升温处理对植物碳同位素测试结果的影响

通过研究内蒙古锡林郭勒典型草原生态系统和青海海北高寒草甸生态系统的12种植物在不同升温条件下的碳同位素测试结果,讨论升温处理及其造成的轻微炭化对植物碳同位素组成的影响并分析其作用机理。升温处理对多数植物样品的碳同位素组成没有强烈影响,但也可能导致部分植物的碳同位素组成变重(尤其是当样品发生轻微炭化时),其分馏程度会因物种的不同而不同。     

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。     

植物碳酸酐酶对稳定碳同位素分馏作用的影响

碳酸酐酶（CA）能够可逆地催化CO2和HCO2^-之间的快速转化。长久以来人们忽视了生物体中CA对稳定碳同位素分馏的影响。本文以微藻碳酸酐酶胞外酶为例,说明细胞的区室化和偶联反应可引起CA可逆催化HCO2^-和CO2的转化的不平衡,进而造成稳定碳同位素分馏,并给出体外实验和C4植物实验结果作为依据。此外,本文还讨论了CA对碳同位素分馏的影响的理论和实践意义。     

海相干酪根与原油裂解气甲烷生成及碳同位素分馏的差异研究

利用封闭金管高压釜体系对海相原油和成熟干酪根进行了热解生气实验,获取了两类裂解气的组分和甲烷碳同位素数据,对比研究了两类母质在生气机理上的差异,并借助碳同位素分馏动力学参数讨论了甲烷碳同位素分馏的异同点.结果表明,原油裂解气富含C2-5重烃,其后期裂解是甲烷的重要来源;而干酪根裂解气中C2-5的含量较低,其后期裂解对干酪根甲烷气的贡献较小.这是两类甲烷气体生成的最大差异之一.两类裂解气甲烷碳同位素都有随着热解温度增高,碳同位素值先变轻再变重的特点,但原油裂解气甲烷碳同位素的最小值对应的温度较高;在相同热解温度下,干酪根裂解气甲烷碳同位素值要重于原油裂解气甲烷碳同位素值,这与后者前系物经过多次碳同位素分馏有关.因此,生气机理的差异是造成同位素分馏差异的根本原因,两类甲烷气体碳同位素分馏动力学参数的差异也是有成因意义的.     

碳同位素在天然气运移路径示踪中的应用研究进展

碳同位素在天然气运移路径示踪中的应用十分广泛,以游离相运移的天然气,运移过程中碳同位素的分馏主要受"质量分馏效应"控制;以水溶相运移的天然气,运移过程中碳同位素的分馏主要受"溶解分馏效应"控制。天然气运移中碳同位素的分馏程度不仅与气体分子质量、气体分子水溶解度等物理化学性质有关,同时也受天然气运移距离、输导层物性等外部环境条件的影响。常用的天然气运移路径示踪参数有δ~(13)C_1、δ~(13)C_2-δ~(13)C_1、δ~(13)CO_2及储集层中自生方解石的碳同位素。对研究现状分析后提出运移相态识别、碳同位素失真分析是应用碳同位素示踪天然气运移路径的基础,非烃碳同位素、多参数对比是碳同位素示踪天然气运移路径研究的未来趋势。     

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     

现代陆生植物碳同位素组成对气候变化的响应研究进展

植物组织的碳同位素组成(δ13C)能够记录气候变化的信息,因而被作为指示气候环境变化的一个重要代用指标,并广泛应用于全球变化研究。然而,气候环境变化引起的现代植物δ13C及其指示的气候环境意义的不确定性限制了植物δ13C在气候环境变化等领域研究中的应用。在概述植物碳同位素分馏和不同光合型植物碳同位素分布的基础上,综述了温度、降水、大气CO2浓度和海拔高度等气候环境因子对陆生植物δ13C的影响以及它们之间的关系,分析了植物δ13C对气候因子变化的响应机理。指出为更准确地认识气候历史,在利用植物碳同位素技术进行全球变化的研究过程中,需要突出C4植物δ13C对气候环境参数的响应研究,加强不同尺度植物δ13C的转换关系以及与相关学科的交叉渗透、探索与多种代用指标和科学方法的联合研究。     

微藻CO2同化过程的稳定碳同位素分馏值

研究微藻CO2同化过程中的碳同位素分馏值,对研究微藻在碳效应过程中的作用具有重要意义。目前还没有获取微藻CO2同化过程的稳定碳同位素分馏值的在体实验方法。文章以莱茵衣藻、蛋白核小球藻、及野外红枫湖混合藻三种岩溶湖泊微藻为例,利用双向标记建立了能在体获得此分馏值的方法,并通过此分馏值定量了微藻的各种无机碳利用途径份额。获得各自CO2同化过程中的碳同位素分馏值分别为15.3‰、14.8‰、21.7‰。三种藻分馏值差异主要与藻的种类及其细胞体积大小有关。利用此分馏值计算出衣藻、小球藻、混合藻自然培养下的碳酸氢根离子途径利用份额分别为100%、81.1%、97.8%,表明了生长在岩溶湖泊的微藻利用无机碳的途径主要为碳酸氢根离子。      

植硅体稳定同位素生物地球化学研究进展

植硅体形态鉴定与组合分析广泛应用于古环境重建和农作物起源分析等.鉴于植硅体的抗腐蚀、抗降解,易保存,锢囚的碳不易污染,且保存了植物的原始信息等特性,其有机地球化学研究日益被重视.植硅体稳定同位素分析表明植硅体是植物通过吸收单硅酸,以蒸腾作用为主要动力,在植物的不同部位发生同位素分馏淀积形成,其稳定同位素组成具有丰富的植物生理和环境信息.植物不同部位植硅体稳定同位素组成具有差异,其含量和硅、氧同位素值沿蒸腾流通常有增加的趋势.沉积物植硅体碳同位素分析不仅可以用于恢复草本的C3、C4植物生物量的比例,并且有可能重建古大气的碳同位素构成,是三者中最具有潜力的考古学、古环境研究的指标.植硅体有机化学组成分析,特别是类脂物分析,有利于认识植硅体碳同位素值相对于总有机碳偏负,C3、C4草本植硅体同位素差值范围缩小的原因.     

重大地质转折期的碳、硫循环与环境演变

碳、硫在表层储库和地质储库以不同的形式相互转换,在这个过程中都伴随着一定的同位素分馏。碳同位素的分馏主要受到光合作用以及海水溶解无机碳与大气CO2交换的控制,而硫同位素的分馏则主要受控于硫酸盐细菌还原作用。表层储库碳、硫同位素的组成通过地质作用被很好地保存在地质储库中,因此通过对地质储库中碳、硫同位素的分析和研究,可以很好地了解地球各圈层相互作用的规律,重塑地质历史特别是重大关键转折时期的演化过程。同时文中借助一些碳、硫同位素应用实例,进一步加深理解影响碳、硫同位素组成和变化的原因,以提高对不同时期全球环境变化的认知程度。     

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.     

青藏高原(东北部)现代植物碳同位素组成特征及其气候信息

分析了青藏高原(东北部)现代植物(全部为C3植物)全木混合样的碳同位素组成(其δ13C值分布范围一般为-235‰~-308‰,平均值为-266‰),对影响其变化的各种环境因素进行了探讨.研究表明,降雨量及大气压力是影响该区植物δ13C值变化的最重要环境因素.一方面,降雨量增大,空气相对湿度增大,植物的δ13C值降低(偏负);另一方面,大气压力降低,植物的δ13C值增大(偏正).可见,植物中保存着自然环境变化的大量信息.     

Research Progress in Responses of Modern Terrestrial Plant Carbon Isotope Composition to Climate Change

Global climate change has been one of the most concerned environmental problems in the world since the 1980s. Since stable carbon composition (¹³C) in plant tissues can record abundant information on climate changes, it has been widely used as an important climate proxy in global change studies and becomes a powerful tool for obtaining paleoclimate information, understanding paleoenvironment reconstruction and modern climate change, and predicting future climate trends. However, a lot of potential uncertainties have always involved in the reconstruction of paleoclimate and paleoenvironment by carbon isotope of the past period sediment or fossils. Among them, the most dominant uncertainty is due to our poor understanding of the relations between carbon isotope ratios of plants and climatic factors and the climatic and environmental significance indicated by modern plant ¹³C. This may limit the application of plant ¹³C in the study of climatic and environmental changes. Based on the Summary of plant ¹³C fractionation and carbon isotope distribution of different photosynthetic plants, the effects of environmental factors, e.g., temperature, precipitation, atmospheric CO₂ concentration, and altitude on terrestrial plant ¹³C and their relationships were reviewed in this paper, and the response mechanism of plant ¹³C to climate changes were also analyzed. Furthermore, the current existing problems and the future prospects in carbon isotope study were discussed. It is pointed out that strengthening some studies such as the response of C₄ plants ¹³C to climate environmental parameters, the transformation relation of different scale plant ¹³C, intersection and permeation of related disciplines, and various proxies and scientific method, will undoubtedly make us have a more accurate understanding of the climate history and eventually broaden the development of the field during the process of global change study by plant carbon isotope techniques.     

西宁黄土堆积记录的最近13万年高原季风气候变化

青藏高原对于大气的热力和动力作用形成了高原季风气候现象.青藏高原东北部西宁盆地位于高原季风控制区,末次间冰期以来的黄土堆积记录了高原季风气候变化过程.对西宁盆地湟水阶地上的黄土堆积进行了地貌观查、地层对比和探槽及探井采样,完成了热释光和光释光测年,测量了古地磁定向样品以及磁化率、频率磁化率、CaCO3含量和粒度等古气候代用指标.结果表明,西宁黄土堆积记录的高原夏季风环流在相当于深海氧同位素阶段5e特别强,在5a和5c阶段接近于阶段3.高原夏季风和冬季风变化存在位相差以及冬季风强的时候夏季风不一定弱,夏季风弱的时候冬季风不一定强的变化模式.     

恢复地史时期大气CO2浓度的新指标: 苔藓植物化石

在中国已知最好的苔藓植物化石产地之一河北蔚县, 采集了大量中侏罗世的苔藓植物化石, 选取了3种保存较好的数十块苔类植物化石进行实验室分析处理, 测定了它们的碳同位素组成, 并计算出Δ13C, 运用国际学术界古大气CO₂浓度的最新研究成果, 即通过地质学、植物学、植物生理学、地球化学和概率统计学的多学科交叉研究, 利用苔藓植物化石有机碳同位素判别这一全新指标和重建古大气二氧化碳的模型——BRYOCARB, 恢复出中侏罗世的古大气CO₂浓度约为705(BRYOCARB_NP)或566(BRYOCARB_P)μmol/mol, 结果表明苔藓植物化石是恢复地质历史时期大气CO₂浓度变化的有效新指标.      

古新世—始新世极热事件（PETM）的陆相记录：现状与展望

古新世—始新世极热事件（Paleocene—Eocene thermal maximum, PETM）是发生在古新世与始新世界线附近的一次全球快速增温事件。研究显示,PETM期间全球大气CO2浓度增加,温度上升,陆地水循环加强,在陆地和海洋中产生了一系列生物—环境响应。目前,PETM研究主要集中在海相地层中,而针对陆相地层的相关报道并不多见。陆相沉积速率较快,沉积地层厚度大,并且保存有丰富的哺乳动物化石和植物孢粉,也适合开展高分辨率古气候研究。本文对北美、欧洲西部和我国典型陆相盆地的PETM研究成果进行了系统性综述,对比分析结果表明,PETM期间陆相地层中的碳同位素偏移过程可以分为快速负偏、保持低值和缓慢恢复三个阶段。陆地植物和哺乳动物在PETM期间并未经历大规模灭绝,反而通过进化、扩散和局部灭绝适应了快速变化的环境。基于最新的研究方法,包括碳酸盐岩U Pb定年、汞同位素以及团簇同位素,对我国未来的PETM陆相记录研究提出了展望。     

Variations in nitrogen isotopic values among various particle-sized fractions in modern soil in northwestern China

Ratios of stable nitrogen isotopes in organic matter derived from plants and preserved in soil are potential tracers for nitrogen cycles in natural ecosystems and valuable for evaluation of climate change. However, the rela-tionship between nitrogen isotopic compositions in surface soil and in plant litter during the decomposition process from plant litter to soil organic matter is not well understood. By using nitrogen isotopic analysis of soil parti-cle-sized fractions, nitrogen isotope discrimination between plant litter and surface soil organic matter in various modern ecosystems in northwestern China was conducted. The results of our study indicate that: (1) in general, the nitrogen isotopic compositions of particle-sized fractions from surface soil are different, and δ15N values increase from plant litter to fine soil organic matter; (2) the δ15N values in the soil particle-sized fractions become larger with increasing relative humidity and temperature, and the largest variation in the δ15N values is from -5.9‰ to -0.3‰; and (3) under a controlled climate, significant nitrogen isotope differences in δ15N values (Δδ15Nplant-soil) between plant litter and bulk soil organic matter were observed, with the values of 1.52 to 4.75 at various sites. Our results suggested that comparisons of Δδ15N values between bulk soil and the particle-sized fractions of soil could reveal the effect of humidity on transferring process of nitrogen from plant to soil in arid and semi-arid ecosystems.     

广西渐新世宁明组三种植物碳同位素与古气候分析

渐新世代表地球一个早期的“冰室”期,是地球气候演化和生物演替过程中一段特殊的时期。渐新世植物化石的碳同位素可为研究该时期的古气候提供依据。对广西渐新世宁明组三种植物及其最近现生亲缘种的碳同位素进行分析,化石种Buxus ningmingensis,Chuniophoenix slenderifolia和Cephalotaxus ningmingensis的碳同位素组成（δ13C）分别为-29.0‰,-28.3‰,-28.0‰;碳同位素分馏（Δ13C）分别为23.48‰,22.74‰,22.43‰;叶内细胞间和外界大气的CO₂分压比（C_植物/C_空气）分别为0.84,0.81,0.80;水分利用效率（WUE）分别为42.63μmol CO₂/mol H₂O,51.56μmol CO₂/mol H₂O,55.38 μmol CO₂/mol H₂O。其对应的最近现生亲缘种（NLRs）的δ13C分别为-27.9‰,-29.7‰,-28.8‰;Δ13C分别为20.47‰,22.36‰,21.42‰;C_植物/C_空气分别为0.71,0.79,0.75;WUE分别为72.22 μmol CO₂/mol H₂O,51.28μmol CO₂/mol H₂O,61.76 μmol CO₂/mol H₂O。化石种δ13C值均落在现代C₃植物相应的数值范围内,其Δ13C和C_植物/C_空气均高于相应的NLRs数值;而Buxus ningmingensis和Cephalotaxus ningmingensis的WUE低于相应的NLRs数值;其中Chuniophoenix slenderifolia的WUE稍高于相应的最近现生亲缘种C. hainanensis,推测可能与其NLR标本的母本植物生长在水源充足、空气潮湿的湖溪边湿地环境有关。基于Δ13C、C_植物/C_空气和WUE结果,推测化石种可能生活在一种比现在更为温暖湿润的气候环境中;化石种及同层位化石的古气候重建支持了当前古气候分析结果。     

类脂化合物单体碳稳定同位素在古气候环境研究中的意义

类脂化合物极大地扩展了全球变化研究的深度，尤其是单体碳稳定同位素技术在古气候、古环境重建上有着重要作用。基于近些年来国内外的最新研究成果，就类脂化合物单体碳同位素在古气候环境方面的应用研究进行了较为全面的评述。已有研究表明利用类脂化合物单体碳同位素组成可以追溯到海洋和湖泊环境中陆源有机质的物源，其母源区历史时期 C3、C4植被的变迁以及区域性的古气候、古环境重建。     

Correlations of foliar Δ with K concentration and ash content in sand-fixing plants in the Tengger Desert of China: patterns and implications

In different-aged sand-fixing zones and shifting sand dunes, the seasonal variations of foliar carbon isotope discrimination (Δ), potassium (K) concentration and ash content were investigated in three dominated deserted plants (Artemisia ordosica, Hedysarum scoparium and Caragana korshinskii) during growth season in Shapotou, which is in the southeast margin of the Tengger Desert. The correlations of foliar Δ with foliar K concentration and ash content were examined to evaluate the foliar K and ash content as surrogates of Δ in those deserted plants. Results showed that there were significant effects of plant species, micro-habitation and growth season on foliar Δ, K concentration and ash content. Foliar Δ of C. korshinskii was significantly lower than those of A. ordosica and H. scoparium, and K concentrations in A. ordosica were 2.14 and 2.36 times those of C. korshinskii and H. scoparium. At the same time, micro-habitation and the conditions in growth seasons had significant effects on foliar Δ, K concentration and ash content. Ash content and K concentration were positively correlated to Δ in A. ordosica and H. scoparium, while there was significantly negative relationship between foliar K concentration and Δ in C. korshinskii. Thus, those findings suggest that foliar ash content and K concentration can serve as surrogates of carbon isotope discrimination (Δ) in A. ordosica and H. scoparium, while they do not in C. korshinskii. This result implied that the correlations of foliar Δ with ash content and K concentration were various due to the physiological features of plant species, and species differences should be fully considered when evaluating the surrogates of carbon isotope discrimination in plants.