中国现代陆生蜗牛壳体碳氧同位素组成的分布特征及其气候响应

罗 铃，沈 华，鲍 睿，谈昊林，李成龙*，盛雪芬

1. 南京大学 表生地球化学教育部重点实验室，地球科学与工程学院，南京 210023；2. 南京大学 生命科学学院，南京 210023；3. 南京师范大学 地理科学学院，虚拟地理环境教育部重点实验室，南京 210023

1 前言

软体动物的壳体主要由碳酸钙（~95%）及其他5%的蛋白质、生物成因硅质及少量水组成（Suzuki and Nagasawa, 2013）。陆生蜗牛是地表环境中主要的软体动物之一，其壳体主要由文石组成，蜗牛通过新陈代谢吸取环境中有机碳（食物来源）和少量无机碳、钙等物质，通过生物矿化过程形成碳酸钙外壳，并在此过程记录了湿度、温度等环境因素，因此软体动物壳体是环境和气候的记录者（Gröke and Gilligin 2008）。中国北方地区连续沉积的黄土—古土壤剖面是蜗牛化石的巨大储库（刘东生，1985；Wu et al., 2018），蜗牛化石是古气候古环境研究中的重要地质载体（刘东生，1985;Rousseau, 1990; Preece and Day, 1994; Marcolini et al., 2003; Pigati et al., 2004; Prendergast and Stevens,2015）。蜗牛壳体碳酸盐碳氧同位素组成（δ13C和δ18O）可以提供古生态和古气候信息（Magaritz and Heller, 1980; Lécolle,1985; Goodfriend, 1987, 1988;Goodfriend and Ellis, 2000; Leone et al., 2000; Yanes et al., 2013a, 2013b; Colonese et al., 2014; Bao et al.,2022），被广泛应用于第四纪以来的古环境植被恢复及古气候干旱度与古降水重建。

秉承地质学领域“将今论古”传统的思维和研究方法，要搞清楚地质历史时期陆生蜗牛记录的古环境与古气候状态，须先阐明现代过程中蜗牛壳体碳氧同位素组成与环境因子之间的有机联系（鲍睿和盛雪芬，2015；鲍睿等，2021）。结合野外现生蜗牛和室内饲养实验的现代过程研究发现：蜗牛壳体δ13C组成主要受控于食物有机碳的δ13C组成（Goodfriend and Ellis, 2002; Stott, 2002; Balakrishnan et al., 2005; Baldini et al., 2007; 刘宗秀等，2006; Liu and Gu, 2007; Yanes et al., 2009; Zhang et al., 2014; 朱莉莉等，2015; Prendergast et al., 2017; Yanes et al.,2018; Tan et al., 2023）。该结论为利用壳体δ13C重建蜗牛栖息地植被类型（例如C3和C4等具有不同光合作用类型的植物），进而为恢复当地生态背景提供了理论基础（Yapp, 1979; Francey, 1983;Goodfriend and Ellis, 2002; Stott, 2002; Metref et al.,2003; Balakrishnan et al., 2005; Baldini et al., 2007） 。前人通过汇集全球植物碳同位素和代表C3植被的表土土壤碳同位素组成数据分析得知，植物δ13C和表土有机质δ13C值均与当地年均降水量呈负相关关系（Kohn, 2010; Rao et al., 2017）。因此蜗牛壳体δ13C可以通过记录植被信息，进而反映气候条件的变化，例如，水分胁迫条件和温度的变化信息（Leng and Lewis, 2016; Prendergast et al., 2017; Bao et al., 2018, 2019, 2020）。另外在一定的环境条件下，蜗牛的种属、生理生态因素、生境微环境、矿物相变等在一定程度上也会影响蜗牛壳体碳同位素组成（Goodfriend and Magaritz, 1987; Goodfriend and Eliis, 2002; Wang et al., 2016; Bao et al., 2018; 李成龙等，2018; Zhai et al., 2019; Li et al., 2020）。

相比碳同位素。蜗牛壳体氧同位素组成受多种环境变量的影响。Balakrishnan和Yapp（2004） 利用模型预测提出了制约蜗牛氧同位素的环境因子为温度、相对湿度、周围水蒸气的氧同位素以及蜗牛摄入水的氧同位素。目前针对蜗牛氧同位素的环境意义存在以下几种解释：（1）与降水氧同位素和大气降水之间在某些地区存在一定关系，例如：Lécolle（1985）发现壳体δ18O值与降水氧同位素组成的年平均值呈现良好的相关性，同时与温度的相关性也较好；Leng等（1998）发现埃塞俄比亚地区的沿蜗牛壳体生长带的氧同位素组成呈现周期性变化，且这种变化周期和变化幅度受降雨量和降水同位素组成的季节性变化影响；刘宗秀等（2006）对我国黄土高原地区的现生蜗牛壳体氧同位素组成进行分析，发现其主要受夏季风降水氧同位素组成控制，壳体δ18O值与夏季季风降雨量呈显著负相关。Bao等（2019）发现在中国中纬度地区，壳体δ18O与降雨量也存在一定相关性。（2）一定程度上，壳体δ18O值受到湿度或蒸发效应的影响：Yapp （1979）发现美国地区现生蜗牛壳体δ18O和当地的相对湿度的倒数存在明显的线性关系；Yanes等（2018）对来自阿巴拉契亚山脉海拔为700~1600 m的大体型蜗牛研究分析发现，其氧同位素组成主要记录沿海拔梯度带上降水年均氧同位素组成和相对湿度的变化；Balakrishnan等（2005）沿东西向降水梯度带分别对美国大平原南部、俄克拉荷马州和新墨西哥州的现生蜗牛进行调查研究，发现降水氧同位素组成、相对湿度、以及温度均对蜗牛壳体δ18O具有一定控制作用。（3）与水汽源区的关系：Yanes等（2017）通过研究明尼苏达州西北部现生小型蜗牛发现，蜗牛壳体δ18O组成能够追踪降水源区的氧同位素组成信息。

综上所述，蜗牛壳体碳氧同位素组成受气候因子如温度、降水量、相对湿度、蒸发强度等影响。蜗牛壳体碳同位素组成与环境因子之间的关系相对比较简单，壳体氧同位素组成的环境意义仍不明确。此外蜗牛壳体形成时还受蜗牛自身的生理状态影响，造成壳体δ18O组成差异（Balakrishnan and Yapp, 2004; 鲍睿等，2015），比如同一采样点不同种属蜗牛的碳氧同位素存在差异，同一采样点相同种属蜗牛记录的碳氧同位素值也不同（Bao et al.,2018, 2019）。但在较大空间尺度上，尤其是蜗牛壳体碳同位素组成与降水量存在着很好的负相关性（Bao et al., 2018, 2019）。目前，东亚季风区的陆生蜗牛壳体碳氧同位素组成与气候参数之间的半定量—定量关系研究已逐步开展，主要集中在东亚季风系统控制的中国东部地区以及黄土高原地区（Xu et al., 2011; Bao et al., 2018, 2019; Wang et al., 2019,2020）。相对这些地区，受西风带影响的新疆地区、受印度季风影响的西南地区以及东亚季风北缘的东北地区尚未开展或仅有零星的类似研究，并且从全国范围内进行不同气候背景下壳体稳定同位素组成的区域对比研究仍很少报道。因此，本文在前人已有数据的基础上，补充采集了中国西北西南和东北地区的现生蜗牛碳氧同位素样品，通过与东亚季风区的数据结果的对比研究，来探究陆生蜗牛碳氧同位素在较大空间不同气候带中对于气候响应的机制，弄清陆生蜗牛壳体在空间上的分布特征以及环境响应程度。与此同时，蜗牛壳体碳氧同位素的空间上的环境响应也为后续的古季风空间变化研究提供理论依据。

2 采样与方法

2.1 样品采样

如图1所示，就中国而言，目前已有的现生蜗牛壳体碳氧同位素研究主要集中在东亚季风区。而在亚洲季风区北缘东北地区、西风带影响的新疆地区以及印度季风影响的云贵川地区研究相对较为薄弱。因此本次研究中对于上述三个地区进行补充采样，分别是2016年6~8月在新疆和川西地区开展野外工作，以及2018年7~8月在东北吉林至长白山沿线及长白山山区开展的野外工作。采样区域经纬度范围为：N 29°22′46.5″—N 43°50′14.1″，E 80°57′25″—E 128°10′35.9″。采样区域横跨中国东西平原—丘陵—山地—高原—沙漠多种地貌类型和生态环境，区内气候类型复杂，包括亚热带季风气候、温带季风气候、高山高原气候以及温带大陆性气候。新疆地区从昭苏至伊犁河谷地区采样点降水量区间为200~450 mm。西南四川地区野外工作从四川盆地到川西高原地区，降水量从西向东差异较大，四川地区采样点降水量区间为650~1300 mm。东北地区向东从吉林长春至长白山地区，向西从丹东到内蒙古地区每隔50 mm降水量变化布点，沿等降水量线采集蜗牛样品。野外样品采集点的布点位置要求远离人类活动、农业灌溉区域，以避免人为干扰或生产污染对采样点的蜗牛造成影响。通常选取植被覆盖度较高的地点进行采集蜗牛及其他相关样品，植被垂直分成为乔木或灌木，下层为草本植物，亦有少数蜗牛活体采集于裸露的岩壁、地表位置。采集地点共有24个，每个地点采集到3~20个蜗牛壳体，共计147个蜗牛壳体，每个壳体均用于后续同位素测量。

图1 中国地区现生蜗牛壳体采样点分布图（除了本次研究新增数据，其余数据引自 Xu et al., 2011; Bao et al., 2018, 2019;Guo et al., 2019; Wang et al., 2019; Bao et al., 2020; Dong et al., 2020; Wang et al., 2020）Fig. 1 The location of sampling sites of modern snail shells in China (Except the sites added in this study, the other data are cited from previous studies:Xu et al., 2011; Bao et al., 2018, 2019; Guo et al., 2019; Wang et al., 2019; Bao et al., 2020; Dong et al., 2020; Wang et al., 2020)

2.2 前处理及测试方法：

壳体直接放置于去离子水中，然后利用超声波清洗15~20 min去除壳体表面的附着的杂质及有机质，进行多次清洗，待清洗水质明显清晰，清洗过的壳体适当的破碎并加入10%的H2O2溶液，静置反应24 h，以完全去除壳体附着的和壳体层间的有机质。H2O2处理会导致碳酸盐的碳氧同位素的偏差（ Zhang et al., 2020），碳同位素可能存在CO2-HCO3--CaCO3的置换反应，氧同位素可能发生H2O2-H2O-CaCO3的置换，但由于同一批样品都采用相同的处理流程造成的偏差相同，不影响后续讨论。待反应完毕后，利用去离子水进行超声波清洗3次，每次10~15 min，然后放置于50℃烘箱24 h烘干后备用。利用玛瑙研钵将清洗烘干后的蜗牛壳体碎片充分研磨至200目，收集待测。

本文新增的蜗牛壳体样品在南京大学地球科学与工程学院“内生金属矿床成矿机制研究”国家重点实验室进行测试分析，每个蜗牛壳体均用于后续测试。壳体δ13C、δ18O的测定主要采用了磷酸法进行分析测试，测试所用仪器为气体同位素质谱仪MAT253，其δ13C测试精度优于0.03‰，δ18O测试精度优于0.04‰。蜗牛壳体无机碳酸盐的测定步骤如下：取约0.1 mg的蜗牛壳体粉末置于样品管中，在70℃真空环境下，利用外接装置Gas bench与103%的H3PO4充分反应，壳体碳酸盐分解产生CO2气体，通过气体同位素质谱仪测得反应后产生的CO2的13C/12C 和18O/16O值，经过以下公式换算得到相对于PDB标准的δ13C和δ18O：

2.3 气候参数的获得和计算

气象数据来自于中国气象数据网839个气象站点的数据，记录了2010年1月到2017年10月的日值气象数据。数据缺失是一个广泛存在的现象，可能对气象数据的均值存在影响，因此对于不同类型的数据缺失我们采用以下方法：第一点，我们剔除了数据缺失率大于5%的气象站点；第二点，对于月内出现零散日数据的缺失，我们以月为单位，排除缺失数据后计算各月的平均日降雨量、平均日蒸发量、月均温度和月均相对湿度，再以各月的最大天数乘以各月的平均日降雨量和平均日蒸发量，以此作为最接近真实情况的月累计降雨量和蒸发量，获得了8年间各月，共94组月气象参数；第三点，对于整月数据缺失的情况，由于中国气候有着典型的季风气候特点，各月的气象参数差异极其显著，整月的数据缺失会较大地影响数据的权重分布，因此不可以直接用各年的年均气象参数来计算多年的平均气象参数。考虑到不同年份之间相同月份的气候参数更接近，更能代表数据缺失月的真实情况。因此我们利用不同年份之间相同月份的月气象参数分别计算了一到十二月的月均降雨量、月均蒸发量、月均温度和月均相对湿度。最后再将各月的月均降雨量和月均蒸发量分别相加，作为年均降雨量和年均蒸发量；月均温度和月均相对湿度分别做加权平均，作为年均温度和年均相对湿度。另外，干燥度由年均蒸发量除以年均降雨量获得。各蜗牛采样点的气象参数则根据IDW法（Inverse Distance Weighted）插值计算后获得。

3 结果与讨论

3.1 蜗牛壳体碳同位素空间分布及控制因素

3.1.1 蜗牛壳体碳同位素空间分布特征

图2结合了本次研究结果和已有现生陆生蜗牛碳同位素组成在空间上的分布情况（图1），本次研究结果发现蜗牛壳体碳同位素最小值为-16.81‰，出现在四川地区；最大值为-8.79‰，出现在新疆果子沟地区，与已发表的最大值（兰州地区）为-5.12‰，都是在西风带地区；东亚季风区的蜗牛壳体碳同位素介于二者之间。所有蜗牛壳体碳同位素数据的平均值为-10.89‰。空间分布规律如下：由中国东南沿海向内陆西北方向至黄土高原以及内蒙一带，蜗牛壳体δ13C值逐渐增大，其中东南沿海地区蜗牛壳体δ13C值最小，西北黄土高原及内蒙一带蜗牛壳体δ13C值最大。但值得注意的是，同处于东亚季风气候系统控制的东北地区，蜗牛壳体δ13C值相较于同纬度的内蒙地区而言偏负。西南地区蜗牛壳体相对于同纬度蜗牛壳体贫化13C，而新疆地区蜗牛壳体相对而言富集13C。

图2 中国地区的蜗牛壳体δ13C值分布情况Fig. 2 Distribution of δ13C of land snail shells in China

3.1.2 蜗牛壳体碳同位素组成受控因素

3.1.2.1 植被类型的影响

先前的野外或实验室饲养实验研究均表明，陆生蜗牛壳体碳同位素主要受到所食植物的碳同位素影响（Stott, 2002; Balakrishnan et al., 2005; 朱莉莉等，2015），并且因为壳体与食物碳同位素组成之间的较为稳定分馏值，可以反映植被碳同位素组成信息，但是在记录所反映的是C3/C4植物比例还是不同水利用效率C3植物存在一定争议。C3植被环境下的蜗牛壳体δ13C值明显低于纯C4植被下的蜗牛（Zhang et al., 2014; 朱莉莉等，2015），而C3、C4混合环境中的壳体δ13C值则介于二者之间；不同C3植物之间也会因对环境中水分的利用效率存在差异而使得碳同位素组成存在明显差异，更正的壳体δ13C值指示水利用效率高的C3植物占比更高。为此，本次研究结合前人植物碳同位素数据，着重讨论植被对于蜗牛壳体碳同位素的影响。通过汇总全国陆生蜗牛壳体碳同位素数据，可以发现，蜗牛壳体碳同位素与年均降水量具有负相关性（图3b），斜率为-0.27‰/100 mm/年，与中国北方 C3植物δ13C值响应降雨量的变化速率（-0.40‰/100 mm/年，Wang et al., 2013）相比绝对值略低一些。可能表明蜗牛壳体碳同位素不只是记录C3植被，可能也包含一定C4植被信息，这一点也由前人发现东亚季风区Cathaica属种蜗牛碳同位素能够记录C3/C4植被信息可知（Wang et al., 2019），该研究发现壳体碳同位素不单单记录不同水分胁迫C3植物的碳同位素，也包含C4植被的信息，降低对于年均降水量的响应。Cathaica属种蜗牛主要分布在北方地区，在无该种属分布的中纬度地区，Bao等（2019）发现蜗牛壳体碳同位素与降水关系变为-0.30‰/100 mm/年，与C3植物响应降水的斜率较为接近，这说明对于大部分属种蜗牛碳同位素记录的是不同水分胁迫的C3植物的碳同位素信息。另外，在选择400 mm降水量附近的蜗牛壳体碳同位素和温度数据进行分析时发现，蜗牛壳体碳同位素随温度的变化斜率为-0.13‰/℃，与C3植物与温度关系较为接近（Wang et al., 2019），进一步表明蜗牛壳体碳同位素主要是记录C3植被的信息，而不是C3/C4植被比例的变化。

图3 中国地区蜗牛壳体δ13C与气候因子的关系（图3a中相关分析选择的年均温大于9.5℃的样品点进行分析，数据来源同图1）Fig. 3 The relationships between δ13C of land snail shells and climate factors in China(The regression relationship in Fig 3a is done by using sampling sites, which the mean annual temperature is larger than 9.5℃. The data source is as the same as in fig. 1)

3.1.2.2 与气候参数的关系

在讨论气候参数与蜗牛壳体碳同位素之前，我们先来讨论下蜗牛采样地点各个气候因子之间的关系，我们发现年均降水量与年均相对湿度、年均潜在蒸发量和干燥度之间具有一定的相关性（图4a，b，c），相反年均温与年均相对湿度、年均潜在蒸发量和干燥度之间无明显关系（图4e，f，g）。其中年均降水量与年均相对湿度正相关，年均降水量与年均潜在蒸发量成U形，原因如下：降水量与空气湿度正相关，当空气湿度增加时，会抑制液态水转化为气态水，因此减少了蒸发量。器测蒸发量与降水量的关系呈现U形，中国四十年蒸发量与气候因子研究中也发现蒸发量与降水量相关性在不同地区有所不同，相关系数从-0.77到+0.19发生改变（左洪超等，2005），可能是导致二者关系呈现U形的原因。又因为干燥度是利用年均潜在蒸发量除以年均降水量，因此表明年均相对湿度、年均潜在蒸发量和干燥度主要受到年均降水量的控制。

图4 研究地区的气候因子的关系图（数据来源于利用中国气象数据网的气象数据插值获得）Fig. 4 Relationships between different climate factors in study area (The data source is interpolated using meteorological data from China Meteorological Data Network)

如图3所示，在全国范围内，蜗牛壳体碳同位素组成与年均温度和年均降水之间有良好的相关关系（图3a，b）。蜗牛壳体δ13C值在低温区段（＜ 9.5℃）和中高温区段（＞ 9.5℃）对年均温存在不同的响应情况（如图3a），9.5℃以下的地区主要是集中在中国东北地区，黄土高原地区以及新疆地区。在低温区段，蜗牛壳体δ13C值与年均温无显著关系（图3a），可能原因在于上述三个地区处于不同的气候条件，新疆为西风带影响，而黄土高原和东北地区主要是东亚季风影响。而在中高温区段，蜗牛壳体δ13C值与年均温呈现良好的负相关关系（R²=0.47）。随着温度的升高，蜗牛壳体δ13C值逐渐偏负，温度每升高1℃，蜗牛壳体δ13C值减小0.42‰。前人研究发现温度引起的蜗牛壳体碳同位素分馏主要来自于蜗牛体液中碳酸氢根和二氧化碳的分馏过程，这一分馏值与温度的关系介于 -0.10到 -0.17‰ /℃之间（Zhang et al., 2014），但无法完全解释现有的同位素变化值，与此同时全国年均降水量为400 mm的C3植物与温度的关系（0.104‰/℃）相反（Wang et al., 2013），温度引起的植被碳同位素分馏和壳体分馏过程是相互抵消。因此这个值（-0.42‰/℃）不是温度引起壳体δ13C值的变化，可能是降水引起的蜗牛壳体碳同位素变化，这在中国温度梯度较小的海南岛地区得到进一步证实（Tan et al., 2022）。

果不其然，在中国全区范围内，蜗牛壳体碳同位素组成与年均降水量具有良好的负相关关系（R2=0.46）。随着降水量的增加，蜗牛壳体δ13C值逐渐减小，其中降水量每升高100 mm，蜗牛壳体δ13C值减少0.27‰。前人对于Bradybaena碳同位素与降水量的关系时，发现碳同位素与降水量的斜率存在阈值，在800 mm以下，斜率偏大，为-0.33‰/100 mm（Wang et al., 2019），多个属种蜗牛壳体碳同位素数据并没有发现与降水量存在阈值现象，为-0.30‰/100 mm（Bao et al., 2019），可能表明Bradybaena蜗牛对于降水量响应具有属种效应。同时也可以发现蜗牛壳体碳同位素组成与年均相对湿度具有良好的负相关关系（图3c），R2=0.48，进一步说明蜗牛壳体碳同位素可以反映环境干湿变化。

实际上，蜗牛生活和生态行为与当地的整体气候状况有关，例如温度、降雨量或相对湿度均可能在不同程度上影响到壳体同位素组成，因此蒸发量或干燥度可能是一个更为综合更为合理的影响蜗牛生理生态条件的气候参数。基于此，我们分析了蜗牛壳体碳同位素与年均蒸发量之间的关系，发现二者存在微弱正相关（图3d），与log（干燥度）有明显的正相关（图3e），相关性强于与年均降水量和年均相对湿度的关系，因为干燥度是蒸发量和降水量的比值，记录的是可利用水分的变化，因此表明蜗牛壳体碳同位素记录的干湿变化是蜗牛可利用水分的变化，而不是年均降水或年均相对湿度总体干湿的变化。

综上所述，蜗牛壳体δ13C值能很好地响应温度和降水的变化，尤其在年均温度大于9.5℃的研究地区，蜗牛壳体碳同位素组成与温度也有较好的相关性，因此能够记录气候的变化趋势。但我们发现温度阈值效应的存在，以及蜗牛壳体δ13C值记录的可能是可利用水分的变化，而不是年均降水量的变化。与此同时，在中国季风区，温度和降水的协同变化，导致蜗牛壳体碳同位素组成变化幅度增大。因此需对特殊气候条件下的局部生态做更为详尽的研究，进而来探究年均温和年均降水量单一因素下对蜗牛壳体碳同位素组成的影响。

3.2 蜗牛壳体氧同位素空间分布及控制因素

3.2.1 蜗牛壳体氧同位素空间分布特征

图5展现了全国范围内陆生蜗牛壳体氧同位素的空间分布特征，本次研究新增数据点，东北地区δ18O均值为-6.19‰，新疆地区δ18O均值为-2.46‰，四川地区δ18O均值为-2.66‰。可以看出，蜗牛壳体氧同位素最小值出现在哈尔滨地区，为-8.65‰；最大值出现在厦门地区，为0.45‰，两者都为东亚季风区，前者为东亚季风边缘区，后者是临近海洋；而西风带影响地区和印度季风影响地区的蜗牛δ18O变化幅度较小，前者变化范围从-3.45‰到-1.61‰，后者变化范围从-4.34‰到-0.64‰。所有壳体氧同位素的平均值为-3.69‰。对于中国地区蜗牛壳体δ18O值而言，在中国南部海南省、华北地区、以及中国东北地区蜗牛壳体δ18O值偏负。但在中国东部沿海地区，蜗牛壳体δ18O值显著偏正。综上，全国范围内陆生蜗牛壳体氧同位素组成在空间上的分布并没有一个相对一致的趋势。

图5 中国地区的蜗牛壳体δ18O值分布情况Fig. 5 Distribution of δ18O values of land snail shells in China

3.2.2 蜗牛壳体氧同位素组成的受控因素

3.2.2.1 水汽源区的影响

中国大陆地区水汽来源主要来自三个源区：分布最广的东亚季风区，主要分布于由中国东部沿海向内陆延伸至宁夏贺兰山地区，向东北部延伸至我国东北地区，其水汽来源于太平洋。这一区域具有典型的季风性气候特征，降水主要集中在夏季，降水量丰沛。受西风带控制的中国西北内陆地区，其降水水汽来源于大西洋或地中海，降水量相对较低，区域蒸发量较高，如中国新疆地区。受印度季风控制的中国西南地区，其水汽来源于印度洋，季风性气候特征明显，降水量较大（＞1000 mm），温度适中（13~20℃）。综上所述，不同地区具有的不同的水汽来源，且不同水汽的氧同位素值有明显的区别，来自太平洋的水汽在沿岸地区降水氧同位素组成为-6‰~-7‰，而来自印度洋的水汽在西南近源地区的降水氧同位素组成为 -11‰左右（Maher and Thompson, 2012）。所以，这种水汽源的差异可能会影响蜗牛壳体碳氧同位素值。

中国海南地区蜗牛壳体δ18O值整体偏负，可能受雨量效应的影响，近沿海地区，雨量效应明显，降雨量越大，降水δ18O值越小（这与Dansgard（1964）记录的热带亚热带沿海地区降水O具有显著雨量效应的结果是一致的），从而使这些地区的蜗牛壳体δ18O值偏负。福建沿海地区大部分的蜗牛壳体δ18O值偏负，但厦门地区的蜗牛壳体δ18O值最正，这种区域内的差异可能是因为地形条件不同导致的蒸发效应的不同。而中国华北和东北地区蜗牛壳体δ18O值偏负则可能主要与水汽行径路径有关，由图4可知，华北和东北距离太平洋水汽源区较远，由于大陆性效应，由东南沿海至西北内陆，随着水汽的运移，重的氧先随降水沉降，导致越到内陆地区，降水δ18O值越负，蜗牛壳体基本上记录了雨水中的δ18O值而偏负。此外，中部地区地形条件复杂，且存在一些较大型的当地湖泊，当地的蒸发作用和水汽内循环可能也是导致该区域部分蜗牛壳体δ18O偏正（Wang et al., 2019）。

西南地区的蜗牛壳体δ18O值显著偏负，如前面所述，这一地区受控于西南季风系统，水汽来源于印度洋地区，因此这是近源的较负印度洋水汽对壳体O影响所致。而在中国西北以及新疆地区，存在显著偏正的蜗牛壳体δ18O值。受西风带气候系统影响，新疆地区的降水水汽来源于其西部的湖泊或海洋，不同季节水汽来源有所不同（戴新刚等，2006），水汽来源不同可能导致的降水δ18O值不同，与此同时，新疆地区较少的降水量和较强的蒸发作用也可能是导致壳体δ18O偏正的原因。一般来说，蒸发效应越强会使蜗牛壳体δ18O值越加偏正，形成了中国西北地区蜗牛壳体δ18O值较东亚季风控制区域偏正（Bao et al., 2019; Balakrishnan et al., 2005; Yapp, 1979; Goodfriend et al., 1989）。

总体上而言，蜗牛壳体氧同位素主要受到降水的影响，可以在不同季风区水汽行径上蜗牛壳体氧同位素的分布规律上看到。但是在西风带还受到当地强烈蒸发作用，在东亚季风区受到地形和内陆湖泊的影响，导致蜗牛壳体氧同位素与年均降水量关系较差（Wang et al., 2019; Bao et al., 2018）。

3.2.2.2 与气候条件的关系

如图6所示，在全国范围内，蜗牛壳体氧同位素组成与年均温度、年均降水、年均相对湿度、年均蒸发量以及log（干燥度）之间无明显相关关系，蜗牛壳体δ18O值整体离散度较高，无明显规律。如前文论述，影响蜗牛壳体氧同位素组成的环境因子比较复杂，除受到降水量、温度的影响外、还受到降水δ18O值、蒸发量、以及季节、蜗牛本身的生理状况等多因子调控，区域差异性比较大。

图6 蜗牛壳体δ18O与气候因子的关系（数据来源同图1）Fig. 6 The relationships between land snail shell δ18O and climate factors (The data source is as the same as in Fig. 1)

目前现有的研究（Bao et al., 2019; Wang et al.,2019）表明，蜗牛壳体氧同位素组成与温度的关系不同的研究也有截然不同的关系。在纬度为32°N到37°N（中纬度地区），发现不同种属的蜗牛壳体氧同位素与温度为负相关（Bao et al., 2019）；而在亚洲季风区的研究，在排除部分受到沿海或者湖泊影响的地点发现单一属种Bradybaena氧同位素与温度为正相关（Wang et al., 2019）。

与降水量的关系，前人在中纬度地区和不同季风地区，均发现壳体氧同位素与降水量为负相关（Bao et al., 2019; Wang et al., 2019），但响应幅度有所不同。但是从目前集合的全国数据来看，无明显相关性，这可能是在不同季风区内影响幅度变化不一致导致的。

4 结论

本次研究增添东亚季风边缘区、印度季风影响区域以及西风带环流影响区的蜗牛壳体碳氧同位素数据，填补上述地区数据的缺失。在全国范围内数据上，蜗牛壳体碳同位素组成与年均降水量、年均相对湿度等具有明显负相关，与年均蒸发量和干燥度具有正相关，与温度关系则存在阈值，年均温度大于9.5℃的蜗牛壳体碳同位素与温度负相关；蜗牛壳体氧同位素组成与各个气候因子无明显关系，可能是不同季风区叠加的其他因素导致的，也可能是蜗牛壳体氧同位素响应气候因子的程度不同导致的以及蜗牛壳体氧同位素与温度的关系在不同区域是不同的。值得注意的是，我们在分析数据变化时也发现种属效应的存在并评估其影响，因此在利用蜗牛化石进行古气候重建需要评估这些影响。总体来说，蜗牛壳体碳同位素记录的是C3植被变化，而蜗牛壳体氧同位素记录的环境意义还不明晰，仍需要更多的研究。本次在空间尺度上的现生蜗牛壳体碳氧同位素的研究，也为后续蜗牛化石用于重建古季风在空间上的变化研究提供理论依据。