西南極湖泊沉積類脂記錄的有機(jī)質(zhì)來源及生態(tài)環(huán)境變化

郭曉澤 趙軍 韓正兵 李棟 張海峰 孫維萍 扈傳昱 潘建明

(自然資源部海洋生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 自然資源部第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012)

提要 對西南極喬治王島西湖沉積物XH1柱樣進(jìn)行了210Pb測年, 建立起百余年(1885—2006年)沉積地層序列。定量分析了該柱樣中的正構(gòu)烷烴、脂肪酸和甾醇等類脂生物標(biāo)志物, 綜合研究了其分子組合特征和大尺度氣候事件[厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)和南半球環(huán)狀模(SAM)]指標(biāo), 探討了湖泊沉積有機(jī)質(zhì)來源、沉積環(huán)境和早期成巖作用及其與生態(tài)環(huán)境變化的關(guān)系。結(jié)果表明, 正構(gòu)烷烴的主峰碳(nC23)、脂肪酸的后主峰碳(C24:0)、較高的C29甾醇含量和較低的∑C21-/∑C22+比值均顯示, 苔蘚、地衣等低等陸生植物是西湖沉積物中有機(jī)質(zhì)的主要來源, 而水生動植物及微生物的貢獻(xiàn)相對較少。脂肪酸C18:2/C18:0比值表明, 在年代際時間尺度上, 與ENSO相比, SAM對南極半島生態(tài)系統(tǒng)可能更具影響力, 且對湖泊水生動植物的影響比陸生植物更為明顯。內(nèi)源輸入的甾醇指標(biāo)ACI顯示, 西風(fēng)變?nèi)酢⒛蠘O半島變暖時, 沉積物中水生生物貢獻(xiàn)的有機(jī)質(zhì)減少。整體而言, 過去的100多年中, 西湖呈弱氧化的沉積環(huán)境, 早期成巖作用較弱, 且氣候事件對湖泊沉積環(huán)境影響不大。

0 引言

湖泊沉積物是記錄環(huán)境和氣候變化信息的重要介質(zhì)[1-3]。南極大陸沿海地帶是南極海、陸、冰的交匯帶, 同時受到海洋、冰川及人類活動的影響, 是南極生態(tài)環(huán)境最敏感的環(huán)節(jié)[4-7]。其中, 南極湖泊生態(tài)系統(tǒng)對不同環(huán)境因子的改變均有靈敏的響應(yīng), 其物理化學(xué)因子及水生生物等會發(fā)生顯著變化, 這些信息能夠保存在湖泊沉積地層的歷史記錄中[8-9]。大量替代性環(huán)境指標(biāo)被用來研究南極湖泊古環(huán)境演化。多環(huán)境指標(biāo)的綜合研究判識并結(jié)合地質(zhì)年齡測定在恢復(fù)古氣候、古生態(tài)及冰川進(jìn)退歷史等方面顯示出較強(qiáng)的優(yōu)勢[10-11]。

南極, 尤其是南極半島區(qū)域, 是氣候與環(huán)境變化的放大器[12], 生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)靈敏, 正在發(fā)生顯著改變[13-15]。例如, 過去50多年南極半島西部冬季氣溫升高了6℃, 是全球平均升溫的5倍[16]。同時, 夏季該海域表層海水葉綠素a降低了12%,細(xì)胞較小的溫水藻逐漸成為優(yōu)勢種[17], 生物碳泵效率顯著降低[18-19]。此外, 在生態(tài)研究的熱點(diǎn)區(qū)域—— 喬治王島及其鄰近地區(qū), 企鵝和海豹棲息地的沉積生物標(biāo)志物表明, 在過去的一個世紀(jì)里,企鵝和海豹的種群都因氣候和環(huán)境變化以及人類活動而發(fā)生了變化[20-23]。然而, 我們對沿海湖泊沉積物記錄的氣候變化和人為活動對南極敏感生態(tài)系統(tǒng)的影響知之甚少[24-25]。

類脂等生物標(biāo)志物被廣泛應(yīng)用于藻類、細(xì)菌群落、浮游動物攝食、紫外線輻射等歷史變化的表征[26-30]。但迄今為止, 生物標(biāo)志物在高緯度南極湖泊沉積物中的應(yīng)用仍然有限, 尤其是應(yīng)用生物標(biāo)志物潛在的古氣候信息來研究全球變化(如區(qū)域性氣候變遷[31]、海陸環(huán)境溫度變化[32])對生態(tài)系統(tǒng)的影響及其反饋?zhàn)饔玫难芯糠浅Ｈ狈?。目?對西南極喬治王島中國長城站地區(qū)西湖沉積物無機(jī)地球化學(xué)及其環(huán)境指示意義有一定的認(rèn)識[24,33],但對種類繁多、含量低微的有機(jī)生物標(biāo)志物的研究相當(dāng)薄弱[25,34], 這限制了我們對南極半島區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的深入認(rèn)識。

本研究分析了西南極喬治王島西湖沉積物中正構(gòu)烷烴、脂肪酸和甾醇的精細(xì)結(jié)構(gòu)和分子組合特征。在此基礎(chǔ)上, 結(jié)合大尺度氣候事件[厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)和南半球環(huán)狀模(SAM)]指標(biāo), 探討近一個多世紀(jì)來湖泊沉積有機(jī)質(zhì)來源、沉積環(huán)境和早期成巖作用, 及其對生態(tài)環(huán)境變化的響應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 湖泊概況和樣品采集

位于西南極喬治王島長城站附近的西湖, 是一個長130 m、寬90 m的橢圓形冰蝕湖(圖1)。湖泊四周區(qū)域分布著南極特有的地衣、苔蘚等陸地植物種。液態(tài)降水和冰雪融水產(chǎn)生的徑流是其主要補(bǔ)給源。夏季冰雪融化, 融水經(jīng)“翠溪”流入長城站, 從而與該地區(qū)的其他生態(tài)系統(tǒng)聯(lián)系起來。2006年12月用PVC取樣器(內(nèi)徑10.5 cm)采集了長10 cm的湖內(nèi)柱狀沉積物樣品XH1 (62°13.003′S, 58°57.936′W), 現(xiàn)場按0.5 cm (0～1 cm)或1 cm (1～10 cm)間隔進(jìn)行分樣, 之后將這些子樣品冷凍儲存(-20℃), 直至分析。

圖1 a)南極半島海域示意圖; b)喬治王島中國長城站附近西湖中XH1柱狀沉積物采樣位置(62°13.003′S, 58°57.936′W)示意圖; c)西湖一角及其周圍生長的苔蘚(主要是鉤枝鐮刀蘚和蔓枝濕原蘚[35])和地衣(主要是簇花松蘿[36])(趙軍攝)Fig.1.a) the map of Antarctic Peninsula sea region; b) the sampling site of core XH1 (62°13.003′S, 58°57.936′W) from Xihu Lake near the Chinese Great Wall Station in King George Island, west Antarctica; c) a corner of Xihu Lake, and mosses(mainly Drepanocladus uncinatus and Calliergon sarmentosum[35]) and lichens (mainly Usnea aurantiaco-atra[36])growing around (photo by Jun Zhao)

1.2 沉積物沉積速率測定

采用γ能譜方法由過剩210Pb活度確定沉積物年代[37]。簡言之, 稱取3 g凍干沉積物樣品, 裝入直徑1 cm圓柱管內(nèi)(裝樣高度為4 cm), 密封3周,使用帶X-冷卻器的γ能譜傳感器(GWL-120210-S,美國EG&G ORTEC公司)測定210Pb活度, 時間一般為80000 s左右。利用46.5 keV、351.9 keV特征峰進(jìn)行總210Pb和226Ra比活度計(jì)算, 兩者的差值即為過剩210Pb的比活度。利用恒定初始濃度(CIC)模型對過剩210Pb分布指數(shù)衰減進(jìn)行沉積速率估算, 公式如下:

式中,s是沉積速率(mm·a-1),λ是210Pb放射性衰變常數(shù)(0.0311 a-1),k是過剩210Pb放射性活度的自然對數(shù)(x軸)與沉積物樣品深度(y軸)擬合關(guān)系的斜率(線性系數(shù))。

1.3 生物標(biāo)志物提取和儀器分析

生物標(biāo)志物的提取和分析按照文獻(xiàn)[23, 38]的方法進(jìn)行: XH1沉積物凍干后磨碎成100 mesh的粉末。將約10 g樣品與二氯甲烷/甲醇(V/V=3/1)混合, 用索氏提取法靜置72 h。經(jīng)銅粉脫硫后, 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā), 得到總可溶有機(jī)質(zhì), 用正己烷沉淀脫去瀝青質(zhì), 再用硅膠柱層析分離出不同組分。洗滌液為正己烷、正己烷/二氯甲烷(V/V=9/1)、二氯甲烷、二氯甲烷/甲醇(V/V=1/1)和甲醇。依次分離飽和烴、芳烴、酮/酯、醇/甾醇和極性組分。濃縮后分析飽和烴。酸性組分與10% BF3/甲醇混合過夜, 用二氯甲烷萃取脂肪酸。以正二十四烷(nC24D50)和十九烷酸(nC19:0)為內(nèi)標(biāo), 采用內(nèi)標(biāo)法對正構(gòu)烷烴和脂肪酸進(jìn)行定量分析。對飽和烴進(jìn)行氣相色譜(GC)和色譜-質(zhì)譜(GC-MS)分析, 根據(jù)色譜保留時間進(jìn)行化合物鑒定[39]。采用BSTFA[雙(三甲基)-三氟乙酰胺]將醇組分轉(zhuǎn)化為三甲基硅基衍生物(TMS醚)后上機(jī)進(jìn)行GC-MS分析。通過色譜的保留時間、特征質(zhì)譜圖信息與文獻(xiàn)結(jié)果比對進(jìn)行甾醇的鑒定[39-40], 甾醇名稱及出峰順序見圖2c。具有Δ5不飽和(雙鍵)的甾醇在m/z=129處有一個基峰, 在M+=90和M+=129處有碎片離子;飽和甾醇(甾烷醇)通常隨不飽和前體洗脫, 當(dāng)化合物包含4-甲基時, 以m/z=215或m/z=229為特征基峰。以5α-膽固醇為內(nèi)標(biāo)物進(jìn)行定量。

正構(gòu)烷烴: GC分析采用HP6890氣相色譜儀,彈性石英毛細(xì)管柱(DB-5, 30 m×0.25 mm內(nèi)徑,膜厚0.17 μm)。初始溫度設(shè)定為80℃, 樣品入口和檢測器溫度均為280℃。溫度以5℃·min-1的速度升高, 直到達(dá)到280℃, 恒溫保持30 min。正構(gòu)烷烴的色譜圖如圖2a所示。

脂肪酸: GC分析采用HP5890氣相色譜儀,彈性石英毛細(xì)管柱(DB-5, 30 m×0.25 mm內(nèi)徑,膜厚0.25 μm)。初始溫度為80℃, 樣品入口和檢測器溫度均為290℃。以3℃·min-1的速度升溫直至150℃, 最終溫度為290℃, 恒溫維持30 min。載氣為純氦, 氣流速度為1.0 mL·min-1。脂肪酸的色譜圖如圖2b所示。

甾醇類: GC-MS分析采用Finigan-TSQ7000色譜質(zhì)譜儀, 柱為HP-5MS石英毛細(xì)管柱(內(nèi)徑60 m×0.25 mm, 膜厚0.25 μm)。載氣為高純氦氣。升溫程序: 初始溫度為80℃, 恒溫2 min后以8℃·min-1的速度升溫至220℃, 再以2℃·min-1的速度升溫至300℃, 并恒溫保持25 min。質(zhì)譜條件: 離子源溫度為250℃; 離化電流為150 μA;電子能量70 eV, 掃描周期1 s以上。甾醇的總離子電流如圖2c所示。

2 結(jié)果

2.1 沉積速率

西湖XH1柱樣過剩210Pb的比活度在0～0.5 cm和2～3 cm相當(dāng), 因此認(rèn)定0～2 cm為采樣當(dāng)年的移動泥層。而2 cm以深為積累層, 根據(jù)CIC模式對過剩210Pb的比活度數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)擬合, 得到積累層沉積速率s為0.66 mm·a-1(R2=0.987)(圖3), 明顯低于其相鄰阿德雷島企鵝棲息地糞土層的沉積速率[22,41]。2～10 cm時間跨度約為120年(1885—2006年)。

圖3 210Pb法測定的XH1柱樣沉積速率和年代結(jié)果Fig.3.Sedimentation rate and chronology of core XH1 based on 210Pb

2.2 正構(gòu)烷烴及其分子組合特征

XH1柱樣中正構(gòu)烷烴的碳數(shù)分布范圍為nC16～nC33, 主峰碳數(shù)為nC23、其次為nC27, 呈單峰分布, 在整個柱樣中保持穩(wěn)定, 變化不大(圖2a,表1)。該結(jié)果與附近的阿德利島[22-23], 以及燕鷗湖和俄羅斯別林斯高晉站基太湖[25]的研究結(jié)果相一致, 而顯著不同于東南極普里茲灣的表層沉積物的雙峰分布(主峰碳為nC17或nC18和nC29)[38]。正構(gòu)烷烴的輕烴/重?zé)N(∑C21-/∑C22+)比值在2～3 cm層(約1991—2005年)最低(0.40), 在4～5cm層(約1959—1975年)最高(0.77), 垂直變化不大(表1), 其平均值為(0.58±0.11), 高于阿德利島的(0.44±0.10)[23], 亦高于普里茲灣的(0.39± 0.10)[38]。碳優(yōu)勢指數(shù) CPI(=1/2[∑(C25～C33)/∑(C24～C32)+∑(C25～C33)/∑(C26～C34)])在0～0.5 cm層(采樣時的2006年)最高(11.70), 4～5 cm層(約1959—1975年)最低(5.04)(表1), 呈表層高、底層低的趨勢, 具有顯著的偶奇優(yōu)勢(CPI＞5)。CPI平均值為(8.00±1.98), 亦高于阿德利島的(4.20±1.01)[23]和普里茲灣的(1.24±0.33)[38]。姥鮫烷(Pr)和植烷(Ph)的比值(Pr/Ph)在4～5 cm層(約1959—1975年)最高(1.55),在6～7 cm層(約1929—1943年)最低(0.87)(表1),呈表層略高、底層略低的趨勢。Pr/Ph平均值為(1.14±0.22), 與阿德利島的(1.00±0.18)[23]以及燕鷗湖和基太湖[25]的相當(dāng), 高于普里茲灣的(0.51±0.17)[38]。

圖2 XH1柱樣正構(gòu)烷烴氣相色譜圖(a)、脂肪酸氣相色譜圖(b)、甾醇三甲基硅醚總離子流圖(c).(c)中峰號: 1.膽甾-5-烯醇 (膽甾醇); 2.5α-膽甾烷醇; 3.24-甲基膽甾-5,22-二烯醇; 4.24-甲基-5α-膽甾-22-烯醇; 5.24-甲基膽甾-5-烯醇; 6.24-甲基-5α-膽甾烷醇; 7.24-乙基膽甾-5,22-二烯醇; 8.24-乙基膽甾-22-烯醇; 9.24-乙基膽甾-5-烯醇;10.24-乙基-5α-膽甾烷醇Fig.2.Gas chromatograms of n-alkanes (a), fatty acids (b),and total ion current of sterols (c) of core XH1.Peak numbers in (c) are: 1.cholestan-5-enol (cholesterol);2.5α-cholestanol; 3.24-methylcholest-5,22-dienol; 4.24-methyl-5α-cholest-22-enol; 5.24-methylcholest-5-enol; 6.24-methyl-5α-cholestanol; 7.24-ethylcholest-5,22-dienol; 8.24-ethylcholest-22-enol; 9.24-ethylcholest-5-enol; 10.24-ethyl-5α-cholestanol

2.3 脂肪酸及其分子組合特征

XH1柱樣中脂肪酸的碳數(shù)分布范圍為C12:0～C32:0, 呈雙峰群分布, 前鋒以 C16:0為主峰碳,后峰以C24:0為主峰碳(圖2b, 表1), 碳數(shù)與前述正構(gòu)烷烴以nC23為主峰相吻合。該結(jié)果與阿德利島[22-23]、燕鷗湖和基太湖[25]的研究結(jié)果相一致,亦與普里茲灣的[38]相近。表征脂肪酸偶碳數(shù)與奇碳數(shù)分子相對含量的 CPIA(=1/2[∑(C16～C30)/∑(C15～C29)+∑(C16～C30)/∑(C17～C31)])在0～0.5 cm層(采樣時的2006年)最高(6.13), 在4～5 cm層(約1959—1975年)最低(4.10)(表1)。與CPI類似, CPIA亦呈表層高、底層低的趨勢, 具有顯著的偶奇優(yōu)勢。CPIA平均值為(5.16±0.71), 與阿德利島的(4.59±1.16)[23]和普里茲灣的(4.58)[38]相當(dāng)。柱樣中不飽和直鏈脂肪酸以高含量的C16:1、C18:1和C18:2為特征, 其C18:2/C18:0比值在3～4 cm層(約1976—1990年)最高(0.30), 在4～5 cm層(約1959—1975年)最低(0.17)(表1), 平均值為(0.23±0.04), 低于普里茲灣的(0.67±0.27)[38], 與阿德利島的(0.34±0.10)[23]以及燕鷗湖和基太湖的(0.16±0.10)[25]相差不大。

表1 XH1柱正構(gòu)烷烴分子及脂肪酸分子組合特征Table 1.Molecular assemblage characteristics of n-alkanes and ratio of isoprenoids in core XH1

2.4 甾醇類

XH1柱樣中的甾醇類包括眾多構(gòu)型的C27～C29脫甲基系列甾二烯醇、甾烯醇和甾烷醇(見表2和圖2c)。各甾醇的相對含量分別為: 11.96%±3.36%的膽甾-5-烯醇(膽甾醇)(1, 圖2c和表2, 以粗體數(shù)字表示甾醇, 下同)、(4.92%±1.96%)的5α-膽甾烷醇(2)、(4.07%±1.61%)的24-甲基膽甾-5,22-二烯醇(3)、(8.54%±1.93%)的24-甲基-5α-膽甾-22-烯醇(4)、(11.19%±3.54%)的24-甲基膽甾-5-烯醇(5)、(12.30%±5.13%)的24-甲基-5α-膽甾烷醇(6)、(9.77%±2.26%)的24-乙基膽甾-5,22-二烯醇(7)、(9.28%±2.41%)的 24-乙基膽甾-22-烯醇(8)、(22.29%±4.36%)的24-乙基膽甾-5-烯醇(9)以及(5.70%±3.23%)的24-乙基-5α-膽甾烷醇(10)。柱樣中5αC27/(5αC27+C27Δ5)和5αC29/(5αC29+C29Δ5)比值分別平均為(0.30±0.11)和(0.20±0.12), 均呈現(xiàn)表層略低、底層略高的趨勢, 與張干等[25]的結(jié)果(0.07～0.42和0.03～0.52)相一致。內(nèi)源輸入指標(biāo)ACI(=(C27Δ5+C27Δ0+C28Δ5,22)/甾醇總量)在 1～2 cm層(采樣時的2006年)最低(0.15), 在2～3 cm層(約1991—2005年)最高(0.25)。ACI的平均值為(0.21±0.04), 與張干等[25]的結(jié)果(0.20±0.06)相一致。外源輸入指標(biāo)TCI[=(C29Δ5+C28Δ0)/甾醇總量]在0～0.5 cm層(采樣時的2006年)和3～4 cm層(約1976—1990年)最低(0.28), 在4～5 cm層(約1959—1975年)最高(0.41), TCI的平均值為(0.34±0.05), 亦與張干等[25]的結(jié)果(0.35±0.08)相一致。

表2 XH1柱樣甾醇相對含量(%)Table 2.Relative content (%) of sterols in core XH1

3 討論

3.1 湖泊沉積有機(jī)質(zhì)的來源及其早期成巖

正構(gòu)烷烴廣泛存在于細(xì)菌、藻類、大型水生植物以及高等植物中, 不同物源的正構(gòu)烷烴的組成特征不相同。一般地, 以nC17、nC29、nC31為主峰, 具有明顯偶奇優(yōu)勢(CPI＞5)的長鏈正構(gòu)烷烴(nC25～nC31)主要來源于陸生高等植物; 以nC15(或nC17、nC19、nC21)為主峰, 不具有明顯偶奇優(yōu)勢的短鏈正構(gòu)烷烴(nC14～nC20)主要來源于浮游、底棲藻類和細(xì)菌; 水生浮游或沉水維管束植物的正構(gòu)烷烴以nC21和nC23或nC25為主峰[39]。XH1柱樣中正構(gòu)烷烴的碳數(shù)分布特征(nC23為主峰碳,nC27次之)與研究區(qū)域陸地植被密切相關(guān)。柱樣中脂肪酸的后主峰(C24:0)與正構(gòu)烷烴的主峰(nC23)相一致, 表明樣品中脂肪酸與正構(gòu)烷烴有著相同的來源, 高碳數(shù)正構(gòu)烷烴主要是從對應(yīng)的正脂肪酸脫羧反應(yīng)失去CO2后生成的[42]。西湖與同一區(qū)域的阿德利島、燕鷗湖和基太湖都具有這樣的特點(diǎn)[22-23,25], 這與南極半島屬于亞南極地區(qū),氣候寒冷, 具有凍原生境的特點(diǎn)息息相關(guān)。這里植物種類單調(diào)、群落結(jié)構(gòu)簡單, 幾乎全是由地衣、苔蘚、共生藻類和少量大型真菌[36]組成(nC23為主峰碳), 僅有南極發(fā)草一種顯花植物(nC27為主峰碳)。以前研究發(fā)現(xiàn), 青藏高原凍土帶湖沼沉積物中正構(gòu)烷烴的主峰碳亦是nC23[43], 表明苔蘚、地衣類是該類型區(qū)域有機(jī)質(zhì)的主要貢獻(xiàn)者。另外,較低的∑C21-/∑C22+比值(0.40～0.77)亦指示南極半島區(qū)域微生物和菌藻類相對貢獻(xiàn)小于陸地低等植物[23]。

XH1柱樣甾醇中有相對較多的陸源有機(jī)質(zhì)標(biāo)志物——C29甾醇[44-45], 如(22.29%±4.36%)的9和(9.77%± 2.26%)的7, 這表明研究區(qū)域有顯著的陸地植物輸入, 主要是地衣和苔蘚, 與正構(gòu)烷烴和脂肪酸主峰碳的指示一致。同時, C28甾醇(如5和3)和C27甾醇(如1)的相對含量不容忽視, 分別為(11.19%±3.54%)、(4.07%±1.61%)和(11.96%±3.36%), 表明湖泊沉積有機(jī)質(zhì)亦有明顯的底棲植物(底棲藻類和蘚類)和浮游藻類(硅藻、藍(lán)藻和綠藻)以及浮游動物(原生動物、輪蟲和橈足類)和底棲動物(原生動物、輪蟲、橈足類、線蟲、熊蟲、寡毛類和雙翅目蠓類的幼蟲等)[46]。此外, 部分樣品檢出4-甲基-谷甾烯醇, 可能是鳥群糞便[45]直接排入或經(jīng)由融水徑流流入。XH1柱樣中甾醇組成的整體信息可以反映沉積有機(jī)質(zhì)的來源和生物組合差異, 后者與沉積時的生態(tài)環(huán)境關(guān)系密切。

正構(gòu)烷烴的CPI和脂肪酸的CPIA均較高(CPI＞5.04, CPIA＞4.10), 且具有相似的變化趨勢(r=0.77, p＜0.05, n=8), 這不僅表明有機(jī)質(zhì)以陸生植物輸入為主, 同時也意味著早期成巖作用影響較小[39]。甾醇亦可以指示自成巖作用: 在還原環(huán)境下, 甾烯醇在化學(xué)或生物化學(xué)作用下可以轉(zhuǎn)化為甾烷醇, 隨沉積物埋葬深度增加, 甾烷醇/甾烯醇比值會增高。XH1柱樣中5αC27/(5αC27+C27Δ5)和 5αC29/(5αC29+C29Δ5)比值均比較低(分別為0.12～0.44和0.06～0.38), 暗示在南極低溫環(huán)境下,沉積有機(jī)質(zhì)經(jīng)歷的早期成巖轉(zhuǎn)化作用比較微弱,這與該區(qū)域其他湖泊的結(jié)果[25]相一致。值得注意的是, 甾醇的這兩個指標(biāo)有隨深度的增加而增加的趨勢, 意味著在過去的一百多年, 盡管整體上早期成巖作用比較微弱, 但隨著時間的推移, 早期成巖對有機(jī)質(zhì)的改造作用逐漸凸顯。CPI與TCI呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.80, p＜0.05, n=8), 暗示著外源輸入的有機(jī)質(zhì)可能經(jīng)較為顯著的早期成巖作用改造后輸入到西湖。與甾醇類似, 葉綠素在埋藏后其側(cè)鏈植醇亦會被改造: 在較強(qiáng)還原環(huán)境下, 植醇加氫形成二氫化植醇, 脫羥基加氫形成Ph; 在弱氧化條件下, 植醇氧化形成植烷酸,脫羧基生成Pr。因此沉積有機(jī)質(zhì)中Pr與Ph的相對含量可指示原始有機(jī)質(zhì)成巖轉(zhuǎn)化環(huán)境, 比值高(＞1)反映了偏氧化的沉積環(huán)境, 而低比值(＜1)則表現(xiàn)為還原環(huán)境[47]。本研究的 Pr/Ph比值(0.87～1.55)指示西湖呈現(xiàn)弱氧化的沉積環(huán)境, 與該區(qū)域其他湖泊[25]相似。

3.2 生物群落結(jié)構(gòu)演替與氣候環(huán)境變化的關(guān)系

多元厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)指數(shù)(MEI和MEI.ext)[48]和南半球環(huán)狀模(SAM)指數(shù)[49]顯示,過去的100多年發(fā)生過多次具有全球影響的ENSO事件和顯著影響南半球的大氣環(huán)流事件(圖4j、k)。ENSO和SAM對南極半島區(qū)域的溫度和生態(tài)系統(tǒng)有著顯著影響[49-50]。相應(yīng)地, 生物會改變自身細(xì)胞中類脂的組成, 從而調(diào)節(jié)膜的流動性和相應(yīng)結(jié)構(gòu)來適應(yīng)外部環(huán)境溫度的變化, 例如,在較低溫度下藻類傾向于合成較多的不飽和脂肪酸[51-52]。本研究XH1柱樣中不飽和脂肪酸的指標(biāo)C18:2/C18:0比值(0.17～0.30)與南極半島區(qū)域其他湖泊的[23,25]相差不大, 顯著高于中低緯度, 如南京固城湖的(多＜0.1)[53], 但卻低于更高緯度, 如南極普里茲灣的(0.67±0.27)[38]。這與南極半島區(qū)域的環(huán)境溫度低于固城湖而高于普里茲灣的情況相一致。不過, 本研究的結(jié)果亦顯示, 過去的100年, C18:2/C18:0比值與對應(yīng)年份的MEI或SAM指標(biāo)平均值之間沒有顯著的相關(guān)性(p＞0.1), 這可能是由于沉積速率較低(0.66 mm·a-1), 使得沉積記錄的分辨率不高和/或樣品數(shù)量較少(n=6或4)(圖4j、k)導(dǎo)致的。雖然如此, 在MEI和SAM指標(biāo)的極大值(沉積物2～3 cm層, 對應(yīng)約1991—2005年)和極小值(沉積物4～5 cm層, 對應(yīng)約1960—1975年)時, C18:2/C18:0比值分別為0.26和0.17。這表明,在產(chǎn)生較多不飽和脂肪酸的1991—2005年, 有著正的MEI(15年的平均值為0.453, 其中1997年最高, 為1.578, 意味著有更多或更強(qiáng)的厄爾尼諾事件——暖)和SAM(15年的平均值為0.30, 其中1998年最高, 為1.60, 意味著西風(fēng)南移變強(qiáng)——冷); 在產(chǎn)生較少不飽和脂肪酸的1960—1975年,有著負(fù)的MEI(16年的平均值為-0.347, 其中1971年最低, 為-1.418, 意味著有更多或更強(qiáng)的拉尼娜事件——冷)和SAM(16年的平均值為-0.36, 其中1964年最低, 為-1.52, 意味著西風(fēng)北移變?nèi)酢?。這意味著在年代際時間尺度上,SAM比ENSO對南極半島湖泊生態(tài)系統(tǒng)可能更具影響力, 但SAM與ENSO在年代際時間尺度上的相互關(guān)系及其對南極半島生態(tài)系統(tǒng)的具體影響機(jī)制有待深入研究。

同時, ENSO和SAM等外部環(huán)境因素的變化還可能影響南極半島生態(tài)系統(tǒng)的種群結(jié)構(gòu)。我們的研究結(jié)果顯示, XH1柱樣中反映沉積內(nèi)源輸入和外源輸入的甾醇指標(biāo)ACI和TCI在沉積剖面上呈現(xiàn)出明顯的反消長關(guān)系(r=-0.80, p＜0.05,n=8)(圖4b、c)。同時, ACI與SAM正相關(guān)(r=0.82,n=4), 而TCI與SAM則無關(guān)聯(lián)(r=-0.14)(圖4b、c、j)。這表明, 在西南極湖泊生態(tài)系統(tǒng)中, 與生長周期長的陸生苔蘚地衣相比較, 生長周期短的水生動植物對大尺度的氣候事件更為敏感[46]。在SAM指標(biāo)的極大值和極小值時, ACI值分別為0.25(最大)和0.16(最小)(圖4b、j和表2)。這可能意味著西風(fēng)變?nèi)酢⒛蠘O半島變暖時, 適應(yīng)在低溫環(huán)境中生存的水生動植物受到了一定程度的抑制, C27甾醇的生成相應(yīng)減少, 而TCI則最大(0.41, 表2),說明該時段苔蘚地衣的貢獻(xiàn)相對增大。該區(qū)域更長時間尺度的研究亦具有類似發(fā)現(xiàn)[25]。另外,指示早期成巖或氧化還原的類脂指標(biāo)與SAM均沒有顯著相關(guān)性(p＞0.1)(圖4d-h、j), 這一方面與樣品數(shù)量較少有關(guān)(n=4), 另一方面也可能暗示著, 與有機(jī)質(zhì)的來源相比, 西湖的沉積環(huán)境更為穩(wěn)定, 不易受氣候事件的影響。需要采集更高分辨率的沉積樣品, 以進(jìn)一步研究沉積記錄與大尺度氣候、環(huán)境事件的更為細(xì)節(jié)的相互關(guān)系信息。

圖4 正構(gòu)烷烴、脂肪酸和甾醇各項(xiàng)分子組合特征指數(shù)及其與近百年來MEI和SAM指數(shù)的關(guān)系.MEI數(shù)據(jù)來自:https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/multivariate-enso-index; SAM 數(shù)據(jù)來自: https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/marshall-southern-annular-mode-sam-index-station-based.MEI和SAM的原始數(shù)據(jù)用灰色折線表示,按照XH1柱樣各子樣對應(yīng)的年代對MEI和SAM求得的該時期的平均值用黑色倒三角表示.Fig.4.Characteristic indexes of molecular combination of n-alkanes, fatty acids and sterols, and their relationship with MEI and SAM indexes in the past century.MEI data were from: https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/multivariateenso-index; SAM data were from: https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/marshall-southern-annular-modesam-index-station-based.The raw data of MEI and SAM were shown in gray line, the average values of MEI and SAM in the corresponding period of each subsample of XH1 column were shown in black inverted triangle.

4 結(jié)論

正構(gòu)烷烴的主峰碳(nC23)、脂肪酸的后主峰碳(C24:0)、較高的C29甾醇含量和較低的∑C21-/∑C22+比值均表明, 苔蘚地衣等低等陸生植物是西南極喬治王島西湖沉積物中有機(jī)質(zhì)的主要來源, 而水生動植物及微生物的貢獻(xiàn)相對較少。整體而言,過去的100多年, 西湖呈弱氧化的沉積環(huán)境, 早期成巖作用較弱。

脂肪酸C18:2/C18:0比值顯示, 在年代際時間尺度上, SAM可能比ENSO對南極半島生態(tài)系統(tǒng)更具影響力, 且對湖泊水生動植物的影響甚于陸生植物。內(nèi)源輸入的甾醇指標(biāo)ACI顯示, 西風(fēng)變?nèi)?、南極半島變暖時, 沉積有機(jī)質(zhì)中水生動植物貢獻(xiàn)的C27甾醇減少。氣候事件對湖泊沉積環(huán)境影響不大。

致謝感謝中國極地研究中心曹叔楠博士鑒定地衣種類。感謝中國第23次南極科學(xué)考察(CHINARE-23)隊(duì)員在采樣過程中給予的幫助。