黃土沉積中的碳同位素組成及其古環(huán)境意義

黃土沉積中的碳同位素組成及其古環(huán)境意義

黃土高原區(qū)黃土-古土壤沉積序列保存并記錄了豐富的古代氣候?qū)W信息和古代環(huán)境信息[1.3]。由于3級植物和4級植物的碳固定體積顯著不同（3級植物13c值的變化范圍為-32-20，平均值為-27。變重后的c1植物13c值的變化范圍為-159，平均值為-13）。通過研究黃土-古土壤侵蝕中土壤碳的單位，我們反演了古代植被的變化以及相應(yīng)的古氣候和環(huán)境的變化。然而，在黃土沉積中，土壤有機(jī)碳固定體積和有機(jī)碳固定體積反映的古植被與舊環(huán)境之間存在很大差異，一些人則恰恰相反。結(jié)果表明，在黃土高原地區(qū)的土壤有機(jī)碳固定體積中，4級植物的相對比例在古土壤發(fā)育階段增加。然而，在黃土沉積階段，3級植物占明顯的優(yōu)勢，但土壤養(yǎng)分的有機(jī)碳固定樣本的研究表明，在三、四級植物的中間階段，它們的相對比例增加。在冰期，3級植物的相對比例降低。關(guān)于土壤碳酸鹽和有機(jī)質(zhì)的碳同位素組成的差異,前人已做過相關(guān)的研究工作[16～18].Cerling等曾對現(xiàn)代土壤樣品的碳同位素組成進(jìn)行過非常好的研究,研究結(jié)果表明在通常條件下,土壤碳酸鹽的δ13C值要比土壤有機(jī)質(zhì)的δ13C值偏正13.5‰～16.5‰左右.Wang等研究了西安劉家坡黃土-古土壤剖面的碳同位素組成,獲得的?δ13C值在9.4‰～17.4‰之間變化.文獻(xiàn)作者認(rèn)為,土壤有機(jī)質(zhì)碳同位素反映的是長期平衡的平均生物狀況,而土壤碳酸鹽碳同位素反映的只是植物生長季節(jié)的生物狀況,二者的碳來源不同,而且形成時(shí)期的溫度也不同,δ13CSC與δ13CSOM之間的差異主要受控于不同季節(jié)的差異程度.在該黃土-古土壤剖面中,?δ13C值的變化主要反映了黃土高原地區(qū)不同季節(jié)的季風(fēng)強(qiáng)弱和季風(fēng)控制狀況.以前的研究[16～18]都集中在成土碳酸鹽的碳同位素組成上,成土碳酸鹽的土壤CO2主要來自于生物地球化學(xué)過程.至今,黃土沉積中的碳酸鹽和有機(jī)質(zhì)的碳同位素差值的地質(zhì)學(xué)意義仍然不清楚.植物經(jīng)過腐爛,被分解為土壤有機(jī)質(zhì),形成黏土-腐殖質(zhì)膠結(jié)體,并保存起來.假設(shè)源區(qū)風(fēng)塵顆粒帶來的土壤有機(jī)質(zhì)是可以忽略的,那么土壤的有機(jī)碳同位素組成就直接記錄了當(dāng)時(shí)的植被組成狀況,被用來反演古植被變化是相對比較可靠的.而黃土-古土壤序列中的無機(jī)碳酸鹽則包括原生和次生兩種來源只有次生碳酸鹽信息才是當(dāng)時(shí)植被和氣候的真實(shí)反映,其中的原生碳酸鹽物質(zhì)會干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋區(qū)分黃土中的原生碳酸鹽和次生碳酸鹽是一項(xiàng)很困難的工作,前人已開展過相關(guān)的研究.為了確定黃土中原生和次生碳酸鹽的比例,文啟忠曾在顯微鏡下根據(jù)礦物形態(tài)差異進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)和面積比計(jì)算,獲得了黃土中這兩種碳酸鹽相對含量的數(shù)據(jù).陳駿等對土壤碳酸鹽進(jìn)行了Sr同位素和部分微量元素的研究,認(rèn)為黃土中原生碳酸鹽以高Sr含量和低87Sr/86Sr的比值為特點(diǎn),次生碳酸鹽以低Sr含量和高87Sr/86Sr的比值為標(biāo)志.本研究選取了位于黃土高原中部的西峰黃土-古土壤剖面,分析了末次間冰期以來該剖面的土壤有機(jī)碳和全巖碳酸鹽的碳同位素組成變化,假設(shè)土壤有機(jī)質(zhì)和土壤碳酸鹽的碳同位素達(dá)到了平衡,并且二者是同源的,即都來源于植物腐爛和植物根部呼吸作用所產(chǎn)生的CO2,根據(jù)已有的相關(guān)研究,二者的差值(?δ13C)應(yīng)是定值.如果差值大于這個(gè)定值,較大的差值就指示了原生碳酸鹽礦物的貢獻(xiàn).我們通過計(jì)算?δ13C值的變化,探討了不同沉積階段全巖碳酸鹽中原生碳酸鹽和次生碳酸鹽物質(zhì)的相對比例,并以此來反映粉塵對黃土高原的貢獻(xiàn)程度.1樣品的采集和測定采樣點(diǎn)位于黃土高原中部的甘肅省西峰市(107°38′E,35°42′N),附近有一個(gè)磚瓦廠在此取土,剖面出露很好.該地區(qū)屬干旱-半干旱區(qū)氣候,年平均氣溫9.2℃,最冷月均溫-4.4℃,最熱月均溫21.8℃;年均降水量約480mm,多集中在7～9月.本研究以40cm間隔,連續(xù)采集了該剖面末次間冰期以來的黃土-古土壤粉末樣品.樣品在40℃下烘干,保存.土壤樣品的有機(jī)碳同位素分析采用密閉安瓶法.取適量研磨(過100目篩)好的土壤樣品在室溫下同過量HCl(2M)反應(yīng)24h,以除去碳酸鹽,然后用蒸餾水洗至中性,并在40℃下烘干,研磨至80目以下.取土樣約0.3g裝入石英管內(nèi),加入CuO和箔金絲,抽好真空后密封,在850℃條件下恒溫灼燒2h.土壤樣品的無機(jī)碳同位素分析采用磷酸平衡法取研磨好的土壤樣品約0.3g在真空條件下與10mL純磷酸在75℃的水浴中反應(yīng)2h.碳同位素的測定在中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所MAT-251型質(zhì)譜儀上進(jìn)行,樣品的同位素比值以相對于VPDB標(biāo)準(zhǔn)的千分比(δ)表示,相對誤差<0.3‰樣品的磁化率和粒度實(shí)驗(yàn)均在中科院地球環(huán)境研究所完成.2csom值的區(qū)域差異西峰剖面的土壤有機(jī)碳同位素結(jié)果顯示(圖1)δ13CSOM值的變化范圍為:-23.8‰～-20.2‰.其中最大值出現(xiàn)在S0古土壤層中,而最小值出現(xiàn)在L1黃土層中,古土壤層(S0,S1)中的δ13CSOM值要明顯高于相鄰的黃土層(L1)中的δ13CSOM值.西峰剖面的無機(jī)碳酸鹽碳同位素結(jié)果顯示δ13CTC值的變化范圍為:-8.5‰～-3.6‰.其中最大值出現(xiàn)在緊靠S0層底部的L1中的黃土層中,而最小值出現(xiàn)在L1層中部的弱古土壤層中.各層位的δ13CTC值如下:S1:-8.1‰～-7.1‰,L1LL2:-6.6‰～-6.0‰L1SS1:-8.5‰～-6.6‰,L1LL1:-6.0‰～-3.7‰,S0-4.6～-4.4‰(見圖1).3討論3.1冰期及年代后期3,5,10,3西峰剖面的土壤有機(jī)碳同位素結(jié)果顯示,在氣候相對暖濕的古土壤(弱古土壤)發(fā)育期(S0,L1SS1,S1),其δ13CSOM值要明顯偏高,表明在間冰期階段,該地區(qū)C4植物的相對比例增加;而在氣候相對冷干的黃土沉積期(L1LL1,L1LL2,L2),土壤的δ13CSOM值偏低,表明在冰期階段,該地區(qū)C4植物的相對比例減少,而C3植物的相對比例增加.這與前人的研究結(jié)果是一致的[5,8,9,11～13].在西峰黃土-古土壤沉積序列中,L1黃土層中較低的δ13CSOM值(-23.8‰)反映了當(dāng)時(shí)C3植物占據(jù)主導(dǎo)地位;而S0古土壤層中較高的δ13CSOM值(-20.2‰)則反映了C3,C4植物共存的古植被環(huán)境.3.2土壤立地條件對原生木碳同位素的影響原生碳酸鹽物質(zhì)在土壤CO2和H2O的作用下,重新溶解,再結(jié)晶,形成次生的碳酸鹽物質(zhì).在溶解-再結(jié)晶的過程中,碳酸鹽實(shí)現(xiàn)了與外界環(huán)境的同位素交換.成土次生碳酸鹽的形成過程可由下式表示:在此過程中,由于土壤CO2的流通速率(約5×10-3mol/cm2·a)比土壤碳酸鹽的形成速率(約10-5～10-6mol/cm2·a)要高幾個(gè)數(shù)量級,所以,土壤CO2氣體控制土壤次生碳酸鹽的碳同位素組成.溫帶地區(qū)土壤CO2的含量變化在0.3‰～11.5‰,平均為0.9‰,而大氣中CO2約占0.03‰,由于土壤CO2的分壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大氣層,故而大氣CO2對土壤碳酸鹽的作用不大,土壤CO2氣體主要由植物根系呼吸和植物殘?bào)w分解作用產(chǎn)生.只有在土壤呼吸速率極低時(shí),空氣中的CO2氣體才可能有較大影響.因此,土壤次生碳酸鹽的δ13C值與植被類型密切相關(guān),次生碳酸鹽的碳同位素組成能夠很好地記錄和反映碳酸鹽形成時(shí)期的植被類型和氣候狀況.另外Quade等在美國內(nèi)華達(dá)州選取了兩處土壤剖面做過對比試驗(yàn),一處土壤母質(zhì)是石灰?guī)r,另一處土壤母質(zhì)是火山巖.該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,兩處土壤剖面的碳同位素組成變化是相似的,說明溶解的原生碳酸鹽的碳同位素組成對次生碳酸鹽的碳同位素組成無明顯的影響.但是,在黃土-古土壤沉積序列中,風(fēng)塵帶來的源區(qū)碎屑碳酸鹽并不能被完全溶解,未溶解的原生碳酸鹽也是黃土-古土壤中全巖碳酸鹽的重要組成部分,相對于次生碳酸鹽占有重要的比例.源區(qū)碳酸鹽的δ13C值相對較高,黃土高原粉塵源區(qū)碳酸鹽物質(zhì)的δ13C值約在0左右.這樣,在我們運(yùn)用黃土-古土壤沉積中的全巖碳酸鹽的δ13C值來解釋古植被和古氣候變化時(shí),由于未溶解的源區(qū)碳酸鹽物質(zhì)的干擾,勢必會產(chǎn)生較大的影響.西峰剖面的全巖碳酸鹽的碳同位素結(jié)果顯示出與有機(jī)碳同位素不同的結(jié)果.在整個(gè)剖面中古土壤發(fā)育最好的S1階段,δ13CTC值最低,在S0古土壤階段和L1SS1弱古土壤階段,δ13CTC也都顯示較低值δ13CTC的較高值均出現(xiàn)在黃土沉積階段(L1LL1L1LL2和L2),最高值出現(xiàn)在L1LL1中.Frikes等研究認(rèn)為,洛川黃土-古土壤沉積序列中,較低的δ13CTC值,指示了間冰期的古植被以森林為主;而較高的δ13CTC值,則指示了冰期的C4植被擴(kuò)張.李玉梅等研究了大荔黃土-古土壤序列的δ13CTC值,認(rèn)為由于植物呼出的CO2的δ13C值相對原生碳酸鹽要偏低,土壤中低δ13CTC值指示了植被相對豐富、降水較多的環(huán)境狀況.然而,在黃土-古土壤沉積中,土壤碳酸鹽實(shí)際上是原生和次生碳酸鹽的共同貢獻(xiàn),因此δ13CTC與δ13CSOM值之間的差異主要是由于全巖碳酸鹽中原生碳酸鹽與次生碳酸鹽相對比例所造成的.3.3c值與原生碳的比例關(guān)系我們將西峰剖面中相同深度土壤的δ13CTC與δ13CSOM值作了一個(gè)差值?δ13C(即?δ13C=δ13CTC-δ13CSOM),結(jié)果顯示(圖1):?δ13C值的變化范圍為14.1‰～19.4‰,最大值位于L1LL1層中,最小值位于S1層中,黃土層中的?δ13C值要明顯高于相鄰的古土壤和弱古土壤層.在Cerling等進(jìn)行的研究中,土壤樣品中的碳酸鹽都是次生的土壤碳酸鹽(Pedogeniccarbonate)排除了原生碳酸鹽物質(zhì)的干擾.他們的研究結(jié)果表明植物呼出的CO2氣體在擴(kuò)散為土壤CO2氣的過程中,會有至少4.4‰的擴(kuò)散分餾效應(yīng),在土壤次生碳酸鹽的形成過程中,還會產(chǎn)生碳同位素的分餾,分餾的大小與溫度有關(guān).在0℃和25℃不同條件下,次生碳酸鹽的δ13C值比土壤CO2的δ13C值要分別偏正12‰和9‰左右.因此,在0℃和25℃不同條件下,形成的次生碳酸鹽的δ13C值要比植物呼出CO2氣體的δ13C值(即δ13CSOM值)偏正16.5‰和13.5‰左右.也就是說在通常條件下,無原生碳酸鹽干擾的土壤的?δ13C值約在13.5‰～16.5‰之間.西峰剖面的?δ13C值在14.1‰～19.4‰間變化超出了Creling等研究的現(xiàn)代土壤?δ13C值的變化范圍(13.5‰～16.5‰),這主要是由于黃土-古土壤沉積序列中土壤有機(jī)碳和無機(jī)碳的碳來源不同所造成的.黃土-古土壤沉積中的土壤有機(jī)碳直接來自于植被,與土壤形成期的植被類型有關(guān).在黃土-古土壤沉積序列中碳酸鹽則包括原生碳酸鹽和次生碳酸鹽兩部分,其中的次生碳酸鹽中的碳來源于植物呼吸所釋放的CO2氣體,與土壤有機(jī)碳是同源的,與植被類型相關(guān);而原生碳酸鹽物質(zhì)則是風(fēng)塵帶來的源區(qū)物質(zhì),與當(dāng)?shù)氐闹脖活愋蜔o關(guān).由于源區(qū)碳酸鹽物質(zhì)的δ13C值較高,如果原生碳酸鹽在全巖碳酸鹽中的相對比例越大,?δ13C值也就會越大,也就是說,?δ13C值反映了源區(qū)碳酸鹽物質(zhì)貢獻(xiàn)的多少.我們可以看出(圖1),西峰剖面的?δ13C值變化與磁化率變化有很好的負(fù)相關(guān)性,在氣候暖濕的古土壤(弱古土壤)階段,?δ13C值較小,原生碳酸鹽含量較低;在黃土沉積階段,?δ13C值較大,原生碳酸鹽含量高.如果我們假定源區(qū)碳酸鹽的δ13C值是一定的,就可以簡單的估算出原生碳酸鹽物質(zhì)在全巖碳酸鹽中的相對比例.具體計(jì)算方法可以表示如下:由于:?δ13C=δ13CSC-δ13CSOM,(3)(2)式即可表示為:δ13CTC=FPC*δ13CPC+(1-FPC)*(δ13CSOM+?δ13C),(4)其中:FPC為原生碳酸鹽的相對比例;FSC為次生碳酸鹽的相對比例;δ13CPC為原生碳酸鹽的δ13C值(‰);δ13CSC為次生碳酸鹽的δ13C值(‰);δ13CTC為全巖碳酸鹽的δ13C值(‰);?δ13C為土壤次生碳酸鹽和有機(jī)質(zhì)δ13C值的差值.由于黃土-古土壤沉積中的原生碳酸鹽主要來自沙漠、湖相和古海相碳酸鹽地層,其δ13C值在0左右,在本次計(jì)算中,取δ13CPC=0.根據(jù)Cerling的研究,不同溫度條件下,土壤次生碳酸鹽和與同源土壤有機(jī)質(zhì)δ13C值的差值大致在13.5‰～16.5‰之間,本次計(jì)算中取?δ13C=14‰.我們以西峰剖面為例,大致估算出了該剖面末次間冰期以來原生碳酸鹽物質(zhì)占全巖碳酸鹽的相對比例(圖1).在古土壤發(fā)育時(shí)期,全巖碳酸鹽中原生碳酸鹽所占的相對比例相對較低,在S1中的全巖碳酸鹽幾乎全為次生的碳酸鹽.而在黃土堆積時(shí)期,原生碳酸鹽所占的相對比例就相對要大,最大可達(dá)60%左右,次生碳酸鹽只占小部分,這樣原生碳酸鹽對全巖碳酸鹽的影響就會很大.由于黃土-古土壤沉積序列中原生碳酸鹽主要來自源區(qū)貢獻(xiàn),全巖碳酸鹽中原生碳酸鹽相對比例的多少可能反映源區(qū)粉塵物質(zhì)的貢獻(xiàn)程度.黃土-古土壤中的沉積物粒度指標(biāo)已被廣泛用于指示東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度的變化,黃土粒度分布的中值指示了搬運(yùn)粉塵的風(fēng)場強(qiáng)度,中值越大,風(fēng)力越強(qiáng),黃土高原接受的源區(qū)粉塵物質(zhì)也越多.這里,我們對比了西峰黃土/古土壤剖面中土壤中值粒徑與?δ13C值的相關(guān)關(guān)系(圖2),可以看出二者有很好的正相關(guān)性(圖中除去了一個(gè)異常點(diǎn)),較高的?δ13C值對應(yīng)于較粗的土壤粒徑,指示黃土高原粉塵堆集程度較強(qiáng).從西峰剖面各指標(biāo)的比較我們可以看出(圖1),在黃土沉積階段,?δ13C值較大,土壤的中