西南极湖泊沉积类脂记录的有机质来源及生态环境变化

郭晓泽 赵军 韩正兵 李栋 张海峰 孙维萍 扈传昱 潘建明

(自然资源部海洋生态系统动力学重点实验室, 自然资源部第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012)

提要 对西南极乔治王岛西湖沉积物XH1柱样进行了210Pb测年, 建立起百余年(1885—2006年)沉积地层序列。定量分析了该柱样中的正构烷烃、脂肪酸和甾醇等类脂生物标志物, 综合研究了其分子组合特征和大尺度气候事件[厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)和南半球环状模(SAM)]指标, 探讨了湖泊沉积有机质来源、沉积环境和早期成岩作用及其与生态环境变化的关系。结果表明, 正构烷烃的主峰碳(nC23)、脂肪酸的后主峰碳(C24:0)、较高的C29甾醇含量和较低的∑C21-/∑C22+比值均显示, 苔藓、地衣等低等陆生植物是西湖沉积物中有机质的主要来源, 而水生动植物及微生物的贡献相对较少。脂肪酸C18:2/C18:0比值表明, 在年代际时间尺度上, 与ENSO相比, SAM对南极半岛生态系统可能更具影响力, 且对湖泊水生动植物的影响比陆生植物更为明显。内源输入的甾醇指标ACI显示, 西风变弱、南极半岛变暖时, 沉积物中水生生物贡献的有机质减少。整体而言, 过去的100多年中, 西湖呈弱氧化的沉积环境, 早期成岩作用较弱, 且气候事件对湖泊沉积环境影响不大。

0 引言

湖泊沉积物是记录环境和气候变化信息的重要介质[1-3]。南极大陆沿海地带是南极海、陆、冰的交汇带, 同时受到海洋、冰川及人类活动的影响, 是南极生态环境最敏感的环节[4-7]。其中, 南极湖泊生态系统对不同环境因子的改变均有灵敏的响应, 其物理化学因子及水生生物等会发生显著变化, 这些信息能够保存在湖泊沉积地层的历史记录中[8-9]。大量替代性环境指标被用来研究南极湖泊古环境演化。多环境指标的综合研究判识并结合地质年龄测定在恢复古气候、古生态及冰川进退历史等方面显示出较强的优势[10-11]。

南极, 尤其是南极半岛区域, 是气候与环境变化的放大器[12], 生态系统响应灵敏, 正在发生显著改变[13-15]。例如, 过去50多年南极半岛西部冬季气温升高了6℃, 是全球平均升温的5倍[16]。同时, 夏季该海域表层海水叶绿素a降低了12%,细胞较小的温水藻逐渐成为优势种[17], 生物碳泵效率显著降低[18-19]。此外, 在生态研究的热点区域—— 乔治王岛及其邻近地区, 企鹅和海豹栖息地的沉积生物标志物表明, 在过去的一个世纪里,企鹅和海豹的种群都因气候和环境变化以及人类活动而发生了变化[20-23]。然而, 我们对沿海湖泊沉积物记录的气候变化和人为活动对南极敏感生态系统的影响知之甚少[24-25]。

类脂等生物标志物被广泛应用于藻类、细菌群落、浮游动物摄食、紫外线辐射等历史变化的表征[26-30]。但迄今为止, 生物标志物在高纬度南极湖泊沉积物中的应用仍然有限, 尤其是应用生物标志物潜在的古气候信息来研究全球变化(如区域性气候变迁[31]、海陆环境温度变化[32])对生态系统的影响及其反馈作用的研究非常缺乏。目前,对西南极乔治王岛中国长城站地区西湖沉积物无机地球化学及其环境指示意义有一定的认识[24,33],但对种类繁多、含量低微的有机生物标志物的研究相当薄弱[25,34], 这限制了我们对南极半岛区域生态环境变化的深入认识。

本研究分析了西南极乔治王岛西湖沉积物中正构烷烃、脂肪酸和甾醇的精细结构和分子组合特征。在此基础上, 结合大尺度气候事件[厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)和南半球环状模(SAM)]指标, 探讨近一个多世纪来湖泊沉积有机质来源、沉积环境和早期成岩作用, 及其对生态环境变化的响应。

1 材料与方法

1.1 湖泊概况和样品采集

位于西南极乔治王岛长城站附近的西湖, 是一个长130 m、宽90 m的椭圆形冰蚀湖(图1)。湖泊四周区域分布着南极特有的地衣、苔藓等陆地植物种。液态降水和冰雪融水产生的径流是其主要补给源。夏季冰雪融化, 融水经“翠溪”流入长城站, 从而与该地区的其他生态系统联系起来。2006年12月用PVC取样器(内径10.5 cm)采集了长10 cm的湖内柱状沉积物样品XH1 (62°13.003′S, 58°57.936′W), 现场按0.5 cm (0～1 cm)或1 cm (1～10 cm)间隔进行分样, 之后将这些子样品冷冻储存(-20℃), 直至分析。

图1 a)南极半岛海域示意图; b)乔治王岛中国长城站附近西湖中XH1柱状沉积物采样位置(62°13.003′S, 58°57.936′W)示意图; c)西湖一角及其周围生长的苔藓(主要是钩枝镰刀藓和蔓枝湿原藓[35])和地衣(主要是簇花松萝[36])(赵军摄)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 沉积物沉积速率测定

采用γ能谱方法由过剩210Pb活度确定沉积物年代[37]。简言之, 称取3 g冻干沉积物样品, 装入直径1 cm圆柱管内(装样高度为4 cm), 密封3周,使用带X-冷却器的γ能谱传感器(GWL-120210-S,美国EG&G ORTEC公司)测定210Pb活度, 时间一般为80000 s左右。利用46.5 keV、351.9 keV特征峰进行总210Pb和226Ra比活度计算, 两者的差值即为过剩210Pb的比活度。利用恒定初始浓度(CIC)模型对过剩210Pb分布指数衰减进行沉积速率估算, 公式如下:

式中,s是沉积速率(mm·a-1),λ是210Pb放射性衰变常数(0.0311 a-1),k是过剩210Pb放射性活度的自然对数(x轴)与沉积物样品深度(y轴)拟合关系的斜率(线性系数)。

1.3 生物标志物提取和仪器分析

生物标志物的提取和分析按照文献[23, 38]的方法进行: XH1沉积物冻干后磨碎成100 mesh的粉末。将约10 g样品与二氯甲烷/甲醇(V/V=3/1)混合, 用索氏提取法静置72 h。经铜粉脱硫后, 旋转蒸发, 得到总可溶有机质, 用正己烷沉淀脱去沥青质, 再用硅胶柱层析分离出不同组分。洗涤液为正己烷、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。依次分离饱和烃、芳烃、酮/酯、醇/甾醇和极性组分。浓缩后分析饱和烃。酸性组分与10% BF3/甲醇混合过夜, 用二氯甲烷萃取脂肪酸。以正二十四烷(nC24D50)和十九烷酸(nC19:0)为内标, 采用内标法对正构烷烃和脂肪酸进行定量分析。对饱和烃进行气相色谱(GC)和色谱-质谱(GC-MS)分析, 根据色谱保留时间进行化合物鉴定[39]。采用BSTFA[双(三甲基)-三氟乙酰胺]将醇组分转化为三甲基硅基衍生物(TMS醚)后上机进行GC-MS分析。通过色谱的保留时间、特征质谱图信息与文献结果比对进行甾醇的鉴定[39-40], 甾醇名称及出峰顺序见图2c。具有Δ5不饱和(双键)的甾醇在m/z=129处有一个基峰, 在M+=90和M+=129处有碎片离子;饱和甾醇(甾烷醇)通常随不饱和前体洗脱, 当化合物包含4-甲基时, 以m/z=215或m/z=229为特征基峰。以5α-胆固醇为内标物进行定量。

正构烷烃: GC分析采用HP6890气相色谱仪,弹性石英毛细管柱(DB-5, 30 m×0.25 mm内径,膜厚0.17 µm)。初始温度设定为80℃, 样品入口和检测器温度均为280℃。温度以5℃·min-1的速度升高, 直到达到280℃, 恒温保持30 min。正构烷烃的色谱图如图2a所示。

脂肪酸: GC分析采用HP5890气相色谱仪,弹性石英毛细管柱(DB-5, 30 m×0.25 mm内径,膜厚0.25 μm)。初始温度为80℃, 样品入口和检测器温度均为290℃。以3℃·min-1的速度升温直至150℃, 最终温度为290℃, 恒温维持30 min。载气为纯氦, 气流速度为1.0 mL·min-1。脂肪酸的色谱图如图2b所示。

甾醇类: GC-MS分析采用Finigan-TSQ7000色谱质谱仪, 柱为HP-5MS石英毛细管柱(内径60 m×0.25 mm, 膜厚0.25 μm)。载气为高纯氦气。升温程序: 初始温度为80℃, 恒温2 min后以8℃·min-1的速度升温至220℃, 再以2℃·min-1的速度升温至300℃, 并恒温保持25 min。质谱条件: 离子源温度为250℃; 离化电流为150 µA;电子能量70 eV, 扫描周期1 s以上。甾醇的总离子电流如图2c所示。

2 结果

2.1 沉积速率

西湖XH1柱样过剩210Pb的比活度在0～0.5 cm和2～3 cm相当, 因此认定0～2 cm为采样当年的移动泥层。而2 cm以深为积累层, 根据CIC模式对过剩210Pb的比活度数据进行对数拟合, 得到积累层沉积速率s为0.66 mm·a-1(R2=0.987)(图3), 明显低于其相邻阿德雷岛企鹅栖息地粪土层的沉积速率[22,41]。2～10 cm时间跨度约为120年(1885—2006年)。

图3 210Pb法测定的XH1柱样沉积速率和年代结果Fig.3.Sedimentation rate and chronology of core XH1 based on 210Pb

2.2 正构烷烃及其分子组合特征

XH1柱样中正构烷烃的碳数分布范围为nC16～nC33, 主峰碳数为nC23、其次为nC27, 呈单峰分布, 在整个柱样中保持稳定, 变化不大(图2a,表1)。该结果与附近的阿德利岛[22-23], 以及燕鸥湖和俄罗斯别林斯高晋站基太湖[25]的研究结果相一致, 而显著不同于东南极普里兹湾的表层沉积物的双峰分布(主峰碳为nC17或nC18和nC29)[38]。正构烷烃的轻烃/重烃(∑C21-/∑C22+)比值在2～3 cm层(约1991—2005年)最低(0.40), 在4～5cm层(约1959—1975年)最高(0.77), 垂直变化不大(表1), 其平均值为(0.58±0.11), 高于阿德利岛的(0.44±0.10)[23], 亦高于普里兹湾的(0.39± 0.10)[38]。碳优势指数 CPI(=1/2[∑(C25～C33)/∑(C24～C32)+∑(C25～C33)/∑(C26～C34)])在0～0.5 cm层(采样时的2006年)最高(11.70), 4～5 cm层(约1959—1975年)最低(5.04)(表1), 呈表层高、底层低的趋势, 具有显著的偶奇优势(CPI＞5)。CPI平均值为(8.00±1.98), 亦高于阿德利岛的(4.20±1.01)[23]和普里兹湾的(1.24±0.33)[38]。姥鲛烷(Pr)和植烷(Ph)的比值(Pr/Ph)在4～5 cm层(约1959—1975年)最高(1.55),在6～7 cm层(约1929—1943年)最低(0.87)(表1),呈表层略高、底层略低的趋势。Pr/Ph平均值为(1.14±0.22), 与阿德利岛的(1.00±0.18)[23]以及燕鸥湖和基太湖[25]的相当, 高于普里兹湾的(0.51±0.17)[38]。

图2 XH1柱样正构烷烃气相色谱图(a)、脂肪酸气相色谱图(b)、甾醇三甲基硅醚总离子流图(c).(c)中峰号: 1.胆甾-5-烯醇 (胆甾醇); 2.5α-胆甾烷醇; 3.24-甲基胆甾-5,22-二烯醇; 4.24-甲基-5α-胆甾-22-烯醇; 5.24-甲基胆甾-5-烯醇; 6.24-甲基-5α-胆甾烷醇; 7.24-乙基胆甾-5,22-二烯醇; 8.24-乙基胆甾-22-烯醇; 9.24-乙基胆甾-5-烯醇;10.24-乙基-5α-胆甾烷醇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 脂肪酸及其分子组合特征

XH1柱样中脂肪酸的碳数分布范围为C12:0～C32:0, 呈双峰群分布, 前锋以 C16:0为主峰碳,后峰以C24:0为主峰碳(图2b, 表1), 碳数与前述正构烷烃以nC23为主峰相吻合。该结果与阿德利岛[22-23]、燕鸥湖和基太湖[25]的研究结果相一致,亦与普里兹湾的[38]相近。表征脂肪酸偶碳数与奇碳数分子相对含量的 CPIA(=1/2[∑(C16～C30)/∑(C15～C29)+∑(C16～C30)/∑(C17～C31)])在0～0.5 cm层(采样时的2006年)最高(6.13), 在4～5 cm层(约1959—1975年)最低(4.10)(表1)。与CPI类似, CPIA亦呈表层高、底层低的趋势, 具有显著的偶奇优势。CPIA平均值为(5.16±0.71), 与阿德利岛的(4.59±1.16)[23]和普里兹湾的(4.58)[38]相当。柱样中不饱和直链脂肪酸以高含量的C16:1、C18:1和C18:2为特征, 其C18:2/C18:0比值在3～4 cm层(约1976—1990年)最高(0.30), 在4～5 cm层(约1959—1975年)最低(0.17)(表1), 平均值为(0.23±0.04), 低于普里兹湾的(0.67±0.27)[38], 与阿德利岛的(0.34±0.10)[23]以及燕鸥湖和基太湖的(0.16±0.10)[25]相差不大。

表1 XH1柱正构烷烃分子及脂肪酸分子组合特征Table 1.Molecular assemblage characteristics of n-alkanes and ratio of isoprenoids in core XH1

2.4 甾醇类

XH1柱样中的甾醇类包括众多构型的C27～C29脱甲基系列甾二烯醇、甾烯醇和甾烷醇(见表2和图2c)。各甾醇的相对含量分别为: 11.96%±3.36%的胆甾-5-烯醇(胆甾醇)(1, 图2c和表2, 以粗体数字表示甾醇, 下同)、(4.92%±1.96%)的5α-胆甾烷醇(2)、(4.07%±1.61%)的24-甲基胆甾-5,22-二烯醇(3)、(8.54%±1.93%)的24-甲基-5α-胆甾-22-烯醇(4)、(11.19%±3.54%)的24-甲基胆甾-5-烯醇(5)、(12.30%±5.13%)的24-甲基-5α-胆甾烷醇(6)、(9.77%±2.26%)的24-乙基胆甾-5,22-二烯醇(7)、(9.28%±2.41%)的 24-乙基胆甾-22-烯醇(8)、(22.29%±4.36%)的24-乙基胆甾-5-烯醇(9)以及(5.70%±3.23%)的24-乙基-5α-胆甾烷醇(10)。柱样中5αC27/(5αC27+C27Δ5)和5αC29/(5αC29+C29Δ5)比值分别平均为(0.30±0.11)和(0.20±0.12), 均呈现表层略低、底层略高的趋势, 与张干等[25]的结果(0.07～0.42和0.03～0.52)相一致。内源输入指标ACI(=(C27Δ5+C27Δ0+C28Δ5,22)/甾醇总量)在 1～2 cm层(采样时的2006年)最低(0.15), 在2～3 cm层(约1991—2005年)最高(0.25)。ACI的平均值为(0.21±0.04), 与张干等[25]的结果(0.20±0.06)相一致。外源输入指标TCI[=(C29Δ5+C28Δ0)/甾醇总量]在0～0.5 cm层(采样时的2006年)和3～4 cm层(约1976—1990年)最低(0.28), 在4～5 cm层(约1959—1975年)最高(0.41), TCI的平均值为(0.34±0.05), 亦与张干等[25]的结果(0.35±0.08)相一致。

表2 XH1柱样甾醇相对含量(%)Table 2.Relative content (%) of sterols in core XH1

3 讨论

3.1 湖泊沉积有机质的来源及其早期成岩

正构烷烃广泛存在于细菌、藻类、大型水生植物以及高等植物中, 不同物源的正构烷烃的组成特征不相同。一般地, 以nC17、nC29、nC31为主峰, 具有明显偶奇优势(CPI＞5)的长链正构烷烃(nC25～nC31)主要来源于陆生高等植物; 以nC15(或nC17、nC19、nC21)为主峰, 不具有明显偶奇优势的短链正构烷烃(nC14～nC20)主要来源于浮游、底栖藻类和细菌; 水生浮游或沉水维管束植物的正构烷烃以nC21和nC23或nC25为主峰[39]。XH1柱样中正构烷烃的碳数分布特征(nC23为主峰碳,nC27次之)与研究区域陆地植被密切相关。柱样中脂肪酸的后主峰(C24:0)与正构烷烃的主峰(nC23)相一致, 表明样品中脂肪酸与正构烷烃有着相同的来源, 高碳数正构烷烃主要是从对应的正脂肪酸脱羧反应失去CO2后生成的[42]。西湖与同一区域的阿德利岛、燕鸥湖和基太湖都具有这样的特点[22-23,25], 这与南极半岛属于亚南极地区,气候寒冷, 具有冻原生境的特点息息相关。这里植物种类单调、群落结构简单, 几乎全是由地衣、苔藓、共生藻类和少量大型真菌[36]组成(nC23为主峰碳), 仅有南极发草一种显花植物(nC27为主峰碳)。以前研究发现, 青藏高原冻土带湖沼沉积物中正构烷烃的主峰碳亦是nC23[43], 表明苔藓、地衣类是该类型区域有机质的主要贡献者。另外,较低的∑C21-/∑C22+比值(0.40～0.77)亦指示南极半岛区域微生物和菌藻类相对贡献小于陆地低等植物[23]。

XH1柱样甾醇中有相对较多的陆源有机质标志物——C29甾醇[44-45], 如(22.29%±4.36%)的9和(9.77%± 2.26%)的7, 这表明研究区域有显著的陆地植物输入, 主要是地衣和苔藓, 与正构烷烃和脂肪酸主峰碳的指示一致。同时, C28甾醇(如5和3)和C27甾醇(如1)的相对含量不容忽视, 分别为(11.19%±3.54%)、(4.07%±1.61%)和(11.96%±3.36%), 表明湖泊沉积有机质亦有明显的底栖植物(底栖藻类和藓类)和浮游藻类(硅藻、蓝藻和绿藻)以及浮游动物(原生动物、轮虫和桡足类)和底栖动物(原生动物、轮虫、桡足类、线虫、熊虫、寡毛类和双翅目蠓类的幼虫等)[46]。此外, 部分样品检出4-甲基-谷甾烯醇, 可能是鸟群粪便[45]直接排入或经由融水径流流入。XH1柱样中甾醇组成的整体信息可以反映沉积有机质的来源和生物组合差异, 后者与沉积时的生态环境关系密切。

正构烷烃的CPI和脂肪酸的CPIA均较高(CPI＞5.04, CPIA＞4.10), 且具有相似的变化趋势(r=0.77, p＜0.05, n=8), 这不仅表明有机质以陆生植物输入为主, 同时也意味着早期成岩作用影响较小[39]。甾醇亦可以指示自成岩作用: 在还原环境下, 甾烯醇在化学或生物化学作用下可以转化为甾烷醇, 随沉积物埋葬深度增加, 甾烷醇/甾烯醇比值会增高。XH1柱样中5αC27/(5αC27+C27Δ5)和 5αC29/(5αC29+C29Δ5)比值均比较低(分别为0.12～0.44和0.06～0.38), 暗示在南极低温环境下,沉积有机质经历的早期成岩转化作用比较微弱,这与该区域其他湖泊的结果[25]相一致。值得注意的是, 甾醇的这两个指标有随深度的增加而增加的趋势, 意味着在过去的一百多年, 尽管整体上早期成岩作用比较微弱, 但随着时间的推移, 早期成岩对有机质的改造作用逐渐凸显。CPI与TCI呈现显著的负相关关系(r=-0.80, p＜0.05, n=8), 暗示着外源输入的有机质可能经较为显著的早期成岩作用改造后输入到西湖。与甾醇类似, 叶绿素在埋藏后其侧链植醇亦会被改造: 在较强还原环境下, 植醇加氢形成二氢化植醇, 脱羟基加氢形成Ph; 在弱氧化条件下, 植醇氧化形成植烷酸,脱羧基生成Pr。因此沉积有机质中Pr与Ph的相对含量可指示原始有机质成岩转化环境, 比值高(＞1)反映了偏氧化的沉积环境, 而低比值(＜1)则表现为还原环境[47]。本研究的 Pr/Ph比值(0.87～1.55)指示西湖呈现弱氧化的沉积环境, 与该区域其他湖泊[25]相似。

3.2 生物群落结构演替与气候环境变化的关系

多元厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)指数(MEI和MEI.ext)[48]和南半球环状模(SAM)指数[49]显示,过去的100多年发生过多次具有全球影响的ENSO事件和显著影响南半球的大气环流事件(图4j、k)。ENSO和SAM对南极半岛区域的温度和生态系统有着显著影响[49-50]。相应地, 生物会改变自身细胞中类脂的组成, 从而调节膜的流动性和相应结构来适应外部环境温度的变化, 例如,在较低温度下藻类倾向于合成较多的不饱和脂肪酸[51-52]。本研究XH1柱样中不饱和脂肪酸的指标C18:2/C18:0比值(0.17～0.30)与南极半岛区域其他湖泊的[23,25]相差不大, 显著高于中低纬度, 如南京固城湖的(多＜0.1)[53], 但却低于更高纬度, 如南极普里兹湾的(0.67±0.27)[38]。这与南极半岛区域的环境温度低于固城湖而高于普里兹湾的情况相一致。不过, 本研究的结果亦显示, 过去的100年, C18:2/C18:0比值与对应年份的MEI或SAM指标平均值之间没有显著的相关性(p＞0.1), 这可能是由于沉积速率较低(0.66 mm·a-1), 使得沉积记录的分辨率不高和/或样品数量较少(n=6或4)(图4j、k)导致的。虽然如此, 在MEI和SAM指标的极大值(沉积物2～3 cm层, 对应约1991—2005年)和极小值(沉积物4～5 cm层, 对应约1960—1975年)时, C18:2/C18:0比值分别为0.26和0.17。这表明,在产生较多不饱和脂肪酸的1991—2005年, 有着正的MEI(15年的平均值为0.453, 其中1997年最高, 为1.578, 意味着有更多或更强的厄尔尼诺事件——暖)和SAM(15年的平均值为0.30, 其中1998年最高, 为1.60, 意味着西风南移变强——冷); 在产生较少不饱和脂肪酸的1960—1975年,有着负的MEI(16年的平均值为-0.347, 其中1971年最低, 为-1.418, 意味着有更多或更强的拉尼娜事件——冷)和SAM(16年的平均值为-0.36, 其中1964年最低, 为-1.52, 意味着西风北移变弱——暖)。这意味着在年代际时间尺度上,SAM比ENSO对南极半岛湖泊生态系统可能更具影响力, 但SAM与ENSO在年代际时间尺度上的相互关系及其对南极半岛生态系统的具体影响机制有待深入研究。

同时, ENSO和SAM等外部环境因素的变化还可能影响南极半岛生态系统的种群结构。我们的研究结果显示, XH1柱样中反映沉积内源输入和外源输入的甾醇指标ACI和TCI在沉积剖面上呈现出明显的反消长关系(r=-0.80, p＜0.05,n=8)(图4b、c)。同时, ACI与SAM正相关(r=0.82,n=4), 而TCI与SAM则无关联(r=-0.14)(图4b、c、j)。这表明, 在西南极湖泊生态系统中, 与生长周期长的陆生苔藓地衣相比较, 生长周期短的水生动植物对大尺度的气候事件更为敏感[46]。在SAM指标的极大值和极小值时, ACI值分别为0.25(最大)和0.16(最小)(图4b、j和表2)。这可能意味着西风变弱、南极半岛变暖时, 适应在低温环境中生存的水生动植物受到了一定程度的抑制, C27甾醇的生成相应减少, 而TCI则最大(0.41, 表2),说明该时段苔藓地衣的贡献相对增大。该区域更长时间尺度的研究亦具有类似发现[25]。另外,指示早期成岩或氧化还原的类脂指标与SAM均没有显著相关性(p＞0.1)(图4d-h、j), 这一方面与样品数量较少有关(n=4), 另一方面也可能暗示着, 与有机质的来源相比, 西湖的沉积环境更为稳定, 不易受气候事件的影响。需要采集更高分辨率的沉积样品, 以进一步研究沉积记录与大尺度气候、环境事件的更为细节的相互关系信息。

图4 正构烷烃、脂肪酸和甾醇各项分子组合特征指数及其与近百年来MEI和SAM指数的关系.MEI数据来自:https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/multivariate-enso-index; SAM 数据来自: https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/marshall-southern-annular-mode-sam-index-station-based.MEI和SAM的原始数据用灰色折线表示,按照XH1柱样各子样对应的年代对MEI和SAM求得的该时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 结论

正构烷烃的主峰碳(nC23)、脂肪酸的后主峰碳(C24:0)、较高的C29甾醇含量和较低的∑C21-/∑C22+比值均表明, 苔藓地衣等低等陆生植物是西南极乔治王岛西湖沉积物中有机质的主要来源, 而水生动植物及微生物的贡献相对较少。整体而言,过去的100多年, 西湖呈弱氧化的沉积环境, 早期成岩作用较弱。

脂肪酸C18:2/C18:0比值显示, 在年代际时间尺度上, SAM可能比ENSO对南极半岛生态系统更具影响力, 且对湖泊水生动植物的影响甚于陆生植物。内源输入的甾醇指标ACI显示, 西风变弱、南极半岛变暖时, 沉积有机质中水生动植物贡献的C27甾醇减少。气候事件对湖泊沉积环境影响不大。

致谢感谢中国极地研究中心曹叔楠博士鉴定地衣种类。感谢中国第23次南极科学考察(CHINARE-23)队员在采样过程中给予的帮助。