10第8章+古环境古气候

1/110第8章+古环境古气候绪论2010-4-19崔骁勇1115N14N14C13C12C同位素在生态学研究中的应用第八章214C13C12C内容提要?太阳活动与气候变化?温室气体与气候变化?温度的氧同位素反演?降水的氧同位素记录?碳同位素与古环境314C13C12C8.1太阳活动与气候变化8.1.1什么是全球变化？什么是全球变化？NOAANASAU.S.BureauoftheCensusMackenzieetal(2002)Richards(1991),WRI(1990)414C13C12C?更多：

GoldewijkandBattjes(1997)IPCCFAO514C13C12C8.1.2气候变化的周期性?数千年至数万年时间尺度的气候变化?第四纪时期出现过多次冰期间冰期交替?末次间冰期以来的气候变化很难用天文气候的理论来解释，气候以短周期跳变（间冰段，末次间冰期以来的气候变化很难用天文气候的理论来解释，气候以短周期跳变（间冰段，interstadial）为变化特征，目前已划分出了）为变化特征，目前已划分出了16个类似期限和型式的跳变旋回，称为个类似期限和型式的跳变旋回，称为Dansgaard-Oeschger(DO)气候快速振荡旋回事件气候快速振荡旋回事件614C13C12CPetitetal.1999.Nature399,429-436绪论2010-4-19崔骁勇2714C13C12C?Greenlandinlandicesheet?末次冰期持续了100,000年，在此期间发生过年，在此期间发生过26次快速而剧烈的气候波动温度(oC)814C13C12C?数十至数百年尺度气候变化00.51-0.5100015002000Mann(1999)北半球气温(C)914C13C12C?海洋深层水的温度变化：

海洋深层水的温度变化：

?显示升温趋势显示升温趋势?原因是高纬度冬季温度升高原因是高纬度冬季温度升高1014C13C12C?季节至年际的气候波动?厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)事件是全球许多地区年际气候变化的最重要自然现象事件是全球许多地区年际气候变化的最重要自然现象?现在可以提前一年多预测ENSO事件1114C13C12C8.1.3太阳活动与气候变化1214C13C12C050100150200SmoothedInternationalSunspotNumber330035003700390041004300SmoothedCosmicRayFluxCycle23050100150200SmoothedInternationalSunspotNumber330035003700390041004300SmoothedCosmicRayFlux8-monthsLaterCycle23太阳活动周期23内的宇宙射线流量与黑子数的关系太阳活动极大值8个月后的的宇宙射线流量与黑子数的关系太阳活动周期23内的宇宙射线流量与黑子数的关系太阳活动极大值8个月后的的宇宙射线流量与黑子数的关系绪论2010-4-19崔骁勇31314C13C12C?在太阳活动的极大期，太阳风的磁场使宇宙射线偏离太阳系在太阳活动的极大期，太阳风的磁场使宇宙射线偏离太阳系?导致放射性核素，如14C、、10Be、、44Ti，产率降低，产率降低?负相关的最大值有近8个月的滞后期1414C13C12C14C波动与太阳黑子数的关系http://http://deptsdepts..washingtonwashington..eduedu//qilqil//datasetsdatasets//Stuiveretal,Stuiveretal,TheTheHoloceneHolocene,1993,19931514C13C12C去过去11,400录年内的太阳活动记录14CC数据反演Solankietal.,2004.Nature4311084-10871614C13C12CCaballero--Lopez.etal.2005iSolanki.etal.2004行星际磁场：

结果一致近年来的增强趋势明显：

10Be1714C13C12CEddy,1976,1977冬天气温与树轮14C及太阳活动的关系1814C13C12C1000080006000400020000-0,20,00,2-8000-6000-4000-20000-6-4-20246Cproductionrate,detrended,filteredIRD,detrended,filteredcalAD/BCcalBP14CC产率与北大西洋温度的关系Icerafteddebris：

：

IRD，低温较多Bondetal.2001eScience294,2130绪论2010-4-19崔骁勇41914C13C12C可能的机制??少太阳活动高峰期：

云量少辐射更强?气候温暖2014C13C12C模型计算在太阳活动周期23内的辐射Krivovaetal.2003AALett2114C13C12C宇宙射线与云量与平流层气溶胶也有良好的相关性Vanhellemontetal,2002SvensmarkFriis-Christensen,19972214C13C12C8.2温室气体与气候变化?proxyindicators:指示古气候古环境变化8.2.1海洋沉积物甲烷释放Weissert,2000,Nature2314C13C12C8.2温室气体与气候变化?5500万年前：

InitialEocenethermalmaximum(IETM)?在约20000年的时间内气温升高了5~10℃?13C/12C迅速下降：

1500~3000Gt贫13C的碳进入了大气或海洋8.2.1海洋沉积物甲烷释放Dickens,2004,Nature2414C13C12C绪论2010-4-19崔骁勇52514C13C12C?气体快速溢出通道的遗迹气体快速溢出通道的遗迹?大西洋中部和北部洋底大西洋中部和北部洋底2614C13C12C?末次冰期大气甲烷浓度三次剧变2714C13C12C?海洋水合物在温度剧变时是稳定的海洋水合物在温度剧变时是稳定的?末次盛冰期甲烷D升高的原因：

升高的原因：

可能是由于甲烷净产生量与总产生量之比降低可能是由于甲烷净产生量与总产生量之比降低(N/G)石油相关的甲烷产生比例提高石油相关的甲烷产生比例提高湿地稻田填埋反刍动物生物质燃烧天然气海洋水合物煤层瓦斯Sowers,2006,Science311:838-8392814C13C12C8.2.2海洋反硝化和全球气候变化洋面温度海洋表层生产力缺氧层厚度沉降的有机质反硝化沉积物15NN2O释放有效氮大气CO2大气N2O2914C13C12C阿拉伯海沉积物表明千年尺度上的海洋反硝化动态与全球气候Nature,2002，，415:159-1623014C13C12C格陵兰冰盖冰芯样品格陵兰冰盖冰芯样品海底沉积物样品海底沉积物样品绪论2010-4-19崔骁勇63114C13C12C3214C13C12C8.3温度的同位素反演8.3.1冰芯氧同位素3314C13C12C??如何对冰芯计年？层次计数法：

夏季降雪积累快，冬季末往往有尘土沉降，可以从颜色上判断3414C13C12C3514C13C12C?冰芯古温度记录：

冰芯古温度记录：

18O、D(2H)水蒸气中的18O是年平均气温的函数大陆冰川（仍然广布在的格陵兰岛和南极洲）冰积物中的18O是亏损的年际循环准确或近似定年冰期/间冰期变化年平均温度3614C13C12C南极冰芯记录的气温和二氧化碳变化冰期－间冰期气温变化在10度以上气温与二氧化碳变化基本同时南极冰芯记录的气温和二氧化碳变化冰期－间冰期气温变化在10度以上气温与二氧化碳变化基本同时绪论2010-4-19崔骁勇73714C13C12C格陵兰冰芯记录的气温、雪积量和电导率变化3814C13C12C8.3.2海洋碳酸盐古温度计?蒸发是瑞利分馏过程，水蒸气中的18O较剩余海水的低?如果地球上冰量增大，那么海水中的18O同位素会增加?有孔虫的CaCO3质壳体的生成是与周围海水达到氧同位素平衡的，因此这一变化可被其记录下来C)T(fOO1818++=海水有孔虫3914C13C12C有孔虫培养温度与氧同位素的关系18O壳-18O水4014C13C12C质量平衡与海水氧同位素组成的变化海平面海洋冰川总量总量冰川冰川海洋海洋海平面海洋冰川总量总量冰川冰川海洋海洋====++A/MMMM4114C13C12C新生代气候变化的同位素记录NoIce-sheetAntarcticIce-sheetTwoPolarIce-sheets4214C13C12C8.3.3树木年轮18O温度计绪论2010-4-19崔骁勇84314C13C12C?植物体内含氧化合物除碳水化合物外一般只含一到数个氧原子植物体内含氧化合物除碳水化合物外一般只含一到数个氧原子?氧同位素组成主要决定于来源：

CO2,H2O,O2叶片水中的氧18O：

0~12与水平衡的CO2的18O比水高40~45（碳酸酐酶）大气中O2：

22.4?植物材料中碳水化合物最高：

与CO2最接近?次生代谢化合物稍低：

受其它来源丰度不同的氧的影响；与植物体内水分子、羰基及其他中间产物发生氧同位素交换次生代谢化合物稍低：

受其它来源丰度不同的氧的影响；与植物体内水分子、羰基及其他中间产物发生氧同位素交换植物体内氧和氢的同位素组成4414C13C12C?由于蒸腾和浓缩作用，植物体内存在于水中的氢同位素由于蒸腾和浓缩作用，植物体内存在于水中的氢同位素D的比例逐渐增加?氢进入代谢过程后会由于生化反应的动力学同位素效应使氢进入代谢过程后会由于生化反应的动力学同位素效应使H和D的比例变化?干物质的氢同位素组成与上述动力学同位素效应有直接的相关性干物质的氢同位素组成与上述动力学同位素效应有直接的相关性但是，应用氢同位素组成来研究古生物学等还非常困难但是，应用氢同位素组成来研究古生物学等还非常困难一般用氧而少用氢同位素4514C13C12C?降水的氢同位素组成受气候影响变异很大?由于蒸腾作用进入代谢的水的氢同位素组成与根系吸收的水不同由于蒸腾作用进入代谢的水的氢同位素组成与根系吸收的水不同?植物体内众多的代谢反应对氢同位素的分馏能力各不相同植物体内众多的代谢反应对氢同位素的分馏能力各不相同?各代谢反应的同位素分馏效应不是固定的，受植物生理状态和其他代谢反应的影响各代谢反应的同位素分馏效应不是固定的，受植物生理状态和其他代谢反应的影响4614C13C12C温度与纤维素氧同位素组成的关系Wright2001,thesis4714C13C12C10Be反演的降水量Be反演的降水量8.4降水的同位素记录8.4.1冰芯同位素D反演饱和水气压再推定的降水量D反演饱和水气压再推定的降水量4814C13C12C8.4.2树轮氧同位素120天内的降水量与树轮纤维素氧同位素组成6月20~10月17，，1900~1998Wright2001,thesis绪论2010-4-19崔骁勇94914C13C12C代谢inputoutputplant边界层气孔叶肉8.5碳同位素与古环境8.5.1植物的同位素组成5014C13C12C影响植物同位素组成的因子?环境中原材料的同位素组成?宏观尺度上是比较均一的?植物所在的地点可能显著不同?植物可利用的不同原材料的同位素组成可能不同CO22,HCO3-3-NN22,其它形态水中的D,1818OO5114C13C12CPrincetonMOMvsObservations5214C13C12C?植物体内的代谢控制?次生代谢产物的轻同位素比例高木质素纤维素几丁质石油煤炭自然界甲烷13C最低(-90)生物化石的同位素组成：

逐渐变化5314C13C12C植物体内控制同位素分馏效应的地点碳水化合物有机酸氨基酸N2H2OCO2多聚物生物碱类异戊二烯番荔枝内酯苯基丙烷动力学效应库大小周转速率平衡的分馏动力学分馏代谢周转同化降解初生代谢产物库原材料库：

无限大次生代谢物库多聚物5414C13C12C几丁质脂肪纤维素蔗糖木质素淀粉Triose-P可溶性代谢物质外体/木材细胞质真菌储存组织液泡/糊粉体叶绿体Hexose-PHexose-PTriose-PTriose-PPPCTriose-P+40-413C绪论2010-4-19崔骁勇105514C13C12C8.5.2植物体内碳同位素组成5614C13C12C植物代谢中酶催化反应的同位素效应亚甲基碳贫化柠檬酸合酶乙酰辅酶亚甲基碳贫化柠檬酸合酶乙酰辅酶A的CO基相对贫化，脂肪和类异戊二烯贫化丙酮酸脱氢酶碳水化合物的基相对贫化，脂肪和类异戊二烯贫化丙酮酸脱氢酶碳水化合物的C-3和C-4相对富集醛缩酶二羧酸的相对富集醛缩酶二羧酸的C-4相对富集丙酮酸羧化酶降低植物的相对富集丙酮酸羧化酶降低植物的13C，C-4位置相对富集位置相对富集PEPC降低植物的13CRUBISCO同位素分馏酶5714C13C12C?次生代谢物较原材料（碳水化合物）13C丰度低3-6?但一般不明显改变植物整体的13C丰度?由于次生代谢物的生物合成过程存在明显的同位素分馏效应，因此会导致不同产物尤其是产物的不同位置的由于次生代谢物的生物合成过程存在明显的同位素分馏效应，因此会导致不同产物尤其是产物的不同位置的13C丰度改变?上述效应取决于产物的库的大小和不同产物的产量上述效应取决于产物的库的大小和不同产物的产量?羧化过程一般是产物13C贫化，但是丙酮酸羧化酶优先利用贫化，但是丙酮酸羧化酶优先利用13C，使得C4植物光合过程中生成的二羧酸的羧基植物光合过程中生成的二羧酸的羧基13C富集5814C13C12C8.5.3植物纤维素碳同位素组成?决定因素：

植物光合作用环境光照温度水分环境CO2浓度5914C13C12CAlaska云杉树轮13C与温度的关系Barberetal.,2003,Nature6014C13C12C树轮碳同位素与生长的关系显著负相关绪论2010-4-19崔骁勇116114C13C12C不同组分与气候因子的关系8月月2~7月月1月月降水0.1280.247-0.097全木-0.093-0.481*-0.068综纤维素-0.011-0.514**0.004纤维素-0.249-0.027-0.051-0.207全木0.3270.3300.1770.396综纤维素0.427*-0.062-0.0520.365*纤维素6~8月月5月月4月月3月月温度6214C13C12C树木年轮碳同位素的温度效应0.22Quercusrobur0.35Quercusrobur0.34~0.36Fagussylvatica0.25Fagussylvatica0.35Pinussilvestris0.33Coniferae0.33Diplataxiserucoides0.32Coniferae0.18Pinus0.27~0.39Quercus13C/T(/℃)树木种类陈拓等,2002.海洋地质与第四纪地质平均：

0.336314C13C12C同一地点不同树木年轮间的碳同位素组成差异15001600170018001900year1.00.50标准差()?同一地点的树轮之间有2~3的变异6414C13C12C植物纤维素碳与氢同位素组成CAMC3C46514C13C12C8.5.4土壤碳酸盐同位素组成?18O：

+26(+21.6~+34.0)，与降水时的温度有关，干旱地区高，与降水时的温度有关，干旱地区高?温度：

既影响降水的温度：

既影响降水的18O(+0.85/oC)，也影响碳酸盐形成的分馏，也影响碳酸盐形成的分馏(-0.25/oC)Cerling,1984.EarthPlanetaryScienceLetter6614C13C12C?13C：

-4(-12~+4)，比海洋石灰石(0)高高?影响复杂：

?与土壤CO2保持碳同位素平衡?决定于C3/C4植物比例?与大气的交换过程很重要：

如：

Aizona荒漠地区C3植物下的土壤13CO2为-18.0，若植物13CO2为-25.0，大气为-7.0，那么大气交换的贡献为？，那么大气交换的贡献为？?土壤碳酸盐的沉淀和再溶解循环：

缩小了13C和和18O的范围，但很多时候两者有良好的相关性绪论2010-4-19崔骁勇126714C13C12C?土壤碳酸盐碳氧同位素组成的相关性土壤碳酸盐碳氧同位素组成的相关性Jornada,SouthNewMexico6814C13C12C?生物活动旺盛期：

呼吸产生大量CO2（13C降低），pH下降，CaCO3溶解度提高，不能形成溶解度提高，不能形成CaCO3沉淀?干旱期生物活动减弱，大气交换加强，CO2浓度降低（13C提高），pH上升，利于形成上升，利于形成CaCO3沉淀?根据土壤碳酸盐的碳