全有机稳定碳同位素在我国湖泊沉积物研究中的应用

周晓娟

摘 要：有机碳稳定同位素（δ13Corg）是当前我国湖泊沉积物研究中的主要地球化学指标，提供了湖泊沉积物有机质来源、流域植被变化以及古气候和古环境变化等方面的信息，为我国的湖泊沉积研究提供了一种新的方法和思路。文章总结了稳定碳同位素技术原理，概括了湖泊沉积物有机碳穩定同位素的指示意义及其在我国湖泊沉积研究中的应用。文章重点从湖泊有机质来源辨识、流域植被变化、古气候和古环境变化研究三个方面概括了有机碳稳定同位素在我国湖泊沉积物研究中的应用现状，并根据这些研究中存在的不足和问题提出有机碳稳定同位素在湖泊沉积物研究中需要拓展的应用和使用有机碳稳定同位素指标时需注意的事项和改进方法。

关键词：稳定碳同位素；湖泊沉积物；有机质来源；古气候；古环境

湖泊沉积物研究自兴起以来一直受到研究者们的广泛关注。稳定碳同位素技术作为一种新技术在我国近年来的湖泊沉积研究中备受青睐。湖泊沉积物中的有机碳稳定同位素常被用来指示湖泊系统中有机通量或循环时间的变化，这种指示意义建立在不同的有机质类型的不同有机碳稳定同位素组成的基础之上[1，2]。虽然有机质在形成沉积物的早期因成岩作用的影响而发生不同程度的改变，但是在成岩作用结束以后，有机质的变化非常小，所以，沉积物有机质的稳定碳同位素（δ13Corg）能够提供过去环境变化的证据[3，4]，成为古环境研究的有效方法[4，5]。尤其在缺乏自生碳酸盐的湖泊沉积物研究中，有机碳稳定同位素指标的应用相当广泛[6]。

1 稳定碳同位素技术原理

自然界中碳元素的两种同位素（12C和13C）广泛存在于无机物（如碳酸盐）和有机物（如纤维素）中。碳元素经同位素分馏作用后重同位素含量比轻同位素含量低，难以用绝对丰度来表示，因此使用碳元素的同位素比率（即相对量）或δ单位（以‰表示）来表示物质中的稳定碳同位素组成。δ13C值的计算公式如下：

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

导致植物体内稳定同位素分馏的机理主要包括同位素平衡分馏和同位素动力分馏。植物体内的某一体系形成时，由于碳同位素本身没有达到平衡状态，或者是在体系形成时虽然碳同位素本身已经达到了平衡，但是后来外界环境条件发生了变化（如温度改变、CO2的进入或逸出、蒸腾作用等），导致合成平衡被打破，使体系产生了碳同位素的再平衡，这种过程就属于碳同位素动力分馏过程。所以，稳定碳同位素记录了植物体动力分馏阶段的外界环境信息。有机碳稳定同位素在植物体内的形成过程是大气中的CO2通过一系列的物理、生物化学过程和不同的碳同化途径后碳原子以碳水化合物的形式进入到植物有机组织的过程，植物的光合作用过程就属于其中之一。由于碳同位素本身的特点、植物种类的特征差异、植物体内组织和器官的差别以及外界环境因子的变化等因素的影响，植物的光合作用对同位素的分馏作用十分复杂[8，9]。迄今为止，科学家们建立了多种以“植物的碳同位素组成是源CO2同位素组成和植物叶子生理过程的函数”为基本观点的植物碳同位素分馏模型。Farquhar等[10]建立了最具有代表性的C3植物碳同位素分馏模型：C3植物光合作用过程中使用的羧化酶是RuBP酶，其初级产物为三个碳原子的磷酸甘油酸；C4植物光合作用过程中使用的羧化酶是PEP羧化酶，其光合作用初级产物为四个碳原子的酸，这些初级产物在维管束鞘细胞中脱CO2后再经过C3植物光合作用方式合成高级产物；而景天酸代谢型植物使用的是一种更为特殊的光合作用模式，为了适应生存环境，这类植物在白天关闭气孔以减少水分损失，在夜间吸收CO2实行暗呼吸并合成四个碳原子的苹果酸，再脱羧基释放CO2，之后再按照C4植物光合作用途径合成高级产物。由于景天酸代谢型植物的生境非常特殊，所以在一般的研究中很少考虑景天酸代谢型植物[11]。C3、C4和景天酸代谢型植物在生理过程上的差别导致它们的稳定碳同位素组成具有明显的差别[12]。C4、C3植物具有明显不同、互不重叠的稳定碳同位素组成是有机碳稳定同位素在湖泊沉积物研究中得以应用的重要前提。

湖泊沉积物中的有机质大量来自于陆生植物、水生植物和藻类，但是不同植物产生的有机质具有不同的稳定碳同位素组成，经过成岩作用改造后的沉积物有机质变化很小，所以湖泊沉积物有机质的稳定碳同位素组成记录了原陆生植物、水生植物和藻类的碳同位素组成，因此，湖泊沉积物有机质的稳定碳同位素组成能反映古植被[3]、古气候[13-16]和古环境[17-19]变化方面的信息，在某些条件下还能反映湖泊沉积物的有机质来源信息[20，21]。

2 湖泊沉积物有机碳稳定同位素的指示意义

在湖泊沉积物有机质来源以内源模式为主的湖泊中，沉积物有机质来源于湖泊内的水生植物和藻类。不同类型的水生植物和藻类进行光合作用时利用的碳源有所不同，因此，其稳定碳同位素组成情况比较复杂且分布范围差异较大。在沉积物有机质来源以外源为主的湖泊中，沉积物中有机质的稳定碳同位素组成受外源陆生植被的有机质稳定碳同位素组成的限制，所以能间接指示植被变化和古气候变化历史，成为良好的古气候信息载体[24]。因此，湖泊沉积物中的有机碳稳定同位素组成可以指示湖泊沉积物的有机质来源、湖盆植被变化以及流域古气候和古环境变化，这些指示意义使其被广泛应用于湖泊沉积物的有机质来源辨识[20-22]、湖泊流域植被[17-19]、古气候和古环境[13-16]研究中。

3 有机碳稳定同位素在我国湖泊沉积物研究中的应用现状

湖泊沉积物有机碳稳定同位素分析有以下几个步骤：首先，用沉积物取样器获取湖泊沉积物样品并进行样品的前处理；其次，对已完成实验前处理的沉积物样品进行有机质的稳定碳同位素测定，以获得沉积物有机质的稳定碳同位素数据；然后，对沉积物有机质的稳定碳同位素数据进行统计和分析，探讨有机碳稳定同位素组成的变化，并探寻导致沉积物有机质的稳定碳同位素组成变化的驱动因子；最后，总结并得出研究结论。

3.1 有机碳稳定同位素在湖泊沉积物有机质来源辨识方面的应用

不同来源的有机质具有不同的稳定碳同位素组成，所以湖泊沉积物有机质的稳定碳同位素组成能用于识别有机质的来源信息。但是，由于湖泊沉积物有机碳稳定同位素分析技术本身具有一定局限性，仅应用湖泊沉积物有机质稳定碳同位素组成难以识别湖泊沉积物有机质的来源，需要将其与其他有机指标（如C/N比值、孢粉等）联合应用才能实现[25]。

在湖泊沉积物研究中常利用湖泊沉积物的有机碳稳定同位素组成和这些沉积物的C/N比值、孢粉等指标来共同判断湖泊沉积物有机质的来源信息。例如，王毛兰等[22]对鄱阳湖表层沉积物样品和主要入湖河流表层沉积物样品的有机碳、有机氮、C/N值和δ13C的分析，对鄱阳湖及其主要河流沉积物的有机质来源进行探讨。除此之外，吴健[17]、倪兆奎[23]、曾海鳌[26]、卢凤云[27]、张成君[28]等也应用了湖泊沉积物有机质的有机碳稳定同位素分别对兴凯湖[17]、太湖[23，26，27]、野鸭湖[27]、三角城古湖[28]等湖泊进行了沉积物来源分析。近五年来，任雅琴[29]、赖建平[30]、程庆霖[31]、赵宁[32]等还应用了湖泊沉积物有机质的稳定碳同位素指标分别对博斯腾湖[29]、鄱阳湖[30]、滇池[31]和月湖[32]等湖泊进行了沉积物有机质来源的分析和研究。湖泊沉积物有机质的稳定碳同位素指标的应用不仅为湖泊沉积研究和湖泊环境监测提供了重要的技术支持，更为提高研究结论的可靠性提供了重要的参考作用和理论依据。

3.2 湖泊沉积物有机碳稳定同位素在古植被变化研究中的应用

在沉积物有机质来源以外源为主的湖泊中，沉积物有机质的稳定碳同位素组成受外源陆生植被的有机质稳定碳同位素的限制，因此能间接指示植被变化历史[24]。湖泊沉积物有机质稳定碳同位素在古植被变化研究中的应用是利用湖泊沉积物有机碳同位素组成来判断与产生有机质的植被类型，并根据湖泊沉积物有机碳同位素组成的变化来判断流域植被变化。例如刘强等[33]通过对湖光岩玛珥湖HUG-B孔岩芯的全岩有机碳稳定同位素组成进行分析，并结合有机质含量（TOC）、C/N比值和孢粉等指标进行综合分析，探讨了植被相对生物量的变化及其影响因素。此外，吴健[17]、蒲阳[34]、张振克[35]等也分别对兴凯湖[17]、青藏高原东北部湖泊[34]和洱海[35]等湖泊进行了沉积物有机质的稳定碳同位素研究。近五年来，刘嘉丽[36]、杨明生[37]、钟巍[38]等还应用了湖泊沉积物有机质稳定碳同位素分别对大兴安岭四方山天池[36]、鄱阳湖[37]、巴里坤湖[38]等湖泊进行了流域植被变化的研究。在这些研究中，湖泊沉积物有机质稳定碳同位素为进一步探究流域古植被特征及其变化提供了证据，更为湖泊流域植被变化反映环境演化历史的研究奠定了基础。

3.3 湖泊沉积物有机碳稳定同位素在古气候、古环境研究中的应用

植被对湖泊沉积物有机质的稳定碳同位素组成具有重要的限制作用，所以沉积物中有机质的稳定碳同位素组成间接指示了植被变化，而不同的植被类型所适应的生长环境不同，因此，湖泊沉积物有机质的稳定碳同位素组成能间接指示古气候和古环境变化，成为了良好的古气候和古环境变化代用指标[24]。湖泊沉积物有机碳稳定同位素在古气候、古环境变化研究中的应用是在分析了沉积物中有机质来源的基础上进行的。在湖泊沉积物中有机质来源以外源输入为主的湖泊内，沉积物的有机碳稳定同位素组成的变化极有可能反映的是温度与降水的综合影响（或有效湿度的变化）。然而，若湖泊沉积物中的有机质来源以内源为主，则要综合考虑影响浮游生物生长和碳同位素分馏的因素[39]。例如张恩楼等[40]应用了沉积物有机质稳定碳同位素组成（δ13Corg）、TOC和C/N比值等环境代用指标，探讨了青海湖沉积物记录的古环境变化。吴健[17]、刘兴起[15]、张振克[35]、郭雪莲[41]、张成君[42]、吴敬禄[43]等也应用了湖泊沉积物有机质稳定碳同位素分别对兴凯湖[17]、青海湖[15，40，41]、洱海[35]、石羊河流域古湖[42]等进行了沉积物研究。近五年来，钟巍[38]、郑柏颖[43]、巩伟明[44]、范佳伟[45]等还应用了湖泊沉积物的有机质稳定碳同位素分別对巴里坤湖[38]、博斯腾湖[43]、湖光岩玛珥湖[44]、达里湖[45]等湖泊进行了古气候、古环境变化方面的研究，这些研究对预测气候变化趋势具有重要的参考价值。

4 我国湖泊沉积物有机碳稳定同位素研究展望

我国湖泊沉积物有机碳稳定同位素研究比国外起步晚，但发展迅速，取得的成果也逐渐增多。我国已有的湖泊沉积物有机碳稳定同位素研究主要集中于湖泊有机质来源辨识、流域植被变化、古气候和古环境变化等方面的研究，但对人类活动影响下的湖泊沉积物有机碳稳定同位素反映的湖泊有机污染和湖泊生态环境变化的研究较少。因此，今后的研究过程中可以加强湖泊沉积物有机碳稳定同位素在湖泊有机污染监测和湖泊生态环境变化研究中的应用。同时，由于单一地使用沉积物有机碳稳定同位素来研究湖泊沉积物反映的湖泊有机质来源、流域植被变化和古气候、古环境变化具有一定的局限性，因此，在实际应用湖泊沉积物有机碳稳定同位素进行湖泊沉积物有机质来源、流域植被变化和古气候、古环境变化研究过程中，最好能够结合沉积物样品的其他物理、化学和生物指标来进行全面地分析，以便提高研究结论的可靠性。

湖泊沉积物有机碳稳定同位素对于湖泊沉积研究意义重大，在未来的湖泊沉积物有机质来源识别、流域植被变化、古气候与古环境变化以及湖泊有机污染监测和湖泊生态环境变化研究中，有机碳稳定同位素的应用范围必将更加广泛，它的应用将在湖泊沉积研究中发挥更大的作用。

参考文献

[1]Meyers P A. Organic geochemical proxies of paleoceanographic， paleolimnologic and paleoclimatic processes[J].Organic Geochemistry，1997，27（5-6）：213-250.

[2]Meyers P A， Ishiwatari R. Lacustrine organic geochemistry-an overview of indicators of organic matter sources and diagenesis in lake sediments[J].Organic Geochemistry，1993，20（7）：867-900.

[3]Last， William M. Tracking Environmental Change Using Lake Sediments Physical and Geochemical Methods[M].Kluwer Academic，2001：678-679.

[4]Meyers P A， Lallier-Vergés E. Lacustrine Sedimentary Organic Matter Records of Late Quaternary Paleoclimates[J].Journal of Paleolimnology，1999，21（3）：345-372.

[5]Meyers P A， Eadie B J. Sources， degradation and recycling of organic matter associated with sinking particles in Lake Michigan[J].Organic Geochemistry，1993，20（1）：47-56.

[6]Talbot M R， Johannessen T. A high resolution palaeoclimatic record for the last 27，500 years in tropical West Africa from the carbon and nitrogen isotopic composition of lacustrine organic matter[J].Earth & Planetary Science Letters，1993，110（1-4）：23-37.

[7]O'Leary M H. Carbon isotope fractionation in plants[J].Phytochemistry，1981，20（4）：553-567.

[8]张慧文.天山现代植物和表土有机稳定碳同位素组成的海拔响应特征[D].兰州大学，2010.

[9]许文强，陈曦，罗格平，等.土壤碳循环研究进展及干旱区土壤碳循环研究展望[J].干旱区地理，2011，34（4）：614-620.

[10]Farquhar，G.D.，Ehleringer，J.R.，Hubick，K.T.Carbon isotope discrimination and photosynthesis. Annual Review Plant Physiology and Plant Molecular Biology，1989，40（1）：503-537.

[11]Osmond C B. Crassulacean Acid Metabolism： A Curiosity in Context[J].Annual Review of Plant Biology，2003，29：379-414.

[12]SmithBN， EpsteinS. Two Categories of 13 C/ 12 C Ratios for Higher Plants[J].Plant Physiology，1971，47（3）：380-384.

[13]曹建廷，沈吉，王蘇民.内蒙古岱海湖泊沉积记录的小冰期气候环境[J].湖泊科学，2000，12（2）：97-104.

[14]吴敬禄，李世杰，王苏民，等.若尔盖盆地兴措湖沉积记录揭示的近代气候与环境[J].湖泊科学，2000，12（4）：291-296.

[15]刘兴起，王苏民，沈吉，等.16ka以来青海湖沉积物有机碳同位素的变化特征及其影响因素[J].自然科学进展，2003，13（2）：169-173.

[16]田庆春，杨太保，石培宏.可可西里古湖泊沉积物有机碳δ13C变化特征及其影响因素[J].沉积学报，2016，34（2）：260-267.

[17]吴健，沈吉.兴凯湖沉积物磁化率和色度反映的28kaBP以来区域古气候环境演化[J].海洋地质与第四纪地质，2009，29（3）：123-131.

[18]沈吉，潘红玺，夏威岚，等.南四湖沉积剖面中色素与有机碳同位素特征的古环境意义[J].湖泊科学，1998，10（2）：17-22.

[19]刘耕年，傅海荣，崔之久，等.太白山佛爷池湖泊沉积理化分析反映的8000aBP以来环境变化[J].水土保持研究，2005，12（4）：1-4.

[20]汪勇，朱立平，王君波，等.青藏高原中部纳木错湖泊表层沉积物有机质空间分布及其揭示的沉积过程[J].科学通报，2012，57（32）：3090-3099.

[21]王春雨，郭庆军，朱光旭，等.稳定碳同位素技术在北京市公园湖泊沉积物有机质来源分析与评价中的应用[J].生态学杂志，2014，33（3）：778-785.

[22]王毛兰，赖建平，胡珂图，等.鄱阳湖表层沉积物有机碳、氮同位素特征及其来源分析[J].中国环境科学，2014，34（4）：1019-

1025.

[23]倪兆奎，李跃进，王圣瑞，等.太湖沉积物有机碳与氮的来源[J].生态学报，2011，31（16）：4661-4670.

[24]沈吉.湖泊沉积与环境演化[M].北京：科学出版社，2010：221-242.

[25]Lamb A L， Leng M J， Mohammed M U， et al. Holocene climate and vegetation change in the Main Ethiopian Rift Valley， inferred from the composition （C/N and δ13C） of lacustrine organic matter[J].Quaternary Science Reviews，2004，23（7）：881-891.

[26]曾海鳌， 吴敬禄.外源对太湖河口沉积物有机质贡献的同位素示踪[J].海洋地质与第四纪地质，2009，29（1）：109-114.

[27]卢凤云.北京北部水系中有机质来源的碳氮稳定同位素研究[D].首都师范大学，2011.

[28]张成君，陈发虎，尚华明，等.中国西北干旱区湖泊沉积物中有机质碳同位素组成的环境意义——以民勤盆地三角城古湖泊为例[J].第四纪研究，2004，24（1）：88-94.

[29]任雅琴，王彩红，李瑞博，等.有机质饱和烃和δ13Corg.记录的博斯腾湖早全新世晚期以来生态环境演变[J].第四纪研究，2014，34（2）：425-433.

[30]赖建平.鄱阳湖区悬浮颗粒物和表层沉积物有机质碳、氮同位素研究[D].南昌大学，2012.

[31]程庆霖.高原湖泊沉积物有机碳、氮来源与表征[D].华东师范大学，2014.

[32]赵宁，杨 ，高建华，等.自然和人类活动作用下月湖沉积物有机质来源及其演变[J].地球化学，2014，43（4）：365-374.

[33]刘强，顾兆炎，刘嘉麒，等.62kaBP以来湖光岩玛珥湖沉积物有机碳同位素记录及古气候环境意义[J].海洋地质与第四纪地质，2005，25（2）：115-126.

[34]蒲阳.青藏高原东北部湖泊沉积物生物标志化合物分布特征及古环境意义[D].中国科学院研究生院，2010.

[35]張振克，吴瑞金，王苏民，等.近8kaBP来云南洱海地区气候演化的有机碳稳定同位素记录[J].海洋地质与第四纪地质，1998，18（3）：23-29.

[36]刘嘉丽，刘强，储国强，等.大兴安岭四方山天池15.4ka B.P.以来湖泊沉积记录[J].第四纪研究，2015，35（4）：901-912.

[37]杨明生，张虎才，邹长伟，等.鄱阳湖沉积物正构烷烃特征及其生物源[J].福建师范大学学报：自然科学版，2014（3）：111-118.

[38]钟巍，张进，尹焕玲，等.新疆巴里坤湖全新世湖泊沉积物稳定氮同位素的气候与环境意义研究[J].华南师范大学学报：自然科学版，2013，45（6）：182-188.

[39]刘强，李倩，旺罗，等.21 kaB.P.以来大兴安岭中段月亮湖沉积物全岩有机碳同位素组成变化及其古气候意义[J].第四纪研究，2010，30（6）：1069-1077.

[40]张恩楼，沈吉，夏威岚，等.青海湖沉积物有机碳及其同位素的气候环境信息[J].海洋地质与第四纪地质，2002，22（2）：105-108.

[41]郭雪莲，王琪，史基安，等.青海湖沉积物有机碳含量与同位素和粒度特征及其古气候意义[J].海洋地质与第四纪地质，2002，22（3）：99-103.

[42]张成君，孙维贞.西北干旱区全新世气候变化的湖泊有机碳同位素记录-以石羊河流域三角城为例[J].海洋地质与第四纪地质，2000，20（4）：93-97.

[43]郑柏颖，曹艳敏，张恩楼，等.博斯腾湖近200年来湖泊环境变化的有机碳氮稳定同位素记录[J].海洋地质与第四纪地质，2012，32（6）：165-171.

[44]巩伟明，张朝晖.湖光岩玛珥湖全新世时期沉积物碳氮同位素组成的环境指示意义[J].高校地质学报，2014，12（4）：582-589.

[45]范佳伟，肖举乐，温锐林，等.内蒙古达里湖全新世有机碳氮同位素记录与环境演变[C].中国科学院地质与地球物理研究所，2016.