中国黄土综合古气候指标的非线性反演

迄今,人们只是利用气候替代性指标与单个气候因子的线性关系估算古气候的,或者利用趋势面分析方法,建立了气候替代性指标与两个气候因子的非线性方程,而没能够真正用于古气候参数的估算.地质记录中物理的、化学的、生物的气候替代性指标是互相影响的.每一种气候替代性指标又会同时受到多种气候因子的控制.如果能找到它们之间在多种气候因子同时控制下的气候平衡点,就有希望解决利用不同气候指标单独恢复古气候时可能出现的矛盾.本文试图做这方面的努力:首先建立现代沉积环境中物理的、化学的、生物的气候指标同时与多个气候参数之间的非线性方程,只要方程数大于(或等于)变量(气候因子)数,在给定的初值条件下,代入相应的古气候指标,求解方程组,可以同时得到一组气候因子的解,从而完成综合古气候指标的非线性反演.1 材料与方法本文采用的黄土高原的现代表层土壤样品的磁化率值63个,全氧化铁样品12个(其中11个样品采用文献[4]的资料),蜗牛样品28个,分别作为物理、化学和生物的气候指标.对洛川坡头黄土剖面Sl以上的地层间隔10cm采样,同时做磁化率、全氧化铁和蜗牛化石分析.其中表层土壤和黄土剖面中蜗牛化石的采样利用筛析法(筛孔0.5mm)获取了包括大量小个体蜗牛的化石组合.     

75ka以来黄土高原蜗牛生长季节长度的变化

第四纪冰期-间冰期气候变化在年际尺度上是通过季节变化或季节长度的调整来实现的,如何揭示冰期-间冰期期间季节长度的变化,是深入探索气候变化过程和机制的新课题.蜗牛生长季节的壳体同位素具有记录季节性气候特征的潜力.通过对黄土高原不同气候区18个地点现生蜗牛组合中喜冷干种Pupillaaeoli(杂色虹蛹螺)和喜暖湿种Punctumorphana(显口多点螺)蜗牛壳体碳酸盐碳、氧同位素分析,揭示出P.aeoli蜗牛壳体δ13C值相对于P.orphana壳体偏负1.3±1.0‰,δ18O值偏正3.3±1.1‰;而且从黄土高原东部山西娘子关到西部青海官亭,随着生长季节长度(日均温≥10℃)由202±6d缩短为162±7d,冷、暖2种蜗牛壳体的δ13C差值和δ18O差值都逐渐减小,其中δ13C差值从东部的2.8‰减小到西部的0.2±1.1‰,δ18O差值从4.7‰减小到2.9±1.3‰.且2种蜗牛壳体δ13C差值每相差1‰,蜗牛生长季节相差约15d左右;δ18O差值每相差1‰,蜗牛生长季节相差约19d左右.进一步对西峰剖面75ka以来蜗牛壳体同位素分析显示,全新世中期(8～3ka),蜗牛壳体δ13C和δ18O的差值最大,分别为2.6±0.7‰和2.1±1.4‰;间冰段MIS3次之,为2.5±0.4‰和1.6±0.8‰;末次盛冰期最小,为0.2‰和0.4‰.推测全新世中期蜗牛生长季节长度约为200±10d,间冰段MIS3为190±6d左右,冰期时蜗牛生长季节长度约160±3d左右.     

青藏高原高海拔地区C4植物的发现

通过对青藏高原地区27°42′~40°57′N, 88°93′~103°24′E, 海拔2210~5050 m范围内采集的植物进行碳同位素分析, 发现其中2种藜科和6种禾本科植物是C₄植物. 11个地点的4种C₄植物海拔超过了3800 m, 其中6个地点的3种C₄植物(白草Pennisetum centrasiaticum, 云南野古草Arundinella yunnanensis和固沙草Orinus thoroldii)分布在海拔4000 m以上, 最高可达4520 m. 分析认为在大气低CO₂分压背景下, 强光照提供的充足能量使C₄植物能忍耐更低的温度, 以及青藏高原南部降雨集中于高温季节的有利条件, 可能是C₄植物生长在高海拔地区的重要原因.     

我国海岸带胶结壳有孔虫分布的控制因素

有孔虫化石在我国近年来海平面变迁和海区演变历史的研究中起着重要的作用。按壳壁成分,有孔虫可分为钙质和胶结壳两类,具胶结壳的有孔虫除了深海和高纬度海区外,主要在海滨沼泽、河口、泻湖等海陆过渡相环境中出现。一般认为,“滨海(有孔虫)生物群的特点在于其胶结壳性质”,“河口、港湾、泻湖低盐水体的沿岸沉积通常以胶结壳有孔虫占优势”。     

青海喇家遗址出土4000年前面条的成分分析与复制

面条是世界性大众食品,古代人类在什么时间、什么地方、用什么材料与何种方法发明了面条,一直是有争议的.2005年Nature杂志曾简要报道了青海省喇家遗址齐家文化层出土的粟类面条.但对齐家文化时期古人是如何利用粟类粮食做成面条的,迄今仍然存在疑问.本文通过对喇家遗址出土陶碗中面条残留物的植硅体、淀粉和生物标志化合物等系统分析,提供了4000年前古代人类以粟(小米)、黍为主制作面条的综合证据.进一步利用传统的制作饸饹面条的工具,参考挤压糊化凝胶成型的方法,复制了与出土面条成分、形态一致的粟类面条.本文的研究结果为深入认识史前人类饮食文化特点提供了新证据和新视角.     

25万年来黄土蜗牛的生态演替对地球轨道变化的响应

通过对洛川剖面 ２５０ ｋａＢＰ来蜗牛化石记录的分析，划分出 １１个化石组合带，研究了最近两个冰期旋回以来的生物组合特征，探讨了不同生态环境类型的变化规律及其主要的控制因素．结果表明：陆生蜗牛的生态演替过程，与地轴倾角和岁差变化的关系是明确的，喜温湿类蜗牛繁盛期对应着地轴倾角的增大期，喜冷干类蜗牛繁盛期对应了地轴倾角的减小期．反映了东亚夏季风在控制陆地生态演变过程中具有明显的 ４０ ｋａ变化周期，岁差的 ２０ ｋａ周期同时起到重要的调节作用， １００ ｋａ左右的周期变化在生态群落的演替过程中，并不是主要的控制因素，但它可能是陆地生态变化幅度的背景因素．     

晚第三纪红黏土成因和沉积环境的生物学证据: 蜗牛化石记录

黄土高原晚第三纪红黏土地层的成因和沉积环境在相当长的时期里是存有争议的科学问题, 由于它涉及到红黏土地层能否提取正确的古环境信息等最基础的问题, 近年来越来越受到学术界关注. 通过对甘肃西峰赵家川晚第三纪红黏土蜗牛化石组合的组成以及保存方式的系统分析, 认为红黏土中的陆生蜗牛化石为原生的生物群落, 反映了原始的沉积环境; 红黏土中大多数属种为第四纪黄土地层的常见类型, 表明红黏土与黄土的形成环境背景是相同的, 蜗牛化石的组成提供了该区红黏土陆相风尘沉积成因的生物证据. 西峰红黏土蜗牛化石组合记录了6.2~2.4 MaBP 时期4次大的环境变化, 6.2~5.4 MaBP为干冷的气候环境, 自5.4 MaBP之后, 气候从暖湿逐步变得冷干, 呈明显的阶段性的变化. 陆生蜗牛化石记录的气候环境演变历史与北极冰盖的起源、演化和青藏高原隆升在大的时段上具有很好的一致性, 表明陆生蜗牛是指示晚第三纪环境变化敏感的环境指标.     

食物控制的陆生蜗牛碳同位素组成

陆生蜗牛壳体化石碳酸盐(文石, CaCO₃)稳定碳同位素组成已被用于解释过去古植被C₃/C₄光合作用类型的变化, 但是蜗牛壳体碳同位素组成是否取决于其食物碳同位素组成一直是争议的问题. 对黄土高原等地现生蜗牛软体躯干有机碳和壳体文石无机碳同位素组成测量表明, 壳体文石无机碳同位素δ¹³C_a分布范围为-13.1‰ ~ -4.3‰; 对应的软体躯干有机碳同位素δ¹³Corg分布范围为-26.8‰ ~ -18.0‰, 两者之间存在显著的相关关系(δ¹³C_a = 1.021 δ¹³C_org + 14.38; R = 0.965; N = 31), 壳体文石¹³C相对于躯干平均富集(14.2 ± 0.8)‰. 由于蜗牛软体和食物碳同位素组成一致, 这样结果表明黄土高原陆生蜗牛壳体碳同位素组成可以反映其食物的同位素特征和潜在生态背景. 进而认为: (1)蜗牛碳酸盐壳体中的碳主要来自于蜗牛代谢(呼吸)作用产生的CO₂; (2) 蜗牛休眠、壳体封闭时期壳内CO₂与体液HCO₃^-之间碳同位素处于平衡分馏状态; 蜗牛活动时期CO₂的释放, 壳体文石形成, 碳同位素动力分馏作用发生, 导致壳体文石¹³C富集程度显著高于同位素平衡分馏值.