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  • 2020年, 40卷, 第04期
    刊出日期：2024-06-19
      
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  • 末次冰期亚洲季风千年尺度事件的频谱特征分析
    王真军, 陈仕涛, 周学琴, 梁怡佳, 汪永进
    2020, 40(04): 851-863+850.
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    基于神农架永兴洞3支石笋氧同位素记录,拼接重建了末次冰期88～22 ka B.P.平均分辨率达70 a的东亚季风演变序列。本文以小波诊断技术为基础,对去除65°N夏季太阳辐射和72 ka异常事件影响的石笋δ~(18)O进行了多时间尺度分析。小波频谱分析结果表明,末次冰期亚洲季风具有明显的近8 ka、4 ka、2 ka左右的周期。其中近8 ka周期是唯一一个贯穿整个末次冰期的显著周期。小波方差分析结果也显示该时段仅有1个突出的峰值,对应时间约为7.7 ka。进一步分析发现这个周期组分其实也出现在格陵兰冰芯δ~(18)O和南极温度变化中,可能被年龄误差和异常事件所掩盖。已有的千年尺度机制难以有力地解释该周期组分,我们利用外差法对轨道参数的周期进行分解,获得16 ka周期,这个周期的一半刚好与发现的8 ka周期相匹配。因此,地球轨道参数单独或共同作用,引起海表温、大冰盖、海洋/大陆生态系统的变化,通过大气、大洋等环流作用,从而产生地球气候系统轨道和千年尺度的振荡。
  • 末次冰期亚洲季风事件对南北高纬气候的响应
    周学琴, 陈仕涛, 王真军, 杨少华, 汪永进, 邵庆丰
    2020, 40(04): 864-876.
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    末次冰期千年尺度亚洲季风事件与南北高纬度气候变化的关联一直是第四纪古气候领域中的热点问题。本文基于湖北省落水洞长830 mm的LS23石笋15个~(230)Th年龄和830个δ~(18)O数据,重建了28.7～22.2 ka B.P.和87.0～82.9 ka B.P.两个时段内平均分辨率分别为20 a和15 a的亚洲季风变化序列。石笋LS23记录的24.7～23.4 ka B.P.期间的千年尺度亚洲弱季风事件,对应于H2事件(Heinrich 2 Event)和南极暖事件2(Antarctic Isotope Maximum 2,简称AIM2事件)。该弱季风事件在24.7～23.4 kaB.P.期间呈缓慢开始、缓慢结束的"V"型结构演化模式,与南极对应暖事件的转型特征基本一致,而与北高纬H2事件呈快速开始、快速结束的"U"型结构明显不同,表明此时亚洲季风主要受到南高纬气候变化的影响。在84.9～84.8 ka B.P.期间,亚洲季风快速增强,对应于格陵兰冰芯记录的D021事件(Dansgaartd-Oeschger 21 Event)的开始阶段。特别重要的是,在石笋δ~(18)O序列中识别出和格陵兰冰芯记录一致的PE事件(Precursor-type Peak Event),这是在南极温度变化中难以发现的,说明此时亚洲季风变化可能主要由北高纬触发。由此推断,末次冰期千年尺度亚洲季风事件与南、北高纬气候的联系受气候背景的影响,冰期(比如H2事件所处的MIS2阶段(Marine Isotope Stage 2,深海同位素2阶段))季风强度变化主要受到南高纬温度的控制,而间冰期(比如D021事件所处的MIS5a阶段)主要受到北高纬的触发。
  • MIS 4早期千年尺度事件特征的湖北石笋记录
    陈剑舜, 段福才, 朱丽东, 周汪洋, 陈仕涛, 王权, 邵庆丰
    2020, 40(04): 877-885.
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    高精度定年的石笋记录有助于校正冰芯时标和理解千年尺度事件的驱动机制。基于湖北永兴洞YX288石笋5个高精度~(230)Th年龄和264组氧同位素数据,重建了MIS4早期东亚季风水文循环演化过程。结合同一洞穴YX46记录,发现两条记录在重叠时段的波动特征高度一致,清晰地记录了持续时间较长的D019.1事件和持续极短的DO19.2事件。石笋记录显示DO19.2和DO19.1事件的开始时间分别为约72.06 ka和69.40 ka,结束时间依次为约69.85 ka和69.03 ka,在误差范围内与格陵兰NGRIP冰芯AICC2012时标一致。这两个事件的持续时间依次约为2200 a和360 a。在DO19.2事件期间,石笋记录的东亚季风较为稳定,显著不同于格陵兰冰芯记录的温度持续下降的特征。这一季风稳定状态与南北两极间温度差的稳定波动特征较为一致,这也得到反映热带辐合带位置变化的Cariaco盆地反照率记录的支持,表明南北半球的温度变化对亚洲季风的综合影响。
  • 陕西地洞河高分辨率石笋记录的DO18季风增强事件
    翟秀敏, 孔兴功, 张远海, 张敬伟, 王权, 邵庆丰, 张振球
    2020, 40(04): 886-897.
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    千年尺度事件的结构特征和区域响应是理解和认识冰期气候变化及动力机制的关键。本文基于陕西汉中宁强县地洞河一支长417 mm石笋DDH1的11个U-Th年代和417个氧同位素(δ~(18)O)数据,重建了末次冰期(64.8～33.2 ka B.P.)亚洲季风演化历史。石笋δ~(18)O记录在64.7±0.2 ka B.P.和59.3±0.1 ka B.P.快速负偏,分别指示了DO18事件的开始和H6事件的结束。在DO18事件结束过程,石笋δ~(18)O记录在64.0～60.4 ka B.P.持续正偏,振幅达2.9‰,反应季风逐渐减弱,但未出现明显转型阶段。其总体形态与大西洋Cariaco盆地岩芯反射率、南极冰芯的记录较为一致,但是不同于格陵兰冰芯的记录。因地洞河所处青藏高原、秦岭叠加影响的区域,纬度和地形的双重影响使得其石笋δ~(18)O记录较其他地区偏负,振荡幅度更大。因地形阻挡了高纬信号,使得低纬甚至南半球的信号突现出来,ITCZ的移动、南半球温度和水汽潜热的释放作用在这一区域尤为显著。
  • CIS13气候事件特征的山西高分辨率石笋记录
    黄伟, 董进国
    2020, 40(04): 898-908.
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    文章基于山西黎城白云洞高分辨率石笋(BY2)δ~(18)O记录,重建了53.82～47.41 kaB.P.东亚夏季风演化历史。BY2δ~(18)O值在52.2 ka B.P.和49.5 ka B.P.前后显著偏负,指示两次夏季风显著增强阶段,分别对应于格陵兰冰芯记录的DO14和DO13事件。山西白云洞石笋清晰记录了CIS13事件"双峰"结构,与NGRIP冰芯记录相对应,反映了东亚季风边缘区对北大西洋海-气耦合振荡,以及ITCZ南北移动引起的雨带范围变化的敏感响应。但BY2δ~(18)O记录的CIS13事件转换过程较NGRIP缓慢,其中开始过程呈现"三相位"变化特征:即亚洲夏季风提前出现缓慢增强趋势、在达到水热阈值条件后表现出与格陵兰温度的同步快速爆发、最后仍持续增强直至峰值;这与热带大西洋和印度洋海盆岩芯反照率记录相似,可能与南大洋越赤道气流以及ITCZ持续北移有关。另一方面,千年尺度事件和百年-年代际振荡幅度分别高达5‰和2‰,明显较东亚季风区其他石笋δ~(18)O记录大,尤其是在百年-年代际尺度上呈现出"高频、大幅"的变化特征;表明其敏感响应于不同时间尺度气候波动。功率谱结果表明,其具有明显的50 a、60 a和206 a变化周期,可能受到太阳活动和海洋水文变化的双重影响。
  • MIS 3晚期石笋记录的季风突变事件区域特征及全球联系
    方一帆, 刘树双, 邹凌哲, 刘殿兵
    2020, 40(04): 909-917.
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    末次冰期晚期短尺度气候突变事件异常显著,对其研究有助于认识相似边界条件下气候突变规律。通过MIS3晚期亚洲季风区8支石笋记录总结分析发现,因受洞穴微环境、渗水通道、生长动力等影响,D05～DO3事件振幅差最大可达0.9‰,持续时间差最大达到900年,这可能反映局地环境对同一气候信号的改造作用或与各记录分辨率及测年精度有关。同时,统计分析发现,这些短尺度DO事件具有一定相似性,其持续时间集中分布于特定范围,说明石笋同位素信号在某种程度上可以反映真实气候信号。高、低纬记录对比显示,石笋记录与低纬气候信号呈现诸多相似性,反映亚洲季风区石笋记录具有显著的"低纬特色"。因此,无论亚洲季风突变的"开关"是否归因于北高纬气候,低纬过程确实是不可或缺的"塑造者"。
  • 末次冰盛期东亚夏季风变化的重庆石笋记录
    张伟宏, 张振球, 陈剑舜, 周汪洋, 邵庆丰, 李凤全, 王天阳
    2020, 40(04): 918-925.
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    基于重庆小山岩洞XSY1石笋的5个~(230)Th年龄和582个氧同位素数据,重建了23134～19345 a B.P.期间分辨率约6.5 a的东亚夏季风变化历史。此石笋δ~(18)O记录的长期趋势逐渐负偏,在其上叠加了一系列千年-百年尺度季风振荡,呈现为4谷3峰的结构形态。重庆XSY1和南京MSD石笋δ~(18)O记录在数百年尺度的反相关系表明冰盛期时东亚大陆东部水汽并非来自印度洋。与北高纬记录对比显示东亚季风的增强与减弱基本对应格陵兰温度的升高与降低时期,暗示在冰量最大时期东亚季风与北高纬气候仍密切联系。此外,XSY1的δ~(18)O与冰芯~(10)Be通量亦存在明显的对应关系,表明太阳活动对东亚季风的调控作用受冰量边界条件影响较小。功率谱分析结果显示出1011 a、722 a、460 a、337 a和163 a的周期,与太阳活动周期相近,进一步确认太阳活动对东亚季风的驱动作用。石笋XSY1与澳大利亚石笋MC-S2δ~(18)O记录在千年尺度呈反相位变化,表明冰盛期时东亚季风与全球其他气候系统的动力联系。
  • 福建仙云洞石笋记录的19.0～17.6ka B.P.期间东亚夏季风增强事件
    马乐, 肖海燕, 张鑫, 姜修洋, 蔡炳贵
    2020, 40(04): 926-935.
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    末次冰盛期回暖事件(19.0～17.6 ka B.P.)对于理解末次冰期终止机制具有重要意义。本文根据福建仙云洞石笋(XY7)的16个高精度~(230)Th年龄和327组δ~(18)O数据,重建了26.4～14.9 ka B.P.期间十年际分辨率的东亚夏季风演变过程,清晰地捕捉到了发生在末次冰盛期的夏季风增强事件。仙云洞记录指示这一强季风事件发生在19.0-17.6 kaB.P.。尽管亚洲季风区各地洞穴石笋都明确记录了这一强夏季风事件,但仙云洞记录的振幅要小很多,仅为0.5‰。这可能与仙云洞位于受东亚夏季风影响的前缘地带,受低纬海洋水文循环过程影响强烈,降水同位素的季节性差异相对较小有关。通过与高低纬地区古气候记录的分析对比表明,末次冰盛期晚期受到太阳辐射升高、北大西洋径向翻转环流增强和热带太平洋Super-ENSO的共同影响,东亚夏季风在19.0～17.6 kaB.P.期间显著增强。
  • 重庆金佛洞石笋灰度气候环境意义及全新世千年尺度事件
    张日萍, 杨勋林, 张瑞, 鄢应燃, 刘睿恺
    2020, 40(04): 936-944.
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    本文利用采自中国南方地区重庆市金佛洞的一支长228 mm石笋J119,通过9个高精度~(230)Th测年数据和3241个灰度值数据,建立了该洞穴方解石石笋全新世灰度序列,并结合相邻地区黑风洞的石笋灰度数据,研究分析发现:石笋灰度高值对应于石笋表面颜色偏浅部分,杂质含量多,为不纯的方解石,透光性差;石笋灰度低值对应于石笋表面颜色较深部分,为致密且纯净的方解石,属石笋透明层段。石笋J119灰度值序列与其δ~(18)O序列存在着相似的变化趋势,显示它们响应相同的驱动因素,主要反映的是洞穴上方土壤植被和水岩作用情况,间接反映当地季风降水和温度变化。黑风洞与金佛洞石笋灰度记录对比显示,石笋灰度在轨道时间尺度上存在着不同的变化趋势,但是对千年尺度气候突变事件具有相似响应,表明石笋灰度指示的是短时间、区域性的气候环境信息。
  • 亚洲夏季风9.2ka事件的湖北落水洞高分辨率石笋记录
    梁七丹, 吴江滢, 赵笑笑, 赵侃, 杨少华, 梁怡佳, 邵庆丰
    2020, 40(04): 945-958.
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    基于湖北省落水洞一支长550 mm石笋的23个~(230)Th年龄、1099个氧同位素数据,重建了12.96～1.53 ka B.P.时段的平均分辨率为11 a的亚洲夏季风演化序列。该序列记录了在9.2 ka B.P.时存在一个显著的弱季风事件(称为"9.2 ka"事件),"RAMPFIT"法分析显示:"9.2 ka"事件的持续时间在9.8～9.2 ka B.P.之间,亚洲夏季风在"9.2 ka"事件中表现出开始时缓慢减弱(219 a)、结束时迅速增强(78 a)的特征,事件内部存在两个次一级的振荡,曲线呈"两谷夹一峰"的不对称"W"型结构特征。"9.2 ka"事件受太阳活动和北大西洋淡水注入的共同影响,此时太阳活动减弱,且发生淡水注入事件,导致温盐环流减弱,赤道辐合带南移,促使亚洲夏季风减弱。
  • 湖北玉龙洞石笋多指标记录的4.2ka事件
    白雨洁, 吴江滢, 梁怡佳, 邵庆丰
    2020, 40(04): 959-972.
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    利用湖北神农架利川市玉龙洞一支长约400 mm的石笋(TCL),结合稳定同位素、微量元素以及灰度等多指标重建了14.4ka B.P.～2012 A.D.时段十年际分辨率的东亚地区气候与环境变化。该时段内,δ~(18)O变化范围为-9.5‰～-6.6‰,平均值为-8.48‰。该记录与亚洲季风区同时段其他石笋记录重现性良好,说明石笋δ~(18)O可以较好地反映轨道至千年尺度的亚洲夏季风强度变化。结合其δ~(13)C、微量元素以及灰度重建了多指标气候变化。石笋S~(13)C变化范围是-8.2‰～-3.8%。,围绕均值-5.4‰上下波动,主要存在千年尺度振荡,反映了洞穴上覆植被覆盖率和土壤CO_2产率的变化。石笋TCL的灰度值、Sr/Ca和Ba/Ca LC值与δ~(13)C值在千年尺度波动上对应关系良好,间接指示了与当地水热条件相关的洞穴水文状况变化。石笋灰度与δ~(13)C值对应关系良好,间接指示了干湿度或降雨量的变化。石笋中Sr/Ca和Ba/Ca变化的总体趋势基本一致,主要受当地降水量控制下土壤淋滤作用变化的影响。TCLδ~(18)O序列显示"4.2 ka事件"的起止时间段为4.4～4.1 ka B.P.,整体呈现"缓慢开始,快速结束"的结构特征。此时段其δ~(13)C值偏正,灰度以及微量元素代用指标趋势均呈现低值,这种不同指标间出现的协同变化,说明当时利川地区降水量减少,局域环境明显偏向干冷。文章推测此次干旱事件的发生是由于大量淡水注人北大西洋,海表温降低,使得赤道辐合带(ITCZ)南移,进而引起北半球中低纬度季风减弱并得以在石笋多指标记录中反映。
  • 近2000年来东亚夏季风突变的落水洞高分辨率石笋记录
    薛莲花, 赵侃, 崔英方, 梁怡佳, 杨少华, 汪永进
    2020, 40(04): 973-984.
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    基于湖北落水洞石笋(LS45)7个~(230)Th年代结果和260个氧同位素测试数据,重建了近2000年来平均分辨率为6 a的东亚夏季风变化序列,该序列在280-800 A.D.、800～1400 A.D.和1400～1850 A.D.季风强度呈弱-强-弱的演变特征,分别对应于黑暗时代冷期(DACP)、中世纪暖期(MWP)和小冰期(LIA)3个典型气候期。LS45记录显示近2000年来东亚夏季风强度总体呈减弱趋势,并叠加数次百年尺度的振荡旋回。其中DACP和LIA并非持续几个世纪的连续弱季风时期,且内部还存在明显的数十年尺度强弱波动,δ~(18)O振幅范围约为0.6‰。在DACP向MWP转变期间,δ~(18)O值快速负偏,持续时间约40～50a,变化幅度约0.7‰,指示夏季风突然增强。和尚洞、万象洞、Dandak洞的石笋记录以及Laguna Pallcacocha沉积物红度记录均显示了这一快速转变过程,暗示大尺度大气环流可能发生快速转型。进一步将中国石笋记录与太阳活动、厄尔尼诺、大西洋海表温度和北半球温度指标记录进行对比,发现这些记录之间存在良好对应关系和相似特征,表明百年-十年际尺度季风变化可能与太阳活动、厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)和大西洋多年代际震荡(AMO)变化密切相关。因此,本文推测ENSO和AMO可能是太阳活动影响亚洲季风变化的关键因子。
  • 湖北永兴洞降水对2015年厄尔尼诺的响应
    王权, 赵侃, 杨少华, 梁怡佳, 张敬伟, 崔英方, 汪永进
    2020, 40(04): 985-991.
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    通过对湖北永兴洞为期3年(2013年6月至2016年7月)的地表降水δ~(18)O观测,发现该地点降水δ~(18)O在2015夏季显著偏正。利用HYSPLIT后向轨迹方法对永兴洞降水水汽来源进行分析,结果表明在厄尔尼诺事件的影响下2015年夏季来自远源印度洋的水汽显著减少,而近源太平洋水汽相对增多,即降水δ~(18)O因"环流效应"而偏正。本研究提供的观测证据表明永兴洞石笋δ~(18)O记录在重建ENSO主导下的亚洲季风大气环流方面具有重要潜力。
  • 湖北清江和尚洞石笋GDGTs来源:5、6-甲基支链GDGTs和brGMGTs新证据
    张佳皓, 黄钰莹, 王灿发, 杨欢
    2020, 40(04): 992-1007.
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    岩溶关键带是地球各圈层相互作用的场所,具有较为独特的生物地球化学过程。洞穴沉积物石笋是各圈层相互作用的产物,也是记录古气候的良好载体。目前,石笋中多种古气候代用指标已经被应用于古气候重建。来自于微生物细胞膜的甘油二烷基甘油四醚化合物(Glycerol Dialkyl Glycerol Tetraethers,即GDGTs)也在石笋中被发现,拓展了GDGTs相关指标的应用范围。然而,石笋GDGTs来源尚不明确,查明石笋中GDGTs来源是其相关指标得以准确应用的前提。本文以湖北清江和尚洞为例,对喀斯特洞穴关键带中古菌和细菌GDGTs的垂直分布进行了详细调查,发现表层土壤和洞穴内部石笋中GDGTs分布存在显著差异,土壤中细菌支链GDGTs(brGDGTs)显著多于古菌类异戊二烯GDGTs(isoGDGTs),而石笋与之相反。土壤中5-甲基brGDGTs多于6-甲基brGDGTs,而石笋中6-甲基brGDGTs为主要异构体类型,5-甲基brGDGTs几乎检测不到。包括5-和6-甲基brGDGTs的甲基化指数MBT、环化指数CBT和异构体指数IR在内的多种指标反映出的brGDGTs分布在土壤和石笋中均存在显著差异;此外,土壤中的甘油单烷基甘油四醚(GMGTs)相对含量远低于石笋中GMGTs的含量。洞穴滴水中GDGTs的检测也表明滴水GDGTs分布与洞顶土壤完全不同,其GDGTs组成以古菌isoGDGTs为主,且古菌isoGDGTs分布模式与石笋一致。这些证据都表明,石笋中GDGTs化合物不是来自于洞穴上层土壤;石笋中的GDGTs可能主要来自于石笋表面原位生长的菌群和岩溶裂隙中地下水系统的贡献,其记录的信号主要是地下水和洞穴内部的环境信息,而非土壤的环境信息。
  • 中国石笋微层在古气候重建中的应用研究
    吴尧, 李廷勇, 陈朝军, 黄冉, 王涛, 肖思雅, 邱海英, 徐玉珍, 黄洋阳, 李俊云
    2020, 40(04): 1008-1024.
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    石笋微层作为一种常见的岩溶沉积形态,响应于气候和环境的变化。因其具有超高分辨率和精确计年等特点,已经被广泛应用于古气候和古环境重建。本研究根据中国已经发表的石笋微层研究,基于石笋微层形成机制以及石笋微层类型划分,对石笋微层的计数和年代方法,以及目前已经使用的石笋微层中各种代用指标对气候环境的响应机制进行了总结,并在此基础上对石笋微层年代学和气候学研究中出现的问题进行了讨论。在构建石笋微层高分辨率年表时,辨别和排除特殊微层(伪年层、超年层、缺层等)所带来的误差,以及根据不同的洞穴环境探讨微层中各种物理和地球化学指标在年际-季节尺度上的气候与环境意义,并对其进行定量重建,是当前微层年代学和气候学需要面对的主要问题。石笋微层在重建气候突变事件内部结构以及古气候定量重建方面潜力巨大,在今后的研究中首先应结合现代洞穴监测,讨论石笋微层的形成机制和沉积旋回特征,准确判断伪年层或缺层所导致的年代误差。其次,要利用多指标综合对比,对洞穴系统中气候与环境信号的传递过程进行定量研究,加强新技术和新方法的应用,提高石笋微层年代模型和古气候代用指标解译的准确性。
  • 南京地区降水稳定同位素场季节尺度变化特征
    刘建伟, 孔兴功, 赵侃, 梁怡佳, 王权, 汪永进
    2020, 40(04): 1025-1036.
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    基于1987年6月至1992年12月全球大气降水同位素观测网(GNIP)数据和2015年1月至2019年6月南京地区大气降水的连续采样数据,探究场降水和月降水δ~(18)O变化的水汽源指示意义。结果表明,南京地区的降水稳定同位素δD的变化范围为-142.50‰～+42.91‰,δ~(18)O的变化范围为-19.16‰～+3.94‰,并且利用场降水稳定同位素数据建立了南京地区大气降水方程:δD=7.42δ~(18)O+8.07(n=330,R~2=0.95)。天气尺度上,对单一水汽源场降水氧同位素分析,将水汽来源地主要分为五类(A-E),其降水δ~(18)O平均值分别为-3.66‰、-6.65‰、-6.45‰、-1.64‰和-8.97‰;在持续性降水过程中,受雨除效应影响,δ~(18)O值呈现逐渐负偏的趋势,水汽源地的变化可能使降水δ~(18)O值波动加剧,其振幅可达11.14‰,而水汽源稳定的降水δ~(18)O值波动要相对小的多。在月尺度上,降水δ~(18)O值呈现春季偏正,夏季偏负的特征,d-excess与温度和降水均呈明显反相位关系;这种现象的原因是南京地区不同季节降水水汽来源存在差异,即夏季以印度洋、南海和西太平洋水汽源(B、E类)为主,冬季降水主要来源于欧亚大陆和西风带来的水汽(A、C类),而春季则是西风远源和局地水汽源(C、D类)占优势,这与上述五类降水的δ~(18)O具有很好的对应。
  • 洞穴蝙蝠粪堆积物在古环境研究中的应用
    王曦谦, 高永利, 王甜莉, 程鹏, 臧婧杰, Geary Schindel, 李东, 李云霞, 谭亮成
    2020, 40(04): 1037-1047.
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    蝙蝠粪堆积物是洞穴沉积物的一种,由蝙蝠排泄后在洞穴底部堆积而成。由于蝙蝠食物来源单一,以洞穴周边动植物为食,动植物受气候变化影响,并通过食物链进入蝙蝠粪,因此蝙蝠粪中包含有丰富的过去环境变化信息,其沉积序列可以用来进行古环境重建。蝙蝠粪在古环境研究中的优点在于蝙蝠粪在热带和亚热带地区沉积速率快,记录的环境信息多样,并可以通过加速器质谱~(14)C定年获得高精度年代,是一种很好的环境记录载体。尽管从20世纪80年代开始,就有学者逐步关注蝙蝠粪研究,但当时各项指标所指示的意义不太明确,研究范围较为局限,随后研究开展得较少,关注度也不高。本文梳理了目前全球蝙蝠粪研究现状,讨论了蝙蝠粪中可以用来重建古环境的各种代用指标及其指示意义;最后,介绍了我们在美国得克萨斯州Devil’s Sinkhole蝙蝠粪的初步研究结果,并对这一研究载体的未来发展方向进行展望。
  • 桂江典型断面夏季水-气界面CO_2交换的碳源与机制
    张陶, 李建鸿, 蒲俊兵, 吴飞红, 袁道先
    2020, 40(04): 1048-1057.
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    河流系统水-气界面CO_2交换是全球水体碳循环的重要组成部分,但其来源、通量及控制机制一直存在较大争议。针对这一问题,本研究在南方亚热带河流(桂江)选择干流上游非岩溶区大面圩断面(DM)和下游岩溶区普益断面(PY)开展不同地质背景影响下水-气界面CO_2交换的高分辨率监测研究,并结合相应的大气环境参数、水化学参数以及碳同位素(Δ~(14)C和δ~(13)C)数据,分析水-气界面CO_2交换强度和方向的变化、碳来源及其控制机制。结果显示,两个断面CO_2交换强度表现出相似的白天下降夜间上升的昼夜变化模式,且都受到水生光合生物新陈代谢过程的控制。通过河水DIC和POC的Δ~(14)和δ~(13)C值分析表明,桂江干流岩溶区河段(DM-PY河段)河水中DIC来源受到碳酸盐岩风化端元的影响,但在上游DM断面也受到了大气CO_2的影响,出现了显著的吸收大气CO_2。随着河流进入岩溶区,碳酸盐岩风化作用影响显著增强,为水生植物的生长提供了丰富的碳源,也影响了河流POC的变化,并改变了CO_2交换的方向。因此,桂江干流水气界面CO_2交换的变化受到水体内部水生光合生物新陈代谢过程和外部碳来源的共同控制。总之,由于河流中显著的水生生物代谢过程,桂江干流不仅出现了直接吸收大气CO_2的现象,同时也限制了CO_2脱气,形成了可观的碳汇通量,达到249.95 t/d,约为0.089 Tg C/a。
  • 岩溶区地表水体惰性有机碳研究
    肖琼, 赵海娟, 章程, 贺秋芳, 吴夏
    2020, 40(04): 1058-1069.
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    岩溶作用所产生的岩溶碳汇对全球碳循环有着重要的影响。岩溶水生生物通过CO_2富集机制(CCM)固定岩溶水中的HCO_3~-,将其转化为有机碳。惰性有机碳(RDOC)为水生生物和微生物不能利用和降解的溶解性有机碳。RDOC长时间滞留水体,形成稳定碳汇。多次培养实验发现可以用原位微生物法对岩溶区地表水中的RDOC进行检测。以桂林漓江为对象,研究由外源水补给并流经岩溶峰林平原区的岩溶地表水中的RDOC及其相关因子,结果显示:1)漓江水中Ca~(2+),HCO_3~-浓度从上游到下游逐渐升高,表明外源水进入岩溶区,发生了岩溶作用。漓江水的C/N为6.29～10.50,表明水中有机碳的来源为外源水和水生生物作用。受岩溶作用和水生生物光合作用双重影响,δ~(13)C-DIC值从上游到下游逐渐偏正,水生生物优先利用无机碳中的~(12)C使得δ~(13)C-POC从上游到下游逐渐偏负。C/N与δ~(13)C-DIC、δ~(13)C-POC的变化以及相关性体现了岩溶地表水体中无机环境和有机环境相关联;2)岩溶区地表水中检测出RDOC且浓度远大于非岩溶区,RDOC浓度的时空变化与水生生物利用岩溶作用所产生的HCO_3~-有关。漓江地表水中DOC、BDOC、RDOC浓度与HCO_3~-浓度变化趋势一致,从上游到下游逐渐升高,下游L6(岩溶区)RDOC浓度为上游L1(非岩溶区)的3倍,在季节上表现出秋季>冬季>夏季>春季,RDOC的含量平均占水体中DOC含量的78%左右,体现了岩溶作用强度和水生生物活动对岩溶地表水中RDOC的影响;3)结合流量数据计算RDOC通量:桂林水文站RDOC的通量为0.75×10~7 kg/a,阳朔水文站的RDOC通量为1.3×10~7 kg/a,是桂林水文站断面的1.7倍。
  • 硫化物风化产酸对流域岩石风化和碳循环的影响——以黄河支流三川河流域为例
    覃小群, 蒋忠诚, 黄奇波, 张连凯, 刘朋雨, 梁永平
    2020, 40(04): 1070-1082.
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    硫化物风化产酸可加速岩溶作用但抑制大气二氧化碳参与流域碳循环,其复杂的地球化学机制和过程待阐明。本文以黄河二级支流三川河流域为例,通过采集20个三川河及其支流地表水点样和30个柳林泉地下水点样,经实验测试获得了流域比较系统的水化学资料和δ~(13)C、δ~(34)S数据,运用碳、硫同位素分析与水化学平衡计量方法,量化了流域硫化物风化产酸对岩石风化作用的贡献以及对碳循环的影响。计算结果表明:煤系地层硫化物和矿床硫化物的氧化及大气酸沉降所形成的硫酸明显促进了流域碳酸盐岩的溶蚀,对碳酸盐岩溶蚀的贡献约占64.59%;柳林泉水石膏溶解来源的SO_4~(2-)占69%,河水中石膏溶解来源的SO_4~(2-)占30%,但这些部分SO_4~(2-)没有参与溶蚀作用,应当扣除;三川河流域平均岩石风化速率为10.02 mm/ka,其中碳酸盐岩、硅酸盐岩的风化速率分别为9.14 mm/ka和0.88 mm/ka,低于国内外很多流域;由于硫酸抵消了碳酸盐岩石风化作用对大气二氧化碳的吸收,流域岩石风化消耗大气/土壤CO_2通量为116.58 mmol/(km~2·a),不足珠江流域的1/5,且硅酸盐岩风化的贡献占63.3%。
  • 雅砻江下游干热河谷表土化学风化及其控制因子
    冯雍, 陶贞, 高全洲, 邓浩俊, 姚玲, 李银花, 丁健, 王振刚, 黎坤, 徐鹏
    2020, 40(04): 1083-1094.
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    化学风化是地表岩石矿物向土壤释放营养元素同时形成土壤粘粒组分的地球化学过程,这一过程使土壤具有生态环境功能。本文选择采集青藏高原东南缘的雅砻江下游不同地貌部位和植物群落的表土样品并分析其粒度组成和地球化学特征。结果表明:研究区表土粒度组成以粉砂为主(46.68%),其次是砂粒(34.05%)和粘粒(19.28%);元素组成以Si、Al和Fe为主;K、P和Si相对于上陆壳亏损,与区内沉积岩为主的岩石分布特征一致。研究区表土粘粒含量和化学蚀变指数(CIA)存在明显的空间差异:海拔<1300m、坡度较大的南部谷坡地表土粘粒平均含量为6.51%,CIA平均为65,处于脱Ca、Na的中等风化阶段早期;海拔>2400 m、坡度平缓的西部坡地和宽谷地表土粘粒含量达39.21%,CIA平均达86,风化程度较高。母岩、海拔、坡度和土壤总氮含量对表土CIA值的贡献依次是57.34%、23.46%、10.33%和6.87%。显然,母岩性质是控制研究区表土化学风化过程的主要因素,地貌条件(海拔和坡度)是驱动化学风化过程最重要的外部因素,且海拔高度的影响大于坡度;生物作用对CIA值有一定的贡献。本研究可为深入探讨干热河谷地区土壤生物地球化学过程提供基础数据。