370 ka以来灵台黄土剖面元素碳记录及其对气候环境变化的响应

通过测定灵台黄土剖面370 ka来黄土-古土壤样的元素碳含量, 结合相关孢粉资料及古气候替代性指标, 讨论了该地区天然火的历史及其与气候、植被的关系. 灵台剖面元素碳含量谷值和峰值出现时的气候状况及变化特征, 表明气候不稳定的过渡时期, 特别是湿润转向干旱的时期容易发生大火. 各层黄土-古土壤元素碳含量变化规律为: 冰期低、间冰期高, 反映区域(或全球)生物量变化. 元素碳含量在130 kaBP前后呈阶段性增加趋势, 表明植被类型、气候格局发生了变化, CO₂浓度阶段性增加可能是其中原因之一. 元素碳含量总体上随时间呈上升的趋势, 可能反映了干旱化趋势的加剧. 全新世元素碳含量出现最大峰值, 反映了距今约六千年的气候突变事件, 以及人类活动导致火灾更为频繁的发生.     

黄土高原南缘10万年以来的植被——陕西渭南黄土剖面的花粉记录

本文在前人对黄土剖面研究的基础上,对渭水之南的渭南县阳郭镇南姜村水库边黄土剖面(109°30’E,34°24’　N)进行高分辨率分析,该处海拔650m,年平均温度12℃,年平均降水量约60mm,属温暖、半湿润气候.据植物生态学家的意见,这里的地带性植被应是暖温性森林植被,以落叶阔叶林为主,其中栓皮栎、槲栎和麻栎等最具代表性,只是由于几千年人类的活动才使原始植被破坏殆尽,大部分土地被开垦为农田,栽培有柿、枣、核桃、板栗、桃、杏等果树,荒坡上生长着荆条、酸枣、白羊草等草本植物及灌木.     

灵台红粘土-黄土剖面晚中新世以来钙质结核的碳同位素记录及其古植被指示意义

灵台红粘土-黄土剖面钙质结核的碳同位素记录表明:在东亚季风区,C₄植被至少在7.0Ma时已经存在;从4.0Ma开始,C₄植被逐渐扩张,但并未达到主导地位。与低纬地区相比,本区C₄植被的扩张滞后约3.0 Ma;晚中新世以来北美北纬37°以北地区C₄植被扩张要滞后于北纬37°以南地区,在东亚大陆区,此分界线似乎要更加靠南。从约2.0 Ma以来,黄土高原C₄植被又明显减少,这说明除CO₂含量和温度变化外,可能还有其他因素在对C₃/C₄植被的转换起一定作用。     

黄土高原中部晚第四纪以来植被演化的元素碳碳同位素记录

黄土高原地质历史时期原生植被类型, C₃/C₄植物的时空演化规律等, 一直是黄土研究中争论较多的问题, 而黄土剖面元素碳碳同位素(δ¹³Cec)记录可能为植被演替变化提供新的依据. 元素碳(EC)是植被不完全燃烧的产物, 其碳同位素较先体植被变化很小, 从而可利用δ¹³Cec记录反演植被变化. 采用化学氧化法提取黄土高原中部灵台剖面黄土-古土壤序列中的EC物质, 并进行δ¹³Cec分析. 结果表明, 该地区为C₃, C₄植物混合植被类型, 大多数时段以C₃植物为主. 晚第四纪以来, 黄土高原C₃, C₄植物变化可能并不遵循简单的冰期-间冰期旋回变化模式, 而是呈现波动变化: L4时期C₃植物逐渐增多, S3时期C₃植物较多; L3~L2时期C₄植物增多; S1~S0时期C3植物再次增多. 在古土壤发育时期中, S3, S1时期C₃植物较多, S2和S0时期C4植物相对较多. 在黄土堆积时期中, L4和L1时期C₃植物较多, L3和L2时期C₄植物相对较多. 在冰期-间冰期旋回尺度上, δ¹³Cec揭示的植被变化与孢粉资料得到的结果较为一致; 与有机碳碳同位素(δ¹³Corg)所揭示的植被变化仅在末次冰期以来的时期较为一致.     

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.     

青海湖16 ka以来的花粉记录及其古气候古环境演化

青海湖16ka以来的孢粉记录显示：15.2ka以前，青海湖地区的气候寒冷干燥，进入晚冰期的所候特点为凉偏干-温凉偏湿，冷暖波动频繁，但幅度不大。13.4-13,12-11.6和11-10.4kaBP之间的冷颤动分别相当于老仙女木、中仙女木和新仙女木事件，13-12和11.6-11kaBP之间的暖期则分别对应于博令和阿勒罗得暖期。新仙女木事件后的升温具有突变性的特点，气候由温暖偏干变为暖湿。8.2kaBP左右的冷事件明显，为全新世降温幅度最大的一次，全新世大暖期鼎盛期为6.7kaBP左右。2.1kaBP以来，青海湖地区的气候开始向冷干方向发展，并一直持续至今。孢粉浓度和花粉组合所反映的青海湖晚冰期以来的气候演化同全球性的气候事件具有很好的可比性。     

塬堡黄土剖面末次间冰期古土壤有机质碳同位素记录的夏季风演化历史

对黄土高原西部地区甘肃临夏塬堡剖面的末次间冰期古土壤有机质碳同位素分析发现，该地区在末次间冰期经历了5次夏季风增强事件，这些事件在古土壤地层、孢粉记录、磁化率以及古土壤有机质碳同位素组成上都有相应的反映。当夏季风增强时，有机质的δ^13C值和磁化率都相应增大。由于夏季风的增强引起当时地表植被类型发生变化，导致古土壤中有机质δ^13C值发生变化，故古土壤中有机质碳同位素组成是记录夏季风变化的良好指标。在这5次夏季风增强事件当中，第1，2，5次夏季风是以较平滑的方式到达其极盛期的，而第3，4次则是在到达极盛期之前经历了一个较小的寒冷事件。这5个夏季风增强事件的形成机制并非都是一样的，这说明了影响全球气候变化系统各种因素的复杂性。     

900 ka以来黄土-古土壤序列记录的风尘铁含量变化及其古气候意义

风尘中所含的铁是海洋生物的营养元素, 对浮游生物的生产力有重要影响, 从而对海洋吸收CO₂的量有调节作用, 进而影响全球气候. 从亚洲内陆产生的粉尘不仅堆积于黄土高原, 形成黄土-古土壤序列, 而且落入北太平洋等海域. 基于黄土高原中部的西峰和长武两个剖面, 对900 ka 以来风尘的铁含量及其时域变化特征进行分析, 结果表明, 不同时期的风尘铁含量具有明显的变化. 铁含量的波动总体上与冰期-间冰期旋回的变化差异较大, 不具明显的100 ka的周期, 而具有较强的准20 ka的周期和清晰的准40 ka周期, 显示北半球太阳辐射的变化对风尘铁含量有明显的控制作用. 900 ka以来, S5-1古土壤(深海氧同位素阶段13)的铁含量最高, 对应于900 ka以来大洋碳同位素值最高的时期, 表明该事件具有全球性的意义.     

灵台红粘土-黄土剖面晚中新世以来钙质结核的碳同位素记录及其古植被指示意义

灵台红粘土-黄土剖面钙质结核的碳同位素记录表明:在东亚季风区,C_4植被至少在7.0Ma时已经存在;从4.0Ma开始,C_4植被逐渐扩张,但并未达到主导地位。与低纬地区相比,本区C_4植被的扩张滞后约3.0 Ma;晚中新世以来北美北纬37°以北地区C_4植被扩张要滞后于北纬37°以南地区,在东亚大陆区,此分界线似乎要更加靠南。从约2.0 Ma以来,黄土高原C_4植被又明显减少,这说明除CO_2含量和温度变化外,可能还有其他因素在对C_3/C_4植被的转换起一定作用。     

不同类型镜质体的气态烃碳同位素生成动力学

金管封闭体系热模拟条件下镜质体生烃动力学研究表明：活化能随镜质体类型、结构的不同而有很大差异．均质镜质体裂解活化能最高而基质镜质体活化能分布相对较低．而由不同类型镜质体裂解生成的甲烷均具有非常相似的碳同位素分布，热模拟早期δ^13C1随温度的升高而下降，晚期逐渐上升，更高温度热解时保持平衡或略有下降．由此可见镜质体的热解天然气碳同位素分馏主要受时间、温度及总碳同位素值的控制，而镜质体结构及活化能分布对碳同位素分馏影响较小．早期δ^13C1下降的趋势可能是由于镜质体的不均质性或在不同的活化能区间^12C-^12C及^12C-^13C之间的活化能差值(△E)有所不同造成的．     

土壤化作用对黄土剖面记录的松山-布容极性转换的影响

对黄土高原南部边缘西安段家坡剖面黄土层L8进行了详细的岩石磁学和古地磁学研究,结果表明：（1）松山－布容（M－B）极性转换过程记录在黄土－古土壤序列L8的中下部,整个极性转换过程是由5次快速倒转构成;（2）M－B极性转换期间地球磁场方向变化的持续时间约为4．8ka;（3）极性转换期间虚地磁极（VGP）的移动轨迹沿非洲大陆移动,不同于邻近渭南黄土剖面记录的M－B极性转换期间VGP路径,其原因可能是土壤化作用强弱的变化对原生剩磁产生不同程度的影响所致。     

冲绳海槽北部PC-1岩芯24 ka BP以来孢粉记录的古环境信息

对冲绳海槽北部PC-1岩芯共分析了103个孢粉样品, 底部校正年龄为24280 cal a BP, 样品的时间分辨率为230 a. 根据孢粉百分比的变化, 可划分出4个孢粉带: Ⅰ带(812～715 cm, 24.2~21.1 cal ka BP)、Ⅱ带(715~451 cm, 21.1~15.2 cal ka BP)、Ⅲ带(451~251 cm, 15.2~10.8 cal ka BP)、Ⅳ带(251~0 cm, 10.8～0.3 cal ka BP), 分别对应MIS 3末期、末次冰盛期、冰消期和全新世. 末次冰盛期草本植物花粉占优势, 孢粉沉积率较高, 此时草本花粉主要来源于出露的大陆架, 其上发育了以蒿属为主的草地植被, 气候比较寒冷干燥; 冰消期海平面开始回升, 松属含量升高, 草本植物花粉含量下降; 全新世以木本植物花粉占绝对优势, 栗属-栲属花粉迅速增加, 蕨类孢子含量升高, 草本植物花粉含量锐减, 孢粉沉积率降低, 由于海平面回升, 大陆架被淹没, 此时孢粉主要来源于日本岛, 九州地区生长了以栲属、栎属为主的常绿阔叶与落叶阔叶林, 气候温暖湿润. 起源于菲律宾吕宋北部至塔斯马尼亚和新西兰气候潮湿的山地林中的叶枝杉属花粉在整个岩芯中零星出现, 暗示了黑潮的影响或者是较强的夏季风. 草本植物与松属花粉百分比变化很好地反映了海平面的升降, 松属花粉含量较高指示海平面较高. 频谱分析显示存在千年尺度的准周期变化, 有明显的6.8, 3.8, 2.2, 1.6 ka的周期.     

北半球中纬度3个典型区域末次冰期以来土壤有机质稳定碳同位素变化的差异及其原因分析

针对北半球中纬度地区3个典型区域末次冰期以来土壤有机碳同位素记录之间存在的差异, 收集了相关的气候数据并结合前人现代过程研究的结果进行了有关的分析. 得到的认识表明: 温度, 特别是生长季节的高温对C₄植物生长具有明显的影响. 年均温和生长季节温度低至一定程度后, C₄植物的生长受限. 即使温度足够高, 生长季节异常干旱也不适于C₄植物生长. 当温度条件满足以后, C₄植物适应的降水范围较宽, 而当降水增加到适合乔木生长时, C₄植物比例将下降. 古植被记录与现代植被研究结果是一致的, 欧洲黄土记录的该区域末次冰期以来植被为纯C₃植物主要是由当地的低温造成的, 而中国黄土和美国中部大平原及其临近区域记录的晚更新世向全新世转化过程中的C₄植物比例上升可能主要反应了温度上升的影响.     

甘肃西峰黄土-古土壤剖面的碳酸盐与有机碳的碳同位素差值(Δδ13C)的变化及其古环境意义

选取位于黄土高原中部的甘肃西峰剖面作为研究对象, 分析了该剖面末次间冰期以来土壤有机碳和全岩碳酸盐的碳同位素组成变化. 该剖面的土壤有机碳同位素组成(δ¹³C_SOM)变化范围为−23.8‰~−20.2‰, 间冰期偏高, 冰期偏低. 全岩碳酸盐的碳同位素组成(δ¹³C_TC)变化范围为−8.5‰~−3.6‰, 但总体显示出与δ¹³C_SOM值相反的变化趋势, 即δ¹³C_TC值在冰期偏高, 而在间冰期偏低. 土壤无机碳酸盐碳同位素与有机碳同位素的差值(Δδ¹³C)的变化范围为14.1‰~19.4‰, Δδ¹³C值的大小反映了源区原生碳酸盐物质在全岩碳酸盐中所占相对比例的多少. 据此, 计算了西峰剖面源区碳酸盐的贡献: 在黄土沉积阶段, Δδ¹³C值较大, 源区碳酸盐与次生碳酸盐的相对比例最高可达6:4; 而在古土壤(弱古土壤)阶段, Δδ¹³C值较小, 原生碳酸盐物质的相对比例低. 同时, 由于风尘颗粒包含了原生碳酸盐物质, 研究认为黄土沉积中的Δδ¹³C值变化指示了粉尘对黄土高原的贡献程度.