湖泊沉积物有机质δ^(13)C所揭示的环境气候信息

根据我国不同纬度和高海拔地区青藏高原东部地区湖泊沉积物有机质δ^(13)C组成特征的分析,就其揭示的环境气候意义作了探讨。研究表明,湖泊沉积物有机质δ^(13)C波动间接地反映气候冷暖的波动,但高原与平原地区湖泊沉积物有机质δ^(13)C值变化具有不同的环境气候意义。这与陆生植物C_3及C_4植物的分布密切相关,据此初步划分为三种有机质δ^(13)C古气候类型。

用δ^(13)C方法研究玉米秸秆分解期间土壤有机质数量动态变化

通过室内培养实验 ,应用δ1 3C方法研究了玉米秸秆分解期间 ,土壤中胡敏酸 (HA)和富里酸 (FA)数量的动态变化。结果表明 :培养期间 ,新加入的玉米秸秆以及原土有机C都减少 ,但后者分解速度较慢。培养初期 ,FA的形成速度大于HA ;随培养时间延长 ,FA转化为HA或相互转化。原土有机质中 ,HA、FA也发生了相互转化 ,但与新形成的HA、FA相比转化速度较慢。用δ1 3 C方法研究短期培养 (几个月～几年 )条件下新加入有机质在土壤中的分解动力学是可行的。

δ^(13)C和δ^(15)N指示不同生态类型湖泊无机氮及有机质来源

为了探讨不同生态类型湖泊(天然湖泊、城市湖泊)中无机氮和有机质来源,分别采集湖泊中水体、表层沉积物、水生植物、底栖动物进行碳、氮同位素特征分析.结果表明:蚌湖水体δ15N-NH+4均值为-1.8‰±1.0‰,δ15N-NO-3均值为-0.5‰±1.7‰,说明蚌湖水体氮表现为雨水和农业肥料氮污染;象湖δ15N-NH+4均值为6.8‰±8.6‰,其中养殖废水和管道排污口δ15N-NH+4值分别为13.5‰和25.4‰,表现出污水氮同位素特征,象湖δ15N-NO-3均值为-2.9‰±4.2‰,是氨的硝化作用引起的氮同位素分馏所致.蚌湖表层沉积物、水生植物δ15N差别不大,分别为6.6‰±0.3‰、7.1‰±0.7‰,水生植物δ13C均值为-27.5‰±0.3‰,比沉积物δ13C偏负3‰.有机C/N为9.4±0.5,比沉积物C/N明显偏高6,反映水生植物是蚌湖有机质的主要来源.象湖表层沉积物δ15N、δ13C及有机C/N分布范围大,δ15N在3.6‰~8.3‰之间,均值为5.9‰±1.6‰,δ13C在-27.1‰^-24.7‰之间,均值为-26.0‰±1.0‰,有机C/N在2.6~10.8之间,均值为6.2±2.7,表明城市湖泊沉积有机质来源复杂.2个湖泊蚌类δ15N组成与各自湖泊表层沉积物δ15N组成相对应.

δ^(13)C法研究砂姜黑土添加秸秆后团聚体有机碳变化规律

为研究水稻秸秆添加对砂姜黑土水稳性团聚体分布及稳定性的影响,探索水稻秸秆腐解过程中外源新碳及原有机碳在不同粒级团聚体中的分配规律,该文通过室内模拟试验,运用δ^(13)C示踪方法,将稳定同位素碳(δ^(13)C)标记的水稻秸秆添加入砂姜黑土,利用湿筛法得到不同培养时期不同粒级的土壤水稳性团聚体,测定不同时期各粒级土壤外源新碳及原有机碳含量。结果表明:未添加水稻秸秆的砂姜黑土(对照组),水稳性微团聚体(<250μm)占主体,团聚体有机碳含量低。与对照相比,添加水稻秸秆(试验组)显著促进了>2000、2000~250μm粒级水稳性大团聚体的团聚(P<0.05);培养到120 d时,>2000、2000~250μm水稳性团聚体比对照组分别增加了265.5%、16.0%,促使水稳性大团聚体(>250μm)占主体,显著提高了砂姜黑土水稳性团聚体的平均重量直径(mean weight diameter,MWD)、几何平均直径(geometric mean diameter,GMD)、水稳性大团聚体含量(R0.25),降低了分形维数(D)值(P<0.05),土壤结构稳定性明显得到改善。试验组各粒级团聚体有机碳含量显著增加,培养到15 d时,>2000、2000~250、>250~53、<53μm粒级团聚体有机碳分别比对照组增加了21.4%、25.4%、34.7%、50.0%,其中微团聚体有机碳增加幅度大于大团聚体的增加幅度。MWD、GMD、R0.25与2000~250、>250~53μm粒级团聚体有机碳呈极显著正相关关系(P<0.01),与>2000μm粒级团聚体有机碳呈显著正相关关系(P<0.05)、与<53μm粒级团聚体有机碳关系不显著。不同粒级团聚体的δ^(13)C值明显增加,动态变化较大,表明外源新碳周转速率较快。外源新碳主要分配在>250~53、<53μm粒级微团聚体中,分配比例分别为38%、28%,外源新碳的分解速率明显快于原有机碳。研究得出添加水稻秸秆有利于增加砂姜黑土的团聚体稳定性,提高土壤及不同粒级团聚体的有机碳含量,提升土壤碳水平,改善了土壤结构,这为淮北地区土壤质量提升及有机碳循环提供了理论依据。

祁连山青海云杉树轮δ^(13)C的时空变化及其气候意义

通过分析祁连山自东向西5个样点青海云杉年分辨率的树轮碳同位素比率(δ13 C),评价在大气CO2浓度日益增加的背景下青海云杉长期水分利用效率的变化及其对气候变化的响应.最长树轮δ13 C年表为189a,最短112a(1891-2003年).选择了5个样点的公共区间进行分析(1891-2003年).结果表明:祁连山青海云杉δ13 C序列之间显著相关,但是远离山脉主体的两条δ13 C序列与其余序列相关关系较弱.随着大气CO2浓度的持续增加,所有样点青海云杉水分利用效率均表现出显著的提高,但在祁连山腹地的青海云杉水分利用效率提高的幅度低于其它样点.以树轮碳同位素分馏(Δ13 C)和干旱指数之间的相关关系为基础,重建了研究区域1891-2003年期间的干旱历史.其中,20世纪20年代末30年代初和最近10a的两次最严重的干旱分别是由降水减少和气候变暖引起的.

不同放牧强度下荒漠草原土壤有机碳及其δ^(13)C值分布特征

以内蒙古短花针茅荒漠草原为研究对象,通过测定不同载畜率下土壤部分理化性质、土壤有机碳含量和δ13C值,探讨随放牧强度增加土壤有机碳深度分布和δ13C值的组成差异特征。结果显示:随深度增加,有机碳含量呈线性急剧降低,变化范围在16.17～6.26g/kg之间;而土壤有机碳的δ13C值不断增大,变化范围在-22.5‰～-14.3‰。放牧对土壤有机碳的影响主要在0-20cm土层,且放牧强度越大,有机碳含量越低,有机质分解程度越大,δ13C值越偏正。δ13C值的深度变化特征还表明,土壤剖面形成发育过程中当地气候和植被发生了很大的变化,可能实现了由C4植物占优势向C3植物占优势的变迁。

青藏高原20种灌木幼苗生物量分配、水分利用效率及叶片δ^(13)C比较

以青藏高原地区各地分布的柠条(Caragana korshinskii)等20种灌木树种为试验材料在苗圃培育,通过测定其生物量、根冠比、叶片瞬时净光合速率、蒸腾速率、水分利用效率及碳同位素组成δ13C,对比灌木树种间生物量分配和水分利用效率的差异,并综合评价灌木树种抗旱性。结果表明,灌木树种间各指标均有显著性差异(p<0.05),取值范围分别为根冠比0.11~0.80、叶片蒸腾速率3.24~6.61 mmol·m-2·s-1、水分利用效率1.85~4.43μmol·mmol-1和δ13 C-26.09‰^-30.22‰。植物的抗旱适应机制主要包括叶片旱生形态型、节水型、高根冠比型和高水分利用效率型,不同属植物和同属不同种植物之间抗旱性均有明显差异,其中沙棘属植物总体抗旱性较差。此外,灌木抗旱性与原产地有一定的联系,其中青海地区灌木总体抗旱性优于西藏和甘肃地区。综合分析抗旱性生理指标发现,金露梅、蔷薇、尼泊尔锦鸡儿、三颗针和胡颓子抗旱性能较好,总体上属于低耗水、高生产效率、抗旱性强树种,在干旱地区造林时可以优先考虑。

美洲黑杨及其杂种F1不同生长势无性系叶片δ^13C和氮素利用效率

以美洲黑杨不同生长势的杂种F1及其亲本为研究对象,通过测定不同冠层叶片的稳定碳同位素组成和碳、氮含量,分析不同生长势美洲黑杨叶片水分利用效率和氮素利用效率之间的差异及其相互关系。结果表明:不同生长势杂种F1的δ13C值及碳、氮含量均差异显著,超亲杂种F1在每个冠层的叶片δ13C值和碳、氮含量均显著大于低亲杂种F1;美洲黑杨叶片δ13C值与氮含量呈极显著正相关(R2=0.941);叶片δ13C和碳、氮含量存在空间分布差异,树冠上层显著大于中层,下层最小;超亲杂种F1的水分利用效率(WUE)高于低亲杂种F1,但低亲杂种F1的氮素利用效率(NUE)极显著大于超亲杂种F1,WUE和NUE之间呈现显著负相关(R2=-0.652),说明美洲黑杨叶片的水分利用效率和氮素利用效率存在一定的制约关系。

白刺叶片形态变化对叶片δ^(13)C的影响

选取磴口、民勤唐古特白刺,敦煌东湖附近洪积扇中部、底部生长的泡泡刺为研究对象,通过叶片扫描与Image-Pro Plus6.0图像处理软件分析获得叶片形态参数(长、宽、周长和面积),应用同位素分析获得叶片δ13C值。结果表明:随着水分有效性的增加,白刺叶片面积具有增加趋势,叶片面积在增加过程中,叶片长、宽增幅具有非同步性;相同叶片宽度,生长于水分条件较好地区的唐古特白刺和泡泡刺叶片更长。虽然磴口、民勤及敦煌东湖附近洪积扇中部、底部水分环境存在较大的差异,但生长于这些区域的唐古特白刺及泡泡刺叶片δ13C值的差异不显著(P>0.05)。叶片周长/面积比是连接叶片形态变化与植物水分生理的重要因子;白刺叶面积增加过程中,叶片长度的优先增加有利于减缓周长/面积比的下降速率,从而使白刺保持较高的水分利用效率。

柴达木盆地白刺叶片δ^(13)C与叶片和土壤养分指标的关系

在青海省柴达木盆地选择6个重要的唐古特白刺分布区域,通过测定不同白刺居群的叶片营养元素、土壤养分含量和叶片碳同位素组成δ13 C,对比不同白刺居群间的叶片δ13 C特征差异,并分析白刺叶片δ13 C与地理位置信息及叶片营养和土壤养分含量指标的关系。结果显示:(1)白刺居群间叶片δ13 C存在显著空间变异性,其叶片δ13 C变化范围在-25.47‰^-27.66‰之间,平均为-26.66‰。(2)纬度、经度和海拔是白刺叶片δ13 C重要影响因子,白刺叶片δ13 C与纬度、经度和海拔分别呈极显著负相关,正相关和正相关关系(n=10)。(3)白刺叶片δ13 C与叶片有机C含量、N、P、K含量总体均呈负相关关系,但仅叶片有机C含量达到极显著水平(n=30),其余均未达到显著性水平(n=30)。(4)叶片δ13 C与表层土壤(0~15cm)有机质、全N、速效K含量呈极显著负相关关系(n=30),与全P、碱解N和有效P含量呈显著负相关关系(n=30),并与15~30cm土壤有机质和全N含量显著负相关(n=30),但叶片δ13 C与30~45cm土壤各化学指标相关性均不显著(n=30)。研究表明,环境因子纬度、经度、海拔,叶片有机C含量,以及立地土壤全N、全P、碱解N、有效P、速效K含量的变化均显著影响柴达木盆地唐古特白刺居群叶片δ13 C值。

橙汁中总糖和果肉的δ^(13)C测定及应用

稳定碳同位素分析是食品质量鉴别和产地溯源的有效手段。本工作结合分离技术,建立了元素分析-稳定同位素比值质谱(EA-IRMS)测定橙汁中总糖和果肉δ13C的方法,并研究了天然橙汁与模拟造假橙汁中总糖和果肉的碳同位素特征差异。实验结果表明,本方法不会导致同位素分馏,且标准偏差仅为0.1‰;初步研究证明,橙汁总糖与果肉的δ13C相近,而与甘蔗糖的δ13 C差异明显,因此,以橙汁果肉作为内标物质鉴别橙汁中的C4植物糖是可行的。

应用显微激光拉曼光谱测定CO_2气体碳同位素值δ^(13)C的定量方法研究

单个流体包裹体同位素在研究岩矿古流体成因、矿床、油气和大地构造演化动力学等多个领域具有十分重要的意义,激光拉曼光谱是一项可以分析单个流体包裹体同位素的有效方法。本文提出应用显微激光拉曼光谱法来计算CO_2气体碳同位素值δ^(13)C。利用自行设计的装置将^(12)CO_2和^(13)CO_2按比例分别与N2混合,对混合气体样品进行显微激光拉曼测试分析后确定^(12)CO_2和^(13)CO_2的拉曼参数,这为用激光拉曼分析碳同位素值δ^(13)C奠定了理论基础。通过对不同比例的^(12)CO_2/^(13)CO_2人工合成CO_2包裹体样品和胜利油田CO_2天然气藏样品进行激光拉曼光谱分析,发现CO_2气体碳同位素摩尔分数比N_(13)/N_(12)与拉曼参数之间存在数学关系式,由此建立了根据碳同位素计算公式δ^(13)C=[(C_(13)/C_(12))_(样品)/(C_(13)/C_(12))_(标准)-1]×1 000‰,用激光拉曼分析获得的CO_2气体有关激光拉曼参数来计算δ^(13)C值的方法。按照该方法,应用显微激光拉曼光谱对胜利油田CO_2天然气藏样品分析计算其δ^(13)C值为-5.318‰,与用质谱仪分析测出的δ^(13)C值(-5.6‰)比较,其相对误差较小(≈5%),可以初步建立起应用显微激光拉曼光谱测定CO_2气体碳同位素值δ^(13)C的定量方法。

草海ZHJ柱样沉积物有机质的δ^(13)C记录及其古气候信息

提供了三万年以来草海沉积物有机质的δ13C记录。研究结果表明 ,草海沉积物有机质含量主要由岩性控制。一般粘土的有机质含量仅5 %左右 ,而纯泥炭的有机质含量在90 %以上。泥炭的δ13C值很低 ,而棕色粘土有机碳的δ13C值相对较高。一般认为 ,任何植物体的碳同位素组成主要与光合作用的C3和C4两种碳固定途径有关。C3类植物的δ13C值为 -26‰左右 ,而C4类植物大约为 -13‰。C3类植物在低温、潮湿的地区占有优势 ,而C4类植物适应既干旱又高温的气候条件。气候的变化改变C4和C3植物比例 ,从而改变沉积物有机质的δ13C值。由于C3和C4植物的平衡取决于温度和湿度两个因子 ,沉积物有机质δ13C曲线的解释比较复杂。研究结果证实 ,草海盆地不同地区分布的泥炭层 ,确实是间隙性构造隆升的产物 ,泥炭层特征的低δ13C值与气候变化的关系不大。草海盆地的δ13C值剖面和印度南部高沼地泥炭的δ13C记录对古气候变化的响应正好相反。印度南部的δ13C记录与气候干湿变化有很好的相关性 ,气温较高又潮湿的夏季风盛行时期对应低δ13C值。而草海柱样中气温较高时期对应高δ13C值。这两种情况都可以用C3和C4植物适应不同气候条件来解释。草海ZHJ柱样的δ13C记录显示 ,夏季风在早全新世之初达到最盛 ,中全新世减弱。

有机溶剂稀释与气相色谱-燃烧-同位素质谱(GC-C-IRMS)联用测定食醋中乙酸的δ^(13)C

食醋中乙酸的碳-13比值(δ13 C)与食醋原料有密切关联,通过测定乙酸中δ13 C可对食醋原料进行溯源。本工作建立了有机溶剂稀释法与气相色谱-燃烧-稳定同位素比值质谱(GC-C-IRMS)联用法测定食醋中乙酸的δ13 C。在乙酸浓度为2%~99.9%的模拟样品测试中获得了稳定的检测结果;同一样品中乙酸的δ13 C重复测定16次的标准偏差小于0.15‰;参与欧盟同位素实验室间能力测试时,该方法的测定结果与其中5个国际实验室测定平均值差异为0.17‰。该方法的精密度和稳定性好、准确性高、操作简便快速,适合在食醋真实性技术中应用和推广。

最近千年来山东半岛西部气候环境变化的石笋δ^(18)O、δ^(13)C记录(Ⅰ)

Ky1石笋采自山东半岛西部的开元洞,沿生长轴方向长度75mm。在高精度U-230 Th测年基础上,通过年纹层连续计数和平均沉积速率内插/外推相结合的定年方法,确定Ky1石笋生长于892—1894AD的1 000年间。在沿石笋生长轴采集的583个样品中,选择303个进行了δ18 O、δ13 C测试,平均分辨率约为3年。结果显示,最近1000年来Ky1石笋的δ18 O比值变化呈现明显阶段性,显示与小冰期(LIA)和中世纪暖期(MWP)对应的数百年尺度波动。根据δ18 O记录,山东半岛在1482AD前后发生与MWP/LIA转换对应的气候突变,1 482AD前相当于夏季风强烈、降水较多的中世纪暖期,1482AD后则为夏季风微弱、降水较少的小冰期,以1609AD夏季风最弱。Ky1石笋的δ13 C比值变化,也由与MWP、LIA相当的两个阶段构成,其间也存在突变关系。比较而言,δ13 C变化要比δ18 O显著平缓,而且LIA后期以来二者变化明显不同步。最近1 000年来,与MWP/LIA对应的气候突变相当于明朝中期;就各个朝代内部的气候变化趋势而言,不同朝代之间不尽相同;不同朝代之间的更替期均大致与MWP、LIA内部的次级气候突变时期对应。因此,中世纪暖期和小冰期内部的次级气候波动对中国社会发展的影响,可能比千年尺度上最剧烈的MWP/LIA突变本身更显著。另一方面,洞穴所在山地的土地利用程度不断提高,其与气候变化共同影响着洞穴所在山地的植被的C3/C4植物构成及土壤性质,从而影响到石笋δ13 C比值。从892—1318AD,土地利用对山地植被构成、土壤特征的影响程度尚不及气候变化;1318—1479AD,已达到或超过小幅度的气候变化;1483—1779AD,达到或超过大幅度的气候变化;1779—1894AD,土地利用程度趋于稳定,气候变化对环境的影响程度则又相对凸显。

发酵乙醇中^(13)C/^(12)C分布的影响因素研究

乙醇的碳稳定同位素组成(13C/13C,δ13C)对饮料酒的真实性鉴别具有重要意义。实验研究发现,乙醇δ13C比发酵原料偏负,且偏负程度随δ13C的变小而增大,但二者呈现显著正相关(R2=0.997);正交试验结果显示,对于乙醇δ13C变化影响较大的发酵条件依次为发酵温度(20~30℃),糖浓度(60~200 g/L)和酵母种类,而初始p H值(4.0~5.0)的影响最小,但F检验表明,4种因素对乙醇δ13C的影响均不显著。本研究为今后应用δ13C识别乙醇的原料来源奠定了应用基础。

树轮δ^(13)C记录的阿勒泰地区近160a夏季气温变化

利用阿尔泰山南坡东中西部3个采点的西伯利亚落叶松树轮样本,建立了3个树轮δ13C序列,结合阿勒泰地区6个气象站的气象资料,分析了阿尔泰山树轮δ13C对气候的响应,并重建了阿勒泰地区过去160 a夏季气温变化。研究表明,位于阿勒泰科勒迭难布拉克森林上线的树轮δ13C序列对阿勒泰地区夏季气温响应较好,与7月平均气温明显正相关,相关系数达到0.608(p<0.000 1);利用树轮δ13C可较好的重建阿勒泰地区过去160 a的夏季气温;近160年来,阿勒泰地区夏季温度19世纪末有缓慢上升趋势,20世纪初,夏季温度整体偏高,40年代以后,夏季温度明显下降,直到60年代,60年代成为近160 a夏季温度最低的时期,60年代至今,阿尔泰山南坡夏季气温经历了160 a来最长和最为强烈的升温时期。虽然有气象观测记录以来,阿勒泰地区夏季气温升温明显,但是20世纪初夏季温度要高于近30 a平均气温;重建的阿勒泰地区夏季温度序列不仅能代表整个阿尔泰山夏季温度变化,也能够较好的代表包括北疆、中亚部分地区和俄罗斯南部大范围的夏季温度变化。

稳定性同位素^(13)C标记小麦植株δ^(13)C值的检测方法研究

为准确检测稳定性同位素13C标记的小麦植株δ13C值,对元素分析仪-同位素比质谱仪联用技术(EA-IRMS)测定13C标记的小麦植株各器官中δ13C值进行了研究。结果表明,该方法对蔗糖标准物质(IAEA-CH-6)、小麦粉标准物质(OAS/Isotope)和13C标记小麦植株样品测定结果的精度良好,稳定性碳同位素的标准偏差小于0.11‰。对仪器的稳定性进行了测试,标准偏差为0.02‰;同位素信号在1e-9至1e-8A范围内,总体线性为0.003‰·n A-1。测得样品δ13C值的范围为-25.25%~23.32%。试验结果为研究光合产物在小麦植株体内的运转分配提供了可靠的技术支撑。

川中丘陵区小流域土地利用变化和泥沙来源示踪的δ^(13)C技术

在2010年和2011年,采集长江上游川中丘陵区万安沟小流域塘库沉积泥沙、河床沉积泥沙、不同土地利用类型的表层土壤,应用δ13C技术研究小流域土地利用变化和泥沙来源。结果表明:森林坡地、弃耕坡地和耕种梯田的表层土壤δ13C值分别是-26.40‰,-25.91‰和-25.81‰,非常相近,说明土壤有机物δ13C主要是占主导地位C3植物的残留物,而C4植物玉米对土壤有机物δ13C值几乎没有影响。结合δ13C值和土地利用变化分析,土壤和沉积泥沙δ13C值是土地利用状况的良好指示因子,较低δ13C值(-26‰)表明丘陵坡地森林覆盖率较高,而较高δ13C值(-24.30‰)则说明森林覆盖率较低。δ13C技术只有在沉积泥沙主要来源是土壤有机物的条件下,才能定量评价沉积泥沙的不同来源。由于当地沉积泥沙有机物是土壤有机物、生物碎屑和生活污水的混合物,采用δ13C指标示踪泥沙来源的可靠性受到影响,但可以肯定地说,δ13C技术对定量评价沉积泥沙的来源是有帮助的。

地下水埋深对塔里木河下游建群种植物叶片δ^(13)C值的影响

通过对塔里木河下游不同地下水埋深梯度下胡杨和柽柳叶片δ13 C值的测定,分析了地下水埋深变化对胡杨和柽柳的长期水分利用效率的影响,为塔里木河下游退化生态系统植被保育和恢复提供科学依据。研究结果表明,随着地下水埋深从2.4m增加到9.1m,胡杨叶片δ13 C值呈现出先升后降的趋势,且在9.1m处胡杨很可能是通过减少地上生物量的方式来适应加剧的干旱;而柽柳叶片δ13 C值则随着地下水埋深的增加而逐渐增加,其水分利用效率不断增加,且对地下水埋深变化的适应宽度也较大。对比同一地下水埋深下胡杨和柽柳叶片的δ13 C值发现,随着地下水埋深不断增加,胡杨的抗旱性比柽柳的弱;对比不同地下水埋深的植物叶片的δ13 C值发现,胡杨在不同的地下水埋深采取不同的策略适应干旱环境,而柽柳在不同的地下水埋深则通过增加水分利用效率来抵御加剧的干旱。