西南极菲尔德斯半岛海豹粪土沉积物有机地球化学特征

西南极菲尔德斯半岛海豹粪土沉积物有机地球化学特征 西南极菲尔德斯半岛海豹粪土沉积物有机 地球化学特征 第23卷第1期 2011年3月 极地研究 CHINESEJoURNALOFPOLARRESEARCH Vol_23,NO.1 March2O11 西南极菲尔德斯半岛海豹粪土沉积物 有机地球化学特征 黄婧孙立广王新明王玉宏. (中国科学技术大学极地环境研究室,合肥230026; 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,广州510640 .美国国立健康研究院,美国PA19002) 提要本文研究了位于西南极菲尔德斯半岛海豹粪土的沉积泥芯HN1的分子地球化学组成特征.HN1沉积物的正 烷烃以短链及nC..为主,主要来源可能为湖相沉积的藻类,细菌和苔藓的输入.醇类组分以高浓度的植物甾醇和粪 便甾醇为主,分别代了植被和海豹粪土沉积的输入,指示了研究区域历史时期的生态变化.脂肪酸组分偶奇优势 明显,以C,Cs和Cz一元饱和脂肪酸为主,主要来源可能是浮游动物,细菌及苔藓;不饱和脂肪酸含量很低,以 C和Cs:为主,表明沉积源单一稳定,无大波动.综合HN1的生物标志物特征,沉积柱保存较好,其各个组分 所反映的沉积物有机质来源统一,主要来源于海豹粪,细菌,藻类和苔藓;沉积环境在不同深度有变化,底层细菌和 真菌的活动比表层高. 关键词海豹粪土沉积粪类甾醇脂肪酸西南极 doi:10.3724/SP.J.1084.2011.00035 0前言 南极地区由于远离人类聚集区,而且生物种类 独特,生物活动较弱,成为研究人类活动对全球变 化影响及生态对环境变化响应的一个理想场所,是 国际全球变化研究的核心区域之一.生物对于环境 的变化十分敏感,尤其是在南极这个环境极端,生 物种类较少的区域.海豹作为南极生物链的顶端捕 食者,它们数量多,生物富集大,对海洋环境和生 态系统的变化十分敏感,可以作为南极环境变化的 良好指标口].目前研究主要集中于:通过海豹数量 变化研究南极环境气候变化和生态种群的分布l1]; 利用海豹毛,海豹粪土沉积物,海豹幼崽等载体研究 南极的有机污染和F,Hg等重金属污染情况_s妇; 通过海豹的捕食和同位素手段进行海豹食谱的研 究,并了解其捕食对周围生态的影响[1014].但是对 [收稿日期] [基金项目] [作者简介] [联系作者] 海豹粪土沉积物的有机地球化学性质研究鲜见报 道. 菲尔德斯半岛是南极乔治王岛上最大的无冰 区,半岛上有智利,俄罗斯等国的科学考察站,有 几处南极特别保护区(AsPA)和南极科学兴趣点 (ISSI).由于该区域生物量多,第八次南极条约协 商会议确定菲尔德斯半岛为特别科学兴趣场所,作 为进行南极环境与全球变化研究的热点及理想区 域l1?].本文通过对采自该地区的海豹粪土沉积 柱HN1的有机地球化学,探讨该地的沉积环 境,有机质来源以及环境对此沉积的影响,给以海 豹为载体的研究提供有机地球化学证据. 1研究区域环境概况 菲尔德斯半岛位于乔治王岛西南部,南北长约 8km,东西宽2.5—4.5km,总面积约38km,是 201O年9月收到来稿,2010年11月收到修改稿. 国家自然科学基金(No.40730107),科技支撑项目基金(No.2006BAB18B07)和国家 有机地球化学重点实验室开放基金 (No.OGI一200915)资助. 黄婧,女,1985年生.博士生,主要从事有机地球化学研究. 孙立广,E—mail:slg@ustc.edu.cn. 36极地研究第23卷 乔治王岛最大的无冰区,地理坐标为62.0848"S一 62.14O2"S,58.4059W一59.O15O"W(图1)[17]. 该地区属于亚南极海洋性气候,极地气旋活动 十分频繁,夏季每隔3—4天即可发生一次.年降 雨量约为630mm,季节分配均匀,以降雪为主. 本区的年平均气温约为一2.1?,最高气温5.4?, 最低气温为一4.6?l】.该区植被单调,群落结构 简单.地表植被单调,以隐花植物:地衣,苔藓和藻 类为主_1.半岛的鸟类约20种,其中三种企鹅(阿 德利企鹅,巴布亚企鹅和南极企鹅)占海鸟总数的 分布在该区的大型哺乳动物共有5种鳍脚目大 型哺乳动物,即威德尔海豹,象海豹,豹形海豹,食 蟹海豹和南极毛皮海狮,据1993--1994年的统计 结果,其中象海豹为优势种,占71.42%,南极毛 皮海狮次之,占14.78%.象海豹和南极毛皮海狮 主要以夏季的换毛群占优势,多集中在西南海岸区 以北海滩,在换毛期间它们不喜欢下水,其中象海 豹表现得尤为明显瞳.在夏季大量海豹排泄物经 过冰雪融水的冲刷迁移,部分最终沉积在该地区的 集水区内,因此通过采自集水区中的沉积剖面可以 8O以上].研究海豹古生态演化的信息. \备辍. ./ 薏 /. . , 图l菲尔德斯半岛及采样地点地理位置图 Fig.1.MapofFildesPeninsulashowingtheHN1samplingsite 本文研究的沉积柱HN1是中国第18次南极 科学考察期间(2001年l1月一2O02年3月)采自南 极乔治王岛菲尔德斯半岛一级海岸阶地的集水区 (62.1157S,59.5848W,海拔2m,具体位置见图 1).采样时采用经过洁净处理的内径为12cm的 PVC管垂直钻到基底后取出,所取得的沉积柱 HN1全长35.5cm.样品取得后冷藏保存,带回实 验室.根据沉积剖面的理化性质,该沉积柱可分为 上下两个沉积单元,上部25.5CITI含有丰富的海豹 毛,为灰黑色富含有机质的粪土沉积;底部25.5— 35.5cm深度含有大量分选和磨圆较好的灰黑色玄 武岩质细砂,未含有海豹毛,后来的总有机碳 也表明该部分样品其有机质含量明显低于上部的 25.5cm,推测该沉积柱底部10cm应为未受海豹 活动影响的海相沉积,因此本文主要对表层的25.5 cm部分进行分析和研究.根据其TOC和元素分 析的结果_2,我们选取了一些重要的层次进行生 物标志物的研究(表1). 表1本研究中HN1所取样品编号及深度 Table1.ThenumberanddepthofthissamplestakenfromtheHN1ofthisstudy 2实验方法 样品冷冻干燥后,用二氯甲烷和甲醇(2:1, v/v)的混和溶液抽提72h,底瓶加铜片脱硫.抽提 液浓缩后加入0.5MKOH/MeOH溶液皂化2h. 以正己烷萃取中性组分,之后加稀盐酸调抽提液至 pH%2,以正己烷/_-氯甲烷(9:1,v/v)萃取酸性 第1期黄婧等:西南极菲尔德斯半岛海豹粪土沉积物有机地球化学特征37 组分,然后加入无水硫酸钠脱水.中性组分浓缩至 2—3mL,用硅胶柱分离烃类和醇类两个组分.醇 类和酸类组分用氮气吹干,加BST-FA(N,O—Bist— fimethylsilyltrifluoroacetamide)~生化. 烷烃,醇类和酸性组分都进行GC—MS定量分 析.气相色谱一质谱检测器为HP5792型GC— MSD,色谱柱HP550m×0.32mm×0.17m (1engthXI.D.Xfilmthickness). 烷烃分析升温程序如下:60?(2min) !兰竺!200?一,280?(30min) 醇类升温程序:6OoC(2min)200? 280?(15rain)300?(30rain). 酸类升温程序:60?(2min)150? 300?(30rain) 3结果和讨论 3.1烷烃 图2所列为HN1剖面中不同深度剖面样品 (分别为10,15和24.5cm)的不同烷烃含量对比, 结果显示整个HN1剖面不同深度的烷烃组成相 似,碳数范围从C一C主要分布在C到C, 高碳数烷烃的含量较低,前峰为偶碳优势,主峰为 C…CC.峰,后峰以Cz.为主峰(图2).这表明 HN1沉积物的有机质主要来源于细菌和藻类等低 等生物l_2,偶碳优势的正烷烃指示了此沉积为咸 水湖相或盐湖相沉积【2.HN1沉积柱采样点在菲 尔德斯半岛一级海岸阶地上,它可能经历了由海相 逐步抬升成陆的过程,所以沉积为咸水沉积.在菲 尔德斯半岛上,苔藓地衣是采样点周边主要的植 被,且HN1沉积柱中含有大量的苔藓.张干等5] 认为冻土湖沼沉积物的正烷烃往往以C..为其主 峰,源自于苔原植物有机质的优势输入,南极乔治 王岛菲尔德斯半岛湖相沉积物的n—C.烷烃主要来 源于冻土湖沼苔藓植物l2'..因此我们推断HN1烷 烃组分中的C.主要来源于苔藓植物. 烷烃组分中还含有较高浓度的烯烃,均为单烯 烃,其碳数范围由C一C.…,以C?.,C, c为主,呈偶奇优势,烯烃的浓度一般低于相应 的烷烃浓度.东南极Enderby岛Richardson湖相 沉积物中的单烯烃则分布于nC:一C…E26], Volkman等在Vestfold0asis地区Ace湖中检 出了C2…和含1—4个烯键的C34,Matsumoto 等__28]在东南极McMurdo干河谷的vanda湖沉积物 中检出的单烯烃源自浅湖底(epibenthic)藻类,张 干等_2在菲尔德斯半岛几个湖泊中得到的烯烃以 C.…C:为主,汪建君等[2在西南极阿德雷岛 企鹅粪土沉积物中检测到的烯烃以C,C为 主.大量单烯烃的存在,表明了有机质在南极被良 好保存,早期成岩演化的加氢作用比较微弱. HN1海豹粪土沉积中还检测到五环三萜类生 物标志物,以藿一22(29)一烯和藿一17(21)一烯为主,在 表层藿烯浓度较低,随着深度增加,藿烯的浓度逐 渐增加.一般认为藿烯大多来源于一个.的藿烷 类或一个C.细菌藿烷四醇的前身物,是细菌和真 菌输入的标志[3.沉积柱中藿烯的浓度分布说明 底层的细菌和真菌活动比表层高. 图2沉积柱HN1中烃类组分的分布 Fig.2.DistributionofalkanesinHN1sediments 3.2醇类 图3所列为HN1剖面不同深度剖面样品的醇 类组分含量柱状图(分别为10,15和24.5cm). 由图可以看出NHI沉积柱的醇类组分中植醇,植 物甾醇和粪便甾醇的含量较高,植物甾醇以谷甾醇 为主;粪便甾醇以粪甾醇,异构粪甾醇,胆甾醇和胆 甾烷醇为主;脂肪醇类的碳数从12—26,双峰结构 且偶奇优势明显,以CC.的一元脂肪醇为前后 38极地研究第23卷 主峰,含量较低.目前研究认为在沉积物醇类组分 中的一元脂肪醇为偶奇优势时:当碳数以12—22为 主代表沉积物来源主要为湖泊自生低等植物,如藻 类口a2];碳数以C为主代表了大型水沉植物的输 入口钉;碳数以26,28,30为主则代表了陆生植物 的输入'..汪建君等l_3在研究中进一步证实, 一 般一元直链脂肪醇C..来源于藻类,C? 来源于苔藓,C..来源于地衣.另外,在一些对海 豹习性的研究中提及海豹在爬行时,由于拖曳的作 用,对周围植被造成破坏,这些被拖曳的植被可能 会成为外源进入集水区l4钉].所以,在HN1沉积 剖面中,来源包括了湖泊自生低等植物和陆生植 物,考虑采样点附近的植物以及海豹的活动习性, 我们认为沉积柱中的一元脂肪醇来源为藻类和苔 藓.而高含量的植醇也指示了沉积物中有大量的植 物来源.目前已有研究利用植醇的含量来恢复 历史时期植被对环境的响应l3. 通过对HN1剖面的元素分析,证明其生物来 源主要为海豹粪.所以,我们认为此处的粪便甾醇 来源为海豹粪.Venkatesan和Santiagol43]对不同 的海洋生物进行了粪便中甾醇的分析,最后得出结 墨 燃 论:海豹和海狮不能产生异构粪甾醇,且胆甾烷醇 的含量也很低,但是它们新鲜粪便中的胆甾醇含量 非常高,占到了总甾醇含量的82.Martins等[44_ 也证明了在南极的象海豹,威尔德海豹,豹海豹,毛 皮海狮和食蟹海豹的新鲜粪便中几乎不含有异构粪 甾醇和胆甾烷醇,而胆甾醇的含量达到了总甾醇含 量的9O以上.这些结论和HN1沉积柱的甾醇分 布中胆甾醇含量最高是相似的,少量的胆甾烷醇也 可能是由于自然界中的加氢作用_4.但是HN1的 甾醇分布比例却与前人研究有所差异,沉积泥芯中 胆甾醇的含量占总甾醇含量的50左右,且存在大 量的异构粪甾醇,占到总甾醇含量的38,这种差 异应该是由于HN1为海豹的粪土沉积柱,而非单 纯的新鲜粪便,含有大量的细菌和真菌成分,在环 境中某种厌氧细菌的作用下,粪甾醇会被细菌促化 其异构化,形成异构粪甾醇_4.Martin等]也注 意到在所有南极的粪土沉积物中,异构粪甾醇含量 要远远超过粪甾醇.这些甾醇在不同深度上的含量 分布为我们今后研究此地海豹数量的变化和生态对 环境的响应提供很好的理论依据. 醇类 图3沉积柱HN1中醇类组分的分布 Fig.3.DistributionofalcoholsinHN1sediments 3.3酸类 图4所列为HN1剖面中不同深度剖面样品的 脂肪酸含量柱状图(分别为10,15和24.5cm).结 果显示HN1中的脂肪酸偶奇优势明显且为双峰结 构,碳数分布为12—26,以c.,c;.为主峰;不 饱和脂肪酸含量较低,主要为C.;和C:.这和 阿德雷岛的有机地球化学分析结果相似.短链 脂肪酸C.,C:.:.一般来源于藻类,浮游动物和 细菌47-50].HN1中的C.,C.:.脂肪酸来自 藻类,浮游生物和细菌., HN1中不饱和脂肪酸的含量很低且其形态稳 定.由于c酸自身的敏感性,一般把它们视为 指示生物源的很好指标[5.在HN1中不饱和酸 C:和C含量很低,没有结构变化,表明了沉 积物的来源稳定单一.一般认为样品中不饱和脂肪 酸,尤其是C./c.的比值可以作为古温度的一 40极地研究第23卷 11 12 13 14 l5 16 17 l8 l9 2O 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 4l 42 833——838. 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In summary,theorganicgeochemiealcompositionsindicatedthattheorganicmattersofHN1sedimentwere wellprotectedandmainlyderivedfromsealfeces.And differentdepthswithactivebacteriaandfungi. thesedimentaryenvironmentofHN1changedin Keywordssealfecalsediment,fecalsterol,fattyacid,WesternAntarctica