湖泊沉積有機質穩定碳同位素

1975年，stuver報道了12個湖泊沉積物中有機碳的體積值，并對影響13個碳相值變化的因素進行了探討。由于每個湖泊有機質來源的缺乏，環境變化討論變得有限，但他提出了建議，引起了人們對湖泊沉積物13corg數據環境意義的研究。在新英格蘭的五個湖泊和瑞典南部的七個湖泊的研究成果的基礎上，hakanson全面討論了影響湖泊沉積物13corg變化的許多因素。自20世紀90年代以來，中國科學家開始研究湖泊沉積物13corg數據的環境意義，并取得了良好的成果。同時，國際當局也為這一重要環境指數的研究做出了著名的成果。在過去五年中，可以確定海洋沉積物中有機碳的特定生物起源的類脂質生物指標，并使用其特定化合物的碳固定值來指示冰期生態環境變化。中國科學家還對海洋沉積物13corg數據集進行了分析和總結，以闡明了變化前后碳交換的重要性。應用湖泊沉積有機質穩定碳同位素解釋冰后期氣候環境變化大體可以歸納為以下幾種主要模型:(1)大氣CO2主控模型(Ⅰ)一些湖泊每年的對流混合和生物成因碳酸鹽的快速溶解使得大氣CO2與湖中溶解CO2保持平衡.由于依賴水體中溶解CO2為生的水生生物的δ13C值取決于水體中溶解CO2的濃度,當大氣中CO2濃度(pCO2)發生變更時,會影響到水生生物的碳同位素分餾,即造成其δ13C值的改變.例如,大氣CO2濃度的增大及水體中CO2含量的增高會造成水生物的δ13C值的負增長.對日本琵琶湖底12m長巖芯柱有機質碳同位素的研究結果表明,造成δ13Corg值在末次冰期至冰后期時段從-21.5‰至-25.5‰改變的原因既非有機質保存或源物質的改變,也非水溫改變所至,而是水生生物對當時湖水中CO2含量的提高即大氣CO2含量從200mg/kg至280mg/kg改變反應的結果.對貝加爾湖鉆孔巖芯有機碳同位素測定結果顯示,δ13Corg記錄具有與琵琶湖記錄類似的變化格局,因而也被歸結為當時大氣pCO2變化所致.(2)植被類型主控模型(Ⅱ)眾所周知,陸生C3植物的δ13Corg值(-22‰至-33‰)明顯低于C4植物(-10‰至-20‰).如果湖泊有機質源于陸生植物孢粉而非自生浮游生物,而且有證據說明δ13Corg值保持了其同位素信息的原始性,不存在諸如成巖作用引發的13C貧化等后期改變.在這種情況下,湖區周圍的植被類型及其隨氣候變化而發生的改變,會成為導致湖泊沉積δ13Corg值變化的主控因素.對喀麥隆西部熱帶雨林區的火山口湖湖心110m水深處鉆取的巖芯進行了δ13Corg、孢粉、C/N比值、氫指數的分析測定并研究建立了此類δ13Corg環境解釋模型,即把δ13Corg的變化作為指示C3/C4生物量變化的良好指標.δ13Corg記錄與孢粉記錄一道,指示了湖區25kaB.P.以來發生的主要環境變遷及4個主要的植被與氣候分段.此前對維多利亞湖等東非湖泊沉積δ13Corg記錄的研究業已提出了模型(Ⅱ)的基本構型.(3)大氣CO2主控δ13Calga及植被變遷模型(Ⅲ)對東非肯尼亞國赤道附近的兩個高海拔淺水湖泊LakeKimilili尤其是LakeSacred沉積巖芯的研究結果表明,末次冰期(約24-13kaB.P.)沉積物中富含草本植物孢粉,其δ13Corg值為-18‰至-14‰.在全新世開始前后(約10.3kaB.P.左右),δ13Corg值急劇下降至-31.5‰,相應出現了TOC含量從20%迅速增長到50%.同期還出現了指示森林上界線的迅速上升的孢粉組合.沉積巖芯中類脂化合物及其主要單體生物標志化合物碳同位素含量的分析結果顯示,葉蠟組分(代表較高等植物來源)的δ13C值冰期至間冰期的平均變化超過+15‰.其同位素高值出現在13kaB.P.以前的沉積物中,指示在冰期輸入該湖的陸生碳主要以C4植物碎屑為主.同位素相對低值則出現在13kaB.P.以后,反映了沉積物總有機碳主要源于C3植物,與此時濕潤山地森林再度覆蓋該區的孢粉記錄相一致.沉積物中的烯(屬)烴被認為主要源于該湖的綠藻Botryococcusbraunii.其碳同位素值在冰期明顯高于全新世,與葉臘組分的一些特定化合物碳同位素值相比,變化趨勢一致即δ13C曲線彼此之間基本平行,而且變幅更大.研究者在分析和探討了各種可能的影響因素之后認為,該湖沉積物中綠藻烯烴δ13C相對高值是由于冰期湖水中溶解CO2濃度偏低造成的,而這種偏低又是由于當時大氣CO2分壓較低所致.由此推論,大氣CO2濃度從冰期至全新世由低到高的變化不僅造成湖水溶解CO2濃度的增高,而且主導了陸地生物量的增長及非洲熱帶雨林的擴張,由此造成該湖沉積物δ13Corg值從冰期至全新世顯著的負增長.(4)浮游植物型溫度主控模型(Ⅳ1)對瑞士湖泊現代水體碳同位素研究結果顯示,在以硅藻為主的浮游植物茂盛和高產的7,8,9三個月中,溶解無機碳與微粒有機碳的同位素值之間存在有+0.36‰分餾因子均值.研究者認為,此分餾因子主要受溫度控制,其值與海洋同類研究成果以及實驗室研究計算值類似,即當溫度低于16℃時此分餾因子為+0.36‰,而高于16℃時為-0.36‰.對該湖泊沉積巖芯自生有機物質δ13C測定結果顯示,全新世早期的δ13Corg值要比晚全新世晚期低約2‰.假定該湖有機與無機碳庫的同位素分餾作用不隨時間變化,并且應用-0.36‰的分餾因子解釋巖芯的變化曲線則可以得出以下結論:阿爾卑斯山地區全新世早期的溫暖氣候致使該湖的表面水溫升高,比全新世晚期高約5.5℃左右.(5)陸源C3植物型溫度主控模型(Ⅳ2)如果湖泊沉積剖面中的有機碳主要來源于陸生植物,并且有證據說明沉積有機質保持了原始母質的性質,此外還因為植物整體的δ13C值與其纖維素的δ13C值具有較好的相關關系,那么,植物光合作用過程中的同位素分餾近似表達式以及這種分餾隨溫度和濕度變化的機理就可以用來解答沉積剖面中δ13Corg值的不同取向與湖區氣候變化相關聯.一般而言,這種關聯與干旱區樹木年輪的環境同位素結果相類似:δ13Corg值增大反映溫度升高,降水量降低.反之亦反.沈吉等在研究大布蘇湖東部學字井沉積剖面δ13Corg記錄的過程中建立了這一模型,藉此解釋了湖區15kaB.P.以來的氣候變化.(6)有機產率主控模型(Ⅴ)Stuiver分析12個湖泊沉積巖芯δ13Corg值隨深度變化的結果時發現,一些湖泊的低δ13Corg值對應于氣候較冷期和湖泊低生產率期,而高δ13Corg值則對應于全新世較暖氣候和較高湖泊生產率期.對此他認為,湖泊的有機生產率提高后,水生植物會增大對12CO2選擇性吸收,從而提高水體中HCO3的13C水平,造成水生生物的δ13Corg值增大.以上扼要介紹了湖泊沉積δ13Corg環境解釋模型.它們在一定程度上反映了最近二、三十年以來這方面研究工作的概貌和進展.早期的模型(Ⅴ),由于當時對沉積有機碳來源方面的信息缺乏了解,似乎很少得到以后的研究工作的驗證和應用.許多湖泊的有機生產率在全新世顯著提高,而δ13Corg值卻明顯偏負了.是由于其它“致負”因素的作用,還是該模型所述機理適用性方面的問題,似乎有深入探討的必要.顯而易見的是,在應用上述環境解釋模型時必須滿足各模型所設定的基本前提條件.例如,模型(Ⅳ2)的基本前提條件是,在過去15000年即形成所研究的整個沉積序列的過程中,以陸生植物為主導的有機質的輸入保持不變.又如模型(Ⅳ1),除了假設所研究湖泊的有機碳和無機碳儲存庫之間的同位素分餾在全新世期間保持不變外,還應該能證明在全新世早期δ13Corg值比晚期偏負2‰與其它影響因素無關.再如模型(Ⅱ),必須確認湖泊浮游植物對沉積物中的有機碳的貢獻甚微.對模型(Ⅰ)而言,只有當湖泊中的溶解CO2與大氣CO2保持平衡,而且水生生物的δ13Corg值的取向受控于CO2濃度這些條件的確具備的前提下,該模型才具備被應用的基礎.隨著研究工作的深入,人們對湖泊有機碳來源、碳循環、碳同位素分餾機制及影響因素的認識有了顯著的提高.同時,有待解決的遺留問題也不少.舉例說,模型(Ⅳ1)中的溫度主控同位素分餾因子為何以16℃為界出現正或負兩種取向問題仍然是個迷團.就模型(Ⅳ2)涉及到的C3植物同位素分餾關系式本身而言,雖然對美國亞利桑那州干旱區檜樹細枝和葉子以及荷蘭樹木的同位素測定結果證明了溫度和濕度與C3植物光合作用過程中同位素分餾取向的相關關系的可行性,但復雜性在于:植物相對于溫度系數的碳同位素分餾并非簡單的線性相關關系,而是會有正負兩種取向,這要看分餾時的溫度是低于還是高于植物本身的最佳光合作用峰值溫度;而且,不同種類的植物又會有不同的最佳峰值溫度.C3植物的最佳光合作用峰值溫度在20-30℃之間,即便C3植物同位素分餾關系式可用于C4植物,考慮到C4植物的最佳峰值溫度在30-40℃之間,與C3植物的差別較大,其影響程度有賴于實驗或理論計算進行論證.查明湖泊沉積物中有機質的主要來源以及在過去不同時期內出現過的變化,這是應用或建立δ13Corg環境解釋模型要作的基本和必須要作的工作.為此,有機C/N比值通常不失為一種有效且較為簡單明了的方法.由于有機氮優先出現在植物的蛋白和核酸中,低等植物如湖藻和大型藻類的原蛋白含量為24%左右,遠高于陸生禾木科或莎草科植物6%左右的原蛋白含量,因此,前者的C/N比值較低,僅為5-12左右,而后者的C/N比值可以高達45-50.正因為不同種類植物的C/N比值具有這種鮮明的差異,通過測定沉積物中有機質的C/N比值,就能夠大體判別其中的有機質是源于湖泊自生還是湖泊以外.一些湖泊沉積物的有機碳與氮隨孔芯深度呈現同步變化和較好的正相關關系,且C/N比值在5-12之間.這種情況表明,沉積有機物質始終源于湖泊自產且來源穩定.青海湖底部巖芯有機碳氮測定結果就顯示了這種特征.有些湖泊沉積巖芯的C/N比值可能會指示有機質外源與內源交錯的混合源模式.這同樣會為δ13Corg記錄的環境解釋提供極為有用的基礎信息.對那些時間跨度大、包含了多次古氣候循環的湖泊沉積檔案而言,C/N比值的提供對δ13Corg記錄的環境解釋顯得尤其必要.它在相當大程度上幫助判別在整個沉積序列形成過程中何時為湖泊自生有機碳源,何時為外源,何時又可能是混合碳源.湖積物的δ13Corg值在一定的條件下也能指示有機物源,以湖外有機物源為主的湖泊尤其如此.需要注意的是,由于湖泊中的浮游生物與陸生C3植物的13C含量范圍相當接近,獲取沉積有機質的C/N比值對于了解有機物源因此顯得十分必要.與此同時,有針對性地開展湖泊周圍現代植物的13C含量和C/N比值的測定,對該湖δ13Corg記錄的環境解釋會助益非淺.湖泊有機質沉積后期改造及成巖作用對δ13Corg記錄的環境解釋也是個必須考慮的影響因素.對百慕達Mangrove湖沉積物的研究結果表明,選擇性成巖作用造成δ13Corg值-2‰的改變.造成這種改變的重要原因是,這種沉積物的有機碳含量超過20%,而且含有大量氨基化合物和糖,它們含較重碳同位素,因而對成巖作用反應敏感.對于有機碳含量低于2%-3%的沉積物而言,成巖作用對總有機質的同位素組成的改變可能就不那么重要了.此外,湖泊有機淤泥的發酵作用的增強可能會導致δ13Corg值的增大.湖積物有機質遭受氧化作用會使其δ13Corg值偏正.在細菌化作用過程和無機氧化反應主導時,植物材料在分解過程中13C的富集估計不大于1‰-2‰.對非洲維多利亞湖和魯夸湖古湖沼學研究結果表明,湖水位變淺以致干涸,會使原本在還原環境條件下形成的有機質遭受氧化,表現為氫指數和總有機碳的顯著降低.而同步出現的δ13Corg值偏正,有些可能與選擇性地氧化12C組分有關,但主要還是與供給湖泊的C3與C4植物材料的相對比例有關,即在湖面積縮小及湖水位變淺乃至干涸時,湖周禾木科C4植物或湖泊近岸沉水水生植物對沉積有機質的貢獻增大所致.氫指數(HI)僅在高于200左右的情況下才能較為直接地指示有機質的組成特征.HI很低時,反映有機質沉積時可能遭受碳化作用,或者沉積后遭受氧化.例如,遭受含氧湖水的導入,或者湖底出露地表會使有機質遭受氧化作用的影響.在這種情況下,應用巖性地層學、生物地層學等方法仔細觀察沉積物,找出獨立于δ13C,HI,TOC以外的湖沼學證據,會大大有助于δ13Corg記錄的環境解釋.泥炭沉積有機質早期成巖作用的某些信息可以從單體碳水化合物的碳同位素組成獲得.研究工作證實,泥炭沉積(表層30cm)有機質中的纖維素在早期成巖作用過程中其碳同位素組成基本保持不變.據此,湖泊沉積中α纖維素δ13C記錄被認為比δ13Corg更能反映原始環境信息.針對湖泊沉積物α纖維素含