1.4‰、1.4‰、1.2‰，4块样地平均偏正约1.3‰左右。本研究表明，在运用土壤有机碳同位素反淀古植被和古气候变化时，应考虑到不同气候、生态环境中植物转化为有机质过程中的碳同位素分馏影响。     

中国西北干旱区湖泊沉积物中有机质碳同位素组成的环境意义--以民勤盆地三角城古湖泊为例

通过对中国西北干旱区石羊河流域民勤盆地三角城古湖泊沉积物有机质碳同位素组成(^δ13Corg)分析,表明末次冰期与全新世时气候和植被有明显的差异,末次冰期^δ13Corg总体偏轻(-30‰～-25‰),而全新世碳同位素组成则有较大的变化,在早全新世碳同位素组成有多次短期快速变重(-10‰左右)的变化,中全新世碳同位素组成总体偏重(-20‰～-10‰),晚全新世碳同位素组成偏轻(-25‰左右)。分析表明湖泊沉积物有机质碳同位素组成反映了陆生C₃植物和湖泊内源水生植物变化的关系,末次冰期以来西北干旱区C₄植物不发育,偏重的有机质碳同位素值与C₄植物无关。从沉积物中有机质组分、元素等分析表明,末次冰期时主要以河流相沉积为主,湖泊中有机质主要来源于上游祁连山的陆生C₃植物,有机碳含量较低,表明当时的上游的陆生植被不繁盛,区域气候较干冷;从全新世开始,三角城古湖泊开始形成,沉积物中碳同位素组成偏重的有机质主要来源于湖泊中的沉水植物,此时湖泊水体较大,湖泊生产力较高。而沉积物中有机质碳同位素组成偏轻时期的有机质主要来源于挺水植物、陆生C₃植物,较低的有机碳含量说明该时期陆生植被不发育,气候较干冷,湖泊水体较小     

中东亚干旱半干旱区C3植物δ13 C值的分布 及其对气候的响应*

植物化石和土壤中的有机质碳同位素指标常用来反映古气候的变化,然而碳同位素这个指标在特定地区反映气候的定量关系缺乏检验。研究剖面选择自中国的秦岭(34°14'24″N,106°55'30″E)到蒙古人民共和国北部,接近贝加尔湖地区(51°35'08″N, 100°45'49″E)的研究剖面线,选择了3种C₃植物(Artemisia scoparia, Ajania achilleides 和 Artemisia frigida),在剖面线上沿南北方向上每隔4'到5'采取一个样点,共选取161个C₃植物茎叶样品进行了δ¹³ C值测定。同时收集了剖面线附近气象站的降水、气温等资料,用插值方法得到每个采样点的气温、降水数据。分析表明:C₃植物的δ¹³ C值分布范围为-30 ‰ ~-22 ‰ ,其平均值为-26.81 ‰ ,该平均值较全球C₃植物δ¹³ C平均值偏正。通过对比C₃植物δ¹³ C与年均温、年均降水量、生长季节的干燥度等随纬度的变化规律,发现C₃植物δ¹³ C、年均降水量、生长季节的干燥度有非常一致的变化趋势,而C₃植物δ¹³ C和年均温不具有一致性。通过一元回归分析也同样发现C₃植物δ¹³ C与年均降水量呈线性负相关关系(y=-0.0077x-24.838,n=161,R²=0.4418,p=0.01),与生长季节的干燥度呈线性正相关关系(y=0.7328x-28.806,n=161,R²=0.3685,p=0.01),而与年均温度没有明显的相关关系(y=-0.0461x-26.756,n=161,R²=0.0232,p=0.01)。在本研究区C₃植物δ¹³ C对年均降水量和生长季节的干燥度响应十分显著,而对温度的响应不明显。研究区具有明显的降水和温度的梯度分布特征,是验证植物碳同位素与气候关系的理想场所,而土壤中的有机质碳同位素与其地面上的植物碳同位素息息相关。研究也说明,在本研究区或其他气候植物组合相似的地区可以利用古土壤中的有机质碳同位素来定量或半定量地反映古气候的变化。     

云南程海富营养化过程的碳氧稳定同位素示踪

近500年来程海生物成因碳酸盐δ¹⁸O和δ¹³C及其有机质δ¹³C同位素记录了程海湖泊环境由贫营养到中富营养的演化过程.碳酸盐δ¹⁸O记录显示,大约1690年程海成为封闭湖泊后,当时湖泊贫营养环境并没有发生变化,但造成了湖泊水体交换周期加长,碳酸盐δ¹³C、有机质δ¹³C及其色素含量、碳酸盐含量变化指示湖泊生产力开始增高.1911～1942年碳酸盐δ¹⁸O和δ¹³C及有机质δ¹³C突然显著偏负,表明湖泊生物种群结构发生转变,湖泊初级生产力迅速增加,湖泊由贫营养向中营养转化.湖泊沉积物色素含量及碳酸盐含量变化也记录了这一湖泊环境的转换过程.约1986年以来,随着藻类养殖业及其农业耕作方式的转变,程海水环境渐渐转变成目前的中富营养化状态.     

甲烷稳定碳同位素在油气化探中的应用

甲烷稳定碳同位素具有示踪作用,它有助于鉴别油气化探异常的成因,提高化探成果的可信度。本文研究了土壤吸附烃气、水中溶解烃气和岩心岩屑吸附烃气的甲烷稳定碳同位素。结果表明,土壤吸附烃气应用δ¹³C₁目前尚有一定的局限性,需进一步加强研究;水中溶解烃气应用δ¹³C₁效果比较显著;岩心岩屑吸附烃气应用δ¹³C₁不仅有助于油气源岩对比,而且有助于油气化探的解释。     

岩浆去气作用碳硫同位素效应

 根据开放体系条件下的瑞利分馏原理,并考虑岩浆中可能溶解的合碳和含硫组分,从理论上定量模式了岩浆去气作用对火成岩碳、硫同位素组成的影响。结果表明,岩浆CO₂去气作用能够导致岩石中碳酸盐显着亏损¹³C,其δ¹³C值能够从原始-5‰变化到-20‰(PDB);岩浆CH₄去气作用则导致岩石中碳酸盐相对富集¹³C,其δ¹³C值能够从原始-5‰变化到+4‰。岩浆SO₂去气作用可以导致岩石中硫化物显着亏损³⁴S,其δ³⁴S值能够从0‰变化到-8‰(CDT);岩浆H₂S去气作用则导致岩石中的硫化物相对富集4S,其δ³⁴S值能够从0‰变化到+6‰。因此,除源岩原始同位素不均一性和地壳物质混染能引起火成岩的碳、硫同位素组成发生较大变化外,岩浆去气作用也是重要原因之一。     

土壤碳动力学同位素示踪研究进展

土壤是陆地生态系统中最大的碳库。土壤碳动力学旨在研究土壤有机碳库的大小及更新速率。土壤有机碳库可分为 3个亚碳库："活动"、"缓慢"和"稳定"碳库。碳同位素特别是 14 C可作为研究土壤碳动力学的理想示踪剂;δ 13 C值是定量研究C3和C4植被更替历史的有效手段; 14 C示踪及年代测定与 13 C信号联合使用,可以估算土壤碳库的大小和驻留时间。碳同位素示踪应用于土壤碳动力学研究取得了较大进展,但是由于缺乏可靠的全球数据库和标准方法来量化土壤有机碳库,导致对土壤各亚碳库的大小和更新速率以及土壤CO2的估算仍存在较大的不确定性,从而难以估计土壤碳库大小的变化对大气CO 2浓度和全球气候变化的潜在贡献。     

海南岛万泉河口沉积物有机碳、 氮同位素的特征及其环境意义*

对海南岛万泉河口沙美内海柱样K3和K4沉积物进行生物地球化学指标总有机碳(TOC)、总氮(TN)、有机碳同位素(δ¹³ C)、氮同位素(δ¹⁵ N)的分析,以及²¹⁰ Pb定年了解其近代变化特征,追踪沉积物有机质来源的变化,提取沉积环境演变及人类活动的信息。K3中TOC的变化介于0.51 ％ ~1.12 ％ ,K4变化介于0.43 ％ ~1.49 ％ ,而其随时间的变化反映了流域内人类活动的历史。17世纪TOC含量明显增加记录了明末清初开始流域内广泛种植农作物的活动,19世纪以来TOC含量逐渐增加,至现代达最高值,对应了工业革命以来人类活动的增强。K3和K4的δ¹³ C值变化分别在-24.38 ‰ ~-21.02 ‰ 之间和-24.74 ‰ ~-20.17 ‰ 之间,δ¹⁵ N值变化分别在2.20 ‰ ~4.62 ‰ 之间和2.39 ‰ ~5.02 ‰ 之间,映证了本区沉积物有机质是陆源物质和海洋物质混合的特点。明末清初开始流域内广泛种植玉米等农作物造成δ¹³ C值增加和δ¹⁵ N值减少; 自19世纪以来至现在,该区的经济活动增加,人口的持续增长,尤其是近50年来化肥农药的大量使用,造成陆源输入的有机碳含量大幅增加,使δ¹³ C值减少和δ¹⁵ N比值增加。 δ¹³ C值自19世纪以来就逐渐变轻,说明陆源和海洋有机碳的比例发生了变化,较轻的陆源有机碳比例相对增加,较重的海洋有机碳比例相对减少,反映了玉带滩沙坝的增长、沙美内海封闭、海水交换作用减少的状况。C/N比值分别从底部的16.19和17.36到顶部减小为11左右,自19世纪以来呈明显减小的趋势也反映了沙美内海泻湖自生的藻类有机质供应越来越多,也说明了其逐渐封闭、水动力条件越来越弱,与外海的交换作用逐渐减少的状况。     

桂江流域河流有机碳特征

通过对桂江流域内植物、土壤碳同位素、河流有机碳含量及同位素进行系统取样测试分析发现,桂江流域C3植物的δ13C范围为-37.89‰~-23.27‰,C4植物δ13 C范围为-14.49‰~-12.00‰。土壤碳库的δ13 C范围为-30.43‰~-11.56‰,平均值为-24.32‰。土壤碳库主要受C3途径植物控制,C4途径植物对土壤碳库的δ13 C影响有限,植物残体转化成土壤有机质的过程中产生有机碳同位素分馏效应,造成土壤有机碳同位素比植物碳库偏重4.42‰。桂江河流DOC分布范围0.68~2.16mg/L,平均值为1.39mg/L。ρ(POC)分布范围0.11~1.14mg/L,平均值为0.37mg/L,DOC/POC的范围1.31~9.04,ρ(DOC)ρ(POC),成为水体有机碳的主要形式。流域水体中δ13CDOC值的范围为-29.682‰~-15.377‰,平均值为-24.810‰;δ13CPOC值的范围为-27.886‰~-24.271‰,平均值为-25.868‰;两者均位于土壤有机碳库同位素范围内,说明河流有机碳主要来源于土壤的机械侵蚀和土壤有机质的降解,受人类生产生活有机废弃物和河流自生浮游植物的代谢分泌物影响小。     

青藏高原现生禾本科植物的δ13C与海拔高度的关系

文章通过分析青藏高原4种C3禾本科植物碳同位素值随海拔高度的变化,发现穗三毛(Trisetumspicatum),垂穗鹅观草(Roegnerianutans),紫花针茅(Stipapurpurea),垂穗披碱草(Elymusnutans)的碳同位素值随海拔高度增加而变重的趋势明显,平均每增高1km变重1.37‰,其中Trisetumspicatum和Roegnerianutans的碳同位素值随海拔高度增加而变重的趋势更为显著。研究认为温度和大气CO₂分压是引起C3植物碳同位素值随海拔高度变化的主要因素。另外,研究发现一些C4植物的生长高度可以达到海拔4000m以上,最高可达海拔4520m。     

新疆罗北洼地湖相沉积物有机碳同位素的变化序列及其古环境意义

测定了新疆罗布泊地区湖相沉积物CK-2钻孔样品的总有机碳含量（TOC）及其同位素组成、碳酸盐含量和C/N比值等环境代用指标,以及石膏矿物的质谱-铀系年龄。测试结果表明,20～9kaB.P.期间沉积物δ¹³C_org.在-23.4‰～-16.1‰之间波动且阶段性明显,与TOC呈现良好的相关关系,整体变化趋势同南极Dome C冰芯中记录的全球大气CO₂浓度一致;C/N比值表明有机碳来源主要是陆生高等植物。因此大气CO₂浓度变化是影响20～9kaB.P.期间罗布泊湖相沉积物δ¹³C_org.值变化的主导因素,周围山体上C₃/C₄植物相对生物量的变化则是另一重要因素。依据δ¹³C_org.的变化序列将此时间段湖区古环境的演化分成6个阶段:20.0～14.1kaB.P.期间受到末次盛冰期的影响,气温偏低,湖水丰沛;14.1～13.3kaB.P.是一个气候不稳定期,冷暖波动较频繁,但以暖为趋势;13.3～12.8kaB.P.期间经历了一段冷期,于12.8kaB.P.结束了末次冰期,随后气候开始转暖至11.8kaB.P.;其后气温再次变冷并维持到10kaB.P.;最后从10kaB.P.进入全新世暖期。δ¹³C_org.序列明显向偏负方向变化,表明该地区变暖的趋势相当明显。罗布泊地区日益干旱化是全球气候变化的结果,尤其是受到全球CO₂浓度的不断升高所制约。     

18.5kaB. P.以来东北四海龙湾玛珥湖全岩有机碳同位素记录及其古气候环境意义

结合含水量、TOC含量和TOC/TN比值变化曲线,18·5kaB·P·以来的四海龙湾玛珥湖沉积物全岩有机碳同位素组成（^δ13C_TOC）记录可划分为3个阶段:1)末次冰期晚期（18·5～14·7kaB·P·）,^δ13C_TOC值偏正,变化范围为-29·50‰～-26·18‰,平均值约为-28·10‰;2)末次冰消期（14·7～11·7kaB·P·）,^δ13C_TOC值显著偏负,变化范围为-33·92‰～-28·40‰,平均值约为-31·75‰,在^δ13C_TOC值变化曲线上表现为一个低谷,但在类似YoungerDryas的冷干事件期间（12·7～11·7kaB·P·）,^δ13C_TOC值再次显著偏正,最高可达-28·4‰;3)全新世以来（11·7kaB·P.至今）,^δ13C_TOC值变化幅度不大（-30·85‰～-27·37‰）,基本上都在平均值-29·1‰左右。研究表明,大气CO₂浓度变化是影响18·5kaB·P·以来四海龙湾玛珥湖^δ13C_TOC值变化的主导因素。     

东海泥质区单体正构烷烃的碳同位素组成及物源分析 *

利用气相色谱(GC)和气相色谱/同位素比值质谱(GC/IRMS)对东海近岸泥质区、济州岛西南泥质区和冲绳海槽北部表层沉积物中正构烷烃的单体碳同位素组成及分布进行了分析。结果显示东海不同泥质区典型海洋藻类源正构烷烃C₁₉同位素组成基本相似,在-27.4 ‰ ~-28.0 ‰ 之间,平均为-27.7 ‰ 。典型海洋水生植物源C₂₃同位素组成在-28.5 ‰ ~-31.6 ‰ 之间,平均为-30.5 ‰ ,碳同位素组成从近岸泥质区到冲绳海槽北部逐渐变重,表明海槽区与陆架区海洋水生植物种类有所不同。陆架区长链正构烷烃(C₂₅~C₃₁)部分随着碳数的增加,其同位素组成逐渐变轻,但海槽区这一变化不大,显示陆架区的陆源高等植物蜡具有相似的物源,而冲绳海槽北部由于黑潮主干区和黑潮分支(对马暖流)对陆架沉积物进入深海的控制性阻隔作用,其物源与陆架区区别较大。现代输入东海的陆源植物以C₃植物为显著优势,C₃植物对近岸泥质区北部、近岸泥质区南部、远端济州岛西南泥质区和冲绳海槽北部陆源植物的贡献分别为83 % ,95 ％,75 % 和70 % 。     

Stable carbon isotopic composition of soil organic matter in the karst areas of Southwest China

This study dealt with the distribution characteristics of soil organic carbon （SOC） and the variation of stable carbon isotopic composition （δ^13C values） with depth in six soil profiles, including two soil types and three vegetation forms in the karst areas of Southwest China. The δ^13C values of plant-dominant species, leaf litter and soils were measured using the sealed-tube high-temperature combustion method. Soil organic carbon contents of the limestone soil profiles are all above 11.4 g/kg, with the highest value of 71.1 g/kg in the surface soil. However, the contents vary between 2.9 g/kg and 46.0 g/kg in three yellow soil profiles. The difference between the maximum and minimum δ^13C values of soil organic matter （SOM） changes from 2.2‰ to 2.9‰ for the three yellow soil profiles. But it changes from 0.8‰ to 1.6‰ for the limestone soil profiles. The contrast research indicated that there existed significant difference in vertical pattems of organic carbon and δ^13C values of SOM between yellow soil and limestone soil. This difference may reflect site-specific factors, such as soil type, vegetation form, soil pH value, and clay content, etc., which control the contents of different organic components comprising SOM and soil carbon turnover rates in the profiles. The vertical variation patterns of stable carbon isotope in SOM have a distinct regional character in the karst areas.     

洛南黄土有机碳同位素组成及其与洛川、西峰黄土对比

以往黄土-古土壤碳同位素的研究主要集中在东亚季风控制的干旱-半干旱黄土高原中北部地区,而对于秦岭南部暖温带季风性半湿润气候区黄土-古土壤序列有机碳同位素的研究鲜有报道。对比两种气候条件下的黄土有机质碳同位素组成可更广泛和深入地认识黄土碳同位素所指示的生态环境变化。为此,本研究选取了位于秦岭南麓的洛南上白川、刘湾两剖面,剖面厚度分别为74m和10m,以20cm间距采集上白川剖面38个样品,刘湾剖面51个样品。采用高温灼烧氧化法对全部样品有机质碳同位素组成进行测定,并将结果与黄土高原中部洛川和西峰剖面有机质碳同位素进行了对比。结果表明：  上白川剖面有机碳同位素( δ¹³C_org.)的变化范围为-24.43‰～-21.30‰,刘湾剖面的变化范围为-24.70‰～-20.52‰,洛川剖面的变化范围为-23.37‰～-18.72‰, 西峰剖面的变化范围为-23.68‰～-19.47‰。末次间冰期位于半湿润地区的上白川和刘湾剖面有机碳同位素峰值较半干旱地区洛川、西峰剖面偏负1‰～2‰,即上白川和刘湾剖面有机碳同位素峰值分别较洛川剖面的峰值偏负1.8‰和1.9‰,较西峰剖面的峰值偏负1.3‰和1.4‰。因此,该区的植被覆盖应是以C₃植物为主的C₃和C₄混合草原植被类型;   从整体上来看,洛南剖面古土壤层碳同位素较相邻黄土层的碳同位素偏正,因此,古土壤形成时期C₄植被相对比例增加。末次间冰期洛南上白川和刘湾剖面有机碳同位素峰值较洛川、西峰剖面的峰值偏负1‰多,表明受东亚季风控制的半干旱-半湿润的黄土区,暖季节降水对C₄/C₃植被相对比例增加的趋势和幅度均具有明显的影响,主要表现在暖季节降水的增加有利于C₄植被相对比例的增高,同时降水的季节性分布和/或降水量的增多影响土壤有机碳同位素所记录的C₄植被相对比例及其增加幅度。     

黄土中钙结核的碳氧同位素研究(二)碳同位素及其古环境意义

从洛川黄土剖面离石黄土各层古土壤中钙结核的碳同位素分析结果，探讨了钙结核碳同位素变化所反映的古土壤形成时的植被状况，还借助于“干燥度”，结合由钙结核氧同位素变化所获得的古温度资料，估算了各层古土壤形成时长时段的年平均降水量。所得结果表明，各层古土壤形成时温度和湿度状况有更复杂的变化。大部分古土壤形成时的年平均降水量与现代相差不多(增幅在５０ｍｍ左右)，但发育最好的Ｓ５形成时，年平均降水量超过现在约２００ｍｍ。古土壤的碳氧同位素能很好指示古环境，但研究工作还有待深入。     

不同植物凋落物对土壤有机碳淋失的影响及岩溶效应

以低含量有机碳的岩溶土壤（ＳＯＣ, ０．８９％）为媒介,每１５０ｇ上添加松针、梧桐叶粉各 ７．５ｇ,１５ｇ,４个试验土柱号分别为ＳＣＣ３,ＳＣＣ５;ＳＢＣ３,ＳＢＣ５,接种岩溶土壤微生物群落后,于 恒温室内进行培养淋溶实验。结果表明,土壤淋溶液的电导值受土壤有机质含量多少及性质 的影响。土壤水溶性有机碳（ＤＯＣ）淋失总量ＳＣＣ３为５４０．７ｍｇ,ＳＣＣ５为１５２２．９ｍｇ;ＳＢＣ３为 ３８３．２ｍｇ,ＳＢＣ５为５６３．５ｍｇ。同时,土壤环境中Ｃａ^２＋的释放总量ＳＣＣ３为１４５．７ｍｇ,ＳＣＣ５为 ２８８．７ｍｇ; ＳＢＣ３为１７０．０ｍｇ,ＳＢＣ５为１６７．９ｍｇ。两者呈正相关,相关系数ｒ^２＝０．８５。下伏碳酸 盐岩的溶蚀量排序为ＳＣＣ５＞ＳＢＣ３＞ＳＣＣ３＞ＳＢＣ５,表明两种不同植物凋落物经微生物分 解,产生不同质和量的ＤＯＣ,并导致土壤环境中 Ｃａ^２＋释放的差异和不同的岩溶效应。从而初步揭示不同有机碳分解导致ＤＯＣ淋失的差异性,以及ＤＯＣ对岩溶动力系统的驱动。这与Ａ．Ｈｅｙｅｓ和Ｔ．Ｒ．Ｍｏｏｒｅ的研究结果一致。