中国黄土-古土壤剖面中生物成因与非生物成因碳酸盐的δ13C和δ18O差异：对古气候代用指标的启示

《Journal of Asian Earth Sciences》：δ13C and δ18O differences between biogenic and non-biogenic carbonates in Chinese loess-paleosol sections: Implications for paleoclimate proxies

古气候重建中次生碳酸盐δ13C和δ18O的差异性及其成因分析。

　　在中国黄土高原的东南边缘，位于34°58′N，113°22′E的芒山黄土-古土壤剖面，研究人员对两种类型的次生碳酸盐——生物源碳酸盐（化石陆地蜗牛壳）和非生物源碳酸盐（包括整体样品、黏土级样品和结核）的稳定同位素组成进行了系统比较。这项研究旨在评估这些碳酸盐作为古气候重建工具的可靠性，并探讨其同位素差异的成因。

黄土高原作为世界上最大的黄土沉积区，拥有丰富的黄土-古土壤序列，这些序列记录了第四纪时期的气候与环境变化。碳酸盐作为重要的古气候代理指标，其形成过程与土壤水分、植被类型以及大气成分密切相关。然而，由于不同碳酸盐类型形成机制的差异，它们所记录的环境信号可能不一致，导致古气候重建结果出现偏差。因此，明确这些碳酸盐类型的形成机制及其对同位素组成的影响，对于准确解读古气候数据至关重要。

在芒山剖面中，研究人员对陆地蜗牛壳和非生物源碳酸盐的δ13C和δ1?O值进行了测量和对比。结果显示，陆地蜗牛壳的δ13C值范围为?6.87‰至?1.59‰，低于整体样品（?3.57‰至?1.51‰）、黏土级样品（?5.12‰至?1.27‰）和结核（?3.46‰至?1.56‰）的δ13C值。这一差异可能反映了两种碳酸盐类型所记录的植被类型不同。陆地蜗牛壳作为生物源碳酸盐，其形成过程中受到植物类型的影响，而非生物源碳酸盐则更多地受到土壤中碳循环过程的控制。此外，大气CO?浓度的变化也可能对δ13C值产生一定的影响。

另一方面，陆地蜗牛壳的δ1?O值范围为?9.61‰至?2.83‰，高于整体样品（?9.88‰至?8.77‰）、黏土级样品（?10.34‰至?7.61‰）和结核（?9.92‰至?9.10‰）的δ1?O值。这一现象表明，陆地蜗牛壳的形成环境可能与非生物源碳酸盐存在显著差异。陆地蜗牛壳的形成主要发生在土壤表层，受到强烈蒸发作用的影响，而非生物源碳酸盐则主要形成于土壤的深层，与地表蒸发作用关系较小。因此，δ1?O值的差异可能反映了土壤表层与深层水体在蒸发作用下的不同同位素分馏效应。

陆地蜗牛壳和非生物源碳酸盐的形成机制也存在明显差异。陆地蜗牛壳作为生物源碳酸盐，其形成过程涉及生物体的生物矿化作用，这一过程受到环境条件的直接影响，如温度、湿度、营养状况等。而非生物源碳酸盐则主要通过化学沉淀作用形成，受控于土壤的pH值、碳酸盐饱和度以及地下水的流动情况。这些不同的形成机制导致了它们在同位素组成上的差异，进而影响其在古气候重建中的适用性。

此外，陆地蜗牛壳和非生物源碳酸盐的矿物学特征也有所不同。现代陆地蜗牛壳主要由霰石组成，而化石蜗牛壳则含有少量的方解石（平均含量为5.4%）。相比之下，非生物源碳酸盐样品主要由方解石构成，且未检测到文石的存在。这种矿物学差异可能进一步影响同位素的分馏过程，从而导致同位素值的差异。

研究人员还发现，陆地蜗牛壳和非生物源碳酸盐的同位素值差异不仅存在于芒山剖面，也出现在现代样品和其他剖面中。这表明，这种差异可能是普遍存在的，与不同碳酸盐类型所记录的环境信号密切相关。例如，在第四纪的东亚夏季风周期重建中，陆地蜗牛壳的δ13C值记录了100千年的周期，而非生物源碳酸盐的δ13C值则表现出23千年、41千年和100千年的复合周期。这种周期性的差异可能反映了两种碳酸盐类型对气候信号的响应机制不同。

在讨论部分，研究人员指出，陆地蜗牛壳和非生物源碳酸盐在同位素组成上的差异主要来源于它们的形成过程和所处的环境条件。陆地蜗牛壳的形成过程受到生物体自身生理活动的调控，而非生物源碳酸盐的形成则更多地依赖于化学反应和物理过程。因此，在使用这些碳酸盐作为古气候代理时，需要充分考虑其形成机制和环境控制因素，以避免因同位素值的差异而产生的误解。

结论部分强调，陆地蜗牛壳和非生物源碳酸盐在芒山剖面中表现出显著的同位素差异，这主要归因于它们不同的形成过程和所处的环境条件。陆地蜗牛壳记录了土壤表层水体的蒸发作用，而非生物源碳酸盐则更多地反映了土壤深层水体的化学条件。因此，在进行古气候重建时，应谨慎使用这些碳酸盐作为代理指标，以确保结果的准确性。

在研究过程中，研究人员还利用了生成式人工智能技术，如ChatGPT-5，来提高文本的清晰度和流畅性。然而，他们强调，所有内容均经过仔细审阅和编辑，确保了研究结果的科学性和可靠性。此外，研究人员还提到了一些未引用的参考文献，这些文献可能对研究的某些方面提供了有益的见解，但由于篇幅限制或其他原因未被引用。

本研究得到了国家自然科学基金项目的资助，编号为42373062和42030503。研究人员特别感谢了多位合作者的帮助，包括在蜗牛种类鉴定方面提供支持的吴敏博士、进行X射线衍射测试的潘宇冠先生，以及进行碳和氧同位素测定的沈海燕女士和谭浩林先生。同时，他们也感谢了编辑和两位审稿人提供的建设性反馈和宝贵建议，这些意见对研究的完善起到了重要作用。

总的来说，芒山剖面中的陆地蜗牛壳和非生物源碳酸盐在同位素组成上表现出显著差异，这反映了它们在形成过程和环境控制方面的不同。通过系统的比较和分析，研究人员揭示了这些差异的成因，并强调了在使用这些碳酸盐作为古气候代理时需要注意的问题。这一研究不仅为理解黄土高原的古气候演化提供了新的视角，也为未来的古气候研究提供了重要的参考依据。