植物有两种主要的光合作用方式：一种光合作用初级产物是三碳化合物，称为C₃植物；另一种光合作用初级产物是四碳化合物，称为C₄植物。二者适应的气候条件有很大差异。最近，许多模拟研究表明，全球变暖将导致东亚地区的降水增加。从植物生理学的角度看，气候变化将使该地区的C₃/C₄生物量发生显著变化，进而影响农业生产和全球碳循环，有必要就此展开深入评估。土壤碳酸盐的δ¹³C值很好地反映了C₃/C₄植被组成，其δ¹⁸O值则记录了大气降水的氧同位素信号，因此研究δ¹³C－δ¹⁸O的关系为理解气候和植被的关联提供了切入点。

 附图说明：黄土高原成壤碳酸盐形成季节性的概念模型。A) 黄土高原北部（弱季风区）；B) 黄土高原南部（夏季风相对强盛）。红线为大气降水δ¹⁸O的月均值，蓝色虚线为雨量。

地质与地球物理研究所新生代地质与环境研究室杨石岭研究员等对黄土高原现代碳酸盐和过去3个暖期中形成的钙结核进行了同位素分析。通过比较现代碳酸盐的δ¹⁸O实测值和理论预测值，发现成壤碳酸盐主要形成于夏季风盛行的雨季。古土壤钙结核的碳氧同位素呈现出很好的负相关性。综合现代气象数据和C₃/C₄植物的生理学特征，他们构建了雨量、降水δ¹⁸O和土壤碳酸盐形成的概念模型。该模型显示，夏季风弱则雨季集中在夏季，该季节适宜C₄植物生长（其δ¹³C偏正）且降水的δ¹⁸O相对偏负，因此导致了碳酸盐碳氧同位素的负相关性。模型进一步显示，碳酸盐的碳氧同位素值越分散，表明雨季越宽，说明夏季风越强盛。高分辨率数据显示，钙结核内部碳氧同位素值有很好的共变性，暗示C₃/C₄植被对夏季风降水变化的快速、强烈响应。此外，根据植被的空间变化，如果将末次间冰期（约12.8－7.3万年间）作为未来增温1－1.5 °C的相似型，那么黄土高原南部将适宜种植C₃农作物（如小麦、大豆等），北部则适宜种植C₄农作物（如玉米、高粱、谷子等）。这一认识对我国北方农业生产规划有重要参考意义。

该研究成果近期发表在国际知名的环境学研究期刊Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology上（Yang et al. Negative δ¹⁸O-δ¹³C relationship of pedogenic carbonate from northern China indicates a strong response of C₃/C₄ biomass to the seasonality of Asian monsoon precipitation. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 2012, 317/318: 32-40）。

原文链接