亚洲季风区洞穴生物三氧同位素的变化揭示了过去300年的水分来源

摘要

水分来源的表征对于理解水文气候过程至关重要。然而，记录过去的大气水分含量及其来源仍然具有挑战性，部分原因是水分追踪代用物不足。本文展示了亚洲季风区21个洞穴中的三氧同位素组成，来研究过去300年来东亚的空间水分来源差异。我们的数据表明在洞穴形成过程中存在同位素平衡分馏，因此从洞穴中重建的母水17O异常(Δ'17O) 值保留了有关水分起源和跨空间循环的信息。值得注意的是，洞穴沉积物Δ'17O记录具有明显的地理分布特征，中东部和华南地区值较低，西北和华北地区值较高，长江流域地区值较高。这种空间格局强调了受区域水文循环调节的不同水分源的不同影响，并证明了洞穴植物Δ'17O在重建空间尺度水分循环中的潜在作用。

研究目标

利用亚洲夏季风区21个洞穴中石笋的三氧同位素组成，来研究过去300年东亚区域水分来源的差异。

研究方法

本文主要采用的方法和技术包括:石笋三氧同位素分析；230Th定年；反演Parent水三氧同位素；空间插值分析等。这些技术揭示了不同区域石笋三氧同位素的变化模式，反映了区域尺度水分循环的差异。

主要研究方法:

(1) 从亚洲夏季风区21个洞穴中收集石笋样品。

(2) 利用Pt催化平衡法测量石笋碳酸盐的δ18O、δ17O 和 Δ'17O。

(3) 用230Th方法确定石笋的形成年代。

(4) 根据碳酸盐-水体系的氧同位素分馏关系，反演得到parent水的δ18O和Δ′17O。

主要实验结果:

(1)石笋Δ'17O值范围为-78至-56per meg，空间分布呈“四极"模式。

(2)反演的parent水Δ'17O值平均约为20±7 per meg。

(3)不同区域的Δ'17O值反映了各自的水分来源和大气环流差异。

Picarro仪器的使用

使用Picarro L2140-i测量水样的δ18O和δ17O值，提供了参照数据。研究人员从亚洲夏季风区21个洞穴中获取石笋样品，为离散采样与测量。

上图比较了水样和石笋样本的δ18O与Δ'17O值， 说明石笋保留了降水的信号。其具体内容和对研究意义：

1. 上图通过δ18O与Δ'17O的关系比较了两类样本:I组为降水和石笋反演的Parent水，II组为石笋碳酸盐。

2. 可以看到Parent水的δ18O和Δ'17O值接近现代降水的范围。

3. 石笋碳酸盐的δ18O值较高(27-36‰)，Δ'17O值较低(-79到-56 per meg)。

4. 这说明在石笋形成过程中，氧同位素发生了平衡分馏。

5. 石笋Δ'17O值与δ18O值之间保持着一定的关系(上图)，符合Δ'17O反映气候因素的特征。

6. 通过碳酸盐-水体系的氧同位素分馏关系，可以反演出石笋形成时Parent水的Δ'17O。

7. Parent水Δ'17O值与现代降水相似，说明石笋Δ'17O可以反映降水信号。

8. 因此，上图验证了石笋Δ'17O记录可以反映不同区域的水分来源和大气环流差异，是该研究的基础。

综上，上图通过与现代降水的比较，验证了石笋Δ'17O的气候代表性，为后续利用石笋Δ'17O推断区域性水分变化奠定了基础。