湖泊沉積色素在古環(huán)境研究中的應用

陳倩倩，周戎星，潘玲陽，李定心

(1.安徽新華學院 土木與環(huán)境工程學院，安徽 合肥 230088；2.安徽新華學院 安全與環(huán)境評價研究所，安徽 合肥 230088)

歷史時期氣候與環(huán)境變化的研究是解決全球氣候變化和區(qū)域響應問題中的重要環(huán)節(jié)。而湖泊沉積物則是揭示古氣候和古環(huán)境變化的最佳載體，它可以完整的記錄地質(zhì)歷史時期區(qū)域氣候、植被以及人類活動的演化過程等信息[1-2]。尤其是那些封閉好，受到人類擾動較小的高原和極地湖泊沉積物，對于區(qū)域乃至全球氣候變化的響應十分靈敏，而且分辨率高，可以獲取千年、百年甚至十年尺度上的古環(huán)境事件，目前被廣泛應用于全球氣候變化研究當中[3-4]。湖泊浮游植物作為水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分對氣候變化反應敏感，在生態(tài)監(jiān)測中發(fā)揮著重要的作用[5-7]。來源于浮游植物的沉積色素是用于恢復古氣候變化的重要指標之一，生物殘體死亡以后，它們產(chǎn)生的色素還將長期存在,保留豐富的信息[8]，為我們研究過去的環(huán)境變化和污染歷史提供了可能。研究表明，根據(jù)湖泊沉積物中沉積色素的種類和含量可以恢復湖泊初級生產(chǎn)力[9-10]、可以指示湖泊古氣候變化[11]、湖泊營養(yǎng)狀況[12]、湖泊酸化[13]、紫外輻射歷史[14]、浮游植物群落變化歷史及人類活動的影響等[5-6]。因此，可以通過分析湖泊和海洋沉積色素，結(jié)合其他指標的分析結(jié)果，揭示區(qū)域氣候演化歷史及變化特征等。本文重點總結(jié)了沉積色素的基本性質(zhì)，探討了色素在湖泊和海洋沉積物中的應用及研究進展。

1 色素的種類和來源

色素是一類由于可以反射特定波長的可見光而產(chǎn)生顏色的一類化合物，植物體內(nèi)的色素不僅可以反射特定的光，而且可以吸收特定波長的光進行光合作用，這類色素稱之為光合色素[16]。根據(jù)分子結(jié)構(gòu)的特點可將色素分為三類：葉綠素，類胡蘿卜素及藻膽素[17]。葉綠素是光合作用發(fā)生的必要條件，葉綠素a存在于所有的浮游植物中，是湖泊和海洋初級生產(chǎn)力的良好指標[17]。許多類胡蘿卜素都具有種類特異性，可以指示浮游藻類的種群，如葉綠素b只存在于水生綠藻和苔蘚(陸生)中，β-胡蘿卜素普遍存在于各類藻類當中，α-胡蘿卜素則普遍存在于綠藻、硅藻、隱藻等水生藻類體內(nèi)，巖藻黃素來源于硅藻，角黃素、海膽酮等則來自于藍藻，別黃素則來自于隱藻等，水生浮游植物主要特征色素(見表1)[18]。而藻膽素與葉綠素和類胡蘿卜素不同，它是一類水溶性色素，僅存在于少數(shù)幾種藻類當中，由于不易被常用的色素分析方法所檢測，因此應用較少。

表1 浮游植物主要特征色素

2 沉積色素與湖泊初級生產(chǎn)力

色素存在于水生浮游植物當中，可以作為浮游植物生物量的指標，有研究表明影響沉積色素含量的主要因素是湖泊初級生產(chǎn)力[19]，因此，沉積色素與歷史時期湖泊區(qū)域生物量有關(guān)，其含量的增加可以指示浮游植物量的增加，表征湖泊生產(chǎn)力[20-22]。湖泊生產(chǎn)力的指標比較多，常用的包括有機碳、有機氮、生物硅等，但是由于湖泊環(huán)境復雜，影響生產(chǎn)力的因素多變，使用這些指標時會有一定的局限性，比如有機碳的來源復雜，不能準確指示湖泊內(nèi)源藻類的輸入，而生物硅只能反映硅藻的生物量[23]。但是沉積色素，尤其是葉綠素a和β-胡蘿卜素存在于所有的藻類當中，可以準確的反映湖泊生產(chǎn)力的變化[24]。其他藻類的特征類胡蘿卜素還可以用來標記不同浮游植物群落的生產(chǎn)力和湖泊營養(yǎng)狀況[17-18]。Schueller等[25]定量分析了新西蘭海灣四個沉積柱中的浮游植物色素，用葉綠素a和β-胡蘿卜素表征總藻類生物量，研究了該偏遠地區(qū)浮游植物群落組成和初級生產(chǎn)力變化歷史，同時利用葉綠素a和光合色素比值作為指標證明了浮游植物色素在南半球海灣生態(tài)系統(tǒng)中保存較好。對青藏高原湖泊沉積色素的研究發(fā)現(xiàn)，近一個世紀以來該地區(qū)湖泊初級生產(chǎn)力升高明顯，尤其是青海湖，在1800AD之前就曾經(jīng)出現(xiàn)過較高的色素含量，但是尚不能區(qū)分是氣候還是人類活動作用導致的[26]。Reuss等[27]對瑞典北部亞北極地區(qū)的100個湖泊中沉積色素的研究發(fā)現(xiàn)，溶解性有機質(zhì)(DOC)是影響高緯度地區(qū)湖泊初級生產(chǎn)力的主要因素，而調(diào)節(jié)光合浮游植物群落的主要因素是湖泊深度、海拔、以及電導率。對波羅地海沉積物中的色素及其他生物地球化學指標分析發(fā)現(xiàn)，1950AD以后總藻生物量顯著增加，并指出是人類活動排放的含氮廢水促進了湖泊生產(chǎn)力，尤其促進了硅藻生物量的增加[28]。對北極新奧爾松地區(qū)湖泊沉積色素的研究重建了最近100 a以來的湖泊初級生產(chǎn)力演化過程，同時指出北極地區(qū)人類活動的增強可能導致湖泊生產(chǎn)力水平增加[29]。Schueller等[25]利用北極湖泊沉積物中的葉黃素和硅藻黃素的比值指示高等植物(綠藻、高等植物、苔蘚)初級生產(chǎn)力在全新世的變化情況。對我國封閉湖泊程海沉積物中的沉積色素研究，重建了程海過去500 a的生產(chǎn)力變化歷史并分析了原因[30]。由此可見，沉積色素作為湖泊初級生產(chǎn)力的代用指標顯示出了特有的優(yōu)勢。

3 沉積色素與湖泊的富營養(yǎng)化歷史

沉積物中的有機質(zhì)和色素可以作為湖泊富營養(yǎng)化水平的一種有效代用指標。沉積色素尤其是葉綠素在富營養(yǎng)化湖泊中含量較高，相反在貧營養(yǎng)湖泊中色素含量較低[31-33]。因此，可以應用沉積色素高分辨率地重建水體富營養(yǎng)化的歷史[34]。張含笑等[35]利用長潭水庫沉積色恢復了水庫的富營養(yǎng)化演化歷史，揭示了人類活動和氣候變化對長潭水庫藻類演替的影響和過程。在非洲南部Zeekoevlei湖泊的研究中，以玉米黃質(zhì)和β-胡蘿卜素的比值作為表征藍藻生物量的指標，重建了近百年來由于人類活動引起的大型植物和浮游生物的生物地球化學變化過程[36]。Schneider等[37]利用沉積色素高分辨率的重建了近百年來瑞士盧加諾湖的泊富營養(yǎng)化歷史，揭示了該湖自20世紀30年代以來的湖泊生產(chǎn)力和富營養(yǎng)化水平的變化特征。在法國的納雷湖(侏羅山脈)利用沉積色素和硅藻化石指標，重建并分析了在氣候變化和人類活動雙重驅(qū)動因素的影響下，過去1 200 a湖泊營養(yǎng)狀況的演化歷史[38]。

沉積色素研究還可以很好的區(qū)分富營養(yǎng)化的不同階段。對國內(nèi)湖北良子湖沉積色素的研究揭示了過去一個世紀以來的湖泊富營養(yǎng)化歷史，并將其劃分為五個不同的時期:早期的貧營養(yǎng)時期，輕度富營養(yǎng)化時期，中度富營養(yǎng)化時期，富營養(yǎng)化時期以及當前穩(wěn)定的富營養(yǎng)時期，并且證實了人類開墾土地和農(nóng)業(yè)肥料的流失是該湖泊水體富營養(yǎng)化的最主要成因[39]。云南程海近600 a沉積物中的色素和同位素含量隨著深度的變化顯示，該區(qū)域過去600 a經(jīng)歷了由貧營養(yǎng)到富營養(yǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的三個階段，指出該湖泊營養(yǎng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變主要是由于人類遷移及農(nóng)業(yè)施肥導致的[40]。因此，在控制富營養(yǎng)化和修復環(huán)境時，要充分了解水體營養(yǎng)水平及原因，視各區(qū)域的具體情況，采取措施降低富營養(yǎng)水平。

4 沉積色素與紫外輻射歷史

沉積色素中的偽枝藻色素(scytonemin)是藍藻體內(nèi)合成的一種屏蔽紫外輻射的脂溶性色素，其含量在一定程度上可以指示當時紫外輻射強度[41]，通常采用偽枝藻色素與總類胡蘿卜素的比值來指示紫外輻射變化強度，以去除總浮游植物生物量的影響[42-43]。目前應用該色素反演紫外輻射歷史的研究主要在兩極地區(qū)開展，如，在東南極地區(qū)利用湖泊沉積色素結(jié)合其他生物地球化學指標，重建了過去2 000 a來該地區(qū)的紫外輻射變化歷史，并區(qū)分出四個明顯的紫外輻射高峰期，作者指出影響紫外輻射強度的可能因素主要有云量、大氣濁度、臭氧層厚度、湖冰等[14-15]。Hodgson[15,42]通過沉積色素恢復了南極地區(qū)末次間冰期—晚更新世—全新世間冰期的紫外輻射歷史，指出晚更新世末次冰期的紫外輻射強度較全新世間冰期高出三倍之多，同時指出平流層臭氧水平、云量、表面反射率等外在因素是造成高紫外輻射的可能原因。陳倩倩等[15,43]利用沉積色素重建了東南極羅斯海地區(qū)過去800 a來的紫外輻射記錄和整體光強度的變化歷史，揭示了過去800 a來東南極羅斯海地區(qū)至少經(jīng)歷了四次明顯的紫外輻射高峰期，而且從歷史記錄來看現(xiàn)代的紫外輻射強度最高。在北極地區(qū)，利用落基山脈湖泊沉積物中的沉積色素指標重建了該地區(qū)過去200 a來的紫外輻射變化歷史，發(fā)現(xiàn)在1850—1900AD出現(xiàn)了一個紫外輻射高峰期，并指出干旱造成的湖中的溶解性有機質(zhì)(DOC)含量降低，是造成紫外輻射增強的可能因素[13]。綜上，目前關(guān)于紫外輻射記錄的研究僅在兩極地區(qū)開展了少數(shù)的研究，中低緯度地區(qū)以及高山高原地區(qū)尚未涉及，因此，該領(lǐng)域的研究工作還有待于深入開展下去。

5 沉積色素與氣候變化

沉積色素是一類對環(huán)境變化很敏感的化合物，在沉積過程中能夠保留歷史時期的環(huán)境信息，記錄當時的氣候環(huán)境狀況和氣候條件，是研究古氣候?qū)W的重要指標，得到眾多古氣候?qū)W家的關(guān)注。如，對波羅的海沉積物中葉綠素及其降解產(chǎn)物和β-胡蘿卜素的分析表明沉積色素不僅能夠指示初級生產(chǎn)力和藻類種群，還能夠反映沉積環(huán)境，尤其是水中氧環(huán)境和水動力的變化，深層沉積色素的研究結(jié)果顯示氣候變化對藻類生長的影響可能比當今人類活動的影響更大[44]。對加拿大西部111個鹽湖沉積色素的研究顯示沉積色素能夠記錄水體鹽度和氣候變化的歷史[45]。Squier等[46]通過對東南極進步湖沉積物中色素分布的研究找到了晚第四紀環(huán)境變化的證據(jù)，一系列色素組成與豐度的變化數(shù)據(jù)提供了在由間冰期過渡到冰期再到間冰期的過程中湖泊生態(tài)演化歷史的詳細證據(jù)。對東南極拉斯慢丘陵地區(qū)的湖泊沉積物中的各種指標(包括硅藻、色素、同位素等地球化學指標)的研究發(fā)現(xiàn)了東南極拉斯慢地區(qū)冰川歷史和海平面變化的證據(jù)[47]。對埃塞俄比亞中北部海克湖沉積物中的沉積色素及其他生物化學指標分析重建了該湖泊晚第四紀以來的湖泊演化(水位)和氣候變化歷史[48]。通過對阿根廷拉古納波托克艾克瑪珥湖沉積物中的色素和DNA分析發(fā)現(xiàn)，不同的湖泊微生物組合與特定的氣候環(huán)境相關(guān)，可以指示研究區(qū)域的氣候和成巖作用歷史[49]。由此可見，沉積色素是古環(huán)境評估領(lǐng)域中較為有效的環(huán)境指標，可以為湖泊演化歷史(包括湖泊浮游植物組成、生產(chǎn)力變化以及生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等)、冰川覆蓋歷史以及海平面變化等的研究提供詳細的證據(jù)[15]。

6 沉積色素指示浮游植物群落組成和豐度

浮游植物組成和豐度是評價水體質(zhì)量和水生生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的良好指標。傳統(tǒng)的浮游植物群落組成和豐度是由顯微鏡檢查測定的，因此需要大量的時間和專業(yè)人員。沉積物中藻類來源的光合色素可以指示特定的生物來源，用以表征水域中浮游植物種群豐度及演替歷史，為研究水域的浮游植物群落提供準確的信息?；谠孱惿鼗瘜W分類分析軟件CHEMTAX(CHEMical TAXonomy)應用程序被證明是一種有價值的海洋和湖泊浮游植物群落監(jiān)測工具，已經(jīng)廣泛應用于海洋和淡水環(huán)境的研究當中[50-53]。利用藻類色素化學分類法對愛沙尼亞南部的一個大型淺水富營養(yǎng)湖泊浮游植物群落組成動態(tài)的研究結(jié)果表明色素結(jié)果與顯微鏡檢結(jié)果基本一致[53]。波羅地海水體顆粒物和表層沉積物中的沉積色素有效地指示了該水域浮游植物的季節(jié)性變化特征[54]。Zhuang等[55]利用浮游植物的色素分布，揭示了西赤道太平洋暖池海域浮游植物群落的垂直分布信息。國內(nèi)學者何學佳等[56]利用色素分析了廈門海域浮游植物的群落組成和種群豐度變化，指出該海域的優(yōu)勢種群主要是硅藻、定鞭金藻和甲藻。值得注意的是，色素生物標志物的有效性受到自身和外部環(huán)境的影響，因此在應用時必須綜合考慮研究區(qū)域的環(huán)境因素以及浮游植物自身的影響[57]。

7 結(jié) 語

綜上所述，沉積色素作為研究區(qū)域歷史環(huán)境的良好指標，為研究古環(huán)境古生態(tài)的演化提供了重要的解決思路，具有非常廣闊的應用前景。但是，作為一種特殊的代用指標，筆者認為在應用過程中應該注意以下幾個問題：(1)色素在沉積的過程中容易受到自身及環(huán)境因素的影響而發(fā)生不同程度的降解。研究表明，含氧量、光照強度、溫度、細胞衰老、顆粒物的沉降速率是影響色素降解速率的主要因素，而且在表層沉積物中降解緩慢，在深層沉積物中降解則非常緩慢。因此，在應用沉積色素重建古環(huán)境歷史的時候要充分考慮沉積色素降解的問題。(2)沉積色素的應用前提需要依賴于準確快速的沉積色素分析方法。目前沉積色素的分析方法多樣，主要包括紫外可見分光光度法、熒光法、薄層色譜法、高效液相色譜法、色譜質(zhì)譜聯(lián)用法等化學分析方法，還有利用近紅外光譜數(shù)據(jù)計算的物理方法等，各種方法都有其優(yōu)缺點?，F(xiàn)在應用最多的是靈敏度高、分離效果好的高效液相色譜法對沉積色素進行定量分析，但是該方法操作復雜，分析測試時間較長。因此，選擇快速、準確、合適的分析方法是應用沉積色素代用指標開展古環(huán)境研究的前提。(3)色素廣泛存在于各種植物和藻類當中，一些類胡蘿卜素只存在于特定的藻類種屬中，指向性比較單一。因此，在應用的時候可以根據(jù)研究目的，利用多種替代性指標和統(tǒng)計分析的方法與手段跟沉積色素指標共同揭示古環(huán)境歷史。