隨著黃土和第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)研究的不斷深入，加強(qiáng)過(guò)去與現(xiàn)代相結(jié)合的環(huán)境變化研究是實(shí)現(xiàn)“將今論古”的關(guān)鍵突破口，也是地球系統(tǒng)科學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。實(shí)驗(yàn)室從現(xiàn)代環(huán)境過(guò)程研究入手，深入理解環(huán)境代用指標(biāo)機(jī)理、探索新的代用指標(biāo)，針對(duì)不同環(huán)境代用指標(biāo)的不確定性和多解性，加強(qiáng)現(xiàn)代環(huán)境過(guò)程的物理/化學(xué)機(jī)制與代用指標(biāo)制約要素的系統(tǒng)研究。我們利用湖泊、河流與地下水中各類樣品的C、N、O同位素變化特征，示蹤了青藏高原和黃土高原各類生態(tài)系統(tǒng)中過(guò)去和現(xiàn)代環(huán)境變化及物質(zhì)循環(huán)的過(guò)程。主要包括以下三方面工作：
1）河流生態(tài)系統(tǒng)中同位素示蹤的碳氮遷移過(guò)程
針對(duì)黃土高原地區(qū)的水土流失現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)黃土高原河流碳、氮同位素研究，討論了水土流失過(guò)程中的碳、氮遷移方式。通過(guò)黃土高原小流域C、N同位素調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，河水δ15N–NO3-、δ13CDIC值在豐水期 (8月份) 和枯水期 (5月份) 表現(xiàn)出顯著差異，記錄了水土流失過(guò)程中進(jìn)入水體C、N物質(zhì)發(fā)生的改變；河流懸浮物有機(jī)碳、氮同位素變化，揭示了該流域在豐水期 (8月份) 發(fā)生了較為嚴(yán)重的水土流失過(guò)程；豐水期和枯水期，小流域C、N循環(huán)和水土流失過(guò)程受降雨、土地利用類型和植被類型影響。這項(xiàng)工作也表明，同位素示蹤可以作為河流生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)的有效示蹤方法 (Liu and Xing, 2012, Chemical Geology)。
圖1：碳氮同位素指示的流域水土流失過(guò)程中的物質(zhì)遷移過(guò)程
2）城市生態(tài)系統(tǒng)中水體硝酸鹽污染的同位素示蹤
通過(guò)研究西安市降水硝酸鹽同位素，認(rèn)識(shí)到氣團(tuán)來(lái)源的變化不是造成雨水δ15N–NO3-值變化的主要因素。局地季節(jié)性氮素來(lái)源的變化，例如，暖季農(nóng)田使用化肥量增加，冷季城市供暖造成化石燃料使用增多，可能會(huì)影響雨水δ15N–NO3-值變化。不同的氣象污染物和氣象因子條件下，西安市降雨過(guò)程中發(fā)生了不同氧化反應(yīng)，從而造成雨水同位素值的變化。在冷季節(jié)，雨水δ15N–NO3-值和溫度明顯的負(fù)相關(guān)性表明在NO2、NO3和N2O5的平衡反應(yīng)中，氧化態(tài)更高的物質(zhì)進(jìn)入雨水后δ15N值越正。在冬季干旱少雨的中國(guó)西北地區(qū)，雨水量變化導(dǎo)致的稀釋作用也是降水中δ15N–NO3-值波動(dòng)的原因之一 (Xing and Liu, 2013, Applied Geochemistry)。
隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，西安市地下水硝酸鹽污染日趨嚴(yán)重，研究發(fā)現(xiàn)西安市地下水主要污染來(lái)源為人類活動(dòng)用水和農(nóng)業(yè)活動(dòng)用水。由于西安地下水中反硝化作用較弱，因此，該區(qū)域水體自凈能力較差。研究還發(fā)現(xiàn)，西安市區(qū)地下水硝酸鹽δ15N–NO3-值和人口密度呈明顯的正相關(guān)性，說(shuō)明人類活動(dòng)會(huì)對(duì)地下水水質(zhì)造成嚴(yán)重影響。同位素分析手段有助于研究者探明污染區(qū)主要污染源及存在的生化反應(yīng)過(guò)程，從而幫助管理者有效制定相關(guān)政策控制污染(Xing and Liu, 2012, Applied Geochemistry)。
圖2：西安市區(qū)降水及地下水NO3-δ15N指示的硝酸鹽分布情況及來(lái)源示蹤
左：降水同位素的季節(jié)變化；右：同位素指示的地下水中硝酸鹽污染的不同來(lái)源
3）湖泊介形類碳、氧同位素指示的青藏高原過(guò)去環(huán)境變化
湖泊介形類的碳、氧同位素分餾可以靈敏的響應(yīng)水體環(huán)境的變化，因此可以作為過(guò)去環(huán)境變化的有效指標(biāo)。通過(guò)分析德令哈尕海150 年以來(lái)的介形類殼體氧同位素組成變化特征，結(jié)合現(xiàn)代氣象資料及樹輪恢復(fù)的降水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)介形類殼體氧同位素的環(huán)境指示意義進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示德令哈尕海介形類殼體氧同位素組成可能記錄了該區(qū)降水量的變化，在降水來(lái)源不變的前提下介形類氧同位素組成可以用來(lái)恢復(fù)該區(qū)短時(shí)間尺度降水量變化 (Li et al., 2012, Global and Planetary Change)。
圖3青藏高原湖泊中介形蟲同位素記錄指示的環(huán)境變化
左：介形氧同位素記錄的150年來(lái)降水歷史；右：介形碳同位素同位素指示全新世以來(lái)湖泊鹽度及生產(chǎn)力變化
在認(rèn)識(shí)介形類種屬和其碳同位素組成以及青海湖有機(jī)碳環(huán)境指示意義基礎(chǔ)上，利用青海湖12 ka 以來(lái)的介形類種屬及碳同位素組成變化探討了全新世以來(lái)湖泊初級(jí)生產(chǎn)力及鹽度的變化。結(jié)果顯示，早全新世，湖水鹽度和初級(jí)生產(chǎn)力水平較高，高鹽度和高生產(chǎn)力水平可能主要由高溫和其導(dǎo)致的高蒸發(fā)造成；7.4 ka 之后，湖水鹽度和生產(chǎn)力水平降低，可能與降溫和水位上升有關(guān)；3.5 ka 之后，湖水鹽度和湖泊生產(chǎn)力水平逐漸升高，此間湖泊水位相對(duì)穩(wěn)定并達(dá)到最高水位，湖水鹽度和生產(chǎn)力水平升高，可能與全新世晚期溫度上升以及有效濕度降低有關(guān) (Li and Liu, 2014, Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology)。
