德國elementar / 2024年12月份電子報 - 從蚯蚓方解石顆粒 δ18O 分析推論古氣候

同位素和古氣候

蚯蚓具有在其環境中排出方解石顆粒的生物能力，作為其生理生命週期的一部分。蚯蚓方解石顆粒被評估為末次冰期黃土背景下絕對空氣和土壤溫度的新生物指示劑和氣候代表。蚯蚓排出的方解石顆粒由菱形方解石晶體組成，排列成放射狀晶體結構。這些顆粒是由蚯蚓在生產期間以相對較快的速度單獨產生的，因此它們有望記錄來自滲濾水的可用氧氣來源的年內變化，這些滲濾水主要來自大氣層。

這個想法是，方解石顆粒將作為方解石 δ¹⁸O 同位素特徵中記錄的溫度變化的見證。在德國萊茵河谷，努斯洛赫黃土-古土壤序列因其極高的沉積速率和良好的年代控製而被認為是西歐末次冰期最完整的記錄之一。來自該序列的樣本可以為古環境重建提供新的代理。使用 isoprime precisION 雙路進樣Dual inlet和 iso FLOW 使研究人員能夠以高精度和準確度確定每個顆粒的同位素組成。

分析方法

使用配置為雙路進樣模式並與 MultiPrep 樣品製備模組結合 Isoprime-100 同位素比質譜儀，按照為碳酸鹽同位素測量建立的經典方案，測量每個顆粒的氧同位素比。目前能夠進行這種分析的分析產品是 isoprime precisION 雙路進樣系統和 iso FLOW 樣品製備系統。
 

蚯蚓方解石顆粒是從11 個不同的5 公分厚的層中提取的，這些層來自努斯洛赫黃土-古土壤地層序列（德國萊茵河谷）的苔原灰土和棕色土壤層，年代為45 至23 ka 。

結果

從 Nussloch P8 剖面的 11 層獲得的蚯蚓顆粒的 δ¹⁸O 值如圖 1 所示。苔原灰土和棕色土壤的平均顆粒 δ¹⁸O_VPDB 值分別為 -5.4 ± 2.1 ‰ 和 -5.0 ± 1.8 ‰。統計檢定程序表明，苔原隱層和棕壤之間的 δ¹⁸O_VPDB 值存在統計差異（p 值 = 0.068），這意味著這兩種類型的土壤單位之間存在一些差異。

圖 1. 圖 A 和 B 說明了蚯蚓方解石顆粒的氧同位素組成與德國努斯洛赫 P8 剖面地層序列的函數關係。顆粒是從四個苔原灰層 (A)、兩個棕色土壤和 Gräselberger Boden (B) 中提取的。圖 C 和 D 顯示了苔原灰層 (C) 以及北極和北方棕色層 (D) 蚯蚓方解石顆粒的 δ¹⁸O 頻率分布圖。此曲線說明了對常態分佈的擬合。

顆粒方解石的氧同位素組成與土壤溫度和土壤水的同位素組成有關。土壤水δ¹⁸O_VPDB值主要反映降雨量，其本身與中高緯度地區平均氣溫線性相關。因此，可以建立δ¹⁸O與年平均氣溫（Ta）的線性方程式。透過結合文獻中的不同方程，可以計算出一年中蚯蚓活躍並產生顆粒的時期的氣溫

目前的蚯蚓活動具有季節性，在春季和秋季達到高峰。可以合理地假設，在末次冰河期，蚯蚓的生產活動發生在一年中最溫暖的月份，即五月至九月。蚯蚓方解石顆粒的δ¹⁸O_VPDB氧同位素組成應該有可能記錄一年中最熱的時期而不是年平均溫度。

因此，苔原灰層形成期間（暖季）的平均土壤溫度為 13 ± 4°C，而北極和北方棕色土壤形成期間的平均土壤溫度為 15 ± 3°C（見圖 2）。從兩個北方棕色土壤推斷出的記錄土壤溫度與不同站點記錄的北極環境土壤溫度剖面一致。

使用預先建立的有關氣溫(Ta) 和土壤溫度(Ts) 的經驗方程，可以估計暖季期間的平均氣溫，在苔原灰層形成期間為12 ± 4°C，在苔原灰層形成期間為13 ± 3 P8剖面中北極和北方棕壤形成過程中的°C。

圖 2. 根據德國努斯洛赫 P8 剖面的蚯蚓方解石顆粒測量的 δ¹⁸O_VPDB 值計算出的土壤和空氣溫度。上半部代表對應於五個選定的苔原隱谷層的溫度，而下半部則表示對應於六個選定的北方棕壤的溫度。誤差線顯示了與所有測量的平均氧同位素比相關的標準偏差 (1σ)。

結論

使用 Elementar 同位素比質譜儀系統在碳酸鹽模式下進行的氧同位素分析已成功用於確定蚯蚓方解石顆粒的成分。

來自德國努斯洛赫的分析已成功用於重建黃土環境中最後一次冰川苔原溝壑和古土壤形成過程中的土壤和空氣溫度。這些溫度重建對於幫助了解動植物對全球氣候變遷的適應具有重要意義。

致謝

isoprime precisION 雙路進樣式質譜儀與 iso FLOW 結合提供的高水平分析性能可以對方解石顆粒進行詳細分析。這反過來又為氣候變遷研究提供了重要資訊。

我們衷心感謝法國里昂克勞德伯納德大學的 François Fourel 博士在本應用說明的撰寫過程中提供的幫助和支持。原始論文可以在這裡找到： Charlotte Prud'homme、Christophe Lécuyer、Pierre Antoine、Olivier Moine、Christine Hatté、François Fourel、François Martineau、Denis-Didier Rousseau，根據’’Palaeotemperature reconstruction during the Last Glacial from δ18O of earthworm calcite granules from Nussloch loess sequence, Germany, Earth and Planetary Science Letters 442, 13–20, 2016’’。

資料來源:elementar官網