论碳同位素研究在气候变化中的应用

1、.论碳同位素研究在气候变化中的应用潘春娟生物成因碳酸盐的碳同位素组成了用来解释湖泊估产率的变化。比如全新世开始以前出现的13C偏向负值这个事件，被认为是湖泊表面生物产率的大量增加所致。在全新世其他时期所出现的13C值偏负与偏正的变化均记录了生物产率的增减事件。下面就一些事例作简单说明。根据洱海湖泊沉积物有机碳稳定同位素记录,结合硅藻分析资料,恢复了近8ka来云南洱海地区的气候演化序列。结果表明:8.1kaB.P.来的气候演化分为9个阶段,伴随湖泊水位波动变化。不同区域的全新世环境演化对比显示洱海气候演变主要受季风的强弱转换和时空变迁的控制,5.9kaB.P.以前气候偏暖,与太阳辐射增强引起的北

2、半球季风环流加强有关。洱海湖泊沉积记录的暖(温)干期对应西南季风萎缩、东亚夏季风加强;相反,温(暖)湿期对应东亚夏季风减弱、西南季风加强。洱海湖泊沉积记录中三个冷事件出现在:7.2kaB.P.、5.3kaB.P.和3.7kaB.P.左右,冷干(湿)期受亚洲冬季风加强的影响。应用湖泊沉积物中总有机碳及其同位素记录13Corg解释气候环境早在20世纪60年代业已开始1,2。但由于其来源复杂且影响因素多而在解释上受到很大限制。对于13Corg指标,不同研究者的研究结果往往不一致,甚至是相反的。笔者在以往的文章中就这一问题作过一些讨论3,并在重点对青藏高原地区及我国不同湖区13Corg特征研究基础上就

3、13Corg与气候环境的关系作了归纳总结4,但在成因机理上还有待于进一步探讨。对于湖泊沉积物有机碳含量变化与气候间的关系方面的研究,前人也做了不少的有关报道,积累了许多资料,例如黄麒及钱君龙等分别对青海湖及若尔盖古湖近百万年来有机碳变化序列研究后认为有机碳含量的高低变化与对应地区的湿度(或降水)变化有很好的相关性,但在具体解释所包含的气候环境含义上也有较大的不一致性5,6。所有这些都表明了以上两个指标在解释气候环境上的明显区域性。为了更好地利用以上湖泊沉积物环境代用指标进行长序列气候环境的逼真恢复,有必要对有关研究区现代沉积物环境代用指标与器测资料间的比较研究,以便更直接地获得湖泊沉积物环境代

4、用指标与其代表的气候环境，建立起更清晰直观的湖泊环境代用指标与气候间的关系,甚至是半定量或定量的关系。基于以上认识,并考虑笔者曾经就青藏高原东部若尔盖地区90万年来的气候环境作过较多的研究,在本文中,通过进一步对位于若尔盖盆地的兴措湖现代沉积物中13Corg及其总有机碳的变化与器测资料间的比较,就以上一些问题进一步分析,并进行半定量化研究,为定量恢复长尺度历史时期古气候环境特征提供基础。1自然概况兴措湖位于青藏高原东北部若尔盖盆地中部,为若尔盖盆地中部丘陵间断陷小盆,盆地三面由高35003600m山地环绕,西南侧有一相对较宽广的谷地。兴措湖现代湖面海拔高3425m,湖泊流域面积29km2。据野

5、外地质地貌考察发现在其周围分布着多道古湖阶地及湖泊古湖岸线遗迹。据此绘图量算其面积各为:现代2.0km2(1999年7月),20世纪60年代为3.3km2(据110万地形图),次高湖面时的湖面积为7.7km2,高湖面面积为15.6km2。在兴措湖西南侧的次高湖面对应的阶地面上发育有古河道。据此推测,在大约2万年开始的黄河袭夺若尔盖古湖后7,兴措湖与若尔盖古湖开始分离成为一个孤立的湖泊水体,并在以后的兴措湖发展演化过程中出现了较长时期的停留,遗留下了次高阶地。而高湖面遗迹是统一的若尔盖古湖兴措湖沉积物有机碳及其同位素记录，近 50 a来兴措湖沉积有机质及其同位素具有较明显的变化趋势 ,而 6cm

6、处是 TOC及 1 3Corg的一个分界线 ,其上部有机质含量与13Corg含量同步变化趋势明显,下部(610cm)则表现为相对模糊。从岩性上看,106cm为富含有机质的粉泥或泥炭,而60cm则发育为草炭。所以,从岩性特征上分析,近50a来兴措湖处于不断的收缩时期。70年代前湖水相对较深,而后由于湖泊水位下降,其沉积物已表现为草炭型湖泊的沉积特征。相对应地沉积物TOC及13Corg在70年代前后表现为不同演化特征。湖泊水位的波动指示了一个自然状态下封闭湖泊水体对流域降水及温度(影响蒸发)变化的响应。而湖泊沉积物有机碳及其同位素指标是进行此种复原研究的有效途径之一。近50a来,SXC孔13Cor

7、g变幅在-15.5-16.0,平均为-15.6,变幅小,平均值较典型湖相沉积物有机碳同位素高,而与表层草炭及水草中的13Corg相一致,表明近50a来SXC孔沉积物有机质碳主要来源于沼泽相的草炭或水草,这一沉积特征从10cm处开始,也清楚地显示了这一特征。TOC的变幅在19%23%,平均20%,变幅达4%左右,表明对湖泊水位响应敏感。较高的平均TOC值也体现了沼泽相的沉积特征。将湖泊沉积物环境代用指标与现代器测资料的比较研究是定量恢复古气候环境的重要步骤。通过比较研究,可以更精确地建立气候环境代用指标与气候间的内在关系,从而利用环境代用指标更客观地进行古气候环境的恢复研究。将兴措湖沉积物13C

8、org与近50a来若尔盖县气温资料比较发现两者间存在有较好的可比性。考虑到SXC孔沉积物的分辨率所限(平均1cm为45a),笔者将13Corg与5a的温度滑动平均值比较,结果发现有较好的反相变化趋势,气温高时,13Corg偏负。取春夏两季的气温平均值比较此种关系更显著,这与兴措湖水生植物主要在春夏较高气温季节生长直接有关。将兴措湖沉积物中TOC含量与近50a来的降水资料5a滑动平均曲线对比,发现也具有较好的反相变化趋势。从直观上看,降水量增加,TOC含量减小,反之则增加。由于降水量波动变化直接影响湖泊水生植物的生长环境,因而,有机碳含量高低与降水量变化间存在有明显的相关性。由于近50a来兴措湖

9、SXC孔为沼泽相沉积,该时期湖水位的变动对沼泽发育尤为明显,水位高不利于沼泽发育,TOC趋向于减低。所以,SXC孔近50a来揭示的TOC与降水量之间的反相变化关系与此有关。以上研究结果与笔者先前对该地区深钻的研究是一致的,即若尔盖地区湖泊沉积物有机质13Corg与温度呈反相关系4,而总有机碳含量与流域降水量之间的关系则通过湖水位的变化加以体现。所以最近的研究结果也为进一步论证及解释提炼先前的研究成果提供了条件。3.4有机碳及其同位素指标的气候量化研究对兴措湖近50a来有机碳及同位素分别与器测春夏季降水和气温资料进行相关分析,结果表明,近50a来兴措湖有机碳与降水量之间有明显的相关性,其相关系数

10、达-0.67,平均变率(dTC/dP)为-0.046%/mm,表明若尔盖地区春夏季降水量的变化引起兴措湖湖面变化,从而影响其沉积物中有机质含量的变化,平均变化达到降水每波动10mm足以引起0.46%有机碳含量的波动。有机碳同位素13Corg与温度间的相关系数为-0.75,平均变率(d13C/dT)为-0.84/,则在不考虑有机碳来源的影响条件下,温度每变化1,将导致13Corg有-0.84的变化幅度。研究表明 ,兴措湖沉积物总有机碳含量与降水量之间有明显的相关性 ,其相关系数达 - 0 . 67,平均变率 (d TC/ d P)为 - 0 . 0 46%/ mm;而有机碳同位素1 3Corg与温度间的相关系数为 - 0 . 75,平均变率 (d1 3C/ d T)为 - 0 . 84 /。在此基础上 ,建立了兴措湖沉积物总有机碳及其同位素记录与对应的降水及气温间的函数关系在此基础上,笔者将以上关系进行多项式最佳拟合得到有机碳含量与降水间如下关系式:Y=-0.0464517X+37.556;同样的方法我们获得有机碳同位素13Corg与温度间的关系