1、第五章：过去全球变化信息提取 本章主要内容：v 植物稳定同位素与气候变化研究； v 动物体内稳定同位素与全球变化研究； v 黄土、冰芯、碳酸盐研究与全球变化；v 湖泊沉积研究与气候、环境演化。第一节 :树轮研究与气候变化一、树木年轮稳定同位素研究1.概况树木中保存着自然环境变化的大量信息，随着近年来开展的全球变化研究的兴起，开始了对树木年轮同位素丰度的研究，它必将成为全球变化研究中的一个重要内容。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、
2、水圈变化及某些灾害性变化研究都具有重要的理论和实用价值。第一节 :树轮研究与气候变化2实验技术树木年轮同位素分析的关键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 。v 碳同位素分析硝化获得全纤维素或通过充分燃烧提取 CO2供质谱分析。 v 氧同位素分析常用的方法是高温真空热解，或在加热条件下与 HgCl2反应，生成 CO2和 CO及其它成分。然后，将 CO在真空放电器中转化为CO2。 v 氢同位素分析 首先对进行提取好的纤维素硝化，然后将硝化纤维（硝酸纤维素）与氧化铜混合，在真空条件下 800 燃烧，产生的 CO2收集后送质谱分析 13C； H2O用铀法处理提取
3、 H2，供质谱分析 D。第一节 :树轮研究与气候变化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。(1)树木年轮氢同位素研究影响树木中氢同位素丰度的气侯要素主要为降雨量、湿度及树木生长季节的平均温度。n 植物生物化学作用对氢同位素的影响 目前人们试图找出准确的各种植物的生物化学分馏系数 。 M J DeNiro 定义的生物化学分馏系数 EB为：EB DCN DSW 式中， DCN为植物硝化纤维中的 D； Dsw是植物在合成纤维素时所摄取的水的 D 值。第一节 :树轮研究与气候变化海藻的 EB +50 -70；水囊 E
4、B 0 -100；管状植物 EB 0 -20。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。 C J Yapp和 S 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。 V M C Stratten报道的小麦和玉米的温度系数分别为 -1.390.35 -1和 -1.450.72 -1。上述研究成果表明： 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。第一节 :树轮研究与气候变化n 植物内部氢同位素成分与
5、周围环境水中的氢同位素之间的关系C J Yapp和 S Epstein测定了不同地区不同植物种类的硝化纤维的 DCN值和它们生长周围环境水，得到一个统计关系式：DCN=0.87DW 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 D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 为：=(1十 10-3DCN) (1十 10-3DW) 由此，得到一个植物与周围环境湿度 (h)之间的线性关系式； -O.124h十 1.089 进而他们指出：植物生长过程中所吸收的环境水的 Dw值
6、对纤维素中 DCN值的变化起决定性的作用。第一节 :树轮研究与气候变化n D和环境温度的关系D 与年平均温度有关，两者之间存在线性关系。 Gray和 Song对三棵来自加拿大树龄为 70一 80年的树所作 D分析后得到 DCN与年平均温度 T之间的关系：DCN (7.32)T (1555) DCN (131)T (1564) DCN (152)T (1658) Ramesh研究了印度某地的银杉后，得到关系式：D -(15311) (O.060.02)r十 (6.62.3)Tmax r为生长季节总降雨量。消去常数项后得：D -(4.31.2)r十 (0.020.01)Tmax 式中， Tmax的
7、温度系数为 6.6 2.3 -1，这与前面的结果十分吻合，他认为 Tmax比 T更能说明 D的变化。从树轮中提取的硝化纤维的 D CN可计算出大气降水中的 D ，进而还可以算出决定降水中 D 的变化因素 大气温度。但必须指出的是，并没有一个统一的温度系数可供所有的地区及所有的树种使用。第一节 :树轮研究与气候变化(2)氧同位素研究180主要是受树木生长环境中湿度的影响。氧同位素研究中，首先需要解决的问题是生物化学分馏问题。定义生物化学分馏系数 B为：B (1十 10-318OCN) (1十 10-318Ow) 其中， 18OCN代表植物硝化纤维中的 18O值， 18Ow值是指植物所吸取的水源中
8、的 18O值。水源，对陆生生物而言是指叶片水，水生植物则是指其生长周围的环境水。S Epstein报道的二个不同水生植物的 B值分别是 1.027和1.028。 M J DeNiro和 S Epstein在控制生长源的条件下，测出小麦的 B值为 1.028。他俩后来又报道了海生植物的 B为1.0270.003，淡水植物的 B为 1.0270.002。 R L.Burk和M Stuiver报道的 B值为 1.0261.027 。上述 结果说明各种植物的 B值是相当恒定的。植物纤维系中的 18O值与植物生长过程中所摄取的水中的 18O之间有一适用于各种植物的关系式。第一节 :树轮研究与气候变化植物
9、中的氧有两个可能的来源。一是摄取水中的氧，另一个途径是植物呼吸大气 C02中的氧 。M J DeNiro和 S Epstein 与 A Ferhi 得出了似乎相矛盾的结果。 M J DeNiro et al.,用控制生长环境的实验来检查到底是哪种氧进入了纤维素。结果表明，植物在生长时吸取的氧来自水中，而不是来自大气 C02中，因为在纤维素合成之前， C02已与叶片水取得了平衡，这个过程的化学反应式为：6C02十 6H2O* C6H1206*十 602式中， O*表示区别于大气 C02中的氧。A Ferhi也用控制生长条件的方法对豆类进行了研究，得到了纤维素中 18Oc分别与水中 18Ow及湿度
10、 (h)之间的两个关系式：18Oc 0.1518Ow十 26.68 18Oc 10.92h十 32.12 他得到的结论指出 C02并未完全与叶片水取得平衡。第一节 :树轮研究与气候变化植物纤维素的 18O与植物生长水源之间存在某种函数关系。 RRamesh认为 18O与湿度之间的关系极为密切。对印度银杉研究后，得到了如下关系式：18O -(1.30.4)h 他认为空气中 CO2中的氧同位素与叶片水达到平衡的状态早于纤维素细胞的合成。J Gray和 P Thompson推导出了 18O与年平均温度 t之间的关系式：18O (1.30.1)t十 (24.52) 在分析了更多的树轮后，他们发现这个关系式在每年 89 月符合得最好，与其他月份的温度关系却很小。对此，只能说明温度对分馏系数有明显的影响，树木用以合成纤维素的水的同位素成分也是随着气温的变化而变化的。在上述树轮的采集地区， 89 月的气温最适合纤维素的合成。
