黄土高原成壤碳酸钙结核形成机制与古大气二氧化碳浓度恢复研究

Quantifying Late Cenozoic atmospheric CO2 concentration has been one of the hotspots in paleoclimate research. The pedogenic carbonate paleobarometer is an important method for paleoatmospheric pCO2 reconstruction. However, the problem is that it usually carries larger uncertainties compared to other proxies. Calcite nodules, which are widely distributed in the eolian deposits from the Chinese Loess Plateau, are ideal subjects for Late Cenozoic atmospheric pCO2 reconstruction. In this project, we are planning to study the calcite nodules in the eolian depoist from CLP, through the employment of systematic geochemical approaches, monitoring of modern soil processes and geochemical modeling. We will decipher the factors which control the formation mechanism of calcite nodules in the Holocene, Late Pleositocene loess deposits and Pliocene red clay deposits. Based on that, we will determine the most appropriate type of calcite nodules for the pCO2 paleobarometer. To reduce the uncertainty related to the paleobarometer method and reconstruct Pliocene atmospheric pCO2, we will establish methods and models to quantify S(z) (soil-respired CO2 concentration) and its δ13Cr value. Our study will provide valuable references both to the improvement of the paleobarometer itself, and to its application in elder soil profiles.

定量恢复晚新生代大气二氧化碳含量是当今古气候研究热点。成壤碳酸盐气压计是恢复古大气二氧化碳浓度的重要方法，但是存在误差较大的问题。我国黄土高原风尘沉积剖面中广泛分布成壤碳酸盐结核，为重建晚新生代大气二氧化碳浓度记录的理想研究对象。本项目拟系统开展黄土高原风尘沉积剖面中成壤碳酸钙结核的地球化学研究，并基于现代土壤过程观测和地球化学模型模拟，查明黄土高原全新世-晚更新世黄土剖面和上新世红粘土序列钙结核的形成机制和控制因素，确立适用于二氧化碳气压计的钙结核类型和特征；建立定量估算土壤呼吸作用成因二氧化碳浓度和碳同位素组成的方法和模型，提高成壤碳酸盐气压计的精度，并在此基础上恢复上新世暖期大气二氧化碳浓度，进一步探讨大气二氧化碳与全球气候变化之间的关系。本项目的开展对于成壤碳酸盐气压计方法的改进及其在更老地层中的应用将具有重要的推动作用。

本项目围绕“黄土高原成壤碳酸钙结核形成机制与古大气二氧化碳浓度恢复研究”，采用稳定同位素、微量元素等地球化学分析方法以及红外光谱、扫描电镜等矿物表征手段，并结合现代土壤观测和溶质迁移模型模拟，阐明了成壤钙结核的形成机制及其控制因素，并在此基础上改进了传统的古土壤CO2气压计方法，将其运用于黄土高原古土壤，重建了早更新世间冰期的古大气CO2曲线。研究成果的主要创新点包括：（1）系统调查了黄土高原古土壤碳同位素记录的时空分布特征，并结合土壤CO2端元混合模型定量探讨了大气CO2对成壤碳酸盐碳同位素值的影响；（2）通过系统对比黄土高原全新世剖面钙结核内部包裹有机质与古土壤全岩有机质碳同位素值，发现土壤埋藏分解过程伴随显著的碳同位素分馏值；（3）基于碳酸盐矿物微形貌、同位素及微量元素特征，论证了分散于土壤中的细颗粒碳酸盐作为古大气CO2重建材料的可行性；（4）运用黄土高原过去80万年的古土壤样品和冰芯大气CO2浓度记录，建立了基于土壤全岩磁化率指标的经验模型，用于定量古土壤呼吸成因的CO2浓度，显著降低了古土壤CO2气压计方法误差；（5）基于黄土高原古土壤样品，运用古土壤CO2气压计重建了基于陆相沉积记录的早更新世间冰期古大气CO2浓度曲线，发现更新世期间地球系统一直在较低的大气CO2背景下运行。