陇西黄土高原东南部地区末次冰期以来C3/C4植物相对丰度变化及其区域性剖面的对比研究

相对黄土高原东部地区而言,处于六盘山以西的陇西黄土高原,其末次冰期以来陆地生态系统中C3/C4植物相对丰度变化的研究,不仅已开展研究工作的剖面数量相对较少,所得到的结果也不如黄土高原东部地区那样一致.本文对陇西黄土高原东南部边缘区的张家川剖面末次冰期以来的黄土/古土壤地层进行总有机质碳同位素的分析测试,得到的结果表明该剖面全新世古土壤的总有机质碳同位素相对末次冰期马兰黄土更为偏正,这一结果与黄土高原东部地区数个剖面的研究结果是一致的,表明该区域末次冰期向全新世转化过程中,C4植物相对丰度有一定程度的上升.进一步将张家川剖面的研究结果与陇西黄土高原其他几个研究剖面进行了对比,发现陇西黄土高原末次冰期以来陆地生态系统中C3/C4植物相对丰度变化情况要比黄土高原东部地区更加复杂,很可能在该区域内部还存在一些地区之间的差异,该区域东部和南部地区全新世相对于末次冰期C4植物相对丰度有一定程度的增加,而该区域西北部地区则很可能末次冰期至全新世都以C3植物占绝对优势.由于大量现代C3植物的研究结果表明,其碳同位素组成的变化主要响应于降水量的变化,因此,来源于C3植物为绝对优势植被的黄土有机质碳同位素很可能是一个潜在的古降水量的指示器,陇西黄土高原黄土/古土壤序列的有机碳同位素研究还值得进一步加强.     

中国半干旱-湿润区末次间冰期以来黄土有机碳同位素特征与植被变化

对比研究中国半干旱-湿润气候区的黄土有机碳同位素(δ 13 CTOC)变化的控制因素及其所揭示的植被演替过程, 能够为认识这些地区植被变化规律提供新的依据。迄今, 秦岭以南亚热带地区土壤 δ 13 CTOC与植被和气候之间的关系及其与黄土高原地区的联系还不清楚。本研究选取末次间冰期以来黄土高原的镇北台、西峰、洛川, 以及秦岭地区的洛宁和长江下游的镇江等5个代表性黄土剖面, 对其δ 13 CTOC进行对比分析。结果表明, 湿润区黄土δ 13 CTOC在间冰期偏正, 在冰期偏负, 可以反映季风强度的变化。末次间冰期以来湿润气候条件下黄土沉积区的植被是以C4草本为主的C4/C3混合的草地。温度满足一定条件后,季风降水变化可能是控制半湿润-湿润区黄土沉积上覆C3/C4植物丰度变化的主要因素。     

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。     

黄土高原现代C4和C3植物生物量及其对环境的响应

文章从表土总有机碳同位素和现代植被间的关系入手, 研究C4/C3植物与气候要素的关系, 以期能更好 的理解影响C4、C3植物生物量的主要因素。研究区域位于黄土高原塬面, 我们计算了共67个采样点的C4植物的生物量, 估算出草本植物中C4植物的比例。结果表明, 黄土高原塬面上最主要的C4植物是白羊草(Bothriochloa ischaemum), C3植物主要由草类植物和灌木组成, 如长芒草(Stipa bungeana)、胡枝子(Lespedeza davurica)和禾叶嵩草(Kobresia graminifolia)等, 它们主要分布在研究区域的阴坡和山谷。表土的总有机碳同位素组成是反映C3和C4相对生物量贡献的可靠指标。在黄土高原地区, 夏季降水量的增加会引起C4植物比例上升, 同时C4植物生物量的变化也反映了降水的变化。本文的研究有助于理解亚洲季风气候下黄土高原地区C4/C3植物的变化机制。     

植物体燃烧前后碳同位素组成的变化

将在黄土高原地区采集到的活体植物样品于实验室内进行燃烧实验,发现植物燃烧后残留物的δ13C值发生了明显改变.相对于源植物体,大部分C3植物灰烬的δ13C值变大,而大部分C4植物灰烬的δ13C值则变小.这一结果对于利用大气气溶胶和沉积物中燃烧产物的δ13C值来研究植被和气候环境变化无疑是重要的.     

皋兰山红黏土-黄土记录的上新世-更新世转型期C3/C4植被演化

上新世-更新世转型是上新世温暖气候向更新世冰期-间冰期旋回过渡的重要时段,与此同时,青藏高原的强烈隆升也深刻改变了高原及周边地区的地貌格局和生态环境面貌.因此,开展青藏高原东北缘地区上新世-更新世转型期的古气候变化是理解地球各圈层相互作用的重要切入点.而兰州盆地地处中国三大自然区的衔接位置,对气候变化和构造活动响应较为...     

末次盛冰期以来泸沽湖沉积记录的正构烷烃分布特征和单体碳同位素组成及其古植被意义

泸沽湖是云贵高原上典型西南季风区的一半封闭湖泊, 本文通过研究水深69.3m处长度为18.3m岩芯中15个样品的陆源高等植物正构烷烃分布特征及碳同位素组成, 揭示了湖区木本/草本植被和C3/C4植被的变化历史, 并试图探讨C3/C4植被变化的可能影响机制。在末次盛冰期至全新世早期, 正构烷烃含量及(C27+C29)/2C31比值逐渐增加, 正构烷烃(碳数>C25)的平均碳链长度(ACL)值逐渐减少, 指示木本植物比例相比草本植物较多且呈逐渐增加态势, 表明气候逐渐向暖湿方向发展; 而同一时期, 陆源高等植物正构烷烃(C27、C29和C31)δ 13 C值均逐渐偏正, 无法用气候变化来解释, 应该反映了C3/C4植被变化, 由此, 通过二元模式计算得出的C4植物比例从19.6 % 逐渐增加至31.9 %, 上述结果表明该时期温度升高对C4植物增多起了主要作用。到全新世中期, 正构烷烃分布特征表明木本植物比例依然较高, 表明此时气候温暖湿润, 而δ 13 C值则呈偏负的趋势, 我们认为这是降雨增加和C4植物减少协同导致的。在全新世晚期, 正构烷烃分布特征指出草本植物比例相对增加, 而该时期的δ 13 C值则稍微偏正, 这可能是因为气候变干所导致的。陆源高等植物正构烷烃分布特征所揭示的植被变化可以与研究区域孢粉记录进行较好对比。研究进一步明确了温度是C4植物出现的主控因素, 而在温度满足要求时降雨的增多会降低C4对C3植物的竞争优势。     

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。     

黄土高原地区晚中新世以来陆地植被C3/C4植物相对丰度演化研究进展

晚中新世以来陆地生态系统中C3/C4植物相对丰度的演化历史是国际地学界关心的热点问题。我国黄土高原地区也有数个剖面开展了相关的研究,然而基于土壤碳酸盐碳同位素的研究结果在C4植物扩张开始的时间、过程、区域和全球一致性、C4植物相对丰度的空间梯度等主要的地质历史事实以及该区域C4植物扩张的主要驱动因素等方面的认识均存在较大的差异,这可能表明了代用指标本身存在的问题。而来自动物化石的碳同位素研究结果与碳酸盐碳同位素研究结果同样差异比较大,认为直到第四纪时期,C4植物才成为区域植被当中一个重要组分。从代用指标可靠性以及时间分辨率2个方面考虑,建议在后续的研究工作中,大力加强有机质碳同位素方面的研究,进一步查明黄土高原地区晚中新世以来C4植物扩张的历史和可能的驱动机制。     

敦煌伊塘湖沉积物有机碳同位素揭示的末次盛冰期以来湖面变化

对甘肃敦煌伊塘湖沉积物进行了野外钻探采样,采用光释光测年技术确定了沉积物的年代,测定了总有机碳含量(TOC)、碳氮比(TOC/TN)和有机质稳定碳同位素组成(δ13℃org)等环境代用指标.结果表明,23ka至今,湖区沉积物δ13℃org在-27.84‰～-22.86‰之间变化,可与TOC对比.干旱气候条件下湖泊沉积物的δ13℃org变化主要受到沉水植物和挺水植物含量变化的控制,生长于较深水的沉水植物δ13Corg值偏正,而生长于较浅水的挺水植物δ13℃org值偏负;另外,部分时期有外源陆生植物产生的有机质输入,影响沉积物的碳同位素值.总体上,干旱区湖相沉积物δ13Crg值可指示湖水面的变化、间接指示气候干湿变化.δ13Corg变化的时间序列显示出明显的冰期-间冰期变化,从末次盛冰期到全新世暖期可将伊塘湖的环境演化分为4个阶段:23～ 13ka是一个气候不稳定时期,整体呈冷干并且湖面水位偏低,但后期有转暖的趋势;13～9ka为冰期向全新世暖期的过渡阶段;9～5ka整体湖面水位偏高、气候暖湿,含有短时间的干事件;5ka至今有变干的趋势.23ka以来,伊塘湖区的湖泊环境演化受全球大气环流与水汽输送路径控制.     

黄土高原S1古土壤的地球化学特征及其对物源的指示

对黄土高原中部的蓝田剖面与黄土高原西部的定西和天水剖面的S1古土壤的化学元素进行了对比.3个剖面的Al-Ti-zr比值接近,La/Th和Ce/Pb比值以及稀土元素配分模式各与上大陆地壳的接近,表明黄土高原S1古土壤的来源粉尘经历了多次的搬运-沉积循环过程,而使物源呈现均一的特性.物源的均一性初步保证了地球化学指标的空间...     

晚中新世-上新世黄土高原佳县红粘土剖面碳同位素记录与C4植被演化

新生代C4植被开始扩张的年代、过程和驱动机制是全球古气候变化研究的焦点问题。中国黄土高原的黄土-红粘土剖面保存了连续的古生态演化记录, 是研究这一关键科学问题的理想载体。本文选择黄土高原北部佳县厚达64m的红粘土剖面(8.2~2.7Ma), 对190个层位的次生方解石矿物进行了无机碳同位素测试, 由此分析了晚中新世-上新世末的C4植被扩张和演化过程。C4植被持续增长与全球冰盖的扩张基本一致, 表明气候变冷很可能导致了黄土高原区域气候的干旱化与降雨季节性的增强。C4植被的扩张存在明显的3个阶段, 分别以6.6Ma和3.6Ma为界限, 每一次扩张增加10 % 左右, 暗示了全球性的构造事件对黄土高原植被演化的控制。此外, 佳县红粘土剖面呈现10次持续时间为10~20万年的碳同位素正漂移事件, 平均每40万年发生一次, 说明40万年轨道周期也控制着C4植被的演化。     

中新世以来六盘山邻区黄土-红粘土成土碳酸盐碳氧同位素记录及其对C4植物早期扩张的指示

晚新生代C4植物扩张是地球环境-生态系统演化的重要事件,重建C4植物地质演化历史是认识新生代地球气候变化、全球植被演化和大气CO2演化历史及区域陆地生态系统转变模式的关键环节。通过最近20多年来对全球不同区域地质剖面中的植物化石、动物牙釉质及成土碳酸盐碳同位素等的分析,研究者认识到晚新生代C4植物在全球成规模出现和扩张过程并不同时,不同记录反映的C4扩张信号有所不同,目前对C4植物扩张的全球格局还不明晰。亚洲季风区C4植物扩张历史是理解全球C4植物地质演化过程和机制的重要方面。南亚地质记录揭示的C4植物扩张过程表现为8~4Ma前后的迁跃式转折,黄土高原已有研究揭示在约6Ma,3Ma前后及1Ma之后各有一个δ13Csc高值出现,在7~4Ma期间成土碳酸盐δ13Csc呈现自北向南变轻的格局,表明在晚中新世到上新世早期黄土高原C4植物出现从北到南的扩张过程。对于黄土高原C4植物在更早时期的演化扩张过程,目前限于记录尚不明晰。在此,本文通过分析六盘山邻区的平凉白水黄土-红粘土和庄浪红粘土剖面,获得成土碳酸盐碳同位素记录,揭示出C4植物在黄土高原扩张时间至少可以下推到中新世早期(约20Ma),C4植物比率在中新世变化于15％~40％之间。这一结果为拓展我们对C4植物在黄土高原乃至东亚季风区早期演化历史的认识提供了新证据。     

C_4植物的出现与全球环境变化

C4 光合作用途径 (C4 植物 )的出现和随后的扩展 ,是发生在新生代晚期的重大事件。这一事件是晚新生代全球环境演化的产物。C4 植物在某些生态系统中占据主导地位 ,又通过食物链 ,影响了动物 ,特别是食草动物的演化。以C4 植物为主的干草原环境甚至与人类的起源有着某种成因上的联系。C4 植物的出现对中新世以来全球环境变化和现代环境格局形成过程具有特殊的意义。文中就C4 植物出现和扩展的时间、C4 植物的分布和生态特征、C4 植物出现的环境背景、构造运动 ,特别是印度和欧亚板块碰撞以及由青藏高原强烈隆升引发的侵蚀作用和大气组分变化及其与C4 植物出现的联系等问题作了较为系统的综述。文章还介绍了中国北方现代草本植物的δ13 C值的最新研究结果 ,并就草本植物δ13 C值与环境参数之间可能的关系进行了初步讨论。     

影响C4草本植物C/N比值变化的因素与土壤有机C积累的关系

文章对采自贵州从低海拔的东部到高海拔的西部且大致平行的石灰岩和砂岩两地带均生长的3种C₄草本植物,即巴茅(Miscanthusfloridulus)、白茅(Imperatacylindrica)和类芦(Neyraudiareynaudiana),以及相对应的土壤表层样品,进行了营养元素和C同位素组成分析;研究营养元素含量随着海拔的不同而出现的变化趋势,以及这些元素之间的相互协变作用,尤其是Ca和N之间的相互协变作用对植物的N含量、C/N比值和^δ13C值的影响,以了解植物的C/N比值(指示植物残留物质量的一种标志)与土壤有机C积累的关系。研究结果表明,植物的N含量和^δ13C值具有随海拔的上升而显著增大趋势,而植物的C/N比值在砂岩地区虽有减小的趋势,在石灰岩地带则没有。对所研究的C4草本植物来说,在土壤pH值为5.8的中性条件下显示出Ca的最大吸收,因此,Ca与其他营养元素之间的协变模式在两种土壤类型中表现出相反的倾向,并存在土壤交换性Ca的边界浓度:当土壤可交换性Ca的含量为2.24mg/g,相应土壤的pH值在5.8以下时,随着土壤可交换性Ca浓度的增大,植物的N含量上升,而植物的C/N比值会显著降低;当Ca在边界浓度以上时,随着土壤可交换性Ca浓度的增大,植物的N含量下降,而植物的C/N比值有增加的趋势。由此可见,植物残留物的N含量和C/N比值受Ca元素含量的相     

黄土高原自然植被的土壤有机碳同位素证据

根据黄土高原现代表土有机碳同位素(δ13CSOM)数据,结合前人关于末次间冰期和全新世中期的分析结果,研究这3个特征时期C4相对生物量(C4％)的空间变化特征。结果表明,3个时期黄土高原C4％均由东南(33％,25％和12％)向西北(0％)递减。10％等值线在末次间冰期大致位于交道-泾川西北、西峰东南一带; 到全新世西部向南推进,大致位于交道-洛川-旬邑以西北、西峰-灵台以东南一带; 而现今比全新世时期向东南推移约60km,退至黄陵以西北、彬县-延安以东南一带。全新世与末次间冰期温度和降水的不同可能是植被差异的主要原因。现代C4％较末次间冰期和全新世中期有较明显的降低,可能与较高的大气CO2浓度、较低的温度和干旱化有关。由于上述3个特征时期黄土高原东南地区均以C4草本植物为主,西北地区C3植物比例的增加亦为C3草本植物比例的增加。