10第8章+古環(huán)境古氣候

1/110第8章+古環(huán)境古氣候緒論2010-4-19崔驍勇1115N14N14C13C12C同位素在生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用第八章214C13C12C內(nèi)容提要?太陽活動(dòng)與氣候變化?溫室氣體與氣候變化?溫度的氧同位素反演?降水的氧同位素記錄?碳同位素與古環(huán)境314C13C12C8.1太陽活動(dòng)與氣候變化8.1.1什么是全球變化？什么是全球變化？NOAANASAU.S.BureauoftheCensusMackenzieetal(2002)Richards(1991),WRI(1990)414C13C12C?更多：

GoldewijkandBattjes(1997)IPCCFAO514C13C12C8.1.2氣候變化的周期性?數(shù)千年至數(shù)萬年時(shí)間尺度的氣候變化?第四紀(jì)時(shí)期出現(xiàn)過多次冰期間冰期交替?末次間冰期以來的氣候變化很難用天文氣候的理論來解釋，氣候以短周期跳變（間冰段，末次間冰期以來的氣候變化很難用天文氣候的理論來解釋，氣候以短周期跳變（間冰段，interstadial）為變化特征，目前已劃分出了）為變化特征，目前已劃分出了16個(gè)類似期限和型式的跳變旋回，稱為個(gè)類似期限和型式的跳變旋回，稱為Dansgaard-Oeschger(DO)氣候快速振蕩旋回事件氣候快速振蕩旋回事件614C13C12CPetitetal.1999.Nature399,429-436緒論2010-4-19崔驍勇2714C13C12C?Greenlandinlandicesheet?末次冰期持續(xù)了100,000年，在此期間發(fā)生過年，在此期間發(fā)生過26次快速而劇烈的氣候波動(dòng)溫度(oC)814C13C12C?數(shù)十至數(shù)百年尺度氣候變化00.51-0.5100015002000Mann(1999)北半球氣溫(C)914C13C12C?海洋深層水的溫度變化：

海洋深層水的溫度變化：

?顯示升溫趨勢顯示升溫趨勢?原因是高緯度冬季溫度升高原因是高緯度冬季溫度升高1014C13C12C?季節(jié)至年際的氣候波動(dòng)?厄爾尼諾/南方濤動(dòng)(ENSO)事件是全球許多地區(qū)年際氣候變化的最重要自然現(xiàn)象事件是全球許多地區(qū)年際氣候變化的最重要自然現(xiàn)象?現(xiàn)在可以提前一年多預(yù)測ENSO事件1114C13C12C8.1.3太陽活動(dòng)與氣候變化1214C13C12C050100150200SmoothedInternationalSunspotNumber330035003700390041004300SmoothedCosmicRayFluxCycle23050100150200SmoothedInternationalSunspotNumber330035003700390041004300SmoothedCosmicRayFlux8-monthsLaterCycle23太陽活動(dòng)周期23內(nèi)的宇宙射線流量與黑子數(shù)的關(guān)系太陽活動(dòng)極大值8個(gè)月后的的宇宙射線流量與黑子數(shù)的關(guān)系太陽活動(dòng)周期23內(nèi)的宇宙射線流量與黑子數(shù)的關(guān)系太陽活動(dòng)極大值8個(gè)月后的的宇宙射線流量與黑子數(shù)的關(guān)系緒論2010-4-19崔驍勇31314C13C12C?在太陽活動(dòng)的極大期，太陽風(fēng)的磁場使宇宙射線偏離太陽系在太陽活動(dòng)的極大期，太陽風(fēng)的磁場使宇宙射線偏離太陽系?導(dǎo)致放射性核素，如14C、、10Be、、44Ti，產(chǎn)率降低，產(chǎn)率降低?負(fù)相關(guān)的最大值有近8個(gè)月的滯后期1414C13C12C14C波動(dòng)與太陽黑子數(shù)的關(guān)系http://http://deptsdepts..washingtonwashington..eduedu//qilqil//datasetsdatasets//Stuiveretal,Stuiveretal,TheTheHoloceneHolocene,1993,19931514C13C12C去過去11,400錄年內(nèi)的太陽活動(dòng)記錄14CC數(shù)據(jù)反演Solankietal.,2004.Nature4311084-10871614C13C12CCaballero--Lopez.etal.2005iSolanki.etal.2004行星際磁場：

結(jié)果一致近年來的增強(qiáng)趨勢明顯：

10Be1714C13C12CEddy,1976,1977冬天氣溫與樹輪14C及太陽活動(dòng)的關(guān)系1814C13C12C1000080006000400020000-0,20,00,2-8000-6000-4000-20000-6-4-20246Cproductionrate,detrended,filteredIRD,detrended,filteredcalAD/BCcalBP14CC產(chǎn)率與北大西洋溫度的關(guān)系Icerafteddebris：

：

IRD，低溫較多Bondetal.2001eScience294,2130緒論2010-4-19崔驍勇41914C13C12C可能的機(jī)制??少太陽活動(dòng)高峰期：

云量少輻射更強(qiáng)?氣候溫暖2014C13C12C模型計(jì)算在太陽活動(dòng)周期23內(nèi)的輻射Krivovaetal.2003AALett2114C13C12C宇宙射線與云量與平流層氣溶膠也有良好的相關(guān)性Vanhellemontetal,2002SvensmarkFriis-Christensen,19972214C13C12C8.2溫室氣體與氣候變化?proxyindicators:指示古氣候古環(huán)境變化8.2.1海洋沉積物甲烷釋放Weissert,2000,Nature2314C13C12C8.2溫室氣體與氣候變化?5500萬年前：

InitialEocenethermalmaximum(IETM)?在約20000年的時(shí)間內(nèi)氣溫升高了5~10℃?13C/12C迅速下降：

1500~3000Gt貧13C的碳進(jìn)入了大氣或海洋8.2.1海洋沉積物甲烷釋放Dickens,2004,Nature2414C13C12C緒論2010-4-19崔驍勇52514C13C12C?氣體快速溢出通道的遺跡氣體快速溢出通道的遺跡?大西洋中部和北部洋底大西洋中部和北部洋底2614C13C12C?末次冰期大氣甲烷濃度三次劇變2714C13C12C?海洋水合物在溫度劇變時(shí)是穩(wěn)定的海洋水合物在溫度劇變時(shí)是穩(wěn)定的?末次盛冰期甲烷D升高的原因：

升高的原因：

可能是由于甲烷凈產(chǎn)生量與總產(chǎn)生量之比降低可能是由于甲烷凈產(chǎn)生量與總產(chǎn)生量之比降低(N/G)石油相關(guān)的甲烷產(chǎn)生比例提高石油相關(guān)的甲烷產(chǎn)生比例提高濕地稻田填埋反芻動(dòng)物生物質(zhì)燃燒天然氣海洋水合物煤層瓦斯Sowers,2006,Science311:838-8392814C13C12C8.2.2海洋反硝化和全球氣候變化洋面溫度海洋表層生產(chǎn)力缺氧層厚度沉降的有機(jī)質(zhì)反硝化沉積物15NN2O釋放有效氮大氣CO2大氣N2O2914C13C12C阿拉伯海沉積物表明千年尺度上的海洋反硝化動(dòng)態(tài)與全球氣候Nature,2002，，415:159-1623014C13C12C格陵蘭冰蓋冰芯樣品格陵蘭冰蓋冰芯樣品海底沉積物樣品海底沉積物樣品緒論2010-4-19崔驍勇63114C13C12C3214C13C12C8.3溫度的同位素反演8.3.1冰芯氧同位素3314C13C12C??如何對(duì)冰芯計(jì)年？層次計(jì)數(shù)法：

夏季降雪積累快，冬季末往往有塵土沉降，可以從顏色上判斷3414C13C12C3514C13C12C?冰芯古溫度記錄：

冰芯古溫度記錄：

18O、D(2H)水蒸氣中的18O是年平均氣溫的函數(shù)大陸冰川（仍然廣布在的格陵蘭島和南極洲）冰積物中的18O是虧損的年際循環(huán)準(zhǔn)確或近似定年冰期/間冰期變化年平均溫度3614C13C12C南極冰芯記錄的氣溫和二氧化碳變化冰期－間冰期氣溫變化在10度以上氣溫與二氧化碳變化基本同時(shí)南極冰芯記錄的氣溫和二氧化碳變化冰期－間冰期氣溫變化在10度以上氣溫與二氧化碳變化基本同時(shí)緒論2010-4-19崔驍勇73714C13C12C格陵蘭冰芯記錄的氣溫、雪積量和電導(dǎo)率變化3814C13C12C8.3.2海洋碳酸鹽古溫度計(jì)?蒸發(fā)是瑞利分餾過程，水蒸氣中的18O較剩余海水的低?如果地球上冰量增大，那么海水中的18O同位素會(huì)增加?有孔蟲的CaCO3質(zhì)殼體的生成是與周圍海水達(dá)到氧同位素平衡的，因此這一變化可被其記錄下來C)T(fOO1818++=海水有孔蟲3914C13C12C有孔蟲培養(yǎng)溫度與氧同位素的關(guān)系18O殼-18O水4014C13C12C質(zhì)量平衡與海水氧同位素組成的變化海平面海洋冰川總量總量冰川冰川海洋海洋海平面海洋冰川總量總量冰川冰川海洋海洋====++A/MMMM4114C13C12C新生代氣候變化的同位素記錄NoIce-sheetAntarcticIce-sheetTwoPolarIce-sheets4214C13C12C8.3.3樹木年輪18O溫度計(jì)緒論2010-4-19崔驍勇84314C13C12C?植物體內(nèi)含氧化合物除碳水化合物外一般只含一到數(shù)個(gè)氧原子植物體內(nèi)含氧化合物除碳水化合物外一般只含一到數(shù)個(gè)氧原子?氧同位素組成主要決定于來源：

CO2,H2O,O2葉片水中的氧18O：

0~12與水平衡的CO2的18O比水高40~45（碳酸酐酶）大氣中O2：

22.4?植物材料中碳水化合物最高：

與CO2最接近?次生代謝化合物稍低：

受其它來源豐度不同的氧的影響；與植物體內(nèi)水分子、羰基及其他中間產(chǎn)物發(fā)生氧同位素交換次生代謝化合物稍低：

受其它來源豐度不同的氧的影響；與植物體內(nèi)水分子、羰基及其他中間產(chǎn)物發(fā)生氧同位素交換植物體內(nèi)氧和氫的同位素組成4414C13C12C?由于蒸騰和濃縮作用，植物體內(nèi)存在于水中的氫同位素由于蒸騰和濃縮作用，植物體內(nèi)存在于水中的氫同位素D的比例逐漸增加?氫進(jìn)入代謝過程后會(huì)由于生化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)使氫進(jìn)入代謝過程后會(huì)由于生化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)使H和D的比例變化?干物質(zhì)的氫同位素組成與上述動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)有直接的相關(guān)性干物質(zhì)的氫同位素組成與上述動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)有直接的相關(guān)性但是，應(yīng)用氫同位素組成來研究古生物學(xué)等還非常困難但是，應(yīng)用氫同位素組成來研究古生物學(xué)等還非常困難一般用氧而少用氫同位素4514C13C12C?降水的氫同位素組成受氣候影響變異很大?由于蒸騰作用進(jìn)入代謝的水的氫同位素組成與根系吸收的水不同由于蒸騰作用進(jìn)入代謝的水的氫同位素組成與根系吸收的水不同?植物體內(nèi)眾多的代謝反應(yīng)對(duì)氫同位素的分餾能力各不相同植物體內(nèi)眾多的代謝反應(yīng)對(duì)氫同位素的分餾能力各不相同?各代謝反應(yīng)的同位素分餾效應(yīng)不是固定的，受植物生理狀態(tài)和其他代謝反應(yīng)的影響各代謝反應(yīng)的同位素分餾效應(yīng)不是固定的，受植物生理狀態(tài)和其他代謝反應(yīng)的影響4614C13C12C溫度與纖維素氧同位素組成的關(guān)系Wright2001,thesis4714C13C12C10Be反演的降水量Be反演的降水量8.4降水的同位素記錄8.4.1冰芯同位素D反演飽和水氣壓再推定的降水量D反演飽和水氣壓再推定的降水量4814C13C12C8.4.2樹輪氧同位素120天內(nèi)的降水量與樹輪纖維素氧同位素組成6月20~10月17，，1900~1998Wright2001,thesis緒論2010-4-19崔驍勇94914C13C12C代謝inputoutputplant邊界層氣孔葉肉8.5碳同位素與古環(huán)境8.5.1植物的同位素組成5014C13C12C影響植物同位素組成的因子?環(huán)境中原材料的同位素組成?宏觀尺度上是比較均一的?植物所在的地點(diǎn)可能顯著不同?植物可利用的不同原材料的同位素組成可能不同CO22,HCO3-3-NN22,其它形態(tài)水中的D,1818OO5114C13C12CPrincetonMOMvsObservations5214C13C12C?植物體內(nèi)的代謝控制?次生代謝產(chǎn)物的輕同位素比例高木質(zhì)素纖維素幾丁質(zhì)石油煤炭自然界甲烷13C最低(-90)生物化石的同位素組成：

逐漸變化5314C13C12C植物體內(nèi)控制同位素分餾效應(yīng)的地點(diǎn)碳水化合物有機(jī)酸氨基酸N2H2OCO2多聚物生物堿類異戊二烯番荔枝內(nèi)酯苯基丙烷動(dòng)力學(xué)效應(yīng)庫大小周轉(zhuǎn)速率平衡的分餾動(dòng)力學(xué)分餾代謝周轉(zhuǎn)同化降解初生代謝產(chǎn)物庫原材料庫：

無限大次生代謝物庫多聚物5414C13C12C幾丁質(zhì)脂肪纖維素蔗糖木質(zhì)素淀粉Triose-P可溶性代謝物質(zhì)外體/木材細(xì)胞質(zhì)真菌儲(chǔ)存組織液泡/糊粉體葉綠體Hexose-PHexose-PTriose-PTriose-PPPCTriose-P+40-413C緒論2010-4-19崔驍勇105514C13C12C8.5.2植物體內(nèi)碳同位素組成5614C13C12C植物代謝中酶催化反應(yīng)的同位素效應(yīng)亞甲基碳貧化檸檬酸合酶乙酰輔酶亞甲基碳貧化檸檬酸合酶乙酰輔酶A的CO基相對(duì)貧化，脂肪和類異戊二烯貧化丙酮酸脫氫酶碳水化合物的基相對(duì)貧化，脂肪和類異戊二烯貧化丙酮酸脫氫酶碳水化合物的C-3和C-4相對(duì)富集醛縮酶二羧酸的相對(duì)富集醛縮酶二羧酸的C-4相對(duì)富集丙酮酸羧化酶降低植物的相對(duì)富集丙酮酸羧化酶降低植物的13C，C-4位置相對(duì)富集位置相對(duì)富集PEPC降低植物的13CRUBISCO同位素分餾酶5714C13C12C?次生代謝物較原材料（碳水化合物）13C豐度低3-6?但一般不明顯改變植物整體的13C豐度?由于次生代謝物的生物合成過程存在明顯的同位素分餾效應(yīng)，因此會(huì)導(dǎo)致不同產(chǎn)物尤其是產(chǎn)物的不同位置的由于次生代謝物的生物合成過程存在明顯的同位素分餾效應(yīng)，因此會(huì)導(dǎo)致不同產(chǎn)物尤其是產(chǎn)物的不同位置的13C豐度改變?上述效應(yīng)取決于產(chǎn)物的庫的大小和不同產(chǎn)物的產(chǎn)量上述效應(yīng)取決于產(chǎn)物的庫的大小和不同產(chǎn)物的產(chǎn)量?羧化過程一般是產(chǎn)物13C貧化，但是丙酮酸羧化酶優(yōu)先利用貧化，但是丙酮酸羧化酶優(yōu)先利用13C，使得C4植物光合過程中生成的二羧酸的羧基植物光合過程中生成的二羧酸的羧基13C富集5814C13C12C8.5.3植物纖維素碳同位素組成?決定因素：

植物光合作用環(huán)境光照溫度水分環(huán)境CO2濃度5914C13C12CAlaska云杉樹輪13C與溫度的關(guān)系Barberetal.,2003,Nature6014C13C12C樹輪碳同位素與生長的關(guān)系顯著負(fù)相關(guān)緒論2010-4-19崔驍勇116114C13C12C不同組分與氣候因子的關(guān)系8月月2~7月月1月月降水0.1280.247-0.097全木-0.093-0.481*-0.068綜纖維素-0.011-0.514**0.004纖維素-0.249-0.027-0.051-0.207全木0.3270.3300.1770.396綜纖維素0.427*-0.062-0.0520.365*纖維素6~8月月5月月4月月3月月溫度6214C13C12C樹木年輪碳同位素的溫度效應(yīng)0.22Quercusrobur0.35Quercusrobur0.34~0.36Fagussylvatica0.25Fagussylvatica0.35Pinussilvestris0.33Coniferae0.33Diplataxiserucoides0.32Coniferae0.18Pinus0.27~0.39Quercus13C/T(/℃)樹木種類陳拓等,2002.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)平均：

0.336314C13C12C同一地點(diǎn)不同樹木年輪間的碳同位素組成差異15001600170018001900year1.00.50標(biāo)準(zhǔn)差()?同一地點(diǎn)的樹輪之間有2~3的變異6414C13C12C植物纖維素碳與氫同位素組成CAMC3C46514C13C12C8.5.4土壤碳酸鹽同位素組成?18O：

+26(+21.6~+34.0)，與降水時(shí)的溫度有關(guān)，干旱地區(qū)高，與降水時(shí)的溫度有關(guān)，干旱地區(qū)高?溫度：

既影響降水的溫度：

既影響降水的18O(+0.85/oC)，也影響碳酸鹽形成的分餾，也影響碳酸鹽形成的分餾(-0.25/oC)Cerling,1984.EarthPlanetaryScienceLetter6614C13C12C?13C：

-4(-12~+4)，比海洋石灰石(0)高高?影響復(fù)雜：

?與土壤CO2保持碳同位素平衡?決定于C3/C4植物比例?與大氣的交換過程很重要：

如：

Aizona荒漠地區(qū)C3植物下的土壤13CO2為-18.0，若植物13CO2為-25.0，大氣為-7.0，那么大氣交換的貢獻(xiàn)為？，那么大氣交換的貢獻(xiàn)為？?土壤碳酸鹽的沉淀和再溶解循環(huán)：

縮小了13C和和18O的范圍，但很多時(shí)候兩者有良好的相關(guān)性緒論2010-4-19崔驍勇126714C13C12C?土壤碳酸鹽碳氧同位素組成的相關(guān)性土壤碳酸鹽碳氧同位素組成的相關(guān)性Jornada,SouthNewMexico6814C13C12C?生物活動(dòng)旺盛期：

呼吸產(chǎn)生大量CO2（13C降低），pH下降，CaCO3溶解度提高，不能形成溶解度提高，不能形成CaCO3沉淀?干旱期生物活動(dòng)減弱，大氣交換加強(qiáng)，CO2濃度降低（13C提高），pH上升，利于形成上升，利于形成CaCO3沉淀?根據(jù)土壤碳酸鹽的碳