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1、中国科学技术大学 博士学位论文 环南极企鹅海豹的有机生态地球化学研究 姓名：黄婧 申请学位级别：博士 专业：环境科学 指导教师：孙立广;王新明 2011-05-02 摘 要 I 摘 要 摘 要 阿德雷企鹅和南极毛皮海豹是南大洋食物链顶端捕食者，他们对环境变化的 反应敏感，是南极无冰区环境变化的指示计。研究历史时期企鹅、海豹的生态变 化有助于更好地认识未来的全球变化对南大洋生态系统的影响。 目前对南极企鹅、 海豹生态变化的研究主要以野外调查、卫星遥感观测和粪土层标型元素、Sr和N 同位素的方法为手段，应用有机地球化学方面的工作还不多。 本文选取位于东南极西福尔丘陵阿德雷企鹅粪土沉积剖面DG2、西
2、南极法尔 兹半岛毛皮海豹粪土沉积剖面HN1和东南极罗斯岛阿德雷企鹅粪土沉积剖面 MB4进行有机地球化学分析， 以生物粪土沉积层为载体， 利用生物标志物结合地 质学方法与古气候学、生态学、动植物学等多学科交叉的方法，研究了环南极三 个区域的有机地球化学性质和生态发展历史，结合气候变化和人类文明的发展， 利用微观生物地球化学来探索生态、气候与环境变化之间的科学问题，探讨生物 对环境的响应和海鸟、海兽对聚居地周围植物生态环境的影响，为研究环南极生 态和环南极气候变化提供科学依据，也为更好的预测未来提供基础。涉及的主要 内容和结果如下： 1. 东南极西福尔丘陵企鹅聚居地生态研究 对东南极西福尔丘陵Ga
3、rdner Island阿德雷企鹅粪土沉积剖面DG2开展了有机地 球化学分析，研究了企鹅粪土层DG2的烃类、醇类和酸类等生物标志物。DG2沉积 剖面的正烷烃以短链为主；脂肪酸组分偶奇优势明显，以C16,C18和C24一元饱和脂肪 酸为主；不饱和脂肪酸含量很低，以C18:1 9为主，总体表明沉积剖面的沉积来源单一 稳定，主要来源可能为淡水湖相沉积的藻类、细菌和水生苔藓输入，无大波动。醇 类组分以高浓度的植醇、胆甾烷醇和胆甾醇为主，分别代表了植被和企鹅数量，指 示了研究区域历史时期的生态变化。本章利用粪便甾醇恢复了阿德雷企鹅在西福尔 丘陵地区8,500年来的数量变化， 恢复此地历史时期的生态系统变
4、化， 并首次利用C24:0 酸作为水生苔藓的标志物，恢复历史时期水生苔藓的生长状况以及探讨水生苔藓和 企鹅数量之间相互消长的关系。 2. 西南极法尔兹半岛海豹聚居地生态研究 对西南极法尔兹半岛毛皮海豹粪土沉积剖面 HN1 开展了有机地球化学分析, 这是首次利用生物标志物的方法来恢复历史时期海豹数量的变化。 通过对采自该 地区的海豹粪土沉积柱 HN1 的有机地球化学分析， 发现 HN1 沉积剖面的正烷烃 以短链及 n-C23为主，主要来源可能为湖相沉积的藻类、细菌和苔藓的输入。脂 肪酸组分偶奇优势明显，以 C16，C18和 C24一元饱和脂肪酸为主，主要来源可能 是浮游动物、细菌及苔藓；不饱和脂
5、肪酸含量很低，以 C16:1和 C18:1为主，表明 摘 要 II 了沉积剖面的沉积源单一稳定，无大波动。醇类组分以高浓度的植物甾醇和粪便 甾醇为主，分别代表了植被和海豹粪土沉积的输入，利用粪便甾醇和植醇恢复了 该地区上个世纪以来海豹数量的变化和周围植被变化。20 世纪上半叶，由于人 为的大量捕杀，该地区海豹数量下降， 60 年代后期由于人类禁止捕杀海豹，该 地区海豹数量得以迅速恢复。 该地区上个世纪以来人类活动对海豹数量变化有显 著影响。与此同时，气候变暖在过去几十年中使植被和藻类增加，磷虾减少，磷 虾数量的减少也影响了海豹数量的变化。 3. 东南极罗斯岛企鹅聚居地生态研究 对东南极罗斯岛企
6、鹅粪土沉积剖面MB4开展了有机地球化学分析，第一次利 用生物标志物的方法来恢复该地区历史时期企鹅数量的变化。 通过对东南极罗斯 岛Cape Bird的企鹅粪土沉积剖面MB4的有机地球化学分析，可以了解到MB4沉 积剖面的正烷烃主要分布在C15到C30，以C17、C23和C29为主，主要来源可能为周 围环境中的苔藓输入。脂肪酸组分偶奇优势明显，以C16和C24一元饱和脂肪酸为 主，主要来源可能是浮游动物、细菌及苔藓。醇类组分以C28,30一元脂肪醇、植 物甾醇和粪便甾醇为主。 通过利用生物标志物： 胆甾醇+胆甾烷醇、 植醇、 nC16-ol、 nC22-ol和nC28-ol来分别指示企鹅数量、植
7、被状况、藻类、苔藓和地衣的变化，恢 复罗斯岛Cape Bird中部地区阿德雷企鹅聚居地1,120年来的生态变化，探讨此地 的沉积环境、有机质来源以及环境对此沉积的影响，探讨企鹅生态和自然过程对 南大洋生态系统的影响，以及和周围环境之间的反馈关系。 4环南极地区粪土层生物标志物性质对比与分析 我们用生物标志物的方法分析了环南极三个沉积剖面：东南极西福尔丘陵 Gardner岛、西南极法尔兹半岛和东南极罗斯岛Cape Bird，通过分析这三个生物 沉积剖面中的有机生物标志物分布， 研究这三个区域沉积物由于周边植被和聚居 地动物的不同而造成生物标志物的不同。烃类、脂肪醇和酸类的变化更多的是受 到了采样
8、点沉积古环境以及采样环境和古环境中周围植物输入的影响， 甾醇类则 是受到不同动物粪便来源的影响而显示出不同的标志物， 可以对不同的动物粪便 来源进行区分并恢复历史时期的生物数量变化。通过对比发现，生物标志物提供 了沉积剖面更为全面的信息，可以完善对粪土沉积层性质的了解，加深了对区域 生态和环境演变过程的理解。 关键词：关键词： 有机地球化学 生物标志物 甾醇 生态历史 气候变化 环南极 人类文明 Abstract III Abstract Adlie penguin and fur seal are the top predators in the food chains of Souther
9、n Ocean and they are sensitive to the environmental changes. Therefore they are indicators of the Southern Ocean status. Rearches on the historical changes of ecosystems of penguins and seals contribute to a better understanding of the influences of global changes to the ecosystem of Sounthern Ocean
10、. And the current methods of researching on the Antarctic penguins, seals ecological responses are field survey, satellite remote sensing methods, biogeochemical records and the istopes of N and Sr. But the works which are using organic geochemistry method are few. In the present study, we perform o
11、rganic geochemic analyses on the Adlie penguin ornithogenic sediment core DG2 and MB4 in Vestfold Hills and Ross Island, East Antarctica separately, and fur seal excrement sediment core HN1 in Fieldes Peninsula, combine with geology and ancient climate, ecology, animal and plant science and other in
12、terdisciplinary approach, study the organic geochemistry and ecological history of the three regions around the Antarctica. By combine with changes of climate and development of human civilization, we can explore the problems between climate and environmental changes, biological responses to environ
13、mental and sea birds, sea animals on the colonies by using micro-ecological biogeochemistry. And these researches provide the scientific basises for future ecological researches and the researches of climate of the Antarctic ring. The main contents are summarized as follows: 1. The evolution of peng
14、uin colony on Vestfold Hills, East Antarctica We collected an ornithogenic sediment core DG2 from Gardner Island in Vestfold Hills, East Antarctica, and reconstructed an 8,500 years variation history of penguin population and vegetation abundance on this island, and examined the evolution of the pen
15、guin colony. The results showed that the aliphatic hydrocarbons were mainly consisted of short-chain n-alkanes which likely derived from freshwater algae and bacteria. Meanwhile, the even-carbon fatty acids, such as n-C16, n-C18 and n-C24, dominated alkenoic acids and they principally originated fro
16、m bacteria, freshwater moss or zooplankton. However, unsaturated fatty acids were predominated by C18:1 acid from freshwater algae to show good preservation and simple sourses of the sediments but trace amount in it. Furthermore, the concentrations of cholestanol, cholesterol and phytol which came from penguin excrements and vegetation were high in the alcohols and the fluctuations of them in the lake core might respon
