GDGT在全球氣候變化研究中的應(yīng)用進(jìn)展*

姚 鵬,于志剛,趙美訓(xùn)

(1.中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266100;2.中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,海洋有機(jī)地球化學(xué)研究所,山東青島266100;3.英國約克大學(xué)化學(xué)系,約克YO10 5DD)

甘油雙烷基甘油四醚(Glycerol Dialkyl Glycerol Tetraethers,GDGTs)是微生物細(xì)胞膜脂的主要成分[1]。從結(jié)構(gòu)上來說,GDGTs可以分為兩大類,即類異戊二烯GDGTs(Isop renoid GDGTs)和支鏈GDGTs(Branched GDGTs)(見圖1)。類異戊二烯GDGTs分子中包含數(shù)目不等的環(huán)戊烷結(jié)構(gòu)(見圖1,Ⅰ～Ⅴ)[2]。其中泉古菌醇(Crenarchaeol,圖1-Ⅵ)及其重構(gòu)異構(gòu)體(Regioisomer,見圖1-Ⅵ′)是一類特殊的類異戊二烯GDGTs,分子中除了含有4個環(huán)戊烷結(jié)構(gòu)外,還含有1個環(huán)己烷結(jié)構(gòu)[3]。支鏈GDGTs則一般含有2～6個甲基支鏈和1～2個環(huán)戊烷結(jié)構(gòu)[4](見圖1,Ⅰa～Ⅲc)。

近幾年來,基于這兩類GDGTs分子比值的各種指標(biāo)在海洋和陸地古溫度重建等方面顯示了巨大的應(yīng)用潛力,已逐漸成為古海洋學(xué)、古湖沼學(xué)和古氣候?qū)W研究的重要工具[1]。類異戊二烯GDGTs主要來自古菌門(A rchaea)的泉古菌集合Ⅰ(Group I Crenarchaeota)[3]。研究表明類異戊二烯GDGTs分子中的環(huán)結(jié)構(gòu)數(shù)目和溫度相關(guān),根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的類異戊二烯GDGTs的相對分布所建立的TEX86(TetraEther indeX of 86 carbon atom s)古溫度指標(biāo)可以用于重建表層海水溫度(Sea Surface Temperature,SST)[5]。支鏈GDGTs主要來自土壤中的厭氧細(xì)菌[4],在土壤侵蝕和河流搬運(yùn)的作用下進(jìn)入近海沉積物中[6]。根據(jù)代表海洋環(huán)境的泉古菌醇與代表陸地環(huán)境的支鏈GDGTs的相對比值建立的支鏈類異戊二烯四醚指標(biāo)(Branched Isoprenoid Tetraether,B IT)可以用來定量估算陸源和海源有機(jī)質(zhì)的相對豐度[6]。進(jìn)一步的研究表明,支鏈GDGTs分子中環(huán)戊烷結(jié)構(gòu)的數(shù)目與土壤p H相關(guān),而甲基數(shù)目與平均大氣溫度(Mean Air Temperature,MA T)和土壤p H都相關(guān)[7]。根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的支鏈GDGTs的相對分布分別建立了反映土壤p H的CBT(Cyclization index of Branched Tetraethers)指標(biāo)和反映平均大氣溫度及土壤p H的MBT(M ethylation index of Branched Tetraethers)指標(biāo),這2個指標(biāo)與平均大氣溫度之間的函數(shù)關(guān)系可以用來重建陸地溫度、土壤p H和海拔歷史等[8-9]。本文從類異戊二烯GDGTs和支鏈GDGTs2個方面介紹與GDGTs相關(guān)的最新研究進(jìn)展。

1 類異戊二烯GDGTs

泉古菌在開闊大洋中分布廣泛,即使是在低生產(chǎn)力的區(qū)域[11],據(jù)估計(jì)它們可能占海洋超微型浮游生物(Picop lankton)生物量的20%[12]。泉古菌的細(xì)胞膜是由類異戊二烯GDGTs作為核心脂、以磷酸和糖苷等作為極性頭基而形成的兩面都是親水基的單層膜脂,而真核生物和細(xì)菌的細(xì)胞膜脂一般是雙層結(jié)構(gòu),并且類異戊二烯GDGTs分子中環(huán)戊烷結(jié)構(gòu)數(shù)量的增加會使膜脂組裝得更密實(shí),這有效地避免了雙層膜在高溫下變性分開,并且保持了完整的內(nèi)層疏水結(jié)構(gòu),使泉古菌適于在高溫(60℃以上的熱泉或熱液噴口)和低p H等極端環(huán)境條件下生存[13-14]。越來越多的研究表明,在海洋、湖泊、土壤和泥炭中類異戊二烯GDGTs都廣泛存在,說明無論是嗜熱(Thermophilic)還是非嗜熱(Nonthermophilic)古菌都能生產(chǎn)類異戊二烯GDGTs[3-15]。

圖1 GDGTs的分子結(jié)構(gòu)式[10]Fig.1 Structures of GDGTs[10]

盡管醚類化合物穩(wěn)定性稍次于烷烴,但其化學(xué)活性低,因此類異戊二烯GDGTs可在沉積物中較好的保存下來,即使是在1.12億年前白堊紀(jì)的沉積物中也能檢測的到[16]。對海洋表層沉積物中的類異戊二烯的GDGTs研究表明,GDGTs分子中環(huán)戊烷結(jié)構(gòu)的數(shù)量與表層海水溫度有很好的相關(guān)性,因而可應(yīng)用描述這些GDGTs相對豐度的指標(biāo)(TEX86)進(jìn)一步定量描述年平均表層海水溫度(SST)[5]。

(羅馬數(shù)字代表的GDGTs結(jié)構(gòu)見圖1)

(該方程的適用溫度范圍為0～30℃)

TEX86提出之后,不同的研究者開展了多項(xiàng)工作驗(yàn)證其可靠性和適應(yīng)性[1,17],并根據(jù)適用條件提出了多個校正方程[18]。W uchte等開展了圍隔實(shí)驗(yàn),通過分析不同溫度和鹽度條件下的泉古菌的類異戊二烯GDGTs,計(jì)算相應(yīng)的TEX86[19],結(jié)果表明,TEX86的變化與鹽度和營養(yǎng)鹽無顯著相關(guān)性,而是隨著溫度變化而發(fā)生顯著變化,證實(shí)海洋古菌確實(shí)會根據(jù)溫度調(diào)節(jié)類異戊二烯GDGTs的分布。Trommer等在高鹽的紅海的研究結(jié)果也證實(shí)鹽度對TEX86的影響不大[20]。需要指出的是,p H也可能影響類異戊二烯GDGTs的分布,但是p H在海洋系統(tǒng)中的變化通常很小,所以其影響可以忽略[21]。

TEX86指標(biāo)的特點(diǎn)之一是可以應(yīng)用于高溫區(qū)域和歷史上高溫期的溫度重建。Schouten等把采集自熱帶印度洋海水中的海洋泉古菌在25～40℃條件下進(jìn)行培養(yǎng),結(jié)果顯示泉古菌在40℃的高溫環(huán)境中仍然生長良好,且TEX86在這個范圍內(nèi)都和SST線性相關(guān),說明其可以用于地質(zhì)歷史高溫時期的SST重建[15]。這比常用的只適合SST低于29℃的指標(biāo)具有明顯的優(yōu)勢[18]。在缺乏烯酮、碳酸巖和有孔蟲的沉積區(qū)域和更加古老的地層中(早至中生代白堊紀(jì)),TEX86也得到了成功應(yīng)用[16,22]。不過,TEX86在海洋系統(tǒng)的應(yīng)用也存在一些限制[18,23],比如不能用于含高成熟度有機(jī)質(zhì)的沉積物[24],不適用于類似于現(xiàn)代兩極地區(qū)較冷水體和缺氧的富甲烷環(huán)境的古SST重建等[17]。目前TEX86的應(yīng)用多集中于開闊海域,在邊緣海的應(yīng)用較少。研究的初步結(jié)果表明TEX86在我國陸架?？梢詰?yīng)用,有可能彌補(bǔ)U37K指標(biāo)在水深30 m之內(nèi)基本不能用的不足(趙美訓(xùn)等,未發(fā)表數(shù)據(jù))。另外,有研究指出TEX86指標(biāo)除指示溫度外,在反映古菌生態(tài)、營養(yǎng)鹽含量和水文條件等方面也有很大潛力,但尚需更深入的研究論證[25]。

目前用于重建湖泊環(huán)境古溫度的指標(biāo)比較稀少,代表性的有硅藻[26]和搖蚊化石[27]沉積記錄、碳酸鹽氧同位素[28]、長鏈不飽和烯酮[29-31]等,這些指標(biāo)大部分都顯著地受到在湖泊環(huán)境中變化大的鹽度和p H等參數(shù)的影響[1]。TEX86指標(biāo)在海洋中的成功應(yīng)用促使人們思考它是否也能應(yīng)用于湖泊環(huán)境,即能否作為1個獨(dú)立的重建陸地古溫度的新方法。對不同氣候類型的湖泊的研究表明,所有的沉積物中都含有大量的泉古菌GDGTs[7,32]。Pow ers研究了15個分布于全球各地的湖泊的TEX86指標(biāo),發(fā)現(xiàn)其與年平均湖泊表面溫度(lake surface temperature,LST)之間存在線性關(guān)系,而且其斜率也與來自海洋的相似,表明這一古溫度指標(biāo)確實(shí)可以應(yīng)用在湖泊環(huán)境中[33]。Powers等還由此重建了東非Malaw i湖末次冰盛期(Last Glacial Maximum)以來的年平均湖面溫度,發(fā)現(xiàn)從末次冰盛期到現(xiàn)在年平均湖面水溫升高了約3.5℃,在新仙女木事件(Younger Dryas,12.5 ka BP)期間和8.2 ka BP時則有約2℃的下降[34]。Tierney等運(yùn)用TEX86指標(biāo)研究表明,東非Tanganyika湖在全新世的年平均湖面溫度大致在27～29℃之間變化,而在末次冰盛期時其溫度則要低約5℃,這一結(jié)果和Powers等的結(jié)果相當(dāng)吻合[35]。兩項(xiàng)研究都表明,TEX86是一個有前途的研究陸地古氣候的工具[1]。不過,隨后有關(guān)47個歐洲較小湖泊的研究發(fā)現(xiàn),TEX86在湖泊中的應(yīng)用還存在一些困難,主要是附近流域土壤中的產(chǎn)甲烷古菌(Methanogenic)、甲烷氧化古菌(Methanotrophic)和嗜熱的古菌也產(chǎn)生用于計(jì)算TEX86的GDGTs,它們的輸入可能使TEX86指標(biāo)不能準(zhǔn)確反映湖泊溫度[36],今后的工作需要考慮確定這些輸入對TEX86指標(biāo)反演湖泊溫度影響程度以及如何消除這些輸入的影響[37]。

我國湖泊眾多,氣候類型多樣,許多湖泊由于所處的地理位置特殊,使它們成為地質(zhì)歷史時期區(qū)域氣候、植被以及人類活動演化的良好載體。比如我國內(nèi)陸最大的咸水湖——青海湖位于青藏高原東北部,處于對環(huán)境變化敏感的西部干旱區(qū)與東亞季風(fēng)濕潤區(qū)的過渡地帶,受冬、夏季風(fēng)和西風(fēng)環(huán)流的影響,在全球氣候變化研究中具有重要地位[38]。在湖泊表面溫度重建方面,長鏈不飽和烯酮,即U37K指標(biāo)的應(yīng)用較多。Li等人曾在青海湖表層沉積物中檢出了長鏈不飽和烯酮,進(jìn)而提出了經(jīng)過校正的U37K指標(biāo)用于湖泊水體古溫度的重建,但同時Li指出,除了溫度之外,長鏈不飽和烯酮的不飽和類型還可能受到生物來源、鹽度等諸多不確定因素變化的影響,進(jìn)而影響溫度估算結(jié)果的準(zhǔn)確性[39]。付明義等研究了我國青海湖和柴達(dá)木盆地地區(qū)不同類型湖泊表層沉積物中的長鏈不飽和烯酮,并估算了兩地區(qū)湖泊溫度,發(fā)現(xiàn)估計(jì)的溫度在青海湖地區(qū)(咸水湖)處于實(shí)際溫度范圍內(nèi),而在柴達(dá)木盆地(鹽湖)低于實(shí)際溫度,同樣說明鹽度對U37K指標(biāo)的結(jié)果有較大的影響[40]。作為一種新的且已在國際研究中取得突出進(jìn)展的湖泊表面溫度替代指標(biāo),TEX86在我國湖泊領(lǐng)域的應(yīng)用值得期待。

2 支鏈GDGTs

支鏈GDGTs的發(fā)現(xiàn)比類異戊二烯GDGTs的發(fā)現(xiàn)要早。2000年在德國的一個全新世泥炭沉積物中,Sinninghe Dam sté等發(fā)現(xiàn)了支鏈GDGTs并使用核磁共振確定其結(jié)構(gòu)[41],隨后的研究表明它們在土壤中也廣泛存在[42]。支鏈GDGTs在結(jié)構(gòu)上和類異戊二烯GDGTs不同,它們的碳骨架不是類異戊二烯結(jié)構(gòu),而是具有數(shù)目不等的甲基支鏈,環(huán)戊烷結(jié)構(gòu)的數(shù)目(0～2個)也比類異戊二烯GDGTs少,而且沒有環(huán)己烷結(jié)構(gòu)(見圖1)[4]。對支鏈GDGTs的甘油結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)分析表明,它們和細(xì)菌合成的甘油結(jié)構(gòu)具有同一立體構(gòu)型[4]。在嗜熱細(xì)菌中還曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)支鏈雙烷基甘油二醚(Dialkyl Glycerol Diethers)[43-45]。上述研究表明支鏈GDGTs可能是由細(xì)菌生產(chǎn)的,但是這些細(xì)菌的準(zhǔn)確系統(tǒng)發(fā)育地位尚不明確[4]。

在一些近岸海洋沉積物中也發(fā)現(xiàn)了支鏈GDGTs,這可能是陸地土壤有機(jī)質(zhì)通過河流輸送所致[6,10,42,46-49]。支鏈GDGTs在近海沉積物中的豐度可被用來定量指示土壤有機(jī)質(zhì)向海洋系統(tǒng)的輸入,沉積物中支鏈GDGTs的含量與主要來自海洋古菌的類異戊二烯GDGTs泉古菌醇的含量之比稱為支鏈和類異戊二烯四醚指標(biāo)(Branched and Isop renoid Tetraether,B IT)[6]:

(羅馬數(shù)字代表的GDGTs結(jié)構(gòu)見圖1)

BIT=1代表沉積物全部來自土壤有機(jī)質(zhì),而BIT=0代表有機(jī)質(zhì)全部來自海洋。

對來自不同環(huán)境的大量樣品的分析顯示,B IT指標(biāo)在海洋懸浮顆粒物和沉積物研究中有較大的應(yīng)用潛力,所以BIT起初被認(rèn)為可以用來定量估算近岸海洋環(huán)境中陸源有機(jī)質(zhì)的來源和分布特征等[6,47-51]。但是,Walsh等利用δ13CTOC、木質(zhì)素和B IT 3個參數(shù)研究了美國華盛頓州-加拿大溫哥華外的邊緣海沉積物有機(jī)物來源發(fā)現(xiàn),B IT指標(biāo)不能很好地反映陸源有機(jī)物輸入,只能反映土壤和泥炭有機(jī)質(zhì)的輸入[49]。所以在古環(huán)境研究中B IT指標(biāo)被用來定性追蹤土壤有機(jī)質(zhì)輸入的歷史變化[52-53],但如果結(jié)合傳統(tǒng)指標(biāo)還可以進(jìn)一步區(qū)分沉積有機(jī)質(zhì)來源。例如,Weijers等建立了基于δ13CTOC、C/N比和B IT指標(biāo)的三端元模型,首先區(qū)分陸源和海源有機(jī)質(zhì)的輸入,然后將陸源有機(jī)質(zhì)分成土壤和植物來源2部分,對土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行了定量研究[54]。結(jié)果顯示在過去的20 ka,土壤有機(jī)碳占了剛果河深海扇形地(Congo deep-sea fan)沉積物中有機(jī)碳的近一半(平均約45%),更占了陸源有機(jī)質(zhì)輸入的大部分;土壤有機(jī)碳的積累率從約17 ka BP開始增加,在新仙女木事件時期有所降低,峰值出現(xiàn)在早全新世,而低值在晚全新世,這一變化模式與中部非洲濕度和剛果河流量的歷史變化相類似,表明中部非洲降雨變化規(guī)律主導(dǎo)了陸源有機(jī)碳在剛果河深海扇形地的沉積變化規(guī)律[54]。而Walsh等的研究卻發(fā)現(xiàn)美國華盛頓洲-加拿大溫哥華外的邊緣海沉積物中的陸源有機(jī)質(zhì)主要來自植被,土壤和泥炭有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)很低[49]。有研究提出,為了消除陸源物質(zhì)的影響,可以將TEX86和B IT指標(biāo)同時測定,從而將TEX86用于近海古溫度重建[18],Rueda等的研究結(jié)果支持了這一設(shè)想[10]。另外,Blaga等對湖泊樣品同時測定了BIT指標(biāo)及GDGT-0/Crenarchaeol比值,發(fā)現(xiàn)對于BIT<0.4和GDGT-0/Crenarchaeol比值<2的9個湖泊,TEX86指標(biāo)可以用來重建湖泊古溫度[36]。所以,進(jìn)行多參數(shù)測定并進(jìn)行分析比較,是應(yīng)用TEX86指標(biāo)準(zhǔn)確估算近海、湖泊古溫度所必備的。

Weijers等分析了來自全球130個土壤樣品的支鏈GDGTs,發(fā)現(xiàn)支鏈GDGTs在土壤中的相對分布主要受大氣溫度和土壤p H2個因素控制[55]。支鏈GDGTs分子中環(huán)戊烷結(jié)構(gòu)和土壤p H相關(guān),而甲基數(shù)目主要受土壤p H和平均氣溫(MA T)影響。根據(jù)這些關(guān)系,提出了2個指標(biāo)定量描述支鏈GDGTs分布的變化。1個是反映土壤p H的CBT(Cyclization index of B ranched Tetraethers):

(羅馬數(shù)字指示的結(jié)構(gòu)請見圖1)

并得出經(jīng)驗(yàn)公式:

由此可見當(dāng)p H上升時,CBT指標(biāo)下降,表示GDGT分子系列中環(huán)戊烷數(shù)量增加。

另一個是反映大氣溫度和土壤p H的MBT(Methylation index of Branched Tetraethers):

并得出經(jīng)驗(yàn)公式:

其中MA T是平均大氣溫度。由此可見當(dāng)溫度上升時,MBT指標(biāo)增加,表示GDGT分子系列中甲基數(shù)減少。通過比較公式(5)和(7)可以進(jìn)一步得出當(dāng)p H上升時,MBT指標(biāo)下降,表示GDGT分子系列中甲基數(shù)增加。

將公式(7)重新組合,即可在測定支鏈GDGTs分布的基礎(chǔ)上重建陸地古溫度:

MBT/CBT指標(biāo)已經(jīng)在不同區(qū)域和地質(zhì)年齡的海洋沉積物中得到應(yīng)用[10,55-57]。在長時間尺度上,始新世-漸新世邊界(Eocene-Oligocene boundary)是地球歷史上氣候轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵階段之一,見證了東南極冰蓋的首次重大擴(kuò)張,但是對于氣候變冷的程度,尤其是北半球高緯度內(nèi)陸地區(qū),卻了解的很少[58]。Schouten等分析了采自格林蘭盆地(Greenland Basin)的沉積物柱狀樣中的支鏈GDGTs,重建了格林蘭大陸始新世末至漸新世早期的MA T,發(fā)現(xiàn)從E-O邊界開始,有1個長期的逐漸變冷過程(降低3～5℃),與同一站點(diǎn)孢粉記錄的結(jié)果非常吻合,與北半球中緯度陸地氣候重建的結(jié)果也是一致的[57]。基于采自剛果河羽狀三角洲的沉積物柱狀樣中的支鏈GDGTs的分布,Weijers等重建了過去25 000年熱帶非洲大陸氣溫的變化,發(fā)現(xiàn)末次冰盛期到全新世氣溫升高4℃,高于熱帶大西洋SST同期的增溫[56]。在1個巖芯中通過重建同時得到MA T和SST使得Weijers等能夠估算過去25 000年的陸地-海洋溫度梯度,并指出溫度梯度的變化決定了降雨變化[56]。Rueda等將采自挪威南部Skagerrak灣近岸的沉積物同時分析了類異戊二烯和支鏈GDGTs,利用TEX86、B IT和MBT/CBT指標(biāo)重建了過去200年來SST和MA T的變化并將兩者進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)SST和M A T分別與歷史記錄的年平均表層海水溫度和夏季氣溫吻合良好[10]。以上研究證明,分析近海沉積物中的生物標(biāo)志物能夠同時重建SST和MA T,這將無疑有利于比較海洋和陸地古氣候變化的相同性和差異,明確氣候變化機(jī)制。

古海拔是古地理、古氣候和古生態(tài)重建中的一個至關(guān)重要的因素,定量研究古海拔的變化對闡述諸如青藏高原抬升歷史等重大科學(xué)問題具有十分重要的意義,但是古海拔的定量重建一直是當(dāng)前古植物學(xué)與古環(huán)境研究領(lǐng)域中的難點(diǎn)[59]。應(yīng)用GDGT分子指標(biāo)重建陸地氣溫隨海拔變化是估算古海拔的一種新嘗試。Peterse等分析了采自中國貢嘎山東麓海拔1 180～3 819 m的表層(0～5 cm)土壤樣品,分析了其支鏈GDGTs的分布,并計(jì)算了各樣品代表的溫度,結(jié)果表明海拔每升高1 000 m,氣溫降低5.9℃,與氣象站記錄的溫度下降速率(-6.0℃/1 000 m)很接近,但是數(shù)據(jù)點(diǎn)比較分散(R2為0.55),顯示目前利用MBT/CBT指標(biāo)重建古海拔還有很大的不確定性[9]。對此,作者建議將MBT/CBT指標(biāo)與最近提出的利用不同海拔降水δD差異估算海拔高度的土壤正構(gòu)烷烴δD指標(biāo)相結(jié)合[60],以期獲得更可靠的古海拔估算結(jié)果。

盡管已經(jīng)取得了這些令人鼓舞的結(jié)果,但是關(guān)于MBT/CB T指標(biāo)的運(yùn)用仍然存在許多問題需要解決。首先,雖然MBT/CBT指標(biāo)目前已被應(yīng)用于各種環(huán)境,但只在熱帶區(qū)域的應(yīng)用比較成功。因?yàn)樵谶@些區(qū)域,大量的支鏈GDGTs從陸地經(jīng)河流持續(xù)穩(wěn)定地輸運(yùn)到海洋[6,55,61]。與潮濕的熱帶地區(qū)相對穩(wěn)定的環(huán)境條件不同,高緯度區(qū)域平均大氣溫度M A T低于0℃,陸地常年被冰雪覆蓋,生長季節(jié)很短,土壤形成率低,陸地土壤有機(jī)質(zhì)向海洋中輸送的主要機(jī)制是冰期和春季雪融的時期,這可能會影響MBT/CBT指標(biāo)的有效運(yùn)用,因此它在高緯度環(huán)境中的適應(yīng)性還有待研究[8]。其次,最近在海洋沉積物中發(fā)現(xiàn)了支鏈GDGTs的現(xiàn)場生產(chǎn),雖然數(shù)量相對較低,但是土壤中的支鏈GDGTs和海洋中現(xiàn)場生產(chǎn)的支鏈GDGTs分布有何異同尚不清楚,因此海洋中現(xiàn)場生產(chǎn)的支鏈GDGTs是否會對陸地氣候信號的解析產(chǎn)生影響、會在多大程度上產(chǎn)生影響都還不清楚[8]。與此類似,支鏈GDGTs在湖泊沉積物中也很豐富,原來認(rèn)為可能主要來自土壤的侵蝕[7,36],但是最近Tierney等的研究表明,土壤樣品和水生樣品中,支鏈GDGTs的甲基化和環(huán)化程度有顯著的差異,說明在湖泊水生系統(tǒng)中可能也存在支鏈GDGTs的現(xiàn)場生產(chǎn),這也勢必使得MBT/CBT指標(biāo)在湖泊沉積物中的應(yīng)用變得復(fù)雜化[62]。因此,這些新的有機(jī)地化指標(biāo)在海洋和湖泊沉積物中的應(yīng)用都仍然需要進(jìn)一步的驗(yàn)證[1]。

我國陸地環(huán)境受冬季季風(fēng)和夏季季風(fēng)控制,從東南到西北溫度和降雨都有很大的梯度。同時我國陸地上的黃土-古土壤堆積、洞穴碳酸鈣(石筍)和湖泊沉積物保留了連續(xù)、高分辨率的古環(huán)境-古生態(tài)記錄。利用多參數(shù)指標(biāo),我國陸地環(huán)境重建做出了世界一流的成果,尤其是有關(guān)季風(fēng)變化和植被演變規(guī)律的研究[63-70]。我國陸地古環(huán)境-古生態(tài)研究遇到的1個瓶頸問題是區(qū)分降雨與溫度的影響,因?yàn)槟壳坝糜邳S土和石筍研究的指標(biāo)(比如黃土的磁化率和石筍的氧同位素)主要受季風(fēng)所帶來的降雨影響,而溫度的影響還未能得到充分的研究。這是因?yàn)槟壳斑€沒有1個比較成熟的陸地溫度重建指標(biāo),難以獲得如SST般定量化的古溫度信息。我國陸地?fù)碛写罅康暮?Chu等分析了我國湖泊沉積物中的長鏈烯酮,發(fā)現(xiàn)在部分湖泊中U37K指標(biāo)也可以用來重建平均氣溫[71]。從國際研究的結(jié)果可以看出GDGTs在我國海洋沉積物的分布應(yīng)該比長鏈烯酮更廣泛,所以GDGTs(尤其是支鏈GDGTs)有望成為一個可靠的重建陸地古溫度的指標(biāo)。利用分子指標(biāo)重建我國陸地古溫度,并結(jié)合其它記錄研究我國陸地氣候和生態(tài)演變機(jī)制極具潛力。

3 結(jié)語

GDGTs已經(jīng)在古海洋學(xué)、古湖沼學(xué)和古氣候?qū)W研究中顯示了獨(dú)特的優(yōu)勢和巨大的應(yīng)用潛力。基于類異戊二烯GDGTs的TEX86指標(biāo)的應(yīng)用使得重建海洋和湖泊長時間尺度表層水溫、特別是地質(zhì)歷史高溫時期的表層海水溫度SST成為可能,進(jìn)一步結(jié)合B IT指標(biāo),則有望在近海SST重建中發(fā)揮作用。而基于支鏈GDGTs的MBT/CBT指標(biāo)則提供了一個嶄新的從海洋看陸地的視角,可以通過對近海沉積物的研究來反演流域的陸地氣溫變化?；贕DGTs的有機(jī)地球化學(xué)指標(biāo)在近海和陸地的同時應(yīng)用為比較大氣溫度和海水溫度變化的相同性和差異提供了方便。雖然在應(yīng)用中目前仍然存在一些需要解決的問題,但已經(jīng)取得的研究結(jié)果是令人鼓舞的。國內(nèi)在GDGTs古溫度重建等方面的應(yīng)用目前鮮有報(bào)道,應(yīng)當(dāng)及時開展有關(guān)研究。

[1] Sinninghe Damsté J S,Ossebaar J,Abbas B,et al.Fluxes and distribution of tetraether lipids in an equatorial African lake:constraints on the application of the TEX86palaeothermometer and BIT index in lacustrine settings[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,2009,73:4232-4249.

[2] Sinninghe Dam st?J S,Rijpstra W IC,Hopmans E C,et al.Distribution of membrane lipids of planktonic crenarchaeota in the A-rabian Sea[J].App lied Environmental Microbiology,2002,68:2997-3002.

[3] Schouten S,Hopmans E C,Baas M.Intact membrane lipids of“Candidatus Nitrosopumilus maritimus”a cultivated representative of the cosmopolitan mesophilic Group I Crenarchaeota[J].Appllied Environmental Microbiology,2008,74:2433-2440.

[4] Weijers JW H,Schouten S,Hopmans EC,et al.Membrane lipids of mesophilic anaerobic bacteria thriving in peats have typical archaeal traits[J].Environmental Microbiology,2006,8:648-657.

[5] Schouten S,Hopmans E C,SchefuβE,et al.Distributional variations in marine crenarchaeotal membrane lipids:a new tool fo r reconstructing ancient sea water temperatures[J]?Earth and Planetary Science Letters,2002,204:265-274.

[6] Hopmans E C,Weijers JW H,SchefuβE,et al.A novel proxy for terrestrial organic matter in sediments based on branched and isoprenoid tetraether lipids[J].Earth and Planetary Science Letters,2004,224:107-116.

[7] Powers L A,Werne J P,Johnson T C,et al.Crenarchaeotal lipids in lake sediments:A new paleotem perature proxy for continental paleoclimate reconstruction[J]?Geology,2004,32:613-616.

[8] Peterse F,Kim J H,Schouten S,et al.Constraints on the application of the MBT/CBT palaeothermometer in high latitude environments(Svalbard,Norway)[J].O rganic Geochemistry,2009,40:692-699.

[9] Peterse F,van der Meer MT J,Schouten S,et al.Assessment of soil n-alkaneδD and branched tetraether membrane lipid distributions as tools for paleoelevation reconstruction[J].Biogeosciences Discuss,2009,6:8609-8631.

[10] Rueda G,Rosell-MeléA,Escala M,et al.Comparison of instrumental and GDGT based estimatesof sea surface and air temperatures from the Skagerak[J].Organic Geochemistry,2009,40:287-291.

[11] Wuchter C,Schouten S,Wakeham S G,et al.Temporal and spatial variation in tetraether membrane lipids of marine Crenarchaeota in particulate organic matter:implications for TEX86paleothermometry[J].Paleoceanography,2005,20:PA 3013.

[12] Karner M B,DeLong E F,Karl D M.A rchaeal dominance in the mesopelagic zone of the Pacific Ocean[J].Nature,2001,409:507-510.

[13] Sinninghe DamstéJ S,Hopmans EC,Schouten S,et al.Crenarchaeol:the characteristic co re glycerol dibiphytanyl glycerol tetraether membrane lipid of cosmopolitan pelagic crenachaeota[J].Journal of Lipid Research,2002,43:1641-1651.

[14] 姚鵬,于志剛.海洋沉積物中現(xiàn)存微生物化學(xué)標(biāo)志物完整極性膜脂研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2010,25(5):474-483.

[15] Schouten S,Forster A,Panoto F E,et al.Towards the calibration of the TEX86paleothermometer for tropical sea surface temperatures in ancient greenhouse worlds[J].Organic Geochemistry,2007,38:1537-1546.

[16] Schouten S,Hopmans E C,Forster A,et al.Extremely high sea-surface temperaturesat low latitudes during themiddle Cretaceous as revealed by archaeal membrane lipids[J].Geology,2003,31:1069-1072.

[17] Kim J H,Schouten S,Hopmans E C,et al.Global sediment co re-top calibration of the TEX86paleothermo meter in the ocean[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,2008,72:1154-1173.

[18] 趙美訓(xùn),李大偉,邢磊.古菌生物標(biāo)志物古海水溫度指標(biāo)TEX86研究進(jìn)展[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),2009,29:75-84.

[19] Wuchter C,Schouten S,Coolen M J L,et al.Temperature-dependent variation in the distribution of tetraether membrane lipids of marine Crenarchaeota:implications for TEX86 paleothermometry[J].Paleoceanography,2004,19:PA4028-1-10.

[20] Trommer G,Siccha M,van der Meer MT J,et al.Distribution of Crenarchaeota tetraether membrane lipids in surface sediments from the Red Sea[J].O rganic Geochem istry,2009,40:724-731.

[21] Pearson A,Pi YD,Zhao W D,et al.Factors controlling the distribution of archaeal tetraethers in terrestrial hot springs[J].Appllied Environmental Microbiology,2008,74:3523-3532.

[22] Hofmann P,St sser I,Wagner T,et al.Climate-ocean coup ling off North-West Af rica during the Low er A lbian:The Oceanic Anoxic Event 1b[J].Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology,2008,262:157-165.

[23] 張曉林,沙金庚,劉靜.四醚膜類脂物的古溫標(biāo)—TEX86[J].古生物學(xué)報(bào),2008,47:498-505.

[24] Schouten S,Hopmans E C,Sinninghe DamstéJ S.The effect of maturity and depositional redox conditions on archaeal tetraether lipid palaeothermometry[J].Organic Geochemistry,2004,35:567-571.

[25] Turich C,Freeman K F,Bruns M A,et al.Lipidsof marine Archaea:Patterns and provenance in the water-column and sediments[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,2007,71:3272-3291.

[26] Anderson N J.Diatom s,temperature and climatic change[J].European Journal of Phycology,2000,35:307-314.

[27] 陳建徽,陳發(fā)虎,趙艷,等.古溫度定量重建的良好代用指標(biāo)—湖泊沉積搖蚊化石記錄研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2004,19:782-788.

[28] 曾承,安芷生,劉衛(wèi)國,等.湖泊碳酸鹽記錄的古水溫定量研究進(jìn)展[J].鹽湖研究,2008,16:42-50.

[29] Zink K G,Leythaeuser D,Melkonian M,et al.Temperature dependency of long-chain alkenone distributions in Recent to fossil limnic sediments and in lake waters[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,2001,65:253-265.

[30] Liu Z H,Henderson A C G,Huang Y S.Alkenone-based reconstruction of late-Holocene surface temperature and salinity changes in Lake Qinghai,China[J].Geophys Res Lett,2006,33,L09707,doi:10.1029/2006GL026151.

[31] Pearson E J,Juggins S,Farrimond P.Distribution and significance of long-chain alkenones as salinity and temperature indicato rs in Spanish saline lake sediments[J].Geochimica et Cosmochim ica Acta,2008,72:4035-4046.

[32] Escala M,Rosell-Mele A,Masque P.Rapid screening of glycerol dialkyl glycerol tetraethers in continental Eurasia samp les using HPLC/APCI-ion trap mass spectrometry[J].Organic Geochemistry,2007,38:161-164.

[33] Powers L A.Calibration and application of a new palaeotemperature tool in lacustrine systems:TEX86for continental palaeoclimate reconstruction.Doctor Dissertation[D].Twin Cities:University of M innesota,2005.

[34] Powers L A,Johnson T C,Werne J P,et al.Large temperature variability in the southern African tropics since the Last Glacial Maximum[J].Geophysical Research Letters,2005,32:L08706-1-4.

[35] Tierney J E,Russel J M,Huang Y S,et al.Northern hemisphere controls on tropical Southeast African climate during the past 60,000 years[J].Science,2008,322:252-255

[36] Blaga C,Reichart GJ,HeiriO,et al.Tetraether membrane lipid distributions in water-column particulate matter and sediments:A study of 47 European lakes along a North-South transect[J].Journal of Paleolimnology,2009,doi 10.1007/s10933-008-9242-2.

[37] Powers L,Werne J P,Vanderwoude A J,et al.Applicability and calibration of the TEX86paleothermometer in lakes[J].Organic Geochemistry,2010,41:404-413.

[38] Yu J Q,Zhang L.Lake Qinghai:Paleoenvironment And Paleoclimate[M].Beijing:Science Press,2008.

[39] Li J,Philip R P,Pu F,et al.Long chain alkenones in Qing hai Lake sediments[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1996,60:235-241.

[40] 付明義,劉衛(wèi)國,李祥忠,等.青海湖及柴達(dá)木盆地地區(qū)現(xiàn)代湖泊沉積物中長鏈烯酮的分布特征[J].湖泊科學(xué),2008,20:285-290.

[41] Sinninghe DamstéJ S,Hopmans EC,Pancost RD,et al.New ly discovered non-isop renoid dialkyl diglycerol tetraether lipids in sediments[J].Journal of the Chemical Society,Chemical Communications,2000:1683-1684.

[42] Weijers JW H,Schouten S,Spaargaren O C,et al.Occurrence and distribution of tetraether membrane in soils:Imp lications for the use of the B IT index and the TEX86SST p roxy[J].O rganic Geochemistry,2006,37:1680-1693.

[43] Lang worthy T A,Holzer G,Zeikus J G,et al.Iso-branched and anteiso-branched glycerol diethers of the thermophilic anaerobe Thermodesul fotobacterium commune[J].Systematic and Applied Microbiology,1983,4:1-17.

[44] Huber R,Wilharm T,Huber D,et al.Aquifex pyrophilus gen.nov.sp.nov.rep resents a novel group of marine hyper thermophilic hydrogen-oxidizing bacteria[J].Systematic and Applied Microbiology,1992,15:340-351.

[45] Sinninghe Damst?J S,Rijpstra W I,Hopmans EC,et al.Structural characterization of diabolic acid-based tetraester,tetraether and mixed ether/ester,membrane-spanning lipids of bacteria from the order[J]Ther motogales.Archives of Microbiology,2007,188:629-641.

[46] Schouten S,Hopmans E C,Pancost R D,Sinninghe Dam st?J S.Widesp read occurrence of structurally diverse tetraether membrane lipids:evidence for the ubiquitous presence of low-temperature relatives of hyperthermophiles[J].Proceedings of the National Academy of Sciences,USA,2000,97:14421-14426.

[47] Herfort L,Schouten S,Boon J P,et al.Characterization of transport and deposition of terrestrial organic matter in the Southern North Sea using the BIT index[J].Limnology and O-ceanography,2006,51:2196-2205.

[48] Kim J H,Schouten S,Buscail R,et al.Origin and distribution of terrestrial organic matter in the NW Mediterranean(Gulf of Lions):Exp lo ring the newly developed B IT index[J].Geochemistry,Geophysics,Geosystems,2006,7:1-20.

[49] Walsh EM,Ingalls A E,Keil R G.Sources and transport of terrestrial organic matter in Vancouver Island fjords and the Vancouver-Washington Margin:a multiproxy approach usingδ13Corg,lignin phenols,and the ether lipid BIT index[J].Limnology and Oceanography,2008,53:1054-1063.

[50] Huguet C,Smittenberg R H,Boer W,et al.Twentieth century proxy records of temperature and soil organic matter input in the Drammensfjord,southern Norway[J].Organic Geochemistry,2007,38:1838-1849.

[51] Kim J H,Ludwig W,Schouten S.Impact of flood events on the transport of terrestrial organic matter to the ocean:a study of the Tt River(SW France)using the BIT index[J].Organic Geochemistry,2007,38:1593-1606.

[52] Sluijs A,Schouten S,Pagani M,et al.Subtropical Arctic Ocean temperatures during the Palaeocene/Eocene thermal maximum[J].Nature,2006,441:610-613.

[53] Mnot G,Bard E,Rostek F,et al.Early reactivation of European rivers during the last deglaciation[J].Science,2006,313:1623-1625.

[54] Weijers JW H,Schouten S,SchefuβE,et al.Disentangling marine,soil and plant organic carbon contributions to continental margin sediments:A multi-proxy approach in a 20,000 year sediment record from the Congo deep-sea fan[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,2009,73:119-132.

[55] Weijers JW H,Schouten S,van den Donker JC,et al.Environmental controls on bacterial tetraether membrane lipid distribution in soils[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,2007,71:703-713.

[56] Weijers JW H,SchefuβE,Schouten S,et al.Coupled thermal and hydrological evolution of tropical Africa over the last deglaciation[J].Science,2007,315:1701-1704.

[57] Schouten S,Eldrett J,Greenwood D R,et al.Onset of longterm cooling of Greenland near the Eocene-Oligocene boundary as revealed by branched tetraether lipids[J].Geology,2008,36:147-150.

[58] Liu Z H,Pagani M,Zinniker D,et al.Global cooling during the Eocene-Oligocene climate transition[J].Science,2009,323:1187-1190.

[59] 孫啟高.如何利用化石植物定量研究古海拔[J]?地質(zhì)論評,2008,54:145-154.

[60] Jia GD,Wei K,Chen F J,et al.Soil n-alkaneδD vs.altitude gradients along Mount Gongga,China[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,2008,72:5165-5174.

[61] Schouten S,Ossebaar J,Brummer G J,et al.Transport of terrestrial organic matter to the deep North Atlantic Ocean by ice rafting[J].Organic Geochemistry,2007,38:1161-1168.

[62] Tierney J E,Russel J M.Distributions of branched GDGTs in a tropical lake system:implications for lacustrine application of the MBT/CBT paleoproxy[J].Organic Geochemistry,2009,40:1032-1036.

[63] Guo Z T,Ruddiman W M,Hao Q Z.Onset of Asian desertification by 22 M yr ago inferred fromloess deposits in China[J].Nature,2002,416:159-163.

[64] Wang Y J,Cheng H,Edwards R L,et al.The Holocene Asian monsoon:Links to solar changes and North Atlantic climate[J].Science,2005,308:854-857.

[65] Wang Y J,Cheng H,Edwards R L,et al.Millennial-and orbit-al-scale changes in the East Asianmonsoon over the past 224,000 years[J].Nature,2008,451:1090-1093.

[66] Sun Y B,Clemens S C,An Z S,et al.Astronomical timescale and palaeoclimatic implication of stacked 3.6-M yr monsoon records from the Chinese Loess Plateau[J].Quaternary Science Review s,2006,25:33-48.

[67] Chen X L,Fang XM,An Z S,et al.An 8.1 Ma calcite record of Asian summer monsoon evolution on the Chinese central Loess Plateau[J].Science in China:Series D,2007,50:392-403.

[68] 劉敬華,張平中,程海,等.黃土高原西緣在AD 1875～2003期間石筍氧同位素記錄的季風(fēng)降水變化與海氣系統(tǒng)的聯(lián)系[J].科學(xué)通報(bào),2008,53:2801-2808.

[69] 吳江瀅,汪永進(jìn),程海,等.葫蘆洞石筍記錄的19.9～17.1 ka BP東亞夏季風(fēng)增強(qiáng)事件[J].中國科學(xué)(D輯),2009,39:61-69.

[70] 周斌,沈承德,鄭洪波,等.黃土高原中部晚第四紀(jì)以來植被演化的元素碳碳同位素記錄[J].科學(xué)通報(bào),2009,54:1262-1268.

[71] Chu G Q,Sun Q,Li SQ,et al.Long-chain alkenone distributions and temperature dependence in lacustrine surface sediments from China[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,2005,69:4985-5003.