第 21卷第 2期极地研究Vo.l 21 , No . 22009年 6月CH I NESE J OURNAL OF POLAR RESEARCHJune 2009[收稿日期 ] ? 2008年 12月收到来稿, 2009年 3月收到修改稿[基金项目 ]? 国家自然科学基金 ( 40730107)、 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科学基金 ( OGL? 200606)、IPY2007? 2008 中国 行动 计划 项目 和澳 大 利亚 南极 局合 作项 目( AAD2873)资助[作者简介 ] ? 黄婧, 女, 1985年生博士生, 主要从事有机地球化学研究[联系作者 ] ? 孙立广, E?ma i:l slg@ ustc . edu . cn研究报道东南极戴维斯站企鹅粪土沉积物 有机地球化学特征黄婧1 , 2? 王新明2? 孙立广1(1中国科学技术大学极地环境研究室, 合肥 230026 ;2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)提要? 研究了位于东南极西福尔丘陵地区 Gardner Island企鹅粪土的沉积泥芯 DG2的分子地球化学组成特征。
DG2沉积物的正烷烃以短链为主, 主要来源可能为淡水湖相沉积的藻类和细菌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、 细菌及水生苔藓; 不饱和脂肪酸含量很低, 以 C18?1( ?9)为主, 表明沉积源单一稳定, 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综合 DG2的生物标志物特征, 反映该沉积物的有机质主要来源于企鹅粪、 细菌和藻类; 沉积环境在不同深度也有变化, 0? 30 c m 为氧化环境, 30?63 c m为还原环境关键词? 企鹅粪土沉积? 粪类甾醇? 脂肪酸? 东南极0? 引言企鹅是南极最主要的鸟类, 它具有分布广、 数量多、 食物较为单一的特点生物, 尤其是鸟类对于环境的变化十分敏感, 企鹅已经成为南极环境变化的活指标[ 1 , 2]企鹅粪土沉积物中的酸溶性组分中87Sr/86Sr[ 2]、 无机生物标型元素组合[ 3]、 ?13C和 ?15N[ 4]、 粪甾醇[ 5]以及几丁质酶基因含量[ 6]等各种指标被用来重建历史时期企鹅数量变化。
目前南 北极的有机地球化学研究大多集中于色素分析[ 7]、 有机单体同位素分析[ 8]、 细菌研究[ 9]以及用细菌来消除外源的污染[ 10], 但是关于南极企鹅粪土沉积物的有机地球化学特征研究报道不多西福尔丘陵是南极大陆的第三大绿洲, 该区一个主要的生物学特点是它拥 有相当大的海鸟生物量, 所以该地是生态环境研究的一个热点区域我们在东南极西福尔丘陵戴维斯站附近的加德纳岛采集到一个企鹅粪土沉积物剖面 DG2 本文对该沉积剖面进行分子有机地球化学分析, 讨论历史时期沉积环境和有机质的来源, 为该地区古生 态研究提供一定的理论依据1? 研究区域和样品采集西福尔丘陵 ( 68?33? N, 78?15? E)位于南极东部普里兹湾东侧的沿海地带, 由裸露的、具有深锯齿形海湾和星罗棋布的小湖泊及不同咸度的小冰水池等地势很低的丘陵地带组成, 是南极大陆第三大无冰绿洲区 (图 1)该区面积约为 400 km2, 南接索斯达尔冰川, 东达大陆冰盖, 西北靠海, 由长半岛、 款半岛和莫尔半岛组成[ 11]该地区位于南极圈之内,受环极地气旋和南极大陆高压的双重影响, 气候寒冷、 干燥且多风, 全年大部分时间温度在 0? 以下, 夏季最高温度为 + 13? , 冬季极端气温为 - 38?[ 12]。
但在南极这仍是一块相对温暖的地区, 普里兹湾 80 % 以上的海鸟在该地区繁衍生息[ 13, 14]戴维斯站 ( 68?35? S, 77?58? E)是澳大利亚于 1957年在西福尔丘陵建立的南极科学考察站, 相距中山站大约 100 km的直线距离本文的研究区域加德纳岛 ( Gardner Island)地处东南极西福尔丘陵, 距离戴维斯站以西约 4 km (图 1)它是一个长约 2 km, 宽约 1 km的小岛, 其地势相对平缓, 最高海拔约 49m 该岛为阿德雷企鹅聚居区, 分布有大量的企 鹅和少量的贼鸥及海燕, 然而岛上没有诸如地衣、 苔藓等南极典型植物分布DG2泥芯采集于该岛一个长约 80 m、 宽约 20m 的条带状平台集水区, 其海拔高度约 32 m, 现在仍有较多企鹅在此活动采样时该集水区已接近干涸, 湖床表层分布大量的白色盐颗粒晶 体, 这可能是当地强烈的蒸发作用造成的[ 15] 采样时用洁净处理过的内径为 12 c m 的 PVC管垂直钻到基底, 得到长达 63 cm的沉积柱样 DG2 , 样品取得后冷冻保藏直至实验室分析该沉积柱按照岩性特征可以划分为5个部分: ? 0? 5 cm, 呈黑色, 含大量沙粒和盐粒, 有臭味, 可见少量的企鹅残骨、 蛋壳碎 片和羽毛; ? 5? 50 cm, 呈棕黄色, 发现大量企鹅残骨、 蛋壳碎片和羽毛; ? 50? 56 cm, 呈褐绿色, 含大量羽毛, 但企鹅残骨明显较上层减少; ?56? 60 cm, 为黑色泥质, 偶见企鹅羽毛, 未见企鹅残骨; ? 60? 63 cm, 呈深黑色, 有大量的沙砾, 无企鹅残骨、 羽毛和蛋壳碎 片。
在实验室条件下, 沉积柱表层 0? 3 cm被作为 1个样, 3? 63 c m 按 1 c m 间隔分割样品, 并对分割的样品以 2 cm 1个样来进行有机组分的分析2? 实验方法样品冷冻干燥后, 用二氯甲烷与甲醇的体积比为 2?1的混和溶液抽提 72 h, 底瓶加铜片脱硫抽提液浓缩后加入 0 . 5mol/L KOH /MeOH溶液皂化 2 h 以正己烷萃取中性组分, 之后加稀盐酸调抽提液至 p H < 2 , 以正己烷与二氯甲烷的体积比为 9?1的混合溶液萃 取酸性组分, 然后加入无水硫酸钠脱水中性组分浓缩至 2? 3 mL, 用硅胶柱分离烃类和142极地研究第 21卷图 1? 西福尔丘陵地图和采样位置 F ig . 1. M aps ofV estfoldH ills and sa mpling location DG2醇类 2个组分醇类和酸类组分用氮气吹干, 加 BST? FA( N,0? B istfi methylsily?ltrifluoroac?etam ide)衍生化 烷烃、 醇类和酸性组分进行 GC? MS定量分析气相色谱 - 质谱检测器型号为 HP5792型 GC? MSD, 色谱柱 HP5 50 m ? 0 . 32 mm ? 0 . 17 m ( length ? I . D. ? fil m thickness)。
烷烃分析升温程序如下: 60? ( 2 m in)7?/m in200?3? /m in280? ( 30m in)醇类升温程序: 60? ( 2 m in)10?/min200?3. 5? /m in280? ( 15 m in)15? /m in300? ( 30m in)酸类升温程序: 60? ( 2 m in)10?/m in150?2 . 5?/m in300? ( 30 m in)3? 结果和讨论3 . 1? 烷烃?? 图 2所列为 DG2剖面中不同深度剖面样品 (分别为 5 c m, 15 cm, 35 cm)的典型烷烃 分布结果, 结果显示整个 DG2剖面不同深度的烷烃组成相似, 均呈单峰, 高碳数烷烃的含量较低, 碳数范围从 C14? C32, 主要分布在 C14? C20, 主峰为 C16, C17, C18峰 (图 2)这表明143第 2期? ? ? ? ? ? ? 黄婧等: 东南极戴维斯站企鹅粪土沉积物有机地球化学特征DG2沉积物的有机质主要来源于细菌和藻类等低等生物[ 16], 其中以 C 17主峰还指示了淡 水 ? 半咸水湖相沉积[ 17]DG2湖泊沉积柱采样点为积水区, 主要水源为冰雪融水, 属淡水湖相沉积, 这与 C17主峰结果相一致。
图 2? 沉积柱 DG2中烃类组分的分布 F ig . 2. D istribution of alkanes in DG2 sedi ments?? 在 DG2的烃类图谱中还有鼓包存在, 即不可分离的复杂混合物 ( Unresolved ComplexM ixture , 简称 UCM ) 存在UCM 为石油或者煤矿或其污染区土壤的烷烃组成之一Philip[ 18]指出, 这些可能是数量庞大的支链碳氢化合物, 由于数目众多且相似性高, 所以在仪器上难以区分结合 DG2采样点的具体情况, 认为此处很可能是由于降解作用导致 的同时, DG2沉积剖面姥鲛烷 ( Pr)和植烷 ( Ph)浓度较高一般认为姥鲛烷和植烷主要是来源于地质体中的叶绿素, 高的 Pr/Ph值指示有机质形成于氧化环境, 而低的 Pr/Ph值指示有机质形成于还原环境[ 19]在 DG2剖面中, 0? 30 c m 可视为氧化条件, Pr/Ph值很144极地研究第 21卷高; 下半部分为还原环境 整个沉积柱自上而下还分布有角鲨烷 ( i C30)而角鲨烷一般存在于膏盐环境下, 是由于甲烷成因菌和喜酸喜热菌的输入形成的, 指示了气候炎热的环境[ 20]。
在 DG2沉积柱的表层有大量的盐晶体, 而且气候资料也证实当地夏季气候炎热, 蒸发量大, 容易形成 膏盐环境, 同时在测定的烷烃组分中, 与之对应的角鲨烷含量也很高, 所以沉积物中角鲨烷的存在, 指示了研究区域夏季高温和高蒸发量的气候特征图 3? 沉积柱 DG2中脂肪酸类组分的分布 F ig . 3. D istribution of fatty acids in DG2 sedi ments3 . 2? 酸类?? 图 3所列为 DG2剖面中不同深度剖面样品 (分别为 15 cm、 35 c m 和 55 cm)的典型脂 肪酸分布结果, 结果显示 DG2中的脂肪酸偶奇优势明显且为双峰结构, 碳数分布为 12?30, 前峰为 C16? 0, C18?0, 后峰出现于 21 cm之后, 以 C24?0为主峰不饱和脂肪酸含量很低这和阿德雷岛的有机地球化学分析结果相似[ 5]高含量的 C 12?0? C20?0短链脂肪酸一般来 源于浮游动物和细菌[ 21]M atsuda等[ 22]研究了水生浮游植物和浮游动物中脂肪酸的分145第 2期? ? ? ? ? ? ? 黄婧等: 东南极戴维斯站企鹅粪土沉积物有机地球化学特征布, 发现了浮游生物中饱和脂肪酸分布主要在 C14?0? C20? 0之间, 且以 C16?0为主峰。
Canuel和 Martens[ 23], Comet和 Eglinton[ 24]及 Kaneda[ 25, 26]研究认为, C 12?0? C20?0脂肪酸来自细菌Philip[ 18]认为以 C 16?0, C18?0为主峰的酸组分主要来自于淡水和湖泊的藻类表层叶蜡因 此, DG2中的 C12?0? C20?0脂肪酸来自淡水藻类、 浮游生物和细菌一般认为 C22?0? C34?0长链脂肪酸指示了陆源的高等植物等有机质输入M atsuda等[ 27]研究了淡水湖泊沉积物中的脂肪酸分布, 发现 C 22?0之后的长链一元脂肪酸来自陆源高等植物的输入Heras等[ 21]研究了 Cerdanya盆地中新世淡水湖泊沉积物中脂肪酸分布后得出了相同的结论但是 Philip[ 18]指出, C22?0和 C24?0一元脂肪酸也指示了一些大量沉水藻类群体或者陆源植物, 如大型硅藻属或者苔藓的输入但是, 研究区域位于东南极, 那里的苔藓种类仅有 6种, 其中 1种拟三列真鲜为水陆双生; 而积水区的藻类中硅藻属的都为微型或小型硅藻[ 28]。