中国北方C3植物碳同位素组成与年均温度关系

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中
国
地
质
２０ ｏ２年
十字 花科
（ ｒｃ ｅ ｅ 的独行 菜 （ ｅ ｉｉｍ Ｃｕｉｒ ） ｆａ Ｌ ｐｄｔ ￣ （ ｅ ｏ ｏ ｉ ｅｅ 的 藜 Ｃｈ ｎ ｐ ｄ ｃａ ） ａ
表 １ 植 物 碳 同 位 蠢 组 成
１ Ｃａ ｂ ｒ ｏｎ ｉｏ ｏ ｉ ｓｔ ｐ ｃⅫ 胛 ｓＩ％ Ｉ ｊ ｏ｜ｐｈ咄
素组成 （ １ 图２ 。碳 同位 素组成的表达式为 ： 表 、 ）
８ ｃ （ ）＝ ［Ｒ＃ — Ｒ ） 啦 × Ｏ ％ ‰ （ ｓ ／Ｒ ］ １ Ｏ ０ ０ 往 戽 均温度为 １６～ ９０ ９１１９ 年的平均值
式 中Ｒ＃ 和Ｒ 分 别 表 示 样 品 和标 准 的
式 中Ｙ 为碳 同位素 组成 ，为年均 温度 。 果表 明 ｘ 结 独 行菜 、藜 和魁蓟 的碳 同位素组 成与 年均温 度呈显 著 线性 负相 关 ，其 中独行 菜和藜 与年均 温度 间的显 著 水平 为９％， ９ 魁蓟的显 著水 平为９％。 ５ 相对而 言 ， 前 ２ 种植物碳 同位 素组 成与年 均温 度的关 系要较 后 １ 种 植 物更 紧密些 。平 车前 的碳 同位 素组 成与年 均温度 未达到显 著 相关 。 温 度 是 影 响 植 物 碳 同 位 素 分馏 的重 要气 候 因 子 ， 通 过 一系 列 的机 制 影 响植 物 的碳 同位 素分 】它 馏 。一方 面温度可 直接 影响参 与光合 作用 的酶 的活 性 ， 而会 对植物 的碳 同位素分馏 发生 影 响。 一方 从 另
面温 度可 影响 叶子 的气孔 导通 系数 （）ｃ（２ ｇ 、 ）的吸收
碳 同位素 比值 。 同位素 结果 采用 的是Ｐ 标 准 。 品 ＤＢ 样 的前 处理 和分 析 均 在 中 国科 学 院 地 质 与 地球 物 理 研究 所 同位 素室进行 。分析误 差 ≤Ｏ２ ０ ．％ 。
２ 结 果 和讨 论
第２ ９卷 第 １ 期
王 国安等： 中国北方 Ｃ 植物碳 同位紊组成与年均温度关系 ，
５ ７
除 在兰州和 长武 的同位素值 有较 大 的变化外 ，在其
线 性相关 ，它们 的碳 同位素 组成有 可能作 为年 均温 度 的替代 性 指标 。平 车前 的８℃组成 与 年均 温度 没 有 显著相关 性 ，它 的碳 同位 素组成 作为年 均温 度 的 替 代性指标 显然 不合 适 。 植 物鉴定 由西北 植物 研究所 吴振海 副研究 员完 成 ， 同位素分 析 由张福松 和霍卫 国高级 工程 师 、 碳 陈 建 和曹 洁工程师 、 蒋文 毓 老师完成 ， 中所 引的气象 文 数 据来 自国家气 候资料 中心 ， 特此感 谢 。 参 考文 献
（）种植 物 的碳 同位素 组成 均有 随着 年均 温 度 １４
降低而逐渐 变重 的趋势 ， 但程度 不 同（ ） 图２； （） 行 菜 、 、 蓟 和平 车前 的碳 同位 素 组 成 ２独 藜 魁
与年 均 温度的线性 回归 方程 分别是 ：
Ｙ ＝ 一 ． ６ 一 ２ ．２ （ Ｏ ７ｘ ３ ４７ ８ ｒ＝ Ｏ８ ，ｎ ＝ １ ） ５ ０ Ｙ 一 ．１ｘ 一 ２ ７ （ Ｏ８ ，ｎ ＝ ９ ０ ０ ５ ３６ ９ ｒ ９ ）
的结果 为负相关 。因此 ， 了有效她ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ利用植 物６ 作 为
为 温度的替代 性指标 来追 索过去 气候变 化 ，有必要 对植物８（ １： ３组成 与温度关 系做 进一步的研究 。 本文选 择 了若 干种 ｃ 植 物 ， ， 分析 了 ８， ｃ组成 ， 以揭 示 ｃ植 ３ 物 的８３组 成 与温度 间 的关 系 ；同时就 不 同植 物种 Ｃ
［ ］Ｄ ｉｅ １ ｅｎｓＰ ｉ ｔ ｉ ｃ ｏｌｏ ｆｒｄ ｃｄ ｓ ｏ ｃ ｏｍｐｓｔ ｎ ｏ ｅｕｅ ｏｐ ｉ ｃｃｒｏ ａｂｎ
他各种 不同温 度条 件下 ，即在不 同 的样 品采集 地 区 同位 素值 都较 接近 ， 化幅 度很 小 ； 次 是魁 蓟 ． 变 其 对
温度 变化 的响应相 对也较 弱 ；而独 行 莱和藜两 种植
王 国安 韩 家懋。 周 力平
（． 京太 学城 市与 环 境 学 系 ， 京 １０ ７ ； １北 北 ０８ １２中国科 学 院地 质 与地 率 辅 理 研 究所 ． 京 １０ ２ ） 北 ０ ０ ９
提 要 ； 文 对 不 同温 度 条 件 下生 长的 藜 、 行 莱 、 蓟 和平 车前４ 常 见 ｑ 植 物 的８ Ｃ 行 了分 析 ， 果发 现这 ４ ｃ 本 独 魁 种 ” 进 结 种 ，
文 献 标识 码 ： Ａ 文 章 编号 ：０ ０ ３ ５ ｌ０２ ０ － ０ ５ ０ １０ － ６７ ２ ０ 】 １ ０ ５ － ３ 中 圈 分类 号 ：５＂ ２ Ｐ９ Ｐ＿
陆 生植 物 的光 合 作用 有３ 途径 ： 途径 、 种 Ｑ ｃ 途
径 和Ｃ Ｍ 途 径 ，相对 应 的植 物被 称 为ｃ 物 、 Ａ 描 ｃ 植
Ｏ３％ 、．１ ｏ ０１％ 、 ０１ ％ ， 均 变 化 ０ ０ ， ．８ ０ ０５ ％ 、． ０ 和 ．３ 平 ９ ０ ． ％ｏ ３
说 明各植 物种 的碳 同位 素组成对 温度 变化 的敏感程 度不 同。 中 以平 车前对 温度变 化 的敏感程 度最弱 ， 其
…
一
一
…
一
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物 的碳同位 素组成 对温度 的变化 要 比前 两种 植物敏 感得 多。 由于藜 、 独行 菜 和魁蓟 的碳 同位 素组成 与年 均 温度 呈显著 负相关 ，因此它们 的碳 同位素组 成可 以作 为年均温 度 的替 代性 指标 ，尤 以藜 和独行 菜 的 碳同位 素组成 更适合 ， 因为它们对 温度 响应更 强烈 。 笔者还 对平 车前 的同 位素组 成 与年均温 度进行 了非 线性 回归分 析 ， 也都未 达 到显著 相关 。 充分地 这 说 明 了年均 温度 似乎不是 影响平 车前 碳同位 素组成 的主要 因子 。究竟 那种 因子对平 车前 的碳 同位 素组 成起决 定作 用 ， 还有 待于进 一步研 究 。 同时也 表明平 车前 碳 同位 素 组成 不 能作 为年 均 温度 的替 代 性 指 标 。因此并不 是所 有ｃ 物种 的碳 同位 素都 能作 为 艚 温度 的替代性 指标 。
是影 响植 物８℃组 成 的一 个 重要 气候 因子 ＿， ２ 因此 ， ＿
１ 样 品和实验方法
样 品栗 自北 京郊 区 ， 西 省 的黄 陵 、 陕 洛川 、 长武 和安塞 ， 甘肃 省 的西 峰 、 平凉 、 州 、 中 、 兰 榆 临夏 和肃 南 ， 夏的 固原 和青 海湟 中等地 ， 宁 大致 呈东西 向延伸 １ ０ ｋ 南北 约３０ｋ 年 均温 度从 东 部 （ 京 ） ６０ ｍ， ０ ｍ， 北 的 １． １ ℃逐 渐下 降到西 面 （ 南 县 ） ．Ｃ。选 择了车 ５ 肃 的２３ ￣ 前 科 （ｌ ｔ ｉａｅｅ 的平 车 前 （／ｒ ｇ ， ｒ，ａ 、 Ｐａ ａｎ ｃａ） ｎｇ Ｐａ ａｏｄｐｅｓ） ａ ｅ ｓ
是 一 ． ６ 一 ．１ 、 ０１０ 和 一 ．３ ， 表 明年 均温 Ｏ ７ 、 ０ ０ 一 ．９ 、 ０１２ 这 ３ ５ 度每变 化 １ ，这４ 植物 的碳 同位 素组 成分 别变化 ℃ 种
图 ２ 植 物 的碳 同位 素 组 成 与年 均 温 度 关 系
Ｆ ｇ Ｒｅａ ｏ ａ ｉｓ ｂ ｔ ｅ ａｂ ｎ ｉ ｔ ｐ ｃ ｉ ２ ｌ ｒ ｈｐ ｅ ｗｅ ｎ ｃｒ ｏ ｓ ｏ ｉ ￣ ｏ ｃ ｍｐ ｓ ｉ ｎ ｆｐ ａ ｔ ａ ｄ ａ ｎ ａ ａ ｅ ａ ｅ ｔ ｍｐ ｒ￣ｒｓ ｏ ｏｉ ｏ ｓ ｏ ｌ ￣ ｎ ｎ ｕ ｌ ｖ ｒｇ ｅ ｅ ａ ｅ ｔ ｎ
前人试图利用植物８ Ｃ Ｌ 组成作为温度的替代性指标 ＇ 来追索 过去气 候变 化。 这方 面 的研 究进行得 较 多 ， 主 要集 中在对 ｃ 物８ｃ组成 之 上 ，尤 其 是对 树木 年 描 ，
轮的８ 与温 度关系进 行过较 多 的研究 ［］然而 ， ℃ ３。 － ｓ 植 物６ 组 成 与温度 到底 存在 着什 么 样 的关 系 目前 还 有 争 议 。Ｐａｍａ 等Ⅲ， ｎ等 人 的研 究 表 明植 物 ｅｒ ｎ Ｔａｓ ６ 组 成 与温 度为正 相关 ， ａ ｒ ，ｅｖｔ 而Ｆｒ Ｌａｉ等 人 ｍｅｒ ｔ
图１ 植 物 样 品采 集 分 布 图
Ｆ ｇ Ｄｉ ｉ ｕ ｏ ｆ ｐａ ａ ｌｓ ｉ １ ｓ ｂ ｆ ｎ ｏ ｌ ｕ ｉ ｎｔｓｍｐ ｅ
收 稿 日期 ：。 １ ｌ ： 回 日期 ：０ １ ０ ２ ２ ０ 一ｌ ５砬 ２０ －１— ２
基盘项 目： 国家 白 鼎科学基金项 目（ ０ ２ ５ ） ４ ７ ０９ 和目家自然科学基金重大项 目｛９ ９ １ ） 合赍 助。 ０ ４８ ４７ 联 ４ 作者茸介 ： 王目安， ．９ ５ 男 Ｉ６ 年生 ． 士 ， 博 主要从事全球环境与气候变化研究， 现在北京大学从事博 士后研究工作。
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第２ ９卷第 １ 期
２０ ０ ２年 ２ 月
中
国
地
质
Ｖｏ ．９． ｏ １ １ ２ Ｎ ．
ＧＥＯＬＯ ＧＹ Ｉ Ｈ Ｉ Ｎ Ｃ ＮＡ
Ｅ ｂ ．呻 ２ ｅ ．２
中 国 北 方 ｃ 植 物 碳 同 位 素 组 成 与 年 均 温 度 关 系
Ｙ ＝ 一０１ ０ 一 ２ ．８ （ ．９ ｘ ５９ ８ ｒ＝ Ｏ８ ９，ｎ ＝ ５）
Ｙ ＝ －０１ ２ 一 ２ ．４ （ ．３ ｘ ５６ Ｏ ｒ＝ ０４ ．３，ｎ ＝ １ ） １
率及 ｃ
值 （ ｃ 别是 大气 Ｃ 浓度 、 内气 腔 Ｏ： 叶
中ｃ 藏 度 ）从而影响植物 的碳 同位 素分馏。 ， 至于说 植 物的碳 同位紊组成到 底是怎样 随温度 变化 的（ 变重 还是变轻？ ） 目前 由于 各学者测试 的结果相互 矛盾 ， ，
的８ｃ组 成 对 温度 变 化 的响 应 程度 进 行 了探 索 ， 以 此为利用植 物８ Ｃ 成来恢 复过 去气候 提供 依据 。 组
物 和Ｃ Ｍ植 物。绝 太多数 陆生植 物 为ｃ 物 ， Ａ 描 ｃ植 物 相对很 少 ， Ａ Ｃ Ｍ植物 更少 。 植物发生 光合 作用 时 ， Ｃ 的 固定过程 要产生 碳 同位 素分馏 ， Ｏ 结果 表 明 ， 植 物合成 的有机物 中普 遍富集碳 的轻 同位素 （ ） …。 ℃ 植物 的８℃组 成受 气候环 境 因子 的影 响 ，其 中温度
物个 俸 ，从而 避 开了局 部 光照 和水分 的影 响 。 样 品 用清 水洗 净 、 干 ， 于烘 箱 （０ ） 凉 置 ８℃ 中烘
干． 随机选 取３， 片来 自不 同个体 的成 熟 叶片 －０ ， ２
磨 碎 。研磨 后的样 品 ， 燃烧 法收 集完 全燃 烧 用 后 产生的Ｃ ， Ｏ 用ＭＡＴ ２２ 谱计分 析碳 同位 一 ５质
植物的８℃组成都 表现出随年均 温度下 降而变重的趋势 ． 】 其中藜 和独行菜 的碳 同位素组成对温度变化的响应相对要 较其他两种植物强烈得多 ， 同时还发现藜 、 独行菜和魁蓟的８ Ｃ组成 与年均 温度 有显著 线性 相关 ， 平车前碳 同位寮 组成与年均温度授有显 著的相关性。表明藜 、独行菜和魁蓟的６ Ｃ组成可作 为年均 温度的替代性指标 ，平车前的 ” ８ 组成不能作为年均温度的替代性指标。 Ｃ 关 蕾 词 ： 植物 ； ｑ 碳同位素组成 ； 年均温度
ａ ｅａ ｍ） 藜 科 ｐ ｔｕ 、 ｌ （ ｈ ｎｐ ｄ￣ Ｃｅｏｏｉ
ａｕ ｌ ｍ） 和菊 科 （ ｏ ｏｉ ｅ ｂ Ｃ ｍｐ ｓａ ） ｔ
的魁 蓟 （ ｉｉｍ ｌ ）４ ｃ 物 种作 为 研 究 Ｃｒｕ ｅ ｓ ｏ 种 描
对象 。 ４ 这 种植 物均 为广适 性 的植 物种 ， 在我 国 北 方（ 甚至南 方 ） 较常 见。 都 每一 分 析样 品均 由２ ４ 个体 混 合而 成 。 －株 尽 量注 意采 集那 些 开 阔平 坦 环 境 下生 长 的植
还没有定论 。而本 文 中４ 种植物碳 同位素组成髓温度
的变化趋势是一致 的 ， 都随年均温度升高而变轻 。 尽 管所 有植物 的碳 同位素组 成都 随年 均温度变 化表 现 出一 致的 趋势 ， 图２ 但从 中可 以看 出每 条线 的 斜率 有差 别 ， 独行 菜 、 、 蓟 和平 车前 的斜率 分 别 藜 魁