全 文 ：第 wv卷 第 {期
u s s z年 { 月
林 业 科 学
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利用黄土中碳同位素推断古植被类型
卢玉东t ou 孙建中t 李佩成t ƒµ¤®¨¶„v
kt1 长安大学 西安 ztssxw ~u1 重庆大学 重庆 wsssww ~v1 澳大利亚阿德莱德大学 阿德莱德 xssxl
关键词 } 黄土 ~碳同位素 ~古植被 ~孢粉
中图分类号 }°x|z 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusszls{ p stvw p sw
收稿日期 }ussy p sw p us ∀
基金项目 }中澳国际合作项目/黄土碳同位素 !铁含量与古气候0 !长安大学校科技发展基金项目ksyswl/土壤侵蚀空间变异性研究0 !国
家科委项目kussu…„|st„wvl/中国西北不同生态地域山川秀美试验示范区建设与重大科技难题研究0资助 ∀
Παλεο2ςεγετατιον Τψπε Πρεδιχτινγ βψ Εξπεριµεντ οφ Χαρβον Ισοτοπειν Λοεσσ
∏≠∏§²±ªtou ≥∏±¬¤±½«²±ªt ¬°¨ ¬¦«¨ ±ªt ƒµ¤®¨¶„v
kt1 Χηανγπαν Υνιϖερσιτψ Ξιπαν ztssxw ~ u1 Χηονγθινγ Υνιϖερσιτψ Χηονγθινγ wssww ~ v1 Υνιϖερσιτψοφ Αδελαιδε o Αυστραλια Αδελαιδε xssxl
Αβστραχτ} ≤¤µ¥²±¬¶²·²³¨ ²© ²¯¨ ¶¶·«µ²∏ª«≥s ·² ≥tt ¤·¯∏²¦«∏¤± ¶¨¦·¬²±¬± ≥«¤¤±¬¬°µ²√¬±¦¨ º¨ µ¨ ¬¨³¨µ¬°¨ ±·¨§q׫¨ ¦∏µ√¨ ²©
∆tv ≤ ¦²°³¤µ¨¶º¨ ¯¯ ·²·«¨ ²¬¼ª¨ ±¬¶²·²³¨ ¦∏µ√¨ ¶²©§¨ ³¨¶¨¤¶¨§¬°¨ ±·¶©µ²° ⁄≥⁄°ysz §µ¬¯¯ q׫¨µ¨ ¬¶²¥√¬²∏¶¯¼ ±¨ ª¤·¬√¨ ³¨¤®²©
∆tv ≤ º¬·«¬± ≥x ³¤¯ ²¨¶²¯ º«¨µ¨ ·«¨ ¦²±·¨±·²©∆tv ≤ ¬¶ p ty1ytx ϕ o·«¤·¶«²º¶·«¨ ¦¯¬°¤·¬¦²³·¬°∏°o¤±§·«¨ √¨ ª¨·¤·¬²± §∏µ¬±ª
·«¨ ³¨µ¬²§¬¶¬¯®¨ ¼¯ ©²µ¨¶·q ≤²°³¤µ¬±ª º¬·«·«¨ ³²¯¯¨ ± ¤±¤¯¼¶¬¶o·«¨ √¨ ª¨·¤·¬²±·¼³¨ ²©³¤¯ ²¨¶²¯ ≥s o≥t o≥w o≥{ o≥| º«¬¦«∆tv ≤
¦²±·¨±·¬¶ p x1{x ϕ ∗ p ts1ss ϕ o¬¶©²µ¨¶·2ªµ¤¶¶q∆ tv ≤ ¦²±·¨±·²©³¤¯ ²¨¶²¯ ≥u !≥v !≥y !≥z ¬¶ p {1zu ϕ ∗ p y1|x ϕ o·«¨¬µ
√¨ ª¨·¤·¬²±¬¶ªµ¤¶¶q ׫¨ ²¯¨ ¶¶ ¤¯¼¨ µt !u !x !y !{ !| µ¨³µ¨¶¨±··«¨ ¶¨√¨ µ¨ ¦²¯§2§µ¼ ª¯¤¦¬¤¯ ³¨µ¬²§ º¬·« ∆ tv ≤ ¦²±·¨±·²©
p v1z ϕ ∗ p u1uz ϕ o·«¨¬µ√¨ ª¨·¤·¬²± ¥¨ ²¯±ª¬±ª·²¶·¨³³¨2§¨¶¨µ·q
Κεψ ωορδσ} ²¯¨ ¶¶~¦¤µ¥²±¬¶²·²³¨ ~³¤¯ ²¨2√¨ ª¨·¤·¬²±~¶³²µ¨2³²¯¯¨ ±
黄河中游黄土高原生态环境十分脆弱 o已成为中国乃至世界林业 !农业 !地质和环境专家关注的热点地
区 ∀黄土地层中保存着大陆上最完整 !最连续的古气候记录k顾兆炎 ot||tl ∀黄土沉积以黄土层和古土壤层
交互沉积为特征 ∀学者们已从各个角度来挖掘这些记录 o以探寻最好的气候指标 o提取可靠的古气候 !古植
被信息 ∀直接从黄土地层中提取碳酸盐 o分析碳同位素组成 o是近年来研究的一个新方向k顾兆炎 ot||t ~卢
玉东等 oussx ~张柳明等 ot||u ~≤ µ¨¯¬±ªot|{w ~ • ¬¯¯¬¤°¶ ετ αλqot||{l ∀张虎才等kt||sl在兰州九洲台剖面首先
对各层黄土与古土壤全岩样进行了 ∆tv ≤与 ∆t{ ’研究 ∀谭桂声等kt||ul对洛川黄土剖面 ≥s ∗ ≥tw各层古土壤
的钙质结核进行了氧 !碳同位素分析 o认为 ∆tv ≤主要指示土壤发育时的降水量 o而 ∆t{ ’指示了古土壤发育
时的环境温度 ∀林本海等kt||ul研究了陕西兰田段家坡黄土剖面 ≥s ∗ ≥| 区段地层的有机质 ∆tv ≤ 含量与植
被的关系 ∀刘卫国等kussul分析了黄土高原现代土壤和古土壤有机碳同位素 o认为黄土高原现代植被以 ≤v
植被为主 ∀本文对陕西省洛川黄土剖面的有机质碳同位素进行分析 o并与孢粉分析进行综合比对 o尝试半定
量地推断当地古植被类型 ∀黄土高原古植被类型的确定对黄土高原生态恢复与治理具有重要意义 ∀
1 研究区概况
洛川黄土剖面位于陕西省延安市洛川县坡头村kts|βuxχ∞ovxβwxχ‘l ∀为典型黄土塬区地貌 o地势北高
南低 o塬边沟谷切深 {s ∗ txs °∀洛川黄土剖面是全球最经典的第四纪陆相地层剖面 o因而备受关注 ∀整个
剖面黄土约 tvs °厚 o由黄土层和古土壤层交替叠加 o共 ux层k表 tl ∀
2 研究方法
在地表 s1x °以下采样 o以避免表层土和植物根系的混入 ∀共采样 y{{个 o对 tpt ) ≥{ 作有机碳同位素
分析 o因 ≥s 受到人类耕作与施肥的污染 o未予考虑 ∀采用 ƒµ¤®¨¶等kt||wl的方法进行分析 }取样 y ªo加入
ux h的 ‹≤¯ ws °∀更换 ‹≤¯ x ∗ y次 o使其中的无机盐充分溶解 o用去离子水冲洗干净k³‹ € zl o然后烘干 ∀
表 1 洛川黄土剖面 ∆ 13 Χ分布表 ≠
Ταβ .1 Τηε ∆ 13 Χ ϖαλυε οφλοεσσ προφιλε
层位
²¦¤·¬²±
深度
⁄¨ ³·«Π°
最大值
¤¬¬°∏° √¤¯∏¨Πϕ
平均值
„√¨ µ¤ª¨ √¤¯∏¨Πϕ
最小值
¬±¬°∏° √¤¯∏¨Πϕ
≥s s1| ∗ t1x p w1{y p z1tw p ts1ss
tp t t1x ∗ v1w p v1zs p x1xu p z1x|
≥st v1w ∗ v1| p y1uz p z1tu p z1xz
tp v v1| ∗ |1y p w1{x p x1yy p y1{s
≥t |1y ∗ tu1u p z1vz p {1|w p |1y|
u tu1u ∗ t|1v p w1sw p x1vu p {1zu
≥u t|1v ∗ us1u p w1u| p x1vy p z1xw
v us1u ∗ uy1t p w1y| p x1wz p y1|x
≥v uy1t ∗ u{1v p x1zs p z1su p {1vz
w u{1v ∗ vu1u p w1|| p y1vv p {1v{
≥w vu1u ∗ vw1z p z1yw p {1u| p {1{w
x vw1z ∗ v|1w p w1zz p y1s| p {1y|
≥x v|1w ∗ ww1x p z1xx p tt1|w p ty1yu
y ww1x ∗ w|1v p v1yw p x1{w p tt1|t
≥y w|1v ∗ xt1u p v1|s p y1xu p z1||
z xt1u ∗ xv1| p w1x| p y1w| p {1tt
≥z xv1| ∗ xx1w p y1s{ p z1zu p {1{u
{ xx1w ∗ xz1t p x1wu p y1{u p {1su
≥{ xz1t ∗ x{1| p y1uw p {1xz p |1xs
| x{1| ∗ yz1u p w1v{ p x1st p x1yt
≥| yz1u ∗ y{1| p w1xv p z1u{ p |1tu
ts y{1| ∗ zs1z p x1tv p y1tv p z1|x
≥ts zs1z ∗ zu1y p y1ty p y1yu p z1|x
tt zu1y ∗ zv1s p x1{| p x1|t p x1||
≥tt zv1s ∗ zw1| p x1ww p y1tz p z1zw
≠ }黄土 ²¨¶¶~≥ }古土壤 °¤¯ ²¨¶²¯ q
图 t 洛川剖面上部 ∆tv ≤ 曲线与北美冰川 !深海岩芯对比k≥ }南 ~‘}北l
ƒ¬ªqt ≤²°³¤µ¬¶²± ²©·«¨ ∆tv ≤ ¦∏µ√¨¤°²±ª ²¯¨ ¶¶¬± ∏³³¨µ³¤µ·²©∏²¦«∏¤± ¶¨¦·¬²±oª¯¤¦¬¨µ √¨ ±¨·¶
²©‘²µ·« „° µ¨¬¦¤± ¤±§·«¨ ¦²µ¬±ª¬± §¨ ³¨¶¨¤k≥ }≥²∏·«~‘}‘²µ·«l
再称此样 zss ∗ {ss °ªo放入石英样品管 o
加入 ≤∏’与 „ª各 uss °ªo抽气至 tsp v × µ¨µ
的真空状态 o在 {xs ε 下反应 v «o用液氮
分离出 ≤’u o作质谱分析 ∀分析工作在澳
大利亚阿德莱德大学地质与地球物理系同
位素实验室完成 ∀采用 Œ≤• ’„≥≥ p yvs
型质谱仪 o仪器分析误差  s1sx ϕ o重复样
品的 ∆tv ≤值误差  t1x ϕ ∀
3 结果与分析
v1t 黄土碳同位素与古气候 对采集黄
土样品进行有机碳同位素分析 o分析结果
如表 t ∀全剖面 ∆tv ≤平均值为 p y1u|| ϕ o
最小值在 ≥x 中为 p ty1yu ϕ o最大值在 y
中为 p v1yw ϕ ∀将上部黄土 ≥s ∗ ≥t 碳同位
素数据绘成曲线 o它是一条分辨率较高的
气候曲线k图 tl o所有的 ∆tv ≤ 低值与古土
壤层相对应 o所有的 ∆tv ≤高值都与黄土层
相对应 ∀其与大西洋深海钻孔 ⁄≥⁄°ysz
的氧同位素曲线对比 k刘东升等 ot||u ~
ƒµ¬¨§¯¬ετ αλqot|{y ~°¨ ·¬·ετ αλqot||| ~孙建
中 ot|{xl o可以逐一地在洛川剖面 ∆tv ≤曲线上找到相应的冰期旋回 ∀洛川剖面上部∆tv ≤曲线可以与北美冰
川 !深海岩芯相比 ∀∆tv ≤曲线与海洋氧同位素曲线总体趋势相同 o但有些小的差异 o即前者具有非等振幅
xvt 第 {期 卢玉东等 }利用黄土中碳同位素推断古植被类型
图 u 洛川黄土剖面上部孢粉浓度图式
ƒ¬ªqu °²¯¯¨ ±2¶³²µ¨ ¦²±¦¨±·µ¤·¬²± §¬¤ªµ¤° ²© ²¯¨ ¶¶¬±
·«¨ ∏³³¨µ³¤µ·²©∏²¦«∏¤± ¶¨¦·¬²±
性 o峰谷高低深浅参差不齐 o而不像深海氧同位素
那样具有大体的等振幅特征 ∀这或许正好反映了
大陆气候的特点 o∆tv ≤曲线主要反映了气候要素的
湿度k降水量l特征 ∀另外 o∆tv ≤曲线与北美大湖圣
劳伦斯区冰川进退相对比 o可以找出对应的冰期旋
回 ∀其中 o与黄土相对应的偶数阶段是冰期 o与古
土壤相对应的奇数阶段的高峰是间冰期 o于是一个
偶数阶段的一个奇数阶段便组成了一个冰期旋回 ∀
这表明黄土高原的气候变化节奏与全球气候变化
是一致的 o黄土地层中的 ∆ tv ≤ 是比较好的气候替
代性指标 o进而可以指示古植被类型的变化 ∀
v1u 黄土 ∆ tv ≤ 与古植被 黄土中碳同位素组成
与植被类型有关k孙建中 oussxl ∀按照光合作用固
碳的途径不同 o植物被分成 ≤v !≤w和 ≤„ v类 ∀它
们在光合作用过程中对 ≤’u 的不同选择吸附作用
引起同位素分馏 ∀因而具有不同的同位素组成 ∀
≤v植物包括几乎所有的木本植物和部分喜湿凉的
草本植物 o其 ∆ tv ≤ 值为 p uu ϕ ∗ p vw ϕ o以
p uz ϕ ? u ϕ频度最高 ∀ ≤w植物的光合作用效率是
≤v植物的 u倍 o因而 ≤w植物更适合于在缺少 ≤’u
和水环境下生活 ∀ ≤w植物主要为温暖季节生长的
草本 o只有少数的灌木k大戟科 !黎科l属于 ≤w植
物 o其 ∆tv ≤值为 p tu ϕ ∗ p t| ϕ o以 p tv ϕ ? u ϕ频
度最高 ∀ ≤„ 植物只存在于高等植物之中 o主要是
一些耐旱的草本和灌丛植物 o其 ∆tv ≤ 值分布较广 o
为 p tv ϕ ∗ p vx ϕ o平均值为 p tz ϕ ∀
土壤中的 ≤’u 主要来源于植物根系的呼吸作
用和植物残体分解 ∀研究证明 o土壤中 ≤’u 主要集
中在距地面 t °特别是 s1x °范围内 o其与碳酸盐
作用形成 ≤¤≤’v ∀因此 o土壤中大部分 ≤¤≤’v 是当时植被的产物 ∀
以上所得黄土 ∆tv ≤值就是大气 ≤’u 和这种植物按不同比例混合起来的 ∀在 ∆tv ≤ 曲线上 o∆tv ≤ 低值对
应的是 ≤v植物 o所以在古土壤时期 ≤v植物较多 ∀根据 ≤¨¯ ¬¯±ª模型k≤ µ¨¯¬±ªot|{wl计算结果 o洛川剖面 ≥x 的
≤v植物占生物量的 zs h ∗ {s h ∀这些 ≤v植物中则很可能一部分是木本植物 ∀
应用柯曼红kt||wl提出的黄土孢粉分析方法 o得到了洛川黄土剖面上部孢粉图示k图 ul ∀从图 u可以看
出 o≥t 中有 v个木本花粉含量的高峰 o木本花粉浓度达 z ∗ tx粒#ªpt o植被应属阔叶树森林草原或疏林草原 ∀
在古土壤 ≥u 中 o木本花粉浓度达 | ∗ uu粒#ªpt o以云杉或松为主 o植被应属针叶树森林草原 ∀在全新世发育
的古土壤 ≥s 中 o乔木花粉浓度达 | ∗ uu粒#ªpt o植被亦为疏林草原 ∀
根据末次冰期 ∆tv ≤曲线与孢粉资料的对比 o可以做出以下的推断 }≥x 层上的 ∆tv ≤平均值达 tt1|w ϕ o当
时植被很可能为森林 ∀≥s !≥t !≥w !≥{ !≥| 等古土壤层的 ∆tv ≤ 值相对较低 o其值为 p x1{x ϕ ∗ p ts1ss ϕ o植被
为森林草原 ∀≥u !≥v !≥y !≥z 等古土壤层 ∆tv ≤值为 p {1zu ϕ ∗ p y1|x ϕ o其植被可能为草原 ∀{ !| 的 ∆tv ≤ 为
p v1z ϕ ∗ p u1uz ϕ o是一些极冷的冰期 o其植被为干草原或荒漠草原 ∀
4 结论与讨论
洛川黄土剖面 ∆tv ≤曲线可与深海氧同位素曲线进行对比 o但在振幅上却不相同 o这说明在不同气候条
yvt 林 业 科 学 wv卷
件下生物量不同 o生物种类也不相同 o碳的分馏程度不同 ∀≥x 古土壤层中 ∆tv ≤值为采样剖面上极低值 o∆tv ≤
值达 p ty1yu ϕ o处于最湿润和温暖的间冰期 o当时植被可能属于森林 ∀在 ≥s !≥t !≥w !≥{ !≥| 等古土壤层上形
成了一些较高的峰 o∆tv ≤为 p {1{w ϕ ∗ p ts1|| ϕ o对应相当湿热的间冰期 ∀在 { !| 等黄土层上有几个∆tv ≤
的低值 o它处于下粉砂层 o说明当时气候极其干冷 o属于干草原或荒漠草原 ∀t !v !x !y 等为较寒冷的冰
期 ∀
由于人类大面积的长期开垦种植 o黄土高原的天然植被大多已被破坏 o原来是什么植被已难以探究 ∀史
念海kusstl根据古代文献记载认为黄土高原大部分地区在历史上曾经生长着茂密的森林 ∀朱志诚kt||wl根
据残存的天然植被认为秦岭到延安之间为阔叶林带 o延安到榆林之间为森林草原 o榆林之北为草原带 ∀林本
海等kt||ul根据有机质与 ∆tv ≤ 值将蓝田段家坡古土壤及黄土形成时的植被判定为草原 ∀刘卫国等kussul
最近对黄土和古土壤有机碳同位素的研究结果也认为黄土高原面上从来未出现森林而生长草原 ∀然而 o无
论是段家坡剖面 !刘家坡剖面 o还是洛川剖面的孢粉分析以及土壤学的研究k赵景波 ot|{wl o都证明此地黄土
形成时植被类型是草原或森林草原 o而古土壤形成时植被为落叶阔叶林 ∀毕竟孢粉是植物体直接的残留 o可
信度较高 ∀
黄土高原地区的植被必须放在时间与空间的框架中去观察 ∀由碳同位素和孢粉分析实验研究来看 o在
洛川黄土塬上 tv万年以来 o大部分时间生长着草原或草甸草原 o只在几个短暂的时段内生长过森林草原或
森林 ∀如何使 ∆tv ≤转化成直接的气候指标 o及古植被类型信息定量化将是未来研究的重点 ∀
参 考 文 献
顾兆炎 qt||t1黄土 p古土壤序列碳酸盐同位素组成与古气候变化 q科学通报 ovyktsl }zyz p zzs
柯曼红 qt||w1 黄土孢粉分析方法研究 q植物学报 ovykul }tww p twz
林本海 o刘荣漠 qt||u1 最近 {ssŽ¤黄土高原夏季风变迁的稳定同位素证据 q科学通报 ot{ktl }ty|t p ty|v
刘东升 o丁仲礼 qt||u1 二百五十万年来季风环境与大陆冰量变化的阶段性耦合过程 q第四纪研究 otuktl }xu p xx
刘卫国 o宁有丰 o安芷生 o等 qussu1 黄土高原现代土壤和古土壤有机碳同位素对植被的影响 q中国科学 }⁄辑 ovuktsl }{vs p {vy
卢玉东 o孙建中 o李同录 qussx1 根据黄土中碳同位素来半定量地重建古温度的尝试 q海洋地质与第四纪地质 ouxkvl }vx p vz
史念海 qusst1黄土高原历史的地理研究 q郑州 }黄河水利出版社 owv p uvu
孙建中 qussx1黄土学 q香港 }香港考古学会出版社 ovsw p vwt
孙建中 qt|{x1 中国北方末次古气候旋回气温曲线的初步恢复 q冰川冻土 ozkwl }vtz p vuu
谭桂声 o林本海 o刘荣漠 o等 qt||u1 洛川黄土剖面钙质结核碳同位素组成的初步研究 q西北大学学报 ouuk增刊l }zv p z|
张虎才 o张林源 o张维信 qt||s1 兰州九洲台黄土剖面碳 !氧同位素及黄土沉积研究 q兰州大学学报 }自然科学版 ouykvl }ttz p tuy
张柳明 o徐永昌 qt||u1 中国西北地区大气 ≤’u 浓度及其碳 !氧同位素组成特征 q科学通报 ovzkxl }wwt p www
赵景波 qt|{w1西安附近黄土中红褐色古土壤发育的植被与气候 q科学通报 otskzl }wtz p wt|
朱志诚 qt||w1黄土高原森林草原的基本特征 q地理科学 otwkul }txu p txy
≤ µ¨¯¬±ª× ∞qt|{w1׫¨ ¶·¤¥¯¨¬¶²·²³¬¦¦²°³²¶¬·¬²± ²© °²§¨µ± ¶²¬¯ ¦¤µ¥²±¤·¨ ¤±§¬·¶µ¨ ¤¯·¬²±¶«¬³·² ¦¯¬°¤·¨ q∞¤µ·« °¯¤±¨ ·≥¦¬¨±¦¨ ¨·¨µ¶ozt }uu| p uws
ƒµ¬¨§¯¬‹ o²¨·¶¦«¨µ‹ o’ ¶¨¦«ª¨µ‹ o ετ αλqt|{y1Œ¦¨ ¦²µ¨ µ¨¦²µ§²©·«¨ tv ≤Πtu ≤ µ¤·¬²²©¤·°²¶³«¨µ¬¦≤’u ¬±·«¨ ³¤¶··º² ¦¨±·∏µ¬¨¶q‘¤·∏µ¨ ovuw }uvz p uv{
ƒµ¤®¨ ¶ „ o ≥∏±   q t||w1„ ¦¤µ¥²± ¬¶²·²³¨ µ¨¦²µ§ ²© ·«¨ ∏³³¨µ ≤«¬±¨ ¶¨ ²¯¨ ¶¶ ¶¨ ∏´¨ ±¦¨ } ∞¶·¬°¤·¨¶ ²© ³¯¤±··¼³¨¶ §∏µ¬±ª ¶·¤§¬¤¯¶ ¤±§ ¬±·¨µ¶·¤§¬¤¯¶q
°¤¯¤¨ ²ª¨²ªµ¤³«¼o°¤¯¤¨ ²¦¯¬°¤·²¯²ª¼o°¤¯¤¨ ²¨ ¦²¯²ª¼ots{ }t{v p t{|
°¨ ·¬· • o²∏½¨ ¯o•¤¼±¤∏§⁄o ετ αλqt|||1≤ ¬¯°¤·¨ ¤±§¤·°²¶³«¨µ¬¦«¬¶·²µ¼ ²©·«¨ ³¤¶·wus osss ¼¨ ¤µ¶©µ²°·«¨ ∂²¶·²®Œ¦¨ ≤²µ¨ o„±·¤µ¦·¬¦¤q‘¤·∏µ¨ ov|| }wu|
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• ¬¯¯¬¤°¶⁄ ƒ o ׫∏±¨ ¯¯ • ≤ o פ³³¤ ∞o ετ αλqt|{{1≤«µ²±²¯²ª¼ ²©·«¨ °¯ ¬¨¶·²¦¨±¨ ²¬¼ª¨ ± ¬¶²·²³¨ µ¨¦²µ§}s p t1{{ ° q¼q …° q °¤¯¤¨ ²ª¨²ªµ°¤¯¤¨ ²¦¯¬°¤·²¯
°¤¯¤¨ ²¨ ¦²¯ oyw }uut p uws
k责任编辑 于静娴l
zvt 第 {期 卢玉东等 }利用黄土中碳同位素推断古植被类型