湖泊沉积有机质的地球化学记录与古气候古环境重建

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生源与古生产率
地质历史上，气候与生态系统演变是一个动态
平衡过程， 如何评价一个区域生态系统的演化， 或者 对一个退化生态系统的恢复是维系当今社会可持续 发展的关键。湖泊沉积物作为区域气候变化的良好 载体，不仅从孢粉等微观化石的研究可大致推算生 态系统的演化特征， 而且可以通过分子化石的剖析， 可进一步具体化、 定量化表征。 首先是古生产率确定。已经建立了多种定量估 算海洋古生产率的方法，包括沉积物中有机碳含量 法 GIH、 底栖有孔虫堆积速率法 G !J H 等。但湖泊沉积有 机质由于生源复杂， 既有陆生高等植物， 又有水生植 物和浮游藻类， 以及大量微生物的贡献， 所以至今仍 未找到一种有效的方法。 P%10%27- !" #$’ G !! H 曾提出运 用长链酮和二醇类化合物来估算浮游生物的古生产 率， 但这一指标的应用仅局限于河口或近海区域。 目前对湖泊古生产率的估算主要停留在定性水 平上。 不同生源具有不同碳同位素组成 A 图 ; B G !; H ， 如
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演变主控因素揭示等方面同样发挥着其他学科无可 替代的作用。
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理论基础与实现方法
沉积有机质中特定生源指示意义有机分子 （即 生物标志化合物） 是进行古气候、 古生态环境重建的 重要基石。生物标志化合物是指一类特殊有机分 子， 其分子骨架在成岩过程中得以保存， 是沟通其前 身物的桥梁， 类似于现代 BC2 亲子鉴定， 当然， 它也 存在着多解性， 不同生物体可以合成同样的化合物， 但一些特定的生物往往具备特定的分子标记，如达 玛树脂化合物双杜松烷系列被认为来源于新生代被 子植物龙脑香科达玛树脂 ? # @ 。所以在湖泊沉积有机 质中往往可以通过一类特殊生物标志化合物的鉴定 来追溯生源以及该生物在地质历史中的演化。 众所周知，沉积有机质分子碳同位素组成主要
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盐度、 及水体物理状况等因素， 所以， 沉积有 O- 值、 机质碳同位素变化是否响应于湖泊古生产率的变化 需综合考虑湖泊所处的生态流域环境和地质地球化 学背景。
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古气候古环境的重建
大气二氧化碳分压对生态系统的影响及恢复
相对于 &/ 植物来说， 其二 &# 植物喜干燥环境， 氧化碳的浓缩机制使它们在较低的大气二氧化碳分 （&&( ） 压 条件下， 能比 &/ 植物更有效地吸收 &、 P元
第 !! 卷 第 " 期 )**+ 年 " 月
地球化学 ,-./0121/3
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文章编号：’*+0 3 !+#( $ #’’) , ’! 3 ’’#’ 3 ’0
湖泊沉积有机质的地球化学记录 与古气候古环境重建
卢粤晗 !" #" 孙永革 !!" 翁焕新 #
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（ 正 常 湖 水 温 度 ， -&(/. 比 溶 解 &(! 的 !1/ & 值 重 作为酶作用物。因此， 以水生生物为 56 7 1"6 ) 1/ , ） 主的湖泊沉积有机质的碳同位素值变重可能指示较 高的湖泊古生产率。89:;<=3 !" #$> ) 1# , 分析 1! 个湖泊 沉积岩芯 !1/ &234 值随深度变化的结果时发现，一些 湖泊的低 !1/ &234 值对应于气候较冷期和湖泊低生产 率期，而高 !1/ &234 值则对应于全新世较暖气候和湖 泊高生产率期。 统计表明， 湖泊沉积 !1/ &234 较好地记 录了 1?@" 7 1?5A 年间北美五大湖区由于人为磷造 成的藻类生产率升高， 水质恶化的过程， 以及 5" 年 代中期以来人为磷排放量的控制，湖泊生产率下降 的过程
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通常作为高位植物的碳源，水中生物多数利用溶解 二氧化碳作为酶作用物。 当 &(（ 较高时， 生物对 ! *+）
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& 的选择性增强，! &234 值偏负。当水体中藻类生 产率较高时，&(! 的消耗量大，&(（ ! *+ ） 较低。当 1/ &(（ & 的 -&(/. ! *+）供不应求时，生物体利用富含
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燥，&# 植被扩张的过程。然而，各地的研究结果表 明，学者们对 &# 植被的扩张机理的认识还存在着 分歧， 分歧点主要在于 &# 植被的扩张是主要响应于 全球大气二氧化碳分压的降低 ) !1 , ， 还是一系列对其 有利的区域性环境变化， 如季风系统、 高原隆升造成 ) !! , （如干旱度） 。 的区域性气候条件变化 893==9ST=33299 !" #$> ) !/ , 和 -:*L4 !" #$> ) !# , 根据东 非肯尼亚山（C2:L9 U=LF*）和埃尔贡山（C2:L9 HES 上的湖泊沉来自百度文库物中总有机质和来源于高等植物 42L） 和藻类生物标志物的碳同位素组成，认为较低的二 氧化碳分压和干燥的气候是引起 &# 植物在末次盛 （RNC） 冰期 时期扩张的主因。 然而， 由于 3229 J*9I 记 录的湖面最低时间与最大 !1/ &234 值时间有很大的年 代差异，这说明大气中二氧化碳分压的降低起着主 导作用，稍后对该地区 8*V3=W 湖泊沉积物中木质素 论 ) !" , 。最近，-:*L4 !" #$> 类化合物碳同位素值变化研究也支持了这一结 ) !A , （如 为了比较气候变化
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素和水分。因此，湖泊沉积的碳同位素组成的变化 记载了湖盆地区陆地植被对大气二氧化碳分压及气 候冷 Q 暖、 干 Q 湿变化的响应。世界各地的湖泊沉积 （RNC） 期间同位素值变正， 即是记 物在末次盛冰期 录了间冰期向冰期转换时期， &&( 降低，气候变干
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生物标志化合物碳同位素技术的发展有望使这 一定性认识上升到定量化水平，原因是由于这一技 术的应用使得对沉积物有机质来源的识别程度大大 提高，如研究程度相当高的梅塞尔页岩的分子碳同 位素工作表明，沉积有机质中尽管有大量陆生植物 化石和陆源生物标志物存在，但生物标志物的碳同 位素结果显示了该湖泊沉积物中的有机质主要来源 于藻类和光合菌 。由于采用不同碳循环方式的植 （ 如 &/ 、 物合成的烃类具有不同的碳同位素组成 &# 、
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地球化学
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浮游藻类的碳同位素组成通常较大型水生植物和陆 生植物的碳同位素低， 因此， 相对而言， 总有机质的 碳同位素值较低可能反映藻类生源为主的湖泊，较 高则反映陆源为主的湖泊。对于水生生物，其碳源 可以是大气二氧化碳或溶解无机碳（ $%&） ’ 包括水 ,、 中溶解 &(! ) &(（ 大气二氧化碳 -&( 、 &( 0 。 ! *+ ）
（! ） （; ） 特点： 同位素分馏效应更为突出 G M H ； 生物标 志化合物中碳键合氢中氘的浓度反映生态环境和生 物化学的综合作用效应，其氢同位素组成主要受以 下三个因素控制： 生物合成前身物同位素组成、 生物 合成过程中同位素的交换分馏效应和生物合成过程 中的氢化作用 G N O L H 。正是基于这些特征， 沉积有机质 中生物标志化合物碳、氢同位素组成在生物地球化 学等研究领域显示出诱人的应用前景，特别是对于 古气候、 古环境应用研究。
$ !% 中国科学院 广州地球化学研究所 有机地球化学国家重点实验室，广东 广州 *!’’#+ , &!’()’ ；#% 浙江大学 地球科学系，浙江 杭州
摘
要：与深海沉积与冰芯记录相比，湖泊沉积主要反映区域气候变迁史，可以揭示百年、甚至十年尺度的古气候
事件， 是高分辨率古环境、 古气候重建的理想场所。 传统的地质地球化学方法主要侧重于宏观物理 - 化学特性描述和 沉积有机质分子碳、 氢同位素地球化学技术的渗入， 使研究工作从传统的宏观、 微观层次 孢粉学的研究， 近 !’ 年来， 古二氧化碳分压及古温度计算等深层次问题解决提供 向分子级水平发展， 对诸如古生产率估算、 .* - .) 植被演替史、 了强有力支持。本文评述了湖泊沉积有机质分子与碳、 氢同位素地球化学记录及其在区域古环境、 古气候研究中的 应用前景。 关键词：湖泊沉积有机质；生物标志化合物；碳氢同位素；地球化学记录；古气候重建 中图分类号：/&0*1 /&*! 文献标识码：2
感， 可以获得百年、 甚至十年尺度的古气候事件， 是
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引
言
区域高分辨率古环境、 古气候重建的理想场所， 也是 当前全球变化研究的焦点所在。现有研究成果表 明，湖泊沉积有机质在重建古大气二氧化碳分压 $ !.A , 、 古温度、 植被生态系统 .* - .) 植物群落演替、
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全球变化与区域响应一直是人类生存所面临的 重大科学问题， 古环境、 古气候的高分辨率重建则是 解决这一问题的有效途径之一，也是一项多学科交 叉的综合性研究工作。现代新技术、新方法的不断 诞生与应用， 以及学科之间的不断渗透， 使得该领域 的研究异常活跃，并且得到迅速发展，特别是近 #’ 年来沉积有机质分子与稳定碳、氢同位素地球化学 技术的引入，使研究对象从经典的宏观 - 微观化石 （孢粉、 （4567896:; <5==>6） 藻类等） 向分子化石 发展， 业已在海洋沉积有机质的研究中取得了巨大成功， 提出了一系列基于分子有机地球化学的古气候、古 环境指标，如目前广为应用的长链不饱和酮古温度 指标 。
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沉积物有机质的碳同位素值变化估算陆源物质的比 例。 -:*L4 !" #$> ) !" , 利用沉积物中单体木质素酚的同 位素值定量估算湖泊沉积物中 &# 植被的比例、 &# 非 木质被子植物输入相对于总非木质植物输入的比 例、 &# 被子植物输入相对于总被子植物输入的比 例、以及 &# 植物输入相对于被子、裸子植物输入总 和的比例等。 利用分子和有机质碳同位素重建湖泊古生产率 目前仍处于探索阶段， 因为除了古生产率， 影响湖泊 水生生物碳同位素值的因素还包括 &&( 、 温度、 湖水
相对于海洋沉积记录所揭示的大时间尺度、大 区域背景古气候、 古环境演变而言， 湖泊沉积则是地 区性古环境、 古气候变迁的最佳载体， 它完整地记录 了地质历史时期区域气候、植被以及人类活动的演 化轨迹， 特别是那些汇水域小、 沉积速率大、 水体相 对较浅的沉积盆地，对区域气候变化的响应尤为敏
收稿日期：#’’* 3 ’* 3 !) ；接受日期：#’’* 3 ’& 3 ’( （)’#+#’&D ） 基金项目：国家自然科学基金
作者简介：卢粤晗 $ !0+D 3 , ，女，硕士研究生，环境科学专业。 ! 通讯作者 " EF4:>6G HI=9JK I>I% :8% 8J
第!期
卢粤晗等：湖泊沉积有机质的地球化学记录与古气候古环境重建
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取决于生物所利用的碳源， 合成、 同化等生物化学过 程及其后生成岩作用过程中的碳同位素分馏作用， 是古气候、古环境等生态效应的综合体现。生物体 死亡后经历的早期成岩作用过程使得有机质中不稳 定的组分优先被降解，导致有机质的许多性质的改 变。例如：沉积有机质中具不同碳同位素组成的化 （图 ! ） 合物 对抗成岩作用的能力不同 G " H 。碳同位素 值较重的蛋白质和糖类组分优先丢失，导致沉积有 机质的碳同位素组成值变轻。然而很多研究表明， 有关其生物先质、 及其相应环境、 气候信息仍得以良 好保存。如对美国密西根湖沉积物的研究表明，虽 然从湖表面到湖底沉积物中有机质浓度降低了约 IJK ，但 # < = 值和 !!" # 值与最初值相比没有太大 的改变 G ? H 。
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根据 # < = 值和 !!" # 值鉴定总有机质的来源 > 海相藻类、 湖相藻类、 #" 陆生植物或 #? 陆生植物
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气相色谱 < 碳同位素比值 ;J 世纪 LJ 年代末期， 质谱在线分析技术的问世，使得生物标志化合物稳 定碳同位素地球化学研究得以实现，为沉积有机质 分子生源的确定及生态环境反演提供了强有力的工 具。 而 IJ 年代末期单个生物标志化合物氢同位素在 线测试则是继实现生物标志化合物碳同位素在线分 析后又一技术上的重大突破。与碳同位素组成相 比，沉积有机质中氢同位素组成具有以下两个显著