碳同位素运移特征

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1、13碳同位素(δC)在重庆岩溶地区植被——土壤——基岩——洞穴系统运移特征研究1,2,34,5151李廷勇,李红春,向晓晶,郭子兴,李俊云，111周福莉，陈虹利，彭玲莉(1西南大学地理科学学院重庆北碚400715)(2中科院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室陕西西安710075)(3三峡库区生态与环境教育部重点实验室重庆北碚400715)(4国立台湾大学地质科学系台湾台北10617)(5国立成功大学地球科学系台湾台南70101)13摘要：通过对重庆市武隆县芙蓉洞上覆山体植被和土壤中有机质δC的研究，1313结合洞穴滴水中DIC

2、-δC、滴水形成的现代沉积物中δC以及洞穴空气pCO2监测，初步探讨了碳同位素在典型亚热带湿润季风区岩溶洞穴系统的运移规律.研13究地区属于16个科的27件植物样品的δC平均值为-32‰，而样方生物量调查表明地表植物的碳同位素加权平均值为-33‰；采自5个土壤剖面的54个土壤样1312品的总有机碳δC平均值为-22‰左右；显示在植物分解过程中，轻同位素（C）倾向于进入CO2气体使得残留在土壤中的有机碳同位素变重.2009.7~2010.6期间1313对洞穴滴水中DIC-δC的监测中，发现洞穴滴水和池水的DIC-δC冬季较夏季偏13重，可

3、能反映夏季洞穴水中DIC有较多的有机碳分解来源.所有滴水的DIC-δC13平均值为-11‰，远比土壤有机碳的δC平均值重，说明在洞穴滴水的DIC中有来13自无机碳的影响.采自芙蓉洞内5个观测点的现代碳酸钙沉积物的δC相对变化13比较均一，与滴水中DIC-δC接近于同位素平衡状态.本研究证实洞穴沉积物的碳同位素在适当条件下是可以作为反映洞穴上覆植被变化的有效工具.13关键词：岩溶地区、δC、植物、土壤有机碳、滴水DIC、洞穴现代沉积物[1]岩溶地区与沙漠、草原、黄土高原等并列为生态环境脆弱地区，该地区的现代生态环境恢复以及古生态环境重建一

4、直是研究的热点问题之一.石漠化基金项目：国土资源部岩溶动力学重点实验室开放基金资助项目(kdl2008-08)；国家自然科学基金资助项目(40802035、40971122)；黄土与第四纪地质国家重点实验室开放基金资助项目(SKLLQG0907)；西南大学基本科研业务费专项资金重点资助项目(XDJK2009B016；XDJK2009C106).作者简介：李廷勇(1978-)，男，四川成都人，博士，副教授，硕士研究生导师，主要从事第四纪地质、地球化学等方面的研究工作.E-mail:cdlty@swu.edu.cn.是岩溶地区的主要生态问题

5、之一，如何区分自然条件与人类活动对石漠化发生、发展的影响，成为石漠化治理的重大基础研究课题.研究自然背景下岩溶地区的古生态环境成为解决这一问题的可行途径之一.由于光合作用方式的不同，自然界的陆生植物主要分为喜湿性的C3植被，以及耐旱性的C4植被；这两种13类型的植物有机体中δC分布范围分别为-20~-35‰(平均值为-27‰，V-PDB)[2-4]和-9~-19‰(平均值为-13‰，V-PDB).自Cerling(1984)系统论证了土壤CO2的13[5]δC值主要反映不同气候条件影响下的C3和C4植物的分配比以后，土壤和洞13[6-9

6、]穴碳酸盐的δC记录便被用于间接地描述古气候的变化.在岩溶生态系统中，碳元素的运移过程是：大气CO2——植被——土壤CO2——土壤水DIC(溶解基岩)——洞穴滴水——洞穴次生化学沉积物.由于大气中4[10]CO2平均浓度大约为380ppm，而土壤空气中的CO2浓度可达10ppm，因此13决定洞穴滴水中溶解无机碳(DIC)的δC的最重要来源是土壤中的CO2.而土壤中CO2主要来自于植物的呼吸作用、微生物的分解等，即受地表植被类型以及[7]地表水热环境的控制.然而洞穴滴水在形成洞穴石笋及其他次生化学沉积物的过程中，还可能受到洞穴温度、湿度、

7、空气流动等因素的影响，不能与地表[11]植被演化简单对应起来，还需要更多的探讨.[12-16]虽然石笋氧同位素在古气候研究中已经得到广泛应用；然而利用洞穴次生沉积物中碳同位素信息进行古环境重建的研究实例却相对较少.成功的例[6]子主要来自于1994年Coplen等利用美国DevilsHole的碳同位素记录，重建了该地区50万年以来的植被演化历史；以及Genty等在2003年利用法国Villars[8]Cave的石笋碳同位素记录，探讨了末次冰期一系列的D-O气候事件.而近20年来国外针对碳同位素变化的洞穴监测工作报道主要来自于Bar-Ma

8、tthews(1996)[16]等人对以色列Soreq洞穴、Baker(1997)等人对英格兰StumpCrossCaverns洞穴[17][18]系统、Genty(2001)等对苏格兰Uamh-an-Ta