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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(guó)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(guó)科學(xué)院海洋研究所海洋生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yán)重，強(qiáng)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(bǔ)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(yán)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(duì)高程約為8m，最大水深約為4m，湖泊水域面積1500m2左右［37］，補(bǔ)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(zhǎng)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(guó)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(zhǎng)111cm。整柱按2cm間隔分樣，至上而下依次編號(hào)為ZH1-ZH56。由于南極極度嚴(yán)寒，沉積柱中的有機(jī)質(zhì)得到了較好保存，大多層位含有較多的植物殘?bào)w，故而沉積物多呈深灰綠色。

實(shí)驗(yàn)方法

選取3cm、15cm、31cm、67cm和93cm深度原樣(挑出大塊沙粒)進(jìn)行AMS14C測(cè)定，實(shí)驗(yàn)分別在佐治亞大學(xué)和加利福尼亞大學(xué)厄文分校進(jìn)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(jī)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(jìn)行粒度測(cè)試。儀器測(cè)量范圍為0．02—2000μm，粒級(jí)分辨率為0．01Φ，重復(fù)測(cè)試的相對(duì)誤差小于2%。測(cè)試在泰安學(xué)院土壤與環(huán)境變化實(shí)驗(yàn)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(cè)定TC、TN、TS，實(shí)驗(yàn)在中國(guó)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(shí)加入氘代二十四烷和直鏈?zhǔn)糯甲鳛橄鄳?yīng)內(nèi)標(biāo)，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(jìn)一步處理，直接利用氣相色譜(Agilent，6890N)進(jìn)行分析;中性組分經(jīng)氮吹，衍生化，進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)樣品比對(duì)駐留時(shí)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(biāo)峰面積得出特定組分的相對(duì)豐度。相對(duì)偏差小于3%。由于部分樣品有機(jī)質(zhì)含量過高，基體復(fù)雜，分離液經(jīng)稀釋后再測(cè)定。實(shí)驗(yàn)在中國(guó)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(dú)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?bào)w，夾雜較大沙礫，結(jié)構(gòu)較為松散;6—14cm植物殘?bào)w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?bào)w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(xì)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?bào)w和較大礫石。Hodgson等［14］對(duì)拉斯曼丘陵地區(qū)大量湖泊沉積物的年齡進(jìn)行了測(cè)定，認(rèn)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(jìn)行儲(chǔ)庫校正，但對(duì)于海相沉積物需要用14C測(cè)定的年齡減去當(dāng)?shù)睾Ｑ筇純?chǔ)庫年齡以進(jìn)行儲(chǔ)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(tuán)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(rèn)為未受老碳污染，無需進(jìn)行儲(chǔ)庫校正。其他4個(gè)樣品的AMS14C年齡均老于2750cal．a(chǎn)BP，因此需進(jìn)行儲(chǔ)庫校正(按照拉斯曼丘陵海洋儲(chǔ)庫校正年齡為1300年)［38，40］。在線利用Calib6．0程序?qū)λ媚挲g進(jìn)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(jī)質(zhì)

沉積物的粒度與水動(dòng)力作用的強(qiáng)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(duì)沉積物的再改造過程。對(duì)莫愁湖而言，由于湖水補(bǔ)給主要依靠冰融水，且冰融水形成的暫時(shí)地表徑流流經(jīng)距離較短，當(dāng)冰融水量增大時(shí)，地表暫時(shí)徑流能攜帶更多較粗的物質(zhì)進(jìn)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(dòng)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(dòng)也較小，只在次底層85—95cm表現(xiàn)出較大的波動(dòng)。對(duì)沉積柱各層位直徑大于1mm的沉積顆粒含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示含粗顆粒最多的層位為28—30cm，這表明對(duì)應(yīng)歷史時(shí)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(jī)質(zhì)含量的變化。如圖2所示，ZH柱中有機(jī)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(duì)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(jī)質(zhì)含量再次升高?？傮w來看，除了在表層6—14cm，有機(jī)質(zhì)含量和中值粒徑表現(xiàn)為明顯相反的變化趨勢(shì)以外，其他部分兩者的相關(guān)性較差(R2=0．1)。

3生物標(biāo)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(shí)間(35—37min)和峰型都與標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)峰面積的比對(duì)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(duì)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(shí)間36—37min有一明顯的組分峰，但是峰型不對(duì)稱，出峰時(shí)間比標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間38—41min之間也不存在C38的三個(gè)指紋峰特征，我們認(rèn)為ZH柱這些層位不存在LCAs。不同碳鏈長(zhǎng)度的正構(gòu)烷烴豐度代表了湖泊沉積物中有機(jī)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(shì)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(zhǎng)鏈烷烴(C28和C29)附近是相同碳鏈長(zhǎng)度烯烴的峰，表明沉積柱中有機(jī)質(zhì)保存相對(duì)較好。不同碳鏈長(zhǎng)度正構(gòu)烷烴含量統(tǒng)計(jì)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(jì)，但可以從譜圖直觀看出自下而上其含量有降低趨勢(shì)，可能代表了低等藻類逐漸衰亡的過程，C19和C20變化趨勢(shì)與其他中長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴變化趨勢(shì)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(gè)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(jī)物質(zhì)主要來自較為大型的水生植物和周邊苔蘚。長(zhǎng)鏈烷烴(C27-C33)一般在高等植物機(jī)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(shí)期冰川融水可能會(huì)將湖岸周邊的地衣碎屑攜裹進(jìn)入水體從而沉積下來［34］。長(zhǎng)鏈烷烴隨深度變化趨勢(shì)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(zhǎng)度正構(gòu)烷烴隨深度變化趨勢(shì)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(duì)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(duì)比發(fā)現(xiàn)，在海水侵入或鹽度較高時(shí)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(gè)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(shí)間和峰型基本一致，我們認(rèn)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(shí)期湖泊高蒸發(fā)量或者相對(duì)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(zhǎng)。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(duì)于莫愁湖而言，造成湖水鹽度較高的原因主要是冰川擴(kuò)張時(shí)期，相對(duì)海平面升高所導(dǎo)致的海水侵入作用以及氣候冷干時(shí)期湖水的補(bǔ)給(夏季冰融水)減少，絕對(duì)蒸發(fā)量增大，因此我們認(rèn)為莫愁湖沉積物中LCAs的檢出對(duì)應(yīng)冷干的氣候狀態(tài)。Verleyen等［39］通過對(duì)東南極拉斯曼丘陵和西福爾丘陵地區(qū)多個(gè)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(jì)分析，恢復(fù)了末次冰期以來這一地區(qū)相對(duì)海平面的變化。末次冰期以來該區(qū)相對(duì)海平面的變化經(jīng)歷了在9260—8650cal．a(chǎn)BP至7570—7270cal．a(chǎn)BP相對(duì)海平面升高，7250—6950cal．a(chǎn)BP達(dá)到最高(比現(xiàn)在高約8m)，西福爾丘陵地區(qū)相對(duì)海平面也幾乎同時(shí)達(dá)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(shí)期的相對(duì)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(duì)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(bǔ)給，湖水鹽度逐漸降低，不再適宜LCAs母源藻類生長(zhǎng)。值得注意的是，3700—3500cal．a(chǎn)BP階段有痕量LCAs檢出，同時(shí)該階段有機(jī)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(bǔ)給(夏季冰融水)減少，蒸發(fā)量增高，鹽度相對(duì)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(shí)間段確實(shí)有一次明顯的冷事件［51］，但并沒有確切的證據(jù)證明相對(duì)海平面有較大程度的改變［39］，因此，我們推測(cè)這一時(shí)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(shí)間相對(duì)海平面大幅升高的可能性。ZH柱中長(zhǎng)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(shí)間，為該區(qū)中、晚全新世相對(duì)海平面下降過程插入了新的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

2莫愁湖植物總量對(duì)氣候變化的響應(yīng)

較短時(shí)間尺度氣候環(huán)境的變化對(duì)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(duì)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(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴的協(xié)同變化趨勢(shì)，表明莫愁湖優(yōu)勢(shì)水生植物種屬在歷史時(shí)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(shí)期重合［52-54］。而5100—3700cal．a(chǎn)BP，正構(gòu)烷烴含量相對(duì)較高，湖生植物豐富，表明拉斯曼丘陵處于相對(duì)溫暖時(shí)期，為湖泊植物的生長(zhǎng)適宜期，但是也存在著短時(shí)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(shí)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(shí)期，可能是受到了短暫氣候波動(dòng)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(qiáng)水動(dòng)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(jī)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(zhǎng)，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(jìn)步湖開始接受有機(jī)質(zhì)沉積階段相吻合［57］。此外，莫愁湖中LCAs母源藻類生長(zhǎng)時(shí)期與湖泊主要植物數(shù)量較小時(shí)期及氣候惡劣時(shí)期基本對(duì)應(yīng)，與Coolen等［44］通過rDNA恢復(fù)的Ace湖生物群落演化機(jī)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(duì)應(yīng)著氣候寒冷、冰蓋擴(kuò)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(jìn)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(cè)發(fā)現(xiàn)了湖相長(zhǎng)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(zhǎng)鏈烯酮的階段性變化，反映了該區(qū)因相對(duì)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(shì)水生植物種屬在歷史時(shí)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(gè)比較確定的氣候干冷時(shí)期。長(zhǎng)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(guó)家海洋局極地考察辦公室和中國(guó)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(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院張海龍博士有關(guān)有機(jī)化合物測(cè)試工作，感謝朱任斌教授樣品采集工作以及梁有慶高級(jí)工程師對(duì)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)。