贵阳市不同土地利用方式土壤有机碳地球化学研究

本研究根据贵阳市区域内不同土地利用方式，选择了自然土壤、农业土壤和城市土壤为主要研究对象。对表层土壤实行多样点的统计分析、以及典型剖面有机碳迁移过程分析，同时结合同位素地球化学示踪原理，探讨了贵阳市区域内土地利用方式变化对土壤有机碳的影响，以及不同土地利用方式间土壤有机碳的来源和降解过程的差异。主要结论如下： (1) 自然土壤转化为农业土壤后，表层(0～10cm) SOC有较为明显的降低趋势。其中，相对于自然土壤(黄壤) 表层SOC(平均值)而言，玉米地、水田、果园下降了40%左右，菜地下降了15%左右。然而，不同菜地土壤间耕种强度存在较大差异，其SOC变异程度高于其它几类农业土壤(CV＝57.07%)。与之相反，农业土壤表层DOC(18.86～48.20mg•L-1)接近或超过自然土壤(10.74～36.30 mg•L-1)，且ƒDOC占SOC的比例明显大于自然土壤。其中，玉米地DOC最高(平均值：48.20mg•L-1)，菜地次之(平均值：30.00mg•L-1)，果园第三(平均值：29.87mg•L-1)，水田最低(平均值：18.86mg•L-1)，但水田由于干湿交替的影响，DOC的变异程度最大(CV＝128.57%)。据此推断，在相同气候条件下，自然土壤转化为农业土壤后，由于表层DOC数量和比例的增加，提高了SOC的迁移性，进而加速了碳素在土壤中的迁移转化进程。 (2) 自然土壤转化为农业土壤后，剖面内部(>10cm)多数层次SOC相对于黄壤和黄色石灰土有明显的增加趋势。且通过对不同类型农业土壤人为干扰强度的调查表明：人为干扰强度越强，剖面中一定深度内SOC增加幅度越大。即：离城市较近的菜地2增长最为突出，果园其次，水田和玉米地相当。离城市较远的菜地1由于受人为干扰层次较浅，且出现了犁底层，剖面内SOC的含量水平与黄色石灰土相当。 (3) 原始土壤经搬运重组后形成城市公路绿化带土壤，表层SOC和DOC变幅较宽、离散程度较大，且没有随时间或植被类型等因素的变化而呈现明显的变化趋势。其中，SOC变异程度依次为新成公路绿化带2(CV＝58.0％)、老成公路绿化带(CV＝55.5％)、新成公路绿化带1(CV＝34.1％)。DOC变异程度依次为新成公路绿化带1(CV＝93.8％)、新成公路绿化带2(CV＝85.7％)、老成公路绿化带(CV＝78.0％)。 (4) 在自然土壤、农业土壤和城市绿化带土壤表层中，DOC与SOC、N、C/N、NO3-、NH4-，以及粘粒含量等的相关性均未达到显著水平。另据方差分析显示：果园、水田、菜地和玉米地表层土壤间DOC、SOC含量均无显著差异，说明农业土壤利用方式不是决定土壤表层SOC和DOC含量的绝对因素；新成公路绿化带1，2和老成公路绿化带表层土壤间DOC、SOC含量均无显著差异，说明植被类别和形成时间不是决定土壤表层SOC和DOC含量的绝对因素。 (5) 自然土壤中，枯枝落叶转化为表层(0～5cm)土壤有机质后，δ13CSOC值升高了1~4‰。通过不同碳源间δ13Corg相互关系的判断，在具备枯枝落叶覆盖的表层土壤中，DOC主要来源于枯枝落叶；而在土壤剖面内，随土壤剖面深度的增加，来自于土壤腐殖类物质的DOC占土壤DOC总量的比例呈增加趋势。在黄壤和黄色石灰土中(>5cm土层)，土壤剖面中大多数层次DOC比SOC更富13C。 (6) 大多数农业土壤有机碳δ13C值显示其有机肥源中存在C4-C源。且农业土壤中受碳源多样性的影响，菜地、果园、水田和玉米地表层土壤中δ13CSOC与δ13CDOC的相关性均未达到显著水平。其次，除玉米地土壤剖面外，其它供试农业土壤剖面大多数层次δ13CDOC值比δ13CSOC偏负，说明菜地、果园、水田土壤DOC主要为外源的加入。 (7) C3植被转化为C4植被(林-农生态系统转化)后，玉米地剖面中SOC有2.55％～20.80％源于C4-C，随剖面层次的加深有降低趋势，但表现为“之”字形反复；DOC中C4-C的比例在剖面0～40cm处较为相近(25.94％～34.54％)，40cm以下则急剧下降(3.18％～15.65％)。说明玉米地剖面 DOC主要来源于土壤腐殖类物质的转化。与林-农生态系统转变过程中的变化趋势相反，洼地农业土壤退耕弃荒一段时间(林-农-林生态系统转化)后，土壤剖面内C4-C占SOC的比例随土壤层次的加深逐渐增加，变化范围在5.77～26.76％。 (8) 在C3植被转向C4植被(林-农生态系统转化)后，玉米地δ13CSOC值与C4-C、C3-C相关系数(r)分别为0.372和-0.102，δ13CDOC值与C4-C、C3-C相关系数分别为0.131和-0.339，其相关性均未达到显著水平。而再从C4植被转回C3植被后，土壤δ13CSOC与C3-C之间呈显著相关性（r=0.88，n＝7），说明退耕弃荒后新加入的C3-C对土壤δ13CSOC值影响较大。其SOC的主要来源于洼地周边坡面土壤的侵蚀堆积物和新生草本植被残体。结合当前SOC降解过程的研究成果，本研究认为：洼地土壤退耕弃荒后一段时间里，土壤SOC可能处于累积大于损失状态。这有利于土壤性状向良性方向发展。 (9) 根据同位素值的相互关系和有机碳的来源调查，判断公路绿化带土壤中C4-C为原始土壤所带来。大气颗粒物和雨水中的DOC是表层土壤DOC的主要来源。公路绿化带土壤剖面中，随着时间的增加，土壤腐殖类物质与DOC的相互转化逐渐加强。 上述结论可为人类认识城市区域(特别是有强烈酸性沉降历史的喀斯特城市区域)土地利用方式改变对土壤碳循环的影响，以及不同土地利用方式间土壤有机碳迁移转化过程提供科学依据，也可为正确评估城市区域土壤与其他圈层间碳循环的源、汇关系提供基础资料。

大气中甲酸和乙酸的碳同位素分析方法及其应用研究

生物有机酸是大气对流层中重要的微量挥发性有机碳组分，它广泛存在于对流层大气中，对气候、环境、生态系统以及人类健康产生了重要影响。探索有机酸碳同位素（δ13C值）的分析测试方法，能够为大气有机酸生物地球化学循环研究开辟一片新的天地，从而使该领域研究向前推进一步。本研究初步建立了以甲酸、乙酸为代表的大气中低分子有机酸的碳同位素测试分析方法，为研究“已知有机酸来源中，不同来源对大气有机酸含量的贡献大小问题”、“人类污染对大气中有机酸的贡献比例问题”以及“是否存在尚未认知的有机酸来源问题”等奠定了方法学基础。 研究工作围绕如下五个方面内容而展开：首先是回顾和总结大气中低分子有机酸的研究沿革，详细摘录了国内外不同站点不同形式的大气样品中有机酸含量水平及其分布情况；其次是回顾和总结了大气中低分子有机酸的含量分析方法，并从中获取适宜于气相色谱/燃烧炉/同位素比值质谱（GC/C/IRMS）接口的样品富集、分离技术；第三是对水溶液中低分子有机酸的固相微萃取研究；第四是对实际大气样品中微量甲酸、乙酸的固相微萃取研究及其碳同位素分析结果的初步分析；第五是对其它天然产物或人为活动排放源所释放的甲酸、乙酸碳同位素进行研究。研究内容的重点是：应用目前对水溶液中痕量有机酸而言最恰当的针阱捕集固相微萃取技术建立有机酸分子碳同位素组成分析方法。在方法建立过程中主要获得了如下成果： 1. 建立了以甲酸、乙酸为代表的液态挥发性有机化合物标准样品的碳同位素组成分析测试方法。 法兰静密封技术与石英管的连接技术可以有效地获得较高真空度的石英管，这使得向低CO2污染的石英管内无损耗地注入挥发性有机物的标准样品成为可能。进一步使用炬枪密闭-石英管燃烧法制备挥发性有机化合物标准同位素样品，可有效避免制备过程中因挥发所导致的同位素分馏和环境CO2对测定值的影响。以市售高纯度的甲酸、乙酸为标准同位素样品，重复制备它们的同位素分析样各5次，并在Finnigan MAT-252气体同位素比值质谱仪上测定其δ13C值。结果显示此法具有极高的重现性，所测δ13C值相对标准偏差仅为0．07％（甲酸，n=5）、0．04％（乙酸，n=5）。与之对比，另一套同位素测定系统GC/C/IRMS对同一标准物质的同位素测定结果并无显著差别，但在精度上却明显不及前者。由于避免了样品制备过程中可能因挥发而导致的同位素分馏以及可能因环境中CO2造成污染等问题，使得该方法可推广应用于其它挥发性有机化合物标准的δ13C标定，为准确测定实际样品中对应挥发性有机化合物δ13C值的准确测定提供基础条件，也为同类物质标准的碳同位素测定提供了准确、廉价、方便的分析手段。 2. 确立了甲酸、乙酸在线分离的气相色谱条件以及同位素分析所需的同位素比值质谱条件。 为了能对非衍生化处理的甲酸、乙酸进行有效分离，我们选取了低吸附性、高样品容量，可直接分析未衍生化游离酸的Stabilwax-DA色谱柱作为分离甲酸、乙酸的分析柱。气相色谱分离过程中He载气均处于恒流模式，进样口施行不分流进样，并进样口温度设置为200℃，采用两阶段程序升温，在此条件下乙酸、甲酸的出峰时间先后相隔了0.79分钟，且多次测定甲、乙酸出峰时间的相对标准偏差不大于0.05分钟，据此可认为甲、乙酸获得了良好的分离。 气相色谱分离出的甲酸、乙酸通过串联接口与燃烧炉 (串联接口与燃烧炉都是加热装置，温度分别设置成350 C和 850C)相接，随后有机物在燃烧炉中被高温焚烧转变为CO2和H2O，再经Nafion半透膜祛除H2O，从而获取纯化干燥的CO2以适宜于同位素比值质谱分析。 3. 确立了水相中甲酸、乙酸的微萃取条件，设计制作了与萃取工作配套固相微萃取装置。 NeedlEx针阱捕集的固相微萃取技术可解决水溶液中低分子有机酸的分离萃取问题，并能与气相色谱接口的兼容，还有集采样、富集、保存、分析为一体的优点。因此探索利用脂肪酸型NeedlEx完成对水溶液相中有机酸的萃取是本文研究的关键所在。为了提高分析效率，降低环境污染，我们设计了一整套吹扫-捕集的动态固相微萃取装置，并对甲酸、乙酸的水溶液实施了萃取研究。 由于实验装置是在吹扫捕集原理的基础上建立起来的，因此随着吹扫捕集气体体积的增加有机酸在萃取针上的对富集量也呈现出一定增长趋势，尤其是在最初的几次循环中，有机酸在萃取针中的总量得到迅速的增加，在萃取气体体积达到400mL后，萃取针中的有机酸含量增加趋于缓慢。为了获得更多物质量的有机酸，实验中我们分别尝试了1000和2000mL的气体吹扫体积，分别对有机酸在色谱上的响应值以及同位素分析结果的统计显示这两种萃取体积并无显著差异，为兼顾工作量我们拟定1000mL吹扫气体体积作为实验条。 由于离子态的有机酸具极强的亲水性，因而很难挥发至顶空或吹扫气体中，只有自由的分子态有机酸方可被萃取针中疏水的固定相所富集。为使的解离反应方向朝着有利于分子态有机酸形成方向发展，我们评估了不同酸化条件对萃取效果的影响。实验中我们普遍采用了500μL 4mol/L的磷酸溶液对样品进行了酸化，结果表明，酸化对提高待测物质的分析量十分有利，以10μg/mL的甲酸、乙酸标准溶液为例，酸化后甲酸萃取率提高了30.12%，乙酸的萃取效率也提高了14.46%。酸化、不酸化处理以及不同浓度有机酸溶液所测定的甲、乙酸碳同位素值在总体上不具备显著性的差异。但是，由于有机酸碳同位素测定精度与待测物物质量具有一定正相关关系，因此酸化后样品中有机酸同位素的分析精度要优于未经酸化样品的同位素的分析精度。 温度的增加可以适量地提高部分有机酸的萃取效率，但温度增加导致水汽进入萃取针，中从阻碍了有机酸的有效萃取，因此本文建议在25℃室温的下进行萃取。此外，在传统的固相微萃取过程，搅动样品溶液常常是作为缩短萃取时间，提高的萃取效率的重要措施。原则上搅拌速度越快越好，但为了不使溅起水花影响到萃取针头，因而选择2000r/min搅拌速度比较适宜。 基于上述实验条件，本文考察了浓度为10~300μg/mL的甲酸、乙酸标准溶液的色谱响应值及其同位素分析结果。结果显示对不低于浓度为10μg/mL标准溶液，其中甲酸、乙酸的δ13C值都可被检测出。只不过浓度过低则响应值信号弱，不能准确计算出各质荷比信号峰面积是低浓度条件下同位素测不准的主要原因。要想使得甲、乙酸同位素测定值的相对标准偏差控制在1以内，则对应有机酸浓度则需达到85μg/mL以上。 4. 克服了实际水相样品中有机酸浓度低，不能直接对其实施NeedlEx萃取的难题，初步实现了对降水中甲酸、乙酸的碳同位素分析。 除了某些有机酸含量水平较高的降雨可以直接运用动态针阱捕集固相微萃取与GC/C/IRMS联用技术直接进行甲酸、乙酸碳同位素的分析外，普通含量水平的有机酸碳同位素测定尚具有一定的难度。研究中我们使用了阴离子交换型固相萃取小柱LC-SAX(规格：500mg/3mL；交换容量：0.2meq/g)对1L浓度为50~2000μg/L甲酸、乙酸标准混合溶液进行了萃取，并对所属浓度条件下δ13C测定值与理论值之间的差异性进行了T检验统计分析，结果表明绝大多数情况（200μg/L乙酸同位素测定值除外）下甲、乙酸的相伴概率分别伴概率大于了显著性水平0.05，表现出有机酸碳同位素测定的均值与离线法测定的甲酸同位素理论值无显著差异。 然而，降水中普遍具有有机酸含量低，其它阴离子含量高，组分复杂特点，严重影响阴离子交换型萃取小柱对有机酸的萃取。为此我们先用离子色谱对降水中阴离子组成及其含量进行分析，了解降水中主要的阴离子构成及其含量，再根据所测定结果再安排对应交换容量萃取小柱实施萃取，而后再进行针阱捕集的萃取及其碳同位素分析。 5. 对以甲酸、乙酸为代表的大气中低分子有机酸碳同位素分析结果的初步研究。 以贵阳为代表的西南城市地区大气中有机酸浓度较高，这为使用本方法研究该地区有机酸的碳同位素分析创造了有利条件。经离子色谱测定，2008年8月下旬至2008年10月中旬贵阳地区6次降水中甲、乙酸浓度范围分别为5.75~22.43μmol/L和5.43~13.09μmol/L。与之对应，六次降水中甲酸δ13C值的范围为-25.72‰至-29.08‰之间，乙酸δ13C值的最大值则为-26.23‰，最小值则为-30.40‰。6次降水中甲酸、乙酸的δ13C值将它们的来源指向了直接或间接的陆源特征。结合离子色谱对降水中甲酸、乙酸浓度分析，利用亨利系数判定法可知，六次降水中间接来源是大气中低分子有机酸的主要来源，通过δ13C值的初步判断，可以看出这些二次来源应该主要由生物质燃烧，C3植物以及人类活动向大气释放的不饱和有机物经二次氧化而形成。 以往甲酸、乙酸同源的依据皆以降水中甲、乙酸浓度具有显著线性相关做为判断指标，本研究中6次降中的甲酸、乙酸浓度亦然呈现出良好的相关性（R2=0.87）而降水中甲、乙酸具有相似的δ13C值，这充分说明降水中甲、乙酸的同源特征。 针阱捕集萃取方式还适宜于对大气中自由有机酸的直接富集。利用这一特性，我们分别对贵阳市市郊森林公园、城市居民区以及交通要塞等三个不同地方大气中的自由有机酸进行了同位素分析，结果发现贵阳市大气中乙酸δ13C值介于-31.03‰至-26.37‰之间，乙酸δ13C值的总体均值等于-28.74‰，与之对应，甲酸的δ13C值范围为-29.42‰至-22.97‰，均值为-27.12‰。贵阳市大气中自由甲酸、乙酸的同位素值与降水中的甲、乙酸同位素值具有类似的变化范围，这表明大气气相中自由有机酸与降水中的甲、乙酸具有大致相同的来源构成。 我们还利用此法对汽车尾气以及蚁酸蚁所释放的甲酸、乙酸δ13C值进行了分析，其中汽车尾气中所含甲酸δ13C值等于-23.25±1.25‰，乙酸δ13C值为-24.55±0.85‰，而蚁酸蚁所释放的甲酸δ13C值则为-22.43±0.43‰。由于汽车尾气以及乙酸蚁释放有机酸的δ13C值要低于大气样品对应有机酸的δ13C值，据此认为汽车尾气和蚁酸蚁不是大气有机酸的主要来源。 6. 有机酸碳同位素分析技术在检验食品参假行为时的扩展应用研究。 由于C3和C4循环会导致植物及其产品的δ13C值不同，因此碳同位素技术在食品控制方面发挥了特别作用，能够解决一些常规分析解决不了的问题。经分析发现，食醋中醋酸的δ13C值与其原材料密切相关，如以麦麸、大米为原材料所生食醋醋酸δ13C值在-27‰左右。而以高粱、大麦、黄豆为生产原料的食醋醋酸δ13C值在-19‰左右，明显高于了以大米、麦麸等为原料所生产的食醋醋酸δ13C值。此外，单纯以大米发酵生产的食醋醋酸δ13C值为-29‰左右。食醋中醋酸δ13C值与生产工艺、原材料高度相关的特征为质检部门更好的识别食醋参假行为提供了良好的解决办法。

西南喀斯特典型坡地土壤有机碳库特征及碳同位素组成

喀斯特石漠化及其影响己经成为制约中国西南地区可持续发展最严重的生态环境问题，越来越受到人们的关注，已成为环境地球化学研究的一个重要领域。石漠化的本质就是土地退化，造成土壤肥力和生产力的下降。因此喀斯特地区现阶段主要面临如何管理好陆地生态系统，以保持原有碳储量，并尽可能沉积更多碳是当前面临的主要挑战。 峰丛洼地是喀斯特地区的典型景观，该景观的坡地是喀斯特地区自然环境最脆弱的区域，存在基岩大量裸露的情况，土地和植被退化最为严重。本文以西南喀斯特地区具有不同植被类型的典型峰丛坡地（草丛、灌草丛、稀疏灌丛和乔木林）作为研究对象，为了解喀斯特地区碳的循环机制，我们采集了4个典型坡地不同地形部位的表层和剖面土壤，主要分析了土壤可溶性有机碳（DOC）、整体土壤及不同粒径土壤组分中有机碳含量和稳定碳同位素（δ13C）值组成，同时测定了植物优势种叶片、枯枝落叶δ13C值组成。得到以下几点认识： 1、草丛和灌草丛坡地各地形部位的土壤有机碳（SOC）含量和碳氮比(C/N)值差异较大，其上坡位的土壤都具有较高SOC含量和C/N值。而稀疏灌丛和乔木林坡地SOC含量和C/N值比较稳定，其变幅较小。 2、各坡地剖面土壤中DOC含量分布和变化主要受到了有机质输入､坡地地形及土壤质量等影响｡草丛和灌草丛坡地各地形剖面中DOC含量变幅要大于乔木林和稀疏灌丛坡，对各个坡地几个剖面上层土壤（0～20cm）中DOC含量来看，其含量主要表现为：乔木林坡地＞稀疏灌丛坡地＞灌草丛坡地＞草丛坡地。但通过DOC与SOC进行比对发现，在剖面土壤中DOC/SOC值整体变化趋势主要表现为随剖面土层的加深而增加的趋势，但在土层较薄的剖面中主要呈现一直增加的趋势，而在土层较厚的剖面中则出现先增加后降低或保持稳定的现象。除了稀疏灌丛坡地最低值出现在下坡位剖面PG3外，在草丛、灌草丛和乔木林坡地最低值均出现在上坡位的剖面，其中HC1、HG1和HG2剖面的DOC/SOC值最低，范围都在0.2%以下，具有明显的高SOC和低DOC的含量特征；而乔木林坡地各剖面DOC/SOC值相对较高，范围都在0.3%以上，并且各剖面之间的差异较小。 3、草丛和灌草丛坡地上坡位HC1、HG1和HG2剖面土壤主要是基岩风化物和植物残体堆积而成的砂质新成土，砂粒含量较高，剖面土壤中有机碳含量虽然高于下坡位各个剖面土壤，但有机碳主要贮存在砂粒土壤中，其碳库处于不稳定状态。而下坡位剖面中土壤主要以粉粒和黏粒为主，土壤有机碳含量相对较低，但主要贮存在粉粒和黏粒土壤中，其碳库处于相对稳定的状态。稀疏灌丛和乔木林坡地各地形剖面中主要以粉粒和黏粒土壤为主，各个剖面之间变化幅度较小，有机碳也主要贮存在粉粒和黏粒土壤中，其碳库组成比较稳定。 4、对采样点的植物优势种叶片的碳同位素组成进行了测定。结果显示，其δ13C值主要受到遗传因素的（光合作用途经）控制，植物碳同位素组成表现出明显的差异性，C3植物的δ13C平均值为-28.2‰，C4植物的δ13C平均值为-12.7‰。另外，对不同坡地采集的同种植物叶片的δ13C值分析发现，δ13C值受环境影响因素较小。 5、对各个坡地枯枝落叶和相应表层土壤有机质δ13C值之间的相关性研究发现，灌草丛和乔木林坡地具有显著相关性，其相关系数分别为R2=0.93和R2=0.77，明显高于草丛和稀疏灌丛坡地的R2=0.28和R2=0.36。由于土壤剖面发育历史及地表植被的不同，草丛和灌丛坡地土壤有机质的δ13C值要明显高于稀疏灌丛和乔木林坡地，并且不同地形剖面的土壤有机质的δ13C值的差异较大。另外，大多数剖面的土壤有机质δ13C值在剖面深度上的变化主要表现为随土层深度的加深呈现先升高后降低或趋于稳定的变化趋势。δ13C值在土壤剖面中随深度变化，反映了作物残体输入和土壤累积特征，有助于鉴定剖面中土壤有机碳的迁移转化过程。 6、剖面中土壤δ13CDOC值与δ13CSOC值的变化规律具有相似性，表明了土壤中DOC与SOC的具有密切的关系；另外，从△(δ13CDOC－δ13CSOC)来看，大多数剖面中δ13CDOC值要高于δ13CSOC值，其中乔木林的变化幅度最低，而草丛坡地的最高。 7、对剖面中不同粒径土壤有机质δ13C值的研究发现，不同粒径土壤有机质的δ13C值在剖面深度上的差异，主要受到输入土壤中有机质变化和进入土壤后分解程度的影响。各个坡地砂粒土壤中有机质的δ13C值对地表植被的变化较敏感，同时也指示了输入土壤中较新或是分解速率较慢的有机质来源，而粉粒和粘粒土壤有机质的δ13C值则指示了土壤中分解速率较快或是分解程度较充分的有机质来源。不同粒径土壤有机质δ13C值组成特征能够较好地反映土壤有机质更新速率。

贵州凉风洞石笋的古气侯记录与古生态环境意义

自20世纪60年代以来，探索全球性气候变化规律和环境变迁史的研究工作在世界各国广泛开展。大规模的深海岩芯的研究、中国北方黄土的系统研究、大型湖泊沉积岩芯的研究及对树木年轮、泥炭、珊瑚、冰芯等“自然环境历史档案”开展的研究工作，都为重建古气候和古生态环境提供了大量的资料。洞穴化学沉积物（石笋）由于其特有的微层结构及其内的稳定氧、碳同位素和微量元素所蕴含的古气候与古生态环境信息，并且具有分布广、时间长、信息保存完整等特点，因此，它是研究地球环境变化很好的自然环境历史档案。本论文通过对凉风洞洞穴体系的综合研究和对凉风洞石笋（微层）生长特征及石笋的碳、氧稳定同位素组成的研究，系统探讨了贵州凉风洞石笋的古气候记录和古生态环境意义，得出以下主要结论：1，地表植被的类型及生物量等信息可综合反映于洞穴体系的不同组．分（气样、土样、水样）中。而洞穴的水动力条件也能很好的被洞穴滴水中所含微量（常量）元素记录。根据分析，洞穴综合体系对外界气候与生态环境的响应关系存在一定规律性。通过对比说明，我们所选的凉风洞基岩的溶蚀和缓冲对水体中的信息影响不大，即洞穴滴水较好的继承了土壤水所携带的地表气候与生态环境信息，是理想的研究对象。2．凉风洞石笋具有多个沉积旋回，不同沉积旋回的纹层组合及纹层结构存在一定的差异，指示不同的沉积环境。根据年龄数据判断，旋回①至旋回⑧之间年龄跨度为1570-8000 aBP，以呈缓平顶（柱）对称叠复状的沉积形态组合为主，示洞顶滴水量较大，滴水点相对稳定，且均匀，与全新世较为稳定的气候与环境变化的主旋律相一致。旋回⑧以下至底部石葡萄状沉积物之上部分之间年龄跨度为8000-14220 aBP，期间经历末次冰期晚期向全新世大暖期过渡，受诸如新仙女木事件（Younger Dryas）等的影响，气候变化幅度大，且经历多次反复，石笋生长的沉积学特征表现为斜锥（柱）、尖顶锥不对称叠复纹层组合，示洞顶滴水水量较小但变化较大，且洞穴滴水不稳（固）定。与此时间段内不稳定的气候与环境变化的主旋律也相一致。3．凉风洞石笋上段微层具有典型南方石笋微层发育的特性：微层发育较差，层面多弯曲，层间界面模糊等。下段因为沉积间断较多、风化层面厚及受到若干时段内碳酸钙重结晶而导致晶体穿插层位生长的影响，尽管在某些层位有微层发育，但无法对石笋微层作连续观察记录。根据高精度的石笋TIMS、ICP-MS测年数据和在显微镜下所数石笋微层数量的对比，扣除若干个沉积间断及风化层导致的微层缺失，以及显微镜下肉眼对细小微层计数的误差，我们认为，凉风洞石笋微层是年生长层的可能性较大。4，由于部分测年数据仍在测试中，目前无法精确控制石笋中沉积间断的存在导致的信息缺失，因此，我们仅仅根据部分石笋测年数据，建立了凉风洞石笋在不同时段的生长速率。全新世以来石笋的生长速率在22μm／yr-51μm／yr之间，明显高于末次冰期晚期向全新世过渡这一时间段内的石笋生长速率（16μm／yr）。这些数据间接印证了石笋生长响应于外界气候，尤其是降雨的变化。5．通过对洞穴体系的综合分析对比，我们判断凉风洞洞穴综合体系相对完整，洞穴化学沉积物的6先值较为直接的响应了土壤c压的61t值变化，即反映了地表的植被（c3植物和c；植物）的组成状况。贵州地区降雨80％集中在5-10月份，在此期间，基本受西南季风和东亚季风所控制。西南季风盛行时贵州各地的降雨频繁，是一年中雨量最集中的时期，在东亚季风影响时期，贵州多晴少雨，往往形成干早的天气。又西南季风控制区大气降雨创的值的加权平均值明显低于东亚季风控制区大气降雨δ18O值的加权平均值。因此，贵州地区年均降雨量和年均降雨δ18O值主要取决于西南（印度洋）季风的强弱：西南季风加强，降雨量增加，年均降雨剐、值偏负；西南季风减弱，降雨量减少，年均降雨δ18O值偏正。洞穴滴水的6旧O值变化基本继承了大气降水的别勿值变化。因此，对地处我国西南地区贵州南部的凉风洞，源于洞穴滴水的凉风洞石笋的别勺值变化直接响应了外界的大气降雨量的变化和西南季风与东亚季风相互的强弱交替。6．对凉风洞石笋碳、氧同位素组成的时间序列曲线作20点移动平均，发现，特别是进入全新世后，石笋的引3c值和扩、值几乎具有完全一致的同步变化，只是在变化幅度上在某些时段存在差异。说明在凉风洞石笋反映的14220-1570 aBP时间段内，尤其是10500-1570 aBP期间，本区域气候具有雨热（或干冷）同期的气候特征：在气温较高时间段，西南季风增强，气候湿润多雨，更有利于地表。植物的生长。气温降低时，随着东亚季风增强，西南季风减弱，气候干旱少雨，地表C；植物的生长占有一定的比例。据此重建和恢复了本地区14220-1570 aBP期间的古气候和古生态环境：（1）．14220-10500aBP，处于末次冰期晚期，气温较低。凉风洞石笋此时段的司、值都大于-9.8‰，最小值为-9.31‰，最大值达-7.290‰，平均值为-8.552‰。说明凉风洞洞穴地表的生长植被。植物占有一定的组分，石笋的δ18C值受C3植物和C4植物的共同影响。此时段内石笋6、值也存在一定的波动（-5.651‰－6.942‰），考虑到末次冰期晚期先全新世过渡期间气温变幅较大，O'Neil等（1969）所建立的氧同位素平衡分馏方程中的温度变化已不能忽略，并且大气降雨的温度效应作用也比较明显，因此我们对此时段的季风和大气降雨量的变化不作讨论。（2）. 10500-9300 aBP，新仙女木事件结束，进入全新世，气温逐渐回升。凉风洞石笋此时段的扩3c值大都小于-9.8‰，最小值为-10.377‰，最大值为-9.267‰，平均值为-9.910‰。凉风洞洞穴地表植被已逐渐由C3植物占主导。此时段石笋δ18C值明显卜降，最小值为-7.420‰，最大值为-6.077‰，平均值为-6.854‰。反映在全新世早期夏季风盛行，降雨量较大，西南季风对本地区全年降雨贡献率大。（3）．9300-8300 aBP，经历一段明显温度波动变化。仟3c值在-9.8‰上下波动，最小值为-10.155‰，最大值为-9.096‰，平均值为-9.712‰。凉风洞洞穴地表植被C4植物所占比例存在反复。此时段石笋岁a0值变化幅度不是很大，最小值为-6.796‰，最大值为-6.260‰，平均值为-6.490‰。受冬季风影响，夏季风有一定的减弱，总体降雨量一般，东亚季风对本地区全年降雨贡献率比全新世初期有所增大。（4）．8300-3l000BP，俗称全新世大暖期，此时段全球气温明显回升，石笋δ18C值总体逐渐降低，最小值为-n．926编，平均值为-10.496‰。凉风洞洞穴地表植被基本由C3植物所控制。但在扩飞值总体逐渐降低的趋势一F，也存在若干扩3c值明显增大时段，如7700-6700 aBP时段，61七值最大值达-8.110‰，地表C4植物所占比例已不能忽略。此时段石笋6150值变化幅度较大，最小值为-7.373‰，最大值为-5.047‰，平均值为-6.261‰。反映在全新世大暖期的大背景下西南季风和东亚季风的交替以及大气降雨量的变化存在较大的波动，说明了季风气候的不稳定性。（5）．3100-1570 aBP，在3100aBP前后，凉风洞石笋的δ18C值和δ18O值均急剧上升，标志进入晚全新世。此时段气温变幅很大，δ18C值总体虽然仍偏低，平均值为-10.275‰，但刻畜介于-6.495-12.097‰之间；δ18C值平均值为-6.184‰，变幅介于-4.677-8.65‰之间，均超过以往任何时段。此时段凉风洞洞穴地表植被基本上仍然由C。植物所控制，始于3100 aBP的急速降温事件使得在全新世晚期开始时段C4植物所占比例有一定的上升。此时段内西南季风和东亚季风反复多次交替，大气降雨量存在较大幅度的变化，说明了季风气候在此时段的很不稳定性。对于169于巧70 oBP百年时间段内石笋的δ18C值和司、值巨大幅度的急剧升高，有待进一步研究，也不排除石笋表层长期裸露受外界污染所致。

岩溶洞穴系统稳定碳同位素演化的地球化学过程及其环境意义

稳定碳同位素作为环境替代指标己经在不同的载体上得到了广泛运用，例如树轮。泥炭、碳酸盐岩等。目前岩溶学者也逐渐开始运用洞穴次生化学沉积物中的稳定碳同位素探讨古气候环境的变迁史，例如植被的更替、大气CO。的浓度变化等。然而由于缺乏该指标在岩溶洞穴系统中形成机理的研究，使得该环境替代指标的运用非常有限。本论文在贵州岩溶地区选择了上覆植被分别为原始森林。灌丛草坡、草坡和石漠化的凉风洞、七星们、犀牛洞、将军们作为研究对象，对岩溶洞穴系统稳定碳同位素的时空演化规律进行了详细的分析，得出以下几点认识：一．洞穴系统稳定碳同位素对地表气候环境的响应通过对4个不同生境洞穴系统的研究，认为洞穴系统稳定碳同位素可以很好地将原始森林植被同其它植被类型区分开；但是不能很好地区分植被退化的过渡类型如灌丛、草坡以及石漠化等。表明石笋的δ13C值在一定情况下可以用来探讨地表植被的变化。但要做更精确的反演需要在加深机理方面的研究。通过同一洞穴不同滴水点的对比研究，发现不同滴水点沉积物的稳定碳同位素存在差异，并且差异还比较大。表明用石笋的δ13C值对古气候环境进行重建时需要慎重考虑滴水点的详细情况。在这种情况下，应该对稳定碳同位素的地球化学过程进行详细研究，尤其应该结合水化学数据对水的运移途径进行深入研究，才能合理地运用稳定碳同位素对洞顶的植被情况进行正确的反演。洞穴滴水和塘中水DICδ13C值和月累积降雨量成相反的变化趋势；地表泉水、土壤水DICδ13C值。土壤CO2、土壤呼吸δ13C值和月累积降雨量的变化在多数时候具有一致的变化趋势。总体而言，洞穴系统水样DICδ13C值对月平均气温的响应不是很明显。只有洞穴塘中水DICδ13C值和月平均气温成相反的变化规律；土壤呼吸CO2δ13C值对月均温响应较为明显：月平均温度越高，土壤呼吸CO2δ13C值越偏轻，反映了温度较高的时候土壤层中的生物活动较强烈。二．岩溶洞穴系统稳定碳同位素的时间演化犀牛洞、将军洞。七星洞10月份植被δ13C值样品的δ13C值比7月份样品的δ13C值偏重。犀牛洞和将军洞土壤空气CO。的δ13C值在8月份出现了一个峰值，以前在清镇红枫湖生态站草地土壤剖面所作的工作8月份的值也同样偏重。在6月份时，凉风洞和七星洞存在一个较为明显的低值，与微生物和植物的强烈呼吸作用有关。土壤呼吸气CO2的δ13C值在6月份出现了明显的低值，和土壤CO。的变化趋势一致。4个洞穴空气CO2的δ13C值在8、9月份有一个低值。七星洞和外界的连通性最好，其洞穴空气CO2δ13C值随时间的变化最不明显，而凉风洞与夕十界的连通性最差，洞穴空气CO2δ13C值的变化幅度最大。土壤水DIC的δ13C值8月份存在一个峰值，在9月份的时候存在一个低值。七星洞地表泉水DIC的δ13C值自6月份开始有逐渐偏重的趋势，到8月份达到一个不甚明显的峰，这个峰值在凉风洞的表层泉中也略有体现。和土壤水比较，地表泉水的不同点在于低值不出现在9月份，而是出现在10月份，相对而言滞后1个月。原因可能是表层泉水所到达的深度比土壤水深；土壤强烈呼吸作用的响应要比土壤水慢。各个洞穴的滴7RDICδ13C值随时间退推移出现了不同的变化规律，可能与滴水的来源和途径不同有关。4个洞穴塘中水DIC的δ13C值统一在7月份达到了最低值；之后DIC的δ13C值逐渐偏重。三．岩溶洞穴系统稳定碳同位素的空间演化植被样不同部位的δ13C值总体上逐渐偏重的顺序是皮一叶一枝一根～干，说明植物不同部位的稳定碳同位素存在差异。随着凉风洞一七星洞一犀牛4同一将军洞的顺序，植被δ13C值逐渐变重；反映了地表植被由C3植物向C3＋C4植物的过渡，指示了生态环境由原始森林→石漠化方向的退化。土壤有机碳的δ13C值基本继承地表植物δ13C值的特征。没有发生植被更替上壤剖面上有机碳的δ13C值随着深度的增加逐渐偏重；植被发生了变化的土壤剖面则可能出现与正常规律相反的变化情况。土壤剖面上CO2的δ13C值自地表；句下逐渐变轻，在一定深度后大致趋于稳定；土壤呼吸CO2δ13C值位于土壤CO2δ13C值的变化范围；土壤呼吸CO2δ13C值的变化规律和植被δ13C值的变化在空间上具有一致性。土壤水DIC的δ13C值比土壤CO2值偏重；泉水DIC的δ13C值比土壤水DIC的δ13C值偏重，原因是泉水可能己经渗入到基岩层之后再出露到地表，已经混入了部分基岩无机碳的成分。四个研究洞穴系统盖板基岩的δ13C值变化范围大约在2－3‰之间。凉风洞和犀牛洞不同滴水点滴水的δ13C值相对比较稳定，七星们和将军洞的变化比较大。洞穴塘中水DIC的δ13C值和洞穴滴水相比明显偏重，原因为洞穴塘中水经历了强烈的蒸发作用；满后水比滴前水整体偏重。从洞日往内洞穴空气CO2的δ13C值逐渐偏轻，并且洞穴空气CO2δ13C值继承了洞穴水样DICδ13C值的变化趋势。洞穴化学次生沉积物的δ13值：同一个洞穴中不同滴水点化学沉积物的δ13C值存在差异，但是和滴水DIC的δ13C值相对应，反映了沉积物δ13C值对洞穴滴水DICδ13C值的继承，沉积物δ13C值比滴水DICδ13C值偏重。最新鲜沉积物和比较老的沉积物之间的对比偏轻1-2‰，沉积物中的δ13C值有可能发生沉积期后的变化。

草海湖泊系统稳定碳同位素地球化学及其碳循环的简单模式

本文对草海湖系统中主要含碳物质（湖水DIC、水生植物、沉积物有机质、沉积物碳酸盐）的稳定碳同位素组成进行了分析，其同位素组成分别为：-3.7‰－-10.6‰，-15.5‰－-20‰，-20.5‰－-26.7‰ -4.4‰－-13.1‰。结果表明：草海湖水DIC的稳定碳同位素组成在整个湖泊中变化较大，草海中主要水生植物的稳定碳同位素组成明显重于一般的陆生植物（C3型），而且湖水DIC、沉积物有机质和沉积物碳酸盐的同位素组成均呈现随深度加深逐渐变轻的趋势，表明在草海这样一个水生植物繁茂的浅水富氧湖泊中，光合－呼吸作用和有机质降解对整个湖泊体系中主要含碳物质的碳同位素组成具有决定性的作用。最后，利用碳同位素组成值进行质量平衡计算，建立了草海区域碳循环的简单模式。