海鸟活动在东南极中山站区莫愁湖沉积物中的记录

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1、第16卷第4期极地研究Vol . 16, No. 42004年12月CH I NESE JOURNAL OF POLAR RESEARCHDecember 2004收稿日期 2004年5月收到来稿, 2004年8月收到修改稿。基金项目 国家自然科学基金项目(40231002, 40306001)和教育部专项基金项目(200354)资助。作者简介 刘晓东,男, 1974年生。在中国科技大学极地环境研究室获得博士学位,现为中国科技大学地球与空间科学学院博士后,主要从事极地古生态与环境方面的科学研究。联系地址 E2mail: ycxustc. edu. cn研究论文海鸟活动在东南极中山站区 莫愁湖沉

2、积物中的记录刘晓东 孙立广 谢周清 朱仁斌 尹雪斌 赵三平(中国科学技术大学极地环境研究室,合肥230026)提要 本文对采自东南极拉斯曼丘陵中山站区的莫愁湖沉积物的元素、 氨基酸和Sr同位素组成进行了详细的地球化学分析。结果表明:莫愁湖沉积物中Zn、Cu、F、S、P、Se等六种元素具有共同的物质来源,其标型组合特征很可能揭示了莫愁湖沉积物在历史时期曾受到过企鹅等海鸟粪的影响,沉积物中酸溶相Sr同位素组成则确认了海洋源Sr的生物地球化学转移过程。酸溶相87Sr/86Sr值和研究区的新鲜海鸟粪酸溶相Sr同位素组成基本一致,都非常接近于海洋来源锶同位素组成(87Sr/86Sr = 0. 7092)

3、 ,并且沉积物中的生物元素Zn、Cu、F、S、P、Se含量和酸溶相Sr浓度具有非常高的统计相关性。酸溶相的87Sr/86Sr比值和反映湖泊中藻类等生物自然生成量的氨基酸含量表现出明显的负相关关系,进一步揭示了莫愁湖沉积物在历史时期曾受到企鹅等海鸟活动的影响。上述研究结果为更深入地研究该地区的生态、 气候和环境的演变历史及其相互作用提供了有价值的参考资料。关键词 东南极 湖泊沉积物 元素 氨基酸 Sr同位素 海鸟粪1 引言在南极大陆沿岸带分布着许多湖泊,这些湖泊的发育和形成与全球气候变化影响、 南极大陆冰盖的多次扩张退缩,以及随之发生的一系列大陆均衡抬升和海平面变化有关(张青松, 1985;王自

4、磐等, 1998, 1999, 2001)。极地湖泊生态系统因具有高度的复杂性和脆弱性,各种环境因子的改变都能引起淡水生态系统的高灵敏度响应,从而发生自然地 理、 物理化学因子以及湖中栖息生物等多方面的显著变化,从湖泊沉积物中收集更灵敏、更精确的古气候与古生态环境演变证据逐渐引起地学家和生物学家的重视(李栓科等,1998)。目前,国内外学者利用多种替代性环境指标对南极半岛地区的湖泊沉积物进行 了大量的研究,在恢复该地区的古气候、 古环境演变与冰盖进退历史方面取得了许多有意 义的成果(刘东生等, 1998;赵俊琳, 1991;M?usbacheret al. , 1989; Bjrcket al

5、. , 1993,1996; Noonet al. , 2001)。最近, Sunet al.(2001a) , Sun and Xie(2001b)在传统的湖泊沉 积研究方法基础上,利用元素组合标型方法识别出阿德雷岛上的湖泊沉积序列企鹅粪土 层,并根据企鹅粪土层所表达出的时间、 环境、 生态信息,探讨了3000年来企鹅数量的记 录和重要的环境事件,揭示出历史企鹅数量与气候演变之间的关系。 东南极拉斯曼丘陵区地处大陆冰缘和海洋之间,同时受到来自大陆冰盖和海洋的影 响,这里不仅是南极海、 陆、 冰的地理交集带,也是南极气候变化的敏感区。和南极半岛大 多数地区亚南极海洋性气候特征相比较,该地区属典

6、型的风寒、 干旱极地大陆性气候。因 为极端恶劣的自然环境条件,各国科学家对该地区的湖泊研究多集中在水化学和现代生 态学方面(王自磐等, 1998, 1999;李植生等, 1997, 1998;谢周清等, 2000; Gasparonet al. ,1999, 2002) ,对沉积物中的生态历史记录尚未见有关报道。本文拟通过元素、 同位素和氨 基酸的分析,利用生物地球化学方法对中山站区莫愁湖沉积物进行研究,揭示该湖泊在历 史时期曾受到过海鸟活动的影响,为进一步研究该地区的生态、 气候和环境的演变历史及 其相互之间作用关系提供了重要的基础资料。2 研究区域概况中山站位于东南极普里兹湾的拉斯曼丘陵的

7、米洛(Mirror)半岛北端,其地理坐标为692224S, 762224E。中山站所在的拉斯曼丘陵(图1) ,地处南极圈以南区域,是南 极大陆沿海少数夏季无冰区之一。该地区面积近200km2,陆地面积约40km2,由4个大半 岛(斯托尼斯半岛、 布洛克尼斯半岛、 米洛半岛和小半岛)及130余个海岛组成,介于6912S6928S及76E7630E之间,最高峰海拔180m (李植生等, 1997)。该地区位 于南极圈之内,受环极气旋和南极大陆高压的双重影响,属典型的风寒、 干旱的极地大陆 性气候,气温低,冬天严寒、 干燥、 风大,夏季较短,地面基岩裸露,物理风化严重,植被稀 少,环境恶劣。极端恶劣

8、的气候环境条件限制并减弱了该地区的生物风化和化学风化过 程,因而湖边多见细沙,没有真正的土壤发育(李栓科, 1995)。该地区主要出露元古代低 压麻粒岩相的变质岩,片麻状花岗岩主要出露于米洛半岛北部(刘小汉等, 1998)。表1 中山站区莫愁湖主要物理化学特征 Table 1.Key physico2chemical features ofMochou Lake around the Zhongshan Station area物理 特征高程 (m. a. s . l)水域面积(km2)流域面积(km2)最大深度 (m)最大长度 (m)最大宽度 (m)水温 ()盐度 ()电导率 (mS/cm)

9、溶解氧 (mg/L)100. 0050. 1274. 050306. 31. 21. 1812. 8化学 特征TP (mg/L)PO42P (mg/L)TN (mg/L)NH42N (mg/L)NO32N (mg/L)HCO- 3 (mg/L)Na+ (mg/L)K+ (mg/L)Ca2 + (mg/L)Mg2 + (mg/L)0. 0260. 0240. 4140. 1020. 0122. 272608. 412. 3812. 32表中数据主要参考Lianget al.(1999) , Gasparon and Burgess(1999) , Gasparonet al. (2002)和李植

10、生等( 1997)。692极地研究第16卷随着冰盖后退和融雪径流的发展,在拉斯曼丘陵低洼处形成约150多个大小不等的 湖泊,湖泊总面积6. 3km2,湖泊水位年中变化很大,实际上一些小湖属间歇性坑塘,大多 数湖夏季(12月 2月)被融化,其他季节均为冰封湖。本文所研究的莫愁湖位于米洛半岛,在中山站和俄罗斯进步一站附近(图1)。根据李栓科等(1998)现场测试的数据资 料,莫愁湖海拔高度为10m,最大水深为4m左右,湖泊面积为0. 005km2,补给区面积约为0. 127km2,湖泊长宽分别为50m和30m。湖水来源主要由两部分组成,一是冰盖冰川融水, 另一是季节性积雪融水,湖水的补给主要在不足

11、两个月的夏季;湖水的损耗主要是蒸发和 外流。莫愁湖的主要物理化学性质见表1。该湖中的化学成分和湖中生物种类与生物量均高于该地区其它湖泊,水体中含较高磷酸根离子浓度及总氮含量,水中溶解氧处于饱和 状态,为弱酸 弱碱性的良好氧化水体。水体的化学成分阴离子以Cl-为主,阳离子以Na+为主,并含有较高含量的HCO- 3(表1)。湖泊中的初级生产者以蓝藻、 硅藻、 绿藻为 主要成分;无机氮、 无机磷均为藻类生长的限制因素(Lianget al. , 1999)。3 样品的采集与分析采样时用洁净处理的内径为12cm的PVC管垂直插入,取得的沉积柱长85cm,岩性 剖面如图2所示。取得的沉积柱以1cm间隔分

12、割样品,将实验室内分得的湿样在105 下烘24h后测含水量,然后将干燥后的样品放入马氟炉中并在550 的条件下烘烧34h,测烧失量百分比(LO I550) ,实验结果见图2。将分得的沉积物样品按4cm间隔进行 化学分析,测试项目包括26种元素含量(Zn、Cu、F、S、P、Se、Hg、As、Cd、Sr、Ba、B、Ga、Cr、Na、K、Ca、Mg、Mn、Fe、Ti、Al、Si、Ni、V、Pb)、 氨基酸组分和含量以及Sr同位素组成。用于 元素含量分析的湖泊沉积物样品在室内自然风干后,研磨到200目,取粉末状样品0. 10. 5g,精确称重,然后在坩埚中用多种酸在电加热的条件下硝化。SiO2、Al2

13、O3和FeO的浓 度用各种湿化学分析方法; S的测量是在SRJK22型高温炉中燃烧后用KI容量法; F用离子选择电极法测定( ISZ) ;痕量元素Sr和Ba是在样品用王水/HF/HClO4硝化后在等离 子体发射光谱仪上测定( I CP2AES) ; P2O5, TiO2, Cr, V, B浓度用紫外可见分光光度计测 定(UVS) ;As、Se和Hg的浓度在AFS22202a型原子荧光谱仪上测定(AFS) ; K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、Cu和Zn的含量用PE21100B原子吸收光谱仪测定(AAS) ; Pb和Ni的 含量在惠普3510原子吸收分光光度仪上测定; Cd和Ga的含

14、量在PE21100B原子吸收光谱仪上用HGA2700型石墨炉原子吸收法测定。为了监控样品的测试质量,在每批样品的 分析过程中加入国家标准沉积物和土壤样品,结果表明标准样品的测试值和标准值非常 一致,绝大部分分析元素的相对偏差在 5%以内,说明总体分析结果可靠。莫愁湖沉积物样品中氨基酸含量的测试在中国农业科学院饲料研究所中心实验室完 成。为准确测定沉积物中所含的18种氨基酸含量,对样品的前处理分别采用了常规直接水解法、 氧化酸水解法和碱水解法,分析步骤严格按照国家标准(GB /T 1824622000、GB /T15399294、GB /T 15400294)。处理好的样品氨基酸分析采用2, 4

15、2 二硝基氟苯柱前衍生反 相高效液相色谱法。分析仪器和实验条件如下: SP28800高效液相色谱仪, SP28450紫外 2 可见分光光度检测器, SP24290积分仪;测定条件:色谱柱Spheri25分析柱2504. 6mm,柱792第4期 刘晓东等:海鸟活动在东南极中山站区莫愁湖沉积物中的记录图1 拉斯曼丘陵以及中山站位置图 Fig . 1. Maps of the Larsemann Hills showing the location of Zhongshan Station area892极地研究第16卷图2 莫愁湖沉积物岩性剖面以及含水量(WC)、 烧失量(LO I)、 总氨基酸(

16、TAA)以及蛋白质(TP)含 量随深度剖面的变化曲线。岩性说明: 1.混有石英、 云母矿物碎屑的黄绿色藻类残体,湖藻较 新鲜,无臭味、 无黑色有机泥出现,间杂有数量不等的砾石,磨圆较好,多呈片状、 扁平状,主要 由含石榴子石的片麻岩组成; 2.以黄绿色藻类残体为主,但出现少量黑色有机泥、 有轻微恶臭 味,砾石含量较少,未见大的砾石出现; 3.有强烈恶臭味,黑色有机泥为主体,周围夹杂有藻类 残体,含少量砾石,具一定磨圆 Fig . 2. Down2core variation profiles ofwater content(WC) , loss on ignition (LO I) percentage, total amino acid (TAA) abundances and total protein (TP) abundances in theMochou Lake sediments效以缬氨酸测定的塔板数为33600 /m,检