海洋中碳稳定同位素的生物地球化学资料
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还原碳（煤、甲烷、石油等合物）
多种氧化价态是同位素分馏的有利条件
2丰度 稳定同位素 12C:98.89% 13C:1.11% 放射性同位素 14C
存在两大重要碳库： 海洋碳酸盐——重同位素多， δ13C平均值接近0 ‰ 有机碳——轻同位素多，-25 ‰左右变化
这两个沉积碳库存在同位素质量平衡：
δ13C输入=f有机δ13C有机+（1- f有机） δ13C碳酸盐 f有机,即有机碳进入沉积物的比例 若已知特定时期的δ输入、δ有机和δ碳酸盐，可计
Байду номын сангаас
CO32- + Ca2+ = CaCO3 (4)
每个平衡反应都有同位素交换。
13C趋向富集在高价碳中，即CH4（13C最亏损） → CO → CO2 → CO3-（13C最富集）
(4)式形成固体矿物，最常见的矿物是方解石和文 石。
（2）光合作用中的碳同位素分馏 （A）生物分馏
植物光合作用 CO2 （外部）↔CO2（内部） →有机分子
现象：自北向南，季节性旋回变化幅 度减小。
原因：高纬度植物的生理活动有更强 的季节性。
陆地主要集中于北半球，所以季节 效应在南半球不明显。
现实：大气中CO2含量升高。监测资料表明， 大气中CO2浓度增加速率为1.5×10-6/ 年，同时13C/12C比值变小。
6CO2 +11H2O →C6H22O11 +6O2 单向反应
空气中12CO2键比13CO2易破裂，所以光合作用时 植物组织优先吸收12CO2，有机物中富集12C，而 空气则富集13C。
植物中碳同位素分馏分三步：
a 优先吸收12C，溶解于细胞质中。分馏由动力学引 起，主要取决于大气中CO2的浓度，浓度越低分 馏越小。
（C）影响植物碳同位素组成的外部因 素
（a）碳源： 陆生植物 (大气， δ13Cco2=-7‰ ) 海洋生物(HCO3- ,δ13CHCO3- =0 ‰ ) 所以海洋植物较陆地植物普遍富13C
大陆水一般富12C，所以淡水植物相对于海生 植物贫13C，特别是在细菌活动强烈、又与外界
混合不好的还原性盆地中的水中，溶解的δ13C更
特点
δ13C(‰) 范围
C3循环 (Calvin)
利用rubisco酶与 一个CO2生成3个 3-磷酸甘油酸，合 成三碳糖。
循环长， 分馏大。
-23～-38
90%植 物
C4循环 (Hatch and Slack)
CAM循环
用磷酸烯醇丙酮酸 羟基酶(PEF)固定 碳
以crassulacean
酸代谢为特征，采 用C3和C4两种代 谢方式
算得f有机，对重建地壳氧化还原平衡有重要意义。 注意： f有机以全球平衡为前提，与生物生产力无
关。即与有机物合成无关，而与有机物埋藏有关。
f有机高，只能说明有高的平均埋藏水平，但生物
生产力可能高或低。
3.1.2分馏机理
主要的两个分馏机理：
（1）无机碳体系中的碳同位素交换：使碳酸 盐富集13C （2）光合作用过程中的动力学效应：有机物 富集12C，残余CO2富集13C
短循环， 分馏小，
介于C3 与C4之 间
-12～-14
介于C3与 C4之间
少数： 玉米、 甘蔗
肉质植 物：仙 人掌
图171
总结了高等植物、藻类和微生物的δ13C值的范围。 C3和 C4植物的δ13C范围明显不同，而形成甲烷的细菌表现出 极大的变化范围。
浮游植物的13C含量是由温度、代谢途径以及DIC 池中的同位素组成共同决定的。
生物分馏的影响因素很多，但分馏程度主 要取决于：种类、代谢途径和温度。
（1）无机碳体系中的碳同位素交换
无机碳酸盐系统包括一系列化学平衡反应相互转 化的多种化学相：
CO2(水溶) + H2O = H2CO3 (1)
H2CO3 = H+ + HCO3-
(2)
HCO3- = H+ + CO32-
(3)
大气圈
（1）大气CO2 大气中CO2含量占0.03%，有正常的日变化、 季节变化和区域性变化。
日变化： 白天，光合作用，CO2下降，δ13C上升。 晚上，呼吸作用，呼出CO2，δ13C下降。
图P164 上图
当CO2浓度最小时，δ13C最高，为-7‰。
季节变化、区域性变化：生物活动的结果。
日变化（白天、晚上）、年变化（春季、秋 季）
（d）温度效应：植物生长、CO2同化速率、 无机碳酸盐体系的平衡。但影响小，不超 过2‰～3‰。
3.1.3大气和水圈中的碳同位素
大气圈 （1）大气CO2 （2）大气CO2的δ13C记录 （3）CH4 水圈 （1）海水碳酸盐 （2）沉积物碳酸钙（孔隙水碳酸盐）
b 溶解在细胞质中的12CO2通过酶的作用转移到磷
酸甘油酸中，使残余的CO2富集13C。
c 植物磷酸甘油酸合成各种有机物进一步分馏，总 趋势是蛋白质、果酸最重（-17‰），纤维素次 之（-23‰），类脂化合物最轻（-30‰），原因
可能是动力学分馏。
（B）影响植物碳同位素分馏的内在因素
循环名称 形成特点
第三章 海洋稳定同位素生物地球 化学
09海洋化学 李文君
3.1碳稳定同位素
3.1.1碳同位素概况 3.1.2分馏机理 3.1.3大气和水圈中的碳同位素 3.1.4生物圈中的碳同位素 3.1.5海洋碳稳定同位素研究示例
3.1.1碳同位素概况
1存在形式
自然碳（金刚石、石墨）
氧化碳（CO32- 、HCO3-、CO2 和CO）
低温处的浮游植物有更高的13C消耗量，所以温度 可能是分馏程度增强的主要原因。
动物：取决于食物
通过食物链吸收C合成有机物，此过程分馏并 不显著，所以动物的同位素组成与其食用物质的 同位素组成相似。基于这点，可用来估测其食物 的碳源。
这种方法要求所食用的所有食物种类都必须列 出，且彼此能够用同位素很好的区分。
负。
海洋浮游植物>陆生C3 C4和CAM：河口区>陆生
（b）呼吸作用
夜间，植物呼出的CO2的δ13C接近植物 组织（很负），与空气中CO2混合可改变 CO2的δ13C。
植物种类不同，则呼吸速率不同，对周 围CO2影响程度不同。
光照时间的长短，影响光合强度、CO2 同化速率及富13C的产生速率。
（c）大气CO2同位素组成变化 区域性变化：草原、森林比都市、工业区低
多种氧化价态是同位素分馏的有利条件
2丰度 稳定同位素 12C:98.89% 13C:1.11% 放射性同位素 14C
存在两大重要碳库： 海洋碳酸盐——重同位素多， δ13C平均值接近0 ‰ 有机碳——轻同位素多，-25 ‰左右变化
这两个沉积碳库存在同位素质量平衡：
δ13C输入=f有机δ13C有机+（1- f有机） δ13C碳酸盐 f有机,即有机碳进入沉积物的比例 若已知特定时期的δ输入、δ有机和δ碳酸盐，可计
Байду номын сангаас
CO32- + Ca2+ = CaCO3 (4)
每个平衡反应都有同位素交换。
13C趋向富集在高价碳中，即CH4（13C最亏损） → CO → CO2 → CO3-（13C最富集）
(4)式形成固体矿物，最常见的矿物是方解石和文 石。
（2）光合作用中的碳同位素分馏 （A）生物分馏
植物光合作用 CO2 （外部）↔CO2（内部） →有机分子
现象：自北向南，季节性旋回变化幅 度减小。
原因：高纬度植物的生理活动有更强 的季节性。
陆地主要集中于北半球，所以季节 效应在南半球不明显。
现实：大气中CO2含量升高。监测资料表明， 大气中CO2浓度增加速率为1.5×10-6/ 年，同时13C/12C比值变小。
6CO2 +11H2O →C6H22O11 +6O2 单向反应
空气中12CO2键比13CO2易破裂，所以光合作用时 植物组织优先吸收12CO2，有机物中富集12C，而 空气则富集13C。
植物中碳同位素分馏分三步：
a 优先吸收12C，溶解于细胞质中。分馏由动力学引 起，主要取决于大气中CO2的浓度，浓度越低分 馏越小。
（C）影响植物碳同位素组成的外部因 素
（a）碳源： 陆生植物 (大气， δ13Cco2=-7‰ ) 海洋生物(HCO3- ,δ13CHCO3- =0 ‰ ) 所以海洋植物较陆地植物普遍富13C
大陆水一般富12C，所以淡水植物相对于海生 植物贫13C，特别是在细菌活动强烈、又与外界
混合不好的还原性盆地中的水中，溶解的δ13C更
特点
δ13C(‰) 范围
C3循环 (Calvin)
利用rubisco酶与 一个CO2生成3个 3-磷酸甘油酸，合 成三碳糖。
循环长， 分馏大。
-23～-38
90%植 物
C4循环 (Hatch and Slack)
CAM循环
用磷酸烯醇丙酮酸 羟基酶(PEF)固定 碳
以crassulacean
酸代谢为特征，采 用C3和C4两种代 谢方式
算得f有机，对重建地壳氧化还原平衡有重要意义。 注意： f有机以全球平衡为前提，与生物生产力无
关。即与有机物合成无关，而与有机物埋藏有关。
f有机高，只能说明有高的平均埋藏水平，但生物
生产力可能高或低。
3.1.2分馏机理
主要的两个分馏机理：
（1）无机碳体系中的碳同位素交换：使碳酸 盐富集13C （2）光合作用过程中的动力学效应：有机物 富集12C，残余CO2富集13C
短循环， 分馏小，
介于C3 与C4之 间
-12～-14
介于C3与 C4之间
少数： 玉米、 甘蔗
肉质植 物：仙 人掌
图171
总结了高等植物、藻类和微生物的δ13C值的范围。 C3和 C4植物的δ13C范围明显不同，而形成甲烷的细菌表现出 极大的变化范围。
浮游植物的13C含量是由温度、代谢途径以及DIC 池中的同位素组成共同决定的。
生物分馏的影响因素很多，但分馏程度主 要取决于：种类、代谢途径和温度。
（1）无机碳体系中的碳同位素交换
无机碳酸盐系统包括一系列化学平衡反应相互转 化的多种化学相：
CO2(水溶) + H2O = H2CO3 (1)
H2CO3 = H+ + HCO3-
(2)
HCO3- = H+ + CO32-
(3)
大气圈
（1）大气CO2 大气中CO2含量占0.03%，有正常的日变化、 季节变化和区域性变化。
日变化： 白天，光合作用，CO2下降，δ13C上升。 晚上，呼吸作用，呼出CO2，δ13C下降。
图P164 上图
当CO2浓度最小时，δ13C最高，为-7‰。
季节变化、区域性变化：生物活动的结果。
日变化（白天、晚上）、年变化（春季、秋 季）
（d）温度效应：植物生长、CO2同化速率、 无机碳酸盐体系的平衡。但影响小，不超 过2‰～3‰。
3.1.3大气和水圈中的碳同位素
大气圈 （1）大气CO2 （2）大气CO2的δ13C记录 （3）CH4 水圈 （1）海水碳酸盐 （2）沉积物碳酸钙（孔隙水碳酸盐）
b 溶解在细胞质中的12CO2通过酶的作用转移到磷
酸甘油酸中，使残余的CO2富集13C。
c 植物磷酸甘油酸合成各种有机物进一步分馏，总 趋势是蛋白质、果酸最重（-17‰），纤维素次 之（-23‰），类脂化合物最轻（-30‰），原因
可能是动力学分馏。
（B）影响植物碳同位素分馏的内在因素
循环名称 形成特点
第三章 海洋稳定同位素生物地球 化学
09海洋化学 李文君
3.1碳稳定同位素
3.1.1碳同位素概况 3.1.2分馏机理 3.1.3大气和水圈中的碳同位素 3.1.4生物圈中的碳同位素 3.1.5海洋碳稳定同位素研究示例
3.1.1碳同位素概况
1存在形式
自然碳（金刚石、石墨）
氧化碳（CO32- 、HCO3-、CO2 和CO）
低温处的浮游植物有更高的13C消耗量，所以温度 可能是分馏程度增强的主要原因。
动物：取决于食物
通过食物链吸收C合成有机物，此过程分馏并 不显著，所以动物的同位素组成与其食用物质的 同位素组成相似。基于这点，可用来估测其食物 的碳源。
这种方法要求所食用的所有食物种类都必须列 出，且彼此能够用同位素很好的区分。
负。
海洋浮游植物>陆生C3 C4和CAM：河口区>陆生
（b）呼吸作用
夜间，植物呼出的CO2的δ13C接近植物 组织（很负），与空气中CO2混合可改变 CO2的δ13C。
植物种类不同，则呼吸速率不同，对周 围CO2影响程度不同。
光照时间的长短，影响光合强度、CO2 同化速率及富13C的产生速率。
（c）大气CO2同位素组成变化 区域性变化：草原、森林比都市、工业区低