我国东部和中部地表蜗牛壳体碳同位素组成机理与古季风气候定量重建

The quantitative study of temperature and precipitation has been part of the core and objective of palaeoclimate research. The carbonate shell of land snail, which acts as a good record of the local environmental information during the snail’s growth period, has been an important potential subject in the quantitative palaeoclimate reconstruction. Therefore, we plans to undertake the systematic study of the snail shell carbon isotope composition in modern process in monsoon area of central and eastern China, along the southeast-northwest transect with a significant precipitation-temperature gradient, aiming to 1) explore the effectiveness and sensitivity of different species of snails when using them to reflect the environmental information and evaluate the errors in these results; 2) build a modern quantitative model to explain the relationship between shell carbon isotope composition with precipitation and temperature; 3) illustrate the difference in mechanisms when using different snail species to reflect the information of precipitation and temperature by using some technology in lab; 4) clarify the process of temperature and precipitation changing in a high-resolution in Chinese Loess Plateau since LGM and then to uncover the evolution of East Asian monsoon in this period. This program would provide a systematic methodology as well as reliable and substantive data for the quantitative palaeoclimate reconstruction in the monsoon region of China.

温度和降水定量化是古气候研究的核心内容和目标之一。陆生蜗牛壳体碳酸盐记录了生长环境的气候信息，是定量化古气候重建的重要研究对象。本项目拟沿着降水、温度梯度带(东南--西北方向)，对我国中部和东部季风区蜗牛壳体碳同位素组成的现代过程进行系统研究，查清不同种属蜗牛壳体碳同位素组成对环境气候响应的有效性和灵敏度，评估其误差；建立蜗牛壳体碳同位素组成与温度、降水的现代过程定量模型；通过室内控制实验研究，阐明不同种蜗牛对温度、降水响应差异性的机理；建立黄土高原末次盛冰期(LGM)以来高分辨率的温度和降水变化序列，揭示该时期东亚季风的演化规律。项目的开展将为在中国地区开展的东亚古季风气候定量化重建提供有效的方法和翔实数据。

温度和降水量是全球变化研究的两个核心指标, 几乎所有的古环境、古气候研究均围绕这两个指标开展, 而指标定量化则是古环境重建的终极目标. 陆生腹足类生物蜗牛的壳体由碳酸盐矿物组成, 其结晶过程记录了表生环境下蜗牛生长时期的气候信息，是古气候、古环境定量重建的重要研究对象. 近三十年来, 蜗牛壳体的环境意义得到广泛讨论, 尤其是在稳定同位素领域, 取得了较为丰硕的成果, 为本项目的顺利实施提供良好的基础。本项目按照申请书的研究计划, 在东亚季风的核心区域, 沿着东南—西北方向的降水—温度的梯度带上，对设定的采样点进行野外系统采集工作(包括蜗牛、潜在的有机碳来源植物以及蜗牛生长环境的土壤及土壤有机碳), 详细地开展蜗牛壳体碳同位素组成的现代过程研究，针以蜗牛壳体碳酸盐的碳同位素进行环境指标的定量化统计研究: (1) 通过对中国东亚季风区陆生蜗牛碳、氧同位素的局部研究和数据统计总结, 得出稳定同位素在该区的分布规律、影响机制以及与环境因素之间的相关性。(2)通过现代器测气候数据与蜗牛壳体碳同位素之间的统计学关系, 查清碳同位素组成对环境响应的有效性和灵敏度, 并建立起壳体碳同位素与温度、降水的现代过程定量关系。(3)以温差范围较小(温差低于2摄氏度)而降水量变化较大(差值高于1000 mm)的海南岛为例, 获得蜗牛壳体碳同位素与温度降水的统计学关系, 对比中东部核心季风区(温差超过15摄氏度, 降水差值大于1000 mm)的结果, 并通过理论上的模型计算, 论证了蜗牛壳体碳同位素组成主要受降水影响, 可作为降水的指标。(4)在以上基础上, 对黄土高原的典型剖面(西峰)47万年以来的蜗牛化石进行研究, 得到高原中部的季风降水强弱的记录, 蜗牛化石碳同位素记录的信息以10万年为周期，间冰期的同位素值轻于冰期, 该记录与高纬度冰体积变化高度耦合，可能支持了东亚环流的高纬度强迫以来高分辨率的温度和降水变化序列，揭示了该时期东亚季风的演化规律。