环境地球化学(中科院) 过去信息提取1 (NXPowerLite)
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第四章 地球化学与过去全球变 化信息提取
第一节 树轮研究与气候变化 第二节 动物体内同位素组成、种群特征与
全球变化 第三节 黄土研究与全球变化 第四节 冰岩心研究与全球变化 第五节 碳酸岩研究与全球变化 第六节 湖泊沉积物研究与气候、环境演化
科学的实践观告诉我们，只有掌握过去环境变化历 史，才能真正了解现在，只有掌握了过去和现在，才能 预测环境的未来。过去全球历史演变有地质和地球化学 的记录，提取这些记录揭示其对地球未来的意义，并为 评价现今的环境提供对照的基准。IGBP自1988年建立并 开展工作以来，调动世界各国科学家开展多学科的国际 协作，研究过去全球变化的海洋记录和陆地记录，系统 研究15万年以来全球环境变化的地质地球化学记录，特 别加强研究2000a以来的地球历史，以重建过去2000a全 球气候和环境变化的详细历史（时间分辨率应达到1a）。 在对过去历史的研究中，树轮、湖泊沉积物、海洋沉积 物、冰岩芯、黄土剖面、古土壤、沉积岩层、孢粉及火 山灰等可以提供丰富的环境演变信息。
• 研究表明，在重建数百年至数千年的历史 气候工作中，树轮具有很大的优越性。因 为它有很高的时间分辨率（一年或更短）。 同时，同位素数值与主要的气候参数，如 温度、湿度及大气降水有密切的关系。
• 我国稳定同位素研究刚刚起步，目前中国 科学院黄土与第四纪地质实验室、中国科 学院地球化学研究所等单位已进行了该方 面的研究。
由此,得到一个植物与周围环境湿度（h）之 间的线性关系式:
α＝-0.124h+1ຫໍສະໝຸດ Baidu089 植物生长过程中所吸收的环境水的δDW 值对 纤维素中δDCN 值的变化起决定性的作用.
• 基于大气降水被植物所吸收，植物中 氢同位素比值随降雨而发生变化， White认为在纤维素形成之前，植物 叶片水的蒸发已经引起了同位素的分 馏。同时他给出了一个叶片水中δDL 与硝化纤维中的δDCN 之间的关系式:
• 根据植物生理学研究，管状植物与树木 十分相似，所以这一结果也适用于树轮中。
• Yapp和Epstein报道了水生植物EB 值在 -12－-39‰，White报道美国东部白杉 的EB值在-75－-53‰之间，计算出相应 的温度系数为+1.6‰℃－1。Stratten报 道的小麦和玉米的温度系数分别为1.39±0.35 ‰℃-1 和-1.45±0.72‰℃-1。
•
δDCN =0.87 δDW-11
• 湿度对该关系式也有很大影响。不同的植物
种类以及在不同湿度条件下生长的植物，其叶
片水中的 δD值都有很大的变化。
同样，在某些情况下，用于分析的水并不能
真正代表树木在生长时它从周围环境所吸收的 水分。为此他们定义分馏系数αB为:
B
(1 103Dcn ) (1103Dw )
• ① 树木年轮氢同位素研究 对植物生理 的研究及大量的同位素的实验表明，严重影响 树木中氢同位素丰度的气候要素主要为降雨量、 湿度及树木生长季节的平均温度。
• 在树木氢同位素的研究中，首先遇到的问
题是植物生物化学作用对氢同位素的影响，人
们力求找出准确的各种植物的生物化学分馏系
数。DeNiro在研究中定义生物化学分馏系数为
EB，则
•
EB＝δDCN－δDSW
• 其 中 δDCN 为 植 物 硝 化 纤 维 中 的 δD， δDSW是植物在合成纤维素时所摄取的水的 δD值。
• 海藻其EB＝+50‰～-70‰；水囊EB＝0～ -100‰；管状植物EB ＝0～-20‰。同时通 过测定控制生长条件的管状植物中水温对 EB 的影响，得到的 EB＝-4～+75‰，相应 的温度系数为+4‰℃－1～-5‰℃－1。
• 2 实验技术
• 目前，稳定同位素碳、氢、氧分析方法都 已经成熟，并能达到相当高的精度，足以保 证测量出自然因素引起的同位素组成的变化。 就树木年轮同位素分析而言，关键问题是如 何可靠地从树木中分离出适合质谱分析的样 品，同时又不破坏其原始同位素成分。
•
• 树木的化学组成为：纤维素占50％，木质素 占30％，半纤维素占15％，树脂和树蜡约占 5％。目前研究结果证实，纤维素能稳定地 保留树木生长期间的同位素成分，其后不发 生同位素变化。树脂和树蜡具有一定的流动 性，干扰同位素的测定。在提取供分析用的 纤维素时，应十分注意避免溶剂对试样中同 位素发生影响，引起同位素分馏。
• 地球化学为提取历史信息提供了必不 可少的理论基础和手段。稳定同位素分 馏理论确定了自然档案的δ18O、δ13C、 δD等指标可以作为古气候、古温度及古 环境演化的见证；同位素年代学的应用 可以直接测定自然档案的绝对年龄，为 历史演变研究建立时间坐标；主量元素 和微量元素的分布、分配、存在形式以 及表生地球化学行为是古环境的灵敏指 示剂。
第一节 树轮研究与气候变化
1 研究现状
树木稳定同位素研究是近20年在国际上兴起的 一个新的领域。树木年轮稳定同位素分析，可用 来获取高分辨率的气候代用记录，在重建历史上 的气候和环境方面发挥着重要作用。开展树轮稳 定同位素季节性变化的研究，不仅可以获取树轮 稳定同位素年际变化的信息和树木生长季内的气 候状况，而且，还可以获取大气二氧化碳浓度及 环境变化的极有价值的信息资料。它们对于未来 的气候变化、生态变化、水圈变化及某些灾害性 变化都具有重要的理论和实际运用价值。
• EB 值随植物种类的不同而有很大的差别。 因此在采集样本时，除了对采样点进行选择 外，对树种也要做相当严格的选择。
• 第二个问题是植物内部氢同位素成分与周围 环境水中的氢同位素之间的关系。
• Yapp和Eepstein研究了不同地区不同植物 种类，测定了它们硝化纤维的δDCN 值，同时 测定了它们生长周围环境水。得到一个统计关 系式：
3 树木年轮同位素理论研究
• 目前树木稳定同位素的研究主要集中于同 位素基础理论，如同位素生物分馏机理、分 馏系数、分馏模式的研究上，尽管这方面所 存在的问题还未得到完全解决，但已经累积 了可观的实验数据和资料。并且证明了树木 同位素丰度变化与一些重要的气候参数及环 境条件诸如温度、湿度、降水、大气CO2浓度 等存在着某种函数关系。现将简况分述如下：
第一节 树轮研究与气候变化 第二节 动物体内同位素组成、种群特征与
全球变化 第三节 黄土研究与全球变化 第四节 冰岩心研究与全球变化 第五节 碳酸岩研究与全球变化 第六节 湖泊沉积物研究与气候、环境演化
科学的实践观告诉我们，只有掌握过去环境变化历 史，才能真正了解现在，只有掌握了过去和现在，才能 预测环境的未来。过去全球历史演变有地质和地球化学 的记录，提取这些记录揭示其对地球未来的意义，并为 评价现今的环境提供对照的基准。IGBP自1988年建立并 开展工作以来，调动世界各国科学家开展多学科的国际 协作，研究过去全球变化的海洋记录和陆地记录，系统 研究15万年以来全球环境变化的地质地球化学记录，特 别加强研究2000a以来的地球历史，以重建过去2000a全 球气候和环境变化的详细历史（时间分辨率应达到1a）。 在对过去历史的研究中，树轮、湖泊沉积物、海洋沉积 物、冰岩芯、黄土剖面、古土壤、沉积岩层、孢粉及火 山灰等可以提供丰富的环境演变信息。
• 研究表明，在重建数百年至数千年的历史 气候工作中，树轮具有很大的优越性。因 为它有很高的时间分辨率（一年或更短）。 同时，同位素数值与主要的气候参数，如 温度、湿度及大气降水有密切的关系。
• 我国稳定同位素研究刚刚起步，目前中国 科学院黄土与第四纪地质实验室、中国科 学院地球化学研究所等单位已进行了该方 面的研究。
由此,得到一个植物与周围环境湿度（h）之 间的线性关系式:
α＝-0.124h+1ຫໍສະໝຸດ Baidu089 植物生长过程中所吸收的环境水的δDW 值对 纤维素中δDCN 值的变化起决定性的作用.
• 基于大气降水被植物所吸收，植物中 氢同位素比值随降雨而发生变化， White认为在纤维素形成之前，植物 叶片水的蒸发已经引起了同位素的分 馏。同时他给出了一个叶片水中δDL 与硝化纤维中的δDCN 之间的关系式:
• 根据植物生理学研究，管状植物与树木 十分相似，所以这一结果也适用于树轮中。
• Yapp和Epstein报道了水生植物EB 值在 -12－-39‰，White报道美国东部白杉 的EB值在-75－-53‰之间，计算出相应 的温度系数为+1.6‰℃－1。Stratten报 道的小麦和玉米的温度系数分别为1.39±0.35 ‰℃-1 和-1.45±0.72‰℃-1。
•
δDCN =0.87 δDW-11
• 湿度对该关系式也有很大影响。不同的植物
种类以及在不同湿度条件下生长的植物，其叶
片水中的 δD值都有很大的变化。
同样，在某些情况下，用于分析的水并不能
真正代表树木在生长时它从周围环境所吸收的 水分。为此他们定义分馏系数αB为:
B
(1 103Dcn ) (1103Dw )
• ① 树木年轮氢同位素研究 对植物生理 的研究及大量的同位素的实验表明，严重影响 树木中氢同位素丰度的气候要素主要为降雨量、 湿度及树木生长季节的平均温度。
• 在树木氢同位素的研究中，首先遇到的问
题是植物生物化学作用对氢同位素的影响，人
们力求找出准确的各种植物的生物化学分馏系
数。DeNiro在研究中定义生物化学分馏系数为
EB，则
•
EB＝δDCN－δDSW
• 其 中 δDCN 为 植 物 硝 化 纤 维 中 的 δD， δDSW是植物在合成纤维素时所摄取的水的 δD值。
• 海藻其EB＝+50‰～-70‰；水囊EB＝0～ -100‰；管状植物EB ＝0～-20‰。同时通 过测定控制生长条件的管状植物中水温对 EB 的影响，得到的 EB＝-4～+75‰，相应 的温度系数为+4‰℃－1～-5‰℃－1。
• 2 实验技术
• 目前，稳定同位素碳、氢、氧分析方法都 已经成熟，并能达到相当高的精度，足以保 证测量出自然因素引起的同位素组成的变化。 就树木年轮同位素分析而言，关键问题是如 何可靠地从树木中分离出适合质谱分析的样 品，同时又不破坏其原始同位素成分。
•
• 树木的化学组成为：纤维素占50％，木质素 占30％，半纤维素占15％，树脂和树蜡约占 5％。目前研究结果证实，纤维素能稳定地 保留树木生长期间的同位素成分，其后不发 生同位素变化。树脂和树蜡具有一定的流动 性，干扰同位素的测定。在提取供分析用的 纤维素时，应十分注意避免溶剂对试样中同 位素发生影响，引起同位素分馏。
• 地球化学为提取历史信息提供了必不 可少的理论基础和手段。稳定同位素分 馏理论确定了自然档案的δ18O、δ13C、 δD等指标可以作为古气候、古温度及古 环境演化的见证；同位素年代学的应用 可以直接测定自然档案的绝对年龄，为 历史演变研究建立时间坐标；主量元素 和微量元素的分布、分配、存在形式以 及表生地球化学行为是古环境的灵敏指 示剂。
第一节 树轮研究与气候变化
1 研究现状
树木稳定同位素研究是近20年在国际上兴起的 一个新的领域。树木年轮稳定同位素分析，可用 来获取高分辨率的气候代用记录，在重建历史上 的气候和环境方面发挥着重要作用。开展树轮稳 定同位素季节性变化的研究，不仅可以获取树轮 稳定同位素年际变化的信息和树木生长季内的气 候状况，而且，还可以获取大气二氧化碳浓度及 环境变化的极有价值的信息资料。它们对于未来 的气候变化、生态变化、水圈变化及某些灾害性 变化都具有重要的理论和实际运用价值。
• EB 值随植物种类的不同而有很大的差别。 因此在采集样本时，除了对采样点进行选择 外，对树种也要做相当严格的选择。
• 第二个问题是植物内部氢同位素成分与周围 环境水中的氢同位素之间的关系。
• Yapp和Eepstein研究了不同地区不同植物 种类，测定了它们硝化纤维的δDCN 值，同时 测定了它们生长周围环境水。得到一个统计关 系式：
3 树木年轮同位素理论研究
• 目前树木稳定同位素的研究主要集中于同 位素基础理论，如同位素生物分馏机理、分 馏系数、分馏模式的研究上，尽管这方面所 存在的问题还未得到完全解决，但已经累积 了可观的实验数据和资料。并且证明了树木 同位素丰度变化与一些重要的气候参数及环 境条件诸如温度、湿度、降水、大气CO2浓度 等存在着某种函数关系。现将简况分述如下：