東北及鄰區過去兩萬年來有機碳同位素記錄特征

勇心意，張 瑞，張 碩，于夢晴

（遼寧師范大學 地理科學學院，遼寧 大連）

引言

全球變暖已經成為社會各界廣泛關注的環境問題，全球變暖的加劇引發了諸多極端氣候事件與環境問題，對人類的生存與發展提出了嚴峻的挑戰。

末次冰盛期（LGM) 以來經歷了從冷干到暖濕的變化過程，這一升溫過程就包含了未來全球增溫的近似場景。為評估現代和未來氣候環境變化，就需要對過去氣候變化歷史有清晰的認識。

土壤有機質主要來源于上覆植物殘體的分解累積，土壤有機碳同位素與當地陸生植物的碳同位素基本一致，Dzurec 等[1]通過測定土壤有機碳同位素值來揭示Curlew 山谷中植被的演化；Kelly 等[2]通過分析美國中部大平原土壤有機碳同位素的變化來揭示全新世以來古氣候的演化。泥炭、湖泊沉積物由于覆蓋范圍廣、連續性好、分辨率高等優勢成為重建古環境，反映古氣候的重要載體[3-4]。正構烷烴是重要的生物標志物，可在湖泊、泥炭沉積物中保存數百萬年[5]，能較好地記錄沉積區內植被與氣候的相關信息。本研究通過重建LGM以來東北及鄰區碳同位素演化序列，結合古氣候記錄，探討影響東北及鄰區碳同位素的變化及其主要因素。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

本研究區為東北及內蒙古部分地區，包括黑龍江、吉林以及內蒙古中東部地區。氣候類型涵蓋溫帶季風與溫帶大陸性氣候，植被類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]，包含季風區與非季風區界限，氣候多變，生態環境脆弱。

1.2 數據選擇與處理

本研究利用互聯網中英文數據庫，系統收集LGM以來東北及鄰區已發表的13 條碳同位素序列，包含9條湖泊、泥炭正構烷烴單體碳同位素與4 條古土壤有機碳同位素序列（圖1）。數據篩選遵循以下原則：

圖1 研究區碳同位素數據點分布

（1） 數據類型為黃土- 古土壤有機質碳同位素，或湖泊、泥炭沉積長鏈正構烷烴碳同位素（圖2a）。

圖2 研究區碳同位素序列信息

（2） 時間跨度不低于5 000 年。

（3） 具有可靠的年代框架，至少包含3 個絕對測年數據（例如，加速器放射性碳測年（AMS14C）、光釋光測年（OSL）等）（圖2b）。

對湖泊、泥炭的放射性14C 年齡校正為日歷年齡，使其可以與土壤測定的光釋光年齡對比。去除碳庫效應，然后利用Intcal20 校正曲線。最后，利用線性內插來確定各序列的年齡- 深度模型，上述操作在R 軟件中進行。而后對各碳同位素記錄以每1 000 年時間間隔對數據進行算數平均，分別獲得LGM以來土壤有機碳同位素與湖泊、泥炭單體碳同位素兩條變化曲線。

對湖泊、泥炭沉積物長鏈正構烷烴n-C27、n-C29、n-C31或n-C33的δ13C 值進行加權平均[7]，獲得wt.δ13CC27-33值，計算公式如下。

式中：wt.δ13CC27-33為長鏈正構烷烴δ13C 的加權平均值；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的相對含量。

為統一長鏈正構烷烴單體δ13C 與土壤有機質δ13CSOM兩種指標的碳同位素值，需對長鏈正構烷烴δ13C 值進行校正。Rao 等[8]對中國東部北緯18°～50°范圍內表土有機質δ13CSOM和長鏈正構烷烴δ13C 對比發現，兩者呈正相關，其均值為8.1‰，不隨緯度變化。因此，選取8.1‰來校正長鏈正構烷烴δ13C 的加權平均值。最后計算各研究點位碳同位素每千年的算數平均值，獲得總體（校正后）東北及鄰區碳同位素變化曲線。并利用ArcGIS、Origin 軟件繪制研究點位分布圖與碳同位素時間演化序列。

2 結果

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

圖3 LGM 以來研究區碳同位素變化曲線

對比土壤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δ13CSOM值最為偏正的時期，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。湖泊、泥炭長鏈正構烷烴單體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值的變化趨勢類似。

3 討論

研究發現，土壤有機碳同位素與降水的關系密切，AN 等[9]研究發現黃土高原土壤δ13CSOM值與年降水呈現正相關，但外蒙古- 寶雞剖面土壤δ13CSOM值與降水呈負相關[10]。為明確東北及鄰區δ13C 值變化的主導因素，本研究將重建的東北及鄰區21kaBP 以來的δ13C 值記錄與溫度[11]、降水[12]、有效濕度[13]、太陽輻射[14]、CO2濃度[15]等古氣候記錄對比,探究東北及鄰區LGM 以來的δ13C 值變化的主導因素及古氣候環境變化信息。

觀察大氣CO2濃度曲線（圖4a）可知，過去兩萬年來大氣CO2濃度一直持續、穩定上升，對比δ13C 曲線（圖4f）發現，在早全新世δ13C 曲線到達最大值后呈顯著下降，這與大氣CO2濃度持續上升的變化趨勢明顯不符。

圖4 LGM 以來古氣候記錄與研究區重建的碳同位素演化序列

觀察碳同位素曲線（圖4f）發現，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顯著的上升，是兩萬年來δ13C 值最偏正的時期，對比溫度、降水、濕度（Paq）、太陽輻射曲線（圖4b，圖4c，圖4d，圖4e）發現，早全新世溫度與降水同步增加，但隨著35°N 太陽輻射量在早全新世達到最大值，使得全新世早期呈現溫暖干燥的氣候，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論一致[16-17]。全新世中期降水與濕度曲線達到最大，碳同位素值出現明顯負偏，推測由于35°N 太陽輻射量減少，降水增加，導致有效濕度增加使得碳同位素值逐漸偏負。晚全新世時降水與有效濕度均下降，δ13C 值也呈現穩定微升的趨勢，兩者具有很好的對應關系。因此，本研究認為LGM以來東北及鄰區碳同位素值的變化主要是由有效濕度決定的。

4 結論

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