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四醚膜脂化合物即甘油二烷基链甘油四醚(Glycerol Dialkyl Glycerol Tetreathers,GDGTs),是古菌和某些未知细菌细胞膜的重要组成物质。近年来,GDGTs在海洋沉积、土壤、湖泊沉积、泥炭、石笋等各种地质载体中均被检出,同时一些基于GDGTs的指标被提出用于古环境与古气候重建。湖泊是陆地气候变化的良好载体,能够提供长时间尺度的、连续的、高分辨率的区域古环境信息。湖泊广泛分布于各个气候带,在我国东部季风区,特别是长江中下游地带,分布着我国最大的淡水湖群;而在西部的青藏高原地区,则较为集中的分布着大量的内陆咸水湖泊。这两类湖泊在成因、演化、以及水化学方面都存在着较大差异,因此了解GDGTs在这两种类型湖泊中的分布规律并提出适用于中国区域的湖泊温度校正。
本文选取长江中游淡水湖泊以及青藏高原典型咸水湖泊作为研究对象,比较两种类型湖泊中GDGTs的分布特征,建立适用与中国区域的湖泊古温度校正公式;同时选取长江中游一个典型的草型淡水湖泊——梁子湖,调查GDGTs化合物在此类湖泊中的空间分布特征,对比湖泊周边土壤与湖泊沉积GDGTs的差异。在以上研究的基础上,通过对武汉东湖42cm沉积柱的研究,评价bGDGTs在该区域短时间尺度湖泊古环境重建中的潜力。
结果表明:
1) GDGTs化合物广泛存在于长江中游淡水湖泊以及咸水湖泊(青海湖)中,但含量却在不同湖泊中有较大的变化。淡水湖泊中GDGTs组成以Caldarchaeol和支链bGDGTs占主导,而Crenarchaeol的量较少;青海湖中GDGTs组成以Caldarchaeol和Crenarchaeol为主。这种GDGTs组成的不同可以作为一种新的古湖泊类型与演化的判别方式。淡水湖泊中,Archaeol化合物的检出以及较高的Caldarchaeol/Crenarchaeol比值,都表明了产甲烷古菌活动的强烈。这类湖泊很有可能是陆地重要的甲烷释放源。同时甲烷指数MI和TEX86值的负相关关系,表明产甲烷古菌贡献了用于TEX86计算的GDGTs化合物,从而造成了TEX86值明显偏低。然而,在咸水湖中,TEX86尽管在不同区域存在明显的变化,但在湖泊沉积中心稳定为0.42-0.43,可以作为指示温度的指标。
2) MBT/CBT在不同类型湖泊中存在明显的差异,而pH被认为是这种差异的决定性因素。这种差异导致了得到的温度与真实值的偏离。利用bGDGTs的组分组成提出了一个新的适用于中国区域湖泊的温度校正公式:MAT=27.98-61.47×fGDGT-Ⅲ-5.02×fGDGT-Ⅱ-7.32×fGDGT-I R2=0.82,RMSE=3.01℃。通过对不同富营养化程度湖泊的对比可以发现,富营养化也会对bGDGTs的组成产生影响。
3)梁子湖湖泊沉积与土壤bGDGTs在含量和分布上均有较大差异,表明湖泊中bGDGTs大部分都是由湖泊自生微生物产生的。在湖泊空间分布上,bGDGTs与iGDGTs具有相类似的分布规律,两者的含量都随着水深的增加而产生明显的增加趋势。MBT指数和CBT指数在整个湖泊空间上的分布同样受到水深的影响,在湖泊沉积中心区域,两者更趋向于稳定。梁子湖湖泊样品细菌bGDGTs化合物单体δ13C值为-31.7‰~-33.1‰,明显比湖泊总有机碳δ13C。rg-24.12‰~-27.16‰偏负,同时也比前人报道的土壤GDGTs单体化合物δ13C值偏负,这也可能指示了湖泊与土壤中产生bGDGTs的细菌代谢方式的不同。
4)东湖不同深度的沉积柱样品中均检出了GDGTs化合物,浓度随着深度的增加而呈降低的趋势。沉积柱中MBT和CBT变化分别为0.34~0.43和0.20~0.32,MBT和CBT具有很高的负相关性(R2=0.68),TEX86与MBT之间发现存在很高的正相关(R2=0.6)。由于CBT受pH的影响,而MBT主要受温度的控制,温度与pH之间的正相关,因此造成了这种MBT与CBT之间的高相关性。基于bGDGTs恢复的温度变化与气象记录对比表明:在短时间尺度内, bGDGTs并没有准确的记录温度变化,而其含量却与温度变化具有很好的对应性。