荒漠草原土壤次生碳酸盐形成和周转过程中固存CO_2的研究

次生碳酸盐是干旱、半干旱地区土壤碳库的一个重要组成部分,较有机碳库大2倍-5倍,其形成与周转对该地区土壤碳平衡具有十分重要的意义。本文以内蒙古四子王旗短花针茅荒漠草原为研究对象,拟通过分析测定土壤碳酸盐（SC）含量及其δ^13C值、土壤CO2的δ^13C值和母质风化物的δ^13C值等,探讨土壤次生碳酸盐形成和重结晶过程中对土壤CO2的固定,并计算其固定量。结果表明：次生碳酸盐的δ^13C值主要由土壤CO2的碳同位素组成决定,可用土壤CO2的δ^13C值计算次生碳酸盐的δ^13C值。对该研究区SC进行区分,发现在40-50、50-60、60-80和80-100 cm土层,次生碳酸盐所占的比例分别为83.6%、65.4%、41.7%和17.4%。应用δ^13C值和化学平衡原理估算该地区次生碳酸盐形成和重结晶过程中固定的CO2量,得出40-50、50-60、60-80和80-100 cm土层每千克土壤中分别固定了38.3、39.2、25.1和9.2 g的土壤CO2。

芙蓉洞次生碳酸盐沉积特征及与降水的关系研究

通过对重庆市芙蓉洞内两处滴水和两处池水长期定点观测,现场测试pH、温度和HCO3-浓度等指标,并采集适量水样带回实验室利用ICP—OES和离子色谱仪测试主要离子的浓度,计算CO2分压(PCO2)和方解石饱和指数(SIc),探讨了芙蓉洞内次生碳酸盐的沉积情况及与当地降水的关系。结果显示:四个观测点洞穴水在大部分时间相对于方解石为过饱和水,且正在沉积碳酸盐,可见芙蓉洞地区大部分时间具有洞穴碳酸盐沉积的温度和降水条件;不饱和出现在较大降水量之后的1～2个月内,是降水对岩溶水的稀释作用导致的。因此,降水量的变化是洞穴水呈现过饱和与不饱和交替的出现主要原因,最终导致碳酸盐沉积的季节变化,降水量过大时不利于碳酸盐的沉积。

半干旱岩溶区土壤次生碳酸盐比例及对岩溶碳汇计算的影响

定量评价半干旱岩溶区土壤次生碳酸盐比例和来源有助于认识土壤系统影响岩溶作用的机理。选取山西晋中盆地西南,吕梁山东侧的半干旱岩溶区马跑神泉小流域为研究对象,通过对林地、退耕地、灌丛地土壤剖面进行分层取样并测定碳酸盐含量及其δ^(13) C、CO_2浓度及其δ^(13) C值,分析其随深度的变化规律和控制因素;并结合研究区碳酸盐岩的δ^(13) C值计算3个剖面各层土壤次生碳酸盐所占比例。研究结果表明:3个土壤剖面的碳酸盐含量、CO_2浓度在0~50cm土层随深度增加而增加,在50~70cm土层随深度增加而减少;土壤碳酸盐δ^(13) C值、δ^(13) C_(CO_2)值在0~50cm土层随深度增加而偏负,在50~70cm土层随深度增加而偏重;土壤碳酸盐含量及其δ^(13) C值主要受次生碳酸盐比例控制,而土壤CO_2及其δ^(13) C_(CO_2)值在上层主要受大气CO_2和土壤有机质分解生成的CO_2共同影响,下层还受土-岩界面岩溶作用过程制约;退耕地、林地、灌丛剖面次生碳酸盐所占比例的均值分别为52%、42%和32%,证实北方半干旱岩溶区土壤中存在原生碳酸盐向次生碳酸盐转化过程。

土壤次生碳酸盐碳氧稳定同位素古环境意义及应用

土壤次生碳酸盐碳氧稳定同位素特征是反映古气候与古环境的重要代用指标,其碳氧稳定同位素组成分别受土壤CO2中C同位素组成和大气水的O同位素控制。在一定深度的土壤中,土壤次生碳酸盐δ13C就主要受当地植物类型(C3植物和C4植物等)控制。土壤次生碳酸盐样预处理中剔除土壤中原生碳酸盐以及有机物污染尤为重要。土壤中次生碳酸盐C、O稳定同位素地球化学在土壤发生学、古气候恢复、古生态重建以及全球变化研究中应用日益广泛,但解译时可能受应用年代范围、成岩作用、原生和次生碳酸盐混杂、土壤碳酸盐多元发生等因素影响,其应用机理和范围还需进一步探讨。

洞穴次生碳酸盐沉积的Mg/Ca与Sr/Ca比值研究进展--兼论洞穴次生沉积物Mg/Ca与Sr/Ca的影响机制

微量元素是岩溶洞穴沉积中非常重要的一类古气候环境替代指标,为近20年来国内外的一个研究热点。总结前人的研究,主要取得了以下一些重要认识:(1)洞穴上覆土壤和围岩是洞穴次生碳酸盐沉积Mg、Sr的主要来源;(2)Mg/Ca与Sr/Ca能够指示气候环境变化,但需结合其它指标综合考虑。(3)洞穴次生碳酸盐沉积Mg/Ca与Sr/Ca受多种气候环境因素(包括土壤和围岩的组成和性质、水-岩相互作用、先期碳酸盐沉积、分配系数等)影响,其古气候环境指示意义具有多解性;(4)矿物结晶作用对Mg/Ca与Sr/Ca有一定的影响,特别是文石在向方解石转变的过程中容易丢失Mg、Sr,此外,杂质的混入也将抑制Mg、Sr进入方解石,从而引起洞穴次生碳酸盐沉积Mg/Ca与Sr/Ca比值的变化。今后应进一步加强对石笋中这些微量元素的影响机制研究,尤其是对一些影响因素与微量元素含量变化之间的定量关系进行探讨。

岩溶洞穴次生碳酸盐沉积铀及其同位素组成古气候环境研究进展

洞穴沉积铀含量及其同位素初始^(234)U/^(238)U[(^(234)U/^(238)U)_0)]变化均与过去气候环境变化关系密切。文章分别对石笋中U含量和(^(234)U/^(238)U)_0,的气候意义进行统计分析发现,多数研究认为洞穴沉积U含量和(^(234)U/^(238)U)_0可能指示土壤湿度和有效降水变化。然而,不管是对洞穴沉积的U含量还是(^(234)U/^(238)U)_0,其气候环境意义解读还存在两种观点。但无论如何,这些研究成果都显示了洞穴沉积的U含量和(^(234)U/^(238)U)_0是研究过去气候环境变化的重要替代指标。在未来的研究中,除了土壤环境和过程,还应关注U来源的相对贡献变化和其他微量元素与U元素的关系。这一指标可能在对东亚地区的大气粉尘活动和冬季风演化、地表生物量的变化研究等方面发挥重要作用。

洞穴次生碳酸盐沉积稳定碳同位素研究

对国内外有关洞穴次生碳酸盐沉积(石笋)稳定碳同位素值(δ^(13)C)的研究成果进行了梳理和归纳总结,介绍了影响石笋δ^(13)C值变化的因素(如植被(包括植被类型和生物量效应)、土壤过程、大气CO_2、岩溶地下水水文(包括地下水的水动力条件、水-岩相互作用和先期碳酸盐沉积等)),同时介绍了一些模型研究中对影响石笋δ^(13)C值的某些具体气候环境因素(如滴水快慢或时间间隔、通风强度、地下水流动路径等)进行的定量评估.综合1992—2017年对洞穴石笋δ^(13)C值的研究成果,指出洞穴内滴水的CO_2去气作用可能是影响石笋δ^(13)C值变化的关键机制,建议在今后的研究中对此给予高度关注.

洞穴次生碳酸盐沉积的Sr同位素组成研究:历史与前景

对洞穴次生碳酸盐沉积87Sr/86Sr比值的研究进行了回顾,对其潜在的应用前景作了展望。87Sr/86Sr是进行沉积物来源示踪的重要地球化学指标之一。在以往的研究中,根据洞穴次生碳酸盐沉积87Sr/86Sr的变化对一些可能的Sr来源的相对贡献进行了研究,并进一步对其蕴涵的气候环境演化意义进行了探讨。在未来的研究中,示踪物源仍然将是洞穴沉积87Sr/86Sr研究的主要功能。这一指标可能在对地表土壤的化学风化强度及其变化、东亚地区的大气粉尘活动和冬季风演化、岩溶地下水古水文演化研究等方面发挥重要作用。

次生碳酸盐结核的物质组成及元素富集特点

以黄土高原南缘武功次生碳酸盐结核为研究对象,通过分析各级结核中有机质和碳酸盐的分布特征、粒度及矿物组成,结合酸溶性元素分析,明确次生碳酸盐结核的形成过程及元素富集特点。结果表明,黄土高原南缘武功全新世古土壤发育期间形成的碳酸盐结核主要由粒径>250μm结核和粒径<50μm结核相互胶结而成。次生碳酸盐首先在粘粒及细粉粒表面淀积,土壤颗粒间的孔隙随着淀积的进行逐渐被次生碳酸盐填充,碳酸盐结核逐渐形成并不断生长。随着结核的生长,碳酸盐含量大幅增加,从而稀释降低了有机质含量;同时,其颗粒组成逐渐变粗,粘土矿物含量减少。各级结核中酸溶性元素均以钙(61.03~207.36g/kg)为主,且与碳酸盐含量呈正相关,因此,CaCO_3是结核中碳酸盐的主要形式。此外,酸溶性元素中含有一定量的次生无定形硅(8.90~10.70g/kg)和铝(2.78~5.06g/kg)以及粘土矿物中的钾(3.34~4.32g/kg)和镁(2.22~3.64g/kg);同时含有少量可溶性盐中的钠(0.70~0.85g/kg)。

次生化学成因碳酸盐含量在湖泊环境变化研究中的应用与进展

湖积物中次生化学成因碳酸盐含量受控于包括温度、水分在内的众多因素,其变化可反映环境、气候及构造信息。根据影响碳酸盐含量变化主要因素的不同,可将其归纳为几种模型:水分-温度主控模型、水分主控模型、温度主控模型及其它因素主控模型,并进行了述评。

第四纪洞穴次生碳酸盐激光及同位素稀释剂法U-Pb定年

碳酸盐U-Pb年代学具有广阔的应用价值与潜力。近些年同位素稀释剂法和激光原位法碳酸盐U-Pb定年迅速发展,但国内尚未报道利用激光原位法测试的第四纪以来碳酸盐U-Pb年代,碳酸盐U-Pb定年的同位素稀释剂法也亟待开发,在此背景下西安交通大学同位素实验室针对第四纪洞穴次生碳酸盐开展了激光和稀释剂法(LA&ID MC-ICPMS)U-Pb定年方法研究。本研究利用激光法对不同碳酸盐标样进行了测试,获得的U-Pb年代结果与标准值在误差范围内一致;首次报道了三宝洞第四纪洞穴次生碳酸盐的高精度激光U-Pb定年结果,与国外实验室稀释法所得年代可相互印证;讨论了第四纪碳酸盐U-Pb定年初始U系非平衡分馏校正的有关问题,强调了稀释剂法对于δ^(234)U和Pb同位素高精度测试的重要价值;稀释剂法方面,本实验室全流程Pb本底目前能够达到世界一流水平(约10 pg);对于第四纪洞穴次生碳酸盐的初步测试结果(1.14±0.04 Ma, 2σ, n=5, MSWD=1)与国外稀释剂法及本实验室激光法在误差范围内一致,更进一步完善有望提高年代精度。本实验室建立了可靠的较高精度激光法和初步的稀释剂碳酸盐U-Pb定年方法,除了较老的碳酸盐样品以外,还能够对老于64万年的第四纪洞穴次生碳酸盐进行较高精度U-Pb年代学测试,对于早第四纪以来的众多科学问题的进一步研究具有重要意义。

青藏高原东北部黄土次生碳酸盐氧同位素的古气候意义

黄土中含有较为丰富的碳酸盐,其中次生碳酸盐记录了成壤时期的气候和环境,可以用来重建古气候.测试了末次盛冰期和全新世早期青藏高原东北部乐都、中国东北和新疆巴音布鲁克黄土中次生碳酸盐的δ^(18)O值,结果显示高原东北部这两个时期的δ^(18)O值分别为-1.38‰和-5.58‰,比该地区现代季风气候条件下次生碳酸盐δ^(18)O理论值分别高5.74‰和1.54‰.温度的差异不足以导致次生碳酸盐δ^(18)O值如此幅度的变化.同时,末次盛冰期和全新世早期乐都地区黄土中次生碳酸盐的δ^(18)O值比同时期黄土高原和东北地区等东亚季风区明显偏正约2.0‰~6.2‰,但其与新疆等西风区次生碳酸盐的δ^(18)O相近.这些不同时期黄土中次生碳酸盐的δ^(18)O值的分布特征及空间差异,可能反映东亚夏季风夹带的水汽可能不是青藏高原东北部末次盛冰期和全新世早期降水最重要的来源,而西风降水和(或)局部水汽蒸发循环对该地区的降水可能有重要贡献.青藏高原东北部黄土次生碳酸盐的δ^(18)O值从末次盛冰期到全新世早期逐渐降低,这可能是由于气候由干冷向暖湿转变、有效湿度增加而导致的.有限的数据表明不同气候带(青藏高原东北部、东亚季风区和西风带)的黄土中次生碳酸盐氧同位素存在明显差异,它所代表的气候意义值得进一步的深入研究.

福建仙云洞现代次生碳酸盐团簇同位素特征与温度重建

碳酸盐团簇同位素(Δ47)是基于碳酸盐中13C-18O丰度相较于其随机分布状态的偏离程度对温度进行估算的新型测温技术。洞穴石笋沉积过程复杂,部分石笋受动力分馏作用影响导致其碳酸盐Δ47偏离平衡体系,这些因素增大了利用石笋碳酸盐Δ47定量重建古温度的难度。本研究以典型东亚夏季风影响区的福建仙云洞为研究对象,通过对该洞现代次生碳酸盐样品的采集和稳定同位素组成的测定,探讨研究区现代次生碳酸盐Δ47特征及其重建温度的可靠性。研究结果表明:1)仙云洞5个现代次生碳酸盐样品的Δ47和δ18O结果均较为集中,而δ13C差异较大,这种样品间差异与共性并存的特征表明本研究所选样品具有代表性;2)仙云洞5个现代次生碳酸盐样品的Δ47值在0.702‰~0.720‰范围内波动,实测温度与基于平衡体系下建立的团簇同位素温度转换方程计算的温度结果较为一致,揭示出该洞穴现代次生碳酸盐Δ47接近热力平衡,不存在显著的动力分馏;3)基于洞穴次生碳酸盐的团簇同位素温度和δ18O值,推算出对应的滴水δ18O值介于-8.0‰~-7.6‰之间,这与长期监测的仙云洞滴水δ18O结果较为吻合,表明仙云洞现代次生碳酸盐氧同位素接近同位素平衡。本文研究结果为重建区域古温度和古降水提供了证据支撑。

不同粒级黄土-古土壤中碳酸盐碳氧稳定同位素组成及其古环境意义

从黄土高原中部洛川和环县两个剖面选取若干黄土和古土壤样品,分为三种粒级(>45μm、2～45μm、<2μm),挑出>45μm粒级中的根状结核与蜗牛壳化石碎片,分别测定δ13C和δ18O值。结果显示,两个剖面不同粒级组分的δ13C和δ18O值表现出相似的分布规律。洛川剖面的根状结核和蜗牛壳与分粒级样品中的<2μm粒级中碳酸盐的δ13C和δ18O值最为接近,处于相同的区域内;而>45μm粒级中的δ13C和δ18O值与其他样品有明显的差别。因此,可以认为黄土-古土壤中<2μm粒级中所含的碳酸盐可代表成壤碳酸盐,其蕴涵的地球化学信息可用以重建成壤时的古气候和古环境条件。

桂林地区近150年来的气候变化——基于^(210)Pb计年的洞穴碳酸盐沉积物记录

采用 ^(210)Pb定年和碳、氧稳定同位素分析方法对盘龙洞内的洞穴次生碳酸盐沉积物进行了系统研究,重建桂林地区近150年来的气候变化。本文采用的次生碳酸盐沉积物是采自桂林盘龙洞中的P001石笋和P007流石,分别获得9个和12个 ^(210)Pb测年数据;以及41个和46个碳、氧同位素数据。P001石笋碳、氧同位素记录年代跨度为公元1869～2002年,δ^(18)O平均值为-6.28‰,δ^(13)C平均值为-7.59‰;P007流石碳、氧同位素记录跨度为公元1854～2004年,δ^(18)O平均值为-5.27‰,δ^(13)C平均值为-6.68‰。P001石笋和P007流石碳、氧同位素记录的低频信号显示出一致的变化趋势,而且二者的δ^(13)C曲线相对δ^(18)O曲线一致性更强,说明它们受同样环境条件所制约,同时也说明了其 ^(210)Pb年代系列的建立是可靠的。盘龙洞石笋和流石的δ^(18)O和δ^(13)C记录在公元1930～1965年都出现一个低谷,表明该时段植被生产力相对减弱,亦即降水相对减少。通过P001石笋和P007流石的碳、氧同位素记录与现代降雨记录的比较可知,在年际至10年际尺度上,氧同位素反映的为降水或者季风的强弱。由此,公元1854年到2005年的151年内,盘龙洞碳酸盐沉积物氧同位素所反映的气候变化信息为3个阶段:1)1854年至1900年的相对较强季风期,降水量较丰,δ ^(18)O平均值为-6.3‰;2)1900年至1960年的较弱季风期,降水量较少,δ ^(18)O平均值为-5.1‰;3)1960年至2005年的较强季风期,降水量较丰富,δ ^(18)O平均值为-6.1‰。

洞穴碳酸盐^(230)Th-^(234)U-^(238)U测年初始钍校正的等时线研究

初始钍的校正是不纯沉积碳酸盐230Th 234U 238U测年的一个重要方面,洞穴石笋初始Th校正通常采用230Th/232Th的原子比值为(4. 4±2. 2)×10-6。多年来4种不同的等时线方法应用到不纯碳酸盐测年初始Th的校正中,其中全样品的等时线方法是目前公认的较为完善的一种方法。通过测定云南同一石笋2个不同层位的9个样品的U、Th同位素组成,并进行等时线分析,结果表明2层样品初始钍230Th/232Th原子比值分别为(3. 5±2. 8)×10-6和(10. 6±2. 2)×10-6,这说明即使在同一地区,由于其混入Th来源的复杂性,230Th/232Th初始比值在同一样品不同层位仍可能有较大的差异,因此不能够完全采用单一层位等时线获得的初始值对整个样品进行校正。考虑到在实验测量过程中,232Th含量的过高对于230Th的准确测定也有很大的影响,应尽量选择纯净石笋样品进行测年研究,在样品的选择和前处理过程中就减少初始钍的影响,这对获得高精度的测年结果有着重要的意义。

半干旱区退化草地开垦为苜蓿地对土壤无机碳的影响

为分析半干旱区退化草地开垦后土壤无机碳储量的变化,探讨开垦对土壤无机碳的影响机制,以半干旱区开垦农田(苜蓿地)为研究对象,以邻近的退化草地(荒漠草原)作为对照,借助碳稳定同位素技术,测定并计算0~300 cm土壤深度土壤无机碳(SIC)、次生碳酸盐(PIC)和原生碳酸盐(LIC)的储量。结果表明,与退化草地相比,苜蓿地0~300 cm处的SIC总储量显著增加了88.42 Mg·hm^(-2),PIC总储量显著增加了105.71 Mg·hm^(-2),LIC总储量显著减少了17.29 Mg·hm^(-2)。退化草地开垦促进了PIC在深层土壤的积累,进而促进了SIC的增加,表明开垦能够增强半干旱地区土壤的固碳能力,且PIC的增加导致了SIC的净累积。

长期外源有机物料添加对土壤无机碳库的影响

长期外源有机物料添加对农田土壤无机碳库的具体影响尚不清楚。本研究基于华北农田16年的长期定位试验,开展了6个施肥处理[对照(CK)、单施氮肥(N)、单施化肥(NPK)、氮肥配施有机肥(MN)、化肥配施有机肥(MNPK)和化肥配施秸秆(SNPK)]对土壤碳库分布及其相关理化性质影响的研究,并运用主成分分析法探讨了外源有机物料添加对土壤碳库变化的影响机制。研究结果表明:与CK相比,长期外源有机物料添加使0~20cm土层的土壤有机碳(SOC)含量平均提高45%;MNPK处理使40~50 cm土层的土壤无机碳(SIC)含量提高21%,而SNPK处理使50~60 cm土层的SIC含量降低28%。土壤pH和水分条件是SIC变化的关键因素,同时SOC含量、有机物料投入量、土壤母质等因子共同影响该过程;秸秆分解会产生有机酸和CO_(2)并促进本底SOC矿化产生更多CO_(2),进而导致土壤pH显著下降,这是SNPK处理导致深层SIC显著损失的主要原因。综上,化肥配施有机肥有利于土壤有机碳和无机碳的积累,而化肥配施秸秆则可能导致深层无机碳的损失,这不仅为揭示外源有机物料添加后土壤碳库的转化机制提供理论依据,而且对评估SIC在土壤碳储存中的关键作用具有重要意义。

新疆奇台绿洲不同耕作年限荒漠灰钙土无机碳变化及其影响因素

荒漠灰钙土是天山北麓地带性土壤,富含碳酸盐和硫酸钙,是优质土地后备资源。本研究采用野外调查取样与室内实验相结合的方法,对新疆奇台绿洲不同耕作年限(<3 a、10 a、20 a、30 a、>40 a)荒漠灰钙土无机碳变化及其影响因素进行分析,探讨了土壤无机碳与土壤理化参数间的关系,特别是石膏对土壤无机碳的增汇作用。结果表明:①耕作层和犁底层的无机碳,对人类活动十分敏感。土壤无机碳随耕作年限先降低后升高,在耕作后的前10 a迅速下降表现为碳源,而后逐渐上升超过初始含量重新转为碳汇,耕作>40 a后土壤无机碳含量较耕作<3 a增加超过10 g·kg^(-1);②土壤无机碳的稳定性同位素δ^(13)C随着耕作年限的增加持续负向偏移,表现出具有截存现代大气CO_(2)的潜力;③荒漠灰钙土中含有极易风化且储量可观的石膏,为次生碳酸盐淀积提供了大量的钙源,这些Ca2+含量决定了研究区土壤无机碳库最终的储量大小。综上说明,富含石膏的荒漠灰钙土耕作后,具有较强的土壤无机碳增汇潜力,重视和准确估算这部分碳增汇潜力有助于我国“双碳”目标的实现。

阿拉善沙漠全新世钙质根管形成机制及其古环境指示意义:来自微观形态学证据

阿拉善沙漠腹地广泛分布着全新世时期的钙质根管。虽然已有研究将其应用于古环境重建工作,但对其形成机制尚缺乏明确认识并且存在较大的分歧,这些分歧限制了其在古环境重建中的应用,同时对钙质根管是否具有明确的古环境指示意义提出了需要进一步深入探讨的问题。对阿拉善沙漠32组全新世钙质根管进行了扫描电镜分析,观察了钙质根管中是否具有方解石结晶垫和钙化细丝等明确生物成因的微观结构。研究结果显示:全部32组样品中均发现了方解石结晶垫结构或钙化细丝结构,其中20组样品发现了方解石结晶垫结构; 19组样品发现了钙化细丝结构。证实了植物根系和根围微生物活动参与了该地区钙质根管的形成。阿拉善沙漠钙质根管的形成主要是由于土壤水分的季节性亏损,在蒸发作用的影响下,土壤中的次生碳酸盐在植物根系周围形成了管状的沉积,而非由地下水重结晶作用形成的。由于阿拉善沙漠钙质根管在形成过程中,不仅受到了土壤含水量以及蒸发量的影响,还受到植物根系和微生物作用的影响。因此,钙质根管中记录了区域古环境和古植被信息,是沙漠腹地古环境重建良好的信息载体。可从钙质根管中提取古环境信息,重建沙漠腹地古气候以及古植被的变化。但是对沙漠腹地湖泊周围的丘间洼地和局地滞水环境下形成的钙质根管,更多的指示了一种局地土壤水分环境而非区域古气候环境。本研究为沙漠地区古气候变化提供了新的重建材料和证据,并拓展了干旱区古气候和古环境变化的研究领域。