全球变化研究的现状与发展趋势

全球变化研究的现状与发展趋势

0生物环境监测系统全球变化研究始于20世纪80年代初，也是最受关注的环境科学问题。全球变化研究涵盖了大气、海洋、陆地、地理、地质、地球物理、环境、生物、能源、人口、政治、经济和社会等领域,这里主要谈谈同位素地球化学在全球变化研究中的应用。地球环境变化在不同尺度地域空间内的表现不同,这些表现可以储存于不同的载体之中,现代检测技术已能较好地从这些载体中提取全球环境变化的信息。树木年轮、湖泊沉积物、冰芯、地下水、黄土、古土壤、古植被、孢粉、珊瑚礁、生物遗存、海洋以及第四纪沉积物等,都是记录全球变化的良好载体。研究表明:同位素作为载体示踪剂在全球变化研究中发挥着越来越大的作用,尤其在树轮、湖泊沉积物、冰芯、海洋沉积物和黄土沉积物研究中,同位素记载了环境气候信息,是了解现代环境气候变迁和进行古环境再造的一个有力工具。1aeda社会培养学树轮年代学是树轮同位素研究中的一个重要内容,在本世纪初由美国天文学家AEDouglass创立的,已成为目前发展最快的学科之一。树轮不仅是一种定年的工具,它还可提供树轮生成的环境要素信息,在过去和将来的气候和环境变化研究中,树轮同位素研究都发挥着重要的作用。1.1植物同位素组成树轮纤维素的稳定氢、氧同位素(简称树轮同位素)记载了环境气候信息,是了解10a、甚至100a时间尺度上古代和现代环境气候变迁的一个有力工具。树轮的氢、氧同位素组成决定于植物利用的环境水,树轮氢氧同位素组成的变异反映了源水同位素组成、温度、相对湿度和降水量的变化,它可用来恢复气候记录、评价最近发生的气候事件和探讨引起气候长期波动的原因。同位素气候学的一个重要研究方法是测量从植物中萃取的纤维素的D/H比值。纤维素中含有70%(摩尔分数,下同)的碳氢键(C—H),它的同位素组成是非交换态的;呈羟基键(O—H)形式的可交换氢占30%,O—H羟基键中的氢能真正与环境水交换,其D/H比不能用作纤维素物质中水的D/H指标。植物在光合作用中利用环境水,而纤维素则会记录那种环境水的同位素组成。由于环境水的同位素组成与气候有关,所以纤维素分析能用于过去气候的重建。不同来源的水具有不同的同位素比值,通过对植物同位素的研究可以了解植物利用的环境水是雪融水、河水、是浅层地表水还是深层土壤水。对于干旱半干旱地区,植物的源水一般是当年的降水。植物纤维素的同位素组成与环境水(降水)的同位素组成线性相关,其差异反映植物源水同位素组成在年际尺度上及在单个生长季内的变化。源水同位素组成的变化是温度的函数,Burke等发现树轮δ18O与海拔和纬度之间亦存在联系。Gray等观察到洛矶山东西两侧降水δ18O随温度的降低而下降。这种趋势在美国西南部生长的树轮纤维素中也有所体现。Yapp等得出的树轮同位素随年平均温度的变化率与降水同位素随年平均温度的变化率极为接近。最近的研究结果表明,对于气候条件简单或地势平坦的地区,树轮同位素序列是温度变化历史的良好载体。温度的变化是树轮同位素组成长期波动的主要原因。然而,利用树轮同位素序列研究气温的变化的难点是温度信号相对微弱。植物生理学研究表明,在树木生长季内,若树木吸收的水分受到限制,则树木吸收水分的多少会对叶片蒸发率有明显的影响,进而可能影响纤维素的同位素组成。故降水量的多少也能影响树轮同位素的组成。降水量的变化可以较好地解释树轮同位素的短期波动。Feng等对两棵现代云杉和一棵一万年树龄的树轮氢同位素组成的分析,表明同位素的耗损与夏季季风强度有关,树轮同位素组成能够反映古季风的强度,并能得到当时大气降水的氢、氧同位素组成信息。相对湿度与叶片蒸发率相关,因而也与光合作用速率存在相关关系,这将干扰植物δ18O的变化。同时采样地点的湿度不一致则会引起树轮δD与源水δD之间线性相关的偏差。树轮同位素组成在一定程度上记录了气候的时空变化,可以成为古气候变化的有效载体。通过分析同一年内植物同位素组成的变化有助于研究温度和相对湿度的变化对树轮同位素记录的影响及确定生物分馏系数的大小,从而有利于根据同位素组成更好地评价过去的气候变化。同时,利用树木化石则可以获取连续时间更长的气候变化记录。1.2树轮宽度和水利用率树轮碳同位素的组成变化与树木年轮宽度变化研究相结合,能够揭示植物对水的利用率及其与生长速率和环境大气CO2浓度之间的关系。Graybill和Idso运用树轮宽度测量法研究了美国加州白山山脉绵羊山刺毛球果松全皮和撕皮两种树的生长效率。Kuilian等计算了植物的水利用率(Plantwater-useefficiency)。其后,他们对四棵树(两个全皮两个撕皮)进行了碳同位素分析,研究表明植物水利用效率确实增加,但全皮和撕皮树在水利用效应增加的速率之间没有明显不同,并且与环境大气CO2浓度的增加一致。1.3建立大尺度事件发生的年数利用树轮长年表本身来推断环境变化,是当今树轮年代学研究热点。长年表的建立可为14C测年提供校准曲线,提高14C测年的精度。此外,在不同区域建立树轮长年表有助于建立大尺度事件发生的年表。目前,为定年服务的树轮长年表在北美洲超过8.6ka,在欧洲超过10ka,德国的长年表延伸到了新仙女木期,南美洲超过3.6ka,澳洲超过3.0ka,这些使得树轮年代学为14C在全新世测年提供了确定的时间控制。我国用采自青海都兰的树轮样本重建环境变化的最长树轮年表为2.0ka。还有很多地区重建了过去1.0ka来的气候变化,这些重建工作中所依据的长年表并非由一株树所建,而是在整个年表所包含时段内的每一年均用多株树,并经过了严格的交叉定年。2非均质化对湖泊沉积的研究湖泊沉积可记录古季风变迁、高原的隆升等气候变化要素。高分辨率的湖泊钻探技术和湖泊沉积环境指标的建立为全球变化研究提供了新的手段。2.1古环境沉积与沉积特征目前对湖泊沉积物已开展分析的指标有孢粉、硅藻、介形虫、元素含量及其比值、碳酸盐含量、自生碳酸盐氧和碳同位素、有机碳同位素、氢指数、湖泊环境磁学等。多环境指示的综合判识在恢复古温度、古降水、古盐度、古生产力和历史时期人类活动影响方面显示较强的优势。137Cs和210Pb方法广泛用于现代沉积记年,在此基础上可计算现代湖泊沉积物沉积速率与沉积通量;在生物地球化学方面,利用介形虫壳体的Sr/Ca和Mg/Ca,可定量分析湖水古盐度变化。介形虫壳体的氧同位素能用于恢复古湖泊水位波动和古气候变化;利用单颗粒海绿石定年技术可以反映古环境中的海进、海退;湖泊沉积物的有机指标指示湖泊的古环境类型;10Be,26Al等宇宙成因核素可以反映沉积速率。高分辨率、多环境指标的综合研究是近年来我国湖泊沉积与环境演变研究的显著特征,其中青藏高原腹地的湖泊和盐湖沉积的综合研究,对认识晚新生代的高原隆升过程和亚洲古季风演化有重要意义。2.2古气候重建及氧同位素组成通过分析湖泊沉积岩芯中的介形类甲壳动物的氧同位素值,可以建立湖水氧同位素值的详细历史。而从含钙壳层导出的湖水同位素变化与对应的仪器温度记录的校准,则可为类似研究中的古气候重建提供重要信息。德国南部阿默湖(LakeAmmersee)的研究结果表明,为获取中欧地区高分辨率的氧同位素记录而将这些古气候结果向过去14ka外推是可行的。该湖的同位素水文学模拟显示出湖水的氧同位素组成主要由当地沉积物的同位素组成所控制。在过去0.2ka内,该湖的同位素记录与位于湖泊汇水区内的HohenpeiBenberg的气温记录密切相关,该结果为将阿默湖沉积物中介形类甲壳动物的氧同位素值作为年均气温的定量替代值的有效性提供了支持,它大约可延伸到末次冰期。2.3生物活性成分对碳同位素分馏作用的控制古生态系统的恢复是全球变化研究的重要内容,是探讨现代生态系统对未来气候变化响应的重要依据。动植物遗存是恢复古生态系统重要的信息来源。它们往往能够鉴别到种的水平,也可以用来进行较准确的测年,达到高时间分辨率、高空间分辨率和高类型分辨率。在动物骨样的稳定同位素分析中,利用C3植物与C4植物的碳同位素值组成,可以推断取食关系,并对动物在森林草原形成中的作用进行分析,探讨生态过渡带的成因。植物遗存(包括碳屑)的碳同位素变化反应气候变化和植被的响应,碳同位素分馏的差异形成了植物的碳同位素成分差异。当动物和人类食用这些植物后,同位素会发生进一步的分馏富集。利用未矿化骨样中碳同位素差异,推断动物的食物来源,进而可以恢复古环境。2.4古气候时代下水体氧同位素变化湖泊碳酸盐中δ18O和δ13C古气候代用指标的研究已引起国内外研究者的重视,并认为是进行古气候定量研究最有潜力的途径之一。湖泊自生碳酸盐氧同位素变化除了受湖水温度影响外,还与碳酸盐沉淀时周围的湖水氧同位素变化密切相关。因此,识别水体氧同位素变化的影响程度,是正确判断碳酸盐氧同位素指标古气候意义的关键。例如,利用青藏高原若尔盖盆地湖泊化学沉积碳酸盐氧、碳同位素指标,重建了该区近140ka来的古气候演化历史。2.5东亚气候的变化对气候敏感的新仙女木期沙漠/黄土过渡带中的湖泊沉积进行高分辨率的14C年代学和气候代用指标的研究,可揭示东亚季风气候存在着干冷、湿凉、干冷的颤动特征。采用炭屑、泥炭细颗粒、木质纤维素的14C年龄可以作为研究剖面的年代标尺。有机碳含量则可视为间接的植被覆盖度和生物量的指示,而大幅度偏轻的有机碳碳同位素值则反映暖湿的夏季风气候。3碳同位素的分馏过程利用植物碳同位素研究环境变化的优点在于易于进行横向、纵向(不同纬度、不同海拔)的验证和对比,其重要意义在于“将古论今”,为从沉积有机质中反演古环境信息提供理论依据。植物的生长是通过光合作用固定大气中的CO2以合成自身的组成物质。由于轻重同位素在热运动或生化反应中的活泼性不同,植物在吸收CO2进行光合作用时,则导致碳同位素的分馏。此分馏作用既受遗传因素控制,也直接或间接地受植物生长时期的环境状况的影响,通过对植物碳同位素的研究有可能从中提取其生长时期的环境信息,所以对植物碳同位素的研究已经成为全球变化研究的一个重要内容。大气中的CO2相对富集13C,而植物光合作用合成的有机化合物中富集12C,这表明植物在吸收同化CO2的过程中发生了同位素分馏。就整个分馏过程来说,大体主要包括如下两个步骤:(1)在大气CO2穿过细胞壁进入叶绿体的扩散过程中,植物优先吸收12CO2;(2)在RUBP酶的作用下,溶解CO2发生羧化反应时12CO2优先被固定在初级光合作用产物如磷酸甘油酸(PGA)中。光合作用在随后的转化过程中也会伴随着同位素的分馏,但这种分馏对最终植物的碳同位素组成影响是很小的。植物的碳同位素分馏模式有好几种,其中最具有代表性的是由Farquhar等所建立的C3植物碳同位素分馏模式公式:式中δp为C3植物全木(或纤维素)的碳同位素组成δ13C值;δa为大气的碳同位素组成δ13C值;Δ为大气CO2与C3植物之间的碳同位素分馏值,其大小为δa-δp;a指13CO2和12CO2扩散系数之差(其值约为4.4%);b指由RUBP羧化酸所决定的分馏系数(约为27%);pi和pa分别表示光合作用过程中,叶子内外大气的局部压力或浓度。大量研究表明:许多环境因素(CO2压力、O2分压、温度、湿度、盐度等)都可影响植物的碳同位素分馏(Δ值)和碳同位素组成(δp),按照Farquhar的模式公式,植物的碳同位素组成直接与源CO2的碳同位素组成δa及叶子细胞内CO2分压之比(pi/pa)有关,而(pi/pa)又直接受到各种环境因素的控制,因此,利用植物的碳同位素组成δp就有可能反演大气CO2的碳同位素组成δa及环境因素的变化。目前植物碳同位素研究表明,利用植物δp提取环境和气候变化信息是完全可能的,但同时也应看到,植物碳同位素组成与分馏的影响因素往往是很复杂的,可能受多种气候及环境因素的影响。4中纬度地区冰芯研究冰川是研究古气候和古环境变化最可靠的天然档案馆。从冰川的适当部位钻取冰芯加以分析是目前重建高分辨率古气候、环境的重要手段。极地地区是冰芯研究最早的地区,在气候变化研究中起领先作用。但是,仅仅依靠极地冰芯来解释全球气候环境变化是不够的,必须以中纬度地区的冰芯研究做桥梁,才能最终解决全球气候变化的机制。温度和降水是气候变化研究的主要要素,也是冰芯研究的最主要的内容。冰芯中的温度是通过δ18O研究的,而冰川积累量代表降水量。下面以极地冰芯和高山冰芯为例探讨冰川与全球环境气候演变的关系。4.1极冰盖4.1.1南北方稳定同位素比率南极冰盖是气候的产物,它不仅在全球气候环境变化中扮演着重要角色,影响着地球表面的热量平衡、大气环流、海平面升降、物理海洋和生物地球化学循环等,还储藏有大量反映全球气候环境变化的信息。因此,南极冰盖内储藏有大量地球过去和现在的气候环境记录。稳定同位素比率是雪冰内储藏的气候变化的主要指标。Picciotto等(1960)研究了南极冰盖边缘RoiBaudouin站降雪中δ18O与相应云团温度之间关系。Robin等(1977)建立了南极冰盖的同位素比率与温度之间的关系。Lorious和Merlivat(1977)则根据东南极冰盖海岸迪维尔站到DomeC沿线站点的资料,建立了δ18O与年平均温度θ(c)之间的经验公式:秦大河等(1994)根据横穿南极冰盖表面雪样的分析结果,系统研究了稳定同位素比率δ18O,δD与年平均温度的关系,过量氘(exD)的降水源区示踪性,以及它们的地域差异。以δ18O为例,沿横穿南极冰盖路线在PatrotHills-Vostok站段内为:而在Komsomolskaya-Mirnyy站段内为:这些结论对解释冰盖不同地区冰芯内稳定同位素比率的资料十分有用。而exD的结果对研究南极冰盖内与全球变化有关的各种记录之来源、传输过程和传输路径等有重要的科学价值。此外,南极冰盖的数支深孔冰芯已提供了过去气候环境变化的宝贵资料,并通过稳定同位素比率-时间关系重建了古气候温度变化曲线。4.1.2气候环境变化格陵兰冰盖的物质积累速率为南极冰盖的10倍,它记录的地球现代和过去气候环境信息对全球变化,特别是北半球的气候环境变化的研究意义重大。格陵兰冰盖深孔冰芯对重建古气候环境变化,特别是北半球气候环境变化有重大意义。Dowdeswell和White(1995)总结了格陵兰冰盖两支“姐妹冰芯”、即GRIP(3029m)和GISPⅡ(3050m)冰芯记录的250kaBP的气候环境变化。冰芯记录中的一个突出特点是快速气候变化。δ18O证据表明新仙女木期结束得很快,比人的寿命时间还短,而尘埃含量的证据表明这一变化不到20a,物质积累速率的证据则仅为短短数年。此外,在冰期和间冰期的转换中也存在着同样的转换速率。这种变化过于快速,因而不可能是地球轨道因素所至,可能是地球大气-海洋系统的不稳定性与冰盖不稳定性相关的周期性冰山大量崩解所致。4.2稳定氧同位素18o与温度的函数关系高山冰川因规模远小于极地冰盖,所以对全球变化的反应更敏感、更直接,对区域性气候环境变化有重要意义。作为“世界第三极”的青藏高原,由于其特殊的地理位置(中纬度)和海拔高度(4.5km),成为两极之外人们最感兴趣的冰芯研究热点地区。从中国青藏高原的敦德冰帽、古里雅冰帽和冬克玛底冰川上获得了数支冰芯。其中以δ18O指示温度、冰川积累量代表降水。姚檀栋等将研究方法归为两类:(1)对每一次降水事件进行δ18O和温度的同步观测,发现具有正相关关系,δ18O和温度的关系说明,当δ18O增减1‰,相当于温度增减1.5℃;(2)将个别降水事件汇总成月对平均状况进行研究。氧同位素在冰芯研究中发挥着重要的作用。无论在敦德冰芯、古里雅冰芯,还是唐古拉冰芯,均显著地显示了20世纪气候变暖这一重要的全球事件,不同点在于它们的表现程度和位相上。今后,稳定氧同位素(δ18O)与温度的更健全的函数关系将逐步完善。稳定同位素与温度相关是无可争议的,但由于影响δ18O与气温等因子观测的时间比较短,以及高原上为数极少的气象站等原因,目前所建立的δ18O-Ta(时间)关系还需进一步完善,还需要进一步定量化。5古土壤中碳酸钙的sr同位素组成变化黄土是记录古气候、古环境最好的陆相地层,堪与深海沉积和冰芯媲美。尤其是黄土-古土壤序列及其环境历史,发挥了古环境古气候示踪剂的重要作用。中国黄土高原腹地的洛川黄土-古土壤序列具有良好的地层年代测定和气候变化记录,可作为中国第四纪年代划分和气候地层对比的一个标尺。另外,碳酸盐是土壤和许多第四纪沉积物的重要组成部分。如果土壤碳酸盐在形成过程与环境处于同位素平衡状态,且形成以后一直保持封闭体系,那它的同位素组分能够记录其形成时期气候和生态环境的状况。钙质结核碳酸盐的δ13C值记录了古土壤形成时期的植被类型;δ18O则反映了各层古土壤形成时期的地表年平均温度,钙质结核碳酸盐的δ18O值每变化0.33‰,相当于年平均温度变化1℃。刘丛强等对洛川黄土中CaCO3含量及其Sr同位素组成变化与气候变化的关系进行了研究。以陕西洛川黑木沟黄土剖面为例,其古土壤碳酸盐的Sr同位素比值一般比黄土中高。剖面上的Sr同位素比值的变化显示人们所熟悉100ka左右的冰期-间冰期循环周期,而且与相同时期古海水的Sr同位素组成变化相似。研究表明:黄土中碳酸盐的Sr同位素组成变化可以指示风化程度和古气候的变化,古海水Sr同位素组成的周期变动主要是大陆地壳物质风化作用程度变化的结果。图1表示黄土剖面中CaCO3含量以及CaCO3的Sr同位素组成随黄土堆积时代的变化。黄土剖面中CaCO3的百分含量变化在1%～18%之间,一般黄土中的CaCO3的含量显著高于古土壤。黄土剖面中CaCO3的含量从下部向上出现逐渐增长的趋势,表明黄土堆积形成过程中气候条件向干冷、利于碳酸盐保存的气候变化。黄土-古土壤剖面中87Sr/86Sr比值呈现在黄土中低而古土壤中高的明显分布趋势。通过对比揭示了黄土-古土壤中次生碳酸盐的Sr同位素组成变化的确反映了全球气候变化的记录。另外,土壤有机质中稳定同位素15N使我们了解土壤中N元素的转化机制以及N循环,对于研究全球变化具有指导意义。近30年来,进行了利用散落放射性核素137Cs作为土壤侵蚀的地球化学示踪剂的研究。137Cs在示踪较长时间尺度的土壤侵蚀方面已经获得了好的结果。然而由于降水的影响,土壤微粒的迁移具有季节性特征,无法用137Cs示踪解决。在一定区域范围内,7Be散落地表的输入通量近于常量,因而提供了示踪环境物质季节性变化的可能。6地下水在古气候环境中的应用地下水的化学成分和同位素组成可以反映古气候的演变。Davis和Bentley(1982)指出利用地下水恢复古气候环境至少有3种方法:(1)用氢氧同位素组成推断降雨类型及古气候变化;(2)应用地下水中的惰性气体浓度研究古气候变化;(3)根据地下水中氯化物含量来解释古代的蒸发量和研究古海岸位置的变迁。7海底岩芯的气候变化深海沉积物和岩石最完整地记录了过去2亿多年来的地球环境变化。海洋学家们对海底表层10m左右的较为松软的远洋沉积物的岩芯,包括微体古生物学、