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本文作者：劉毅1羅宇涵1孫松2何毓新3柳中暉3孫立廣1作者單位：1中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院極地環(huán)境研究室2中國科學(xué)院海洋研究所海洋生態(tài)與環(huán)境重點實驗室3香港大學(xué)地球科學(xué)系

研究區(qū)域和樣品采集

拉斯曼丘陵地處東南極大陸邊緣(圖1)，位于南極圈以內(nèi)，毗鄰普里茲灣，是東南極大陸少數(shù)的夏季無冰區(qū)之一。該區(qū)地表基巖裸露，只有少量地衣苔蘚，物理風(fēng)化嚴重，強風(fēng)干寒是這一地區(qū)最顯著的氣候特征。該區(qū)廣泛分布有大量的海岸湖泊和積水區(qū)，湖水的補給主要依靠冰蓋融水和季節(jié)性積雪融水，由于降水量較少，湖水凈蒸發(fā)嚴重［36］。莫愁湖位于米洛半島北端，末次冰期結(jié)束后，隨著冰蓋后退，陸地抬升出露，冰蓋融水匯入洼地積水而逐漸形成。莫愁湖目前的相對高程約為8m，最大水深約為4m，湖泊水域面積1500m2左右［37］，補給面積大約0．127km2。湖西北方向有較為低洼的峽溝連接內(nèi)拉峽灣，長度大約200m，由于少有陽光直射，峽溝內(nèi)常有積雪。沉積柱ZH采于中國第22次南極科學(xué)考察期間，樣品采自莫愁湖中心偏東區(qū)域(69°22．3''''S，76°22．0''''E)，采樣位置水深約3m。沉積柱總長111cm。整柱按2cm間隔分樣，至上而下依次編號為ZH1-ZH56。由于南極極度嚴寒，沉積柱中的有機質(zhì)得到了較好保存，大多層位含有較多的植物殘體，故而沉積物多呈深灰綠色。

實驗方法

選取3cm、15cm、31cm、67cm和93cm深度原樣(挑出大塊沙粒)進行AMS14C測定，實驗分別在佐治亞大學(xué)和加利福尼亞大學(xué)厄文分校進行。沉積物樣品經(jīng)冷凍干燥后，稱取約0．5g，加入2mol/L稀鹽酸浸泡過夜，加入10mlH2O2(10%)加熱保持沸騰，并繼續(xù)滴加H2O2(30%)直至沒有氣泡產(chǎn)生，充分除去有機質(zhì)和碳酸鹽。溶液經(jīng)60℃低溫烘至近干，加入六偏磷酸鈉(10%)超聲分散，用Mastersizer2000型激光粒度儀進行粒度測試。儀器測量范圍為0．02—2000μm，粒級分辨率為0．01Φ，重復(fù)測試的相對誤差小于2%。測試在泰安學(xué)院土壤與環(huán)境變化實驗室完成。另取部分干樣，篩去直徑大于2mm的礫石，研磨至200目以下。稱取2g樣品于已恒重的瓷坩堝，在105℃下除去水分恒重后，再在550℃烘燒至恒重，稱取差值即為550℃燒失量(LOI550℃)。稱取過200目樣品約10mg，利用元素分析儀(ElementalVarioELIII，VarioLtd)測定TC、TN、TS，實驗在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)極地環(huán)境研究室完成。取約0．6g經(jīng)冷凍干燥的未磨原樣，加入二氯甲烷的甲醇溶液(V∶V=3∶1)，并同時加入氘代二十四烷和直鏈十九醇作為相應(yīng)內(nèi)標，超聲萃取，萃取液加入KOH甲醇溶液水解后，過硅膠柱分離分別得到非極性(含烷烴)與中性組分(含甾醇和直鏈烷醇等)。非極性組分無需進一步處理，直接利用氣相色譜(Agilent，6890N)進行分析;中性組分經(jīng)氮吹，衍生化，進氣相色譜分析，色譜柱選用HP-1(50m)，載氣為氫氣。通過與已知標準樣品比對駐留時間，確定譜圖中各峰的分子式，通過比較各組分峰面積與內(nèi)標峰面積得出特定組分的相對豐度。相對偏差小于3%。由于部分樣品有機質(zhì)含量過高，基體復(fù)雜，分離液經(jīng)稀釋后再測定。實驗在中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院和香港大學(xué)地球科學(xué)系先后獨立完成。

分析結(jié)果

1巖性及年代序列

ZH柱巖性上下巖性變化較大，具體巖性特征如圖2所示:0—6cm多為松散黃綠色藻類殘體，夾雜較大沙礫，結(jié)構(gòu)較為松散;6—14cm植物殘體明顯較少，呈灰黑色，有腐臭味，砂質(zhì)沉積;14—76cm黃綠色水生植物殘體較多，腐臭味濃烈，夾雜石英和云母碎屑，礫石較上層少，其中30—36cm礫石含量較高;76—100cm黑色腐殖質(zhì)較多，夾雜部分黃綠色植物殘片，含細沙和礦物碎屑;100—111cm黑色腐殖質(zhì)中夾雜有少量黃綠色植物殘體和較大礫石。Hodgson等［14］對拉斯曼丘陵地區(qū)大量湖泊沉積物的年齡進行了測定，認為該區(qū)湖泊表層沉積物均無老化現(xiàn)象，淡水湖泊沉積物的14C年齡不需要進行儲庫校正，但對于海相沉積物需要用14C測定的年齡減去當(dāng)?shù)睾Ｑ筇純炷挲g以進行儲庫校正。莫愁湖現(xiàn)今為淡水湖泊，采樣位置西側(cè)的MC柱表層為現(xiàn)代沉積，未見老化現(xiàn)象，生物地球化學(xué)分析表明在2750cal．a(chǎn)BP之后，莫愁湖成為淡水湖泊［38］。附近團結(jié)湖在2800—2500cal．a(chǎn)BP前后，出現(xiàn)淡水湖相沉積［39］。因此本柱次表層(2—4cm)年齡(1905cal．a(chǎn)BP)可以認為未受老碳污染，無需進行儲庫校正。其他4個樣品的AMS14C年齡均老于2750cal．a(chǎn)BP，因此需進行儲庫校正(按照拉斯曼丘陵海洋儲庫校正年齡為1300年)［38，40］。在線利用Calib6．0程序?qū)λ媚挲g進行再校正(calib．qub．a(chǎn)c．uk/calib/)，結(jié)果如表1所示。其中沉積柱上部(2—94cm)各層位年齡根據(jù)AMS14C校正年齡內(nèi)插得到，底部(94—111cm)年齡由中部(15—94cm)平均沉積速率外推獲得。

2粒度與有機質(zhì)

沉積物的粒度與水動力作用的強弱密切相關(guān)，而分選系數(shù)的大小則體現(xiàn)了沉積環(huán)境對沉積物的再改造過程。對莫愁湖而言，由于湖水補給主要依靠冰融水，且冰融水形成的暫時地表徑流流經(jīng)距離較短，當(dāng)冰融水量增大時，地表暫時徑流能攜帶更多較粗的物質(zhì)進入湖泊中。因此湖泊沉積物的粒度與冰融水所形成地表徑流水量直接有關(guān)。ZH柱的平均粒度和分選系數(shù)如圖2所示，其中表層6—14cm中值粒徑大于200μm，分選性較好;14—28cm中值粒徑波動較大，分選性也較差;28—36cm平均粒徑突然變大，分選性較差;自36cm至底部，粒度逐漸變小，且波動也較小，只在次底層85—95cm表現(xiàn)出較大的波動。對沉積柱各層位直徑大于1mm的沉積顆粒含量進行統(tǒng)計，結(jié)果顯示含粗顆粒最多的層位為28—30cm，這表明對應(yīng)歷史時期可能存在氣溫快速轉(zhuǎn)暖，冰川融水突然增加的過程，從而導(dǎo)致較多粗顆粒物質(zhì)帶入莫愁湖。LOI550℃代表了有機質(zhì)含量的變化。如圖2所示，ZH柱中有機質(zhì)含量隨深度變化有非常明顯的階段性，0—6cm含量較6—14cm高，但均處于相對低值，14—30cm為高值，在30—36cm出現(xiàn)較低值，后在36—76cm之間維持高值，76—100cm出現(xiàn)了一段明顯的低值期，最底部的11cm有機質(zhì)含量再次升高?？傮w來看，除了在表層6—14cm，有機質(zhì)含量和中值粒徑表現(xiàn)為明顯相反的變化趨勢以外，其他部分兩者的相關(guān)性較差(R2=0．1)。

3生物標志物

ZH柱樣品(0—2cm和108—110cm)中性組分的氣相色譜結(jié)果如圖3所示。沉積柱底部至76cm樣品中LCAs的C37峰的駐留時間(35—37min)和峰型都與標準樣品(瑪納斯湖，圖3a)一致;C38各指紋峰也較為明顯，具有明顯的湖相烯酮的特征。通過與內(nèi)標峰面積的比對發(fā)現(xiàn)，76cm以下部分的LCAs在80—95cm深度段樣品中的含量較高。31—36cm層位樣品的譜圖基本與下層沉積物譜圖一致，也有相對較低含量LCAs的檢出。而沉積柱1—30cm和36—76cm的樣品，在LCAs(C37)特征駐留時間36—37min有一明顯的組分峰，但是峰型不對稱，出峰時間比標準的LCAs略晚，且不存在明顯的C37∶4、C37∶3和C37∶2三峰特征，駐留時間38—41min之間也不存在C38的三個指紋峰特征，我們認為ZH柱這些層位不存在LCAs。不同碳鏈長度的正構(gòu)烷烴豐度代表了湖泊沉積物中有機物質(zhì)的不同來源，從而能夠反映不同氣候環(huán)境條件下湖泊中優(yōu)勢生物群落的結(jié)構(gòu)變化［17］。ZH柱表層和底層沉積物非極性組分的氣相色譜結(jié)果顯示(圖4)，沉積物中均有檢出正構(gòu)烷烴C16-C3，且有明顯的單峰特征。而長鏈烷烴(C28和C29)附近是相同碳鏈長度烯烴的峰，表明沉積柱中有機質(zhì)保存相對較好。不同碳鏈長度正構(gòu)烷烴含量統(tǒng)計如圖5所示。短鏈烷烴中C16、C17和C18含量較低，未作定量統(tǒng)計，但可以從譜圖直觀看出自下而上其含量有降低趨勢，可能代表了低等藻類逐漸衰亡的過程，C19和C20變化趨勢與其他中長鏈正構(gòu)烷烴變化趨勢基本一致。與東南極海岸積水區(qū)沉積物中正構(gòu)烷烴以短鏈烷烴為主明顯不同［41］，莫愁湖與南極半島多個海岸型湖泊沉積物相似［42-43］，各層位的中鏈烷烴含量均較高，以C23和C27為主峰，表明莫愁湖沉積物中有機物質(zhì)主要來自較為大型的水生植物和周邊苔蘚。長鏈烷烴(C27-C33)一般在高等植物機體中較多，東南極地區(qū)較為高等的植物主要是水生蘚類和地衣類植物，溫暖時期冰川融水可能會將湖岸周邊的地衣碎屑攜裹進入水體從而沉積下來［34］。長鏈烷烴隨深度變化趨勢基本與中鏈正構(gòu)烷烴一致，只有在75—100cm深度下降幅度稍大于短中鏈烷烴的下降幅度。沉積柱中不同碳鏈長度正構(gòu)烷烴隨深度變化趨勢基本相似。

討論

1LCAs指示莫愁湖鹽度變化及影響因素

除溫帶湖泊外，科學(xué)家陸續(xù)在東南極、南極半島、格陵蘭西南部等極地、亞極地湖泊沉積物中也發(fā)現(xiàn)LCAs［44-46］。雖然湖泊LCAs的母源種屬尚未完全確定［44，47-48］，但大多數(shù)研究已經(jīng)表明合適的鹽度對LCAs母源藻類的繁盛有積極的作用［31，47］。通過與湖泊演化過程的對比發(fā)現(xiàn)，在海水侵入或鹽度較高時期，高緯度地區(qū)湖泊中的LCAs含量較高［44，49-50］。如圖3所示，沉積柱底層樣品C38組分的三個特征峰(C38∶4、C38∶3和C38∶2)與瑪納斯鹽湖的相應(yīng)組分的駐留時間和峰型基本一致，我們認為，莫愁湖LCAs的母源藻類可能有較為明顯的鹽度依賴特性。因此，莫愁湖LCAs母源藻類的繁盛與干燥時期湖泊高蒸發(fā)量或者相對海平面上升造成的海水侵入過程相關(guān)。莫愁湖ZH柱在6450—5100cal．a(chǎn)BPLCAsC37的檢出，可能表明湖泊鹽度較現(xiàn)在高，且較為利于其母源藻類的生長。5100cal．a(chǎn)BP以來，雖然LCAs母源藻類種群有過短暫的恢復(fù)(3700—3500cal．a(chǎn)BP)，但總體而言，隨著適宜鹽度的喪失，其母源藻類種群逐漸消亡。對于莫愁湖而言，造成湖水鹽度較高的原因主要是冰川擴張時期，相對海平面升高所導(dǎo)致的海水侵入作用以及氣候冷干時期湖水的補給(夏季冰融水)減少，絕對蒸發(fā)量增大，因此我們認為莫愁湖沉積物中LCAs的檢出對應(yīng)冷干的氣候狀態(tài)。Verleyen等［39］通過對東南極拉斯曼丘陵和西福爾丘陵地區(qū)多個不同高程的湖泊沉積中的藻類種屬鑒定和沉積相特征及相應(yīng)AMS14C年齡的統(tǒng)計分析，恢復(fù)了末次冰期以來這一地區(qū)相對海平面的變化。末次冰期以來該區(qū)相對海平面的變化經(jīng)歷了在9260—8650cal．a(chǎn)BP至7570—7270cal．a(chǎn)BP相對海平面升高，7250—6950cal．a(chǎn)BP達到最高(比現(xiàn)在高約8m)，西福爾丘陵地區(qū)相對海平面也幾乎同時達到最高［11］。ZH柱中的結(jié)果顯示:6450—5100cal．a(chǎn)BP期間，莫愁湖沉積物中存在喜鹽環(huán)境的LCAs母源藻類;表明該時期的相對海平面仍較高，海水經(jīng)由莫愁湖北側(cè)的溝槽間歇性侵入，造成了較高的湖水鹽度，沉積物表現(xiàn)為海相-湖相過渡的特征。而5100cal．a(chǎn)BP以來沉積物中LCAs的消失，表明隨著相對海平面的持續(xù)下降，海水侵入莫愁湖的頻次逐漸降低，而氣候條件也在逐漸改善，湖泊主要由冰川融水補給，湖水鹽度逐漸降低，不再適宜LCAs母源藻類生長。值得注意的是，3700—3500cal．a(chǎn)BP階段有痕量LCAs檢出，同時該階段有機質(zhì)含量很低，表明在該階段拉斯曼丘陵地區(qū)可能發(fā)生了一次較為短暫的氣候變冷事件，導(dǎo)致湖水的補給(夏季冰融水)減少，蒸發(fā)量增高，鹽度相對升高，這在一定程度上影響了湖泊的生物種群結(jié)構(gòu)。同地區(qū)其他氣候記錄顯示該時間段確實有一次明顯的冷事件［51］，但并沒有確切的證據(jù)證明相對海平面有較大程度的改變［39］，因此，我們推測這一時期LCAs母源藻類的恢復(fù)更有可能是氣候突然變冷造成的，但是也不排除短時間相對海平面大幅升高的可能性。ZH柱中長鏈烯酮的階段性分布特征，較高分辨地揭示了莫愁湖脫離海水影響的過程和時間，為該區(qū)中、晚全新世相對海平面下降過程插入了新的時間節(jié)點。

2莫愁湖植物總量對氣候變化的響應(yīng)

較短時間尺度氣候環(huán)境的變化對特定生物的影響，最先反映在其種群數(shù)量的變化，湖泊生態(tài)系統(tǒng)中特定水生生物的數(shù)量變化可以提供相對可靠的環(huán)境氣候信息。莫愁湖沉積柱中正構(gòu)烷烴的變化較完整地記錄了全新世中晚期(6450—3000cal．a(chǎn)BP)湖生植物演化的過程，中長鏈正構(gòu)烷烴的協(xié)同變化趨勢，表明莫愁湖優(yōu)勢水生植物種屬在歷史時期基本沒有很大的變化，其數(shù)量變化受到氣候環(huán)境變化的控制。6450—5100cal．a(chǎn)BP，正構(gòu)烷烴含量較低，指示湖生植物較少，特別是6000—5500cal．a(chǎn)BP，氣候應(yīng)該以冷干為主，這與東南極廣大區(qū)域的氣候寒冷、企鵝巢穴明顯減少時期重合［52-54］。而5100—3700cal．a(chǎn)BP，正構(gòu)烷烴含量相對較高，湖生植物豐富，表明拉斯曼丘陵處于相對溫暖時期，為湖泊植物的生長適宜期，但是也存在著短時間尺度的氣候回冷階段(4700—4900cal．a(chǎn)BP)。這與地區(qū)的其他湖泊沉積物記錄的全新世適宜期基本一致，同時也與西福爾丘陵湖泊沉積物和邦杰丘陵地區(qū)海洋沉積物所記錄的氣候暖期的結(jié)果基本吻合［55-56］。隨后的200年，正構(gòu)烷烴含量處于短暫的低值時期，可能是受到了短暫氣候波動的影響。3500cal．a(chǎn)BP前后，正構(gòu)烷烴含量迅速回升，并伴隨著一次短暫的強水動力過程(相應(yīng)層位大于1mm顆粒物的含量明顯較多，而且粗顆粒沙粒輸入增加并沒有很大程度上減少沉積物中有機質(zhì)的比例)，說明氣候快速轉(zhuǎn)暖且非常適宜水生植物生長，這一溫暖期持續(xù)到3100cal．a(chǎn)BP前后。這一過程與3500cal．a(chǎn)BP前后冰蓋退縮，進步湖開始接受有機質(zhì)沉積階段相吻合［57］。此外，莫愁湖中LCAs母源藻類生長時期與湖泊主要植物數(shù)量較小時期及氣候惡劣時期基本對應(yīng)，與Coolen等［44］通過rDNA恢復(fù)的Ace湖生物群落演化機制基本符合。3000—1835cal．a(chǎn)BP期間，沉積柱中正構(gòu)烷烴含量很低，對應(yīng)著氣候寒冷、冰蓋擴張階段，似乎與其他氣候記錄指示的新冰期初始階段相一致［58-60］。但是，由于該層位沉積物中值粒徑與分選性的矛盾，以及表層沉積物存在缺失現(xiàn)象，仍需要進一步的研究，本文暫不做討論。

結(jié)論

東南極拉斯曼丘陵海岸湖泊(莫愁湖)沉積物中檢測發(fā)現(xiàn)了湖相長鏈烯酮的存在，其C38組峰的特征說明其母源藻類具有較為明顯的喜鹽特性。長鏈烯酮的階段性變化，反映了該區(qū)因相對海平面變遷以及氣候冷暖所導(dǎo)致的湖泊鹽度的變化過程。正構(gòu)烷烴的研究結(jié)果表明莫愁湖優(yōu)勢水生植物種屬在歷史時期沒有大的變更，其總量的變化記錄了全新世中、晚期該地區(qū)氣候環(huán)境變遷的過程。初步探討了3500—3700cal．a(chǎn)BP和5100—6450cal．a(chǎn)BP兩個比較確定的氣候干冷時期。長鏈烯酮與正構(gòu)烷烴的組合特征是研究極地海岸湖泊演變過程和重建區(qū)域氣候環(huán)境變化的有效手段之一。致謝衷心感謝國家海洋局極地考察辦公室和中國極地研究中心為本研究提供有力的支持和協(xié)助，感謝中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院張海龍博士有關(guān)有機化合物測試工作，感謝朱任斌教授樣品采集工作以及梁有慶高級工程師對實驗的指導(dǎo)。