全有机稳定碳同位素在我国湖泊沉积物研究中的应用

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1、全有机稳定碳同位素在我国湖泊沉积物研究中的应用摘要：有机碳稳定同位素（S13Corg）是当前我国湖泊沉积物研究中的主要地球化学指标，提供了湖泊沉积物有机质来源、流域植被变化以及古气候和古环境变化等方面的信息，为我国的湖泊沉积研究提供了一种新的方法和思路。文章总结了稳定碳同位素技术原理，概括了湖泊沉积物有机碳?定同位素的指示意义及其在我国湖泊沉积研究中的应用。文章重点从湖泊有机质来源辨识、流域植被变化、古气候和古环境变化研究三个方面概括了有机碳稳定同位素在我国湖泊沉积物研究中的应用现状，并根裾这些研究屮存在的不足和问题提出有机碳稳定同位素在湖泊

2、沉积物研宄中需要拓展的应用和使用有机碳稳定同位素指标时需注意的事项和改进方法。关键词：稳定碳同位素；湖泊沉积物；冇机质来源；古气候；古环境湖泊沉积物研究自兴起以来一直受到研究者们的广泛关注。稳定碳冋位素技术作为一种新技术在我国近年来的湖泊沉积研究中备受青睐。湖泊沉积物中的有机碳稳定同位素常被用来指示湖泊系统中有机通量或循环时间的变化，这种指示意义建立在不同的有机质类型的不同有机碳稳定同位素组成的基础之上［1,2］。虽然有机质在形成沉积物的早期因成岩作用的影响而发生不同程度的改变，但是在成岩作用结束以后，有机质的变化非常小，所以，沉积物有机质的

3、稳定碳同位素（Sl3C0rg）能够提供过去环境变化的证据［3,4］，成为古环境研究的有效方法［4,5］。尤其在缺乏自生碳酸盐的湖泊沉积物研究中，有机碳稳定同位素指标的应用相当广泛[6]。1稳定碳同位素技术原理自然界中碳元素的两种同位素（12C和130广泛存在于无机物（如碳酸盐）和有机物（如纤维素）屮。碳元素经同位素分馏作用后重同位素含量比轻同位素含量低，难以用绝对丰度来表示，因此使用碳元素的同位素比率（即相对量）或S单位（以％。表示）来表示物质中的稳定碳同位素组成。S13C值的计算公式如下：513C（%）=[（13C/12C）sample/（

4、13C/12C）standard-1]X1000%（PDB）[7]导致植物体内稳定同位素分馏的机理主要包括同位素平衡分馏和同位素动力分馏。植物体内的某一体系形成时，由于碳同位素木身没有达到平衡状态，或者是在体系形成时虽然碳同位素本身己经达到了平衡，但是后来外界环境条件发生了变化（如温度改变、C02的进入或逸出、蒸腾作用等），导致合成平衡被打破，使体系产生了碳同位素的再平衡，这种过程就属于碳同位素动力分馏过程。所以，稳定碳同位素记录了植物体动力分馏阶段的外界环境信息。有机碳稳定同位素在植物体内的形成过程是大气中的C02通过一系列的物理、生物化学

5、过程和不同的碳同化途径后碳原子以碳水化合物的形式进入到植物有机组织的过程，植物的光合作用过程就属于其屮之一。由于碳同位素本身的特点、植物种类的特征差异、植物体内组织和器官的差别以及外界环境因子的变化等因素的影响，植物的光合作用对同位素的分馏作用十分复杂[8,9]。迄今为止，科学家们建立了多种以“植物的碳同位素组成是源C02同位素组成和植物叶子生理过程的函数”为基木观点的植物碳同位素分馈模型。Farquhar等［10］建立了最具有代表性的C3植物碳同位素分馏模型：C3植物光合作用过程中使用的羧化酶是RuBP酶，其初级产物为三个碳原子的磷酸甘油酸

6、；C4植物光合作用过程屮使用的羧化酶是PEP羧化酶，其光合作用初级产物为四个碳原子的酸，这些初级产物在维管束鞘细胞中脱C02后再经过C3植物光合作用方式合成高级产物；而景天酸代谢型植物使用的是一种更为特殊的光合作用模式，为了适应生存环境，这类植物在白天关闭气孔以减少水分损失，在夜间吸收CO2实行暗呼吸并合成四个碳原子的苹果酸，再脱羧基释放C02,之后冉按照C4植物光合作用途径合成高级产物。由于景天酸代谢型植物的生境非常特殊，所以在一般的研宄中很少考虑景天酸代谢型植物［11］。C3、C4和景天酸代谢型植物在生理过程上的差别导致它们的稳定碳同位素

7、组成具有明显的差别［12］。C4、C3植物具有明显不同、互不重叠的稳定碳同位素组成是冇机碳稳定同位素在湖泊沉积物研宄中得以应用的重要前提。湖泊沉积物中的有机质大量来自于陆生植物、水生植物和藻类，但是不同植物产生的有机质具有不同的稳定碳同位素组成，经过成岩作用改造后的沉积物有机质变化很小，所以湖泊沉积物有机质的稳定碳同位素组成记录了原陆生植物、水生植物和藻类的碳同位素组成，因此，湖泊沉积物有机质的稳定碳同位素组成能反映古植被［3］、古气候［13-16］和古环境［17-19］变化方面的信息，在某些条件下还能反映湖泊沉积物的有机质来源信息［20，2

8、1］。2湖泊沉积物有机碳稳定同位素的指示意义在湖泊沉积物有机质来源以内源模式为主的湖泊中，沉积物有机质来源于湖泊内的水生植物和藻类。不同类型的水生植物和藻类进行光合