勇心意，張 瑞，張 碩，于夢(mèng)晴

（遼寧師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連）

引言

全球變暖已經(jīng)成為社會(huì)各界廣泛關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題，全球變暖的加劇引發(fā)了諸多極端氣候事件與環(huán)境問(wèn)題，對(duì)人類(lèi)的生存與發(fā)展提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

末次冰盛期（LGM) 以來(lái)經(jīng)歷了從冷干到暖濕的變化過(guò)程，這一升溫過(guò)程就包含了未來(lái)全球增溫的近似場(chǎng)景。為評(píng)估現(xiàn)代和未來(lái)氣候環(huán)境變化，就需要對(duì)過(guò)去氣候變化歷史有清晰的認(rèn)識(shí)。

土壤有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于上覆植物殘?bào)w的分解累積，土壤有機(jī)碳同位素與當(dāng)?shù)仃懮参锏奶纪凰鼗疽恢?，Dzurec 等[1]通過(guò)測(cè)定土壤有機(jī)碳同位素值來(lái)揭示Curlew 山谷中植被的演化；Kelly 等[2]通過(guò)分析美國(guó)中部大平原土壤有機(jī)碳同位素的變化來(lái)揭示全新世以來(lái)古氣候的演化。泥炭、湖泊沉積物由于覆蓋范圍廣、連續(xù)性好、分辨率高等優(yōu)勢(shì)成為重建古環(huán)境，反映古氣候的重要載體[3-4]。正構(gòu)烷烴是重要的生物標(biāo)志物，可在湖泊、泥炭沉積物中保存數(shù)百萬(wàn)年[5]，能較好地記錄沉積區(qū)內(nèi)植被與氣候的相關(guān)信息。本研究通過(guò)重建LGM以來(lái)東北及鄰區(qū)碳同位素演化序列，結(jié)合古氣候記錄，探討影響東北及鄰區(qū)碳同位素的變化及其主要因素。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究區(qū)為東北及內(nèi)蒙古部分地區(qū)，包括黑龍江、吉林以及內(nèi)蒙古中東部地區(qū)。氣候類(lèi)型涵蓋溫帶季風(fēng)與溫帶大陸性氣候，植被類(lèi)型由北向南依次分布寒溫帶針葉林、溫帶針闊葉混交林、溫帶落葉闊葉林及溫帶草原[6]，包含季風(fēng)區(qū)與非季風(fēng)區(qū)界限，氣候多變，生態(tài)環(huán)境脆弱。

1.2 數(shù)據(jù)選擇與處理

本研究利用互聯(lián)網(wǎng)中英文數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)收集LGM以來(lái)東北及鄰區(qū)已發(fā)表的13 條碳同位素序列，包含9條湖泊、泥炭正構(gòu)烷烴單體碳同位素與4 條古土壤有機(jī)碳同位素序列（圖1）。數(shù)據(jù)篩選遵循以下原則：

圖1 研究區(qū)碳同位素?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)分布

（1） 數(shù)據(jù)類(lèi)型為黃土- 古土壤有機(jī)質(zhì)碳同位素，或湖泊、泥炭沉積長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴碳同位素（圖2a）。

圖2 研究區(qū)碳同位素序列信息

（2） 時(shí)間跨度不低于5 000 年。

（3） 具有可靠的年代框架，至少包含3 個(gè)絕對(duì)測(cè)年數(shù)據(jù)（例如，加速器放射性碳測(cè)年（AMS14C）、光釋光測(cè)年（OSL）等）（圖2b）。

對(duì)湖泊、泥炭的放射性14C 年齡校正為日歷年齡，使其可以與土壤測(cè)定的光釋光年齡對(duì)比。去除碳庫(kù)效應(yīng)，然后利用Intcal20 校正曲線。最后，利用線性?xún)?nèi)插來(lái)確定各序列的年齡- 深度模型，上述操作在R 軟件中進(jìn)行。而后對(duì)各碳同位素記錄以每1 000 年時(shí)間間隔對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均，分別獲得LGM以來(lái)土壤有機(jī)碳同位素與湖泊、泥炭單體碳同位素兩條變化曲線。

對(duì)湖泊、泥炭沉積物長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴n-C27、n-C29、n-C31或n-C33的δ13C 值進(jìn)行加權(quán)平均[7]，獲得wt.δ13CC27-33值，計(jì)算公式如下。

式中：wt.δ13CC27-33為長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴δ13C 的加權(quán)平均值；δ13C27，δ13C29，δ13C31和δ13C33分 別 代 表n-C27，n-C29，n-C31，n-C33碳同位素值；C27、C29、C31和C33代表n-C27，n-C29，n-C31，n-C33的相對(duì)含量。

為統(tǒng)一長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴單體δ13C 與土壤有機(jī)質(zhì)δ13CSOM兩種指標(biāo)的碳同位素值，需對(duì)長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴δ13C 值進(jìn)行校正。Rao 等[8]對(duì)中國(guó)東部北緯18°～50°范圍內(nèi)表土有機(jī)質(zhì)δ13CSOM和長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴δ13C 對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者呈正相關(guān)，其均值為8.1‰，不隨緯度變化。因此，選取8.1‰來(lái)校正長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴δ13C 的加權(quán)平均值。最后計(jì)算各研究點(diǎn)位碳同位素每千年的算數(shù)平均值，獲得總體（校正后）東北及鄰區(qū)碳同位素變化曲線。并利用ArcGIS、Origin 軟件繪制研究點(diǎn)位分布圖與碳同位素時(shí)間演化序列。

2 結(jié)果

重建的東北及鄰區(qū)總體（校正后）碳同位素時(shí)間演化序列（圖3b）結(jié)果顯示：在末次冰盛期碳同位素變化并不明顯，從16kaBP 開(kāi)始，碳同位素值逐漸偏正，尤其是13kaBP 后出現(xiàn)顯著偏正，在9-10kaBP，研究區(qū)δ13C 值達(dá)到最高，最高值為-23‰，比21ka 偏正約1.5‰；7kaBP 以來(lái)碳同位素值開(kāi)始降低，5kaBP 后δ13C 值逐漸穩(wěn)定。

圖3 LGM 以來(lái)研究區(qū)碳同位素變化曲線

對(duì)比土壤δ13CSOM與湖泊、泥炭單體δ13C 曲線（圖3a，圖3c）顯示：土壤δ13CSOM值在-22.73‰～-24.65‰之間變化，平均值為-23.49‰，7-8kaBP 是末次冰盛期以來(lái)δ13CSOM值最為偏正的時(shí)期，變化范圍在-22.83‰～-22.73‰之間，平均值為-22.78‰，7kaBP以后，δ13CSOM值逐漸偏負(fù)。湖泊、泥炭長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴單體δ13C 值在-33.12‰～-31.15‰之間變化，平均值為-31.99‰，且單體δ13C 值與土壤δ13CSOM值的變化趨勢(shì)類(lèi)似。

3 討論

研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳同位素與降水的關(guān)系密切，AN 等[9]研究發(fā)現(xiàn)黃土高原土壤δ13CSOM值與年降水呈現(xiàn)正相關(guān)，但外蒙古- 寶雞剖面土壤δ13CSOM值與降水呈負(fù)相關(guān)[10]。為明確東北及鄰區(qū)δ13C 值變化的主導(dǎo)因素，本研究將重建的東北及鄰區(qū)21kaBP 以來(lái)的δ13C 值記錄與溫度[11]、降水[12]、有效濕度[13]、太陽(yáng)輻射[14]、CO2濃度[15]等古氣候記錄對(duì)比,探究東北及鄰區(qū)LGM 以來(lái)的δ13C 值變化的主導(dǎo)因素及古氣候環(huán)境變化信息。

觀察大氣CO2濃度曲線（圖4a）可知，過(guò)去兩萬(wàn)年來(lái)大氣CO2濃度一直持續(xù)、穩(wěn)定上升，對(duì)比δ13C 曲線（圖4f）發(fā)現(xiàn)，在早全新世δ13C 曲線到達(dá)最大值后呈顯著下降，這與大氣CO2濃度持續(xù)上升的變化趨勢(shì)明顯不符。

圖4 LGM 以來(lái)古氣候記錄與研究區(qū)重建的碳同位素演化序列

觀察碳同位素曲線（圖4f）發(fā)現(xiàn)，全新世之前碳同位素值變化不大，早全新世碳同位素值出現(xiàn)顯著的上升，是兩萬(wàn)年來(lái)δ13C 值最偏正的時(shí)期，對(duì)比溫度、降水、濕度（Paq）、太陽(yáng)輻射曲線（圖4b，圖4c，圖4d，圖4e）發(fā)現(xiàn)，早全新世溫度與降水同步增加，但隨著35°N 太陽(yáng)輻射量在早全新世達(dá)到最大值，使得全新世早期呈現(xiàn)溫暖干燥的氣候，這與五大連池- 天池δ13CBC與四方山天池δ13C27～31值的變化歸因于早全新世暖干氣候的結(jié)論一致[16-17]。全新世中期降水與濕度曲線達(dá)到最大，碳同位素值出現(xiàn)明顯負(fù)偏，推測(cè)由于35°N 太陽(yáng)輻射量減少，降水增加，導(dǎo)致有效濕度增加使得碳同位素值逐漸偏負(fù)。晚全新世時(shí)降水與有效濕度均下降，δ13C 值也呈現(xiàn)穩(wěn)定微升的趨勢(shì)，兩者具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，本研究認(rèn)為L(zhǎng)GM以來(lái)東北及鄰區(qū)碳同位素值的變化主要是由有效濕度決定的。

4 結(jié)論

本文重建了LGM以來(lái)我國(guó)東北及鄰區(qū)碳同位素的演化歷史。研究得出：末次冰盛期東北及鄰區(qū)碳同位素值總體偏負(fù)，進(jìn)入全新世碳同位素值逐漸偏正。早全新世太陽(yáng)輻射最強(qiáng)，有效濕度較低，整體呈現(xiàn)出溫暖干燥的氣候，δ13C 值也于全新世早期達(dá)到峰值約-23‰；全新世中期隨著降雨量增長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射減弱，有效濕度的增加使得碳同位素值逐漸偏負(fù)，晚全新世碳同位素值微升，推測(cè)可能是由于氣候干旱或人類(lèi)活動(dòng)的影響。綜上，太陽(yáng)輻射影響下的有效濕度變化很可能是東北及鄰區(qū)LGM以來(lái)碳同位素演化的主要驅(qū)動(dòng)因素。