太阳活动与地球生态系统之间的联系是学术界较少谈及但却十分重要的论题。本文尝试利用青藏高原东部湖泊沉积物中高等植物生物标志物指标探讨高原生态系统与太阳活动之间的关系。结果表明高等植物来源正构烷烃和正构脂肪醇的碳优势指数(CPI)及平均碳链长度(ACL)敏感地响应了总太阳辐照度(TSI)的变化,忠实地记录了青藏高原东部近900 a来四次太阳活动极小期。因此我们认为高原湖泊生态系统波动背后的驱动力实质上是太阳辐射强度的变化。 The relationship between solar activity and the terrestrial ecosystem is an important topic but less mentioned in previous studies. Herein, we applied the biomarker index deduced from the n-alkanes and n-alkanols in lake sediments which are believed to be derived from higher plant exploring the relationship between the solar activity and plateau ecosystem. The results show that the conventional biomarker indexes including carbon preference index (CPI) and average chain length (ACL) sensitively respond to the total solar irradiation (TSI) variation and faithfully recorded four solar minimum periods during the last 900 a. So it is considered that the driving force behind the fluctuations of plateau lacustrine ecosystem is essentially the change in solar radiation intensity.
蒲阳1,葛井莲1,何天豪1,高凤霞1,刁汉婕2,丁莹莹2
1南京信息工程大学,地理科学学院,江苏 南京
2南京信息工程大学,遥感与测绘工程学院,江苏 南京
收稿日期:2018年1月16日;录用日期:2018年2月2日;发布日期:2018年2月9日
太阳活动与地球生态系统之间的联系是学术界较少谈及但却十分重要的论题。本文尝试利用青藏高原东部湖泊沉积物中高等植物生物标志物指标探讨高原生态系统与太阳活动之间的关系。结果表明高等植物来源正构烷烃和正构脂肪醇的碳优势指数(CPI)及平均碳链长度(ACL)敏感地响应了总太阳辐照度(TSI)的变化,忠实地记录了青藏高原东部近900 a来四次太阳活动极小期。因此我们认为高原湖泊生态系统波动背后的驱动力实质上是太阳辐射强度的变化。
关键词 :湖泊沉积物,生物标志物,正构烷烃,正构脂肪醇,总太阳辐照度
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在过去数十年间,已有大量研究证实较长期的气候变化与太阳活动之间存在着密切的联系 [
来源于高等植物的类脂物生物标志物为我们认识过去生态系统变化提供了独立的指标体系。它们主要来自各种高等植物的叶片、茎及花朵等器官 [
本文选取青藏高原东部年保玉则地区典型的冰蚀湖希门错为研究区域,对该湖沉积物中来源于高等植物的正构烷烃和正构脂肪醇类生物标志物进行了提取和分析,利用常规的碳优势指数(CPI)及平均碳链长度(ACL)指标表征研究区内高等植物生态系统的波动,并通过生物标志物指标与总太阳辐照度(TSI)的对比,进而探讨太阳活动对高原生态系统的影响。
年保玉则位于青海省果洛州久治县境内(又称果洛山),现代雪线海拔约为5100 m,在最高峰的周围覆盖有现代冰川 [
图1. 青藏高原东部年宝玉则地区希门错湖泊地理位置及等高线地形图
以及冰川融水。
本次研究湖泊沉积物钻孔坐标为N33˚22'40.59/E101˚06'21.78,利用重力采样器取得水深34.4 m处44 cm长的湖泊沉积物岩芯。整个岩芯上下颜色均一,为浅灰色粉砂质粘土,没有受到扰动的痕迹。按2 cm间隔采样共采集样品22个,进行生物标志物分析。然后在相邻水域取平行钻孔,按1 cm间隔采样,开展210Pb及137Cs年代分析。
将每个实验样品称取2 g,研磨至80目以下。采用溶剂-超声波萃取法,将样品用二氯甲烷:甲醇(93:7)混合溶剂浸泡一段时间,再用超声波常温萃取三次,每次20 min,合并萃取液并过滤,将滤液浓缩恒重。湖泊沉积物样品为防止样品中微量组分在分离过程中进一步流失,不再用硅胶-氧化铝色谱柱分离为族组分。自然风干后取出部分样品转移至细胞瓶,经由BSTFA衍生化后,直接进行气相色谱-质谱联用仪(GC/MS)分析。
图2展示了希门错湖泊沉积物210Pbexc及137Cs比活度随沉积物深度的变化趋势,可以发现210Pbexc及137Cs的比活度在6 cm以后逐渐趋于0 dpm/g,其中210Pbexc比活度随深度大致呈平滑的指数衰减,说明沉积环境相对稳定 [
图2. 希门错湖泊沉积物过剩210Pb及137Cs活度随深度变化图
个峰值(图2),代表1963年世界各国频繁试爆核弹的时期,据此计算出来的沉积速率与210Pb的结果基本一致。
图3展示了希门错表层湖泊沉积物样品(0~2 cm)中正构烷烃及正构脂肪醇生物标志物的分布特征。其中正构烷烃的碳数分布范围为n-C15~n-C33,呈单峰型分布,高碳数正构烷烃(Cn ≥ C21)具有明显的奇碳优势,n-C15~n-C20等低碳数正构烷烃含量较低,无明显的奇偶优势(图3(a))。大多数陆生维管束植物叶片表皮蜡质中含有很高比例的长链正构烷烃,以n-C27、n-C29或n-C31为主峰,具有显著的奇碳优势 [
正构脂肪醇的碳数分布范围是C13~C32,所有样品的高碳数部分(Cn ≥ C22)具有明显的偶碳优势,且高碳数正构脂肪醇的相对含量明显高于低碳数部分的相对含量(图3(b))。已有的研究表明长链偶碳数正构脂肪醇来源于高等植物叶片表层的蜡质,而短链的正构脂肪醇(碳数 ≤ 21)来源于低等菌藻类生物 [
正构烷烃和正构脂肪醇生物标志物是湖泊沉积物中的化学成分,属于化学种(或者称为分子种) [
碳优势指数(CPI)是反映生物标志物所含奇数碳与偶数碳同系物相对丰度的参数。多用于正构烷烃系列的计算,例如来自微生物和藻类等低等生物体的正构烷烃CPI值很低,而高等维管类植物的正构烷烃具有相对较高的CPI值 [
图3. 希门错湖泊表层沉积物正构烷烃(a)及正构脂肪醇(b)生物标志物碳数分布特征
此外在现代表土的地带性研究中也有类似的发现:中国东部地区62个现代表土样品中长链正构烷烃CPI值随着纬度的上升而增加,而与采样地区的植被类型没有必然联系,说明生物标志物CPI值主要受控于气候因素 [
但需指出的是制约沉积物中生物标志物CPI值变化的因素较多。比如沉积环境的演变 [
通过对比发现近1000 a以来TSI的5点滑动平均线与希门错湖泊沉积物正构脂肪醇和正构烷烃CPI值有着总体一致的变化趋势,说明CPI指标敏感地响应了太阳活动的变化。特别是近900年以来的四次太阳活动极小期,包括沃尔夫极小期(Wolf Minimum)、斯玻勒极小期(Spörer Minimum)、蒙德极小期(Maunder Minimum)、道尔顿极小期(Dalton Minimum),均在CPI22-28-ACH和CPI21-33-ALK指标上有所体现。而中世纪暖期(MWP)和近代小冰期(LIA)也在CPI指标上有所体现。其中MWP期间CPI值较高,而LIA期间CPI值较低,可能的原因是MWP期间,由于较高的TSI值导致季风活动增强,降水量上升,从而导致更多的陆源碎屑随地表径流及风力搬运到湖泊中沉积下来,而陆源碎屑中大部分的长链正构烷烃及正构脂肪醇来自高等植物,它们均表现出很高的CPI值 [
图4. 正构脂肪醇碳优势指数(CPI22-28-ACH)和正构烷烃碳优势指数(CPI21-33-ALK)与近千年以来太阳总辐射能(TSI, w/m2)的对比,阴影部分代表四次明显的太阳活动极小期,W、S、M、D分别代表沃尔夫极小期(Wolf Minimum)、斯玻勒极小期(Spörer Minimum)、蒙德极小期(Maunder Minimum)、道尔顿极小期(Dalton Minimum)
贡献的生物标志物增加,如一些沉水植物和菌藻类生物等,而它们的CPI值一般较陆生高等植物低,因此在LIA期间CPI值呈现低值。
Poynter引入了平均碳链长度(ACL)的概念,他研究了海洋积物中长链正构烷烃ACL值的变化,并认为该指标可以代表陆地物源区古温度的相对变化 [
与上一节探讨CPI与TSI之间的关系类似,将近1000 a以来的TSI变化进行5点滑动平均(如图5所示)。正构脂肪醇ACL的计算依然选用C22~C28的正构脂肪醇(表示为ACL22-28-ACH)。而正构烷烃ACL的计算主要集中于C27~C33长链正构烷烃系列(表示为ACL27-33-ALK),中碳数系列的C21至C25系列没有参与计算,主要是考虑到水生植物由于湖水的隔离,对外界环境变化的响应可能相对迟钝。
图5. 正构脂肪醇平均碳链长度(ACL22-28-ACH)和正构烷烃平均碳链长度(ACL21-33-ALK)与近千年以来太阳总辐射能(TSI, w/m2)的对比,阴影部分代表四次明显的太阳活动极小期,W、S、M、D所代表的意义与图4相同
从已有的希门错湖泊沉积物孢粉数据来看,希门错地区的植物群落在近2000 a以来并没有发生植物生活型的演替,但是存在植物种属间相对生物量的波动 [
综合对比生物标志物CPI和ACL指标与1000 a以来TSI之间的关系,不难发现生物标志物指标有滞后于TSI变化的趋势。特别是近900 a以来四次明显的降温过程,其发生和结束的时间均滞后于TSI记录。而生物标志物指标所反映的MWP和LIA事件也滞后于TSI所对应的这两个特殊的气候阶段(图4及图5)。由于湖泊沉积物中年代测定可能存在一定的误差,因此本次研究发现的“滞后效应”的绝对时间是无法给出的,但根据图4和图5所示的四次明显降温过程,滞后的时间范围可初步判定为30~80年。这一结果与前人对生物标志物指标与气候变化指标之间关系的研究较为一致:南美洲卡里亚科盆地沉积物中指示高等植物群落变化的长链脂肪酸ACL24-28指标和C32脂肪酸单体碳同位素值滞后于其他气候变化指标约50 ± 25 a [
通过已有的研究结论并结合希门错湖区自身的地理环境,我们认为该“滞后效应”可能是由太阳辐射的变化导致地球气候系统内部发生调整 [
青藏高原东部希门错湖泊沉积物中来源于高等植物的生物标志物记录了高原生态系统的波动,反映了研究区气候的变化,间接响应了太阳活动。说明太阳辐射强度可能在数百年至千年尺度上是高原湖泊生态系统波动的重要驱动力。
本项目由2016年度南京信息工程大学大学生实践创新训练计划项目(编号201610300310)及国家自然科学基金(编号41301224)联合资助。
蒲 阳,葛井莲,何天豪,高凤霞,刁汉婕,丁莹莹. 太阳辐射影响高原生态系统的湖泊沉积生物标志物证据The Evidence from the Biomarker in Lake Sediments for the Solar Activity Influences on the Plateau Ecosystem[J]. 地球科学前沿, 2018, 08(01): 9-18. http://dx.doi.org/10.12677/AG.2018.81002