湿地沉积脂类分布特征及古环境意义 ——以植物正构烷烃和微生物藿类为例

来源 :中国地质大学 | 被引量 : 5次 | 上传用户:nana9816245
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湿地是地球上一种重要的、独特的、多功能的生态系统,它在全球生态平衡中扮演着极其重要的角色,同时在全球陆地碳循环中也起着重要的作用。湿地的碳循环过程和不同演化阶段主要受环境条件(如p H、水位)的变化以及微生物活动共同控制,因此微生物参与的湿地生物地球化学过程能够灵敏的响应和记录湿地的气候变化及环境演化过程。在东亚季风区,湿地是许多重要河流的水源涵养地,在保证水质安全及生物多样性方面有着重要的意义。同时东亚季风区降水存在着明显的季节至年际等多种尺度的波动,干旱洪涝频繁发生,这些多变的气候灾难给人类带来了严重的苦果。在全球变暖及湖沼酸化的背景下探讨东亚季风区湿地微生物过程响应这种独特的气候环境条件是一个非常值得关注的科学问题。湿地沉积物中通常保存有较高含量且种类众多的脂类化合物,尤其是来自细菌的藿类化合物。尽管藿类化合物及其单体同位素在古环境和古生态的研究中已经得到了一定程度的应用,但是我们对藿类化合物早期成岩转化过程与主控因素、藿类化合物的古生态应用潜力还缺乏系统的认识。藿类化合物的分布、相互转化与环境因子的关系亟待突破,这不仅能更好的从分子水平上认识微生物对环境变化的响应机制,也可能为地质历史时期基于藿类化合物的古环境古生态研究提供新的理论支持。针对上述问题,本文从中国的几个典型的湿地入手,探讨了湿地微生物藿类化合物的分布特征及影响因素。以此为基础,研究了中国东部季风区藿类单体碳同位素以及藿类与叶蜡烷烃单体碳同位素差值对距今18ka以来古水文变化的响应。然后在长江中下游的龙感湖湿地以沉积脂类正构烷烃及粒度恢复了长江中下游区域的古水文条件的变化,以此为背景探讨了龙感湖湿地沉积脂类反映的甲烷氧化作用的环境影响因素。主要的结论和认识如下:1)哈泥,古田,若尔盖及大九湖湿地都具有种类丰富的藿类化合物,其中不同组分化合物以C31αβ藿烷,C32ββ藿醇,C32ββ藿酸以及细菌藿四醇含量最高。另外通过不同环境因子的分析发现C31αβ藿烷在p H小于6的时候含量比较丰富。这个支持前人的研究p H在细菌藿多醇早期成岩转化到藿烷类化合物中起着重要的作用。2)基于四处泥炭湿地的生物藿类和地质藿类的分布及相互关系,我们提出了在湿地中,生物藿类藿多醇BHPs主要经过氧化作用产生C32ββ藿酸,然后C32ββ藿酸经过脱羧作用形成C31αβ藿烷和C31ββ藿烷,且C31αβ藿烷是在C32ββ藿酸脱羧过程中产生的异构化过程,这其中p H对C31藿烷的异构化具有促进作用,我们以四个湿地的C31ββ藿烷和C31αβ藿烷相对含量的比值,建立了一个与p H相关的线性关系模型,为其他湿地沉积p H的重建提供了一个新的思路。p H=3.4169*C31ββ/(αβ+ββ)+4.0045(n=63,r2=0.66,p<0.01,RMSE=0.81)3)从大九湖18ka以来的沉积钻孔正构烷烃单体氢同位素与其他载体的对比(三宝洞石笋)识别出了发生在大九湖湿地中全新世的几个干旱事件。在这些干旱事件发生期间,藿烷化合物尤其是C29ββ藿烷的单体碳同位素发生了很大的负偏,干旱加强了湿地的甲烷氧化作用,产藿类微生物利用了大量CH4来进行生物脂类藿多醇BHPs的合成。4)在大九湖ZK-5沉积柱中,正构烷烃及单体碳的差值能够响应环境条件的变化,在中全新世干旱事件发生时,正构烷烃和藿烷单体碳差值变小,这说明正构烷烃和藿烷的单体碳差值反应了异养微生物和初级生产力在应对环境变化的过程中发生了“解耦合”现象。在干旱期水生植物贡献的正构烷烃变少,导致正构烷烃碳同位素值偏正,而湿地微生物藿类主要为好氧异养菌,干旱加强了这些微生物的活动导致C31αβ藿烷和C31ββ藿烷碳同位素也偏正,Δ13C反映出湿地生态系统对环境变化时具有更丰富的细节信息。5)在龙感湖湿地中检测到了和甲烷氧化活动有关的微生物沉积脂类里白烯,角鲨烷等,这些化合物的含量和碳同位素在应对湖泊水位的变化时发生了差异性的响应。通过对龙感湖湿地和大九湖湿地的综合分析指出干湿状况是湿地甲烷氧化活动的重要影响因素。
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