塔里木盆地西南緣表土碳同位素組成特征分析

琚 立， 冉 敏， 楊運(yùn)鵬， 王 馨

（1.河南大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004；2.河南大學(xué)環(huán)境規(guī)劃國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，河南 開(kāi)封 475004；3.河南大學(xué)地球系統(tǒng)觀測(cè)與建模河南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 開(kāi)封 475004）

古氣候研究在了解現(xiàn)代氣候背景和預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化工作中起到了重要作用，其主要研究途徑是通過(guò)一些氣候代用指標(biāo)來(lái)對(duì)古氣候進(jìn)行定性或者（半）定量重建［1-2］?，F(xiàn)已開(kāi)展的古氣候研究代用指標(biāo)主要包括粒度、磁化率、碳同位素、孢粉和生物地球化學(xué)指標(biāo)等［3-10］，沉積物有機(jī)碳同位素是其中一項(xiàng)極其重要的代用指標(biāo)，已廣泛應(yīng)用于古氣候和古植被重建［11-15］。植物生理學(xué)研究表明，植物不同的光合作用途徑導(dǎo)致C3植物和C4植物之間的有機(jī)碳同位素值（δ13Corg）具有不同的分布范圍。C3植物δ13Corg的范圍通常在-22‰～-34‰，平均值約為-27‰；C4植物δ13Corg的范圍通常在-9‰～-17‰，平均值約為-13‰［16-18］。對(duì)現(xiàn)代植物的研究顯示，C3植物在低溫、濕潤(rùn)以及高CO2濃度的環(huán)境中有生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)；而C4植物則更適宜在高溫、干旱以及低CO2濃度的環(huán)境中生長(zhǎng)［19］。因此通過(guò)分析沉積物中有機(jī)質(zhì)碳同位素組成就可以反演當(dāng)時(shí)植被組成并進(jìn)一步重建古氣候變化。雖然有機(jī)碳同位素在古氣候研究中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但不同區(qū)域有機(jī)碳同位素與氣候因子之間的相關(guān)性可能存在差異，仍然需要通過(guò)進(jìn)行土壤有機(jī)碳同位素與現(xiàn)代氣候因子之間的研究來(lái)驗(yàn)證從不同區(qū)域沉積物有機(jī)碳同位素中提取的古氣候和古植被信息的可靠性。

目前，已有不少學(xué)者對(duì)土壤中有機(jī)碳同位素和現(xiàn)代氣候因子之間的相關(guān)性關(guān)系展開(kāi)了研究。Rao等［20］通過(guò)分析全球不同地區(qū)的表土有機(jī)碳同位素得出，氣溫是決定C3/C4植物相對(duì)豐度的主要?dú)夂蛞蛩?。Stevenson 等［21］對(duì)美國(guó)華盛頓州帕盧斯地區(qū)的土壤有機(jī)碳同位素與年均降水量之間的關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果顯示二者呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。在對(duì)歐亞大陸的研究中，F(xiàn)eng等［11］采集了蒙古高原南北斷面196 個(gè)表層土壤樣品，通過(guò)分析其有機(jī)碳同位素組成，建立了有機(jī)碳同位素與氣候因子之間的線性回歸方程，結(jié)果表明蒙古高原表土δ13Corg與年平均降水量呈明顯的負(fù)相關(guān)。在中國(guó)的研究范圍內(nèi)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)中國(guó)北方干旱半干旱區(qū)、中國(guó)東部以及青藏高原等地區(qū)進(jìn)行了研究工作［22-25］?？傮w來(lái)講，在中國(guó)北部和南部，與降水相比表土有機(jī)碳同位素變化與氣溫之間的關(guān)系更為緊密，但相關(guān)性卻相反：即中國(guó)北部與年均氣溫呈正相關(guān)，而南部呈負(fù)相關(guān)［24］。在對(duì)中亞干旱區(qū)的研究中，Wang 等［26］通過(guò)對(duì)伊朗北部44 個(gè)表土樣品進(jìn)行分析得出，表土δ13Corg與年均降水量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，認(rèn)為降水是控制該地區(qū)表土δ13Corg變化的主要?dú)夂蛞蛩?。Zhang等［24］認(rèn)為新疆北部地區(qū)全新世δ13Corg的偏負(fù)是由氣溫降低和降水量增加所引起的。Rao等［27］則認(rèn)為新疆阿勒泰地區(qū)δ13Corg變化主要受氣溫控制且二者呈正相關(guān)關(guān)系。上述研究顯示不同地區(qū)有機(jī)質(zhì)碳同位素與氣候因子之間的相關(guān)性存在明顯的差異，因此中亞干旱區(qū)表土有機(jī)碳同位素與氣候因子之間的相關(guān)性分析研究還需要在更多的區(qū)域開(kāi)展，以期進(jìn)一步厘清研究區(qū)有機(jī)碳同位素組成特征及其潛在的氣候意義。本文將對(duì)帕米爾地區(qū)和策勒地區(qū)表土δ13Corg的組成特征展開(kāi)研究，并對(duì)上述兩地表土δ13Corg變化與氣候因子之間的相關(guān)性關(guān)系進(jìn)行分析。

本文采集并分析了新疆帕米爾地區(qū)（n=30）和策勒地區(qū)（n=20）的表層土壤碳同位素組成特征，并進(jìn)一步分析了這2 個(gè)地區(qū)表層土壤的δ13Corg與該地區(qū)的海拔、年均氣溫（MAT）、暖季氣溫（WST）、冷季氣溫（CST）、年均降水量（MAP）、暖季降水量（WSP）、冷季降水量（CSP）之間的關(guān)系，為研究區(qū)古氣候的研究工作提供基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

塔里木盆地西緣與帕米爾高原相連（圖1a）（73°40′～96°18′E，34°25′～40°10′N）。帕米爾高原橫跨中國(guó)新疆西南、阿富汗東北和塔吉克斯坦東南，位于中國(guó)境內(nèi)的區(qū)域主要是其東部［28］，大致位于克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃莺涂κ驳貐^(qū)境內(nèi)（圖1b）。帕米爾高原的氣候類型屬于嚴(yán)寒的大陸性高山氣候，尤以東帕米爾高原的大陸性更為顯著。東帕米爾高原年均氣溫為1 ℃左右，因有高山阻擋西來(lái)的濕潤(rùn)氣流，導(dǎo)致其年均降水量?jī)H為75～100 mm。

和田地區(qū)的策勒縣位于塔里木盆地南緣（圖1a）（80°03′～82°10′E，35°18′～39°30′N）。策勒縣南接昆侖山脈，北與塔克拉瑪干沙漠接壤，整體地勢(shì)南高北低（圖1c），屬于大陸型極端干旱荒漠氣候［29］。1981—2010年策勒縣年均氣溫12.2 ℃，年均降水量為43.5 mm，暖季月均降水量為6.2 mm。

圖1 采樣點(diǎn)海拔梯度Fig.1 Elevation gradient of sampling sites

資料顯示，帕米爾地區(qū)和策勒地區(qū)的降水量相差較大，且補(bǔ)給水源也存在差異，帕米爾地區(qū)主要為冰川融水，策勒地區(qū)主要為自然降水補(bǔ)給。此外，兩地的植被也有所差別，帕米爾地區(qū)植被呈垂直分帶生長(zhǎng)，植被類型有草甸（3500 m 以下）、荒漠植被（3500～4500 m）、高寒草原植被（4000 m以上）、高山稀疏植被（4500 m以上）［30］，而策勒地區(qū)則主要為以鹽生草為優(yōu)勢(shì)種的荒漠植被［31］。帕米爾地區(qū)和策勒地區(qū)均為生態(tài)環(huán)境較為脆弱的區(qū)域，氣候易受到影響，而目前對(duì)兩地的氣候研究卻存在缺失?；谏鲜鲆蛩?，選擇在此區(qū)域開(kāi)展研究工作。

2 材料與方法

本次表土樣品采集工作完成于2021年7月，具體采樣過(guò)程為：選擇采樣地附近砂礫較少的土樣，用鐵鏟鏟取表層深度為5 cm 的土壤500 g，將采集到的樣品裝入自封袋后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室并在低溫下保存以備實(shí)驗(yàn)分析。所有表土樣品在室溫下干燥研磨后過(guò)200目篩，用濃度為6%的鹽酸去除掉樣品中的無(wú)機(jī)碳酸鹽，再用去離子水將樣品洗至中性，后將樣品在室溫下進(jìn)行干燥，取9～11 mg 干燥后的樣品用錫箔舟密封后準(zhǔn)備進(jìn)行碳同位素檢測(cè)［11,26,32］。有機(jī)碳同位素的測(cè)量在河南大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院氣候與環(huán)境變化實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。所使用的儀器為美國(guó)Thermo Fisher 公司生產(chǎn)的型號(hào)為MAT 253 的氣體穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀。具體原理為：將樣品中的有機(jī)碳經(jīng)高溫煅燒后轉(zhuǎn)化成CO2氣體，再將經(jīng)離子源離子化后的氣體在磁場(chǎng)的作用下進(jìn)行分離，最后用接收器采集數(shù)據(jù)，從而測(cè)定樣品的不同質(zhì)量數(shù)碳原子同位素相對(duì)含量。在測(cè)量過(guò)程中，采取每6 個(gè)樣品中插入1～2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品的測(cè)量方式來(lái)避免誤差。該儀器的測(cè)量誤差在±0.2‰以內(nèi)。

文中所有表土采樣點(diǎn)的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)均來(lái)自網(wǎng)站http://www.worldclim.org/。通過(guò)ArcGIS 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，所采用的數(shù)據(jù)為累年月均值數(shù)據(jù)，時(shí)間范圍為1970—2000 年，分辨率為10 min。文中所述暖季為4—9月，冷季為12月—次年2月。

3 結(jié)果與分析

3.1 表土δ13Corg組成特征

圖2 是帕米爾地區(qū)和策勒地區(qū)表土δ13Corg分布圖。由圖2a及表1可以看出，帕米爾地區(qū)表土δ13Corg的范圍主要分布在-25.722‰～-20.415‰，平均值為-23.969‰。頻率最高值在-25.5‰～-23.5‰附近，占總數(shù)比70%。策勒地區(qū)表土δ13Corg主要分布在-26.525‰～-23.644‰，平均值為-24.767‰（表1）。頻率最高的值出現(xiàn)在-25‰～-24‰附近，占總數(shù)比65%（圖2b）。由此可以看出，在帕米爾地區(qū)，僅有2 個(gè)樣點(diǎn)的表土δ13Corg大于-22‰，表明該區(qū)域的植被類型以C3植物為主。而在策勒地區(qū)，所采集的20個(gè)樣點(diǎn)的表土δ13Corg均小于-22‰，這表明策勒地區(qū)的植被類型也幾乎全部為C3植物。

表1 采樣點(diǎn)海拔和表土δ13Corg統(tǒng)計(jì)值Tab.1 Statistical value of elevation and surface soil δ13Corg of sampling sites

圖2 表土δ13Corg組成Fig.2 Composition of surface soil δ13Corg

3.2 表土δ13Corg與海拔的相關(guān)性分析

圖3顯示了帕米爾地區(qū)和策勒地區(qū)表土δ13Corg與海拔關(guān)系。從圖3a 可以看出帕米爾地區(qū)表土δ13Corg與海拔之間相關(guān)性顯著（r=-0.494，P＜0.01），表土δ13Corg隨海拔的升高而偏負(fù)。帕米爾地區(qū)表土δ13Corg與海拔之間的相關(guān)關(guān)系可表示為：y=-5.96×10-4x-22.25（圖3a）。從圖3b可以看出策勒地區(qū)表土δ13Corg與海拔之間相關(guān)性顯著（r=0.732，P＜0.01），表土δ13Corg隨海拔的升高而偏正。策勒地區(qū)表土δ13Corg與海拔之間的關(guān)系可表示為：y=1.15×10-3x-27.53（圖3b）。

圖3 表土δ13Corg與海拔關(guān)系Fig.3 Relationship between surface soil δ13Corg and altitude

3.3 表土δ13Corg與氣溫的相關(guān)性分析

圖4 顯示了帕米爾地區(qū)30 個(gè)表層土壤和策勒地區(qū)20 個(gè)表層土壤的δ13Corg與氣溫參數(shù)（MAT、WST、CST）的相關(guān)性分析結(jié)果。從圖4a 和圖4b 中可以看出，帕米爾地區(qū)表土δ13Corg和MAT 呈顯著正相關(guān)關(guān)系（y=0.12x-24.04，n=30，r=0.594，P＜0.01），策勒地區(qū)表土δ13Corg和MAT 呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（y=-0.14x-23.82，n=20，r=-0.675，P＜0.01）。從圖4c和圖4d 中可以看出，帕米爾地區(qū)表土δ13Corg和WST呈顯著正相關(guān)關(guān)系（y=0.11x-24.97，n=30，r=0.593，P＜0.01），策勒地區(qū)表土δ13Corg與WST 呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（y=-0.12x-22.92，n=20，r=-0.684，P＜0.01）。圖4e 和圖4f 顯示了帕米爾地區(qū)和策勒地區(qū)表土δ13Corg與CST 的關(guān)系，帕米爾地區(qū)表土δ13Corg與CST 呈顯著正相關(guān)關(guān)系（y=0.15x-22.11，n=30，r=0.598，P＜0.01），策勒地區(qū)表土δ13Corg與CST 呈顯著負(fù)相關(guān)（y=-0.18x-25.93，n=20，r=-0.646，P＜0.01）。

圖4 表土δ13Corg與氣溫關(guān)系Fig.4 Relationship between surface soil δ13Corg and temperature

從上述分析可以看出，帕米爾地區(qū)和策勒地區(qū)表土δ13Corg與該地區(qū)氣溫的相關(guān)性均較為顯著，帕米爾地區(qū)表土δ13Corg與CST的相關(guān)性最好（r=0.598），策勒地區(qū)表土δ13Corg與WST的相關(guān)性最好（r=-0.684）。策勒地區(qū)的相關(guān)性均好于帕米爾地區(qū)，兩地表土δ13Corg的變化受氣溫影響較為明顯。

3.4 表土δ13Corg與降水量的相關(guān)性分析

圖5顯示了帕米爾地區(qū)和策勒地區(qū)的表土δ13Corg與降水量的關(guān)系。由圖5a和圖5b可以看出，帕米爾地區(qū)表土δ13Corg和MAP 呈不顯著負(fù)相關(guān)（y=-8.2×10-3x-23.15，n=30，r=-0.145，P＞0.05），策勒地區(qū)表土δ13Corg和MAP 呈弱負(fù)相關(guān)關(guān)系（y=-0.18x-18.8，n=20，r=-0.485，P＜0.05）。圖5c和圖5d顯示了帕米爾地區(qū)和策勒地區(qū)表土δ13Corg與WSP的關(guān)系，帕米爾地區(qū)表土δ13Corg與WSP呈不顯著負(fù)相關(guān)（y=-0.02x-22.49，n=30，r=-0.230，P＞0.05），策勒地區(qū)表土δ13Corg與WSP 呈 弱 正 相 關(guān) 關(guān) 系（y=0.11x-27.05，n=20，r=0.483，P＜0.05）。圖5e和圖5f為帕米爾地區(qū)和策勒地區(qū)表土δ13Corg與CSP的關(guān)系，帕米爾地區(qū)表土δ13Corg與CSP呈不顯著正相關(guān)（y=0.05x-24.31，n=30，r=0.127，P＞0.05），策勒地區(qū)表土δ13Corg與CSP 呈顯著負(fù)相關(guān)（y=-0.34x-24.22，n=20，r=-0.632，P＜0.01）。

圖5 表土δ13Corg與降水量關(guān)系Fig.5 Relationship between surface soil δ13Corg and precipitation

由此分析可以看出，帕米爾地區(qū)表土δ13Corg和降水量之間的相關(guān)度并不顯著，策勒地區(qū)表土δ13Corg與MAP 為弱負(fù)相關(guān)，但與WSP 則為弱正相關(guān)，與CSP又為顯著的負(fù)相關(guān)。分析表明，帕米爾地區(qū)和策勒地區(qū)兩地的表土δ13Corg的變化受降水量影響較小。

4 討論

4.1 海拔對(duì)表土δ13Corg變化的影響

在新疆地區(qū)，水分的可利用性對(duì)植物δ13Corg的影響占主導(dǎo)地位［33］。在帕米爾地區(qū)，隨著海拔的上升，由于氣溫的降低及降水量的增多，導(dǎo)致該地區(qū)的植被呈現(xiàn)出垂直地帶性生長(zhǎng)，并且在高海拔的低溫、濕潤(rùn)環(huán)境下更有利于C3植物的生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致帕米爾地區(qū)的表土δ13Corg隨海拔的升高而偏負(fù)，這與新疆北部和青藏高原東南緣的玉龍雪山是相似的［24,34］。而在策勒地區(qū)，隨著海拔的上升，氣溫也逐漸降低，但降水量并沒(méi)有明顯的增加，且策勒地區(qū)的降水量相較于帕米爾地區(qū)有顯著的減少，導(dǎo)致其表土δ13Corg并沒(méi)有像帕米爾地區(qū)一樣隨著海拔的升高而偏負(fù)，而是隨著海拔的升高而偏正。這表明在策勒地區(qū)的高海拔地區(qū)，干旱的生態(tài)環(huán)境對(duì)C3植物的生長(zhǎng)仍有一定的影響。

4.2 氣溫對(duì)表土δ13Corg變化的影響

氣溫主要通過(guò)以下幾個(gè)方面來(lái)影響δ13Corg的變化：通過(guò)影響光合作用過(guò)程中酶的活性和氣孔導(dǎo)度；空氣和葉片之間的水蒸汽壓變化；植物的暗呼吸；以及蒸發(fā)引起的土壤水分變化［35-36］。這些復(fù)雜的機(jī)制導(dǎo)致δ13Corg與氣溫之間總體呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系［36］。

帕米爾地區(qū)表土δ13Corg與氣溫呈正相關(guān)，這與中國(guó)北部尤其是新疆北部地區(qū)是相似的［24］，并且符合總體的正相關(guān)趨勢(shì)。其原因可能是在氣溫升高的條件下，酶的活性和光合速率增加，CO2的同化速率加快。相關(guān)碳同位素的分餾作用減弱，導(dǎo)致δ13Corg偏正［20,36-38］。與帕米爾地區(qū)不同是，策勒地區(qū)表土δ13Corg與氣溫呈負(fù)相關(guān)，這與中國(guó)南部地區(qū)是相似的［24］。研究認(rèn)為，中國(guó)南部地區(qū)表土δ13Corg與氣溫呈負(fù)相關(guān)的原因可能是由于氣溫持續(xù)升高導(dǎo)致光合酶活性減弱。同時(shí)，為了保持水分供應(yīng)，部分氣孔會(huì)被關(guān)閉，從而降低植物的氣孔導(dǎo)度。氣孔導(dǎo)度降低和酶活性減弱的綜合效應(yīng)導(dǎo)致δ13Corg偏負(fù)［24］，這可能是策勒地區(qū)表土δ13Corg與氣溫呈負(fù)相關(guān)的主要原因。此外，帕米爾地區(qū)和策勒地區(qū)的水源補(bǔ)給也具有較大差異，前者受冰川融水的影響較大，后者主要受降水控制，同時(shí)帕米爾地區(qū)和策勒地區(qū)表土植被也存在明顯差異，這可能是兩地表土δ13Corg組成與氣溫之間相關(guān)性關(guān)系不同的潛在原因。

4.3 降水量對(duì)表土δ13Corg變化的影響

研究證明，在降水量增加的條件下，植物會(huì)逐漸打開(kāi)氣孔，氣孔的傳導(dǎo)性增加，從而導(dǎo)致δ13Corg偏負(fù)［39］。在帕米爾地區(qū)，原因可能是表土δ13Corg與降水的相關(guān)性不顯著。受控于溫度的冰川融水對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生較大影響。在策勒地區(qū)，表土δ13Corg與CSP 呈現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與先前的研究結(jié)果是一致的［11,21,26］。

通過(guò)對(duì)比帕米爾地區(qū)和策勒地區(qū)兩地表土δ13Corg與氣溫、降水量之間的相關(guān)性可以看出，兩地表土δ13Corg均與氣溫的相關(guān)性較為顯著，而與降水量的相關(guān)性則相對(duì)微弱?？紤]到兩地的氣溫和降水量數(shù)據(jù)，分析認(rèn)為，兩地表土δ13Corg與降水量相關(guān)性較差的原因可能是受該地區(qū)降水較少而引起的。帕米爾地區(qū)和策勒地區(qū)的年降水量均低于80 mm，屬于極端干旱地區(qū)，極少的降水可能導(dǎo)致兩地表土δ13Corg的變化受降水的影響較小，從而使得氣溫成為兩地表土δ13Corg變化的主要影響因素。

5 結(jié)論

（1）表土δ13Corg與海拔之間相關(guān)性分析顯示：帕米爾地區(qū)表土δ13Corg隨海拔的升高而偏負(fù)，策勒地區(qū)表土δ13Corg隨海拔升高而偏正；表土δ13Corg與氣溫之間相關(guān)性分析顯示：帕米爾地區(qū)和策勒地區(qū)兩地表土δ13Corg變化均主要受氣溫控制，但其與氣溫的相關(guān)性關(guān)系相反，即帕米爾地區(qū)表土δ13Corg與氣溫呈正相關(guān)，策勒地區(qū)表土δ13Corg與氣溫呈負(fù)相關(guān)；表土δ13Corg與降水量之間相關(guān)性分析顯示：帕米爾地區(qū)表土δ13Corg的變化受降水影響較小，而策勒表地區(qū)土δ13Corg與降水有一定的相關(guān)性，與MAP 為弱負(fù)相關(guān)，與WSP 為弱正相關(guān)，與CSP為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（2）在帕米爾地區(qū)和策勒地區(qū)，降水量的不同導(dǎo)致兩地表土δ13Corg與海拔之間的相關(guān)性存在差異；受冰川融水以及兩地植被類型差異的影響，帕米爾地區(qū)和策勒地區(qū)表土δ13Corg與氣溫之間的相關(guān)性存在差異；冰川融水以及極少的降水量導(dǎo)致兩地表土δ13Corg與降水之間的相關(guān)性不顯著。

（3）從研究結(jié)果可以看出，本文研究的2 個(gè)地區(qū)表土δ13Corg與氣候因子之間的相關(guān)性存在明顯差異。表明在實(shí)際研究過(guò)程中，基于δ13Corg與氣候參數(shù)之間的相關(guān)性應(yīng)用到古氣候研究中時(shí)，務(wù)必要注意其區(qū)域差異性和地理有效性。