陆生蜗牛壳体同位素组成及其对生长季节的响应

Stable isotope compositions of land snail shells have a great potential as an indicator of paleoclimatic and paleoenvironmental changes. However, some key issues, such as the relationship of carbon isotope between snail food and local vegetation, and the uncertainty of the dominant factors about snail body fluid changes in oxygen isotope composition, remain less well known, strongly limiting shell isotopic application. In this study, we measure the stable isotope compositions on the shells of both live snails and fossils collected from the Chinese Loess Plateau and a loess sequence at Mangshan, Xingyang, respectively. Based on the analyses, the association of the stable isotope compositions of land snail shells with their growing seasons is investigated. In addition, the climatic and environmental significances of isotopic differences among several snail species are discussed. The main results and conclusions are presented as follows: 1. δ18O values for the shell lip samples of Bradybaena ravida redfieldi range from -6.79‰ to -1.92‰, and parallels to the monthly changes of local rain water δ18O, temperature and humidity. The compatibility of shell lip δ18O with monthly modeled shell δ18O indicates that the shell lip δ18O changes are mainly resulted from the 18O variations of rain-water. The shells of a land snail growing in spring could be enriched in 18O, and those growing in summer depleted in 18O. 2. Carbon isotope compositions of snail shells are controlled by their diet, which is affected by the relative proportion of C3 to C4. There are some differences in carbon isotopic compositions among different snail species, especially between P. orphana and V. tenera or P. aeoli. Shell δ13C for P. orphana is the most positive with an average of -5.88 ± 2.54 ‰. The C4 plant fraction of the food for “cold-aridiphilous” taxa, P. aeoli and V. tenera, is distinctly lower than that for “thermo-humidiphilous” taxa, P. orphana, indicating that summer is likely to be the main active season of P. orphana and spring of P. aeoli and V. tenera. Therefore, some discrepancy of carbon isotopic compositions among different species may be related to snail active season. 3. δ13C values among different species have a certain degree of positive correlation, which may be influenced by local vegetation ecosystem. δ13C value of the snail shells (especially P. orphana) shows an eastward increasing trend and consists with the variations of C4 plants biomass in Loess Plateau. The result shows that the carbon isotope in local vegetation ecosystem is one of the main factors influencing δ13C values of snail food. Therefore, both carbon isotopes of local vegetation ecosystem and snail active season contribute to the carbon isotopic differences among different snail species and in different areas. 4. δ13C values of living snail shells and soil organic matter have a positive correlation with each other, which further supports the view that carbon isotope in local vegetation ecosystem is one of the main factors influencing δ13C values of snail food. However, the range of δ13C values of snail food for various species in response to carbon isotope in local vegetation ecosystem is different. It is suggested that 13C enrichment of snail shells relative to local vegetation ecosystem has a potential to indicate snail active season and the degree of climate temperature and humidity. 5. There is a significant negative correlation between carbon and oxygen isotopic compositions of living snail shells in Loess Plateau. This result further supports that snail active season can be inferred based on the shell carbon and oxygen isotopic compositions. Moreover, there are some positive correlations between mean annual temperature and differences of shell δ13C values ( 13CV. tenera-P. orphana) and that of δ18O values ( 18OV. tenera-P. orphana) for P. orphana, a typical “thermo-humidiphilous” taxa, and V. tenera, a typical “cold-aridiphilous” taxa, respectively. It shows that  13CV. tenera-P. orphana and  18OV. tenera-P. orphana may have a potential to indicate mean annual temperature or the length of biological growing season. 6. Stable isotopes of land snail shell in the Mangshan loess sequence show that the shell δ18O value of “cold-aridiphilous” taxa V. tenera is more positive than “thermo-humidiphilous” taxa P. orphana and δ13C value of the former is more negative than the latter. In addition, the shell δ18O value of V. tenera varies significantly in different period. During the last glacial maximum, its δ18O value with an average of -7.89 ‰ is more negative than that (-5.88 ‰) from the last deglaciation to the early Holocene. This phenomenon indicates that its growing season during different period is significantly different. It tends to grow in summer in last glacial maximum. With climate warming, it prefers growing in spring with relatively low temperature. While the shell δ18O value of P. orphana varies in a little range, which shows that its activity season is shorter and mainly in summer. These results further support that the change of the snail growing season is one of the main factors of differences of carbon isotopic compositions among different snail species and varies with time. Furthermore, it is consistent that changes in magnetic susceptibility and trend of differences of shell δ18O values and δ13C values respectively between the two snail fossils. It is further testified that 13CV. tenera-P. orphana and  18OV. tenera-P. orphana may have a potential to indicate mean annual temperature or the length of biological growing season.

碳、氧稳定同位素分析在古环境研究中的应用

A number of proxy records of paleoenvironment using stable isotopes could show the history of past environmental changes. These archives include peat and lake sediments, loess-paleosot sequence, fossil mammals and stalagmite, and so on. The stable isotopic composition of carbonate and organic matter and frequency magnetic susceptibility from Tianshuigou and Yuanlei loess-palesol sequence can be used to give estimates of the paleoenvironmental history of Dali, and even of the whole Chinese Loess Plateau during the last 250ka. Features of the High Temperature and Large Precipitation Event in the Tibet Plateau and its adjacent area during 40~30kaBP had been studied by Professor Shi Y. In this dissertation, its impact on Chinese Loess Plateau has been discussed again. Carbon and oxygen isotopic ratios, magnetic susceptibility and frequency magnetic susceptibility in Tianshuigou and Yuanlei profiles show that the Event in this area is not so stronger as the Tibet Plateau. The carbon isotopic composition of organic matter in Tianshuigou, Yuanlei, dingcun and Jingcun loess-palesol sequences are indicative of major changes in the paleovagetation between terrace and plain of the Chinese Loess Plateau. Water is one of the most important factors adjusting the relative biomass of C4 plant in terrestrial ecosystems. Stable carbon isotope ratio of vertebrate tooth enamel is used increasingly to reconstruct environmental and ecological information modern and ancient ecosystems. The SI3C value of tooth enamel bioapatites can distinguish between browsers and grazers. Data from typical grassland of Inter Mongolia, the Alpine meadow of Qinghai-Tibet Plateau and the Yaluzangbu Great Canyon indicate that diets of mammals could record the relative biomass of C4 plant only in the C4 dominated ecosystem. In a C3 dominated ecosystem, diet of mammals would include more C3 plants than vegetation. According to Professor Cerling, proxy records from North and South America, Africa and Pakistan show that at the end of the Miocene (between 8Ma to 6 Ma) there was a global expansion of CA biomass, probably when atmospheric CO2 levels declined. Thus, "C4 world" and "CO2 starvation" are put forward. In this dissertation, carbon isotopes of fossil tooth such as Equus sanmeniensis and Hipparion chiai from Linxia, China reveal that there is a C3 dominated ecosystem in the late Miocene. Diets of ancient mammals in Linxia are not evidence of global expansion of C4 biomass.

湛江湖光岩玛珥湖55ka以来植硅体化石记录及古环境变迁

The study of biogenic proxy of tropical and subtropical regions provides important evidence about the process and history of vegetation and environmental changes, and is of globally importance for understanding the dynamic mechanism of paleoclimatic and paleoenvironmental changes. The sediments from the Huguangyan Maar lake in Guangdong Province offer a continuous high-resolution record of the past 55 ka about environmental and vegetational changes. The studies of chronology, and physical, chemical environmental proxies have provided much important information about the paleoenvironmental and paleoclimatic histories. The phytolith, a new biogenicl proxy, has been used to determine the nature and types of plants in this area since the last 55 ka. This study presents a preliminary result about the characteristics of phytolith shapes, the variations of the fossils assemblages, and their significance for environmental changes. Moreover, the author probes the process of special specie evolution and their relationship to climatic parameters. The history of fire has been reconstructed based on the variations in charcoals. The main results and conclusions include: 28 types of phytoliths from 233 samples have been identified. Their environmental meanings are investigated in detail. Based on the variations in phytolith associations, the history and process of climatic and environmental changes in the last 55 kaBP have been established for this region. Climatic changes experienced eight intervals during this period, showing the variations of hot-humid to cool-try climate in the ten thousands years scale, and a shorter dry-hot climate condition in millennial scale. The history of palm plant has been established in this region. Two peaks appeared from 55-39 ka and since the Holocene. Plants in Bambusoideae have been growing in this area all the period, representing the impact of the East Asian summer monsoon. Bamboo plants have similar tendency in their abundance to palm plants, but with a lag of 1-2 ka BP. Panicoideae plants, the representative of C4 plants, have 6 flourishing periods occurred at 54.5, 44, 41.5, 32.5, 14, and 10 kaBP, respectively, reflecting 6 times short-term arid events. Charcoal record from the Huguang Marr lake reveals the history of nature fire, that mostly happened in dry period of last glacial from 55-10 kaBP, centered at 50-45, 40-35, 30-25, and 20-15kaBP, showing about a cycle of 10,000 years.

稳定碳同位素示踪农林生态转换系统中土壤有机制裁的迁移和赋存规律

为了探讨土壤有机质在降解过程中的迁移、赋存规律，利用C3、C4植物的δ13C值差异，通过分析土壤的不同粒径组分和比重组分中土壤有机质的δ13C值，表明，粗砂中的土壤有机质年代最新，细粉中的土壤有机质年代最老，有机质在降解过程中，在土壤各粒径组分中的迁移次序是：粗砂→细砂→粗粉→粘土→细粉；土壤重组分中的有机质年代较老，以降解充分、稳定的有机无机复合体为主，轻组分中的有机质含有更多的降解尚不充分、活性较大的有机质.

生态转换系统中土壤有机质变化的稳定碳同位素示踪研究进展

因光合作用的途径不同，C3植物与C4植物具明显的δ13C值差异，根据这种特性，在生态系统发生转变的地域，可较好地将稳定碳同位素方法应用于土壤有机质研究中，本文对此类方法及研究现状作了较综合的论述。

用天然^13C丰度法评估贵州茂兰喀斯特森林区玉米地土壤中有机碳的来源

当森林生态系统转变成农田生态系统时，会把C4植物有机质导入到曾在C3植被下发育的土训中去，使土壤中含有来源不同的土壤有机质，引起碳同位素组成变化。因此，可以利用碳同位素来区分土壤有机质来源，实验结果表明，耕作几十年后原森林土壤有机质的含量仍占有主要地位，来源于原始C3植被的有机碳的比例为66.7％，但容易矿化的、对植物营养有效的有机质含量较低，这与当地的耕作方式有关，需要加强对植物残留物返回土壤工作的管理。

退耕弃荒洼地土壤有机碳在生态系统转化过程中的动态变化

在贵州喀斯特区域一块典型的退耕弃荒洼地中央和周边坡面采集了4个土壤剖面,研究土壤有机碳（SOC）含量和δ^13Corg值的变化.结果表明,坡面不同土壤层次SOC的变化范围为6.0-92.3 mg·kg^-1,并沿着土壤层次的加深迅速降低,变化幅度远远大于洼地土壤剖面（6.3-26.7 mg·kg^-1）.坡面土壤δ^13Corg介于-25.103‰和-23.666‰之间,但各剖面土层内部δ^13Corg变化趋势不一致.洼地土壤δ^13Corg介于-23.495‰和-20.809‰之间,并随着土壤层次的加深δ^13Corg逐渐增加.洼地土壤剖面层次内C4-C占SOC的比例随土壤层次的加深逐渐增加,与林-农生态系统转变过程中的变化趋势相反;土壤δ^13Corg与C3-C之间呈显著相关性（R^2=0.7806,n=7）,对δ^13Corg起到主要影响作用的是退耕弃荒后新加入的C3-C.

植物碳酸酐酶对稳定碳同位素分馏作用的影响

碳酸酐酶（CA）能够可逆地催化CO2和HCO2^-之间的快速转化。长久以来人们忽视了生物体中CA对稳定碳同位素分馏的影响。本文以微藻碳酸酐酶胞外酶为例，说明细胞的区室化和偶联反应可引起CA可逆催化HCO2^-和CO2的转化的不平衡，进而造成稳定碳同位素分馏，并给出体外实验和C4植物实验结果作为依据。此外，本文还讨论了CA对碳同位素分馏的影响的理论和实践意义。

δ^13C方法在土壤有机质研究中的应用

δ^13C方法是近年来用于土壤有机质动力学研究的一种新方法，该方法除了具有^14C标记法的优点外，还具有无放射性，可以提供长期的标记，并能使所有的土壤有机质组分都能被均匀标记，相对经济、在实验地采样后直接进行研究等特殊优点，从而在土壤有机质及其组分的来源、周转和C3／C4植被的历史变化研究中得到广泛应用。随着该方法的迅速发展以及各种分析δ^13C值技术的不断改进，δ^13C方法在研究土壤过程特别是土壤碳循环中显示出新的活力。为了推动δ^13C方法在国内土壤有机质研究中的应用，本文对影响土壤有机质δ^13C值的因素、国内外近年来该方法在土壤有机质研究中的应用和δ^13C值的分析方法作了较全面的综述.

应用δ^13C值探讨土壤中有机碳的迁移规律

C3植物与C4植物具明显的δ^13C值差异，利用这种特性，选取荔波茂兰喀斯特森林边缘处这个C3植物－C4植物转换生长的地点，分别采集森林与农田各三个剖面的土壤样品，根据测定其土壤总有机碳，不同粒径及不同比重组分的δ^13C值间的相互关系来推导土壤有机碳的若干迁移规律。

长江中下游湖泊的环境演化：沉积物的碳、氮同位素记录研究

本项研究以长江中下游地区的浅水湖泊（太湖、巢湖、龙感湖）为研究对象，碳、氮同位素为研究手段，结合210Pb和14C年代学，以及沉积物中TOC、TN、C/N比值、TP等多种地球化学参数，对近代沉积环境演化过程，沉积物有机质来源以及西太湖形成演化的古环境进行分析研究。通过研究，得到以下主要认识： 1. 太湖沉积物剖面上δ13Corg和C/N比值分布范围指示太湖沉积物的有机物质来源主要是水生藻类。竺山湾T3点基本没有陆源物质输入；梅梁湾T2点有部分陆源物质输入；湖心T4点沉积物有机质来源还可能是不同于梅梁湾和竺山湾的水生植物。沉积物的地球化学参数剖面指示太湖从1920s始，沉积环境受人为因素的影响而逐渐营养化。 2. 巢湖沉积物δ13Corg和δ15N的研究结果，不仅指示沉积物有机质来源主要是水生藻类，受城市污染和农业面源污染输入的一定影响，而且指示了在沉积历史上因为巢湖闸的建成，湖泊生产力和浮游植物物种也发生了改变，湖泊富营养化。 3. 龙感湖沉积物δ13Corg和δ15N的研究分析，表明湖泊有机沉积以自身有机物源为主，受陆源输入影响小。1960s围垦造成营养盐输入量的增加，因为草型湖泊这一特征有利于营养盐的积累，缓解水体的富营养化程度，龙感湖始终处于中营养程度。 4. 太湖、巢湖和龙感湖表层沉积物孔隙水中NO3－和SO42-含量的差异，主要受水域污染状况、底泥有机质的丰富情况、环境水动力条件的变化、泥沙沉积和再悬浮过程引起的元素累积和释放影响，也是藻型湖泊与草型湖泊生产力大小、有机质沉积通量以及微生物丰度和活性等差异的表征。 5. 沉积物表层吸附态NH4+-N含量，体现了水域环境受污染的严重程度是：龙感湖<巢湖<太湖梅梁湾。三个湖泊中底泥有机质丰度差异和生物参与的氨化作用差别都非常显著。三个湖泊的沉积物表层铵态氮的含量，均表明了沉积物表层向上覆水体可能具有潜在的铵态氮迁移趋势。 6. 太湖古环境分析研究中，竺山湾和梅梁湾沉积物剖面的粒度分析、δ13Corg、δ15N、TOC、TN、C/N比值和TP都随沉积深度，对应14C定年结果，指示了西太湖沉积演化历程的三个阶段及其有机质来源。6870~6670 a B.P.，研究区被咸水覆盖，有机质来源是典型的水体自生来源，在竺山湾有逐渐增加的C4植物的输入。6670~5140 a B.P.，可能形成瀉湖并出现沉积间断。5140 a B.P.至今，形成淡水湖泊，沉积有机质主要来自湖泊自生物源，存在沉积间断。 7. 长江中下游的浅水湖泊沉积物中的有机质来源主要以湖泊自生来源为主，因为水体初级生产力的升高受陆源物质输入增加的影响，流域内人类活动引起的陆源物质输入不容忽视。长江中下游湖泊的近代沉积环境演化过程因为近岸距离、水动力强度和发育不同的水生植物等因素存在区域性差异，导致湖泊富营养化的最大根源是人为因素的影响发生的环境演变。

喀斯特洞穴系统中稳定同位素地球化学特征及其环境意义

洞穴次生化学沉积物作为探索区域性、全球性气候变化规律和环境变迁史最重要的“信息库”之一，取得了不少有价值的研究成果。但同时，随着高分辨、短时间尺度气候-环境变化记录研究的开展与数据的进一步积累，也发现此类研究目前存在着一些问题与局限性。事实上，洞穴次生化学沉积物环境替代指标的形成经历了一系列复杂的过程，包含的影响因数相对较多。总的来说，其形成过程从大气降雨开始，穿越土壤层、洞穴盖板层到洞穴内滴水中CO2逸出、过饱和的CaCO3结晶和水中携带的不溶物沉淀。其中在不同的气候与环境条件下水与各层（如土壤层、表层喀斯特和潜水带等）中媒介之间发生的物理化学过程决定了环境替代指标的真实涵义。但目前有关这些替代指标的形成过程及其影响因子、适用性等方面的研究工作相当薄弱，尽管包括本文作者所在课题组在内的一些学者已认识到这一工作的重要性，零星做了一点工作，但还无法形成系统的认识。 在我国西南部，缺少类似我国北方的巨厚黄土堆积，但岩溶发育，且连片分布，其面积居世界首位（东亚喀斯特片区的中心）。因此，在该地区气候环境变迁史研究中，环境记录“档案”——洞穴次生化学沉积物在该方面所起的作用具有与北方黄土一样的重要意义。该研究为利用洞穴次生化学沉积物的地球化学特征恢复古生态环境意义的研究奠定坚实的理论基础。基于此，我们选择我国西南喀斯特发育最为典型的贵州作为研究区域，通过对分布于境内不同地方100多个洞穴进行实地考察和综合评判之后，筛选出一个系列的4个喀斯特洞穴作为研究对象，分别选取一定数量采样点进行采样。在前人研究的基础上，更加深入系统地对该4个洞穴系统中的稳定同位素（碳和氧同位素）进行研究。 分别系统地采集了4个洞穴系统中的大气、植物、土壤、土壤空气、土壤水、基岩、泉水、洞穴滴水、洞穴空气、塘水、潭水和滴水对应的洞穴次生化学沉积物等，现场测试pH值、电导率（Cond.）和气温（T）等，室内分别测试了稳定同位素和其他相关指标（如各种离子浓度等），以期开展不同生态环境条件下正在形成的洞穴次生化学沉积物及其对应的洞穴滴水的地球化学特征的比较研究，揭示它们对气候环境变化的响应机制，即稳定同位素等洞穴次生化学沉积物环境替代指标的现代形成过程以及各种影响因子。 本研究主要取得以下几点认识： 1. 虽然缺乏同气候、等海拔和生物量在10~90 t/hm2之间的植被序列洞穴的对比，以及对土壤有机质和土壤微生物活性等的相关试验研究，但根据分析仍可获知，洞穴化学次生沉积物的碳同位素的生物量效应是由植物碳同位素及土壤CO2微生物分馏作用机制共同制约。也就是说，洞穴沉积物碳同位素信号所反映的信息包括植被碳同位素组成及其生物量所控制的土壤性质（如微生物等），并不一定指示地表植被的C3/C4比例变化，甚至也不一定指示乔、灌、草的比例，当然也不仅仅是植被覆盖变化的简单体现。总之，生物量效应在横向上是存在的，它至少部分控制着洞穴化学次生沉积物碳同位素的变化，在对石笋等碳同位素的高分辨率解译过程中是不容忽视的。其机理可能是，生物量的大小控制土壤性质（营养和含水量等），进而激发或抑制土壤微生物群落的生长和发育，从而影响土壤有机质的分解过程最终导致次生沉积物δ13C值的变化。 2. 贵州喀斯特地区δ13CSOC与源植物的δ13C差值最大达8‰以上，其主要受土壤水热条件、质地和pH值控制。由此可见，δ13CSOC动态总体上反映了植被破坏历史。不过由于未进行具体年限测定，植被受破坏的具体时间未知。因此，今后除了需对SOC含量等问题进行系统的研究外，14C定年以及喀斯特地区更多土壤剖面等的工作也有待进一步开展。 3. 洞穴水在下渗过程中普遍发生了混合作用，致使从上（地表）到下（洞穴）δ13CDIC值变化幅度变小。除了QXD和JJD中δ13CDIC值偏重的滴水外，基岩对滴水碳同位素组成的影响都相对较小，而各洞穴中滴水（沉积物）等碳同位素组成与洞穴上覆植被等有关，是生态环境的真实记录。LFD中各种洞穴水δ13CDIC值之间基本上都达到或接近同位素平衡，且与洞穴系统的生态环境有很好的相关关系（非常显著的时间变化）；QXD和JJD之间的洞穴水（除土壤水外）δ13CDIC动态极为相似，即同一洞穴同期不同滴水点滴水δ13CDIC存在很大差异，可能与上覆土壤受到严重破坏导致基岩贡献率相对较高有关，而其中的几个滴水与相应沉积物的同位素不平衡可能是沉积速率太慢或沉积间断所致；XND尽管土壤水与JJD的有相似的特征，但其洞穴滴水平均δ13CDIC之间基本一致且与相应沉积物接近同位素平衡。因此，4个洞穴中，LFD可能是最为适合进行高分辨率和短时间尺度（如季节甚至月份）研究的洞穴。另外，对于文中出现的滴水（上）δ13CDIC偏重于滴水（下）的现象以及土壤中水气平衡的影响因素等还有待今后进一步研究。 4. 研究的4个洞穴系统大气降雨尽管主要受东亚季风控制，但来源不完全一致，还不同程度地受西南夏季风等影响。LFD和QXD受东亚季风影响程度相对高于XND和JJD，西南季风的影响程度恰好相反。 5. 尽管地表蒸发作用对表层（10cm以上）土壤水δ18O有一定的控制作用，但是较深（如10cm以下）土壤水基本不受影响；同位素示踪结果显示，土壤水和洞穴滴水对大气降水均有响应，但响应时间不一，可能与上覆物质（植被、土壤和基岩等）结构构造等控制的水文学特征和有效大气降水量等有关；喀斯特土壤的高度异质性导致土壤水运移机制的不同，从而影响混合作用的过程，最终导致洞穴系统同期土壤水δ18O存在一定差异；雨水在下渗过程中的不同来源水混合作用，是不同类型水δ18O时间上变化幅度不同的主要原因；同一洞穴不同滴水δ18O之间的差异可能与水文学特征不同有关；水化学性质（如SIC）控制沉积物的沉积过程从而影响同位素平衡。 由此可见，利用研究的4个洞穴系统中洞穴次生化学沉积物中氧同位素恢复和重建古降水量的高分辨率短时间变化是可行的。但我们也应注意到，在利用洞穴次生化学沉积物恢复和重建古降水量之前有必要寻找合适的方法（如利用Hendy法则等）判断是否达到同位素平衡。不是所有点沉积物都真实地记录着滴水（大气降水）同位素信号的，尤其在QXD和JJD中，一半左右的滴水点沉积物没有达到同位素平衡。这些均显示出在高分辨率短时间尺度古气候研究中，了解沉积物的形成过程对于准确解译洞穴过去环境变化具有重要意义。

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。