河湖沉积物标志物及意义

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本文作者：刘毅1罗宇涵1孙松2何毓新3柳中晖3孙立广1作者单位：1中国科学技术大学地球和空间科学学院极地环境研究室2中国科学院海洋研究所海洋生态与环境重点实验室3香港大学地球科学系

研究区域和样品采集

拉斯曼丘陵地处东南极大陆边缘(图1)，位于南极圈以内，毗邻普里兹湾，是东南极大陆少数的夏季无冰区之一。该区地表基岩裸露，只有少量地衣苔藓，物理风化严重，强风干寒是这一地区最显著的气候特征。该区广泛分布有大量的海岸湖泊和积水区，湖水的补给主要依靠冰盖融水和季节性积雪融水，由于降水量较少，湖水净蒸发严重［36］。莫愁湖位于米洛半岛北端，末次冰期结束后，随着冰盖后退，陆地抬升出露，冰盖融水汇入洼地积水而逐渐形成。莫愁湖目前的相对高程约为8m，最大水深约为4m，湖泊水域面积1500m2左右［37］，补给面积大约0．127km2。湖西北方向有较为低洼的峡沟连接内拉峡湾，长度大约200m，由于少有阳光直射，峡沟内常有积雪。沉积柱ZH采于中国第22次南极科学考察期间，样品采自莫愁湖中心偏东区域(69°22．3''''S，76°22．0''''E)，采样位置水深约3m。沉积柱总长111cm。整柱按2cm间隔分样，至上而下依次编号为ZH1-ZH56。由于南极极度严寒，沉积柱中的有机质得到了较好保存，大多层位含有较多的植物残体，故而沉积物多呈深灰绿色。

实验方法

选取3cm、15cm、31cm、67cm和93cm深度原样(挑出大块沙粒)进行AMS14C测定，实验分别在佐治亚大学和加利福尼亚大学厄文分校进行。沉积物样品经冷冻干燥后，称取约0．5g，加入2mol/L稀盐酸浸泡过夜，加入10mlH2O2(10%)加热保持沸腾，并继续滴加H2O2(30%)直至没有气泡产生，充分除去有机质和碳酸盐。溶液经60℃低温烘至近干，加入六偏磷酸钠(10%)超声分散，用Mastersizer2000型激光粒度仪进行粒度测试。仪器测量范围为0．02—2000μm，粒级分辨率为0．01Φ，重复测试的相对误差小于2%。测试在泰安学院土壤与环境变化实验室完成。另取部分干样，筛去直径大于2mm的砾石，研磨至200目以下。称取2g样品于已恒重的瓷坩埚，在105℃下除去水分恒重后，再在550℃烘烧至恒重，称取差值即为550℃烧失量(LOI550℃)。称取过200目样品约10mg，利用元素分析仪(ElementalVarioELIII，VarioLtd)测定TC、TN、TS，实验在中国科学技术大学极地环境研究室完成。取约0．6g经冷冻干燥的未磨原样，加入二氯甲烷的甲醇溶液(V∶V=3∶1)，并同时加入氘代二十四烷和直链十九醇作为相应内标，超声萃取，萃取液加入KOH甲醇溶液水解后，过硅胶柱分离分别得到非极性(含烷烃)与中性组分(含甾醇和直链烷醇等)。非极性组分无需进一步处理，直接利用气相色谱(Agilent，6890N)进行分析;中性组分经氮吹，衍生化，进气相色谱分析，色谱柱选用HP-1(50m)，载气为氢气。通过与已知标准样品比对驻留时间，确定谱图中各峰的分子式，通过比较各组分峰面积与内标峰面积得出特定组分的相对丰度。相对偏差小于3%。由于部分样品有机质含量过高，基体复杂，分离液经稀释后再测定。实验在中国海洋大学化学化工学院和香港大学地球科学系先后独立完成。

分析结果

1岩性及年代序列

ZH柱岩性上下岩性变化较大，具体岩性特征如图2所示:0—6cm多为松散黄绿色藻类残体，夹杂较大沙砾，结构较为松散;6—14cm植物残体明显较少，呈灰黑色，有腐臭味，砂质沉积;14—76cm黄绿色水生植物残体较多，腐臭味浓烈，夹杂石英和云母碎屑，砾石较上层少，其中30—36cm砾石含量较高;76—100cm黑色腐殖质较多，夹杂部分黄绿色植物残片，含细沙和矿物碎屑;100—111cm黑色腐殖质中夹杂有少量黄绿色植物残体和较大砾石。Hodgson等［14］对拉斯曼丘陵地区大量湖泊沉积物的年龄进行了测定，认为该区湖泊表层沉积物均无老化现象，淡水湖泊沉积物的14C年龄不需要进行储库校正，但对于海相沉积物需要用14C测定的年龄减去当地海洋碳储库年龄以进行储库校正。莫愁湖现今为淡水湖泊，采样位置西侧的MC柱表层为现代沉积，未见老化现象，生物地球化学分析表明在2750cal．aBP之后，莫愁湖成为淡水湖泊［38］。附近团结湖在2800—2500cal．aBP前后，出现淡水湖相沉积［39］。因此本柱次表层(2—4cm)年龄(1905cal．aBP)可以认为未受老碳污染，无需进行储库校正。其他4个样品的AMS14C年龄均老于2750cal．aBP，因此需进行储库校正(按照拉斯曼丘陵海洋储库校正年龄为1300年)［38，40］。在线利用Calib6．0程序对所得年龄进行再校正(calib．qub．ac．uk/calib/)，结果如表1所示。其中沉积柱上部(2—94cm)各层位年龄根据AMS14C校正年龄内插得到，底部(94—111cm)年龄由中部(15—94cm)平均沉积速率外推获得。

2粒度与有机质

沉积物的粒度与水动力作用的强弱密切相关，而分选系数的大小则体现了沉积环境对沉积物的再改造过程。对莫愁湖而言，由于湖水补给主要依靠冰融水，且冰融水形成的暂时地表径流流经距离较短，当冰融水量增大时，地表暂时径流能携带更多较粗的物质进入湖泊中。因此湖泊沉积物的粒度与冰融水所形成地表径流水量直接有关。ZH柱的平均粒度和分选系数如图2所示，其中表层6—14cm中值粒径大于200μm，分选性较好;14—28cm中值粒径波动较大，分选性也较差;28—36cm平均粒径突然变大，分选性较差;自36cm至底部，粒度逐渐变小，且波动也较小，只在次底层85—95cm表现出较大的波动。对沉积柱各层位直径大于1mm的沉积颗粒含量进行统计，结果显示含粗颗粒最多的层位为28—30cm，这表明对应历史时期可能存在气温快速转暖，冰川融水突然增加的过程，从而导致较多粗颗粒物质带入莫愁湖。LOI550℃代表了有机质含量的变化。如图2所示，ZH柱中有机质含量随深度变化有非常明显的阶段性，0—6cm含量较6—14cm高，但均处于相对低值，14—30cm为高值，在30—36cm出现较低值，后在36—76cm之间维持高值，76—100cm出现了一段明显的低值期，最底部的11cm有机质含量再次升高。总体来看，除了在表层6—14cm，有机质含量和中值粒径表现为明显相反的变化趋势以外，其他部分两者的相关性较差(R2=0．1)。

3生物标志物

ZH柱样品(0—2cm和108—110cm)中性组分的气相色谱结果如图3所示。沉积柱底部至76cm样品中LCAs的C37峰的驻留时间(35—37min)和峰型都与标准样品(玛纳斯湖，图3a)一致;C38各指纹峰也较为明显，具有明显的湖相烯酮的特征。通过与内标峰面积的比对发现，76cm以下部分的LCAs在80—95cm深度段样品中的含量较高。31—36cm层位样品的谱图基本与下层沉积物谱图一致，也有相对较低含量LCAs的检出。而沉积柱1—30cm和36—76cm的样品，在LCAs(C37)特征驻留时间36—37min有一明显的组分峰，但是峰型不对称，出峰时间比标准的LCAs略晚，且不存在明显的C37∶4、C37∶3和C37∶2三峰特征，驻留时间38—41min之间也不存在C38的三个指纹峰特征，我们认为ZH柱这些层位不存在LCAs。不同碳链长度的正构烷烃丰度代表了湖泊沉积物中有机物质的不同来源，从而能够反映不同气候环境条件下湖泊中优势生物群落的结构变化［17］。ZH柱表层和底层沉积物非极性组分的气相色谱结果显示(图4)，沉积物中均有检出正构烷烃C16-C3，且有明显的单峰特征。而长链烷烃(C28和C29)附近是相同碳链长度烯烃的峰，表明沉积柱中有机质保存相对较好。不同碳链长度正构烷烃含量统计如图5所示。短链烷烃中C16、C17和C18含量较低，未作定量统计，但可以从谱图直观看出自下而上其含量有降低趋势，可能代表了低等藻类逐渐衰亡的过程，C19和C20变化趋势与其他中长链正构烷烃变化趋势基本一致。与东南极海岸积水区沉积物中正构烷烃以短链烷烃为主明显不同［41］，莫愁湖与南极半岛多个海岸型湖泊沉积物相似［42-43］，各层位的中链烷烃含量均较高，以C23和C27为主峰，表明莫愁湖沉积物中有机物质主要来自较为大型的水生植物和周边苔藓。长链烷烃(C27-C33)一般在高等植物机体中较多，东南极地区较为高等的植物主要是水生藓类和地衣类植物，温暖时期冰川融水可能会将湖岸周边的地衣碎屑携裹进入水体从而沉积下来［34］。长链烷烃随深度变化趋势基本与中链正构烷烃一致，只有在75—100cm深度下降幅度稍大于短中链烷烃的下降幅度。沉积柱中不同碳链长度正构烷烃随深度变化趋势基本相似。

讨论

1LCAs指示莫愁湖盐度变化及影响因素

除温带湖泊外，科学家陆续在东南极、南极半岛、格陵兰西南部等极地、亚极地湖泊沉积物中也发现LCAs［44-46］。虽然湖泊LCAs的母源种属尚未完全确定［44，47-48］，但大多数研究已经表明合适的盐度对LCAs母源藻类的繁盛有积极的作用［31，47］。通过与湖泊演化过程的对比发现，在海水侵入或盐度较高时期，高纬度地区湖泊中的LCAs含量较高［44，49-50］。如图3所示，沉积柱底层样品C38组分的三个特征峰(C38∶4、C38∶3和C38∶2)与玛纳斯盐湖的相应组分的驻留时间和峰型基本一致，我们认为，莫愁湖LCAs的母源藻类可能有较为明显的盐度依赖特性。因此，莫愁湖LCAs母源藻类的繁盛与干燥时期湖泊高蒸发量或者相对海平面上升造成的海水侵入过程相关。莫愁湖ZH柱在6450—5100cal．aBPLCAsC37的检出，可能表明湖泊盐度较现在高，且较为利于其母源藻类的生长。5100cal．aBP以来，虽然LCAs母源藻类种群有过短暂的恢复(3700—3500cal．aBP)，但总体而言，随着适宜盐度的丧失，其母源藻类种群逐渐消亡。对于莫愁湖而言，造成湖水盐度较高的原因主要是冰川扩张时期，相对海平面升高所导致的海水侵入作用以及气候冷干时期湖水的补给(夏季冰融水)减少，绝对蒸发量增大，因此我们认为莫愁湖沉积物中LCAs的检出对应冷干的气候状态。Verleyen等［39］通过对东南极拉斯曼丘陵和西福尔丘陵地区多个不同高程的湖泊沉积中的藻类种属鉴定和沉积相特征及相应AMS14C年龄的统计分析，恢复了末次冰期以来这一地区相对海平面的变化。末次冰期以来该区相对海平面的变化经历了在9260—8650cal．aBP至7570—7270cal．aBP相对海平面升高，7250—6950cal．aBP达到最高(比现在高约8m)，西福尔丘陵地区相对海平面也几乎同时达到最高［11］。ZH柱中的结果显示:6450—5100cal．aBP期间，莫愁湖沉积物中存在喜盐环境的LCAs母源藻类;表明该时期的相对海平面仍较高，海水经由莫愁湖北侧的沟槽间歇性侵入，造成了较高的湖水盐度，沉积物表现为海相-湖相过渡的特征。而5100cal．aBP以来沉积物中LCAs的消失，表明随着相对海平面的持续下降，海水侵入莫愁湖的频次逐渐降低，而气候条件也在逐渐改善，湖泊主要由冰川融水补给，湖水盐度逐渐降低，不再适宜LCAs母源藻类生长。值得注意的是，3700—3500cal．aBP阶段有痕量LCAs检出，同时该阶段有机质含量很低，表明在该阶段拉斯曼丘陵地区可能发生了一次较为短暂的气候变冷事件，导致湖水的补给(夏季冰融水)减少，蒸发量增高，盐度相对升高，这在一定程度上影响了湖泊的生物种群结构。同地区其他气候记录显示该时间段确实有一次明显的冷事件［51］，但并没有确切的证据证明相对海平面有较大程度的改变［39］，因此，我们推测这一时期LCAs母源藻类的恢复更有可能是气候突然变冷造成的，但是也不排除短时间相对海平面大幅升高的可能性。ZH柱中长链烯酮的阶段性分布特征，较高分辨地揭示了莫愁湖脱离海水影响的过程和时间，为该区中、晚全新世相对海平面下降过程插入了新的时间节点。

2莫愁湖植物总量对气候变化的响应

较短时间尺度气候环境的变化对特定生物的影响，最先反映在其种群数量的变化，湖泊生态系统中特定水生生物的数量变化可以提供相对可靠的环境气候信息。莫愁湖沉积柱中正构烷烃的变化较完整地记录了全新世中晚期(6450—3000cal．aBP)湖生植物演化的过程，中长链正构烷烃的协同变化趋势，表明莫愁湖优势水生植物种属在历史时期基本没有很大的变化，其数量变化受到气候环境变化的控制。6450—5100cal．aBP，正构烷烃含量较低，指示湖生植物较少，特别是6000—5500cal．aBP，气候应该以冷干为主，这与东南极广大区域的气候寒冷、企鹅巢穴明显减少时期重合［52-54］。而5100—3700cal．aBP，正构烷烃含量相对较高，湖生植物丰富，表明拉斯曼丘陵处于相对温暖时期，为湖泊植物的生长适宜期，但是也存在着短时间尺度的气候回冷阶段(4700—4900cal．aBP)。这与地区的其他湖泊沉积物记录的全新世适宜期基本一致，同时也与西福尔丘陵湖泊沉积物和邦杰丘陵地区海洋沉积物所记录的气候暖期的结果基本吻合［55-56］。随后的200年，正构烷烃含量处于短暂的低值时期，可能是受到了短暂气候波动的影响。3500cal．aBP前后，正构烷烃含量迅速回升，并伴随着一次短暂的强水动力过程(相应层位大于1mm颗粒物的含量明显较多，而且粗颗粒沙粒输入增加并没有很大程度上减少沉积物中有机质的比例)，说明气候快速转暖且非常适宜水生植物生长，这一温暖期持续到3100cal．aBP前后。这一过程与3500cal．aBP前后冰盖退缩，进步湖开始接受有机质沉积阶段相吻合［57］。此外，莫愁湖中LCAs母源藻类生长时期与湖泊主要植物数量较小时期及气候恶劣时期基本对应，与Coolen等［44］通过rDNA恢复的Ace湖生物群落演化机制基本符合。3000—1835cal．aBP期间，沉积柱中正构烷烃含量很低，对应着气候寒冷、冰盖扩张阶段，似乎与其他气候记录指示的新冰期初始阶段相一致［58-60］。但是，由于该层位沉积物中值粒径与分选性的矛盾，以及表层沉积物存在缺失现象，仍需要进一步的研究，本文暂不做讨论。

结论

东南极拉斯曼丘陵海岸湖泊(莫愁湖)沉积物中检测发现了湖相长链烯酮的存在，其C38组峰的特征说明其母源藻类具有较为明显的喜盐特性。长链烯酮的阶段性变化，反映了该区因相对海平面变迁以及气候冷暖所导致的湖泊盐度的变化过程。正构烷烃的研究结果表明莫愁湖优势水生植物种属在历史时期没有大的变更，其总量的变化记录了全新世中、晚期该地区气候环境变迁的过程。初步探讨了3500—3700cal．aBP和5100—6450cal．aBP两个比较确定的气候干冷时期。长链烯酮与正构烷烃的组合特征是研究极地海岸湖泊演变过程和重建区域气候环境变化的有效手段之一。致谢衷心感谢国家海洋局极地考察办公室和中国极地研究中心为本研究提供有力的支持和协助，感谢中国海洋大学化学化工学院张海龙博士有关有机化合物测试工作，感谢朱任斌教授样品采集工作以及梁有庆高级工程师对实验的指导。