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基于黄土高原成壤碳酸盐的古大气二氧化碳浓度定量重建研究

达佳伟  
【摘要】:大气CO_2是全球气候变化的重要驱动因子。工业革命以来,人类活动导致以大气CO_2为代表的温室气体浓度持续攀升,远超过去80万年大气CO_2浓度(p CO_2)的变化范围(~180-280 ppm)。相比于器测记录,古气候记录可以提供更长时间尺度上地球系统对各个驱动因子的响应信息,帮助改善气候模型,使其更好地预测未来全球气候变化。晚新生代板块构造等边界条件与现今类似,同时已有的p CO_2重建记录与现今水平相似,被视作理想的气候类比期。然而,该时期的p CO_2重建记录主要基于海洋沉积物指标,且不同指标的重建结果存在明显差异,影响到大气CO_2含量变化机制及其古气候效应的理解。古土壤CO_2气压计基于成壤过程中形成的次生碳酸盐(成壤碳酸盐),被广泛应用于各个地质历史时期的p CO_2重建工作中。然而,由于土壤呼吸作用产生的CO_2浓度(S(z))这一关键参数一直缺乏有效的限定方法,气压计方法存在着较大误差。我国黄土高原风尘堆积序列中广泛分布有成壤碳酸盐。黄土高原成壤碳酸盐δ13C记录在过去主要被用来重建C4植被及东亚夏季风演化历史。然而已有的成壤碳酸盐与有机质δ13C记录显示,二者时空分布存在差异,暗示了大气CO_2对研究区成壤碳酸盐δ13C值的潜在影响。本研究通过对黄土高原现代土壤观测和古土壤δ13C记录的系统调查,结合多种矿物学地球化学手段,定量评估了成壤碳酸盐δ13C值受控因素。在此基础上,本研究通过建立古土壤S(z)定量模型降低了气压计方法误差,并开展了古大气CO_2浓度定量重建工作。本次研究得到以下主要成果与结论:1)传统气压计方法采用钙结核作为研究对象。然而,由于黄土中钙结核形成深度大,且在古土壤序列中不连续分布,无法进行高精度古气候重建。本文首次选取不含白云石的古土壤全岩碳酸盐样品作为研究对象。这类全岩样品中的细颗粒碳酸盐以针簇状方解石为主要形态,属于典型成壤碳酸盐。其形成深度浅,在古土壤序列中连续分布,是重建连续古大气CO_2记录的理想材料。2)黄土高原古土壤成壤碳酸盐与有机质δ13C值的时空分布差异广泛存在,暗示了成壤碳酸盐δ13C值并不仅仅受控于区域植被类型。现代土壤CO_2观测数据与古土壤δ13C记录的结果表明,在黄土高原干旱-半干旱气候条件下,较低的土壤生产力(低S(z)水平)导致大气CO_2在土壤中的相对占比升高,对成壤碳酸盐δ13C值产生重要影响。基于土壤CO_2两端元混合模型的计算结果显示,大气CO_2在成壤碳酸盐形成时期的土壤CO_2系统中占据重要比例(~10-50%)。3)黄土高原地区现代土壤CO_2通量数据与降水量呈现显著相关性,暗示了研究区S(z)主要受控于夏季风降水强度。过去80万年间冰期古土壤全岩磁化率值与土壤S(z)水平也存在显著相关性。运用磁化率-S(z)模型可以有效限定古土壤S(z)值,降低古土壤CO_2气压计方法误差。4)基于磁化率-S(z)模型与早更新世古土壤样品,本研究进一步使用古土壤CO_2气压计方程估算了早更新世间冰期大气CO_2浓度。结果显示早更新世p CO_2整体处于180-300 ppm之间,与最近发表的南极早更新世“蓝冰”冰芯p CO_2记录相近,表明更新世以来全球气候系统一直在低大气CO_2水平下运行。


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