石筍碳同位素基理

岩溶系統中碳同位素的變化較為複雜，在 70 年代即有學者系統性地說明了 影響洞穴石筍¹³C 的來源、控制因素及同位素分餾的機制 (Hendy, 1971)，洞穴 碳酸鈣的¹³C 主要取決於大氣 CO2、土壤中的 CO2及基岩溶解的碳同位素組成。

在岩溶生態系統中，碳元素的運移過程是：大氣 CO2─植被─土壤 CO2─土壤 水 DIC (溶解基岩)─洞穴滴水─洞穴次生化學沉積物 (Li et al., 2012)。土壤中的 空氣和大氣中的空氣組成差異很大，由於植物和微生物在土壤中會進行呼吸作 用，造成土壤的二氧化碳濃度比大氣中的高，大氣 CO2平均濃度約 380 ppm，

土壤空氣中的 CO₂濃度可達 10⁴ ppm。再者，由大氣降水到洞穴滴水過程中，岩 溶系統於開放體系和封閉體系不同的環境下，碳酸鈣¹³C 的變化受基岩影響的 程度相差很大。開放體系下，洞穴碳酸鈣主要反映了洞穴上覆土壤 CO₂的¹³C 值變化；而在封閉體系下，石灰岩母岩對洞穴碳酸鈣¹³C 值的貢獻可達 50％，

但在自然界中大部分的岩溶系統為開放體系。因此，控制洞穴沉積碳酸鈣的¹³C 值主要受到土壤 CO2之¹³C 值變化和在滲流水中溶解的土壤 CO2與溶解母岩碳 來源比例的影響 (圖 1-5)。土壤中的 CO₂主要來自於植物的呼吸作用、微生物 的分解等，其土壤 CO2的¹³C 值會受到上覆植被的型態及發育影響。

植物依其光合作用機制的分別可以分為三大類：C3 植物、C4 植物、CAM 植物。簡單來說，我們知道木本植物較原始，草本植物較進化，而 C3 植物較原 始，C4 植物較進化，像是較原始的蕨類植物和裸子植物就沒有 C4 植物，只有 較進化的草本、被子植物中才有 C4 植物。大部分農作物如水稻、小麥、棉花、

大豆，蔬菜，蕨類，裸子植物及重要木本植物 (除紅杉等) 都是 C3 植物；玉米、

高粱、甘蔗、黍、粟等幾種適合於高溫、強光和乾旱條件下生長的植物為 C4 植物。一般 C3 植物種類的碳同位素組成較輕，其¹³C 值為 -22 ~ -34 ‰，平均 約 -27 ‰ (VPDB)；C4 植物種類的碳同位素較重，¹³C 值為 -9 ~ -19 ‰，平均 約為 -13 ‰ (VPDB)；母岩的¹³C 值一般約為 1 ~ -2 ‰。考慮同位素平衡的條件

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下，洞穴碳酸鈣沉積的¹³C 值在 C3 植被覆蓋地區約為 -9 ~ -14 ‰；在 C4 植被 覆蓋地區約為 -4 ~ -8 ‰，但實際情況要視溶解在滲流水中的土壤 CO₂和母岩 CO2的混合比例而有所不同。而在洞穴滴水沉積石筍的過程中，必須注意石筍 的碳同位素比氧同位素更容易受到蒸發作用、滴水的快速脫氣、滴水點的速度 快慢等因素影響其¹³C 值波動，在應用石筍碳同位素於古氣候研究時，需多加 考慮可能造成擾動的過程。

對以上石筍碳同位素的意義簡述，石筍裡面碳的來源主要來自土壤中的二 氧化碳和來自溶解石灰岩母岩。上覆地表植被的形態及發育多寡會影響土壤二 氧化碳的碳同位素組成，並且溶解自土壤二氧化碳和母岩兩者的比例變動也會 造成碳同位素值的變化。而如果水流的狀況是較為恆常的狀態，也就是溶解的 碳酸鹽的比例是一個變化不大的值的話，就會像是一個背景值的貢獻。再者，

雖然在洞穴還有上述脫氣作用或其它造成動力分餾的因素會影響，但是這些影 響因素主要是在更短時間尺度上面的。因此，從長時間尺度上來看控制碳同位 素的變化主要因素為植被的變化，碳同位素輕的方向指示植被比較發育或 C3 植物比例比較高；碳同位素往重的方向則是相反，植被較不發育。植被不發育 可能有兩種情況，一個是氣候的原因，另外一個還有人類活動的影響，例如人 住進來將森林破壞掉了，植被情況也就變差，所以對碳同位素的變化來說，既 包含自然的因素，也可能包含人類的因素。

由以上對石筍碳氧同位素的說明，可以知道在季風氣候區，石筍氧同位素 紀錄主要指示降雨量變化的氣候乾濕情況；石筍碳同位素紀錄則主要指示當地 植被環境的情況 (植被發育、密度及 C3/C4 植物種類的比例變化)，間接地提供 了連結氣候的信息。

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圖 1-5、洞穴沉積物碳來源示意圖。沉積石筍的洞穴滲流水溶解 HCO₃^-之碳來源 主要有土壤中 CO2和來自溶解石灰岩圍岩的碳貢獻。

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