1、環(huán)境地球化學 第1頁,第五章：過去全球變化信息提取,本章主要內容：植物穩(wěn)定同位素與氣候變化研究； 動物體內穩(wěn)定同位素與全球變化研究； 黃土、冰芯、碳酸鹽研究與全球變化；湖泊沉積研究與氣候、環(huán)境演化。,環(huán)境地球化學

2、 第2頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,一、樹木年輪穩(wěn)定同位素研究1.概況樹木中保存著自然環(huán)境變化的大量信息，隨著近年來開展的全球變化研究的興起，開始了對樹木年輪同位素豐度的研究，它必將成為全球變化研究中的一個重要內容。開展樹輪穩(wěn)定同位素季節(jié)性變化的研究，不僅可以獲取樹輪穩(wěn)定同位素年際變化的信息和樹木生長季內的氣候狀況，

3、而且，還可以獲取大氣二氧化碳濃度及環(huán)境變化的極有價值的信息資料。它們對于未來的氣候變化、生態(tài)變化、水圈變化及某些災害性變化研究都具有重要的理論和實用價值。,環(huán)境地球化學 第3頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,2．實驗技術樹木年輪同位素分析的關鍵是如何可靠地從樹木中分離出適合

4、質譜分析的樣品，同時又不破壞其原始同位素成分 。碳同位素分析硝化獲得全纖維素或通過充分燃燒提取CO2供質譜分析。 氧同位素分析常用的方法是高溫真空熱解，或在加熱條件下與HgCl2反應，生成CO2和CO及其它成分。然后，將CO在真空放電器中轉化為CO2。 氫同位素分析 首先對進行提取好的纖維素硝化，然后將硝化纖維（硝酸纖維素）與氧化銅混合，在真空條件下800℃燃燒，產生的CO2收集后送質譜分析δ13C；H2O用鈾

5、法處理提取H2，供質譜分析δD。,環(huán)境地球化學 第4頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,3．樹木年輪同位素理論研究目前樹木穩(wěn)定同位素的研究主要集中于同位素基礎理論，如同位素生物分餾機理、分餾系數、分餾模式的研究上。(1)樹木年輪氫同位素研究影響樹木中氫同位素豐度的氣

6、侯要素主要為降雨量、濕度及樹木生長季節(jié)的平均溫度。植物生物化學作用對氫同位素的影響 目前人們試圖找出準確的各種植物的生物化學分餾系數。 M．J．DeNiro 定義的生物化學分餾系數EB為：EB＝δDCN—δDSW 式中，DCN為植物硝化纖維中的D；Dsw是植物在合成纖維素時所攝取的水的δD值。,環(huán)境地球化學

7、 第5頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,海藻的EB＝+50‰－-70‰；水囊EB＝0－-100‰；管狀植物EB＝0－-20‰。根據植物生理學研究，管狀植物與樹木十分相似，所以這一結果也適用于樹輪中。C．J．Yapp和S．Epstein報道了水生植物EB值在-12‰－-39‰，White報道美國東部白杉的EB值在-75‰－-53‰之間，計算出相應的溫度系數為+1.6‰℃-1。V

8、．M．C．Stratten報道的小麥和玉米的溫度系數分別為-1.39‰±0.35‰℃-1和-1.45‰±0.72‰℃-1。上述研究成果表明：EB值隨植物種類的不同而有很大的差別。因此在采集樣本時，除了對采樣點進行選擇外，對樹種也要做相當嚴格的選擇。,環(huán)境地球化學

9、 第6頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,植物內部氫同位素成分與周圍環(huán)境水中的氫同位素之間的關系C．J．Yapp和S．Epstein測定了不同地區(qū)不同植物種類的硝化纖維的δDCN值和它們生長周圍環(huán)境水，得到一個統(tǒng)計關系式：ΔDCN=0.87δDW－11 濕度對該關系式也有很大影響。不同的植物種類以及在不同濕度條件下生長的植物，其葉片水中的D值都有很大的變化。同樣，在某些情況下，用于分析的水并不能真正代表樹木在生長

10、時它從周圍環(huán)境所吸收的水分。為此他們定義分餾系數α為：α=(1十10-3δDCN)／(1十10-3δDW) 由此，得到一個植物與周圍環(huán)境濕度(h)之間的線性關系式；α＝-O.124h十1.089 進而他們指出：植物生長過程中所吸收的環(huán)境水的δDw值對纖維素中δDCN值的變化起決定性的作用。,環(huán)境地球化學

11、 第7頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,δD和環(huán)境溫度的關系δD與年平均溫度有關，兩者之間存在線性關系。 Gray和Song對三棵來自加拿大樹齡為70一80年的樹所作δD分析后得到δDCN與年平均溫度T之間的關系：δDCN＝(7.3±2)T－(155‰±5‰) δDCN＝(13±1)T－(156‰±4‰)

12、δDCN＝(15±2)T－(165‰±8‰) Ramesh研究了印度某地的銀杉后，得到關系式： δD＝-(153±11)－(O.06±0.02)r十(6.6±2.3)Tmax r為生長季節(jié)總降雨量。消去常數項后得：δD＝-(4.3±1.2)r十(0.02±0.01)Tmax

13、 式中，Tmax的溫度系數為6.6‰℃ ± 2.3‰℃-1，這與前面的結果十分吻合，他認為Tmax比T更能說明δD的變化。從樹輪中提取的硝化纖維的δDCN可計算出大氣降水中的δD，進而還可以算出決定降水中δD的變化因素——大氣溫度。但必須指出的是，并沒有一個統(tǒng)一的溫度系數可供所有的地區(qū)及所有的樹種使用。,環(huán)境地球化學

14、 第8頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,(2)氧同位素研究δ180主要是受樹木生長環(huán)境中濕度的影響。氧同位素研究中，首先需要解決的問題是生物化學分餾問題。定義生物化學分餾系數αB為：αB＝(1十10-3δ18OCN)／(1十10-3δ18Ow) 其中，δ18OCN代表植物硝化纖維中的δ18O值，δ18Ow值是指植物所吸取的水源中的δ18O值

15、。水源，對陸生生物而言是指葉片水，水生植物則是指其生長周圍的環(huán)境水。S．Epstein報道的二個不同水生植物的αB值分別是1.027和1.028。M．J．DeNiro和S．Epstein在控制生長源的條件下，測出小麥的αB值為1.028。他倆后來又報道了海生植物的αB為1.027±0.003，淡水植物的αB為1.027±0.002。R．L.Burk和M．Stuiver報道的αB值為1.026—1.027。

16、上述結果說明各種植物的αB值是相當恒定的。植物纖維系中的δ18O值與植物生長過程中所攝取的水中的δ18O之間有一適用于各種植物的關系式。,環(huán)境地球化學 第9頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,植物中的氧有兩個可能的來源。一是攝取水中的氧，另一個途徑是植物呼吸大氣C02中的氧

17、。M．J．DeNiro和S．Epstein 與A．Ferhi 得出了似乎相矛盾的結果。 M．J．DeNiro et al.,用控制生長環(huán)境的實驗來檢查到底是哪種氧進入了纖維素。結果表明，植物在生長時吸取的氧來自水中，而不是來自大氣C02中，因為在纖維素合成之前，C02已與葉片水取得了平衡，這個過程的化學反應式為：6C02十6H2O*＝C6H1206*十602式中，O*表示區(qū)別于大氣C02中的氧。A．Ferhi也用控

18、制生長條件的方法對豆類進行了研究，得到了纖維素中δ18Oc分別與水中δ18Ow及濕度(h)之間的兩個關系式：δ18Oc＝0.15δ18Ow十26.68 δ18Oc＝10.92h十32.12 他得到的結論指出C02并未完全與葉片水取得平衡。,環(huán)境地球化學 第10

19、頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,植物纖維素的δ18O與植物生長水源之間存在某種函數關系。R．Ramesh認為δ18O與濕度之間的關系極為密切。對印度銀杉研究后，得到了如下關系式：δ18O＝-(1.3±0.4)h 他認為空氣中CO2中的氧同位素與葉片水達到平衡的狀態(tài)早于纖維素細胞的合成。J．Gray和P．Thompson推

20、導出了δ18O與年平均溫度t之間的關系式：δ18O＝(1.3±0.1)t十(24.5±2) 在分析了更多的樹輪后，他們發(fā)現(xiàn)這個關系式在每年8—9月符合得最好，與其他月份的溫度關系卻很小。對此，只能說明溫度對分餾系數有明顯的影響，樹木用以合成纖維素的水的同位素成分也是隨著氣溫的變化而變化的。在上述樹輪的采集地區(qū)，8—9月的氣溫最適合纖維素的合成。,環(huán)境地球化學

21、 第11頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,(3)碳同位素研究目前的研究表明：樹輪中δ13C值的變化主要受溫度、濕度及云量多少的影響。 對于解釋長期的大氣δ13C值記錄問題時，應基于全球大氣狀況，在分餾機制中找答案。為此，必須考慮以下兩個問題：植物生長時，開放的大氣環(huán)境中局部CO2壓力對植物本身的影響。大氣中的δ

22、13C值變化。,環(huán)境地球化學 第12頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,R．J. Francey和G．D．Farquhar考慮了前述兩個問題，提出植物中碳同位素的分餾模式為：δ13Cp＝δ13Ca－a－(b－a)pi／pa式中， δ13Cp 、δ13Ca分別指植物纖維素

23、和大氣C02中的δ13C值，pi、pa分別指植物在生長時纖維素細胞內外所受的CO2局部壓力；a指13CO2和12CO2不同的擴散系數(其值約為4.4‰)；b指碳的生物化學分餾系數(約為27‰)。所以上式可改寫為： δ13Cp ＝ δ13Ca －4.4－22.6(pi／pa) 植物對C02的吸收速率A則由下列關系式與C02的局部壓力聯(lián)系起來了：A＝g(pa－pi) 其中g為植物葉片的微孔導通系數。,環(huán)境地球化

24、學 第13頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,A．Long研究了過去600年以來δ13C與氣候及大氣C02之間的關系，他用上述兩個公式作了詳細的計算。其中δ13Cp用纖維素中的δ13C值；δ13Ca用C．D．Keeling所測的大氣中CO2的δ13C值；pa是從冰心中測出的。據此計

25、算出pi再由A＝g(pa一pi)式算出A／g值。假如在整個工業(yè)革命以后g值為常數，則A／g比值就是樹木對C02的吸收速率，也就是樹輪寬度指示器。這些計算表明，在工業(yè)革命期間增加的C02濃度必然導致C02吸收的增加，其結果表現(xiàn)在海拔較高的樹木上就是輪寬加大。A．Long研究了1570一1850年間生長在歐洲某海拔較高的位置上的樹，發(fā)現(xiàn)其生長量：很少(即年輪很窄)。恰恰在這段時間，全球處于“小冰期”時期。這也支持了大氣C0

26、2濃度與地表溫度之間存在著關系這一觀點。,環(huán)境地球化學 第14頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,隨著對樹輪中13C／12C比值的深入研究和了解，發(fā)現(xiàn)問題并非簡單。因此，人們已不能簡單地按溫度或大氣中δ13C來解釋樹輪中δ13C的變化。問題如下：T．Mazany、P．P．Tans

27、和W．G．Mook發(fā)現(xiàn)樹輪內部的δ13C值沿周圍和直徑方向均有不同的變化。直徑方向上，每輪早材、晚材直徑的δ13C值可相差2‰；H．D．Freyer和N．Belacy觀察到樹木前幾輪的δ13C值同后面δ13C值比較，明顯要小。因為在幼樹時，其根部也呼吸C02，而使得其樹葉吸收的C02中的δ13C值減少；H.D．Freyer發(fā)現(xiàn)樹木在污染區(qū)δ13C值要升高。大量化石燃料的使用致使大量CO2進入大氣，從而使δ13C值減少；樹木受自身

28、生理因素影響，而使CO2濃度增高。,環(huán)境地球化學 第15頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,4.樹輪H、O同位素研究在氣候變化中的應用研究表明，樹輪同位素組成與降水同位素組成、降水量、溫度和濕度直接相關。因此，樹輪同位素序列可用來恢復氣候記錄、評價最近發(fā)生的氣候事件和探

29、討引起氣候長期波動的原因。,環(huán)境地球化學 第16頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,(1)源水同位素組成不同來源的水具有不同的同位素比值，通過對植物同位素的研究有助于了解植物利用的環(huán)境水是雪融水、河水，還是淺層地表水或深層土壤水。對于干旱半干旱地區(qū)，植物的源水一般是當年

30、的降水。這樣該地區(qū)樹輪同位素組成可反映降水同位素組成。因而有助于了解大氣環(huán)流的特征或降水模式的時空變化。越來越多的證據揭示植物纖維素同位素組成的差異反映了植物源水同位素組成的變化，無論在年際尺度上還是在單個生長季內。研究表明，在干旱半干旱地區(qū)，樹輪同位素比值與環(huán)境水(降水)的同位素比值線性相關。樹輪同位素提供了降水同位素組成的可靠信息。,環(huán)境地球化學

31、 第17頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,(2)溫度源水(降水)同位素的變化是溫度的函數，所以樹輪同位素的變化可以反映溫度變化。C．J．Yapp等得出的樹輪同位素與年平均溫度的變化率(5.8‰／℃)跟降水同位素與年平均溫度的變化率(5.6‰／℃)極為相近。最近的研究結果表明，對于氣候條件簡單或地勢平坦的地區(qū)，樹輪同位素序列是濕度變化歷史的良好

32、載體。溫度的變化是樹輪同位素組成長期波動的主要原因。利用樹輪同位素序列研究氣溫的變化難點就是溫度信號相對微弱。R．A．Houghton等指出，中緯度大多數地區(qū)近130年來平均溫度變化幅度不到1℃。這樣微弱的信號在其從降水到樹木的源水、最后到樹輪纖維素的傳輸過程中可能被丟失。,環(huán)境地球化學

33、 第18頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,(3)降水量樹木生長季期內，如果樹木吸收的水分受到限制，那么樹木吸收水分的多少對葉片蒸發(fā)率有明顯的影響，因而可能影響纖維素的同位素組成。樹輪同位素組成與降水量之間的關系已被許多試驗結果證明，一般是水分條件受到限制的地區(qū)，樹輪同位素的組成與降水量反相相關。,環(huán)境地球化學

34、 第19頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,(4)濕度相對濕度與葉子蒸發(fā)速率有關，因而也與光合作用速率存在相關關系。很多研究結果表明樹輪同位素與相對濕度之間存在線性相關。然而，在一些研究中樹輪同位素與濕度之間的相關關系沒有被發(fā)現(xiàn)。J．W. C.White等認為如果短期水汽與樹木的源水未達到完全的同位素平衡，那么短期水同位素的變化將有效地掩蓋掉樹輪同位素的濕度信號。,

35、環(huán)境地球化學 第20頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,5．碳同位素研究在氣候變化中的應用研究表明，許多環(huán)境因素(如C02、壓力、02分壓、溫度、光照、濕度、鹽度等)都可以影響植物的碳同位素分餾(Δ值)和組成(δp)，按照Farquhar的模式公式[δ13Cp＝δ13Ca－a

36、－(b－a)pi／pa]，植物的碳同位素組成與源C02的δa及葉子細胞內外C02分壓之比(pi／pa)有關，而又pi／pa直接受各種環(huán)境因素的控制，因此，利用植物的δ13Cp就有可能反映大氣C02的δ13Ca及環(huán)境因素的變化。,環(huán)境地球化學 第21頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化

37、,(1)大氣C02的δa變化在植物δp值變化中的記錄大氣C02的碳同位素組成(δa)不是一個常數，其隨時間和空間而變化。時間上，大氣C02的碳同位素組成不但隨季節(jié)而變化，而且還隨地質年代而變化?？臻g上，大氣C02的δa值隨著高度、緯度及海拔而變化。植物的碳同位素組成(δp)在很大程度上依賴于其生長時期的大氣C02的碳同位素組成(δa)，森林冠層中大氣C02同位素組成變輕在植物同位素組成中的反應是δp值降低，這一點已被許多科學

38、家證實。,環(huán)境地球化學 第22頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,(2)溫度溫度與植物δp之間的關系是比較復雜的 。到目前為止，盡管溫度與植物碳同位素分餾之間存在關系，但是在溫度系數的大小方面還沒有取得一致的意見，有入認為兩者之間存在高度的負相關關系，但是在大多數研究中，人們

39、發(fā)現(xiàn)的卻都是正的相關關系。因此，溫度與植物δp之間的關系還是一個需要不斷探索和深入研究的問題。,環(huán)境地球化學 第23頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,(3)濕度濕度狀況也被認為是影響植物δp變化的最重要因素之一。植物的δp值也能反映濕度狀況的變化，如土壤含水量、空氣濕度及降

40、雨量的變化都可以記錄在植物的δp值中，低的土壤含水量、低的空氣濕度以及降雨量的不足都會引起δp值的增大。,環(huán)境地球化學 第24頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,(4)光照條件光照條件的變化可影響植物葉子的氣孔導通系數(g)、光合速率(A)及葉內C02分壓pi。研究證明

41、；不論是陰地植物還是陽地植物，隨光照的增強，g和A幾乎是平行變化的，兩者隨光照的增強而增大，在一定范圍內與光照強度呈正相關的，當光照達到一定強度(光飽和點)時，兩者都不再增加。pi在弱光條件下總是比較高的，隨著光照強度的增大會逐漸降低，達到光飽和點時降到最低值，之后隨光照強度的增大，δp值會逐步增大。,環(huán)境地球化學

42、 第25頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,(5)大氣壓力大氣壓力與葉子內外C02分壓之比(pi／pa)之間存在著密切的關系，當大氣壓力下降時pi／pa降低。大氣壓力對pi／pa的這種影響作用可分解為C02分壓(pCO2)及02分壓(po2)兩種影響。 然而，Korner的壓力效應模擬研究結果表明：大氣總壓變化時對pi／pa的影響主要是由O2分壓產生的。當02分壓降低時，pi／pa降低，

43、按照Farquhar的分餾模式公式[ δ13Cp＝δ13Ca－a－(b－a)pi／pa ]，pi／pa降低，植物的δp值增大。因此，植物的δp值變化是能夠記錄大氣壓力(尤其是O2分壓)的變化。,環(huán)境地球化學 第26頁,第一節(jié):樹輪研究與氣候變化,(6)鹽分及營養(yǎng)元素植物δ