塬堡全新世黄土剖面有机质碳同位素的气候记录

对甘肃临夏塬堡全新世黄土剖面古土壤有机质碳同位素的分析表明,δ13C变化范围在-28.23‰～-25.19‰之间,平均值为-26.88‰.结合该剖面孢粉以及地层研究结果,观察到在温暖湿润气候期间,δ13C表现为高值,而在干燥寒冷期间,δ13C表现为低值,这较好地反映了该地区全新世气候演化的历史.结合其他研究,认为黄土高原地区全新世地表植被中草本植物C3和C4植物比例的变化是引起土壤有机质δ13C变化的直接原因,由于气候变化引起了地表植被类型的改变,古土壤中有机质δ13C发生了变化.对比塬堡剖面与西安、旬邑剖面土壤有机质的δ13C,观察到西安和旬邑两剖面的δ13C平均值要高于塬堡剖面约5‰左右,这是由于全新世期间两地气候的暖湿程度要高于临夏地区,地表植被中喜暖湿气候的C4植物比例较高,导致土壤有机质δ13C增大.因此δ13C是研究古气候变化的一个较好的手段.     

黄土有机质稳定碳同位素研究进展

有关黄土高原历史时期原生植被类型的研究不仅具有重要的理论意义,也具有现实的指导意义。土壤有机质稳定碳同位素（δ13Corg）是区域植被中C4/C3植物相对丰度的灵敏指示器,对黄土有机质稳定碳同位素的研究可以部分地重建过去的植被类型变化历史,并可探讨与此有关的气候、环境问题。已有的研究结果表明：黄土高原古土壤发育阶段δ13Corg偏正于黄土沉积阶段,表明随气候由冷干向暖湿转变黄土高原C4植物相对丰度上升,然而在C4植物相对丰度上升的主要驱动因素上仍存在夏季风和温度两种观点。相应的在空间上,C4植物的相对丰度无论冰期还是间冰期都是由黄土高原东南向西北递减。而基于黄土δ13Corg的研究认为黄土高原历史时期一直以草原为主,不存在大面积的森林。尽管已有的研究对黄土有机质稳定碳同位素分布和变化的一般性规律取得了共识,但在研究中还存在一些问题,在黄土δ13Corg变化机制上还存在争议,值得进一步研究。     

中国西部、东北地区湖泊沉积物中碳酸盐碳、氧和有机碳同位素组成及与环境的响应

湖泊沉积物中碳酸盐碳、氧和有机质碳同位素组成受湖泊环境介质的控制,可以有效地指示环境演化过程。通过对中国东北和西部青藏高原、新疆现代湖泊表层沉积物的碳酸盐的碳、氧同位素组成(δ13C、δ18O)、有机碳同位素组成(δ13Corg),以及有机质含量(TOC)、C/N分析研究,发现当湖泊中以浮游植物来源有机母质为主时,其δ13Corg为-30‰~-23‰;以硅藻为主的藻类来源时,δ13Corg为-30‰~-16‰;以挺水植物来源,δ13Corg为-30‰~-24‰;沉水植物来源,δ13Corg为-24‰~-16‰;以水生植物和陆生植物来源为主时,δ13Corg为-30‰~-20‰;当以陆生植物来源为主时,其δ13Corg为-26‰~-24‰。当西北地区半封闭湖泊表层沉积物中碳酸盐含量大于30%时,湖泊表现出δ13C、δ18O之间较好的正相关性,TOC主要以内源有机质来源为主。     

黄土塬竖井剖面黄土-古土壤碳同位素记录特征

选取位于黄土高原中部西峰和洛川塬面中心地区,分别开挖一个竖井获得L2以来连续黄土-古土壤沉积序列的剖面,并对剖面样品的总有机碳、无机碳酸盐的碳同位素组成进行分析.结果显示黄土-古土壤的有机质碳同位素变化与前人对天然剖面的研究结果一致,同时也注意到黄土-古土壤序列有机碳δ813Corg与无机碳酸盐δ13Ccarb有相似的变化趋势,两者在统计学分析意义上均呈显著正相关关系,西峰塬和洛川塬的相关系数分别为r=0.615和r=0.314,a<0.01,该结果与以往对黄土高原塬面边缘天然露头剖面获得有机碳与总碳酸盐碳同位素呈反相关趋势的结论不一致.对于这种现象的初步解释可能是:(1)来自后期的改造作用:由于黄土沟谷出露的天然剖面多发生在雨水冲刷黄土塬面所切割形成的沟谷两侧,这样天然剖面处于一个开放或半开放的环境,其表层至某一深度受外界水热环境和气体交换影响黄土中的无机碳酸盐;(2)同时黄土-古土壤竖井剖面也可能受土壤CO2分压的影响造成土壤次生碳酸盐的形成而导致同位素变化趋势的复杂性;(3)采样点区域性的差异.结果表明,深入研究不同地区塬面竖井剖面黄土-古土壤碳同位素组成并与相应地区的天然剖面碳同位素组成进行对比,将有助于更准确地理解黄土-古土壤碳同位素所记录的古植被和古气候变化历史.     

温度影响东北地区更新世植被变化的黄土记录

温度、降水(湿度)和大气CO2含量被认为是影响C3植物生长的主要因素。大量的现代植物和土壤有机质碳稳定同位素(δ 13 C)研究表明, 温度升高可使C3植物的碳同位素变重(正), 降水增多(湿度增大)和大气CO2含量升高可使C3植物的碳同位素偏轻(负); 同时, C4 植物可明显地影响土壤的有机碳同位素组成。基于这些认识, 以前对黄土高原的黄土-古土壤序列有机质碳同位素和植被组成变化进行过不少研究。但是, 相关的研究在我国东北地区的黄土中还未开展。本文对我国东北地区厚度36m的喀喇沁旗牛样子沟黄土-古土壤剖面进行了间隔10cm的采样和总有机碳含量(TOC)、有机质稳定碳同位素的测试分析。结果表明, 在间冰期发育的古土壤有机质含量高、δ 13 C值偏正; 反之, 在冰期堆积的黄土有机质含量低、δ 13 C值偏负。通过分析表明, 研究区的植被类型是以C3植物占主导地位, C4植物对土壤有机质δ 13 C变化的贡献有限, 并且气候变化具有冰期-间冰期季风气候变化的特点, 据此推断温度是决定东北地区植被碳同位素组成变化的主要因素, 超过了降水(湿度)和大气CO2含量对植被(植物碳同位素组成)变化的反向影响。这一发现揭示了温度对我国东北地区长时间尺度植被变化的控制作用。这些认识对于在未来全球变暖背景下, 东北地区的林木和小麦、大豆、水稻等C3作物的种植有借鉴意义。     

临夏塬堡全新世黄土剖面古土壤有机质碳同位素的气候记录

对甘肃临夏塬堡全新世剖面古土壤有机质碳同位素分析表明, δ13 C变化范围在-28.23‰～25.19‰之间, 平均值为-26.88‰. 结合该剖面孢粉分析结果, 观察到在孢粉所反映的温暖湿润气候期间,δ13 C表现为高值, 而在干燥寒冷期间, δ13 C表现为低值. 说明由于气候变化引起了地表植被类型的改变, 导致了古土壤中有机质δ13 C发生了变化. δ13 C的变化特征分别对应于3个不同的气候演化阶段:早全新世、中全新世和晚全新世阶段, 其所反映的全新世气候特征与我国其它地区的分析结果基本一致. 分析表明, 古土壤中有机质δ13 C是气候变化的一个良好指标.     

不同粒级黄土-古土壤中碳酸盐碳氧稳定同位素组成及其古环境意义

从黄土高原中部洛川和环县两个剖面选取若干黄土和古土壤样品，分为三种粒级（＞45μm、2－45μm、＜2μm），挑出＞45μm粒级中的根状结核与蜗牛壳化石碎片，分别测定δ^13C和δ^18O值。结果显示，两个剖面不同粒级组分的δ^13C和δ^18O值表现出相似的分布规律。洛川剖面的根状结核和蜗牛壳与分粒级样品中的＜2μm粒级中碳酸盐的δ^13C和δ^18O值最为接近，处于相同的区域内；而＞45μm粒级中的δ^13C和δ^18O值与其他样品有明显的差别。因此，可以认为黄土－古土壤中＜2μm粒级中所含的碳酸盐可代表成镶碳酸盐，其蕴涵的地球化学信息可用以重建成壤时的古气候和古环境条件。     

土壤次生碳酸盐碳氧稳定同位素古环境意义及应用

土壤次生碳酸盐碳氧稳定同位素特征是反映古气候与古环境的重要代用指标,其碳氧稳定同位素组成分别受土壤CO2中C同位素组成和大气水的O同位素控制。在一定深度的土壤中,土壤次生碳酸盐δ^13C就主要受当地植物类型(C3植物和C4植物等)控制。土壤次生碳酸盐样预处理中剔除土壤中原生碳酸盐以及有机物污染尤为重要。土壤中次生碳酸盐C、O稳定同位素地球化学在土壤发生学、古气候恢复、古生态重建以及全球变化研究中应用日益广泛,但解译时可能受应用年代范围、成岩作用、原生和次生碳酸盐混杂、土壤碳酸盐多元发生等因素影响,其应用机理和范围还需进一步探讨。     

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。     

陆地植物有机分子化合物氢同位素组成及其古环境意义

近年来，随着高温裂解－色谱－同位素质谱技术的发展，使有机分子化合物氢同位素的生物地球化学研究成为可能，并已被应用到湖泊沉积物、泥炭等地质记录的古环境研究中。然而，由于目前对陆地植物有机分子化合物氢同位素组成变化与气候变化之间关系很好的认识，造成了地质纪录中的有机分子化合物氢同位素组成变化解释的不确定性。笔者利用 GC/TE/IRMS 方法初步测定了中国西北地区干旱－半干旱地区现代植物和黄土/古土壤序列中正构烷烃组分（主要来自植物叶蜡）的氢同位素组成。来自34个现代植物（包括21个C3 植物和 13个 C4 植物）的δD值变化为 C27 为－10‰～－200‰、C29 为－115‰～－205‰、C31为－113‰～－226‰。结果表明：与目前人们的认识不同，植物叶蜡的氢同位素组成与植物光和作用方式（C3 或 C4 植物）相关性较弱，而与植物的类型（木本和草本）相关；尽管降雨、温度、光合作用方式等因素可能影响植物氢同位素分馏效应，但植物氢同位素组成更大程度的受控于植物生长来源水中的氢同位素组成。黄土高原西峰黄土/古土壤剖面过云130 kyr正构烷烃组分的平均氢同位素组成变化为－140‰～－190‰。偏正δD峰值对应于相对干旱的黄土沉积阶段（海洋氧同位素阶段2和4），而偏负的 δD 峰值对应于相对湿润的古土壤发育阶段（海洋氧同位素阶段 1、3 和 5）。笔者认为黄土/古土壤序列的有机分子化合物的氢同位素组成记录了东亚季风气候控制下中国北方干旱、半干旱地区植被的演化及相应的气候干/湿变化。     

黄土高原西部地区黄土地层有机质主要来源分析

黄土有机质的主要来源是决定其稳定碳同位素(δ 13 Corg.)能否应用于重建过去C3/C4相对丰度变化及相应的古气候变化的关键基础科学问题。如若黄土地层当中的有机质主要由粉尘携带而来, 而非当地植被, 显然其δ 13 Corg. 不是一个局地植被过去C3/C4相对丰度变化及古气候变化的良好指示器。本文对黄土高原西部地区(六盘山以西)新获得和已发表的相关数据进行综合分析, 尝试对该地区黄土有机质的主要来源进行定量的分析。结果表明, 总体而言, 该地区黄土地层有机质主要来源于当地植被, 由粉尘携带而来的有机质贡献量不超过8 %, 所造成的有机碳同位素变化幅度不超过1.7 ‰ 。这些结果说明该地区的黄土地层有机质δ 13 Corg. 是可以用来重建过去C3/C4植物相对丰度及相应的古气候变化的。为了更精确的重建, 后续的工作应当更多考虑粉尘搬运过程当中的有机质输入以及粉尘沉积之后的微生物活动的可能潜在影响。     

Did an extensive forest ever develop on the Chinese Loess Plateau during the past 130 ka?: a test using soil carbon isotopic signatures

Pleistocene vegetation history on the Chinese Loess Plateau has been traditionally investigated using palynological methods, and questions remain regarding whether an extensive broadleaf deciduous forest ever developed on the loess table under favorable climatic conditions. The authors have employed a C isotope approach to address this question by comparing δ¹³C values in soil organic matter from different loess ecological domains with known source vegetation to the C isotope values obtained from a paleosol section that can be dated back to 130 ka. The C isotopic compositions of modern soils from the loess table and the loess–desert transition gave δ¹³C values of −24.5‰ to −18.2‰ and −25.7‰ to −20.7‰, respectively. These C isotopic ratios are consistent with the standing modern vegetation that is dominated by a mixture of C₃ and C₄ plants and can be distinguished from that in the patchy forest areas where exclusive C₃ trees yield a narrow δ¹³C value range from −26.9‰ to −25‰ (average −26.1‰). Obtained δ¹³C compositions from paleosols and loess sediments in the Lantian and the Luochuan profiles vary from −24‰ to −16.9‰, indicating a grass-dominated steppe with shifting C₃ and C₄ contributions controlled mainly by paleoclimatic changes during the late Pleistocene. The present results suggest no extensive forest coverage on the loess table during the past 130 ka even under the most suitable conditions for forest development. This conclusion supports the explanation of natural causes for the development of only patchy forests on the modern loess table and provides critical historical information toward the vegetation restoration project that is currently underway on the Chinese Loess Plateau.     

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。     

4000aB.P.前后降温事件与中华文明的诞生

4000aB .P .前后降温事件是世界上许多地区全新世人类演化史上的重要转折点之一 ,也是导致古埃及、两河流域和印度河流域等地区世界古文明衰落的主要原因。在中国 ,该降温事件导致了中原周围地区五大新石器文化的衰落和终结 ,但却加速和促进了中原地区以夏朝建立为标志的中华文明的诞生.     

黄土沉积物中碳酸盐同位素组成的研究方法

利用逐段加热法获得的黄土沉积物中碳酸盐的碳、氧同位素组成表明，黄土沉积物中的碳酸盐是不同来源和成因的碳酸盐的混合物。不同来源和成因的碳酸盐具有不同的碳、氧同位素组成，其示踪意义也不同，７００～８００℃的δ１３Ｃ比用磷酸法获得的δ１３Ｃ更灵敏于古气候的变化。因此，采用磷酸法研究黄土沉积物碳酸盐的同位素组成是不适宜的。     

Stable isotopic evidence for Middle Pleistocene environmental change from a loess‐paleosol sequence: Kärlich,Germany

Loess‐paleosol sequences are important terrestrial archives of palaeoenvironmental change. Such sequences are rich in pedogenic carbonate, the oxygen and carbon isotopic values of which can provide important palaeoenvironmental information. Although some studies have pioneered the use of O and C isotopes in loess‐paleosol sequences, they are not routinely used as palaeoclimate proxies. In this study we analysed the sedimentology, micromorphology, geochronology and isotopic geochemistry of a Middle Pleistocene loess‐paleosol section, located at Kärlich, Germany. The section studied correlates with the Elsterian glacial (MIS 12) and Holsteinian interglacial (MIS 11). Embedded tephra layers yielded ⁴⁰Ar/³⁹Ar ages of 466±3 ka, 447±1 ka and 361±3 ka. The sedimentology and micromorphology of the sequence record a shift from accretionary loess accumulation (MIS 12) to prolonged pedogenesis at a stable land surface (MIS 11). Soil carbonate δ¹⁸O values record an enrichment of ～3‰ during the accumulation of the loess, reaching peak values comparable with those found in the MIS 11 soil. The δ¹⁸O signal is interpreted as reflecting temperature, highlighting the potential of δ¹⁸O analysis of European loess soil carbonates as a means of reconstructing palaeotemperature history.     

Stable carbon and oxygen isotopic study of carbonate along a loess/paleosol section in Lantian County, Shaanxi Province, on the southeastern edge of the Chinese Loess Plateau

Studies of carbonate carbon isotope of loess/paleosol (δ¹³C_carb) in the Chinese Loess Plateau (CLP) have shown δ¹³C_carb less negative in loess and more negative in paleosol, which is opposite to that of bulk organic matter. Although some mechanisms have been proposed to explain this inconsistency, few studies have been conducted to investigate how carbonate migration could affect the reliability of utilizing δ¹³C_carb as an effective indicator. Here, a loess/paleosol profile with a nodule horizon intercalated in the loess layer, located on the southeastern edge of the CLP, was investigated to understand the influence of carbonate eluviation and reprecipitation on δ¹³C_carb along the section. The mean grain size and magnetic susceptibility generally conform to the field observed loess/paleosol stratigraphy. However, carbonate content shows distinct differences in the two sides of the nodule horizon, clearly indicating eluviation along the section. The variation of carbon and oxygen isotopic compositions of soil carbonate (δ¹³C_SC and δ¹⁸O_SC) and nodule carbonate (δ¹³C_NC and δ¹⁸O_NC) along the profile does not present a clearly meaningful picture. Generally, δ¹³C_SC and δ¹⁸O_SC have a similar change trend along the profile and are positively correlated, but there is no apparent relationship between δ¹³C_NC and δ¹⁸O_NC. More importantly, δ¹⁸O_NC values fall in the range of δ¹⁸O_SC, whereas δ¹³C_NC values are much more positive than δ¹³C_SC. Detailed analyses of the data indicate migration of carbonate along the profile, which is an important factor that determines that loess/paleosol δ¹³C_carb could not be employed as a high-resolution paleovegetational and paleoenvironmental indicator in the CLP, at least on or below the glacial/interglacial scales.     

Kinetic isotopic fractionation during carbonate dissolution in laboratory experiments: Implications for detection of microbial CO2 signatures using δC-DIC

Laboratory experiments on reagent-grade calcium carbonate and carbonate rich glacial sediments demonstrate previously unreported kinetic fractionation of carbon isotopes during the initial hydrolysis and early stages of carbonate dissolution driven by atmospheric CO₂. There is preferential dissolution of Ca¹²CO₃ during hydrolysis, resulting in δ¹³C-DIC values that are significantly lighter isotopically than the bulk carbonate. The fractionation factor for this kinetic isotopic effect is defined as ε_carb. ε_carb is greater on average for glacial sediments (−17.4‰) than for calcium carbonate (−7.8‰) for the < 63 μm size fraction, a sediment concentration of 5 g L⁻¹ and closed system conditions at 5°C. This difference is most likely due to the preferential dissolution of highly reactive ultra-fine particles with damaged surfaces that are common in subglacial sediments. The kinetic isotopic fractionation has a greater impact on δ¹³C-DIC at higher CaCO₃:water ratios and is significant during at least the first 6 h of carbonate dissolution driven by atmospheric CO₂ at sediment concentrations of 5 g L⁻¹. Atmospheric CO₂ dissolving into solution following carbonate hydrolysis does not exhibit any significant equilibrium isotopic fractionation for at least ∼ 6 h after the start of the experiment at 5°C. This is considerably longer than previously reported in the literature. Thus, kinetic fractionation processes will likely dominate the δ¹³C-DIC signal in natural environments where rock:water contact times are short <6-24 h (e.g., glacial systems, headwaters in fluvial catchments) and there is an excess of carbonate in the sediments. It will be difficult apply conventional isotope mass balance techniques in these types of environment to identify microbial CO₂ signatures in DIC from δ¹³C-DIC data.     

Raman spectroscopy and biomarker analysis reveal multiple carbon inputs to a Precambrian glacial sediment

Extractable biomarkers can help elucidate the environment and biota of ancient glaciations, although the method must be applied with care, as glacial sediments have a potential for incorporation of older detrital carbon. In Phanerozoic glacial sediments, the distinct elemental, molecular and isotopic compositions of the terrestrial and marine biomass allow discrimination between primary marine and redeposited terrestrial organic matter. However, as the Proterozoic biosphere was largely microbial and marine, biomarker and isotopic analyses are insufficient for distinguishing primary organic matter from secondary reworked organic matter. Here, we report the combined application of Raman spectroscopy and biomarker analysis to Precambrian glacial sediments, which, together, allows discrimination between mixed pools of organic carbon and provides a promising new approach for rapidly screening Precambrian sediments for immature organic matter amenable to biomarker analysis.     

兰州第四纪黄土/古土壤序列物源演变: 来自于碳酸盐矿物的证据*

黄土/古土壤的物源研究对于揭示第四纪气候变化和青藏高原隆升历史具有重要意义。本研究以位于黄土高原西部1.4 Ma以来的兰州黄土/古土壤沉积序列为研究对象,基于X射线衍射技术分析了黄土/古土壤中的主要矿物组成,侧重于碳酸盐矿物含量,追溯了兰州黄土/古土壤的直接物源。结果显示: (1)1.4 Ma以来兰州地区黄土/古土壤沉积物的主要直接源区为柴达木盆地沙漠区和阿拉善干旱区。(2)基于二元混合模型计算的潜在原始源区对兰州黄土白云石和总碳酸盐矿物的相对贡献率以及长石与石英比值结果一致支持1.4 Ma以来兰州黄土原始物源发生了多次变化。1.4~1.1 Ma和0.9~0.3 Ma青藏高原东北缘造山带(昆仑山、祁连山)和中亚造山带对兰州黄土的贡献相当,而1.1~0.9 Ma和0.3 Ma以来,中亚造山带对兰州黄土的物源贡献增加,这可能分别是对中更新世气候转型和0.3 Ma以来青藏高原及邻近地区干冷气候增强的响应。1.15 Ma和0.8 Ma兰州黄土/古土壤中高的白云石含量、碳酸盐矿物总含量以及0.8 Ma长石与石英比值的快速升高可能是对“昆黄运动”的响应,进而造成了昆仑山、祁连山对黄土高原物源贡献的增加。