桂林会仙岩溶湿地典型水生植物δ13C特征与固碳量估算

为促进目前岩溶碳汇稳定性和速率等科学问题的深入研究,在分析桂林会仙岩溶湿地主要水生植物碳同位素的基础上,利用基于碳酸酐酶活性与植物碳同位素值显著正相关的二端元模型,估算了不同植物利用光合作用固定HCO3-的比例。结果表明,湿地核心区沉水植物光合作用固定HCO3-碳量在4.86~64.73 tC/（a?km2）之间,挺水植物为15.68~453.01 tC/（a?km2）,平均值为76.74 tC/（a?km2）。按平均值计算会仙湿地水生植物光合作用固定HCO3-碳量为4 466.27 tC/a,即在会仙湿地岩溶地下河补给的HCO3-中约47 %被水生植物光合作用固定。水生植物光合作用固碳效果明显,是碳汇研究中不容忽视的一个十分重要的问题。      

土地利用变化对岩溶地下水溶解无机碳及其稳定同位素组成的影响

土地利用变化对岩溶地下水溶解无机碳（DIC）的影响关系到岩溶作用强弱及其相关的全球碳循环的正确评价。对贵州茂兰原始森林内的板寨岩溶地下河流域和普定岩溶石漠化强烈的陈旗、灯盏河泉域三种不同的土地利用下的地下水的DIC及其稳定同位素进行了分析,结果表明,地下水的DIC表现形式主要为HCO3^-。对于缺少土壤覆盖的板寨和灯盏河岩溶地区,雨季主要因为稀释作用,HCO3^-含量出现年内最低值;而对于较多土壤覆盖的陈旗岩溶地区,雨季主要受土壤CO2效应控制。HCO3^-含量出现年内最高值,反映了土壤在岩溶作用及其碳循环中的特殊重要性。此外,夏季由于生物量的增加,δ^13DIC值较冬季偏轻1‰～2‰。而对于不同土地利用而言,石漠化影响下的地下水δ^13DIC较原始森林下的地下水偏重2．5‰-3．0‰,且随着石漠化的发展,土壤的进一步流失,地下水δ^13DIC进一步偏重,反映了石漠化后生物量比例减少和大气成因CO2比例增加对地下水δ^13DIC升高的影响。     

岩溶水库热结构变化对水体溶解无机碳及其同位素的影响过程

以中国南方亚热带地区典型的地下水补给型水库——大龙洞水库为对象,于2018年1月、4月、7月、10月、12月分别在上、中、下游三个监测点进行采样,探究水库热结构变化对于水体无机碳及其同位素的影响过程及机理。结果表明：（1）大龙洞水库水体在一个水文年中呈现周期性的混合期—分层期—混合期的热结构变化,4月热分层开始显现,7月逐渐显著呈现完整的热分层,10月以后热分层逐渐消失,水体逐渐实现混合;（2）水体热分层是溶解无机碳（DIC）浓度与碳稳定同位素（δ¹³C_DIC）值变化的主要驱动力。表水层中DIC主要受水—气界面二氧化碳脱气、水生生物光合作用控制,其DIC浓度与δ¹³C_DIC值分别为3.22 mmol·L⁻¹和−9.15‰;温跃层中DIC主要受有机质降解过程影响,其DIC浓度与δ¹³C_DIC值分别为3.43 mmol·L⁻¹和−9.70‰;底水层中DIC主要受碳酸盐沉淀过程影响,其DIC浓度与δ¹³C_DIC值分别为4.32 mmol·L⁻¹和−11.89‰;（3）三种过程伴随水库热结构的变化而变化,驱动DIC浓度及其同位素的变化梯度 G (DIC)与 G (δ¹³C_DIC)的变化,表现为底水层＜表水层＜温跃层。热分层结束进入混合期后,DIC浓度与δ¹³C_DIC值的时空差异均逐渐消失,最终表现出DIC浓度与δ¹³C_DIC值的均一化。     

水生植物对岩溶区河水地球化学昼夜变化的影响——以漓江为例

为研究河流非岩溶区断面和岩溶区断面生物地球化学昼夜变化过程、特征及影响因素,探讨水生生物对岩溶区河水碳汇作用的影响,于2016年10月30日-2016年11月1日,在广西桂林漓江干流非岩溶区的峡背和岩溶区的省里设置两个监测点同时开展了为期48小时的高分辨率在线监测和高频率取样工作,研究其水文参数(电导率(EC)、水温(T)、pH以及Ca2+、HCO-3、NO-3等离子和溶解无机碳同位素(δ13CDIC)等水化学参数的昼夜变化规律,并分析其影响因素。发现:（1）峡背和省里两断面水化学类型为HCO3－Ca型,但水文地球化学昼夜变化过程不同:省里断面的物理化学参数昼夜变化显著,T、pH、DO、SIC白天上升夜间下降,Ca2+、HCO-3的质量浓度和EC、p (CO2)白天降低、夜晚上升;而峡背断面理化指标昼夜变幅小,这与峡背断面处于岩溶区与非岩溶区交界处,非岩溶河流汇入、生物量较小等环境特征有关。（2）省里断面营养元素(NO-3、SO42-、Cl-、Na+)昼夜变化过程主要受水生植物同化作用控制,呈现白天降低、夜间升高的变化规律。（3）峡背断面和省里断面TOC 与DOC白天上升、夜间下降,最高日变化幅度可达79%和61%,利用端元混合模型计算得出省里断面和峡背断面内源有机碳占总有机碳的比例分别为91.99%和88.39%,省里断面和峡背断面水生植物光合作用利用HCO-3作为无机碳源的比例为67.42%～99.75%和57.76%～69.78%,平均值分别为79.54%和63.13%。（4）省里断面溶解无机碳(DIC)变化范围为67.1～115.9 mg·L-1,平均值为96.5 mg·L-1,呈现白天下降夜间上升的变化。δ13CDIC变化范围-7.8‰～-9.9‰,平均值为-8.9‰,表现为白天偏重、晚上偏轻的动态变化,两者呈显著的负相关关系(相关系数为-0.79)。研究表明省里断面水生植物光合作用和呼吸作用以及钙沉降是控制DIC昼夜变化的主导因素。通过估算监测期间省里断面光合作用DIC转化速率平均值为1.2×10-5 mmol·L-1·S-1,Ca2+离子的沉积速率平均值为0.18×10-5mmol·L-1·S-1。因此,岩溶区河段水生生物光合作用及其固碳能力较非岩溶区河段明显增强。      

云南白水台钙华池出入口水化学和δ13CDIC昼夜变化的影响因素及水生光合作用影响比例的计算

钙华是岩溶区常见的次生化学沉积物,也是陆地气候环境信息的高分辨率载体之一.它的形成常常与水生植物有关,后者的新陈代谢过程可能会改变水中溶解无机碳(DIC)的同位素组成,进而影响钙华的碳同位素值.然而在古环境重建中,永生植物引起微环境变化所造成的影响常常被研究者忽视.本研究选取了白水台两个具有丰富沉水植物的钙华水池,对水池入口、出口的水化学和DIC的碳同位素组成(δ13 CDIC)进行了高分辨率的昼夜观测和取样分析.结果显示,在低浓度DIC水体(S1-3)补给水池时,水池出口与入口之间的δ13 CDIC的变化很小,主要反映的是出口δ13CDIC继承入口δ13 CDIC,反映了滞后效应对水体δ13CDIC的控制;而在高浓度DIC水体(S1-1)补给水池时,水池出口与入口之间的δ13CDIC的变化主要受脱气作用控制.通过对水生光合作用影响比例的计算发现,由于库效应的存在,水生植物的光合作用对δ13CDIC的影响很小.     

连续流同位素质谱测定水中溶解无机碳含量和碳同位素组成的方法研究

用连续流同位素质谱对水样中溶解无机碳含量和碳同位素组成的测量方法进行了研究,使用德国Finnigan公司DeltaPlusXP同位素质谱仪和GasBenchⅡ在线制样装置对实验室制备的四个实验室标准进行了反应流程、平衡时间、信号强度、数据精度、标准稳定性等检测,结果显示平衡时间大于4h检测信号达到稳定,同时发现44CO2信号强度和水样中溶解无机碳(DIC)浓度具有很好的相关性,因此可以利用信号强度来计算原样品中的DIC浓度。在四个实验室标准中,由NaHCO3配置的标准具有非常好的稳定性和精度,可以作为测试的工作标准。本方法测量水样中溶解无机碳的δ13C分析精度为0.1‰。本方法可以广泛应用于自然界各种水体中溶解无机碳(DIC)含量及其稳定碳同位素组成的分析。     

水生植物对岩溶水化学日变化的影响——以桂林岩溶水文地质试验场为例

以桂林岩溶水文地质试验场为研究点,以研究水生植物对岩溶水化学日变化的影响为目的,着重研究水葫芦和水藻对岩溶水的pH、电导率、溶解氧含量、方解石饱和指数以及CO2 分压日变化的影响。试验结果表明: 在不同水生植物生长的岩溶水中,水化学的日动态变化规律是不同的。在水藻生长的水池出水口处,水的pH、电导、溶解氧含量、饱和指数以及CO2 分压所受的影响主要以水生植物的光合作用为主;而在有水葫芦生长的岩溶水中,水生植物的光合作用影响降低,而温度和根呼吸作用的影响增强。在以桂林岩溶水文地质试验场S31号泉水池出水口堰板处和堰板下游约3m 处为监测点试验时,试验结果表明其水生植物的影响占70%以上,强于温度作用的影响。      

重庆地区岩溶地下河水溶解无机碳及其稳定同位素特征

稳定碳同位素是指示岩溶动力系统碳来源及转化的重要指标。为揭示重庆地区岩溶地下水中溶解无机碳基本特征和碳来源,本文对该地区63条岩溶地下河水样进行了水化学和碳同位素分析。研究结果表明,重庆地区地下河水溶解无机碳主要表现形式为HCO3-,雨季由于稀释作用其浓度低于旱季。重庆岩溶地下河水δ13C-DIC（V-PDB）旱季变化范围为-15.34 ‰～-5.89 ‰,雨季变化范围为-17.40 ‰～-4.23 ‰。根据δ13C同位素质量平衡方法,计算得到重庆地下河旱季碳酸盐岩溶蚀对DIC贡献为45.1 % ～79.7 %,雨季平均为34.6 %～82.1 % 。计算结果表明,在人类活动不断增强的情况下,岩溶水体DIC通量中碳酸盐岩溶解来源的DIC和其参与岩溶地下水δ13C值的形成并不一定是岩溶作用理论方程中所计算的50 %,而是有一定的变化范围。因此在计算岩溶作用碳汇时,建议通过δ13C值扣除碳酸盐岩溶蚀形成DIC的通量后再来推算岩溶作用形成的碳汇量。     

岩溶地质碳汇的稳定性——以贵州草海地质碳汇为例

近几年来对岩溶碳汇的争论越来越多,其关键问题是岩溶作用产生的重碳酸根是否稳定.本文以贵州草海流域为研究区,基于前人研究基础,以碳同位素模型计算出岩溶作用产生的DIC((Dissolved Inorganic Carbon溶解无机碳)中58.8%为草海中为水生植物利用,草海地质碳汇量达588.67 tC/a.以此推算长江中下游湖泊沉水植物每年固碳量370602 tC/a,长江中下游湖泊中仅沉水植物稳定的地质风化CO2汇量约为75万吨.从而证明岩溶碳汇的相对稳定性和岩溶动力系统新理论的合理性.     

内源贡献对青海湖碳同位素指标量化的影响

有机碳同位素已经被广泛的用于湖泊环境变化研究, 特别是沉积物中的单体有机分子化合物被认为主要来源于陆地植物, 其碳同位素组成可以很好地定量重建陆地C4/C3植被变化和相应的气候变化信息。然而, 最近的系列研究结果表明: 青海湖中的水生生物也可以产生长链正构烷烃(C27和C29), 并且在湖泊沉积物中含量较高, 这些水生植物产生的长链正构烷烃的碳同位素组成十分接近陆地C4植物。这些结果提示我们, 湖泊内生生物的贡献可能会影响沉积物正构烷烃碳同位素古环境变化意义的解读。特别是通过湖泊长链正构烷烃碳同位素记录重建陆地C4/C3植被变化时, 如果不考虑内源生物的贡献, 估算的结果可能过高或过低的估计了历史时期陆地C4植物的丰度, 以致得出不真实的气候/环境变化信息。     

高砷地下水中溶解性有机碳和无机碳稳定同位素特征

随着稳定同位素分析技术的逐步完善,碳稳定同位素被广泛应用于地球化学领域。高砷地下水砷的生物地球化学循环是目前环境化学研究热点之一。分析概括了碳稳定同位素应用于地下水领域的研究现状,介绍了地下水中有机碳和无机碳稳定同位素的前处理方法以及测试技术。在此基础上,选取了内蒙古河套平原具有代表性的高砷地下水进行氧化还原敏感组分、碳稳定同位素的测定与分析。结果表明,As分布极不均匀,其含量为1.24~387 μg/L。地下水溶解性有机碳(DOC)含量相对较高,与溶解性无机碳(DIC)浓度基本呈正相关。δ¹³C_DIC相对δ¹³C_DOC较富集¹³C;δ¹³C_DIC-δ¹³C_DOC与δ¹³C_DIC之间具有显著的正相关关系;表明δ¹³C_DIC值越贫化,δ¹³C_DIC-δ¹³C_DOC越小,地下水中来源于有机物氧化分解的无机碳越多,进一步说明有机碳的氧化分解在无机碳稳定同位素贫化过程中起主要作用。此外,δ¹³C_DIC-δ¹³C_DOC与As浓度呈一定的负相关关系;表明有机物的微生物降解对砷的富集具有明显的促进作用。微生物可利用的碳源增加,促进异养微生物的代谢,并消耗氧气,最终形成有利于地下水As富集的还原环境。     

水样中溶解性无机碳同位素测试前处理方法对比研究

水中溶解性无机碳(DIC)的碳同位素前处理方法由传统的BaCl2沉淀法,逐步发展到野外采样后直接通过连续流系统(GasBench-IRMS)测试.当前对于BaCl2沉淀法和连续流测试结果的差异,以及最佳DIC的前处理方法均需要开展深入研究.本文应用BaCl2沉淀法、医用无菌高密度聚乙烯瓶装样、GasBenchⅡ顶空样品瓶野外直接生成CO2气体三种前处理方法,对比研究前处理方法对采自桂林盘龙洞洞穴滴水和地下河水样中DIC碳同位素测试的影响.结果表明,由于BaCl2沉淀法使水样中游离CO2逸出,导致测定的DIC碳同位素值相对于另两种方法均偏正:地下河水样的碳同位素值最大偏正0.26‰;洞穴滴水的碳同位素值最大偏正0.33‰.因为野外水样采集环境的温度、大气压强与实验室内部环境变化较小,没有引起CO2、HCO3的溶解度改变,用医用无菌高密度聚乙烯瓶和GasBenchⅡ顶空样品瓶采集水样的碳同位素测试结果相同;相对而言,利用GasBenchⅡ顶空样品瓶直接产生CO2气体,能够避免外界环境条件变化导致CO2、HCO3-的溶解度发生变化引起碳同位素分馏,是精确测定水中DIC碳同位素最佳的前处理方法.     

桂林潮田河水溶解无机碳昼夜变化与通量

小型山区河流系统具有流域面积小、响应时间短、人类活动的水化学影响易识别等特点,是研究生物地球化学过程的理想场所.本文以桂林潮田河为例,通过高分辨率监测与高频取样,研究水化学昼夜动态变化,无机碳移除及其生物地球化学控制机理.受水生光合作用与钙沉积作用的控制,河水pH、DO、SpC、HCO–3和Ca2+离子产生显著的昼夜动态变化,这些水化学指标昼夜变幅大小又与河床基质和水生植物类型有关.砾石类河床藻类发育的鸟岭桥河段Ca2+和HCO3-含量白天下降幅度平均值分别为12%和11%,泥质类河床沉水植物发育的两河沟河段为10.6%和8.9%.DO浓度与pH值主要受局地河流内部过程控制,即水生植物或藻类光合作用控制,而电导率受上游传输影响较大,滞后时间与两点之间信号平流传输时间相关.监测河段水体因光合作用产生的钙沉降与溶解无机碳移除量分别为302 kg/d和997 kg/d,即188.75 g/m/d和623.13 g/m/d,是西南亚热带典型地下河出口河流的4~5倍,小型岩溶河流沿流程发生的无机碳向有机碳转化,对水体碳通量而言,是真正意义上的自然碳汇过程.     

海水溶解磷酸盐氧同位素组成的测定

生物磷酸盐和水分子间的氧同位素分馏主要受温度和生物活动控制,因此磷酸盐氧同位素组成既可以测量古温度又可以示踪磷循环.近年来磷酸盐氧同位素研究受到较多关注,除了传统的生物体磷灰石古温度测量外,这些研究大多是关于磷循环的.磷酸盐的氧同位素组成可以示踪海洋中磷的源区和生物对磷的利用效率.由于海水的组成十分复杂,测量前必须对样品进行富集、分离和纯化处理.目前,加州大学(Santa Cruz)Paytan 教授和耶鲁大学 Blake 教授的实验室已建立了海水溶解磷酸盐氧同位素的测量方法,二者各有优缺点.我们结合了这两种方法的优点,并对一些步骤进行了改进,建立了海水溶解磷酸盐氧同位素组成的测量方法.通过向海水样品中加入 NaOH,形成 Mg(OH)2来富集海水中的 PO43-,也可同时除去部分杂质离子和溶解有机质;通过将 PO43-转化为 CePO4沉淀来进一步除去杂质离子,然后用阳离子交换树脂除 Ce3+,再通过阴离子交换树脂柱来除溶解有机质.最后将磷酸盐转换为Ag3PO4沉淀,在1350℃裂解Ag3PO4,产生的O2和石墨反应形成CO用IRMS测定.结果显示富集、分离和纯化过程可以获得纯的Ag3PO4颗粒,不会产生PO43-的氧同位素分馏.测量Ag3PO4用量仅为0.3 mg,标准偏差在±0.2‰~±0.3‰之间.     

典型岩溶水系统碳汇通量估算

现代岩溶学研究成果表明,碳酸盐岩在全球碳循环中响应极其迅速,水循环过程中的碳汇效应显著。本研究选取广西桂林寨底地下河系统、广西环江大安地下河系统、重庆北碚青木关地下河系统三个典型岩溶地下水系统,利用各系统地下河的流量和HCO3-浓度的监测资料,采用简单化学平衡模式法估算碳汇通量(CO2)。结果显示,寨底地下河系统的单位面积年碳汇通量为68.82 t/(km2.a),大安地下河系统的单位面积年碳汇通量为81.18 t/(km2.a),青木关地下河系统的单位面积年碳汇通量为100.07 t/(km2.a)。分析认为同一个岩溶水系统的结构特征和环境条件基本上是稳定的;地下河的流量和HCO3-浓度是影响岩溶碳汇强度的关键因素,尤其是地下河流量的变化对碳汇强度的影响显著;不同岩溶水系统的碳汇通量不但受水化学条件和地下水动力条件的控制,同时受土地利用变化的影响。该研究对于改进碳循环模型和评价岩溶地质碳汇有重要意义。     

塔里木盆地荒漠植物与表土碳同位素组成研究

表土有机质碳同位素组成(δ¹³C_org)反映了来自于地表各种植物δ¹³C_org的一个混合信息.要从沉积物δ¹³C_org中提取可靠的植被信息,需要系统研究现代表土有机质δ¹³C_org与地表植被δ¹³C_org的差异.初步研究了塔里木盆地主要现代植被及土壤碳同位素组成,对比不同地区土壤和地表植被δ¹³C_org的差异.结果表明:塔里木盆地柽柳属种群中植物与表土碳同位素组成之间存在显著相关关系,说明在干旱地区土壤中微生物和水生生物等的干扰因素可以忽略,其现代土壤的同位素组成只与地表相应的主要植被类型有关.塔里木盆地柽柳属种群中表土有机质δ¹³C_org值比地表植被δ¹³C_org值平均偏正1.71‰左右,不同于其它地区表土和地表植被δ¹³C_org差异(2.2‰,1‰,0.5‰)的结果,反映不同地区表土和地表植被有机质δ¹³C_org值差异不同.在利用沉积物δ¹³C_org值提取古生态植被信息时,应考虑到不同地区土壤有机质与地表植被δ¹³C_org值的不同差异会影响植被中C₃、C₄植物组成情况.     

中国典型泥炭区现代植物的碳、氧同位素组成及在古环境研究中的意义

本文测定了中国 3个典型泥炭沼泽四川红原、吉林金川和哈尼的现代沼泽植物中的碳、氧同位素组成。吉林金川和哈尼的沼泽在相似的气候和环境条件下发育演化 ,而四川红原的泥炭发育在截然不同的气候条件下。结果表明 ,每个泥炭沼泽现代植物中的碳、氧同位素均有较大的离散度 ,表现为不同营养状况下的成沼植物之间的同位素差异 ;从δ1 3C值来看 ,三个沼泽中的植物均属C3植物 ;红原与金川、哈尼有着明显不同的现代植物稳定氧同位素组成 ,前者更富集1 8O。同一泥炭植物碳、氧同位素的不均一性要求在利用泥炭沉积物恢复过去气候变化方面一定要谨慎。非常有意义的是贫营养泥炭 (高位泥炭 )的成沼植物有着非常接近的同位素组成 ,揭示贫营养型泥炭可能是更为理想的过去全球变化信息档案     

Stable Carbon Isotope Geochemical and Hydrochemical Features in the System of Carbonate-H_2O-CO_2 and Their Implications—Evidence from Several Typical Karst Areas of China

On the basis of hydrochemical observation and experimental calculation, the features of stable carbon isotope geochemistry in the karst dynamic systems of the Guilin Karst Experimental Site, Huanglong Ravine and Wujiangdu Dam Site are summarized in this study. Furthermore, an attempt has been made to solve several geochemical problems, such as the origin of CO2 in the system, kinetic fractionation of carbon isotopes during calcite deposition, hydrochemistry and formation of tufa, and carbon-14 dating of tufa of hydrothermal origin. The results show that three kinds of karst dynamic system can be distinguished: (1) the shallow system, such as the Guilin Karst Experimental Site, in which soil CO2 provides the an active agent for karst processes; (2) the geothermal system, such as the Huanglong Ravine, in which metamorphic or/ and juvenile CO, is the source of activity for karst; (3) the anthropogenic system, such as the Wujiangdu Dam Site, in which the stable carbon isotope geochemical and hydrochemical f     

植物中单体烷烃碳同位素组成与其生长环境的关系

用色谱一同位素质谱议对青藏高原东北部高寒草甸生态系统中的两种高等模特一火绒草（Ｌｅｏｎｔｏｐｏｄｉｕｍ ｌｅｏｎｔｏｐｏｄｉｏｉｄｉｅｓ）和蒲公英（Ｔａｒａｘａｃｕｍ ｍｏｎｇｏｌｉｕｍ）的烷烃进行分析,讨论环境因素对植物单体烷烃碳同位素组成（δ＾１３Ｃｉａ）的影响。研究发现,两种植物奇碳数正构烷烃的δ＾１３Ｃｉａ值都比较小,且有随海拔高度的增加而增大的趋势,而偶碳数正构烷烃的δ＾１３Ｃｉａ值可能