有机碳同位素示踪古环境变化研究

对有机碳同位素示踪环境变化的原理、研究对象、取得的进展和存在的问题等进行了详细研究，认识到C～H键比C-O键有利于富集^12C，从而导致生物或有机碳δ^13C为极低的负值，使有机碳与无机碳之间存在显著的碳同位素差异。光合作用类型的不同使植物分为C3，C4和CAM3种类群，并导致不同类群的植物具有不同的碳同位素组成，C3植物δ^13C=-20‰～-32‰，平均-28‰，而C4植物δ^13C=-9‰～-17‰，平均-14‰。气候环境的差异影响了光合作用的类型和强度，使不同环境的植物类群特征不同，不仅造成植物组合的碳同位素组成不同，而且导致不同食性的动物牙齿等化石的碳同位素组成的差异，甚至相应的无机碳同位素的变化，因此生物链及其衍生物的碳同位素研究也就成为反演某一地区或某一时期气候环境的有效手段。被作为研究对象的地质记录可分为有机和无机两类，有机类主要包括树轮等植物化石、牙齿等动物化石、煤等陆相沉积有机质、海相沉积有机质、土壤(前者的衍生物)，这些研究对象分别适合于目的不同的环境研究，并获得了较好的效果。进而发现有机碳同位素在研究重大生物灭绝事件、C4植物起源、地球早期生命起源、地外生命存在与否、矿产资源形成时的有机质作用等问题上将有重要作为。     

油藏原油微生物降解的氮同位素分馏效应

选取辽河油田冷东地区来自Es3烃源岩不同性质原油,测定氮同位素比值,试图分析生物降解过程中原油氮同位素的分馏作用,探讨含氮化合物组成的变化机理。正常原油与相应干酪根的氮同位素比值接近,δ15N分布在4.0‰左右。遭受生物降解的原油,氮同位素比值明显增加,δ15N接近或超过10.0‰。比较遭受不同程度微生物降解自然系列的原油,氮同位素比值的变化与降解程度相联系。微生物降解过程中发生氮同位素分馏作用这一事实暗示降解原油中含氮有机化合物在降解过程中参与了代谢。     

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。     

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。     

碳同位素与油气物源示踪

根据硕同位素在自然界的分布、碳同位素的深度效应及侧向运称的同位素分馏作用、碳同位素与母质类型和成熟度的关系、热模拟实验中的碳同位素变化、有机质中碳同位素的逆转现象、费－托合成反应中的碳同位素分馏、大量幔源岩石中碳同位素富＾１２Ｃ的特征的发现等,指出了造成碳同位素分馏作用的因素太多,因而把碳同全素作为油气物源的示踪剂存在诸多的不确定性,在应用时与氧同位互资料结合考虑并注意碳同位素的储库效应,才可望正     

微生物降解有机物的碳氢同位素分馏研究进展

微生物降解使有机化合物的稳定碳、氢同位素发生不同程度分馏的研究在有机污染物来源和微生物环境修复等领域取得了长足进展,并对原油和天然气微生物降解研究有借鉴意义。微生物作用下的同位素分馏为动力同位素分馏,导致重同位素在残余物中富集。影响微生物降解有机物同位素分馏的主要因素有微生物的降解代谢途径、辅酶作用、降解类型与程度、同位素质量差异和有机物碳数等。不同的微生物代谢途径代表不同的生物化学反应,造成了同位素分馏的显著差异;辅酶对反应的催化作用使微生物作用造成的同位素分馏更加复杂。低碳数正构烷烃遭受微生物降解程度越高,碳、氢同位素的分馏也越大,同位素变重与降解程度之间有明显的相关性。但对于复杂化合物,由于降解的多级反应,同位素分馏与降解程度间的相关性并不明显。在同样降解程度下,氢同位素分馏大于碳同位素分馏,低碳数正构烷烃的同位素分馏大于高碳数正构烷烃的同位素分馏。     

植物碳同位素分馏作用与环境变化研究进展

在简述植物碳同位素与环境要素之间关系的基础上,介绍了植物碳同位素分馏机理和分馏模式,并综述了近年来利用植物碳同位素及其组成在研究环境变化方面的研究进展,同时对未来的研究作了展望。     

江西九江地区晚更新世生态变迁的土壤有机质碳同位素证据

根据我国江西九江地区４个土壤剖面的土壤有机质及其δ１３Ｃ值的分析结果,认为末次冰期旋回内生态转型是由于季风效应和ＣＯ２共同作用的表现;北大西洋末次冰期内的Ｈｅｉｎｒｉｃｈ事件对中国东部的气候也产生剧烈的影响,其分布直接控制着Ｃ３和（或）Ｃ４植物的转型及其沉积物的类型．ＣＯ２及其温室气体可能是Ｈｅｉｎｒｉｃｈ事件的重要驱动因素之一．     

有机质碳同位素热力学分馏与天然气碳同位素组成

干酪根中不同结构和官能团具有不同的碳同位素组成,这种差异可以用有机质碳同位素热力学同位素因子（β因子）进行预测。煤岩模拟实验产物中,δ13CCO2相对烃类气体而言明显偏重,这与干酪根中羧基的β13C较大有关。含水实验产物的δ13CCO2轻于无水实验产物的δ13CCO2是由于含水实验中所增加CO2的碳同位素组成相对较轻造成的,含水实验增加的CO2产率是由β13C相对较小的部分亚甲基碳通过断裂、氢转移、以及与水反应转变而来。模拟实验低温阶段（≤300℃）,甲氧基中的甲基断裂可能的甲烷形成的主要方式。而甲氧基的β13C大于甲基,所以低温阶段出现了甲烷碳同位素组成先较重后变轻的现象。     

氧化条件对样品有机碳同位素测定的影响因素讨论

有机碳同位素在全球变化、古气候和古环境恢复研究中的应用日益广泛和深人。有机碳同位素分析的基本原理是在高温下过量的氧气中将样品有机物氧化为CO2，通过分离纯化得到纯净的CO2气体送人质谱测定其护δ13C值。 在已发表文章中，对于有机碳同位素的研究，人们所采用的氧化温度和氧化时间都有很大差异，但很少系统地研究有机碳同位素分析氧化条件对样品有机碳同位素测定结果的影响。为了解不同的氧化条件是否会造成样品的有机碳同位素分馏，以及不同氧化条件对样品有机碳同位素测定结果的影响程度，笔者采用封管法，选取了不同类型的样品（有机碳标准、植物、表土、黄土以及红粘土等），采用不同的氧化温度：500℃,550℃,650℃,750℃,850℃,900℃以及950℃等，恒温2.5 h,然后炉冷至室温。 实验结果表明：氧化温度为850℃，恒温时间为2.5 h，对于有机碳标准、植物、表土和较年轻的黄土样品，足以确保样品有机质氧化充分，δ13C值达到稳定，不会产生同位素分馏。 但对于深层黄土和红粘土样品，氧化温度为850℃，恒温时间为2.5 h，其δ13C值不能达到一个稳定值，仍有偏正趋势。这可能是由于深层样品成岩化作用强，样品中含有一些含碳的矿物包裹体，随温度上升到一定程度，才逐渐分解，释放出气体。对于深层黄土和红粘土样品，采用850℃甚至更高的氧化温度其δ13C值仍未达到稳定，合适的氧化温度需进一步的研究来确定。     

碳同位素技术在土壤碳循环研究中的应用

碳在土壤中的储量和存储时间是陆地生态系统碳库中最大和最长的,而土地利用方式会影响到土壤碳储量及其循环周期,因此有效的土地利用管理可使土壤成为一个碳汇。土壤储存碳的过程就是土壤有机碳动态平衡的变化,因此认识土壤有机碳的动态变化是揭示土壤碳循环过程及其调控机制的重要方面。首先介绍了碳的一种稳定性同位素(13C)和放射性同位素(14C)在生态系统长期动态过程的重建(如C3/C4植被的历史格局)、土壤有机碳周转周期等方面的应用,探讨了同位素示踪技术在土壤有机碳来源、周转周期、土壤CO2通量的变化和组分区分、同位素富集等研究领域的应用,归纳了土壤碳循环研究中的基本问题,提出了未来土壤碳循环同位素示踪的主要研究方向。     

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Ca2+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r2=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 Ca2+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。     

湘黔地区早寒武世黑色页岩有机碳同位素组成变化及其意义

对扬子地台湘黔地区早寒武世黑色页岩有机碳同位素的组成变化进行野外地质观察与室内分析研究表明:研究区灯影组白云岩主要为碳酸盐台地沉积环境,牛蹄塘组黑色页岩主要为陆棚沉积环境,湖南地区有可能水体更深,过渡到斜坡相沉积区。通过分析,湘黔地区黑色页岩有机碳含量(TOC)为0.05%~12.31%,平均为4.97%。有机碳同位素(1δ3Corg)组成的变化幅度很大,从-29.49‰~-34.41‰(PDB),平均为-31.78‰,最大偏移量为4.3‰。牛蹄塘组黑色页岩的1δ3Corg和TOC含量变化也很大,具有明显的3个升降旋回,代表海平面具有海进海退变化特征。而下伏地层灯影组白云岩1δ3Corg值相对比较高,代表海平面下降。研究区两个典型剖面的有机碳同位素变化曲线反映了该期海平面变化,海洋原始生产率以及上涌洋流的变化情况,揭示湘黔地区早寒武世的古海洋信息。     

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74m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（ δ13Corg.）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。     

耕作措施对陕西耕作土壤碳储量的影响模拟*

鉴于农业生态系统土壤有机碳(SOC)平衡对中国农业可持续发展的重要性,文章以陕西农业生态系统为对象,整合农业生物地球化学模型(DNDC)与陕西农业地理信息系统数据库,利用陕西地区气象和作物资料,对陕西省2000年作物生长发育和土壤碳循环进行了模型模拟,实例探讨了耕作管理对土壤碳储量的影响,并由此评价生物地球化学模型在气候变化、土壤性质及农业耕作管理措施对土壤碳含量影响方面的预测能力。敏感性分析表明土壤性状,尤其是初始有机碳含量是影响模型区域尺度模拟的最主要敏感因素。区域模拟使用灵敏系数分析法,分别采用敏感因子的最大、最小值驱动模型在每一模拟单元内的运算,以产生一个土壤有机碳变化的范围值,土壤有机碳变化的真实值应以较大机率包含在这一范围内。分析模拟结果可以得出3点结论: 1)2000年陕西耕作土壤总有机碳储量约为103TgC,是一个大气CO₂源,向大气释放碳0.5TgC; 2)提高作物秸秆还田率是提高陕西农田碳库储量的有效可行措施,将作物秸秆还田率从当前的15 ％ 提高到50 ％ 或90 ％ 会使陕西农田土壤从大气CO₂源转变为汇,每年分别增加土壤有机碳库储量0.7TgC或2.1TgC; 3)施用有机农肥(500kg/hm²)也会增加土壤碳输入,从而提高土壤碳储量,使陕西农田系统转变为较弱的碳(C)源,每年可多固定0.2TgC。     

西峰、洛川黄土碳酸盐根茎体碳同位素分布特征及古环境意义探讨

以往对于土壤碳酸盐根茎体(CR)的形态和碳同位素分析表明其具有纯的生物成因源的特征,被用于指示不同大陆的高分辨率气候变化。为此,本研究选取了位于黄土高原中部的西峰和洛川黄土-古土壤序列,分别采集65个和22个样品。通过湿筛法(80目)分离后,在显微镜下通过细针挑选出根茎体样品进行碳同位素(δ 13C CR)的分析,并将结果与总有机质碳同位素(δ 13C TOC)、总无机碳酸盐碳同位素(δ 13C TIC)、总有机碳含量(TOC%)和磁化率(MS)等多指标进行对比分析。结果表明: 西峰剖面的土壤碳酸盐根茎体δ 13C CR值的变化范围为-8.6‰ ~-3.7‰,δ 13C TOC值的变化范围为-23.68‰ ~-19.47‰,δ 13C TIC值的变化范围为-8.65‰ ~-4.95‰; 洛川剖面的土壤δ 13C CR值的变化范围为-8.30‰ ~-3.58‰,δ 13C TOC值的变化范围为-23.28‰ ~-18.72‰,δ 13C TIC值的变化范围为-8.50‰ ~-3.78‰; 两个剖面末次冰期以来的δ 13C CR均没有完全响应MS,TOC和δ 13C TOC 的变化趋势,表现为在S0呈现相反的变化趋势,在L1呈现相似的变化趋势; 而与δ 13C TIC值在冰期-间冰期尺度上呈现一致的变化趋势和幅度。该结果表明西峰、洛川剖面碳酸盐根茎体碳同位素类似于总无机碳酸盐碳同位素,其影响因素可能较为复杂(如碳酸盐的淋溶迁移、植被的影响、原生碳酸盐等复杂因素的影响),特别是淋滤深度的不确定性。因此,在独立使用黄土碳酸盐根茎体δ 13C CR值来重建该地区的古植被(C4/C3)变化信息时要慎重。     

海拔高度的变化对青藏高原表土δ13Corg的影响

通过对青藏高原193个表土样品的有机碳同位素分析，表明碳同位素值主要分布在-28.57‰～-15.08‰的范围，平均值为－23．57‰。在海拔3 500m以下，同位素随海拔高度的增加逐渐变轻，从－20．5‰逐渐减少到－28．5‰左右；3500m以上，同位素随海拔高度的增加呈现相反的趋势，从－28．5‰逐渐增加到－15．0‰左右。按照森林－灌丛－高山草甸－草原－荒漠草原－荒漠－高寒荒漠的顺序，表土有机碳同位素是逐渐变重的。初步认为CO2分压和温度协同变化导致了有机碳同位素随海拔高度变化的分布格局。     

辽河流域土壤碳密度分布特征和碳储量研究

基于辽河流域多目标地球化学调查取得的土壤表层和深层有机碳和全碳数据,探讨辽河流域土壤碳储量计算方法,分析辽河流域碳密度的分布特征.对辽河流域5.23×104 km2土壤碳储量计算表明,深层（0~1.8 m）土壤碳储量为860.50×106 t,中层（0~1.0 m）为538.30×106 t,表层（0~0.2 m）为138.76×106 t;辽河流域土壤深层碳密度为16.45×103 t/km2,中层为10.28×103 t/km2,表层为2.65×103 t/km2.分别根据土壤类型、地质单元、生态系统和土地利用类型的划分方式计算土壤的碳储量,为土壤碳循环研究与环境效应评价提供了科学依据.     

人为土壤有机碳的分布特征及其固定意义

文章在分析不同类型的人为土壤形成过程及其特点的基础上研究了人为土壤有机碳含量、分布年龄与同位素组成特征。结果表明,人为土壤中有机碳的含量分布不同于起源土壤或者相应的非人为土壤,主要体现在有机碳含量降低的缓慢和不规则性以及有机碳含量的相对富集。通过计算证明人为土壤的有机碳密度高于相邻土壤或起源土壤。放射性碳测定表明人为土壤中的有机碳年龄较老,说明了有机碳在这些土壤中存在的相对稳定性。土壤有机碳的稳定同位素组成分析表明,土壤中深层的有机碳与现代有机碳来源不同,也表明了土壤中有机碳的稳定存在。文章还分析了人为土壤中有机碳富集和稳定的可能机制,包括物理、化学和生物学机制,认为就有机碳的固定而言,人为土壤是一种具有最佳管理方式的可持续利用的土壤资源     

湖北黄石二门二叠系/三叠系界线剖面长兴阶牙形刺分带及有机碳同位素的变化

湖北黄石二门二叠系/三叠系界线剖面出露完好,原始沉积连续,由乐平统龙潭组保安段灰黑色硅质岩、大隆组黑色硅质岩—硅质泥岩和下三叠统大冶组黑灰色泥岩以及泥岩夹灰岩组成,为介于典型浅水碳酸盐岩型与深海硅质岩型二叠系/三叠系界线剖面之间的半深海剖面。长兴阶可划分为Clarkinasubcarinata—Clarkinawangi及Clarkinachangxingensis两个牙形刺带。后者又可划分为3个亚带,自下而上依次为Clarkinachangxingensischangxingensis—Clarkinadeflecta亚带、Clarkinameishanensis亚带及Waning—Clarkina亚带,完全可以与二叠系/三叠系界线的全球层型剖面与点进行对比。另外,二叠纪末牙形刺的生态演化呈阶段性绝灭模式;有机碳同位素值在二叠纪/三叠系界线处出现明显的负偏移,指示了二叠纪/三叠纪之交生物绝灭后海水表层水原始产率的降低以及大气和海水中CO2含量的增加。