劉瀟敏，何小亮

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安710065)

古氣候環(huán)境重建已成為全球變化研究中的一個(gè)前沿課題，地質(zhì)信息記錄體和氣候代用指標(biāo)的選擇，及其對(duì)氣候變化的指代意義和敏感程度的研究成為了必不可少的前提條件。冰芯［1］、孢粉［2］、石筍［3］、黃土沉積［4］、湖泊沉積［5］等多種沉積載體已被用來重建過去環(huán)境演化序列，并取得了眾多成果，在區(qū)域環(huán)境對(duì)比中扮演著重要角色。

隨著現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的微生物類脂物被發(fā)現(xiàn)并被用作特定的環(huán)境替代指標(biāo)。其中，來自于微生物細(xì)胞膜脂的甘油二烷基甘油四醚化合物(Glycerol Dialkyl Glycerol Tetraethers，GDGTs)近年來成為海洋沉積物和土壤中應(yīng)用最為熱門的重建古環(huán)境的類脂物標(biāo)志物。海洋沉積物和土壤中的研究已證實(shí)位于微生物細(xì)胞膜上的GDGTs是細(xì)胞膜的基本骨架，對(duì)外界環(huán)境的變化，如溫度、壓力、pH等較為敏感，因此基于這類類脂物的參數(shù)是古環(huán)境重建的良好指標(biāo)。盡管GDGTs化合物在海洋和土壤中的古環(huán)境重建中被較多的應(yīng)用，但在泥炭地的研究卻很少。已有研究發(fā)現(xiàn)，泥炭中的GDGTs化合物(包括古菌iGDGTs和細(xì)菌支鏈 bGDGTs)含量非常豐富，這為在泥炭中開展利用GDGTs化合物重建古氣候的工作提供了可能和基礎(chǔ)。

通過高效液相色譜質(zhì)譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀首次檢測(cè)出不同結(jié)構(gòu)和類型的GDGTs化合物，利用bGDGTs環(huán)境因子公式獲得了若爾蓋高原淺層泥炭記錄的MAT、MAP等氣候指標(biāo)，對(duì)若爾蓋淺層泥炭記錄的氣候環(huán)境信息進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)不同氣候指標(biāo)在泥炭沉積環(huán)境中的適用性，為探索泥炭GDGTs在氣候變化中的應(yīng)用提供有價(jià)值的信息。

1 采樣及分析測(cè)試

1.1 樣品采集

研究樣品于2011年7月采自四川紅原縣高寒濕地若爾蓋草原泥炭區(qū)，采樣點(diǎn)坐標(biāo)利用手持GPS測(cè)定，采樣點(diǎn)坐標(biāo)為32°46N，102°31E，海拔高度3 508 m。采樣裝置為不銹鋼Wardenaar采樣器，采取Core1、Core2兩組泥炭柱，柱長(zhǎng)均為50 cm，Core1和 Core2采樣間距8 m。其中 Core1剖面0～3 cm，為深褐色泥炭，含較多未分解或部分分解的植物殘?bào)w;3～10 cm，為褐色泥炭，植物殘?bào)w完全分解;10～50 cm，為深褐色泥炭，植物殘?bào)w部分分解;Core2剖面0～10 cm，為深褐色泥炭，含較多未分解或部分分解的植物殘?bào)w;10～50 cm，為褐色泥炭，植物殘?bào)w完全分解(圖1)。Core1剖面和Core2剖面距離較近，但泥炭沉積顏色和所包含植物殘?bào)w的分解程度差異較大，這可能是由于泥炭地特殊的沉積環(huán)境造成的。柱狀泥炭樣品采取完成后，裁切成1 cm長(zhǎng)的小段，分別用錫箔紙包裹，再用醫(yī)用紗布纏裹，按采樣深度依次編號(hào)，投入隨身攜帶的液氮罐中冷藏，并將采集完成的樣品迅速運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。

1.2 樣品分析測(cè)試

樣品處理過程包括:樣品前處理，泥炭有機(jī)質(zhì)的萃取，有機(jī)質(zhì)的分離等步驟。采用高效液相色譜質(zhì)譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀進(jìn)行類脂物GDGTs化合物的檢測(cè)，檢測(cè)在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)教育部國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。本次研究主要是GDGT化合物的定性分析，主要是依據(jù)相對(duì)保留時(shí)間和質(zhì)譜解析。即利用特征碎片峰和分子離子峰提取目標(biāo)化合物，根據(jù)保留時(shí)間和質(zhì)量色譜圖以及標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)進(jìn)行定性確認(rèn)、積分，根據(jù)標(biāo)樣的峰面積對(duì)各個(gè)化合物進(jìn)行定量。

圖1 若爾蓋高原泥炭剖面地層(單位:cm)

2 bGDGTs系列指標(biāo)的應(yīng)用與評(píng)價(jià)

2.1 MBT、CBT 指標(biāo)

Weijers［6］等通過全球不同地區(qū)土壤中bGDGTs的研究中發(fā)現(xiàn)，bGDGTs中的五元環(huán)與土壤pH，甲基與年平均大氣溫度(MAT)和土壤pH分別有緊密的關(guān)系。這種關(guān)系分別通過bGDGTs的環(huán)化指數(shù)(CBT，即Cyclisation ratio of Branched Tetraethers)和甲基化指數(shù)(MBT，即Methylation index of Branched Tetraethers)表示出來，分別表示bGDGTs中五元環(huán)的相對(duì)含量和甲基的相對(duì)含量，其公式如下:

公式中羅馬數(shù)字代表bGDGTs結(jié)構(gòu)的含量。利用(1)和(2)計(jì)算出Core1和Core2泥炭剖面CBT、MBT隨深度的變化值。由于篇幅所限，此處不再詳細(xì)羅列。

2.2 溫度指標(biāo)

現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，bGDGTs的上含有4～6個(gè)甲基，Weijers等通過全球不同地區(qū)土壤中bGDGTs的研究中發(fā)現(xiàn)，甲基化指數(shù)MBT與年平均大氣溫度MAT和pH值分別有緊密的關(guān)系，這種關(guān)系可以通過公式3表達(dá):

土壤中細(xì)菌bGDGTs的MBT、CBT與大氣平均溫度MAT的關(guān)系在發(fā)現(xiàn)了后就被迅速運(yùn)用到地質(zhì)歷史時(shí)期古溫度的重建中去，并取得了很好的效果，展示了建立在bGDGTs基礎(chǔ)上的指標(biāo)在溫度的重建中具有很大的應(yīng)用潛力。但產(chǎn)bGDGTs的細(xì)菌生活在土壤中，所對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度是土壤溫度，土壤溫度和大氣溫度之間雖然具有良好的線性關(guān)系，但直接將MBT和CBT與大氣平均溫度進(jìn)行比較顯然會(huì)產(chǎn)生更大的偏差，導(dǎo)致其相關(guān)性系數(shù)(R2)降低。為更加精確證實(shí)bGDGTs的MBT與CBT作為“古溫度計(jì)”的適用性，必須采用土壤的原位溫度來校正公式3。Sinninghe等［7］選取了非洲乞力馬扎羅山東南坡進(jìn)行MBT、CBT用于陸地大氣“溫度計(jì)”可行性的研究，在海拔斷面上，用Weijers所建立的公式3得到的年平均大氣溫度(MAT)比原位測(cè)量的溫度稍高，隨后他利用以往土壤原位測(cè)量所得到的年平均溫度值和此海拔斷面上的 MBT、CBT值，校正了公式3，得到

由于公式4的MAT采用的是土壤原位溫度，從而使MBT、CBT與MAT三者線性關(guān)系的相關(guān)系數(shù)R2顯著提高。本次實(shí)驗(yàn)根據(jù)公式4計(jì)算出若爾蓋泥炭50 cm深度內(nèi)Core1泥炭剖面的年大氣平均溫度 MAT為 －3.8℃ ～4.5℃;Core2剖面的MAT為0.1℃ ～5.1℃。而若爾蓋氣象站記錄的45年間(1957～2001年)氣溫的變化范圍為 －0.2℃ ～2.4℃［8］，計(jì)算年均氣溫與實(shí)測(cè)氣溫比較接近，可以認(rèn)為利用公式4能夠較為準(zhǔn)確地進(jìn)行若爾蓋地區(qū)溫度的計(jì)算。圖2為若爾蓋高原Core1和Core2泥炭剖面年大氣平均溫度MAT隨深度的變化曲線。

圖2 泥炭剖面MAT隨深度的變化

從圖2可以看出，Core1和Core2泥炭剖面年大氣平均溫度MAT隨深度具有相似的變化趨勢(shì)，曲線的階段性較為明顯。在泥炭剖面的中、下部，隨著埋深的減小，MAT總體上呈減小趨勢(shì)，Core1剖面的最小值 －3.8℃出現(xiàn)在11cm處，Core2剖面的最小值0.1℃出現(xiàn)在15 cm處;在達(dá)到最低溫度后，MAT隨埋深的減小整體上快速增長(zhǎng)，在表層1 cm處達(dá)到最大值，這與近百年來中國(guó)的增溫趨勢(shì)基本一致。從整體上看，若爾蓋高原MAT的變化范圍較大，其原因可能為若爾蓋高原地區(qū)位于四川西北部，青藏高原東部邊緣，特殊的地理位置使其既受青藏高原環(huán)流系統(tǒng)的影響，又受東亞季風(fēng)和印度季風(fēng)的影響，致使若爾蓋高原氣候具有很強(qiáng)的地域性［9］，氣溫變化較為強(qiáng)烈。

2.3 降水指標(biāo)

目前水文循環(huán)、干濕變遷等研究是氣候研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。同時(shí)，水文循環(huán)導(dǎo)致化學(xué)風(fēng)化作用的變化，與全球系統(tǒng)的碳循環(huán)等生物地球化學(xué)過程關(guān)系更為密切。目前能夠單獨(dú)重建古降水量的指標(biāo)很少，盡管石筍氧同位素主要受所在區(qū)的降水量控制，但研究者還是難以根據(jù)一個(gè)地點(diǎn)的石筍氧同位素值來定量估算過去的降水量。Hu等提出了基于同一水汽輸送通道中兩地石筍氧同位素的差值來定量計(jì)算過去降水量的新方法。除此之外，我們還需要尋找更多合適的指標(biāo)來重建古降水條件。最近研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)區(qū)域內(nèi)土壤中細(xì)菌bGDGTs的甲基化指數(shù)MBT與年平均降水量MAP有較好地線性關(guān)系，其表達(dá)式為:

利用(5)計(jì)算得到若爾蓋Core1和Core2泥炭剖面50 cm深度記錄的年平均降水量MAP的變化范圍分別為439～800 mm和437～783 mm(圖3)，若爾蓋氣象站記錄的45年來(1957～2001年)當(dāng)?shù)啬杲邓康姆秶鸀?28～873 mm。利用MBT與MAP的關(guān)系式計(jì)算得到的年降水量與實(shí)測(cè)值比較接近，但也存在有一定的誤差，其原因可能是通過土壤調(diào)查建立的甲基化指數(shù)MBT與年平均降水量MAP的關(guān)系在泥炭沉積環(huán)境中應(yīng)用的精度不高。由于泥炭地特殊的厭氧還原環(huán)境，在水位較高時(shí)，厭氧程度更高，不利于有機(jī)質(zhì)的分解，形成的腐殖酸較少，泥炭pH更顯堿性;水位較低時(shí)，表層干燥氧通量較大，有機(jī)質(zhì)分解度高，形成腐殖酸較多，pH酸性更強(qiáng)。因此，可以將細(xì)菌bGDGTs重建的pH作為泥炭地水位高低的指標(biāo)。要保持泥炭地較高的水位高程，每年必須有一定的降水量補(bǔ)給。根據(jù)pH與CBT的關(guān)系可知，CBT指標(biāo)的主控因子是pH值，而pH可以指示泥炭地古水位的高低，因此，泥炭bGDGTs的環(huán)化指標(biāo)CBT與年平均降水量MAP可能存在一定的關(guān)系。這種關(guān)系需要通過若爾蓋高原區(qū)域泥炭的現(xiàn)代過程進(jìn)行確定，以此建立適合本地區(qū)的更為準(zhǔn)確的降水指標(biāo)。

圖3 泥炭剖面MAP隨深度的變化

3 結(jié)語

根據(jù)若爾蓋泥炭GDGTs化合物的實(shí)驗(yàn)測(cè)試成果，利用海洋、湖泊和土壤現(xiàn)代過程調(diào)查中建立的氣候環(huán)境指標(biāo)，對(duì)若爾蓋淺層泥炭記錄的氣候信息進(jìn)行了探討，評(píng)價(jià)了不同氣候指標(biāo)在泥炭沉積環(huán)境中的適用性。

(1)利用MBT－CBT－MAT關(guān)系式計(jì)算得到的兩泥炭剖面年大氣溫度平均值 MAT的范圍為 －3.8℃ ～4.5℃ 和0.1℃ ～5.1℃，與當(dāng)?shù)貧庀笥涗浀淖兓秶?－0.2℃ ～2.4℃較為接近;若爾蓋高原泥炭年大氣平均溫度變化曲線具有較為明顯的階段性，氣候具有很強(qiáng)的地域性特征。

(2)利用MBT－MAP關(guān)系式計(jì)算得到若爾蓋泥炭?jī)赡嗵科拭婺昶骄邓縈AP的變化范圍分別為439～800 mm和437～783 mm，與當(dāng)?shù)貧庀笥涗浀淖兓秶?28～873 mm較為接近;泥炭地環(huán)化指數(shù)CBT與年平均降水量MAP可能存在一定的相關(guān)性。

利用bGDGTs建立的MAT、MAP等氣候指標(biāo)大體反映了若爾蓋高原的氣候環(huán)境信號(hào)，具有較強(qiáng)的可信度，這為探索自然情況下氣候的變化提供了有價(jià)值的信息，說明泥炭沉積序列中GDGTs的相關(guān)指標(biāo)在高分辨重建陸地環(huán)境的適用性和應(yīng)用潛力。

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