【doc】云南星云湖沉积物正构烷烃记录的近代环境变化

【doc】云南星云湖沉积物正构烷烃记录的近代环境变化 云南星云湖沉积物正构烷烃记录的近代环 境变化 第28卷第4期 2008年7月 第四纪研究 QUATERNARYSCIENCES Vo1.28,No.4 July,2008 文章编号1001—7410(2008)04—746—08 云南星云湖沉积物正构烷烃记录的近代环境变化 张宏亮??李世杰?冯庆来?张世涛? (?中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室,南京210008;?中国科学院研究生院,北京100049; ?中国地质大学地球科学学院,武汉430074;?昆明理工大学,昆明650093) 摘要为探讨气候变化与人类活动对湖泊环境影响在湖泊沉积中的记录,在云南星云湖水深8.2m处采集1支 85em长的柱状沉积岩芯,利用气相色谱一质谱联用仪(GC—MS)对沉积岩芯中的类脂物分子进行分析,揭示了近 160年以来星云湖地区环境演变过程.分析结果表明沉积岩芯中的正构烷烃碳数分布C15一C35呈有规律变化: 85—60em深度表现为低碳数相对优势,60—32em逐步变为以高碳数为优势,32—10em高碳数较前阶段降低,l0— 0em深度低碳数显现明显优势.同时,平均碳链长度(ACL),高碳数同系物与低碳数同系物比值(H/L)以及 C27/C31等结果还揭示出:近160年来湖泊沉积中有机物输入经历了内源低碳(1920s前),外源高碳(1920s一 1980s初)和内源低碳(1980s初,2004年)为优势的演变过程;在人类活动干扰较小 状况下,H/L变化与气候的冷 暖变化具有显着的对应关系,即H/L低值段明显对应于气候的相对寒冷期,H/L高 值段明显对应于气候的温暖期. 在1990年代以后,尽管气候持续变暖,但由于人类活动影响加剧,湖泊富营养化快 速发展,H/L值却随之急剧降 低,反映出沉积岩芯中的类脂物可敏感记录人类活动对湖泊环境变化的影响. 主题词星云湖湖泊沉积类脂物分子正构烷烃近代环境变化 中图分类号P94,x142文献标识码A 1引言 应用生物标志化合物恢复古气候,古环境和古 人类活动的探索已成为分子地层学研究的重要内 容,其中类脂物分子是研究最多的生物标志化 合物.当前,利用类脂物分子化石来重建古气 候,古环境成为第四纪研究的热点之一,且已在泥 炭'..'.,黄土,红土,石笋,海 洋?,洞穴滴水.'等多种载体中得到有效利用. 作为第四纪环境研究的重要信息载体,湖泊沉积物 中类脂物分子化石研究中也得到很好发 展'.从前人的研究来看,类脂物分子在探 讨较长时间尺度的古气候古环境变化方面研究较 多,而在较高分辨率的近现代气候与环境变化在湖 泊沉积中的记录研究较少. 星云湖是滇中湖群重要湖泊之一,为半封闭型 高原湖泊,汇水面积小,其沉积物可以集中体现流域 环境的变化.近年来,针对星云湖的形成,沉积物的 矿物组成,元素分析,富营养化,资源开发与利用及 环境保护方面进行了研究".在类脂物分子研 究方面尚未见报道.本次研究尝试以类脂物分子为 载体,以较高分辨率探讨星云湖地区近160年的气 候环境的变化,揭示其近现代气候与人类活动对湖 泊环境变化的影响在湖泊沉积物中的记录. 2材料与方法 2.1研究区域概况 星云湖位于云南中部,北距昆明约80km,向西距 玉溪20km(图1),属于珠江流域南盘江水系的源头 湖泊,也是滇中湖群重要湖泊之一,为半封闭高原断 陷型浅水湖,汇水面积小,其沉积物可以集中体现流 域环境的变化,湖面高程1722m,水域面积34.7kin, 平均水深7m,水容量1.833×10m.湖水经隔河流 入抚仙湖,多年平均泄水量约为2400×10m.主要 入湖河流有东西大河,螺蛳铺河等14条季节性河流. 湖泊积水主要靠降雨补给,湖水循环更新较为缓慢. 研究区属中亚热带季风气候,流域四季寒暑不分明, 第一作者简介:张宏亮男37岁博士研究生自然地理学专业E-mail:phytolith@163,tom +国家自然科学基金重点项目(批准号:40232025)和国家科技部重大基础研究前期研究专项项目(批准号:2004ccA02900)联合资助 2008—04—30收稿,2008—05—16收修改稿 通讯作者:李世杰E-mail:s~li@niglas.as.sit 4期张宏亮等:云南星云湖沉积物正构烷烃记录的近代环境变化747 图l研究区域及采样位置图 Fig.1Locationmapshowingstudyareaanddrillingsites 年平均气温13.4,16.5~C;多年平均降雨量 879.1mm,年均蒸发量是降雨量的1.14倍;干湿季分 界明显,夏秋受印度洋西南暖湿气流和北部湾东南暖 湿气流控制而多雨;冬春受印度大陆北部干暖气流 和北方南下的干冷气流控制而干旱. 2.2样品采集和年代 2004年7月于云南江川县星云湖湖管站东约 lO00m处(24.21270"N,102.46128"E)(见图1)采 集沉积岩芯,采样点水深8.2m,透明度38cm.采样 用美国产活塞式水下取芯器垂直湖面取样,所得沉 积岩芯(XY1)长约85cm,水土界面清晰,较好保证 了采样质量.现场以2cm为间距连续分割采样共 42个,然后分别置于广口瓶中,运回冷冻封存. 沉积岩芯自上而下可分为3层,简述如下: 第1层:0,1Ocm为深灰一灰黑色腐殖淤泥层,表层是 1,2cm厚的未腐烂的生物残体堆积层,腥臭异常. 第2层:10,28cm为深灰一灰黑色富有机质的淤泥层, 偶见夹有粘土层和粉砂层. 第3层:28,85cm为灰黄色灰褐色粘土层,有机质含量 少,颜色变浅,底栖生物稀疏,在30,34cm和54,56cm处 见螺壳. XY1岩芯年代模式的建立,基于张世涛 (2001)研究星云湖沉积速率时所选岩芯的连续 0Pb同位素年代学测试(在中国科学院南京地理与 湖泊研究所测试完成)资料.计算表明,星云湖20 世纪90年代的沉积速率高达1cm/a;70年代末至 90年代初沉积速率为0.566cm/a;70年代沉积速 率为0.84cm/a;20年代至60年代的沉积速率为 0.67cm/a.20年代以前的沉积速率0.33cm/a.上 述沉积速率与1989年宋学良等在湖心所采泥芯的 "0Pb测试结果(明尼苏达大学湖泊研究中心测 定)?基本一致.依据以上沉积速率对XY1钻孔 沉积年代进行了推算,整个岩芯为1846年以来的沉 积,揭示了160年以来的沉积历史. 2.3类脂物分子的抽提与分离 本研究实验在中国地质大学矿产资源与地质过 程国家重点实验室完成.采用超声抽提法进行抽提 与分离,具体步骤如下: 将保存样品用冷冻法干燥,粉碎至80,100目. 每粉碎一个样品,均仔细地清洗研钵,确保不混样. 对实验中所用的玻璃器皿用蒸馏水溶液洗涤,置于 恒温箱中120?烘干2小时,然后转入马弗炉中 500~C烘干4小时备用.同时对实验中所需的棉花, 滤纸,手套等用三氯甲烷抽提52小时以上备用.称 取已粉碎样品5g,装入锥形瓶中,注入lOml纯化过 的三氯甲烷,锡箔封口后置于超声抽提器中抽提20 分钟,将抽提液经过滤漏斗转入鸡心瓶中,重复进行 3次.在旋转蒸发器上进行减压浓缩至5,lOml.转 移到已衡重细胞瓶中,置水浴锅上恒温蒸干,放人干 燥器中干燥衡重,得到氯仿沥青"A"的质量.将氯 仿沥青"A"用正己烷溶解,溶液中的可溶有机质采 1)张世涛近现代星云湖的沉积作用与环境变化研究.武汉:中国地质大学博士学位 论文.2001 748第四纪研究2008焦 用硅胶色层柱进行组分分离,分别用正己烷,苯或无 水甲醇作为冲洗剂,得到饱和烃,芳烃和非烃.分别 置于已衡重的细胞瓶中,蒸干,衡重. 用GC—MS仪对饱和烃进行测试分析.气相色 谱质谱分析采用HP6890型气相色谱--HP5973型 质谱一计算机联用仪.色谱条件:HP一5MS石英 毛细管柱(30m×0.25mm×0.25m).升温程序: 以3oC/分钟的速率从70?升温至280~C.最终恒 温20分钟,进样口温度为300oC,进样量1ILL,以氦 气为载气.质谱条件:电子轰击源,电离能量 70eV,电流200~A,GC与MS接口温度为280?. 3结果 3.1正构烷烃的碳数分布特征 利用GC/MS从星云湖沉积物样品中 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 出丰 lIXY1—3} .III1.I.I.I.I.1.I.. lIIIlI..I.. CI5CI9C23C27C3IC35 Cl7C2IC25C29C33 I1.II..I 富的类脂物种类,包括C15,C35正构烷烃,C12, C24一元正脂肪酸,C12,C30一元正脂肪醇等.本 文主要讨论正构烷烃的分布特征. 本次研究中正构烷烃的碳数分布范围为C15, C35,大部分呈典型的双峰分布形式,其中低碳数部 分(C15,C21)以C17为主峰,高碳数部分(C22, C35)以C29为主峰,有的样品(如样品号XY1—17和 XY1—19等)还有次主峰C31,且高碳数部分呈明显 的奇偶优势(图2).碳优势指数(carbonpreference index,简称CPI)为0.55,3.35,其中高碳数正构烷 烃的碳优势指数(CPI)值变化于1.3,6.3之间, 低碳数正构烷烃碳优势指数(CPI.)变化范围是 0.3,1.6.平均碳链长度(AverageChainLength,简 称ACL)介于19.2到25.7之间,其中高碳数烷烃平 均链长(ACL)为26.19,28.76,低碳数烷烃平均链 长(ACL.)为17.21,19.62.高碳数与低碳数烷烃, 山klIJ.III-IIlIlIJ L山JlL山. 图2星云湖全部样品中的正构烷烃分布 Fig.2Distributionofn—alkanesinallsamples ..1 贬 lIIII山.Ll5 cl7 CI9 c2l C23 c25c7c2Ic3 4期张宏亮等:云南星云湖沉积物正构烷烃记录的近代环境变化749 或长链与短链正构烷烃的比值H/L(C22+/C21一) 的范围是0.16,3.18.C27/C31值为0.43,1.63. 星云湖正构烷烃的分布模式符合一般湖泊沉积 物分布模式,反映了沉积物中有机质来源的多元 (源)性,即一部分来源于高等植物残体,一部分为 水生的藻类或低等微生物.但其ACL与一般湖泊 沉积物正构烷烃的ACL(26,28)相比,处于相 对较低的水平,显示出明显的地域特色. 3.2正构烷烃在垂向上的变化特征 在垂向分布上表现出明显的阶段性变化特征 (见图2):底部(85,60cm)以低碳数正构烷烃系 列为主,中部(60,15cm)则呈典型双峰分布模式, 高,低碳数系列含量均较高,上部(15,0cm)又呈现 以低碳数同系物为主的状况. 4讨论 正构烷烃广泛分布于植物和其他生物体中,不 同生物源的正构烷烃具有不同的分布类型,碳数范 围及主峰碳数.源于光合细菌等微生物,海洋或湖 沼水生藻类的正构烷烃碳链较短(nC13,nC21),常 以C17为主峰,缺少高碳数(>nC25)的正构烷烃, 无明显的奇偶优势….水生浮游或沉水维管 束植物的正构烷烃以C21和C23,或C25为主 峰.陆生高等植物的外表皮蜡中含有很高比 例的长链正构烷烃(nC23,nC35),通常以C27和 O lO 2O 3O 4O 鞋 5O 6O 7O 80 沉积年代ACL C29或C31为主峰,具有显着的奇偶优势".某 些水生挺水植物也有陆生高等植物类似的正构烷烃 分布.因此沉积物中保存的正构烷烃的含量,分 布模式,主峰碳等信息可以反映研究区的生态系统 的变化,进而可分析影响生态系统变化的气候和人 类活动相互作用的主导因素. 4.1星云湖沉积物正构烷烃记录与气候变化的关系 利用表征低等生物与高等植物输入量的相对变 化的低碳数系列与高碳数系列的比值R来研究高 等植物与低等植物的相对含量,已在泥炭',红 土?",石笋?引中得到应用并取得良好的结果,也 印证了R可以用来表征古气候的变化.其高值揭 示了高等植物不发育,通常对应于气候的低温时期, 低值反映了高等植物的繁茂,通常对应于气候的较 暖时期,并且在已有的研究中很好的揭示了YD事 件(新仙女木事件)和H事件(哈因里奇事件),甚 至夹于H1和YD之间的B/A暖期?.在中国南 方红土型古土壤中,表征低等微生物与高等植物相 对变化的类脂物分子参数,在冰期一间冰期的气候 旋回尺度上表现为冰期与高值,间冰期与低值的对 应.据此推论,高碳数与低碳数烷烃,或长链与 短链正构烷烃的比值H/L也可表征气候变化,其比 值应与气温变化呈相应的变化趋势. 从星云湖沉积物的分析结果(图3)看出,H/L 温度曲线 l820222426040.8l_2l_6200l234 &盈腐殖淤泥层圜有机质淤泥层(夹粘土层和粉砂层)目粘土层图螺壳 图3正构烷烃主要环境指标与温度的对比及其人类活动事件(阴影标志)记录 (a)云南近百年的地面气温变化特征(b)1880,1996西南气温距平[] Fig.3Indicesofn—alkaneschangewithdepthinthesediments }OOOOOOOOOOOOO瑚 750第四纪研究2008证 整体反映了近代以高等植物为主要输入源的态势, 但也明显看出在剖面垂向上变化的阶段性. 第1阶段(85—60cm):约对应于1840s,1920s 初期,H/L值介于0.16,0.66之间,均值为0.30, 处于整个剖面的最低值区间.该段在时间上对应于 1920年以前的小冰期第3冷期,由于当时气候相 对较冷,高等植物生长受到限制,源于高等植物的有 机物输入比例较低. 第2阶段(60,32cm):约对应1920s初期至 1960s中期,H/L介于0.59,3.18之间,均值为1.71, 整体处于较高状态.该段在时间上和20世纪20,50 年代的温暖期相对应,可能是因为处于气候暖期,高 等植物发育,湿度增加,造成入湖高等植物的有机质 升高,稀释了原来的以内源输入为主的低碳链组分. 但波动幅度较大,指示环境变化较为频繁. 第3阶段(32,20cm):H/L值为0.86,1.54, 均值为1.24,较前一阶段低,指示气候处于较凉阶段, 但比小冰期第3冷期要温和,该段在时间上又恰好和 20世纪60,70年代的冷波动相对应. 第4阶段(20,10cm):H/L值为1.02,2.20 平均值为1.57,陆源高等植物有机质输入比例增 加,气候变暖,该段又和20世纪80年代以来的气候 快速变暖相对应. 第5阶段(10,0cm),H/L值变化于1.17, 0.21之间,均值为0.81,整体呈现出下降趋势,再次 出现高等植物输入比例较低,以湖泊内源的低碳数 和短链正构烷烃的生物输入为主的状况. 将星云湖沉积岩芯中近160年以来H/L值变 化的记录与其他学者利用不同方法所得到的云南中 部地区近百年来的气温曲线相对比,可以看出 有很好的相关性(见图3a和3b).H/L值变化指示 出:1920年前的相对寒冷时期(85,60cm段); 20,50年代的温暖时期(60,32cm段);60,70 年代的相对冷期(32,20cm段),此段的H/L均值 1.24值较前一阶段1.71明显降低,但比第1阶段 0.30要相对高一些,亦即此冷期较第1个冷期要温 暖一些;80年代的温暖时期(20,10cm段).但在 90年代后,湖泊沉积中的H/L值急剧降低,与该地 区的气温实际变化有较大的差异.这是由于人类活 动的强烈干扰造成湖泊富营养化而使藻类大量繁殖 造成的结果,反映出人类强烈活动与自然气候变化 相叠加的复杂情况,也造成了湖泊沉积物中气候代 用指标指示意义在特殊情况下的失真现象. 4.2星云湖沉积物正构烷烃记录与人类活动影响 的关系 正构烷烃较其他类型有机质的微生物降解作用 弱,能够记录有机质来源信息.一般来说,人类 活动的强弱会影响流域的植被状况,随着输入湖中 的陆源有机物质的变化,即输入湖中的草本植物与 木本植物相互取代时,高碳数正构烷烃的主峰会出 现C31与C27的规律性取代,C27主峰代表了木本 植物为主的陆源有机物输入,而C31主峰代表了草 本植物为主的陆源有机物输入,正构烷烃C27/C31 随时间的变化反映了木本植物和草本植物的相对变 化的关系阳引.平均碳链长度(ACL)也主要与 植被类型的变化有关.通过对这些指标的综合分 析,可以发现星云湖流域人类活动对自然环境演化 过程的干扰在湖泊沉积记录中的明显痕迹(见图3 中阴影标志所示). 在剖面约60,56cm深度,对应1920s初期, ACL与H/L均出现的显着增高,显示出湖泊沉积物 中有机质的输入以陆生植物群落的显着增加的特 征.据江川县志史料记载,1923年开始疏通星云与 抚仙两湖之间的隔河,致使星云湖水位下降了 2.5m,江川县涸出农田146.66hm.这种突发性人 为事件使许多湖底出露,另外,农田开垦导致风化加 剧,也会引起沉积物中陆源物质输入增多,进而影响 沉积物有机质组分,在气候变暖的自然背景下对 ACL和H/L的增高起了放大作用.粒度分析结果 对此事件也有明显记录.另外,从大约36cm深 度,ACL和H/L均出现较大幅度波动,C27/C31小 幅增加后,随即呈现降低趋势,显示草本植物比例上 升,可能与50年代后期的大跃进和大规模的"农田 改造"使森林植被遭到巨大破坏有关,同时期水稻 种植面积扩大,也增加了草本植物源输入比重. 在剖面深度20cm处即约80年代初期,图3中 的各种指标也出现一个较大变化,可能反映了改革 开放初期包产联产到户后农民生产粮食积极性提 高,对流域森林植被的砍伐过程使输入湖泊的陆生 有机质急剧增加有关,其正构烷烃表现为高等植物 有机质输入的优势性,体现外源输入的影响以及人 类干扰背景下的波动. 从距剖面顶部8cm处开始,ACL和H/L均呈显 着下降,C27/C31则开始增加,同该地实际气候相比 出现较大偏差.指示出流域内1990年代后期以来 大规模的工业污染和城镇发展带来的生活污水使星 云湖陷入了湖泊富营养化迅速发展的过程,湖水水 4期张宏亮等:云南星云湖沉积物正构烷烃记录的近代环境变化75l 质下降,从?类快速退化为?类(玉溪市环境保护 局,1998年)",藻类繁盛,加大了低碳链组分的相 对含量;同时大量水利设施和灌溉 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 的建成,几 乎拦截了所有上游来水,也使得外源有机物输入相 应减少,导致H/L值急剧下降.C27/C31值的增大 可能与流域内的森林覆盖面积增大使得输入到湖泊 中的木本植物有机质含量升高有关,据统计,近年来 星云湖径流区的森林植被得到有效保护,覆盖率比 1985年上升了16.6个百分点,达到了27.7%. 湖泊沉积物的环境记录受到自然变化和人类活 动的干扰,是两者相互作用的结果.由于人类活动 对自然环境变化产生抵消或放大效应,增加了各种 指标环境变化判识的难度.因此更显示出通过新技 术,新方法来探讨更有效地指示自然气候变化和人 为活动在环境记录中的指标的重要性. 5结论 (1)在人类活动干扰较小状况下,高碳数同系 物与低碳数同系物比值H/L变化与气候的冷暖变 化具有显着的对应关系,明显揭示出了相对寒冷 (1920年以前),温暖(30,50年代),较冷(60,70 年代),温暖(80年代以后)的气候变化阶段. (2)平均碳链长度ACL,高碳数同系物与低碳 数同系物比值H/L以及C27/C31等分析结果表明, 湖泊有机物输入的内,外源以及有机物组成的变化, 经历了内源低碳(1920s以前)一外源高碳(1920s, 1980s初期)一内源低碳(1980s初,2004年)为优 势的演变过程. (3)综合分析显示,星云湖沉积物各种指标明 显记录了流域内人类活动的影响,尤其在90年代后 期以来,人类活动影响加剧,湖泊富营养化快速发 展,ACL和H/L也随之急剧降低.反映出类脂物对 湖泊环境变化记录的灵敏性以及人类活动的干扰产 生叠加放大效应.因此从多种代用指标交合中提炼 判识自然与人为因素对环境的影响,是现代沉积物 研究中必须注意的问题. 致谢感谢云南地质科学研究所宋学良,张子 雄教授,昆明理工大学叶许春,李春卉等同学在野外 工作中给予的极大帮助以及中国地质大学国家地质 过程与矿产资源重点实验室谢树成教授,黄咸雨博 士在实验中给予的热情指导. 参考文献(References) 1傅家谟,盛国英.分子有机地球化学与古气候,古环境研究.第 四纪研究,1992,(4):306,320 FuJiamo,ShengGuoying.Molecularorganicgeochemistryandits applicationtothestudyofpaleoelimateandpaleoenvironments. 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