东北及邻区过去两万年来有机碳同位素记录特征

勇心意，张 瑞，张 硕，于梦晴

（辽宁师范大学 地理科学学院，辽宁 大连）

引言

全球变暖已经成为社会各界广泛关注的环境问题，全球变暖的加剧引发了诸多极端气候事件与环境问题，对人类的生存与发展提出了严峻的挑战。

末次冰盛期（LGM) 以来经历了从冷干到暖湿的变化过程，这一升温过程就包含了未来全球增温的近似场景。为评估现代和未来气候环境变化，就需要对过去气候变化历史有清晰的认识。

土壤有机质主要来源于上覆植物残体的分解累积，土壤有机碳同位素与当地陆生植物的碳同位素基本一致，Dzurec 等[1]通过测定土壤有机碳同位素值来揭示Curlew 山谷中植被的演化；Kelly 等[2]通过分析美国中部大平原土壤有机碳同位素的变化来揭示全新世以来古气候的演化。泥炭、湖泊沉积物由于覆盖范围广、连续性好、分辨率高等优势成为重建古环境，反映古气候的重要载体[3-4]。正构烷烃是重要的生物标志物，可在湖泊、泥炭沉积物中保存数百万年[5]，能较好地记录沉积区内植被与气候的相关信息。本研究通过重建LGM以来东北及邻区碳同位素演化序列，结合古气候记录，探讨影响东北及邻区碳同位素的变化及其主要因素。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本研究区为东北及内蒙古部分地区，包括黑龙江、吉林以及内蒙古中东部地区。气候类型涵盖温带季风与温带大陆性气候，植被类型由北向南依次分布寒温带针叶林、温带针阔叶混交林、温带落叶阔叶林及温带草原[6]，包含季风区与非季风区界限，气候多变，生态环境脆弱。

1.2 数据选择与处理

本研究利用互联网中英文数据库，系统收集LGM以来东北及邻区已发表的13 条碳同位素序列，包含9条湖泊、泥炭正构烷烃单体碳同位素与4 条古土壤有机碳同位素序列（图1）。数据筛选遵循以下原则：

图1 研究区碳同位素数据点分布

（1） 数据类型为黄土- 古土壤有机质碳同位素，或湖泊、泥炭沉积长链正构烷烃碳同位素（图2a）。

图2 研究区碳同位素序列信息

（2） 时间跨度不低于5 000 年。

（3） 具有可靠的年代框架，至少包含3 个绝对测年数据（例如，加速器放射性碳测年（AMS14C）、光释光测年（OSL）等）（图2b）。

对湖泊、泥炭的放射性14C 年龄校正为日历年龄，使其可以与土壤测定的光释光年龄对比。去除碳库效应，然后利用Intcal20 校正曲线。最后，利用线性内插来确定各序列的年龄- 深度模型，上述操作在R 软件中进行。而后对各碳同位素记录以每1 000 年时间间隔对数据进行算数平均，分别获得LGM以来土壤有机碳同位素与湖泊、泥炭单体碳同位素两条变化曲线。

对湖泊、泥炭沉积物长链正构烷烃n-C27、n-C29、n-C31或n-C33的δ13C 值进行加权平均[7]，获得wt.δ13CC27-33值，计算公式如下。

式中：wt.δ13CC27-33为长链正构烷烃δ13C 的加权平均值；δ13C27，δ13C29，δ13C31和δ13C33分 别 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的相对含量。

为统一长链正构烷烃单体δ13C 与土壤有机质δ13CSOM两种指标的碳同位素值，需对长链正构烷烃δ13C 值进行校正。Rao 等[8]对中国东部北纬18°～50°范围内表土有机质δ13CSOM和长链正构烷烃δ13C 对比发现，两者呈正相关，其均值为8.1‰，不随纬度变化。因此，选取8.1‰来校正长链正构烷烃δ13C 的加权平均值。最后计算各研究点位碳同位素每千年的算数平均值，获得总体（校正后）东北及邻区碳同位素变化曲线。并利用ArcGIS、Origin 软件绘制研究点位分布图与碳同位素时间演化序列。

2 结果

重建的东北及邻区总体（校正后）碳同位素时间演化序列（图3b）结果显示：在末次冰盛期碳同位素变化并不明显，从16kaBP 开始，碳同位素值逐渐偏正，尤其是13kaBP 后出现显著偏正，在9-10kaBP，研究区δ13C 值达到最高，最高值为-23‰，比21ka 偏正约1.5‰；7kaBP 以来碳同位素值开始降低，5kaBP 后δ13C 值逐渐稳定。

图3 LGM 以来研究区碳同位素变化曲线

对比土壤δ13CSOM与湖泊、泥炭单体δ13C 曲线（图3a，图3c）显示：土壤δ13CSOM值在-22.73‰～-24.65‰之间变化，平均值为-23.49‰，7-8kaBP 是末次冰盛期以来δ13CSOM值最为偏正的时期，变化范围在-22.83‰～-22.73‰之间，平均值为-22.78‰，7kaBP以后，δ13CSOM值逐渐偏负。湖泊、泥炭长链正构烷烃单体δ13C 值在-33.12‰～-31.15‰之间变化，平均值为-31.99‰，且单体δ13C 值与土壤δ13CSOM值的变化趋势类似。

3 讨论

研究发现，土壤有机碳同位素与降水的关系密切，AN 等[9]研究发现黄土高原土壤δ13CSOM值与年降水呈现正相关，但外蒙古- 宝鸡剖面土壤δ13CSOM值与降水呈负相关[10]。为明确东北及邻区δ13C 值变化的主导因素，本研究将重建的东北及邻区21kaBP 以来的δ13C 值记录与温度[11]、降水[12]、有效湿度[13]、太阳辐射[14]、CO2浓度[15]等古气候记录对比,探究东北及邻区LGM 以来的δ13C 值变化的主导因素及古气候环境变化信息。

观察大气CO2浓度曲线（图4a）可知，过去两万年来大气CO2浓度一直持续、稳定上升，对比δ13C 曲线（图4f）发现，在早全新世δ13C 曲线到达最大值后呈显著下降，这与大气CO2浓度持续上升的变化趋势明显不符。

图4 LGM 以来古气候记录与研究区重建的碳同位素演化序列

观察碳同位素曲线（图4f）发现，全新世之前碳同位素值变化不大，早全新世碳同位素值出现显著的上升，是两万年来δ13C 值最偏正的时期，对比温度、降水、湿度（Paq）、太阳辐射曲线（图4b，图4c，图4d，图4e）发现，早全新世温度与降水同步增加，但随着35°N 太阳辐射量在早全新世达到最大值，使得全新世早期呈现温暖干燥的气候，这与五大连池- 天池δ13CBC与四方山天池δ13C27～31值的变化归因于早全新世暖干气候的结论一致[16-17]。全新世中期降水与湿度曲线达到最大，碳同位素值出现明显负偏，推测由于35°N 太阳辐射量减少，降水增加，导致有效湿度增加使得碳同位素值逐渐偏负。晚全新世时降水与有效湿度均下降，δ13C 值也呈现稳定微升的趋势，两者具有很好的对应关系。因此，本研究认为LGM以来东北及邻区碳同位素值的变化主要是由有效湿度决定的。

4 结论

本文重建了LGM以来我国东北及邻区碳同位素的演化历史。研究得出：末次冰盛期东北及邻区碳同位素值总体偏负，进入全新世碳同位素值逐渐偏正。早全新世太阳辐射最强，有效湿度较低，整体呈现出温暖干燥的气候，δ13C 值也于全新世早期达到峰值约-23‰；全新世中期随着降雨量增长，太阳辐射减弱，有效湿度的增加使得碳同位素值逐渐偏负，晚全新世碳同位素值微升，推测可能是由于气候干旱或人类活动的影响。综上，太阳辐射影响下的有效湿度变化很可能是东北及邻区LGM以来碳同位素演化的主要驱动因素。