中国东部表土总有机质碳同位素和正构烷烃碳、氢同位素空间变化特征及其古环境意义

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对我国东部地区从华南海南岛到东北黑龙江的北纬18°至50°之间的多个采样点进行了表土样品的采集,对这些样品进行了TOC含量和碳同位素测量,并对样品中抽提的正构烷烃进行了色谱分析和碳、氢同位素测量。在对获得的数据进行详细分析的基础上,得到了一些有意义的认识。我国东部地区表土样品中,具有明显奇偶优势的长链正构烷烃来自上覆的植被。而不同植被类型(森林和草原)之下的表土中,长链正构烷烃的分子组合特征在很大程度上是相似的,这就意味着利用这些表土样品中长链正构烷烃的分子组合特征来反推来源植被类型是不可行的。对这些表土样品中抽提的正构烷烃进行的色谱分析表明,在古植被重建工作中,利用一种简单的模式—以C27和C29为主峰的长链正构烷烃来自木本植物,而C31为主峰的长链正构烷烃来自草本植被—来反演地质历史时期的植被类型为森林或者草原,也是不可行的。我国东部地区表土样品中TOC碳同位素和长链正构烷烃碳同位素具有相同的空间变化特征,并且两者具有一种显著的正相关关系。由于确定来自陆生高等植物的长链正构烷烃碳同位素记录了来源植被中C3/C4的相对丰度,那么在我们研究的这些样品中TOC碳同位素应该记录了同样的信息。在我们的研究区域,尽管气候和植被类型具有较复杂的多样性,但是其它来源的有机质并没有显著地改变高等植物来源有机质的碳同位素信号。这一结果可以从一个侧面表明在受水生生物和微生物活动影响较小的陆相沉积物中(如我国黄土高原的黄土—古土壤序列),利用TOC碳同位素重建过去C3/C4植物相对丰度变化历史是可靠的;而那些在时空序列上与TOC碳同位素具有相反变化趋势的古环境代用指标(如黄土碳酸盐碳同位素)则记录的不是过去C3/C4植物相对丰度的变化。可以相互验证的TOC碳同位素和长链正构烷烃碳同位素所具有的相同的空间变化趋势表明,在我国东部地区,北纬40°以北的高纬度地区,区域植被几乎都由纯C3植物构成;而北纬31°至40°之间的中纬度地区,C4植物一直是区域植被中一个稳定存在的成分,并在部分植被中占到优势地位,由纯C3植物构成的植被在该区域是不存在的;在北纬31°以南的低纬度区域,C4植物对初级生产力的贡献相对于中纬度地区有所下降,在低纬度地区的所有植被中都没有占到优势地位,所有低纬度地区的植被都是由C3植物占优势的C3、C4混合植被或者由纯C3植物构成的植被。我国东部地区C4植物对初级生产力贡献空间变化和相关气候因子的分析,结合与其它研究结果的对比说明,温度是控制C4植物生长的首要因素,C4植物生长的温度条件满足之后,降水量增加到一定程度,C4植物的相对丰度反而会下降。这一现代过程研究结果表明,高纬度地区末次冰期旋回一直以C3植物占绝对优势,这是由于当地过低的温度造成的;中纬度地区众多记录显示的末次冰期至全新世的C4植物相对丰度上升主要反映了温度的上升;而低纬度地区末次冰期占优势地位的C4植物在全新世让位于C3植物,主要是由于降水的增加导致的。这一现代过程研究结果结合相关的古温度和古大气CO2浓度重建结果,表明晚中新世以来全球不同区域非同步出现的C4植物扩张不是出于对大气CO2浓度显著下降的响应,而更可能是出于对不同区域变化着的水汽供应的响应。我国东部表土长链正构烷烃的氢同位素组成和上述两类碳同位素以及植被类型的对比说明,C3、C4光合作用类型和森林、草原植被类型都不是影响氢同位素组成的主要因素,而和正构烷烃氢同位素具有相同空间变化趋势—随着纬度的增加而偏负—的降水氢同位素组成很可能是影响正构烷烃氢同位素组成的主要因素,亦即正构烷烃氢同位素记录了大气降水的氢同位素组成。然而,由于影响大气降水氢同位素组成的因素非常复杂,对沉积物中高等植物来源长链正构烷烃的氢同位素组成的解释仍需小心谨慎。我们的研究结果凸显了古环境研究中现代过程研究的重要性,只有在详细和充足的现代过程研究基础上,古环境重建的结果才能得到正确的解释。现代过程研究结果也需要古环境重建结果的验证,只有将“今为古用”和“古为今用”两个方面结合起来,才能推动古环境研究工作的顺利开展。
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