现生陆生蜗牛壳体碳酸盐的稳定同位素地球化学实验研究

Stable isotope signatures recorded in shells of land snails have been widely used to characterize the information of the paleoenvironment and paleoclimate. However, this reconstructions based on isotopic signatures of snail shells are not straight forward to give a quantitative solution because the multi-factors in environment made the business more complicated. By snail breeding in laboratory, the correlation between the solitary environmental factor and the stable isotope signatures in shells of snail can be drew to interpret the geochemical significance of the shell carbonate quantitatively. In this study, through experimental feeding with the different isotopic composition food and drink water, the isotopic fractionation coefficient between the shell-soft tissue-body liquid-food or water of 3 snail species in different climate can be found out to illuminate during the different physiological snail phase. It is also helpful to understand the how the temperature and humidity of environment impacts the isotopic composition in the snail shells after a series of experiments to control these two factors. And the regular patterns between the environmental temperature or humidity and the stable isotopic ratios of the snail shell, combined the isotopic fractionation difference results from experiment of the shell aragonite phase transformation to calcite, should bring we a foreground to understand the immanent affiliation between the land snail shell and the paleoenvironment. The actualization of this project will provide an effective research method and available experimental data for paleoenvironment and paleoclimate reconstruction from the fossil of land snail shell.

陆生蜗牛壳体是古环境研究的一个重要的信息载体，但环境的复杂性使得碳氧稳定同位素的定量研究成为难题，这一难题能够通过实验室饲养的方法得到有效解决，从而达到定量化研究目的。本项目拟对3种典型气候类型下现生蜗牛进行稳定同位素地球化学的系统研究，通过控制食物和饮用水，探明稳定同位素在壳体-软体组织-体液-食物（饮用水）间的分馏关系，得到蜗牛各生理阶段的分馏系数；通过控制环境中温度和湿度，分别考察湿度和温度对壳体δ18O值的影响，阐明现生蜗牛壳体δ18O值随着温度、湿度变化的规律以及不同气候类型下蜗牛壳体对环境变化响应的差异性；结合壳体文石的矿物相变实验，查明蜗牛文石与方解石之间稳定同位素的分馏值，进一步探讨蜗牛化石稳定同位素信息与古环境的内在联系。本项目的开展将蜗牛壳体环境重建研究提高到实验室定量化水平，为利用陆生蜗牛化石同位素定量重建古环境奠定重要的研究方法基础、提供翔实可靠的实验数据。

蜗牛是典型的生物成矿例子，在其生长过程中，壳体记录了外界的环境信息，对其进行系统的研究有助于我们理解其对环境的响应和矿化方面的具体过程。本项目基于控制变量法原理，通过室内蜗牛饲养实验，探究控制蜗牛壳体碳氧同位素组成的主导环境因素，结果表明：蜗牛壳体δ13C值主要受所吃食物的δ13C值的影响，温度和外加碳酸盐的影响几乎可以忽略；壳体δ18O主要取决于环境水的δ18O值，同时食物中的水分会对蜗牛壳体δ18O值产生一定的影响，而温度因素在较小范围内对壳体δ18O的影响不明显。通过对东亚季风区域三种主要蜗牛种属碳同位素组成特征的分析，证实了蜗牛壳体δ13C值在指示东亚季风变化上的可靠性，并得到壳体δ13C值与年均温度（MAT）和年均降雨量（MAP）的拟合方程如下：13Cshell = – 0.199(±0.073)MAT – 0.001(±0.001)MAP – 7.981(±0.73)（R²=0.69; p<0.001）。同时不同种属在响应气候变化的有效性上存在差异，Acusta ravida（中南部种）和Bradybaena similaris（南方种）的壳体δ13C值与MAP和MAT均呈现显著的相关性，而北方种Cathaica fasciola仅与温度呈现较弱的相关性，与降雨量不存在相关性。造成不同种属蜗牛在响应气候上的差异是因为种属之间存在不同的碳酸盐效应（北方种比南方种蜗牛摄入了更多的土壤碳酸盐）和不同的生理生态特征（例如蜗牛活动时间的长短、代谢速率上的差异）。通过对蜗牛壳体的高温矿物相转化实验研究，查明蜗牛文石向方解石转变是单矿物颗粒的矿物相转变；证实文石向方解石转变过程中存在与大气CO2的交换的现象，从而导致矿物的碳氧同位素组成的负偏，为利用化石蜗牛提供重要的理论数据。本项目将蜗牛壳体环境重建研究提高到实验室定量化水平，同时为以后利用东亚季风区的蜗牛化石壳体稳定同位素组成进行气候重建提供了重要的研究方法和理论依据。