中蒙邊境土壤有機(jī)質(zhì)碳同位素與磁化率的變化及其氣候意義

中蒙邊境土壤有機(jī)質(zhì)碳同位素與磁化率的變化及其氣候意義

土壤、古土壤和湖泊等沉積物中的有機(jī)碳平等量和磁化率指數(shù)主要用于反映氣候的變化。但是,許多反映氣候的代用指標(biāo)因?yàn)榫唧w環(huán)境的不同而具有不同的氣候意義[3～5]。如磁化率指標(biāo),呂厚遠(yuǎn)研究發(fā)現(xiàn),在降雨量大于1100mm的地區(qū),磁化率的高值代表溫度和降雨量值相對(duì)較低;在降雨量小于1100mm的部分地區(qū),磁化率的高值代表溫度和降雨量值相對(duì)較高。在利用土壤中的有機(jī)質(zhì)碳同位素指標(biāo)來(lái)估算植被中C3、C4植物的相對(duì)生物量時(shí),Cerling和Dzurec使用的公式,對(duì)研究中國(guó)北方區(qū)域不適合。因此,在一個(gè)具體的研究地區(qū),有必要對(duì)擬使用的氣候環(huán)境替代指標(biāo)的指代意義先進(jìn)行驗(yàn)證,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行古氣候研究才可以增加可信性。中國(guó)北部干旱半干旱區(qū),具有鮮明的氣候和植被分帶特征,這一特點(diǎn)為驗(yàn)證已有的氣候代用指標(biāo)提供了良好的條件。在這個(gè)地區(qū),我們選擇了表層土壤磁化率和有機(jī)質(zhì)碳同位素兩個(gè)氣候代用指標(biāo)來(lái)驗(yàn)證其氣候意義。1學(xué)習(xí)方法1.1降水量和氣溫分布研究區(qū)域位于中國(guó)西北內(nèi)陸,從秦嶺山脈北坡的寶雞市(34o14′24″N,106°55′30″E)附近開(kāi)始,一直到蒙古國(guó)共和國(guó)的曼達(dá)爾城附近(42o21′35″N,109°58′34″E)。該研究區(qū)的降水具有從東南向西北減少的趨勢(shì):在34°～36°N地區(qū)(寶雞—平?jīng)?,年降水量為400～600mm;在37°～39°N地區(qū),年降水量約為230mm,在40°～42°N地區(qū)(黃河谷地-大青山),年降水量約為300mm。在冬季,氣溫自東南向西北依次降低;在夏季,這種氣溫分布格局被37°N以北出現(xiàn)的高原熱力現(xiàn)象所破壞。相應(yīng)的植被帶,從南到北為落葉闊葉林—草原—荒漠草原依次分布(圖1)。1.2樣品的采集和分析1.2.1盤(pán)山,樹(shù)立中國(guó)—樣品的采集野外樣品于2002年8月采集,采樣點(diǎn)的橫斷面開(kāi)始于秦嶺山脈北坡,距陜西省寶雞市30km處(34°14′24″N,106°55′30″E),向北經(jīng)六盤(pán)山,鄂爾多斯,結(jié)束于中國(guó)和蒙古邊界的曼達(dá)爾城市附近(42°21′35″N,109°58′34″E)。經(jīng)度上從105°E到110°E,跨越了5個(gè)經(jīng)度帶,緯度上從34°N到42°N,跨越了8個(gè)緯度帶。沿著整個(gè)剖面緯度每隔4′到5′取一個(gè)采樣點(diǎn),采集的樣品是位于地表0～15cm的土壤表層。采樣地點(diǎn)盡量選擇在沒(méi)受人類(lèi)干擾的地方,一般在離耕作區(qū)和城市較遠(yuǎn),并有天然植被覆蓋的地區(qū)。1.2.2碳同位素分析有機(jī)質(zhì)碳同位素的分析方法:先將樣品在50℃下烘干,用研缽磨碎,過(guò)140目(孔徑為0.105mm)的分樣篩,以除去混在土壤中的植物根系和大的土壤顆粒,再用稀鹽酸除去樣品中的碳酸鹽礦物。有機(jī)質(zhì)中的δ13C值測(cè)定采用高溫灼燒氧化法,將樣品置于真空石英管內(nèi),通入高純氧氣,在850℃條件下灼燒15分鐘,使樣品中的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化成CO2氣體。采用液氮和酒精液氮等不同冷凍劑分離、凈化CO2氣體,并收集于集氣管中。最后用德國(guó)生產(chǎn)的MAT252質(zhì)譜儀進(jìn)行碳同位素分析。δ13C的值由下式計(jì)算:樣品數(shù)據(jù)為相對(duì)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的PDB值。分析過(guò)程中,每5個(gè)樣品加入一個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBW04407(標(biāo)準(zhǔn)值為-22.43‰,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.07)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控,使標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.2‰。磁化率的測(cè)量方法:先將采集的樣品在40℃下烘干,用研缽磨碎,然后用BartingtonMS2磁化率儀進(jìn)行測(cè)量。2結(jié)果和討論2.1研究區(qū)土壤磁化率的日變化該研究區(qū)土壤δ13C值的變化范圍在-31‰～-22‰之間,并且沿著采樣剖面顯示出一定的區(qū)域差異。整個(gè)研究剖面(34°N～43°N),土壤碳同位素的總體變化趨勢(shì)略為一個(gè)弧形(圖2)。其中,在34.2°N～34.5°N(秦嶺山脈北坡附近)碳同位素值在-30‰左右。往北,34.5°N～36.7°N(接近中國(guó)黃土高原的地區(qū))形成一個(gè)小的高值區(qū)域,其值約為-28‰。再往北,39oN左右(毛烏素沙漠地區(qū))和42°N左右(戈壁沙漠地區(qū)),δ13C值處于一個(gè)次高值(-24‰)和最高值(-22‰),在這兩個(gè)峰值區(qū)域之間是一個(gè)相對(duì)的低谷(δ13C值為-26‰)。該研究區(qū)表層土壤磁化率的變化范圍在2×10-7m3/kg～16×10-7m3/kg之間,并且沿著采樣剖面顯示出一定的區(qū)域差異。整個(gè)研究剖面(從34°N～43°N),表層土壤磁化率的總體變化趨勢(shì)略為一個(gè)弧形。其中,在34.25°N～36.7°N之間(黃土高原南部和中部地區(qū)),磁化率值相對(duì)較高,變化在16×10-7m3/kg～4×10-7m3/kg之間。在36.7°N～40°N之間(黃土高原北部、毛烏素沙漠,戈壁沙漠地區(qū)),磁化率值一直處于低谷,處在2×10-7m3/kg～4×10-7m3/kg之間。再往北,41°N以北(戈壁沙漠的北部邊緣),磁化率又略有上升。通過(guò)分析采樣剖面附近16個(gè)氣象站點(diǎn)1991-2000的氣象資料。發(fā)現(xiàn)該研究區(qū)的年均降水量在230～570mm之間。整個(gè)研究剖面從34°～43°N,年降水量隨緯度的變化趨勢(shì)大體上也呈一弧形(圖2)。其中,37°N以南(黃土高原南坡以南地區(qū))和40°～41°N(黃和谷地和大青山地區(qū))降水量較高。37°～40°N(黃土高原和毛烏素沙漠)和41°N以北(戈壁沙漠地區(qū)),降水量較低。本區(qū)的年降水量、表土有機(jī)質(zhì)碳同位素和磁化率隨緯度的變化趨勢(shì)大體相似,在36°～41°N之間,都形成一個(gè)明顯的弧形。這種變化趨勢(shì)的一致性說(shuō)明了年降水量、土壤有機(jī)碳同位素、土壤磁化率之間存在著明顯的相關(guān)關(guān)系(圖2)。2.2對(duì)當(dāng)?shù)貧夂虻闹甘咀饔靡郧暗难芯恳呀?jīng)證實(shí),不同光合作用途徑(C3,C4和CAM)的植物有不同的δ13C的變化范圍[9～12],植物中的有機(jī)碳同位素可以指示當(dāng)?shù)氐臍夂驙顩r。土壤有機(jī)質(zhì)中的δ13C主要是附近的植物殘?bào)w逐漸積累而來(lái)[13～16],土壤有機(jī)質(zhì)中的碳同位素可以指示當(dāng)?shù)氐闹脖粻顩r。而植被狀況在很大程度上是由當(dāng)?shù)氐臍夂驔Q定的,所以,土壤有機(jī)質(zhì)碳同位素也可以指示當(dāng)?shù)氐臍夂驙顩r。在中國(guó)北方干旱半干旱環(huán)境中(從34°N～43°N)年降水量絕大部分都小于400mm。該地區(qū)的植物類(lèi)型主要是C3植物,C4植物的比例不超過(guò)35%。王國(guó)安研究了表土中主要由C4植物轉(zhuǎn)化成的有機(jī)質(zhì)碳同位素與年降水量的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)了在降雨量小于400mm的地區(qū),有機(jī)質(zhì)的碳同位素隨著年降雨量的增加而減小,在降雨量大于400mm的地區(qū),碳同位素隨著年降雨量的增加而增加。陳拓等通過(guò)研究阜康地區(qū)C3植物有機(jī)質(zhì)碳同位素,發(fā)現(xiàn)了該區(qū)域C3植物碳同位素與年降水量之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。在該研究區(qū),我們的研究結(jié)論表明,表土中的有機(jī)質(zhì)的碳同位素δ13C與年降水量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R2=0.5592(圖3)。2.3年降水量對(duì)磁化率的影響中國(guó)黃土和土壤樣品提取出的超細(xì)亞鐵磁性物質(zhì)是在土壤形成過(guò)程中在原地沉淀生成的。在干旱條件下,發(fā)生Fe的氧化,導(dǎo)致混合的Fe2+/Fe3+化合物沉淀生成磁鐵礦,在潮濕的狀況下發(fā)生Fe的還原和溶解。土壤水分的含量和降水的季節(jié)性交替變化是這一系列化學(xué)反應(yīng)交替進(jìn)行的必要條件。降水量的大小對(duì)磁性礦物的產(chǎn)生尤為重要,降水量越大,生化反應(yīng)越活躍,越有利于磁性礦物的產(chǎn)生。而大量的現(xiàn)代表土的磁化率測(cè)量也證實(shí)了土壤的磁化率與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件特別是降水量的關(guān)系密切相關(guān)[3～5]。本文通過(guò)對(duì)中國(guó)西北干旱、半干旱地區(qū)的表土磁化率和年均降水量的回歸檢驗(yàn),從中選取了一種相關(guān)系數(shù)最大的對(duì)數(shù)多項(xiàng)式進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)表土的磁化率與年降水量之間呈很好的函數(shù)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R2=0.5229。從函數(shù)的擬合曲線(xiàn)可以看出,總體上磁化率隨年降水量的增加而增加(圖4)。這說(shuō)明在研究干旱、半干旱地區(qū)古氣候時(shí),也可以利用土壤磁化率指標(biāo)反映降水量的變化,進(jìn)而定量的恢復(fù)古降水的狀況。3表土中的化合物13c-磁化率,和年降水量的相關(guān)關(guān)系。年在中國(guó)西北干旱和半干旱地區(qū)的縱向剖面上(從34°N～43°N),表土有機(jī)質(zhì)同位素δ13C、磁化率和年降水量隨緯度變化的大體趨勢(shì)是一致的,表現(xiàn)為一種中間凸起的弧形。表土中的同位素δ13C、磁化率和年降水量有很好的相關(guān)關(guān)系。表土中的同位素δ13C隨著年降水量增加而減少,呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。而表土中的磁化率在總體上隨著年降水量的增加而增加。這些相關(guān)性,一方面表明三者之間有著互相依存,相互制約的關(guān)系,另一方面表明土壤中的同位素δ13C、磁化率對(duì)年降水量大小有明顯的指示作用,可以用古土壤中的有機(jī)質(zhì)碳同位素和磁化率作為降水量的代用指標(biāo),來(lái)反映干旱、半干旱地區(qū)的古降水狀況。在中國(guó)北部的黃土高原和內(nèi)蒙古高原地區(qū),亞洲季風(fēng)的強(qiáng)弱影響到古氣候演變[20～21],影響到該地區(qū)的植被分布。這種氣候的