随着黄土和第四纪地质学研究的不断深入，加强过去与现代相结合的环境变化研究是实现“将今论古”的关键突破口，也是地球系统科学研究的重要内容之一。实验室从现代环境过程研究入手，深入理解环境代用指标机理、探索新的代用指标，针对不同环境代用指标的不确定性和多解性，加强现代环境过程的物理/化学机制与代用指标制约要素的系统研究。我们利用湖泊、河流与地下水中各类样品的C、N、O同位素变化特征，示踪了青藏高原和黄土高原各类生态系统中过去和现代环境变化及物质循环的过程。主要包括以下三方面工作：

1）河流生态系统中同位素示踪的碳氮迁移过程

针对黄土高原地区的水土流失现状，通过对黄土高原河流碳、氮同位素研究，讨论了水土流失过程中的碳、氮迁移方式。通过黄土高原小流域C、N同位素调查研究发现，河水δ¹⁵N–NO₃^-、δ¹³C_DIC值在丰水期 (8月份) 和枯水期 (5月份) 表现出显著差异，记录了水土流失过程中进入水体C、N物质发生的改变；河流悬浮物有机碳、氮同位素变化，揭示了该流域在丰水期 (8月份) 发生了较为严重的水土流失过程；丰水期和枯水期，小流域C、N循环和水土流失过程受降雨、土地利用类型和植被类型影响。这项工作也表明，同位素示踪可以作为河流生态系统中物质循环的有效示踪方法 (Liu and Xing, 2012, Chemical Geology)。

图1：碳氮同位素指示的流域水土流失过程中的物质迁移过程

2）城市生态系统中水体硝酸盐污染的同位素示踪

通过研究西安市降水硝酸盐同位素，认识到气团来源的变化不是造成雨水δ¹⁵N–NO₃^-值变化的主要因素。局地季节性氮素来源的变化，例如，暖季农田使用化肥量增加，冷季城市供暖造成化石燃料使用增多，可能会影响雨水δ¹⁵N–NO₃^-值变化。不同的气象污染物和气象因子条件下，西安市降雨过程中发生了不同氧化反应，从而造成雨水同位素值的变化。在冷季节，雨水δ¹⁵N–NO₃^-值和温度明显的负相关性表明在NO₂、NO₃和N₂O₅的平衡反应中，氧化态更高的物质进入雨水后δ¹⁵N值越正。在冬季干旱少雨的中国西北地区，雨水量变化导致的稀释作用也是降水中δ¹⁵N–NO₃^-值波动的原因之一 (Xing and Liu, 2013, Applied Geochemistry)。

随着城市化进程的发展，西安市地下水硝酸盐污染日趋严重，研究发现西安市地下水主要污染来源为人类活动用水和农业活动用水。由于西安地下水中反硝化作用较弱，因此，该区域水体自净能力较差。研究还发现，西安市区地下水硝酸盐δ¹⁵N–NO₃^-值和人口密度呈明显的正相关性，说明人类活动会对地下水水质造成严重影响。同位素分析手段有助于研究者探明污染区主要污染源及存在的生化反应过程，从而帮助管理者有效制定相关政策控制污染(Xing and Liu, 2012, Applied Geochemistry)。

图2：西安市区降水及地下水NO₃^-δ¹⁵N指示的硝酸盐分布情况及来源示踪

左：降水同位素的季节变化；右：同位素指示的地下水中硝酸盐污染的不同来源

3）湖泊介形类碳、氧同位素指示的青藏高原过去环境变化

湖泊介形类的碳、氧同位素分馏可以灵敏的响应水体环境的变化，因此可以作为过去环境变化的有效指标。通过分析德令哈尕海150 年以来的介形类壳体氧同位素组成变化特征，结合现代气象资料及树轮恢复的降水数据，对介形类壳体氧同位素的环境指示意义进行了研究，结果显示德令哈尕海介形类壳体氧同位素组成可能记录了该区降水量的变化，在降水来源不变的前提下介形类氧同位素组成可以用来恢复该区短时间尺度降水量变化 (Li et al., 2012, Global and Planetary Change)。

图3青藏高原湖泊中介形虫同位素记录指示的环境变化

左：介形氧同位素记录的150年来降水历史；右：介形碳同位素同位素指示全新世以来湖泊盐度及生产力变化

在认识介形类种属和其碳同位素组成以及青海湖有机碳环境指示意义基础上，利用青海湖12 ka 以来的介形类种属及碳同位素组成变化探讨了全新世以来湖泊初级生产力及盐度的变化。结果显示，早全新世，湖水盐度和初级生产力水平较高，高盐度和高生产力水平可能主要由高温和其导致的高蒸发造成；7.4 ka 之后，湖水盐度和生产力水平降低，可能与降温和水位上升有关；3.5 ka 之后，湖水盐度和湖泊生产力水平逐渐升高，此间湖泊水位相对稳定并达到最高水位，湖水盐度和生产力水平升高，可能与全新世晚期温度上升以及有效湿度降低有关 (Li and Liu, 2014, Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology)。