中国黄土高原陆生蜗牛（Cathaica sp.）壳状碳酸盐中的放射性锶同位素及其环境意义

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Radiogenic strontium isotopes in shell carbonates of land snail Cathaica sp. from the Chinese Loess Plateau and their environmental significance

黄土高原现代蜗牛壳87Sr/86Sr比值揭示西北-东南气候梯度，与河流数据一致，表明其可作为独立温度 proxy，受控于风化 regimes 和植被δ13C分馏。

　　

Zixuan Hao|Tao Li

中国科学院南京地质古生物研究所古生物学与地层学国家重点实验室，南京 210008，中国

摘要

陆地档案中的放射性锶同位素（^87Sr/^86Sr）是重建过去环境变化的强大工具。然而，在中国黄土高原（CLP）的黄土-古土壤序列中应用这些同位素时，常常受到碎屑污染和成土碳酸盐地层复杂性的阻碍。陆地蜗牛壳作为原位生物碳酸盐，提供了一个有前景的替代方案。在这里，我们提供了来自CLP气候梯度线上现代陆地蜗牛壳（Cathaica属）和河水的^87Sr/^86Sr的全面数据集。我们的结果显示，蜗牛壳的^87Sr/^86Sr存在明显的西北-东南方向递增梯度，这一模式在河流碳酸盐中也得到了体现，表明存在共同的区域生物地球化学信号。这种空间趋势与蜗牛壳的Sr/Ca比值无关，后者主要受降雨介导的方解石沉淀控制。相反，^87Sr/^86Sr梯度可能反映了风化机制的气候驱动变化——从CLP较冷干燥的西北部以碳酸盐为主的风化，转变为CLP较温暖地区以硅酸盐为主的风化。Cathaica属蜗牛壳的^87Sr/^86Sr与δ^13C之间的强相关性进一步表明温度对其有共同影响，可能通过影响硅酸盐的风化动力学和C3植物的光合作用分馏来实现。我们提出，Cathaica属蜗牛壳的^87Sr/^86Sr可以作为黄土沉积物的新型古温度计，为现有的水文气候指标提供独立的温度参考。

引言

黄土沉积物中成土碳酸盐的放射性锶同位素组成（^87Sr/^86Sr）是重建东亚过去环境条件的宝贵指标（Rao等人，2008年；Yang等人，2000年）。由于^87Sr的放射性特性，这些碳酸盐直接记录了其从土壤溶液中沉淀时的^87Sr/^86Sr特征，从而为化学风化提供了定量参考。因此，可以通过对成土碳酸盐的同位素分析来重建风化历史，为黄土记录中的古气候解释提供依据（Li等人，2021年；Li等人，2023年）。

然而，将黄土碳酸盐的^87Sr/^86Sr应用于古环境重建面临挑战。酸浸法旨在分离碳酸盐组分与硅酸盐组分（Rao等人，2008年；Yang等人，2000年），但这种方法无法区分原生（碎屑）和次生（成土）碳酸盐成分（Li等人，2013年）。为了避免原生碳酸盐的影响，研究人员分析了纯次生碳酸盐（如microcodium）（Li等人，2017年），其^87Sr/^86Sr值被认为是由较高^87Sr/^86Sr值的碎屑硅酸盐（约0.7185）和较低^87Sr/^86Sr值的碳酸盐矿物（约0.7103）混合而成的（Li等人，2021年；Li等人，2023年）。然而，microcodium的一个显著问题是可能存在土壤碳酸盐的层间迁移（Meng等人，2015年），这可能影响其同位素信号的地层完整性。例如，在从古土壤层底部采集的microcodium中观察到^87Sr/^86Sr值的早期升高（Li等人，2023年）。这种早期上升表明microcodium的^87Sr/^86Sr并不总是反映原位风化条件，而可能受到上覆层富含碳酸盐的溶液渗透的影响。这种过程会使得根据^87Sr/^86Sr记录解释局部硅酸盐风化强度变得复杂，强调了在使用microcodium的^87Sr/^86Sr作为古环境指标时需要谨慎解释。

与成土碳酸盐相比，黄土沉积物中的生物碳酸盐（如蜗牛壳）代表了规避这些问题的有前景的档案。使用蜗牛壳进行古环境重建的优势在于两个方面：（1）蜗牛壳由纯净的文石组成，不含碎屑污染；（2）蜗牛死亡后原地埋藏，不会在黄土剖面中发生垂直迁移，从而避免了古环境记录中的时间交叉问题（Bao等人，2022年）。然而，由于来源途径的不同，蜗牛壳的锶同位素组成可能与土壤碳酸盐不同。蜗牛主要通过摄取植物中的锶来实现锶的积累，而植物从土壤溶液中吸收生物可利用的锶。因此，蜗牛壳中的^87Sr/^86Sr比值可能受到植被类型和局部环境条件的影响。此外，某些蜗牛物种可能会直接摄取土壤碳酸盐，这为解释蜗牛壳^87Sr/^86Sr值增加了复杂性（Xu等人，2011年；Xu等人，2010年）。这种混合来源——既来自植物摄入也来自偶尔直接摄取的土壤碳酸盐——使得直接使用蜗牛壳锶同位素作为古气候指标变得复杂。因此，可靠地使用蜗牛壳^87Sr/^86Sr进行古环境重建的前提是明确控制其组成的因素。

在这项研究中，我们从CLP的16个地点收集了现代蜗牛壳（Cathaica属），并分析了这些蜗牛壳以及CLP沿线的88个河流样本的^87Sr/^86Sr（图1）。之前发表的关于这些蜗牛壳的微量元素（Sr/Ca）和δ^13C数据也被整合用于比较（Hao等人，2025年）。我们的结果展示了蜗牛壳^87Sr/^86Sr作为CLP古温度指标的潜力。

材料与方法

现代Cathaica属蜗牛壳广泛分布于中国北部，活动期为春季至秋季（Zhang等人，2015年），我们从CLP的16个地点收集了这些蜗牛壳（图1）。采样对象包括在植被或黄土表面发现的活体蜗牛，以及在活体蜗牛稀少的地区（尤其是西北部）最近死亡的个体。所有蜗牛壳都在去离子水中用超声波彻底清洗，以去除附着的碎屑颗粒。

Cathaica属蜗牛壳的Sr/Ca和δ^13C的空间趋势

Cathaica属蜗牛壳的Sr/Ca比值显示出明显的空间梯度，西北部的值较高，而东南部的值较低（图2a，b），这一点在我们之前的研究中已经得到证实（Hao等人，2025年）。每个地点的平均Sr/Ca比值从南部的宝鸡约0.21 mmol/mol到西北部的泾边约1.07 mmol/mol，反映了整个梯度上的五倍变化。同样，Cathaica属蜗牛壳的δ^13C值也显示出明显的空间差异

个别地点Cathaica属蜗牛壳^87Sr/^86Sr的变异性

将Cathaica属蜗牛壳的^87Sr/^86Sr作为CLP古环境指标的应用基于一个基本假设：即化石壳中测得的比值准确反映了钙化时当地环境的生物可利用锶含量。在解释CLP的空间梯度之前，首先需要量化单个地点内的固有变异性。为此，我们测量了

结论

本研究确立了现代Cathaica属蜗牛壳的放射性锶同位素组成（^87Sr/^86Sr）作为中国黄土高原区域地球化学过程的敏感可靠记录器的地位。陆地蜗牛壳的^87Sr/^86Sr比值显示出明显的空间梯度，在温暖湿润的东南部显著高于寒冷干燥的西北部。这一模式与河流碳酸盐的^87Sr/^86Sr数据一致，证实了蜗牛能够真实反映

CRediT作者贡献声明

Zixuan Hao：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，调查，数据管理。Tao Li：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，监督，项目管理，方法学，调查，资金获取，数据管理，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢Zheyuang Zhang、Xinyu Yang、Qian Liu、Qi Feng和Maoyu Wang在野外工作中的协助，感谢Jing Liu在碳和氧同位素分析方面的帮助，以及Haoming Yin在锶同位素分析方面的支持。我们还要感谢匿名审稿人的宝贵意见，这些意见有助于改进本文。本研究得到了国家自然科学基金（42372211）、江苏省自然科学基金（BK20240215）和NIGPAS基础研究基金（NGBS202212）的支持。