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...     

柴达木盆地中新世-早上新世有机碳同位素记录和植被演化历史

晚中新世C₄植被扩张的过程和驱动机制是全球古气候变化研究的焦点问题。然而,这一生态格局的转变在亚洲中纬度地区的扩张范围尚存在争议,阻碍了对中国北方陆地生态系统的形成及其与高原隆起关系的清晰认识。青藏高原东北缘柴达木盆地河湖相沉积保存了晚新生代连续的古生态演化记录,是研究这一科学问题的理想载体。本研究选取柴达木盆地已具有古地磁年代的、厚度约6200 m的大红沟剖面河湖相地层,通过有机碳同位素和正构烷烃分析,恢复了高原东北缘约20.5~4.4 Ma的植被演变历史。结果发现,大红沟剖面典型样品正构烷烃C₂₇、C₂₉和C₃₁组分含量占总含量的绝大多数,且具有明显的奇偶优势,指示陆生高等植物是该剖面河湖相沉积物有机质的主要来源;大红沟剖面有机碳同位素记录指示中新世-早上新世青藏高原东北缘生态系统以C₃植物为主且晚中新世没有出现C₄植被的大规模扩张,这与低海拔的中国北方晚中新世C₄植被大规模扩张的观点不同。晚中新世较低的大气CO₂浓度和高原隆升引发亚洲夏季风降水增强有利于晚中新世C₄植被的扩张,而晚中新世C₄植被的大规模扩张并没有发生于青藏高原东北缘。据此推测这可能是晚中新世高原东北缘构造抬升造成植物生长季温度较低,限制了C₄植物的生长。这一研究为晚中新世高原东北缘构造隆升提供了间接的生态学证据。

     

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。     

碳酸盐碳同位素揭示的泥河湾盆地上新世中晚期C4植物扩张历史

植被中C₄植物比例与气候条件和生态系统类型密切相关,了解C₄植物扩张历史对于理解过去生态系统格局演化以及古气候变化具有重要科学意义。本研究在已有古地磁年代基础上,通过对泥河湾盆地郝家台NHA钻孔224.2~175.4 m段内243个沉积物样品的碳酸盐δ¹³C分析,结合δ¹⁸O、地球化学元素、粒度等环境代用指标测试,揭示了泥河湾盆地上新世3.66~2.89 Ma期间的C₄植物扩张历史。研究结果显示：1）泥河湾盆地3.66~2.89 Ma期间,δ¹³C均高于-7‰,且δ¹³C值整体呈现波动上升的趋势,指示了研究时段内泥河湾盆地C₃、C₄植物共存,C₄植物总体呈现出明显扩张的趋势,其中约3.58 Ma和约3.10 Ma为研究时段内两次最为明显的C₄植物扩张重要时间节点;2）3.58 Ma之前,δ¹³C多低于-5‰,植被以C₃植物为主,3.58~3.10 Ma期间δ¹³C含量在-5‰至-3‰之间波动,气候趋向干旱化方向发展,C₄植物所占比例有所增加;3）3.10 Ma之后的全球性冷干事件导致泥河湾盆地气候显著变冷变干,尤其是干旱化程度显著增强,δ¹³C多高于-3‰,指示泥河湾盆地C₄植物出现显著扩张,以C₄植物为主的草本植被占比可能超越C₃植物,成为区域主要的植被类型;4）C₄植物扩张过程中,也存在数次波动,如在约3.46 Ma、约3.38 Ma、约3.28 Ma和约3.13 Ma等时段内出现数次持续时间较短的δ¹³C明显低值,分别可以与全球深海氧同位素阶段（MIS）明显冷时期对应的MG6、MG4、M2和KM2相一致,但这些低值呈现出随时间推移,δ¹³C值逐渐升高的趋势,显示C₄植物的影响逐渐加强。

     

陕西北部三趾马红粘土成土碳酸盐碳、氧稳定同位素特征及所记录的古气候演变

陕西府谷王大夫梁三趾马红粘土剖面中成土碳酸盐碳、氧稳定同位素分析及其变化曲线表明，三趾马红粘土形成于半干旱到半湿润气候条件下，且已出现类似于黄土中古季风特征的干热－温湿的旋回性变化，并在晚期有周期缩短、幅度加强的趋势．结合地层中的物质组成及古哺乳动物群性质的变化，陕西北部新第三纪晚期古气候经历了干热－温湿－干热的演化历史，植被以草原疏林为主，气候适宜期曾出现半湿润森林景观     

浑善达克沙地地表沉积物有机碳同位素组成 与植被-气候的关系

研究现代地表沉积物有机碳同位素与植被-气候的关系,对于重建过去气候变化过程有重要意义。然而,对于气候变化幅度大、生态环境脆弱的浑善达克沙地,尚缺少相关的研究。本研究对浑善达克沙地进行了全面采样,对42个地表样品进行了有机碳同位素分析。结果表明,浑善达克沙地表土有机碳同位素(δ13C)介于-25.0 ‰ ~-19.4 ‰ 之间,平均为-22.2 ‰。通过两端元方法估算,研究区C4生物量介于0~46% 之间,平均为17.9%,与前人的C4植被调查结果有很好的可比性。相关分析表明,C4生物量与年降水量呈显著负相关关系,而与温度关系不大,这表明在该地区年均温差异较小的情况下,降水可能是控制C4植物生物量的主要因素; 另外,推测也可能是研究区C3生物量的变化主导地表有机碳同位素的变化。建立的δ13 C-年降水量转换函数,预期可用于重建浑善达克沙地全新世降水量的变化。     

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。     

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.     

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。     

蓟县中-新元古界剖面团山子组-景儿峪组碳氧同位素演化特征及其沉积环境与构造意义

对华北克拉通北缘蓟县中-新元古界碳酸盐岩进行了系统的碳、氧同位素研究,共获得有效碳、氧同位素数据376组.团山子-景儿峪组岩石学特征、碳氧同位素组成特征对沉积-构造环境具有良好的协同指示意义:δ13CV-PDB和δ18OV-PDB曲线变化幅度很小,δ13C多数介于-1‰~+1‰,δ18O多数介于-4‰~-6‰.显著的δ13C负值出现于团山子组、高于庄组和铁岭组下部,显著的δ13C正值出现于杨庄组/雾迷山组界线以及景儿峪组.通过对比研究认为,团山子期经历了大规模裂解事件,与区内团山子期末-大红峪期强烈火山作用事件相吻合;杨庄晚期-雾迷山早期经历了沉积环境突然变化,导致生物爆发式发育;景儿峪组碳同位素变化范围介于-0.90‰~+3.70‰,与扬子克拉通神农架群1.4~1.0 Ga碳同位素波动范围存在部分重合,有可能填补待建系(1.35~1.00 Ga)的部分空白.     

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。     

过去典型增温期黄土高原东西部C3/C4植物组成变化特征

过去典型增温时段的自然植被演化规律是未来增温情形下植被变化趋势的重要参照。黄土高原全新世中期(4~8kaB.P.)和末次间冰期(80~110kaB.P.)温度分别比现高约1.2℃和2~5℃,是揭示过去不同增温幅度下植被演化的理想时段。通过对黄土高原东西部黄土-古土壤序列有机碳同位素(δ13Corg.)对比研究表明:在全新世中期黄土高原东西部有机碳同位素变化一致,相对末次盛冰期表现为正偏2.2‰ ~2.9‰,指示C4植物丰度增加。而在末次间冰期黄土高原东、西部不同地貌单元有机碳同位素结果产生空间分异,相对末次盛冰期西部梁峁区表现为负偏约0.8‰,指示C4植物丰度减少,而东部塬区则表现为正偏0.9‰~4.0‰,指示C4植物丰度增加。由于上述典型时段大气CO2浓度相近且温度升高,末次间冰期与全新世中期黄土高原C4植物丰度变化的差异可能与降水增加的季节性变化有关。上述结果表明,在过去典型增温期不同增温幅度下黄土高原东、西部不同地貌单元植被演化呈现明显不同。     

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。     

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δ13Corg.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δ13Corg.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δ13Corg.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。δ13Corg.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（δ13CTOC）记录可划分为3个阶段:1)末次冰期晚期（18·5～14·7kaB·P·）,δ13CTOC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·）,δ13CTOC值显著偏负,变化范围为-33·92‰～-28·40‰,平均值约为-31·75‰,在δ13CTOC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·）,δ13CTOC值再次显著偏正,最高可达-28·4‰;3)全新世以来（11·7kaB·P.至今）,δ13CTOC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δ13CTOC值变化的主导因素。     

日本大沼湖沉积物碳氮比值、有机碳同位素特征及其近400年的古气候环境意义

通过对日本大沼湖沉积物样品总有机碳含量(TOC)及其稳定同位素、总氮含量(TN)和C/N 值的测定, 结合沉积岩芯火山灰和 14C 年代, 分析了大沼湖沉积物中有机质的来源, 探讨了沉积物有机碳同位素的主要影响因素。结果表明: 大沼湖沉积物中有机质主要来源于自生藻类, 受陆源输入的影响较小; 沉积物δ13C 值指示了夏季温度的变化。过去400年来, 大沼湖地区存在1660~1730年和1780~1860年两个明显的冷期, 与邻近地区冰芯、树轮和湖泊沉积物记录的冷期基本一致, 分别对应于Maunder和Dalton太阳黑子极小期。     

21 kaB.P.以来大兴安岭中段月亮湖沉积物全岩有机碳同位素组成变化及其古气候意义

月亮湖是位于大兴安岭中段阿尔山-柴河火山区的一个火山口湖,地处现今季风/非季风影响的过渡地带,对气候环境变化反应敏感。月亮湖长约9m的沉积岩芯记录了21cal.kaB.P.来的古气候演化历史。月亮湖沉积物全岩有机碳同位素组成( δ13 Corg)、总有机碳含量(TOC)和总氮含量(TN)分析结果表明: δ13 Corg值分布范围为 -34.3 ‰ ~-24.8 ‰ ,具有9.5 ‰ 的变化幅度,但总体仍然在陆生C3植物的变化范围内。TOC含量分布范围为1.04 ％ ~23.55 ％ ,TN含量分布范围为0.08 ％ ~1.78 ％ ,TOC与TN含量变化趋势相同,呈正相关性,两者都显示出末次冰期晚期时含量特别低的特征。沉积物的 TOC/TN 比值(原子比)分布范围为6.3~28.2,其中末次冰期晚期的值比较低,说明沉积物中有机质以内源水生生物为主,其后 TOC/TN 比值明显升高且多>14,说明大部分有机质来源于汇水盆地中的陆生植物。根据多个指标综合分析,有效湿度的影响很可能是 δ13 Corg 变化的主导因素。因此,近2万年来月亮湖全岩有机碳同位素组成变化与古气候变化的对应关系是: 暖湿气候对应着偏负的 δ13 Corg值,冷干气候对应着偏正的 δ13 Corg值,全新世期间因植被变化不大,其 δ13 Corg值变化幅度也不大。     

末次冰期以来南海北部沉积有机碳记录及其古植被环境信息

末次冰期以来南海北部深海沉积物中陆源植被碎屑来源及其指示的植被类型变化等一直存在争议。正构烷烃比值、正构烷烃碳同位素(δ13Calk)及总有机碳同位素(δ13CTOC)等有机碳指标的应用可能为之提供新的证据。南海北部MD05-2905岩芯中正构烷烃比值C31/C27,C31/(C31+C27+C29)和ACL(长链烷烃平均链长)等呈现末次冰期高,全新世低的变化,指示末次冰期草本植物相对增多,全新世木本植物较多。δ13CTOC及δ13Calk均呈现末次冰期相对偏正,全新世偏负的变化,指示C4植物在冰期增多,间接印证草本植物的增多。末次冰期,由于相对冷干的气候、大气CO2浓度的降低,以及低海平面导致陆架的广阔出露,均有利于更多草本植物的生长。末次冰消期及全新世随着温度的升高及降水的增多,森林植被发育,C3植物相对较多。该岩芯碳同位素结果与南海北部孢粉结果的对比表明,南海北部深海沉积中正构烷烃指标指示南海北部周边较大区域范围的植被变化信息。