夏季风降水对黄土高原现生蜗牛壳体碳酸盐氧同位素组成的影响

为了深入了解黄土地层中丰富的陆生蜗牛壳体碳酸盐化石氧同位素组成的气候环境指示意义,文章对黄土高原典型气候带的现生蜗牛壳体文石氧同位素进行了测量。结果显示:高原半干旱地区蜗牛壳体氧同位素组成相对于半湿润地区显著富集δ¹⁸ O;壳体δ¹⁸ O值与夏季降水量具有密切负相关关系。对照黄土高原气候特征以及夏季风降水氧同位素组成和降水量的关系,认为:1)夏季风降水δ¹⁸ O丰度是影响蜗牛壳体氧同位素组成变化的主要因素;2) 进一步研究黄土沉积物中蜗牛壳体化石氧同位素组成对重建黄土高原夏季风强度变化的历史具有重要的意义。     

黄土高原西部地区末次冰期和全新世有机碳同位素变化与C3/C4植被类型转换研究

文章利用黄土高原西缘代表性的塬堡剖面有机碳同位素数据,估算了末次冰期以来地表植被中C₃/C₄植 物的相对丰度,指示出研究区域末次冰期几乎为纯粹的C₃植物,而全新世为C₃植物占优势的C₃和C₄混合植被类 型。温度是控制中国黄土高原C₄植物是否发生的关键性气候因素,末次冰期向全新世转化过程中存在的某“阈值 温度”控制了两种植被类型的存在。全新世土壤有机碳同位素偏正于末次冰期,符合前人研究得到的认识。末次 冰期间冰段(MIS3)至盛冰期,土壤有机碳同位素为偏正变化趋势,符合现代C₃植物本身随气候条件改变的碳同位 素组成变化。研究表明,利用黄土-古土壤有机碳同位素进行古气候变化研究,不能只将有机碳同位素简单的解 释为C₃/C₄植物相对丰度的变化,在单一植被类型下,还需要考虑植物本身碳同位素组成随气候条件的变化;另外, 研究还说明,我国黄土高原不同地区同时段土壤有机碳同位素值可以不同,其变化可以不具有相同的趋势,因此, 简单将有机碳同位素偏正归因于夏季风增强是值得商榷的。     

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     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

黄土高原S5古土壤形成期的气候环境——陆生蜗牛化石的证据

通过对黄土高原西峰黄土剖面S5古土壤层的蜗牛化石组合研究发现,西峰地区在S5形成时（对应海洋氧同位素MIS₁5¹3期）气候环境经历了几次显著的波动。MIS₁5期地层中绝大多数蜗牛壳体被溶蚀,气候非常暖湿,夏季风强盛;MIS₁4是个弱冰期,蜗牛组合显示气候以凉湿为主,仍然有较强的夏季风影响;MIS₁3期以暖湿的气候为主,夏季风增强。对温湿蜗牛种类冠状砂螺（Gastrocopta coreana）含量变化的功率谱分析显示出明显的23ka周期,表明岁差轨道驱动的低纬太阳辐射是控制黄土高原夏季风变化的主导因素;冷干种类杂色虹蛹螺（Pupilla aeoli）含量变化具有明显的100ka和弱的43ka周期,说明即使在气候特征总体暖湿的背景下,冬季风仍具有以全球冰量（100ka）为主导周期的变化特征。在海洋和冰芯记录中MIS₁3和MIS₁5时期并不是最温暖的间冰期,但在黄土高原受到强夏季风的持续影响,这可能与此时北半球夏季太阳辐射量的增强和北大西洋深层流强度的加强有关。S5中S5SS₁与S5SS3两层强烈发育的古土壤可能有着不同的发育机制,S5SS₁因其较发育的母质、超长的成壤期,形成了比S5SS3更强的成壤特征。分析认为全球冰量与轨道驱动的北半球太阳辐射对MIS₁5¹3时期黄土高原气候环境的演替和冬、夏季风的消长起了主导作用。     

细纹灰尖巴蜗牛壳体氧同位素组成的季节性变化

陆生蜗牛壳体碳酸盐氧同位素组成,理论上取决于壳体生长季节的降水 18O丰度、温度和湿度,对揭示古气候和古环境变化具有巨大的潜力。然而,同一地区不同属种的蜗牛生长季节存在一定的差异,因此,了解不同季节生长的蜗牛壳体氧同位素特征,是其成为重建古气候、古环境变化的工具的关键。为了进一步阐明降水氧同位素组成和气候月际变化对蜗牛壳体 18O的影响,分别对从江苏镇江逐月采集的现生细纹灰尖巴蜗牛(Bradybaena ravida redfieldi)进行了整体壳体及壳口文石氧同位素组成的分析,结果表明： 1)不同月份采集的样品壳口的 δ18O 值变化较大,从－1.92‰至－6.79‰,幅度达4.87‰,其中,4～6月采集的样品 δ18O 值较正,平均 －2.40±0.42‰,7～9月采集的样品明显偏负,平均 －6.41±0.34‰; 2)整个壳体的 δ18O 值差别不大,平均 －2.61±0.47‰,与 4～6月壳口 δ18O 平均值相近; 3)不同月份蜗牛壳口 δ18O 值呈现出与当地的降水氧同位素组成、温度和大气相对湿度等相似的季节性变化模式,其中降水氧同位素组成对壳口 δ18O 变化的影响是主要的。这些特征说明,蜗牛壳体碳酸盐氧同位素组成受其生长时的环境因素(降水 18O丰度,温度和相对湿度)控制,对于中国夏季风影响地区来说,春季生长的蜗牛壳体相对富集 18O,而夏季生长的壳体 18O相对贫化。换句话说,根据蜗牛壳体碳酸盐氧同位素组成能够推测壳体主要生长季节,或降水 18O丰度及气候温湿程度的特征。对于B.ravida redfieldi来说,氧同位素组成显示了壳体主要生长时期为春季的特征。     

青藏高原河流氧同位素区域变化特征与高度预测模型建立

利用氧同位素作为古高度计重建造山带的古高度是近年发展起来的应用比较广泛的方法。本文通过对青藏高原河水δ¹⁸O_w(SMOW)的空间分布特征分析,表明高原南北δ¹⁸O_w(SMOW)由于水汽来源和水汽循环方式不同存在显著差异。以中央分水岭山脉为界,南部δ¹⁸O_w(SMOW)平均值为-15.6‰左右,北部为-8.6%左右;   南部氧同位素值随高度的平均变化率为-0.24‰/100m,北部为-0.15‰/100m。分别建立了藏北地区和藏南地区河水氧同位素和高度的关系,同时应用可可西里及昆仑山口现代食草动物牙齿釉质、尼玛盆地现代土壤碳酸盐的氧同位素值对所建立的经验模型进行了检验,表明这两个模型分别应用于藏北和藏南地区古高度的恢复是可行的,为今后青藏高原古高度研究工作的开展提供了定量的计算方法。     

Pleistocene–Holocene environmental change in the Canary Archipelago as inferred from the stable isotope composition of land snail shells

The isotopic composition of land snail shells was analyzed to investigate environmental changes in the eastern Canary Islands (28–29°N) over the last ~ 50 ka. Shell δ¹³C values range from −8.9‰ to 3.8‰. At various times during the glacial interval (~ 15 to ~ 50 ka), moving average shell δ¹³C values were 3‰ higher than today, suggesting a larger proportion of C₄ plants at those periods. Shell δ¹⁸O values range from −1.9‰ to 4.5‰, with moving average δ¹⁸O values exhibiting a noisy but long-term increase from 0.1‰ at ~ 50 ka to 1.6–1.8‰ during the LGM (~ 15–22 ka). Subsequently, the moving average δ¹⁸O values range from 0.0‰ at ~ 12 ka to 0.9‰ at present. Calculations using a published snail flux balance model for δ¹⁸O, constrained by regional temperatures and ocean δ¹⁸O values, suggest that relative humidity at the times of snail activity fluctuated but exhibited a long-term decline over the last ~ 50 ka, eventually resulting in the current semiarid conditions of the eastern Canary Islands (consistent with the aridification process in the nearby Sahara). Thus, low-latitude oceanic island land snail shells may be isotopic archives of glacial to interglacial and tropical/subtropical environmental change.     

青海湖冰后期以来古气候波动模式的研究

本文根据青海湖QH-16A近代沉积物岩芯中介形虫壳体的δ¹⁸O、δ¹³C、Mg/Ca和Sr/Ca值分析,讨论了青海湖区12,000年以来的气候特征。利用氧、碳同位素的相关性和相对温度、盐度变化曲线建立了青海湖区冰后期以来的气候波动模式,划分出5个气候期和23个气候阶。通过与布列特-谢尔南德冰后期气候方案对比,证实该气候波动模式具有世界性。     

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 % 。     

巴丹吉林沙漠及其东南边缘地区水化学和环境同位素特征及其水文学意义

通过对巴丹吉林沙漠东南部湖水和南缘地区地下水离子化学成分及其环境同位素分析,初步探讨了沙漠地区湖水和地下水之间补给的关系。沙漠湖水的离子化学特征显示沙漠东南部湖泊的演化趋势:微咸湖-咸水湖-盐水湖。显著不同的盐度、CO₃^2-和HCO₃^-含量以及地质资料都表明,沙漠北部较大的湖泊和东南部的湖泊被一地形上的褶皱隆起阻隔而形成了不同的地下水补给体系。环境同位素的分析结果表明,巴丹吉林沙漠东南部的湖泊和地下水与沙漠东南边缘地区的地下水有着相似的蒸发趋势,暗示南缘地区的地下水和沙漠东南部地区湖泊之间存在一定的联系。同其他干旱地区地下水的同位素结果进行对比显示,雅布赖地区和沙漠地区的地下水应该是埋深较浅的地下潜水。因本次研究结果不支持单一远源或者深层地下水补给的观点,故推断沙漠东南部地区以及南缘地区的地下水主要是当地雨量丰沛时期的降水及南缘低山降水下渗补给的。     

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。