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项目名称: 泥炭纤维素同位素代用气候指标与全新世气候演变

推荐单位: 贵州省

项目简介: 本项目属于地球科学的基础研究领域-全球环境变化研究领域,获国家自然科学基金委员会两项重点和一项面上项目资助。

距今约11000年以来的这段时期称为全新世。了解全新世气候演变的历史和驱动机制,对认识当前面临的气候变化,预测未来发展趋势,制定可持续发展战略有重要意义。本项目根据二氧化碳和水在陆地生态系统与大气间交换作用的原理,开发研究泥炭植物纤维素氧碳同位素时间序列,作为全新世气候变化的一种新的代用指标,以此研究全新世气候变化及人类的适应。获得如下成果:

本项目率先发表吉林金川和四川红原等两条泥炭纤维素氧同位素温度代用记录,突破国际上长期以来认为从泥炭的氧同位素组成中不可能提取出气候变化信号的观念;论述由C3植物组成的泥炭纤维素的碳同位素组成用作亚洲夏季风强度代用指标的原理;系统揭示了温度变化的周期,为研究全新世气候变化的原因这一重大科学问题提供了新的证据;重建了过去12000年印度洋夏季风和东亚夏季风演变历史;发现两季风强度突然变化与高北纬度气候变化之间存在紧密关联的重要现象;提出一个阐释这一现象的全球变化概念模型;提出了突然气候变化对人类古文明发展可能确有重大影响的泥炭代用气候记录证据;改进了测定有机质中氧同位素组成的技术;研发出从大批量泥炭样本中快速提取高纯度(99.5%)植物纤维素的方法;促进了泥炭环境同位素地球化学领域的发展。

本项目发表研究论文57篇,合编专著2部。其中SCI收录16篇, EI收录3篇。被引用414次,其中被Nature等SCI杂志引用155次。一些成果被国际著名学者发表专题评论给予很高评价;被联合国政府间气候变化研究小组(IPCC)专家报告,瑞士皇家气象研究所的气候评价报告等权威文件引用;美国CO2和全球变化研究中心主办的著名在线学术杂志《CO2 Science 》4次发表评述介绍上述成果;并被4部国外英文专著引用;本项目实验室已多次接待国内高校和中科院研究所的博士后,博士和硕士等科研人员来开展相关研究工作。

主要发现点: (一).核心发现点

1.阐述泥炭纤维素氧同位素组成(δ18O)与地表温度的关系,率先发表时间长度约6000年,分辨率约20-30年的吉林金川和四川红原等两条泥炭纤维素δ18O代用温度记录,为开拓新的生物分子氧同位素代用温度指标作出重要贡献。(环境地球化学。No.1,10论文)

2. 提出由C3植物组成的泥炭纤维素的碳同位素组成(δ13C),可用作反映亚洲夏季风强度的敏感代用指标,其原理可用夏季风带来的水汽含量变化对C3植物叶面气孔的开合程度,及对C3植物利用CO2过程中的碳同位素分馏效应的影响来解释,发展了利用泥炭δ13C指标重建古气候的理论。(环境地球化学。No.2,10论文)

3.金川泥炭δ18O时间序列的非等间距谱分析,揭示温度变化存在86, 93, 101, 111, 127, 132, 140, 155, 207, 245, 311, 377, 480, 590, 820, 1046年的周期,与太阳黑子周期及太阳辐射准两年波动的谐波周期等值;发现在百年至千年时间尺度上东亚夏季风强度与太阳活动之间有紧密相关:太阳活动减弱,温度降低,东亚季风降雨增强。反之亦然。这些成果提供了太阳活动影响全新世气候的新证据。(环境地球化学。No.1,2,5,9,10论文)

4. 从红原泥炭中分离出单种植物-木里苔草的残体并测定其纤维素的δ13C值;重建过去12000年印度洋夏季风的演变历史;揭示印度洋夏季风存在9次百年至千年尺度的突然减弱,并与北大西洋的9次海洋和大气突然变冷事件一一对应的重要现象。(环境地球化学。No.3,10论文)

5. 测定哈尼和大九湖泥炭纤维素δ13C值,重建过去12000年东亚夏季风的演变历史;提出一种新的学术观点:认为东亚夏季风与印度洋夏季风对全球变化可能有不同的响应,相应于北大西洋区域变冷,发生9次浮冰事件时,印度洋夏季风突然明显减弱,而东亚夏季风突然明显增强。(环境地球化学。No.4论文)

6. 提出一个全新世气候变化的综合概念模型来阐释全新世温度、亚洲季风强度的演变及相互关联的机制,认为减弱的太阳活动和北大西洋融冰洪水都可能触发地球系统的某些开关,例如触发厄尔尼诺现象出现,导致气候变冷的同时,印度洋夏季风明显减弱,而东亚夏季风明显增强。(环境地球化学。No.3,4,6论文)

7.红原和哈尼泥炭δ13C记录表明,当西亚古文明、印度哈拉潘文明衰落及东亚龙山、良渚文化突然消失时,正值印度及东亚夏季风突然异常地分别减弱和增强,两季风区分别出现长期干旱和洪水,为这一时期突然气候变化可能影响人类文明的发展提供重要气候背景资料。 (环境地球化学。No.3,4,6,10论文)

8.对CO2和水在陆-气系统中的交换等地球化学行为进行探索,发现气温、湿度对土壤微生物量碳浓度的影响关系,土壤微生物量碳浓度与土壤中可溶性有机碳含量的反相关等。(环境地球化学。No.7,8论文)

(二).其他重要发现点

1.对镍管高温裂解有机质测定δ18O的方法进行重要改进,使测定结果更准确和方便,实验成本更低;研发出从大批量泥炭样本中快速提取高纯度(99.5%)纤维素的技术。(环境地球化学。No.1,2,9论文)

主要完成人: 洪业汤

1.主持制定项目的研究目标,研究内容.

2.领导和参加对泥炭地的全部野外环境地质地球化学调查和取样工作.

3.主持对实验数据和调查资料进行综合分析研究,对本项目《主要发现点》中的第1, 2, 3, 4,5, 6, 7发现点做出主要的创造性贡献,作为第一责任人在《The Holocene》,《Earth and Planetary Science Letters》等地球科学重要杂志上发表论文,论述上述各发现点的具体内容。

4.在本项目中的工作量占本人工作量的80%.

洪冰

1.参予制定项目的研究目标,研究内容; 参加泥炭地的部分野外环境地质地球化学调查和取样工作.

2.完成从红原泥炭中挑选木里苔草残体,提取纤维素并测定其δ13C值;完成哈尼、大九湖、柴窝铺泥炭纤维素的δ13C的测定;参加对金川泥炭纤维素δ18O值的校正测定工作;参与对实验数据和调查资料的综合分析研究,对本项目《主要发现点》中的第1, 3, 4, 5, 6, 7发现点做出重要贡献,作为主要成员之一在《The Holocene》,《Earth and Planetary Science Letters》等地球科学重要杂志上发表论文,论述上述各发现点的具体内容。

3.在本项目中的工作量占本人工作量的80%.

林庆华

1. 参予制定项目的研究目标,研究内容;参加泥炭地的部分野外环境地质地球化学调查和取样工作.

2.完成从红原、哈尼、大九湖、柴窝铺泥炭地上生长的现代植物及部分泥炭样品中提取纤维素,并测定其δ13C值;参与对实验数据和调查资料的综合分析研究,对本项目《主要发现点》中的第 3, 4, 5, 6, 7发现点做出重要贡献,作为主要成员之一在《The Holocene》,《Earth and Planetary Science Letters》等地球科学重要杂志上发表论文,论述上述各发现点的具体内容。

3.在本项目中的工作量占本人工作量的80%.

朴河春

1.完成大部分泥炭样品纤维素的分离提取工作,为整个项目的完成作出重要贡献。

2.通过实验方法研究测定了土壤中有机质腐烂分解过程中的碳同位素变化规律;阐明土壤中与气候因素相关的微生物量碳的季节变化规律和释放规律;对本项目《主要发现点》中的第8发现点做出主要贡献,作为第一责任人在《Biology and Fertility of Soils》等地球科学重要杂志上发表论文,论述上述发现点的具体内容。

3.在本项目中的工作量占本人工作量的70%.

朱泳煊

1.参加泥炭地的全部野外环境地质地球化学调查和取样工作.

2.研究改进镍管裂解装置;研发出从大批量泥炭样本中快速提取高纯度纤维素的方法;严格掌控分析测试实验的质量控制;参与对实验数据和调查资料的综合分析研究,对本项目《主要发现点》中的第1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,9发现点做出重要贡献,作为主要成员之一在《The Holocene》,《Earth and Planetary Science Letters》等地球科学重要杂志上发表论文,论述上述各发现点的具体内容。

3.在本项目中的工作量占本人工作量的80%.

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