全有機穩定碳同位素在我國湖泊沉積物研究中的應用

周曉娟

摘 要：有機碳穩定同位素（δ13Corg）是當前我國湖泊沉積物研究中的主要地球化學指標，提供了湖泊沉積物有機質來源、流域植被變化以及古氣候和古環境變化等方面的信息，為我國的湖泊沉積研究提供了一種新的方法和思路。文章總結了穩定碳同位素技術原理，概括了湖泊沉積物有機碳穩定同位素的指示意義及其在我國湖泊沉積研究中的應用。文章重點從湖泊有機質來源辨識、流域植被變化、古氣候和古環境變化研究三個方面概括了有機碳穩定同位素在我國湖泊沉積物研究中的應用現狀，并根據這些研究中存在的不足和問題提出有機碳穩定同位素在湖泊沉積物研究中需要拓展的應用和使用有機碳穩定同位素指標時需注意的事項和改進方法。

關鍵詞：穩定碳同位素；湖泊沉積物；有機質來源；古氣候；古環境

湖泊沉積物研究自興起以來一直受到研究者們的廣泛關注。穩定碳同位素技術作為一種新技術在我國近年來的湖泊沉積研究中備受青睞。湖泊沉積物中的有機碳穩定同位素常被用來指示湖泊系統中有機通量或循環時間的變化，這種指示意義建立在不同的有機質類型的不同有機碳穩定同位素組成的基礎之上[1，2]。雖然有機質在形成沉積物的早期因成巖作用的影響而發生不同程度的改變，但是在成巖作用結束以后，有機質的變化非常小，所以，沉積物有機質的穩定碳同位素（δ13Corg）能夠提供過去環境變化的證據[3，4]，成為古環境研究的有效方法[4，5]。尤其在缺乏自生碳酸鹽的湖泊沉積物研究中，有機碳穩定同位素指標的應用相當廣泛[6]。

1 穩定碳同位素技術原理

自然界中碳元素的兩種同位素（12C和13C）廣泛存在于無機物（如碳酸鹽）和有機物（如纖維素）中。碳元素經同位素分餾作用后重同位素含量比輕同位素含量低，難以用絕對豐度來表示，因此使用碳元素的同位素比率（即相對量）或δ單位（以‰表示）來表示物質中的穩定碳同位素組成。δ13C值的計算公式如下：

δ13C（‰）=[（13C/12C）sample/（13C/12C）standard-1]×1000‰（PDB）[7]

導致植物體內穩定同位素分餾的機理主要包括同位素平衡分餾和同位素動力分餾。植物體內的某一體系形成時，由于碳同位素本身沒有達到平衡狀態，或者是在體系形成時雖然碳同位素本身已經達到了平衡，但是后來外界環境條件發生了變化（如溫度改變、CO2的進入或逸出、蒸騰作用等），導致合成平衡被打破，使體系產生了碳同位素的再平衡，這種過程就屬于碳同位素動力分餾過程。所以，穩定碳同位素記錄了植物體動力分餾階段的外界環境信息。有機碳穩定同位素在植物體內的形成過程是大氣中的CO2通過一系列的物理、生物化學過程和不同的碳同化途徑后碳原子以碳水化合物的形式進入到植物有機組織的過程，植物的光合作用過程就屬于其中之一。由于碳同位素本身的特點、植物種類的特征差異、植物體內組織和器官的差別以及外界環境因子的變化等因素的影響，植物的光合作用對同位素的分餾作用十分復雜[8，9]。迄今為止，科學家們建立了多種以“植物的碳同位素組成是源CO2同位素組成和植物葉子生理過程的函數”為基本觀點的植物碳同位素分餾模型。Farquhar等[10]建立了最具有代表性的C3植物碳同位素分餾模型：C3植物光合作用過程中使用的羧化酶是RuBP酶，其初級產物為三個碳原子的磷酸甘油酸；C4植物光合作用過程中使用的羧化酶是PEP羧化酶，其光合作用初級產物為四個碳原子的酸，這些初級產物在維管束鞘細胞中脫CO2后再經過C3植物光合作用方式合成高級產物；而景天酸代謝型植物使用的是一種更為特殊的光合作用模式，為了適應生存環境，這類植物在白天關閉氣孔以減少水分損失，在夜間吸收CO2實行暗呼吸并合成四個碳原子的蘋果酸，再脫羧基釋放CO2，之后再按照C4植物光合作用途徑合成高級產物。由于景天酸代謝型植物的生境非常特殊，所以在一般的研究中很少考慮景天酸代謝型植物[11]。C3、C4和景天酸代謝型植物在生理過程上的差別導致它們的穩定碳同位素組成具有明顯的差別[12]。C4、C3植物具有明顯不同、互不重疊的穩定碳同位素組成是有機碳穩定同位素在湖泊沉積物研究中得以應用的重要前提。

湖泊沉積物中的有機質大量來自于陸生植物、水生植物和藻類，但是不同植物產生的有機質具有不同的穩定碳同位素組成，經過成巖作用改造后的沉積物有機質變化很小，所以湖泊沉積物有機質的穩定碳同位素組成記錄了原陸生植物、水生植物和藻類的碳同位素組成，因此，湖泊沉積物有機質的穩定碳同位素組成能反映古植被[3]、古氣候[13-16]和古環境[17-19]變化方面的信息，在某些條件下還能反映湖泊沉積物的有機質來源信息[20，21]。

2 湖泊沉積物有機碳穩定同位素的指示意義

在湖泊沉積物有機質來源以內源模式為主的湖泊中，沉積物有機質來源于湖泊內的水生植物和藻類。不同類型的水生植物和藻類進行光合作用時利用的碳源有所不同，因此，其穩定碳同位素組成情況比較復雜且分布范圍差異較大。在沉積物有機質來源以外源為主的湖泊中，沉積物中有機質的穩定碳同位素組成受外源陸生植被的有機質穩定碳同位素組成的限制，所以能間接指示植被變化和古氣候變化歷史，成為良好的古氣候信息載體[24]。因此，湖泊沉積物中的有機碳穩定同位素組成可以指示湖泊沉積物的有機質來源、湖盆植被變化以及流域古氣候和古環境變化，這些指示意義使其被廣泛應用于湖泊沉積物的有機質來源辨識[20-22]、湖泊流域植被[17-19]、古氣候和古環境[13-16]研究中。

3 有機碳穩定同位素在我國湖泊沉積物研究中的應用現狀

湖泊沉積物有機碳穩定同位素分析有以下幾個步驟：首先，用沉積物取樣器獲取湖泊沉積物樣品并進行樣品的前處理；其次，對已完成實驗前處理的沉積物樣品進行有機質的穩定碳同位素測定，以獲得沉積物有機質的穩定碳同位素數據；然后，對沉積物有機質的穩定碳同位素數據進行統計和分析，探討有機碳穩定同位素組成的變化，并探尋導致沉積物有機質的穩定碳同位素組成變化的驅動因子；最后，總結并得出研究結論。

3.1 有機碳穩定同位素在湖泊沉積物有機質來源辨識方面的應用

不同來源的有機質具有不同的穩定碳同位素組成，所以湖泊沉積物有機質的穩定碳同位素組成能用于識別有機質的來源信息。但是，由于湖泊沉積物有機碳穩定同位素分析技術本身具有一定局限性，僅應用湖泊沉積物有機質穩定碳同位素組成難以識別湖泊沉積物有機質的來源，需要將其與其他有機指標（如C/N比值、孢粉等）聯合應用才能實現[25]。

在湖泊沉積物研究中常利用湖泊沉積物的有機碳穩定同位素組成和這些沉積物的C/N比值、孢粉等指標來共同判斷湖泊沉積物有機質的來源信息。例如，王毛蘭等[22]對鄱陽湖表層沉積物樣品和主要入湖河流表層沉積物樣品的有機碳、有機氮、C/N值和δ13C的分析，對鄱陽湖及其主要河流沉積物的有機質來源進行探討。除此之外，吳健[17]、倪兆奎[23]、曾海鰲[26]、盧鳳云[27]、張成君[28]等也應用了湖泊沉積物有機質的有機碳穩定同位素分別對興凱湖[17]、太湖[23，26，27]、野鴨湖[27]、三角城古湖[28]等湖泊進行了沉積物來源分析。近五年來，任雅琴[29]、賴建平[30]、程慶霖[31]、趙寧[32]等還應用了湖泊沉積物有機質的穩定碳同位素指標分別對博斯騰湖[29]、鄱陽湖[30]、滇池[31]和月湖[32]等湖泊進行了沉積物有機質來源的分析和研究。湖泊沉積物有機質的穩定碳同位素指標的應用不僅為湖泊沉積研究和湖泊環境監測提供了重要的技術支持，更為提高研究結論的可靠性提供了重要的參考作用和理論依據。

3.2 湖泊沉積物有機碳穩定同位素在古植被變化研究中的應用

在沉積物有機質來源以外源為主的湖泊中，沉積物有機質的穩定碳同位素組成受外源陸生植被的有機質穩定碳同位素的限制，因此能間接指示植被變化歷史[24]。湖泊沉積物有機質穩定碳同位素在古植被變化研究中的應用是利用湖泊沉積物有機碳同位素組成來判斷與產生有機質的植被類型，并根據湖泊沉積物有機碳同位素組成的變化來判斷流域植被變化。例如劉強等[33]通過對湖光巖瑪珥湖HUG-B孔巖芯的全巖有機碳穩定同位素組成進行分析，并結合有機質含量（TOC）、C/N比值和孢粉等指標進行綜合分析，探討了植被相對生物量的變化及其影響因素。此外，吳健[17]、蒲陽[34]、張振克[35]等也分別對興凱湖[17]、青藏高原東北部湖泊[34]和洱海[35]等湖泊進行了沉積物有機質的穩定碳同位素研究。近五年來，劉嘉麗[36]、楊明生[37]、鐘巍[38]等還應用了湖泊沉積物有機質穩定碳同位素分別對大興安嶺四方山天池[36]、鄱陽湖[37]、巴里坤湖[38]等湖泊進行了流域植被變化的研究。在這些研究中，湖泊沉積物有機質穩定碳同位素為進一步探究流域古植被特征及其變化提供了證據，更為湖泊流域植被變化反映環境演化歷史的研究奠定了基礎。

3.3 湖泊沉積物有機碳穩定同位素在古氣候、古環境研究中的應用

植被對湖泊沉積物有機質的穩定碳同位素組成具有重要的限制作用，所以沉積物中有機質的穩定碳同位素組成間接指示了植被變化，而不同的植被類型所適應的生長環境不同，因此，湖泊沉積物有機質的穩定碳同位素組成能間接指示古氣候和古環境變化，成為了良好的古氣候和古環境變化代用指標[24]。湖泊沉積物有機碳穩定同位素在古氣候、古環境變化研究中的應用是在分析了沉積物中有機質來源的基礎上進行的。在湖泊沉積物中有機質來源以外源輸入為主的湖泊內，沉積物的有機碳穩定同位素組成的變化極有可能反映的是溫度與降水的綜合影響（或有效濕度的變化）。然而，若湖泊沉積物中的有機質來源以內源為主，則要綜合考慮影響浮游生物生長和碳同位素分餾的因素[39]。例如張恩樓等[40]應用了沉積物有機質穩定碳同位素組成（δ13Corg）、TOC和C/N比值等環境代用指標，探討了青海湖沉積物記錄的古環境變化。吳健[17]、劉興起[15]、張振克[35]、郭雪蓮[41]、張成君[42]、吳敬祿[43]等也應用了湖泊沉積物有機質穩定碳同位素分別對興凱湖[17]、青海湖[15，40，41]、洱海[35]、石羊河流域古湖[42]等進行了沉積物研究。近五年來，鐘巍[38]、鄭柏穎[43]、鞏偉明[44]、范佳偉[45]等還應用了湖泊沉積物的有機質穩定碳同位素分別對巴里坤湖[38]、博斯騰湖[43]、湖光巖瑪珥湖[44]、達里湖[45]等湖泊進行了古氣候、古環境變化方面的研究，這些研究對預測氣候變化趨勢具有重要的參考價值。

4 我國湖泊沉積物有機碳穩定同位素研究展望

我國湖泊沉積物有機碳穩定同位素研究比國外起步晚，但發展迅速，取得的成果也逐漸增多。我國已有的湖泊沉積物有機碳穩定同位素研究主要集中于湖泊有機質來源辨識、流域植被變化、古氣候和古環境變化等方面的研究，但對人類活動影響下的湖泊沉積物有機碳穩定同位素反映的湖泊有機污染和湖泊生態環境變化的研究較少。因此，今后的研究過程中可以加強湖泊沉積物有機碳穩定同位素在湖泊有機污染監測和湖泊生態環境變化研究中的應用。同時，由于單一地使用沉積物有機碳穩定同位素來研究湖泊沉積物反映的湖泊有機質來源、流域植被變化和古氣候、古環境變化具有一定的局限性，因此，在實際應用湖泊沉積物有機碳穩定同位素進行湖泊沉積物有機質來源、流域植被變化和古氣候、古環境變化研究過程中，最好能夠結合沉積物樣品的其他物理、化學和生物指標來進行全面地分析，以便提高研究結論的可靠性。

湖泊沉積物有機碳穩定同位素對于湖泊沉積研究意義重大，在未來的湖泊沉積物有機質來源識別、流域植被變化、古氣候與古環境變化以及湖泊有機污染監測和湖泊生態環境變化研究中，有機碳穩定同位素的應用范圍必將更加廣泛，它的應用將在湖泊沉積研究中發揮更大的作用。

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