黄土高原植物叶蜡分子化合物氢同位素与植被类型关系

Since the end of 1990s, compound-specific leaf wax hydrogen isotope (δD) has become a hot topic in the field of geochemistry. By the study of leaf wax hydrogen isotope, palaeoclimatologist have obtained many striking achievements in global climate change studies, in particular the reconstruction of past changes in precipitation amount, precipitation δD, and paleo altitude. However, with the requirement of quantitative reconstruction, more and more researches have paid attention to various factors that can potentially affect leaf wax δD. In 2006, we found that leaf wax δD is different between woody plants and grasses on a global scale for the first time, and this phenomenon was also observed by some other studies latter. Until now, there are still some uncertainties concerning the effect of plant types on leaf wax δD, but this has not draw enough attention from geochemists and palaeoclimatologists, hampering the proper reconstruction of past environmental change and related quantitative studies. Here we will carry out a field observation experiment on leaf wax δD in typical ecological environments in north China. Our aim is to examine the relations between leaf wax δD and various factors such as source water δD, growing seasons, temperature, moisture condition in details, and to explore the mechanisms for the effect of plant types on leaf wax δD. The results of this project will provide reliable geochemical basis for the application of leaf wax δD in paleoclimatic studies.

自上世纪末，有机分子化合物单体氢同位素地球化学研究兴起，并在全球变化领域取得一系列突出的研究成果，特别是在历史时期降水氢同位素和降水量重建、以及古海拔高度变化研究中显示出独特的作用。然而，随着研究程度的深入和定量化重建古环境需要，人们对陆地植物叶蜡氢同位素变化的影响因素给予了更多关注。在2006年，我们在全球首先发现陆地植物中木本和草本植物叶蜡氢同位素组成存在明显差异，随后这个现象也在其他研究中被观察到。到目前为止，植物类型对叶蜡氢同位素影响的不确定性尚未引起同行们的足够认识，这也影响了通过叶蜡氢同位素对环境变化信息的正确解读和定量化研究。本研究拟通过对中国北方典型生态环境下植物叶蜡氢同位素的野外观察实验，详细了解单子叶、双子叶植物叶蜡氢同位素变化与水源氢同位素、生长季节、温度、湿度等因素的关系，认识植物类型对叶蜡氢同位素的影响机制，为氢同位素组成在环境变化示踪研究提供可信的地球化学解释。

有机分子化合物单体氢同位素是古水文重建的重要指标。2006年我们在全球首先提出植被类型（木本vs草本）会影响植物叶蜡氢同位素组成，随后这个现象也在其他研究中被观察到。但植物类型对叶蜡氢同位素影响的不确定性尚未引起同行们的足够认识，这也影响了叶蜡氢同位素在环境示踪研究中的应用。因此，本项目通过对中国北方典型生态环境下植物叶蜡氢同位素的野外观察实验，结合中国大范围内植物叶蜡和土壤水氢同位素的调查，并且将沉积记录的叶蜡氢同位素与石笋氧同位素进行了对比。我们发现：（1）不同类型植物（蒿属、菊科、禾本科）叶蜡氢同位素具有显著差异。同时，土壤水、植物叶蜡和土壤叶蜡氢同位素与降水量有负相关关系，特别是在年平均降水量低的地区氢同位素显著偏正，表明干旱蒸发作用是土壤水和叶蜡氢同位素变化的主要原因。（2）通过叶蜡氢同位素和石笋氧同位素的对比，将14C年代和U-Th年代联系起来，可以有效约束不同历史时期碳库变化带来的年代偏差，和石笋记录相比，16个湖泊泥炭和海洋叶蜡氢同位素记录的极值点的14C年代离散度大且偏离度不等，这可能主要由固定碳库校正引入的年代不确定性造成。（3）随着植物叶蜡有机单体化合物离子流强度的降低，测定的氢同位素值越偏正，离子流强度越低，测定的偏差越大。因此，如果离子流强度大小对测定植物叶蜡氢同位素值的影响不注意的话，将会严重影响叶蜡氢同位素在地球化学和古环境示踪研究中的应用。（4）我国不同纬度的表层土壤水氢同位素组成总体响应大气降水的氢同位素组成，但可能也受其他因素影响。因此，本研究进一步揭示了植物叶蜡氢同位素的影响机制，为氢同位素组成在环境变化示踪研究提供参考。