（一）基本原理及应用概况

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解决方案1：

1.基本原理

13C为碳的稳定性同位素，占全碳的1.11%。植物光合作用固定CO2分为三碳循环和四碳循环两种，前者称为C3植物，后者称为C4 植物。C3 植物主要生活在温度较低，日照不强环境，几乎所有温带的植物和所有的树种都属于C3 植物；而C4 植物则不同，温度越高，日照越强，生长越茂盛，大部分热带的黎科和禾本科植物，例如玉米、高粱、甘蔗等则属于C4植物。另外还有一种似C4的植物，CO2固定及碳水化合物的合成分别在夜、昼进行，叫CAM植物，如仙人掌科及凤梨科植物（张晋京等，1999）。

当植物进行光合作用时，在12C和13C两个稳定的碳同位素之间的区分度用δ13C‰表达：

δ13C（‰）=｛［（13C/12C）样品-（13C/12C）标准物］/（13C/12C）标准物｝×1000（5-5）

标准物为美国加利福尼亚州白垩纪的美洲箭石（PEE DEE Belemnite，简称PDB），其13C/12C等于0.0112372，δ13C值等于0。13C的区分度在C3植物中大于C4植物：C3植物的δ13C值范围从-23‰～-40‰，平均为-27‰，而C4植物的δ13C值范围从-9‰～-19‰，平均为-12‰，CAM植物的δ13C值变化范围较大，介于C3，C4植物之间，平均约为-17‰，接近于C4植物的δ13C值，其C值随环境不同而变化。δ13C值愈小，表明植物生长环境的温度愈低。

植物δ13C值的影响因素有：①植物种类的影响，由于C3和C4植物的δ13C值都有一定的范围，因此同一类植物的δ13C值之间必然有一定的差异，其中C3 植物之间δ13C值的最大差异为17‰，C4植物为10‰；②植物水利用系数的影响，一般来说植物的δC值与其植物13水利用系数之间呈正相关的关系；③土壤有机质及其组分的影响，一般来说，土壤有机质的δ13C值与来源的植物物料的δ13C值十分接近，它的δ13C值仅较原先植物物料的δ13C值有一个小的增加，幅度一般在0.5‰～1.5‰范围内；④土壤颗粒的影响，一般粘粒部分的δ13C值较高，而粗粒部分的δ13C值较低；⑤地形的影响，因为地形影响了降雨量的再分布过程，导致不同地形部位获得的水分不同，而出现了δ13C值的差异，一般地形较高的部位所获得的土壤水分比地形较低的部位少，因此δ13C值较高；⑥施肥的影响，一般来说生长在含氮量高的条件下的植物比生长在低含氮量条件下的植物的δ13C值高，施用有机肥料，δ13C一般表现为下降。

地表植被类型是制约土壤有机碳δ13C变化的主要因素，大气圈δ13C波动对土壤δ13C值的影响不明显。结论是：土壤有机碳δ13C平均值不但可以用于C3、C4植被之区分，同时还可望用于阔叶林、针叶林等植被类型之区分。

由于土壤有机质的δ13C值与来源植物的δ13C值十分接近，因此，根据植物的特征δ13C值，就能判断出土壤有机质的来源。当原先土壤中的植物被另一个有不同δ13C同位素组成的植物代替时，就导致了土壤有机质δ13C值的改变。如果时间无限长，土壤有机质的δ13C值可达-12‰；相反条件下，土壤有机质的δ13C值将下降，即13C被耗空到C3作物条件下土壤的水平（-27‰）。

2.应用概况

安芷生等通过对黄土元素碳和δ13C的研究，认为TC是生物量燃烧的产物，其δ13C值反映了火灾所燃烧的植被类型，δ13C值的范围从-8.79‰～-21.34‰，平均为-17.31‰，认为近十五万年来渭南地区的植被类型以草本植物为绝大多数。

张玉芬等（2005）在对江汉平原湖区沉积物的δ13C进行研究后认为：①沉积岩心为近代沉积物，有机质未经成岩过程，其δ13C基本上反映了沉积前有机质的δ13C值，因此用沉积物中的δ13C值指示当时植被生长的气候环境和湖水平面变化的过程是有效的；②气候变冷，降水减少，湖盆水位变浅或干涸，会使原本在还原环境下形成的有机质遭受氧化，也会出现δ13C值偏正；暖湿的气候条件下湖区生产力较大，δ13C值偏负。他们的结论似乎是沉积物的δ13C值与气温成反比关系。

但其他人有相反的结论，如彭红霞等（2003）对鄱阳湖有机碳的δ13C值研究后认为沉积物中有机碳的δ13C值与气温成正比关系：鄱阳湖有机碳的δ13C值为-30.5‰～-22.4‰，平均值为-26.9‰，属于C3植物，主要为高等植物来源，因此沉积物中有机碳的δ13C值与气温成正比关系。

我们认为，从C4植物有较高的δ13C值及影响植物δ13C值因素的基本原理出发，应该是沉积物的δ13C值与气温成正比关系，即δ13C值越偏负，气温越低。