馬小榮 聶亞光 劉曉東 孫立廣

0 引言

南極無冰區(qū)是伴隨著氣候變暖、冰川的后退而出現(xiàn)的，其間發(fā)育的沉積層有可能完整地記錄了全新世以來的冰川進退和環(huán)境演變過程［1-2］。拜爾斯半島位于利文斯頓島（南設(shè)得蘭群島）最西部，是南設(shè)得蘭群島中最大的無冰區(qū)。近些年來，國內(nèi)外許多學(xué)者在利文斯頓島開展了大量的調(diào)查研究工作。如鄭祥身等［3-4］對利文斯頓島的火山巖源區(qū)特征、成因過程、地質(zhì)特征、火山作用特點以及中生代火山巖的地球化學(xué)特征等進行了詳細(xì)的研究。Bj?rck等［5］通過對采自拜爾斯半島的一根長1.5 m的湖泊沉積柱的分析，重建了該地區(qū)的古氣候演變和冰川進退歷史，指出大約4 000多年前冰川冰蓋從該島退出，3 200—2 700 a BP期間氣候相對溫暖濕潤，而在1 500—500 a BP左右拜爾斯半島經(jīng)歷了一次較為干冷的氣候。Toro和Navas等［6-7］分別對拜爾斯半島的湖泊水系和海岸階地的土壤性質(zhì)及其元素組成進行了分析。另外還有學(xué)者［8］通過對拜爾斯半島的古生物研究來探討地史時期的環(huán)境狀況。在最近的國際極地年（2007／2008）期間，該地區(qū)又成為研究熱點，眾多學(xué)者對該地土壤、地貌、微生物、有機污染物分布等開展了詳細(xì)的調(diào)查研究。如Moura等［9］對拜爾斯島北部地區(qū)的土壤分布進行了詳細(xì)的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的土壤層發(fā)育相對較淺，有機質(zhì)含量很少，并繪制了土壤分布圖。Villaescusa等［10］分別對拜爾斯島土壤樣品中線蟲類微生物的數(shù)量和分布狀況進行了研究，并探討了影響此類微生物生存的環(huán)境因素。Cabrerizo等［11］對拜爾斯半島地區(qū)的持久性有機物的含量和分布進行了研究，并指出長距離的大氣傳輸是這些污染物質(zhì)進入南極地區(qū)的主要途徑。盡管不同學(xué)者利用不同的方法對該地區(qū)的土壤［9］、現(xiàn)代湖泊［6］、生態(tài)特征等［12］多個方面進行了調(diào)查和研究，但是對于企鵝、海豹等動物聚居區(qū)的生物排泄物堆積層和含糞沉積層這一特殊載體的地球化學(xué)特征方面的研究尚未見報道。

孫立廣等［13-14］研究顯示：南極海鳥糞土沉積物是海鳥通過生物地球化學(xué)過程將海洋生物元素轉(zhuǎn)移到陸地的最終產(chǎn)物，包含了豐富的生態(tài)環(huán)境信息，是研究極地生態(tài)地質(zhì)學(xué)的理想載體。通過對南極無冰區(qū)企鵝、海豹等海鳥、海獸的生活習(xí)性的地理分布的調(diào)查，并對含生物糞的集水區(qū)沉積剖面進行元素、同位素和有機地球化學(xué)分析，可以識別出糞土層標(biāo)型元素組合，進而恢復(fù)歷史時期海鳥海獸的相對數(shù)量變化。由于區(qū)域地球化學(xué)背景、生物種類和種群密度存在差異，生物標(biāo)型元素在不同的地區(qū)可能會有所差異。此外，來自穩(wěn)定同位素的研究也顯示受生物材料影響的沉積物富集15N，因而δ15N常被作為沉積物是否受到鳥糞影響的可靠代用指標(biāo)［15］。

在2007／2008國際極地年期間，利用西班牙南極項目組在2009年組織的拜爾斯半島國際野外科學(xué)考察機會，筆者對該地區(qū)企鵝聚居地和海豹活動地進行了較為詳細(xì)的生態(tài)地質(zhì)學(xué)考察和采樣。本文擬對一個可能受到企鵝糞影響的沉積剖面開展元素和同位素地球化學(xué)研究。通過沉積樣品中主要造巖元素、總碳（TC）、總氮（TN）、硫（S）、總氫（TH）、總有機碳（TOC）和微量元素以及C、N同位素的分析，證明該沉積剖面確實受到了企鵝糞輸入的影響，進而根據(jù)元素地球化學(xué)的統(tǒng)計分析識別出該地區(qū)企鵝糞的標(biāo)型元素組合，并和南極其他地區(qū)的研究結(jié)果進行了對比。

1 研究區(qū)域環(huán)境概況

利文斯頓島（Livingstone Island）是南設(shè)得蘭群島（South Shetland Island）中的第二大島。拜爾斯半島（Byers Peninsula，62°34′35″S—62°40′35″S，60°54′14″W—61°13′07″W，60.6 km2）位于利文斯頓島的西部，是中生代火山巖出露面積最大的地區(qū)。這些火山巖是南設(shè)得蘭群島火山作用最早期的產(chǎn)物，拜爾斯半島中生代火山巖是晚侏羅紀(jì)至晚白堊紀(jì)三期火山活動的結(jié)果，它們基本屬于鈣堿性巖系［4］。拜爾斯半島東西長9 km，西北到東南長18.2 km，是南設(shè)得蘭群島上無冰區(qū)出露面積最大的島嶼。該地區(qū)階地平臺分布較多，多受到海洋、冰川和冰緣侵蝕作用的影響。拜爾斯半島的海岸線長71 km，具有海岸階地的地貌，這些階地由一系列3—54 m高的上升海灘組成，有些平臺寬逾1 km。對最高的海岸階地沉積的14C定年結(jié)果揭示，在9 700 a BP時拜爾斯半島大部分區(qū)域成為無冰區(qū)，最低的海岸階地沉積年齡為300 a BP［16-17］。拜爾斯半島發(fā)育著豐富的湖泊水系，有超過60個湖泊存在，大部分為淡水湖，地表水電導(dǎo)率和營養(yǎng)成分較低，靠近海岸的一些湖泊由于接受了海洋源的物質(zhì)輸入和海豹聚居地的影響，營養(yǎng)成分相對富集；湖泊營養(yǎng)的差異和季節(jié)性的無冰區(qū)暴露使拜爾斯半島的湖泊生物多樣性豐富［6］。盡管在島嶼內(nèi)部缺乏大量植被分布，但在島上大約有56種地衣、29種苔蘚、2種顯花植物生長?，F(xiàn)代生活在島上的企鵝主要包括帽帶企鵝（Pygoscelis antarctica）和金圖企鵝（P.papua），1965年估計約有5 300對帽帶企鵝，金圖企鵝只有750對，而在1987年粗略估計約有3 000對帽帶企鵝，近些年生活在該島的帽帶企鵝數(shù)量逐漸減少，而金圖企鵝的數(shù)量則在增加，目前在拜爾斯半島有4 200多個金圖企鵝巢穴和70多個帽帶企鵝巢穴，還有超過2 500頭象海豹（Mirounga leonina）在島上棲息，海灘上有保存完好的鯨魚骨骼［18-19］。

2 樣品的采集與分析

2.1 樣品采集

在拜爾斯半島共發(fā)現(xiàn)有兩處現(xiàn)代企鵝活動的區(qū)域。較大的是金圖企鵝活動區(qū)，大約由3 000多個企鵝巢穴分兩部分組成，一部分在海灘附近（包括約50個帽帶企鵝巢穴），另一部分位于海灘上面高約40—45 m的海岸階地平臺上。另外一處現(xiàn)代企鵝活動區(qū)位于拜爾斯半島的北邊，大約有1 200多個金圖企鵝巢穴和20多個帽帶企鵝巢穴［19］。

在第一處現(xiàn)代企鵝聚居區(qū)的階地平臺西邊發(fā)現(xiàn)一些廢棄的企鵝巢穴（圖1中一系列呈弧形的點），這些巢穴呈現(xiàn)出凸起小山坡狀，朝向海的方向弧形分布，直徑約3—5 m，上面覆蓋著苔蘚和地衣。在這些古巢穴的下方是表層覆蓋苔蘚的低洼地，向西南方向傾斜，從地貌地形來判斷，該高地在歷史時期可能為積水區(qū)。在此平臺西邊靠山峰的地方現(xiàn)場挖掘一個剖面，命名為P1系列，剖面挖掘深度55 cm。采樣點位置如圖1所示。采樣現(xiàn)場按1 cm間隔分樣，共獲得55個樣品，樣品以密實袋封裝。分析前置于實驗室－20℃冰箱冷凍保存。P1剖面表層3 cm為現(xiàn)代苔蘚層覆蓋，3—19 cm為含礫石的黑色沉積層，19 cm以下為細(xì)砂層，其中40 cm以下沉積物含有大量水分。

圖1 利文斯頓島拜爾斯半島采樣點分布Fig.1.Location of Byers Peninsula，Livingston Island and sampling site P1

2.2 分析方法

在進行無機元素分析前，將樣品進行自然風(fēng)干，挑出其中＞2 mm的礫石和植物殘體，之后用瑪瑙研缽將樣品磨細(xì)過200 mesh篩，以保證樣品的均勻性。TOC采用重鉻酸鉀容量法測定，分析相對誤差在5%以內(nèi)；TC、TN、S和 TH采用 Vario EL-Ⅲ元素分析儀測定，分析相對誤差 ＜1%；Fe2O3、MnO、TiO2、CaO、K2O、P2O5、SiO2、Al2O3、Na2O、MgO采用X射線熒光光譜儀測定，測試誤差（相對標(biāo)準(zhǔn)偏差）＜0.5%；Hg、As、Se采用原子熒光光譜法測定（儀器型號 AFS-930，北京吉天），測試誤差 ＜5%；Co、Cr、Cu、Zn、Ba、Sr、Ni、Li、V采用電感耦合等離子體-發(fā)射光譜（ICP-OES）測定，測試誤差＜5%；F采用離子選擇性電極測定，相對誤差＜5%。在元素含量分析過程中，每批樣品帶有兩個空白和兩個國家管理樣，以此來控制實驗分析質(zhì)量。

為判斷企鵝糞對P1剖面的影響和有機質(zhì)的來源，我們也測定了沉積物有機質(zhì)δ13C和全樣δ15N。C、N同位素測定結(jié)果的參考標(biāo)準(zhǔn)分別為Vienna Pee Dee Belemnite（V-PDB）和大氣中的氮氣，同位素的組成以δ描述，其定義為：

式中 δX表示 δ15N或 δ13C，R樣品和 R標(biāo)準(zhǔn)分別為樣品和參考標(biāo)準(zhǔn)的15N／14N或13C／12C。δ15N和δ13C測試精度分別在±0.22‰和±0.12‰之內(nèi)。

3 結(jié)果與討論

3.1 有機質(zhì)來源識別

P1沉積物中 TC、TN、S、TH、TOC、C／N和 δ15N隨深度的變化見圖2。從圖中可以看出，在整個P1沉積剖面上，TOC、TN、TC、S和TH的含量隨深度的變化趨勢很相似，在表層含量很高，這是因為顯著受到苔蘚植物的影響，之后它們的含量快速下降并處于相對平穩(wěn)狀態(tài)。沉積層中的TOC和TN具有顯著的正相關(guān)關(guān)系（R＝0.99，p＜0.01，n＝34）。對 TOC和TN的線性擬合結(jié)果表明，當(dāng)TOC＝0時，TN與縱坐標(biāo)軸的截點值為0.025%，代表樣品中的無機氮含量，由于該數(shù)值在樣品總氮（TN＝0.029%—0.51%，平均值為0.13%）中所占比例相對較小，因此可以認(rèn)為沉積物中的氮主要來源于有機物。研究表明，通過計算TOC／TN的值可以區(qū)別沉積物中有機質(zhì)是海洋來源還是陸地來源［20］。海洋和陸生光合生物對C、N的利用效率不同，一般情況下，典型的海洋源有機質(zhì)C／N值＜8，而陸源有機質(zhì)的C／N比值＞12，P1沉積物樣品中的TOC／TN平均值為7.18，與新鮮的南極海鳥糞和海豹糞的TOC／TN值4.85±1.59比較接近［14］，說明沉積物中的有機質(zhì)應(yīng)該主要來源于海洋源物質(zhì)，加上采樣點周圍發(fā)現(xiàn)有廢棄的古企鵝巢穴，可以初步推斷有機質(zhì)沉積與企鵝糞的輸入有關(guān)。P1沉積剖面中的C同位素分析也進一步證實了上述結(jié)果。如在C／N和有機質(zhì)δ13C的二元圖解（圖3）上，P1沉積剖面樣品投點均落在海洋藻類植物范圍內(nèi)，離陸生C3、C4植物較遠(yuǎn)，并與南極新鮮海洋動物糞便非常接近，進一步證明沉積物有機質(zhì)主要為海洋源。結(jié)合野外現(xiàn)場考察資料，我們有理由相信，P1剖面含鳥糞沉積層中的有機質(zhì)主要是通過企鵝捕食的海洋生物通過生物地球化學(xué)過程轉(zhuǎn)移到此地沉積下來，即歷史時期的企鵝活動對P1沉積剖面的元素和同位素地球化學(xué)性質(zhì)有可能產(chǎn)生了顯著的影響。

圖2 P1沉積剖面 TC、TN、S、TH、TOC、C／N和 δ15 N隨深度的變化Fig.2.Changes of TC，TN，S，TH，TOC，C／N andδ15 N in the sediment profile P1 against depth

圖3 P1沉積剖面有機質(zhì)δ13 C和C／N比與海洋藻類、陸地C3、C4植物產(chǎn)生的有機質(zhì)元素和同位素標(biāo)識值的比較［21］Fig.3.Biplotof sedimentary organicδ13 C and C／N in P1 with comparison againstmarine algae and terrestrial C3 and C4 plants

3.2 生物標(biāo)型元素組合識別

P1沉積物中24種元素或氧化物（Se、As、Co、Cr、Cu、Zn、Ba、Sr、Ni、F、Li、V、Hg、Fe2O3、MnO、TiO2、CaO、K2O、P2O5、SiO2、Al2O3、Na2O、MgO、S）的含量見表1。從元素的變異系數(shù)來看，大部分的造巖元素變異系數(shù)相對較?。ǎ?0%），反映出這些元素在整個剖面中的穩(wěn)定性，但是 Co、Cr、Cu、Zn、Sr、Ni、As、Hg、F、Li等元素含量在深度剖面上還是表現(xiàn)出了一定的波動，變異系數(shù)在10%以上。影響元素變化的因素有很多，單個元素在地質(zhì)成因上往往具有多種可能性，但是一定元素組合的變化卻具有成因?qū)傩?，因此具有物源指示意義。

表1 P1沉積剖面中無機元素的平均含量、變化范圍、變異系數(shù)和基巖背景值Table 1.Mean value，range，variation coefficient for the inorganic elements in the P1 sediments and the background value in the local bedrock

圖4為P1沉積物中24種化學(xué)元素或氧化物隨深度剖面的變化曲線。從圖4可以看出，As、Cu、CaO、S、P2O5、Na2O、TiO2、Sr、Hg和 F在深度剖面上的變化較為相似，自下而上這些元素或氧化物含量先逐漸波動增加，達(dá)到峰值后又逐漸下降；Se、Co、Zn、Ni、Cr、V以及親巖元素、氧化物如 Fe2O3、SiO2、Al2O3、MgO表現(xiàn)出與上述元素相反的變化形式，總體上呈波動減小的趨勢；Ba、K、MnO、Li則相對而言未出現(xiàn)明顯變化。

為進一步研究上述元素在深度剖面上的變化情況，本文采用富集系數(shù)來定量描述。元素的富集系數(shù)（EF）是指沉積物中的元素相對于地殼豐度的富集程度，由于Al在沉積過程中相對穩(wěn)定且主要富集于細(xì)粒沉積物中，而且大多數(shù)元素，特別是微量元素與Al在沉積物的不同粒徑中具有相近似的富集規(guī)律，因此，沉積物中元素與Al的比值已被廣泛用于消除沉積物化學(xué)成分的粒度效應(yīng)［22］。富集系數(shù)EFi采用下式計算：

其中Ci和CAl2O3分別為樣品中i元素和參比樣品中Al2O3的濃度，對于參照物的選擇，大多數(shù)學(xué)者一般選擇基巖、土壤和地殼元素平均豐度作為參照背景值［14］。拜爾斯半島基巖中不同元素和化合物的含量見表1。從圖4可以看出，P1沉積柱從55—47 cm元素含量變化不大，特別是P元素（反映企鵝活動最典型的元素），在此段沉積層中含量較低且基本保持不變，從47 cm開始，P含量開始逐漸增加并產(chǎn)生波動，故可以把整個P1剖面以47 cm為界分上、下兩部分分別計算元素富集系數(shù)。

元素的富集系數(shù)平均值見圖5。從圖中可以看出，47 cm以下沉積物中元素及化合物的富集系數(shù)都在1.0左右（Zn除外），說明該沉積段元素及化合物含量主要受基巖控制，企鵝糞影響程度相對較弱。在 P1剖面 47cm以上的部分，P2O5、As、S、F、Cu、Hg、Sr、CaO、Se等的平均富集因子在 1.1以上，說明這些元素發(fā)生了較為明顯的富集作用，特別是P2O5的富集系數(shù)可達(dá)到5.29。研究表明，P元素為鳥糞土最具代表性的元素［23-25］，P的顯著富集暗示P1剖面有大量的企鵝糞輸入，這也進一步論證了前文有關(guān)有機質(zhì)來源的研究結(jié)果；Co、Cr、Ni等元素則發(fā)生了明顯的虧損，特別是Cr和Ni，這可能與企鵝糞輸入對這些元素的稀釋有關(guān)。

圖4 P1沉積物中部分化學(xué)元素和氧化物濃度隨深度的變化Fig.4.Concentration-versus-depth profiles of inorganic elements and oxides in the sediments of P1

圖5 P1沉積柱47 cm以上含糞沉積層和47 cm以下沉積物元素含量的平均富集系數(shù)Fig.5.Average enrichment factors（EF）in the ornithogenic sediments above and below 47 cm

對發(fā)生明顯富集的幾種元素，我們分析了它們和 TOC的相關(guān)性（圖 6）。結(jié)果顯示，P、F、Cu、Hg、As、S元素與TOC存在統(tǒng)計上的顯著正相關(guān)，表明它們具有共同的物質(zhì)來源，而虧損元素Ni則與TOC有著明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。上述分析結(jié)果證實，P2O5、As、S、F、Cu、Hg等元素的富集與企鵝糞來源的有機質(zhì)輸入密切相關(guān)，系研究地區(qū)企鵝糞土沉積物的標(biāo)型元素組合；與此相反，部分基巖中的元素則因有機質(zhì)大量輸入而被稀釋（如Ni等），從而導(dǎo)致這些元素在深度剖面上發(fā)生相對虧損，富集系數(shù)＜1，而Fe2O3、MgO、CaO、K2O、MnO等氧化物受到的影響相對較小，濃度幾乎沒有發(fā)生明顯變化。

圖6 P1沉積物中部分元素與TOC之間的關(guān)系Fig.6.Correlations between some elements and TOC in the P1 sediments

圖7 因子1和因子2的成分圖Fig.7.PCA diagram of factor 1 and factor 2

為了進一步證實上述結(jié)果，我們對一系列地球化學(xué)指標(biāo)（包括元素和δ15N）進行了主成分分析，結(jié)果見圖7。在因子1和2的成分（兩個因子的貢獻(xiàn)率分別為48.24%和22.13%，總共解釋這些指標(biāo)70.37%的變化）圖上可以明顯看到，P2O5、F、TOC、As、Cu、S、Hg和 δ15N在因子1上的載荷值非常高，特別是P2O5、δ15N、F幾乎完全由因子1控制。有研究表明，氮同位素在探討生態(tài)系統(tǒng)功能和動物生態(tài)學(xué)等方面具有重要的作用，它能給不同的生物材料提供許多直接的生態(tài)環(huán)境信息［26］。氮同位素伴隨著生物體對氮元素的吸收以及排泄的整個過程［27］，因此氮同位素被廣泛應(yīng)用于生物源示蹤、野生動物遷移、生物種群數(shù)量變化等方面研究［28-29］，此外，氮同位素還可以用來研究生態(tài)系統(tǒng)中能量和營養(yǎng)物質(zhì)的交換，特別是海洋-陸地界面上的物質(zhì)循環(huán)過程［30］。在 P1沉積物中，δ15N的平均值為 8.35‰，顯著高于南極地區(qū)植物樣品中的 δ15N值（－3.55‰—6.59‰［15］），與南極地區(qū)海洋動物糞便中的 δ15N值［（7.03±0.41）至（17.68±0.48）］［15，31］非常接近，由此可見，氮同位素值可以用來識別沉積物是否受到過鳥糞的影響。一般而言，鳥糞土沉積層具有顯著高的δ15N值，這與鳥糞沉積后因為氨揮發(fā)所導(dǎo)致的氮同位素快速分餾作用有關(guān)。Liu等［15］的研究也表明，南極地區(qū)湖泊沉積物中的δ15N可以很好地反應(yīng)鳥糞輸入的程度，是古生態(tài)恢復(fù)研究中的一個重要指標(biāo)［15］。綜合前面的討論結(jié)果，可以確認(rèn)因子1反映了企鵝糞輸入影響。Na2O和TiO2在因子1上的載荷值也較高（圖7），但是對比這兩種氧化物在鳥糞和基巖中的含量發(fā)現(xiàn)，Na2O在基巖和鳥糞中的含量相近，分別是3.63%和3.15%，基巖樣品中TiO2含量為1.09%，而鳥糞中的TiO2卻只有0.07%，且在P1剖面47 cm以上企鵝糞土沉積物中Na2O和TiO2的富集系數(shù)相對較小，故P1沉積剖面中的Na2O和TiO2含量可能并非主要受企鵝糞輸入的控制。綜合前面的元素地球化學(xué)分析結(jié)果，可以確認(rèn)的是，在因子1上具有高載荷值的P、F、Cu、Hg、As、S元素含量的高低與企鵝糞輸入的多少密切相關(guān)，是P1沉積剖面企鵝糞土沉積物的標(biāo)型元素組合。因此，P2O5、δ15N、F、TOC、As、Cu、S、Hg構(gòu)成了拜爾斯半島P1沉積剖面中企鵝糞輸入的代用指標(biāo)組合，這為進一步恢復(fù)研究區(qū)歷史時期的企鵝種群數(shù)量變化提供了可能。

3.3 不同地區(qū)企鵝糞土沉積物生物標(biāo)型元素組合的比較

環(huán)南極不同地區(qū)基巖和風(fēng)化土壤背景值、風(fēng)化程度以及不同種屬企鵝的食物等存在差異，這有可能導(dǎo)致不同地區(qū)企鵝聚居地的糞土沉積物中生物標(biāo)型元素組合存在較大不同。為了查明環(huán)南極無冰區(qū)企鵝糞土沉積物中標(biāo)型元素組合規(guī)律，優(yōu)選出不同地區(qū)生物標(biāo)型元素，本文比較了拜爾斯半島、長城站區(qū)阿德雷島（Ardley Island）和戴維斯站區(qū)加德納島（Gardner Island）的企鵝糞土標(biāo)型元素組合研究結(jié)果。

孫立廣等［2］的研究表明，P、S、Sr、Ba、Cu、Zn、Se、Ca、F為南極長城站區(qū)阿德雷島企鵝糞土沉積物的標(biāo)型元素組合。本文研究得到的拜爾斯半島企鵝糞土標(biāo)型元素為 P、F、Cu、Hg、As、S。比較兩者我們發(fā)現(xiàn)：P、F、S、Cu四種元素在上述兩個地區(qū)的生物標(biāo)型元素中均有出現(xiàn)，反映了不同地區(qū)企鵝糞土生物標(biāo)型元素具有一定的共性，這是由于企鵝糞都參與了這兩個地區(qū)沉積物的沉積過程。我們知道，企鵝的主要食物為磷蝦，而磷蝦體內(nèi)的P、F等元素含量非常高，這就使得P和F等元素成為企鵝糞土沉積物中最為典型的標(biāo)型元素。S屬于生物元素，與基巖相比，該元素在生物材質(zhì)中的含量要高很多，這使得S元素具有一定的指示意義。有研究表明，受生物和有機質(zhì)作用，Cu元素會在沉積物中發(fā)生富集［2］，此外，Cu元素還能與有機質(zhì)形成有機絡(luò)合物，在沉積物成巖過程中，大多數(shù)金屬有機絡(luò)合物將分解，這樣就會造成金屬離子的釋放，導(dǎo)致沉積物中更加富集Cu元素［24］。至于 As元素，最近的研究表明，該元素在南極企鵝糞土沉積層表現(xiàn)出顯著富集的特征。Xie等［32］對南極阿德雷島湖泊沉積物的研究表明，受企鵝糞影響的沉積物中As元素的含量高出背景值2倍多［32］?？梢?，元素As能較好地指示沉積物是否受到過鳥糞的影響。在元素周期表中，Sr、Ba、Ca屬于較易遷移的堿土金屬元素。這些元素在土壤中的含量與化學(xué)風(fēng)化作用密切相關(guān)?；瘜W(xué)風(fēng)化作用越強，它們越容易流失。因此，Sr、Ba、Ca沒有出現(xiàn)在拜爾斯半島企鵝糞標(biāo)型元素中的可能原因是，相對于阿德雷島，拜爾斯半島的化學(xué)風(fēng)化作用較強，上述元素的流失較多，P1沉積物中Sr含量可能主要反映了沉積物的礦物組成，而企鵝糞帶來的海洋源 Sr、Ba、Ca信號不明顯［33］。Zn、Se作為阿德雷島企鵝糞土的標(biāo)型元素，但在拜爾斯半島P1剖面中沒有出現(xiàn)，其原因可能與企鵝糞對研究剖面的影響程度存在較大差異有關(guān)，采自阿德雷島的沉積剖面（Y2和Y4）受到企鵝糞影響較強（Y2剖面P2O5的平均含量為6.13%［2］，Y4剖面P2O5的平均含量為12.12%［32］），而本文研究的 P1剖面受到企鵝糞影響相對較弱（P2O5的平均含量僅為2.4%），Zn、Se等元素在P1剖面中仍然表現(xiàn)出巖性作用的特征，主要受控于自然風(fēng)化過程。為了全面地了解拜爾斯半島企鵝糞土沉積物中生物標(biāo)型元素組合特征，在今后的研究中，有必要在該地區(qū)對更多受企鵝糞影響程度不同的沉積剖面開展研究。從拜爾斯半島和阿德雷島兩個地區(qū)對比結(jié)果來看，P和F應(yīng)為拜爾斯半島企鵝糞土沉積物中優(yōu)選標(biāo)型元素，其含量能更精確地反映P1沉積剖面中企鵝糞的輸入情況，這與黃濤等［1］得出的西南極長城站區(qū)企鵝糞土層的優(yōu)選生物標(biāo)型元素為P、F和 S研究結(jié)果相一致。

黃濤等［1］對東南極戴維斯站區(qū)加德納島（Gardner Island）含企鵝糞的沉積物開展了元素地球化學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)糞土沉積層的生物標(biāo)型元素組合為 P、Se、F、S、As、Cu和 Sr，與拜爾斯半島 P1剖面對比，發(fā)現(xiàn)兩者基本一致，但也略有差別。由于區(qū)域性地球化學(xué)性質(zhì)、生物種類、生物種群密度的區(qū)別，生物標(biāo)型元素在不同地區(qū)有所差異可能是客觀存在的［14］?？偟膩砜?，兩地的企鵝糞土生物標(biāo)型元素組合中都包含 P、F、Cu、As、S。盡管東南極和西南極地質(zhì)生態(tài)環(huán)境顯著不同，但是企鵝的主要食物（磷蝦和各種魚類）大致相同，再加上重金屬在東、西南極食物鏈中的富集規(guī)律基本一致，這也導(dǎo)致了上述五種地球化學(xué)性質(zhì)不盡相同的元素在東、西南極企鵝糞土沉積物出現(xiàn)相對富集的情況。

4 結(jié)論

（1）西南極拜爾斯半島P1沉積剖面受到了企鵝糞輸入的影響，在深度剖面上 P、F、Cu、Hg、As、S濃度表現(xiàn)出較為一致的變化趨勢，并與指示生物糞輸入的有機質(zhì)和δ15N顯著相關(guān)，說明這些元素組合主要與企鵝糞的輸入密切相關(guān)，它們的含量變化主要受控于企鵝糞的輸入程度。

（2）與長城站阿德雷島和東南極戴維斯站加德納島企鵝糞土標(biāo)型元素相比較，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的化學(xué)風(fēng)化作用以及區(qū)域地質(zhì)不同可能會導(dǎo)致標(biāo)型元素組合出現(xiàn)差異，但總體來看，P、F、Cu、S四種元素在所有地區(qū)的標(biāo)型元素中均有出現(xiàn)，反映了南極地區(qū)企鵝糞土中生物標(biāo)型元素的共性，其中P和F應(yīng)為拜爾斯半島企鵝糞土沉積物中優(yōu)選標(biāo)型元素。

致謝 感謝梁友慶高工、徐利強博士和陳雄宇先生在實驗過程中給予的幫助。

1 黃濤，孫立廣，吳自軍，等.戴維斯站區(qū)與長城站區(qū)企鵝糞土層生物標(biāo)型元素的確定與比較.極地研究，2007，19（4）：247—254.

2 孫立廣，謝周清，趙俊琳.南極阿德雷島湖泊沉積：企鵝糞土層識別.極地研究，2000，12（2）：105—112.

3 鄭祥身，F(xiàn)rancesc S bat，Casas JM，et al.西南極利文斯頓島火山巖地質(zhì).極地研究，1995，7（3）：18—29.

4 鄭祥身，劉嘉麒，李鍾益，等.西南極利文斯頓島百耳斯半島中生代火山巖地球化學(xué)特征.巖石學(xué)報，1998，14（4）：503—519.

5 Bj?rck S，H?kansson H，Zale R，etal.A late Holocene lake sediment sequence from Livingston Island，South Shetland Islands，with palaeoclimatic implications.Antarctic Science，1991，3（1）：61—72.

6 Toro M，Camacho A，Rochera C，et al.Limnological characteristics of the freshwater ecosystems of Byers Peninsula，Livingston Island，inmaritime Antarctica.Polar Biology，2007，30（5）：635—649.

7 Navas A，López-Martínez J，Casas J，et al.Soil characteristics along a transect on raised marine surfaces on Byers Peninsula，Livingston Island，South Shetland Islands.Antarctica，2006，144：467—473.

8 Falcon-Lang H J，Cantrill D J.Gymnosperm woods from the Cretaceous（mid-Aptian）Cerro Negro Formation，Byers Peninsula，Livingston Island，Antarctica：the arborescent vegetation of a volcanic arc.Cretaceous Research，2001，22（3）：277—293.

9 Moura P A，F(xiàn)rancelino M R，Schaefer CEGR，etal.Distribution and characterization of soilsand landform relationships in Byers Peninsula，Livingston Island，Maritime Antarctica.Geomorphology，2012，155—156：45—54.

10 Villaescusa JA，Casamayor EO，Rochera C，et al.A close link between bacterial community composition and environmental heterogeneity inmaritime Antarctic lakes.International Microbiology，2010，13（2）：67—77.

11 Cabrerizo A，Dachs J，BarceloóD，etal.Influence of organicmatter contentand human activities on the occurrence of organic pollutants in antarctic soils，lichens，grass，and mosses.Environmental Science＆Technology，2012，46（3）：1396—1405.

12 AgustíS，Sejr M K，Duarte CM.Impacts of climate warming on polarmarine and freshwater ecosystems.Polar Biology，2010，33（12）：1595—1598.

13 Sun L G，Xie ZQ，Zhao JL.A 3，000-year record of penguin populations.Nature，2000，407（6806）：858.

14 孫立廣，謝周清，劉曉東，等.南極無冰區(qū)生態(tài)地質(zhì)學(xué).北京：科學(xué)出版社，2006：1—300.

15 Liu X D，Li H C，Sun L G，et al.δ13C andδ15N in the ornithogenic sediments from the Antarcticmaritime as palaeoecological proxies during the past2000 yr.Earth and Planetary Science Letters，2006，243（3-4）：424—438.

16 John B S，Sugden D E.Raisedmarine features and phasesof glaciation in the South Shetland Islands.British Antarctic Survey Bulletin，1971，24：45—111.

17 Sugden D E，John B S.The ages of glacier fluctuations in the South Shetland Islands，Antarctica∥ Van Zinderen Bakker EM.Paleoecology of Africa and of the Surrounding Islands and Antarctica.Cape Town：Balkema，1973，8：141—159.

18 SCAR BULLETIN No 150，July 2003.40—50.

19 Emslie SD，Baumann K，van Tuinen M，etal.Late Holocene occupation ofGentoo Penguins（Pygoscelispapua）on Byers Peninsula，Livingston Island，Antarctica.Polar Biology，2011，34（2）：283—290.

20 Schubert C J，Calvert SE.Nitrogen and carbon isotopic composition ofmarine and terrestrial organicmatter in Arctic ocean sediments：implications for nutrient utilization and organic matter composition.Deep Sea Research PartⅠ：Oceanographic Research Papers，2001，48（3）：789—810.

21 Liu X D，Sun LG，Yin X B，etal.A preliminary study of elemental geochemistry and its potential application in Antarctic seal palaeoecology.Geochemical Journal，2005，39（1）：47—59.

22 ZollerW H，Gladner E S，Duce R A.Atmospheric concentrations and sources of trace metals at the South Pole.Science，1974，183（4121）：199—201.

23 Chen J，Blume H P.Behaviors ofmain elements in soil-forming processes of Fildes Peninsula.The Maritime Antarctic，Pedosphere，1999，2：113—122.

24 Tatur A，Myrcha A.Ornithogenic soils on King George Island，South Shetland Islands（Maritime Antarctic Zone）.Polish Polar Research，1984，5：31—36.

25 Myrcha A，Tatur A.Ecological role of the currentand abandoned penguin rookeries in the land environment of themaritime Antarctic.Polish Polar Research，1991，12（1）：3—24.

26 Wada E，MizutaniH，Minagawa M.The use of stable isotopes for food web analysis.CriticalReviews in Food Science and Nutrition，1991，30（4）：361—371.

27 Tieszen L L，F(xiàn)agre T.Effect of diet quality and composition on the isotopic composition of respiratory CO2，bone collagen，bioapatite，and soft tissues∥Molecular Archaeology of Prehistoric Human Bone.Berlin Heidelberg：Springer，1993：121—155.

28 Hobson K A.Tracing origins and migration ofwildlife using stable isotopes：a review.Oecologia，1999，120（3）：314—326.

29 Chamberlain C P，Blum JD，Holmes R T，et al.The use of isotope tracers for identifying populations ofmigratory birds.Oecologia，1997，109（1）：132—141.

30 Stapp P，Polis G A，Pi?ero F S.Stable isotopes reveal strongmarine and El Ni?o effects on island food webs.Nature，1999，401（6752）：467—469.

31 Mizutani H，Wada E.Nitrogen and carbon isotope ratios in seabird rookeries and their ecological implications.Ecology，1988，69（2）：340—349.

32 Xie ZQ，Sun LG.A 1，800-year record of arsenic concentration in the penguin dropping sediment，Antarctic.Environmental Geology，2007，55（5）：1055—1059.

33 趙一陽，鄢明才，李安春，等.中國近海沿岸泥的地球化學(xué)特征及其指示意義.中國地質(zhì)，2002，29（2）：181—185.