青藏高原南部羊卓雍错流域稳定同位素水文循环研究

稳定同位素被广泛应用于湖相沉积中古气候重建以及区域水文循环研究. 通过分析青藏高原南部羊卓雍错流域2年的降水、河水和湖水样品测得的氧稳定同位素结果, 分析了其时空变化特征, 并通过建立该流域湖水稳定同位素循环模型, 模拟了不同环境因子对湖水中氧稳定同位素平衡过程的影响. 研究结果表明, 该流域中降水、河水和湖水δ¹⁸O具有显著的季节和年际差别, 同时, 表现出明显的“季风循环”. 季风期, 降水、河水和湖水δ¹⁸O值较低; 非季风期, 降水和湖水δ¹⁸O值较高, 河水δ¹⁸O值在春季较高. 由于蒸发分馏作用, 流域内湖水δ¹⁸O比降水δ¹⁸O和河水δ¹⁸O高约10‰. 模拟结果表明, 湖水蒸发过程对于相对湿度的变化非常敏感, 在湖面相对湿度为51%时, 湖水δ¹⁸O经过30.5年达到目前的-4.7‰水平. 湖水表层水温和补给水δ¹⁸O变化对湖水δ¹⁸O平衡影响较小.     

印度季风水汽对青藏高原降水和河水中δ18O高程递减率的影响

根据青藏高原上建立的TORP(Tibetan Observation and Research Platform)平台的28个站点获取的降水δ¹⁸O的研究, 探讨了季风期河水δ¹⁸O的海拔递减率, 也讨论了全年河水δ¹⁸O的高程效应. 研究发现, 青藏高原内部降水δ¹⁸O广泛受到不同水汽来源的影响. 印度季风对青藏高原降水及河水δ¹⁸O的组成起着重要作用. 总体而言, 受季风影响地区水体中δ¹⁸O比西风影响区的水体δ¹⁸O更贫化, 反映了西南来的海洋水汽在长途传输和随喜马拉雅山爬升过程使δ¹⁸O逐步贫化. 由于季风环流对高原南部气候的控制, 季风期河水δ¹⁸O随海拔的递减率更大. 综合考虑季风期和非季风期河水δ¹⁸O的高程效应发现, 其河水δ¹⁸O的海拔递减率大于不考虑季风期河水同位素组成的海拔递减率. 因为青藏高原上河水和降水的高程效应是季风和非季风期水汽共同作用的结果, 因此在利用稳定氧同位素恢复古高度时, 需要考虑季风期高原水体中δ¹⁸O的组成和高程效应.     

南极冰盖中山站-Dome A断面表层雪内δ18O分布

测试了中国南极考察内陆冰盖考察沿线约1248 km断面上(中山站至Dome A)表层雪中氧稳定同位素组成. 通过回归分析得出了δ¹⁸O-气温(T)分布梯度、δ¹⁸O-海拔(H)高度效应和年均温-海拔效应递减率分别为–0.84‰/℃, –1.1‰/100 m和1.31℃/100 m, 分析过程均通过99.9%的置信度检验.     

中国东部季风区大气降水δ18O的特征及水汽来源

季风环流是水汽输送的重要载体, 它通过影响和制约大尺度水汽输送场的分布和水汽收支状况对季风区的降水产生影响. 对我国受季风影响最为显著的东部地区大气降水中稳定氢氧同位素的研究将有助于对季风降水机制的理解. 2005~2006年各月, 在中国大气降水同位素观测网络(CHNIP)位于该地区的17个观测站点进行了月大气降水样品的采集. 根据得到的274组稳定氢氧同位素组分所建立的局地大气降水线方程δD = 7.46δ18O + 0.90, 反应了该地区独特的局地气候特点. δ¹⁸O值由沿海向内陆地区逐渐贫化, 并且南部和东北地区δ¹⁸O值年内变化存在周期性. 不同地区影响降水同位素的气候因子不同, 由南向北, 温度效应逐渐增强, 降水量效应由全年存在变为只在主要降水期存在. 控制δ¹⁸O的地理因子存在差异: 南部和华北地区为高程, 东北地区是纬度. 此外, δ¹⁸O对季风的进退、雨带的移动以及台风/强热带风暴等强对流天气的运动路径有一定的示踪作用.     

中国大气降水中δ18O的空间分布

许多研究已经证明大气降水中δ¹⁸O的变化主要和瑞利分馏过程中水汽凝结的热动力学有 关, 而导致温度降低水汽凝结的主要地理因素是海拔和纬度. BW模型认为大气降水中的δ¹⁸O作为纬度和海拔的函数可以通过模拟获得, 这为缺乏同位素观测地区的研究提供了必要的数据. 利用BW模型, 结合我国现有的55个站点降水和冰芯中δ¹⁸O的资料, 建立了我国降水中δ¹⁸O与纬度和海拔定量关系的模型: δ¹⁸Oppt= -0.0176LAT2 + 1.1195LAT-0.0016ALT-23.7553. 在此基础上, 利用地理信息系统分析软件ArcGIS, 综合了纬度、海拔以及水汽源地和水汽循环过程等影响因素产生了较高分辨率的中国降水中δ¹⁸O的空间分布图. 从一个新的研究方法揭示了我国大气降水中d 18O的空间分布特征, 为古气候与稳定同位素水文研究提供了重要资料.     

利用CLM模拟陆面过程中稳定水同位素季节变化

将稳定同位素作为诊断工具引入CLM(Community Land Model), 并对巴西马瑙斯站在平衡年的不同水体中稳定同位素的季节变化进行了模拟和分析, 旨在通过对陆面过程中稳定水同位素的模拟试验, 了解陆面过程中稳定水同位素的循环过程, 以补充观测资料之缺乏, 并最终利用稳定同位素的变化特性进行水文气象过程的预测. 模拟的结果表明, 降水、水汽和地表径流中的δ¹⁸O均存在显著的季节性变化, 并与相应的水量存在反比关系. 与IAEA/WMO监测数据相比, CLM的模拟基本上揭示了降水中δ¹⁸O的实际分布特征. 另外, 模拟的月降水量与月δ¹⁸O之间的降水量效应以及大气水线(MWL)均接近实际状况. 这在一定程度上说明, 引入稳定同位素效应的CLM的模拟是合理的. 但也看到, 模拟的降水中δ¹⁸O的季节差异明显小于实际值, 降水中δ¹⁸O的季节变化展示了赤道地区理想的双峰型特点, 但实际的分布却是单峰型. 这些差异的产生可能与CLM本身的模拟能力有关, 也可能与强迫资料的准确性有关.     

深海氧同位素8期东亚夏季风旋回与事件的湖北神农架洞穴记录

根据神农架三宝洞一支长610 mm石笋的7个²³⁰Th 年龄和355个δ¹⁸O数据, 将该洞石笋季风记录延伸至深海氧同位素8阶段(MIS8). 虽然²³⁰Th年龄在该时段的误差达3~4 ka, 但根据石笋剖面δ¹⁸O的波动幅度(3.4‰)以及沉积速率的相对稳定性, 获得了284~240 ka BP连续的东亚季风气候记录. 石笋δ¹⁸O记录的岁差旋回与北半球65°N太阳辐射能量曲线类似, 这进一步支持了轨道尺度太阳辐射直接控制亚洲夏季风变化的假说. MIS8至少存在6个千年尺度的夏季风增强事件(振幅>0.5‰, 持续时间>1 ka), 叠加于轨道尺度的季风气候旋回之上. 邻近冰消期的3个显著的夏季风减弱事件大致可与北大西洋冰漂碎屑事件对比, 说明此类全球性特征的千年尺度事件持续发生在更老的冰期气候边界条件下. 与最近两次冰消期相似, 倒数第三次冰消期也表现为两个阶段的变化过程, 即阶段1为夏季风减弱时期(约250~244 ka BP), 此时期南极温度和CO₂浓度缓慢上升; 阶段2(244 ka BP附近)为夏季风快速增强时期, 与CH₄浓度突变同步, 南极温度和CO₂浓度则达到最大值. 北半球高纬度太阳辐射能量的变化有可能触发了冰消期的开始, 而南半球温度变化则是终结东亚季风倒数第三次冰消期的要素之一.     

西北太平洋上层水δ13C 对末次冰消期南大洋深层水对流的响应

晚更新世以来, 源自南大洋深层水对流的冰消期δ¹³C 低值事件广泛记录于低纬热带和南半球大洋沉积物中. 然而, 末次冰消期δ¹³C 宽幅低值事件也出现在远至北半球中纬度的西北太平洋边缘海区. 在西北太平洋的古海洋记录中, 受来自北半球高纬度地区影响的记录很多, 而来自南半球高纬度地区的却很少. 黑潮源区连接着西北太平洋与热带-南太平洋, 该区MD06-3054 孔高分辨率的浮游有孔虫记录有助于探明南半球对西北太平洋地区的影响. 对该孔上部1030 cm 岩芯中浮游有孔虫进行了AMS¹⁴C 年代和氧碳同位素的测试, 结果发现浮游有孔虫表层种Globigerinoides ruber 和次表层种Pulleniatinaobliquiloculata 两种的δ¹³C 记录在约20.0~6.0 ka BP 都出现明显的负偏移, 但26.5 ka BP以来表层种与次表层种δ¹³C记录变化的整体趋势相反. 而且, 表层种记录与大气CO₂记录之间有着紧密的联系, 其变化在时间上也明显超前于次表层种. 黑潮源区的水文状况分析显示, 该区末次冰消期δ¹³C 宽幅低值事件是对南极周围南极深层水对流的响应. 而表层和次表层种记录之间的差异可能是由于δ¹³C 低值信号传播路径的不同. 末次冰消期黑潮源区次表层水体接收到的δ¹³C 低值信号主要来自南极中层水的传播, 而表层水体则可能更多地受到大气CO₂ 的影响. 黑潮源区的记录不仅证实了冲绳海槽表层水末次冰消期δ¹³C 宽幅低值事件主要是受西太平洋表层水体直接影响的推论, 同时还说明来自南极高纬度地区的信号也可以传送到北半球中纬度地区.     

青藏高原西部降水中δ18O变化特征及其气候意义

根据青藏高原西部阿里地区狮泉河和改则二站点降水中δ¹⁸O实测值和相关气象资料, 研究发现, 在一定程度上, 温度能够影响狮泉河和改则二站点降水中δ¹⁸O变化. 在夏季, 特别是同一降水过程中, 两个站点降水中δ¹⁸O变化趋势非常一致, 且在季风活跃期, 降水中δ¹⁸O都出现多次明显的低值, 这与西南季风水汽输送密切相关, 而在季风间歇期, 降水中δ¹⁸O仍然表现相对高值, 水汽主要来源于局地水汽的再循环; 在非季风时段, 降水中δ¹⁸O与温度的正相关性都更为显著, 该研究区域降水的水汽主要受局地环流和西风环流控制. 另外, 该研究区域的蒸发条件也同样影响降水中δ¹⁸O变化. 通过该区域及其毗邻地区降水中δ¹⁸O空间分布特征的研究, 揭示了5月底或6月初始至8月底或9月初是青藏高原不同水汽来源的一个重要的时间分界线, 而在空间上, 位于青藏高原北部的西昆仑山与唐古拉山是一条重要的气候分界线.     

长白山不同功能群植物碳同位素及其对水分利用效率的指示

由于植物碳同位素综合反映了植物光合作用过程中C, H₂O交换的信息, 因此从理论上讲它们可以作为植物功能特征的潜在指标. 尽管前人的调查已经对这一假设进行了验证, 但相关的证据还较少, 我们需要进行更多、更广泛的调查来证实这一假设. 本文通过对湿润的寒温带气候区中国长白山不同功能群植物叶片(乔木、灌木与草本; 常绿植物与落叶植物; 一年生草本、二年生草本与多年生草本)的碳同位素测定, 发现不同生活型植物的碳同位素组成有显著差别, 从而进一步证实了植物δ¹³C值可以作为划分植物功能群潜在指标的假设. 另外, 我们的结果还指示不同生活型植物的水分利用效率也存在明显差别. 不同功能群植物的δ¹³C值以及碳同位素指示的水分利用效率呈以下趋势: 草本<灌木<乔木. 同一生活型中, 常绿灌木的δ¹³C值和以及它指示的水分利用效率显著大于落叶灌木. 不同寿命的草本植物δ¹³C值也具有显著的差异, 一年生草本>二年生草本>多年生草本, 与前人在沙漠地区研究的结果(一年生植物的δ¹³C值低于多年生植物)不一致, 这表明不同寿命草本植物之间的δ¹³C值和水分利用效率的变化趋势可能与当地水分条件有关.     

近550年来青藏高原中部植被演化与气候变化研究

利用普若岗日冰芯中的花粉和氧同位素记录, 高分辨率恢复了青藏高原中部过去500多年来的植被演变和气候变化历史. 通过分析冰芯中花粉记录与现代气象观测数据的相关关系, 指出草原和草甸成分的植物花粉的百分比之和可作为夏季温度变化的良好代用指标, 而花粉中莎草科/(禾本科+蒿属)[Cy/(G+A)]和草甸植物花粉/草原植物花粉(M/S)比值可作为湿度变化的代用指标. 在此基础上结合冰芯δ¹⁸O值及冰川积累量, 探讨了过去500多年来研究区植被对气候变化的响应过程. 指出1450~1640 AD主要发育荒漠植被, 气候表现为寒冷特征. 1640~1915 AD总体上以暖干气候为主, 荒漠面积减小, 草原植被范围扩张. 1915~1980 AD气候稍变冷变湿, 草原植被范围缩小, 而荒漠植被扩大. 1980~2002 AD气候暖干, 荒漠植被范围急剧减小, 主要发育草甸草原植被. 提供了藏北地区第一个长达500多年的高分辨率的冰芯花粉记录.     

华南下寒武统地层的Mo同位素组成特征及其古海洋环境意义

Mo同位素是近10年来发展起来的新的非传统稳定同位素之一, 由于其特殊的同位素分馏机制, 使之成为研究古海洋和大气环境的良好指标. 通过对中国南方典型下寒武统剖面的Mo同位素组成的测定, 推断寒武纪早期海水的δ⁹⁷/⁹⁵Mo值应大于1.4‰, 并且较为稳定, 而剖面上Mo同位素组成的变异与沉积环境的氧化还原变化有关. 结合已有的数据, 整个地史时期海水的Mo同位素演化模型被构建, 其同位素组成变化基本与大气氧的演化一致.     

倒数第2个冰消期印度尼西亚穿越流的增温幅度及其与高纬气候变化的关系

热带海区是全球水汽和热量传递的重要源区, 其表层海水温度(SST)的变化必然会对高纬及全球气候变化产生重要影响, 而热带与高纬气候变化的相位关系又是研究全球气候变化机制的关键. 本研究展示了千年尺度上印度尼西亚穿越流(Indonesian Throughflow)出口处帝汶海区(Timor Sea)SO18459站位在倒数第2个冰消期(Termi- nation Ⅱ)的多种古海洋学记录, 包括浮游和底栖有孔虫的δ¹⁸O, G. ruber Mg/Ca比值和表层海水δ¹⁸O_w等. G. ruber Mg/Ca比值显示, 帝汶海区海水表层温度在Termination Ⅱ的变化幅度约为4.1℃, 且与浮游及底栖有孔虫的δ¹⁸O在Termination Ⅱ时期几乎同相位变化. 这一新的结果表明, 千年尺度上热带海区的气候变化似乎与高纬的冰盖变化同步. 此外, G. ruber Mg/Ca比值指示的SO18459站的SST记录表明, Termination Ⅱ时帝汶海区的增温与南极增温几乎同时发生, 这说明热带与南半球高纬之间存在着快速的热传输, 而这种快速的热传输有可能通过大气的遥相关或者大洋上层水体来完成. SO18459站的G. ruber δ¹⁸O和SST在Termination Ⅱ存在显著的回返事件, 可能与澳大利亚季风降雨减少或西太平洋厄尔尼诺增强相关, 但类似事件在东亚季风降雨记录中缺乏, 说明热带地区不同气候系统对同一外部强迫如厄尔尼诺的响应并非完全一致, 而是具有很强的地域性. 全球底栖有孔虫δ¹⁸O的综合记录在Termination Ⅱ也存在一类似的回返事件, 说明了高纬和低纬气候在千年尺度上的遥相关.     

古元古代冰期事件: 山西五台地区滹沱群的碳同位素证据

古元古代全球性冰期(~2.3 Ga)可能是地质历史时期发育最早的雪球事件. 华北地区广泛出露古元古代轻微变质沉积岩, 但缺乏古元古代冰期事件的沉积学证据. 研究了山西五台地区古元古代滹沱群(2.5~2.2 Ga)稳定碳同位素组成, 结果显示δ¹³C 值在垂向地层序列中的变化有明显的规律性: 豆村亚群大石岭组碳同位素高正值(δ¹³C_carb 值3.2‰~1.0‰); 东冶亚群纹山组-大关洞组中部碳同位素值的降低(δ¹³C_carb 值2.0‰~-1.2‰), 伴随着叠层石从繁盛到衰落的过程; 至大关洞组上部及其与槐荫村组界线附近碳同位素发生显著负漂移(δ¹³C_carb值1.4‰~-3.3‰), 该段地层叠层石不发育; 在其之上的北大兴组-天蓬垴组碳同位素比值逐渐恢复到零值附近(δ¹³C_carb 1.2‰~1.4‰), 叠层石迅速繁盛. 在东冶亚群建安村组-大关洞组中部出现的碳同位素负漂移可能是古元古代全球性冰期事件在我国华北地区的响应, 反映古元古代全球古气候发生了重要的变化.     

祁连山中段黑河上游山区地表径流水资源主要形成区域的同位素示踪研究

通过对黑河干流上游祁连山区降水中δ¹⁸O随海拔高度变化的研究, 揭示出其变化具有显著的高程效应, 高度梯度约为−0.18‰/100?m. 利用同位素示踪技术, 并结合出山口河水中δ¹⁸O, 认为出山径流主要形成于高海拔山区. 应用“二分量模型”, 阐明了海拔3600?m以上的高山冰雪冻土带是黑河山区流域的主要产流区, 产流量占出山径流量的80.2%.     

贵州七星洞洞穴系统中锶同位素特征及其意义

系统分析了贵州都匀七星洞(QXD)洞穴系统中各组分(土壤水、滴水及其化学沉积物与土壤、基岩等)的锶同位素组成(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr), 结果显示, 各组分的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 比值特征差异显著. QXD-1#, 4#和9#滴水⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 平均值分别为0.709568, 0.709139 和 0.708761, 其比值差异可能是由不同滴水点相应的渗流水运移路径、滞留时间和其他水文地质过程等因素不同所造成的. 两端员模式计算表明, 基岩(碳酸盐岩)溶解对1#, 4#和9#滴水的贡献率分别为40.8%, 57.6%和72.4%. 基岩溶解贡献率与之前研究的各滴水δ¹³CDIC 值没有正相关关系(基岩δ¹³C 值为1.8‰), 相反, 基岩贡献率相对较低的1#,其δ¹³CDIC 值最重(平均值?4.5‰), 而贡献率相对较高的9#, 其δ ¹³CDIC 值最轻(平均值?9.3‰), QXD-4#基岩贡献率高于1#低于9#, 其δ¹³CDIC 平均值(?8.6‰)却低于1#高于9#. 由此可见, 基岩的溶解对滴水稳定碳同位素的影响不是该洞穴不同滴水点间碳同位素巨大差异的主要原因, 水体运移路径中, 可能前期方解石沉积(PCP)过程的发生才是滴水δ¹³CDIC 偏重的主导因素. 此外, 本研究还发现, 1#和4#滴水对应次生化学沉积物⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 比值特征主要反映了上覆土壤系统(土壤水)与基岩溶解相对贡献变化,利用本地洞穴次生化学沉积物⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 指标表征上覆土壤风化强度及其变化是可行的,进而反映本区域季风气候信息.     

成壤钙结核孔隙和基质碳酸盐碳同位素对比及其对碳酸盐成因的指示意义

成壤碳酸盐碳同位素常被用于古环境研究, 而原生碳酸盐的干扰会使其碳同位素值发生改变. 为了建立判定成壤钙结核中是否存在原生碳酸盐的实验方法, 对黄土高原地区中新世黄土中23个成壤钙结核孔隙和基质部位进行了微形态鉴定和碳酸盐碳同位素测试. 结果表明, 同一个钙结核基质(B)与孔隙(A)碳酸盐碳同位素差值(δ¹³C_(B–A))范围为−0.16‰~0.44‰, 其中基质中含原生碳酸盐的钙结核的δ¹³C_(B-A)值范围为0.27‰~0.44‰, 大于测量误差(±0.2‰), 而不含原生碳酸盐的钙结核的δ¹³C_(B-A)值范围为−0.16‰~0.13‰, 在测量误差之内. 由此, 得到利用碳同位素手段判断黄土钙结核中是否含有原生碳酸盐的简便方法, 将δ¹³C_(B-A)的值在测量误差之内作为判断钙结核中不含原生碳酸盐的碳同位素标准.     

铬稳定同位素分析技术及其在水污染研究中的应用

高含量的六价铬离子对环境与生态具有潜在的严重危害. 因此, 监测水体Cr的污染及其演化趋势具有重要的环境生态学意义. 介绍了Cr同位素原位示踪技术及其对环境水体Cr污染与演化趋势进行定量监测的原理. 在已有研究的基础上, 建立了铬同位素化学分离与纯化流程以及Cr同位素的热电离同位素质谱测定方法. 应用所建立的方法, 对湖北省某化工厂周围11个水样进行了测定. 样品的Cr 同位素特征表现为: 区域内样品的δ⁵³Cr变化范围为-1.7‰～7.3‰、样品δ⁵³Cr值随其与污染源之间距离的增加而呈现逐渐增大的趋势、δ⁵³Cr值与其所代表的水体污染程度之间存在明显的函数关系. 研究结果表明, Cr同位素比值能较好地显示当地水体Cr污染的空间分布规律, 并能根据铬同位素分馏程度对水体自净能力进行定量评估.     

南极冰盖表层雪内稳定同位素分布特征

稳定同位素作为一种气候指标为南极冰芯的古气候恢复提供了有力的研究手段.Lorius和Merlivat根据东南极洲Dumont d’Urville Station至Dome C的资料建立的稳定同位素与温度的关系模型在冰芯研究中得到了广泛应用.南极冰盖极为广大,在一个地点或一个剖面所建立的模型是否适合于其它地区.要回答这一问题,需要采集整个南极冰盖大范围的雪冰样品并进行研究.“1990年国际横穿南极考察队”为解决这一问题提供了极好的机会.     

南极冰盖表面过量氘的分布特征

寒冷地区冰雪中稳定同位素比率δ~(18)O和δD的分析是恢复古气候记录的最有效手段之一.近年来与δ~(18)O和δD有关的另一个量值——过量氘(exD)也越来越受到重视,因为exD可提供水汽源区的某些信息.对东南极冰盖过去虽曾有过exD分布的研究,但资料主要取自靠近海岸一些站点.本文根据沿“1990年国际横穿南极考察队”路线表面雪样稳定同位素比率测定结果,对南极冰盖表面exD的分布特征予以介绍,并对其意义给予初步解释.