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《中国地质大学》 2007年
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湖北清江洞穴石笋与洞顶土壤生物标志化合物特征及环境意义研究

蒲阳  
【摘要】: 利用生物标志化合物探讨古环境、古气候变化的研究日益深入,研究的载体主要有海相沉积物、湖相沉积物、雪冰、泥炭、土壤、气溶胶等,在全球变化研究领域取得了一系列重要成果。 石笋由于其分布范围广泛、利于高精度定年、时间跨度大、记录相对连续、外界干扰因素较小以及代用指标丰富等优势已变为全球变化研究的热点。前人的研究证实石笋中碳氧同位素值、微量元素、微层、灰度等指标均可以反映过去全球变化的趋势。而饱含了生物源信息,可反应气候、环境状况的生物标志化合物却较少人问津。所以将生物标志化合物的研究引入洞穴上覆土壤及石笋中变的尤为重要。 利用气相-色谱质谱联用仪(GC-MS)对采自湖北清江流域和尚洞洞顶的土壤与石笋样品进行了分析,检测出一系列生物标志化合物。 土壤样品中正构烷烃具有较高的奇偶优势,高碳数的正构烷烃相对含量占优势,显示出以高等植被来源为主的特征。正构烷烃高碳数奇偶优势(CPI_h值)、高碳数与低碳数含量比值(R_(h/l)值)、平均链长(ACL值)等一系列指标随土壤剖面深度的加深而逐渐降低,它们的变化趋势与土壤有机碳同位素的变化趋势吻合,说明它们的变化可能都与微生物的活动密切相关,间接地反映了土壤微生物的活动特征:随着土壤深度的加深,微生物活动逐渐减弱。对比石笋与土壤中生物标志化合物发现正构脂肪酸呈现了与石笋基本相同的模式,但是高碳数部分相对丰度明显升高,说明了高等植被对土壤中脂肪酸的贡献,石笋中高碳数部分脂肪酸来源于洞顶土壤。石笋中低碳数正构烷烃明显比土壤中的高,说明了洞穴原地生长的微生物对低碳数正构烷烃的贡献。 土壤样品有机碳同位素在土壤剖面上呈现了有规律的变化,随着深度的加深有机碳同位素值(~(13)C_(org))有着正偏的趋势,有机碳值指示了当地的植被类型自土壤层形成以来主要为C_3植物。同时C_(16:1)与C_(16:0)脂肪酸含量的比值变化与可抽提有机质含量的变化有很好的相关性,说明了碳源可能是制约岩溶地区土壤微生物活动的重要因素之一。 石笋样品的处理没有采用传统的索氏抽提法,为提高石笋样品生物标志化合物的时间分辨率而采用了酸解法对石笋样品进行了处理,减少了样品量的需求,这样较大程度上提高了石笋样品的时间分辨率。 利用酸解法检测到的正构烷烃与正构脂肪酸蕴含了大量的古气候与古环境变化信息。其中石笋的正构脂肪酸的h/h+1值可指示高等植被在整个生态系统中的相对比例,而组成多样性指数CDI值反应了长江中游清江流域生态系统的变化,对比h/h+1值与CDI值变化曲线发现该地区生态系统可能存在千年级的波动,而高等植被的兴衰在整个生态系统中起到至关重要的作用。说明生态系统不仅仅存在短周期的波动,同时还存在着长周期的波动,生态系统任何一个时间段的状态均是这两个周期波动的叠加。CDI值变化与北大西洋表层海水温度(SST)变化有一定的吻合,说明了控制生态系统长周期变化的主要因素应该为气候变化。 对比青藏高原红原泥炭纤维素δ~(13)C值、贵州省西南部荔波县董哥洞δ~(18)O值、湖北清江流域和尚洞石笋脂肪酸CDI与h/h+1值在4400年左右都有明显的变化,均记录了一次程度较强的气候或者环境的变化过程,原因是气候的干冷,导致环境的恶化。这次事件与中国南方古湖泊水位记录、考古学上的记录一致,标志着长江中游全新世气候适宜期的结束。经典的理论认为文明衰落、社会崩溃的原因诸如战争、人口增长、森林破坏、资源枯竭等是文明毁灭与社会崩溃的主要原因,但是将石笋中生物标志物代用指标与中国南方不同地区的地质记录进行对比,发现气候变化可能是导致的生产方式的变化、生产力的提高的主要原因,从而导致新石器文化衰落,中华文明的建立。 不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸的比值指示了较强程度的寒冷事件,每一次寒冷事件在氧同位素记录上均对应了一次正偏。说明了在10~3a尺度中,全新世气候存在显著的变化。全新世早期的寒冷事件程度较强,近2000年以来的寒冷事件具有发生频次增加,但是强度减弱的特点。长江中游地区8700a以来的寒冷事件与全球其它地区的地质记录具有可比性,但同时存在一定的差异,说明了长江中游清江流域气候变化的全球性与地域差异性。生物标志化合物记录的长江中游清江流域近8700a以来最强的一次寒冷事件可能发生在8000aBP.左右,与传统的8200a寒冷事件在发生时间上存在差异,原因还需进一步探讨。 正构烷烃(C_(27)+C_(29)+C_(31))/C_(15-20)值代表了高等植被与微生物及菌藻类生物输入量的相对变化,发现其与表征印度洋西南季风的Globigerina bulloide浮游有孔虫含量变化曲线与表征东亚季风的中国南海海洋沉积物有机碳百分含量有着大致相同的变化趋势,说明了长江中游清江流域同时受东亚季风与印度洋西南季风的影响。呈现了太阳辐射→季风变化→气候变化→生物响应的变化模式。 利用石笋中生物标志化合物进行全球变化研究的理论基础来自于生物学(包括微生物学、植物生理学等)与生态学的基本理论。其中还必须结合地理学、气候学、考古学等多门学科的研究手段与思维方法,通过本文的研究说明了石笋中生物标志化合物石对过去全球变化的响应,作为一种新兴的研究手段,将在全球变化领域中崭露头角。
【学位授予单位】:中国地质大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:Q911

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【参考文献】
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