湖北鶴峰走馬鎮(zhèn)葛仙米分布區(qū)土壤正構(gòu)烷烴特征研究

李 莉

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)環(huán)境學院，湖北武漢430074;2.湖北民族學院生物科學與技術(shù)學院，湖北恩施445000)

分子化石研究載體已涉及到海相沉積物、湖相沉積物、泥炭、大氣氣溶膠，冰芯和黃土等.目前，分子化石研究得最為廣泛的是類脂物.類脂物在地質(zhì)體中穩(wěn)定，可以在許多載體中長期保存，雖然經(jīng)歷了一定的成巖、成土、壓實等作用，它們?nèi)匀荒軌虮Ａ粼忌锏奶脊羌?，它們所攜帶的生物學信息在判斷一些生物面貌上能提供十分有用的信息.正構(gòu)烷烴不易被微生物所降解，它更能夠記錄有機質(zhì)的來源信息，因此它在一定程度上能夠反映沉積物形成過程中周圍的植被類型及其變化情況和沉積物形成的環(huán)境［1－6］.近年在國內(nèi)人們開始了正構(gòu)烷烴分子化石的一系列研究，在這一領(lǐng)域初步顯示了分子化石在記錄古植被和季風變化上的巨大潛力.

葛仙米，俗稱“水木耳”、“田木耳”、學名擬球狀念珠藻，附生于稻田、淺水池沼、湖、溪的沙石或泥土上，球形膠質(zhì)狀.它是一種古老的野生淡水藻類，屬多細胞絲狀藍藻，與地木耳(N.commune)、發(fā)菜(N.flagelliforme)同屬藍藻門(Cyanophyta)、藍藻綱(Cyanophyceae)，段殖藻目(Hormogonales)，念珠藻科(Nostocaceae)，念珠藻屬(Nostoc).葛仙米對生長環(huán)境、氣候和地理條件特殊要求，20世紀90年代后鶴峰走馬鎮(zhèn)葛仙米分布面積逐年下降，目前，也僅有零散分布.古老的葛仙米與氣候作用在其分布生長繁殖區(qū)域的地質(zhì)體中是否記載該生物有機質(zhì)長期演化的分子化石［7－12］?本文以葛仙米生長區(qū)域的土壤或沉積物為載體試圖尋找其中蘊藏的植被或古植被信息.

1 樣品分析方法

在鶴峰走馬地區(qū)走馬鎮(zhèn)，葛仙米分布區(qū)屬于亞熱帶二高山地區(qū)，氣候類型屬于典型的亞熱帶大陸性季風，濕潤氣候［13－15］.選擇該地區(qū)有代表性的土壤取樣點三個，地理坐標為 29°50'59″N，110°24'51″E;29°50'46″N，110°25'0.36″E;29°51'01″N，110°25'27″E.每個點確定為一個剖面(0 ～100 cm)，樣品從土壤表層連續(xù)系統(tǒng)的取樣，自上而下每10 cm為一個樣品.樣品共分為三組Ⅰ、Ⅱ、和Ⅲ即Ⅰ為HL01－HL10(旱地)，Ⅱ為HL11－HL20，HL33(水田)，Ⅲ為HL21－HL30(水田).共分析測試樣品30件.所有采集的樣品都及時風干保存.分別將風干后的土壤樣品粉碎至80目以下，用氯仿在索氏抽提器中抽提56h，將抽提液濃縮后，轉(zhuǎn)移到細胞瓶中用氮氣吹干衡重.然后用層析柱法分離出飽和烷烴、芳烴、非烴和瀝青質(zhì).烷烴直接進行氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC－MS)分析.GC－MS分析在中國地質(zhì)大學(武漢)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)教育部重點實驗室完成.氣相色譜－質(zhì)譜(GC/MS)分析采用HP6890型氣相色譜與HP5973A型質(zhì)譜聯(lián)用儀.色譜條件:HP－5MS石英毛細管柱(30 mm×0.25 mm×0.25 mm)，起始溫度70℃，升溫速率 3℃ /min，終溫280℃，終溫恒溫20 min，進樣口溫度300℃，進樣量2μL，氦氣為載氣.質(zhì)譜條件:電子轟擊源，電離能量70eV，GC與MS接口溫度280℃.

2 結(jié)果與討論

2.1 葛仙米土壤正構(gòu)烷烴特征

分子化石正構(gòu)烷烴地質(zhì)意義有兩點［4］:第一指示沉積巖有機質(zhì)的來源，如正構(gòu)烷烴廣泛分布于古代沉積巖、現(xiàn)代沉積巖中.不同碳數(shù)的正構(gòu)烷烴相對豐度可以反映沉積物中有機質(zhì)的來源.不同生物源的正構(gòu)烷烴具有不同的分布類型、碳數(shù)范圍及碳數(shù)范圍主峰碳數(shù)的特征，例如藻類、菌類正構(gòu)烷烴分布為C13－C21，以C17、C18或C19為主的單峰型分布，缺少高碳數(shù)大于C25的正構(gòu)烷烴，無明顯的奇偶優(yōu)勢.陸相陸相高等植物角質(zhì)中的正構(gòu)烷烴主要分布于高碳數(shù)部分C23－C35，以C27、C29或C31為主的單峰型特征，具有明顯的奇偶優(yōu)勢.陸相高等植物角質(zhì)中的正構(gòu)烷烴主要分布于高碳數(shù)部分C23－C35，以C27、C29或C31為主的單峰型特征，具有明顯的奇偶優(yōu)勢.若以雙峰型分布的特征被認為是混合來源，其中木本植物以C27、C29主峰;草本植物以C31、C33為主峰.以(C27+C29)/(C31+C33)比值變化反映了木本和草本植物的相對變化關(guān)系.以(C15+C21)/(C22+C33)反映低等植物與高等植物的變化［7－9］.第二指示沉積物的成熟度［4］，表示奇偶碳數(shù)正構(gòu)烷烴相對豐度的比值以碳優(yōu)勢指數(shù)CPI值(CPI=∑C23～C35(奇碳數(shù))∑C22～C34(偶碳數(shù))).CPI值可以反映多方面的信息.一方面是有機質(zhì)演化的成熟度大小的信息.大量的事實表明古代沉積巖中的正構(gòu)烷烴CPI值會隨著成熟度增高而逐漸減小到1左右，既奇偶優(yōu)勢消失.現(xiàn)代沉積物一般CPI=2～5.5.另一方面陸相高等植物母質(zhì)沉積形成有機質(zhì)有十分高的CPI值，源于海相低等生物沉積有機質(zhì)有較低CPI值(CPI＜2)的特征.

在葛仙米生長區(qū)域內(nèi)，尋找類脂物，正構(gòu)烷烴并分析其特征.現(xiàn)以土壤或沉積巖為載體研究正構(gòu)烷烴分布類型、碳數(shù)范圍及碳數(shù)范圍主峰碳數(shù)的特征和沉積物的成熟度.做了葛仙米生長區(qū)域土壤層正克烷烴參數(shù)分析以及碳數(shù)分布規(guī)律，如圖1～3和表1～2所示.從表2可知，從土壤表層向剖面深處，CPI值遞減:剖面Ⅰ土壤表層、剖面Ⅱ和剖面Ⅲ在表層至30 cm范圍內(nèi)CPI值都很高，呈現(xiàn)為陸相高等植物母質(zhì)沉積有機質(zhì)形成土壤特征;水田在土層深度為40 cm以后，CPI值在0.24 ～5.55范圍內(nèi)，呈現(xiàn)出現(xiàn)代沉積物(CPI=2～5)的正構(gòu)烷烴和海相低等生物沉積(CPI＜2)有機質(zhì)的特征.

表1 B=(C15－C21)/(C22－C33)比值隨土壤剖面深度的變化Tab.1 Ratio of B as the variable depth

2.2 葛仙米土壤與古黃土土壤正構(gòu)烷烴比較［5］

泥土、冰芯和黃土是常見的類脂物載體，類脂物保存有生物學信息，以甘肅臨夏塬堡古黃土剖面土壤層為例，了解古植被正構(gòu)烷烴分布特征，并作參考與葛仙米生長區(qū)土壤層正克烷烴比較，如圖2所示.

表2 葛仙米生長區(qū)土壤正構(gòu)烷烴參數(shù)Tab.2 The n－alkanes date from the soil of nostoc sphaeoides distribution

圖1 剖面Ⅰ～Ⅲ葛仙米土壤層正構(gòu)烷烴的分布特征Fig.1 The carbon distribution of n－alkanes from the soilof profile Ⅰ ～ Ⅲ in the region of growing nostoc sphaeroides

由圖1知，葛仙米土壤正構(gòu)烷烴的碳數(shù)分布在C14～C33范圍，以C17和C29或C31為主峰的雙峰或以C17為主的單峰型分布.正構(gòu)烷烴在C20以下無明顯的奇偶優(yōu)勢，C22以上主峰表現(xiàn)出明顯的奇偶優(yōu)勢.因此，葛仙米剖面土壤正構(gòu)烷烴的碳數(shù)分布特征與臨夏塬堡黃土地層S1古土壤中的正構(gòu)烷烴特征基本一致.

圖2 甘肅臨夏塬堡黃土剖面的S古土壤層正構(gòu)烷烴的分布特征Fig.2 The carbon distribytion of n－alkanes from the S paleosol of paleosol Yuanbao，Linxia

從表2可知，三個土壤剖面在土壤層深度為60～80 cm處(C15－C21)/(C22－C33)比值都出現(xiàn)極大值.在該處是否存在低等植物與高等植物的巨大變化與相應的氣候變化有何關(guān)系，有待進一步研究.

3 結(jié)論

1)鶴峰走馬鎮(zhèn)葛仙米分布區(qū)三個剖面土壤中正構(gòu)烷烴的碳數(shù)分布在C14～C33范圍 ，以C17和C29或C31為主峰的雙峰或以C17為主的單峰型分布.正構(gòu)烷烴在C20以下無明顯的奇偶優(yōu)勢，C22以上主峰表現(xiàn)出明顯的奇偶優(yōu)勢.反映出正構(gòu)烷烴的低等菌藻類生物和陸生高等植物的特征.

2)隨著土壤表層向剖面深度的增加的，CPI的變化趨勢的明顯表現(xiàn)為遞減，三個剖面土壤表層十分高，表現(xiàn)為陸相高等植物母質(zhì)沉積有機質(zhì)形成土壤特征，在土層深度為40cm以后，碳優(yōu)勢指數(shù)CPI值在0.24～5.55范圍內(nèi)，呈現(xiàn)出現(xiàn)代沉積物(CPI=2～5)的正構(gòu)烷烴和海相低等生物沉積(CPI＜2)有機質(zhì)的特征.

3)三個土壤剖面在土壤層深度為70 cm處附近(C15－C21)/(C22－C33)比值都出現(xiàn)極大值，(剖面Ⅱ剖面Ⅲ).是否在該處反映出低等植物與高等植物的巨大變化和對答的氣候變化有待進一步考證其結(jié)果.

［1］ 郝立波，戚長謀.地球化學原理［M］.3版.北京:地質(zhì)出版社，2004:91－92.

［2］ 謝樹成，梁斌，郭建秋.生物標志化合物與相關(guān)的全球變化［J］.第四紀研究，2003，23(5):521－528.

［3］ 譚學儒.葛仙米簡介［J］.中國食物與營養(yǎng)，1998(5):45－49.

［4］ 韓呤文，馬振東.地球化學［M］.北京:地質(zhì)出版社，2004:315－317.

［5］ 王志遠，謝樹成，陳發(fā).臨夏塬堡黃土地層S1古土壤中的正構(gòu)烷烴及其古植被意義［J］.第四紀研究，2004，24(3):231－235.

［6］ 梁斌，謝樹成，顧延生.安徽宣城更新世紅土正構(gòu)烷烴分布特征及其古植被意義［J］.地球科學，2005，30(2):129－132.

［7］ Cranwell P A.Chain－length distribution of n－alkane from lake sediments in relation to post－glacial environmental change［J］.Freshwater Biol，1973，3:259－900.

［8］ Meyers P A，Ishiwatari R.Lacustrine organic geochemistry:an overview of indicators of organic matter Sources and diagenesis in lake sediments Org Geochem，1993，20:867－900.

［9］ Cranwell P A，Eglinton G Robinson.Lipids of aquatic organisms as potential contributors to lacustrine sediments［J］.Org Geochem，1987，11:513－527.

［10］ 謝樹成，易軼，劉育燕.中國南方更新世網(wǎng)紅土對全球氣候變化的響應:分子化石的記錄［J］.中國科學(D輯)，2003，33(5):411－417.

［11］ 謝樹成，黃俊華，王紅梅.湖北清江和尚洞石筍脂肪酸的古氣候意義［J］.中國科學(D輯)，2005，35(3):246－251.

［12］ 揚群.分子古生物學原理與方法［M］.北京:科學出版社，2003.

［13］ 程超，汪興平，張家年.葛仙米的保護與利用［J］.特種經(jīng)濟動植物，2003(5):15－16.

［14］ 程超，莫開菊，汪興平.葛仙米生長及繁殖條件的探討［J］.湖北民族學院學報:自然科學版，2003，21(4):14－17.

［15］ 李莉，韓鴻印，馬光明.野生葛仙米礦物元素富集探討［J］.湖北民族學院學報:自然科學版，2007，25(4):448－450.