渝黔岩溶地区碳同位素的分布和变化特征及在古环境研究中的初步应用

摘要

洞穴沉积物作为古气候重建研究的重要载体之一，具有高精度定年、高分辨率连续记录等优势，可以提供大量古气候和古环境演变的信息。在石笋丰富的气候代用指标中，δ13C记录因其影响因素复杂，加之地区差异和不同的沉积环境，对气候环境指示具有多样性，但其对古气候环境研究的重要意义不可忽视。为了正确解译碳同位素的环境指代意义，需要开展广泛的多点研究及重现性研究，系统研究不同洞穴碳同位素的垂直运移特征及主要影响因素，从而获取可靠的地表生态和环境变化信息。
　　金佛山采集的24件植物样品的δ13C平均值为-28.91‰，属于典型的C3植被类型。金佛山植被的δ13C值比芙蓉洞山上植被的δ13C偏重约3‰，主要是受生物物种和金佛山海拔高度的影响。植物叶片内外CO2分压比(Pi/Pa)会随海拔高度的增加而减小，植物δ13C值相应偏重。除JF3剖面土壤有机碳δ13C在深度55 cm处突然显著偏轻，JF1和JF2土壤有机碳δ13C均随着深度加深逐渐偏重，至一定深度后趋于稳定，这主要是受有机质分解过程中碳同位素分馏效应的影响。
　　贵州六枝特区、关岭、盘县采集的植物样品中既有C3植被也有少量C4植物。由于受贵州地区生物种类、土壤环境等因素的影响，贵州石漠化地区植被δ13C平均值均较重庆无石漠化地区的明显偏重。盘县地区中度石漠化的严酷环境和较高的海拔高度会影响植物 Pi/Pa，导致该地区植被δ13C值普遍偏重，另外，也会导致土壤有机质分解速率低，使盘县土壤剖面有机碳含量较其他剖面高。贵州三个采样点7个剖面的土壤有机碳含量大体都随深度的增大而降低 ND、LP1、LP2、LP3剖面土壤有机质δ13C与有机碳含量变化关系对应明显有机碳δ13C值变化均随着深度增大而变重，达到最大之后又逐渐变轻趋于稳定，反映了该地区有机质的分解程度，而LZ1、LZ2、LZ3三个剖面土壤有机质δ13C随深度的变化差异较大。贵州石漠化地区的土壤环境不利于微生物分解，碳同位素在植被和土壤之间的富集效应相对较弱。
　　芙蓉洞洞穴水DIC-δ13C表现出夏秋季偏重，冬春季偏轻的季节变化特征，对地表气候有明显滞后性，其主要受土壤CO2浓度的影响，PCP作用、基岩溶解作用以及包气带的开放性等也是重要的影响因素。羊口洞洞穴滴水DIC-δ13C普遍偏重，没有明显的季节变化。推测洞内强烈的脱气作用、土壤水中DIC-δ13C与土壤CO2的交换不充分可能是导致滴水DIC-δ13C值偏重和没有季节性的主要原因，另外，土壤生物活动相对较弱以及基岩溶解也会对滴水DIC-δ13C值偏重造成影响。纳朵洞各滴水点DIC-δ13C值较偏重，季节性变化不明显，这可能与土壤水中DIC-δ13C与土壤CO2没有进行充分的交换有关。纳朵洞、芙蓉洞和羊口洞内外碳同位素在植被、土壤、洞穴滴水运移过程中的富集程度存在较大差异，可能与它们所处的地理环境、上覆土壤厚度、洞穴通风条件，各阶段分馏程度等因素有关。
　　利用芙蓉洞FR5石笋的碳氧同位素数据重建了0~38 ka BP时段重庆地区亚洲季风强度和地表植被生物量以及地表生物过程的变化。FR5石笋的碳氧同位素在总体趋势上呈同向变化，但在某些时段呈负相关关系，石笋碳同位素反映有效湿度的变化。JFYK7石笋符合Hendy检验，可以用其碳氧同位素进行古气候重建。JFYK7石笋氧碳同位素对气候变化的响应几乎是同步的，指示了亚洲季风区37.8~78 ka BP时段的季风气候及地表植被生物量及生物过程的变化。两根石笋的δ13C记录与其对应时期格陵兰冰芯NGRIP记录以及亚洲季风区其他石笋的δ18O记录的对应关系基本一致，记录了一系列H事件和 D/O事件发生。
　　通过对FR5和JFYK7石笋碳同位素变化驱动机制的研究，发现轨道尺度上，石笋的δ13C值变化敏感地响应于太阳辐射能量变化，百年千年尺度上，北大西洋地区的温度变化改变海气环流格局，导致亚洲季风气候变化是影响FR5和JFYK7石笋的δ13C值变化的主要因素。北大西洋地区变冷，西风带将北大西洋地区变冷信息传递到西伯利亚东部，从而使西伯利亚高压增强，北半球温度降低，驱使热带辐合带(ITCZ)向南移动，亚洲夏季风减弱，响应H事件的发生。H事件发生时，亚洲夏季风减弱，气候干冷，植被生物量减小，土壤生物活动减弱，石笋δ13C偏重；D/O事件时期，夏季风增强，气候暖湿，植被发育较好，石笋δ13C偏轻。-CO2 CO2的溶解δ13C
　　JFYK7石笋氧碳同位素记录的72~75 ka BP左右的夏季风减弱和植被生物量减少以及土壤微生物活动减弱可能是由Toba火山喷发诱发的全球性降温引起的。JFYK7碳同位素与XY2石笋碳氧同位素对比说明，石笋δ13C具有明显的地区差异性，因此利用石笋δ13C进行古植被恢复时，需要结合本石笋δ18O记录以及其他石笋碳氧同位素进行对比，以确保古植被恢复的准确性。

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第1章 绪 论

1.1 选题背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容与拟解决的关键问题

1.4 技术路线

第2章 研究区概况及研究方法

2.1 区域概况

2.2 研究方法

第3章 各研究区植被土壤碳同位素特征

3.1 芙蓉洞

3.2 金佛山

3.3贵州地区

3.4 本章小结

第4章 洞穴系统碳同位素运移特征和影响因素

4.1 重庆芙蓉洞

4.2 金佛山羊口洞

4.3贵州纳朵洞

4.4本章小结

第5章 石笋碳同位素记录及其气候意义

5.1 芙蓉洞石笋FR5

5.2 羊口洞石笋JFYK7

5.3 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

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