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湖北清江洞穴石笋中正构烷烃碳同位素的研究及其古植被意义

崔景伟  
【摘要】: 长江中游地区是东亚季风的必经之地,是研究过去全球变化的理想地点。大量的研究表明该地区内发育的洞穴石笋蕴含丰富的气候信息。研究主要集中在石笋中的微量元素、碳氧稳定同位素、微层、灰度、荧光强度和波长的变化方面,为该区域的古降水、古气候等提供了较为详细的资料,但是对其中蕴含的古生态信息还缺少报道。 石笋中具有丰富的生物标志物,可以提供部分古生态信息。生物标志物的单体碳同位素可以提供分子级的生源信息,对古生态特别是高等植被的研究具有重要的意义,并在一些沉积物中得到成功应用。因此,将生物标志物单体碳同位素引入石笋的研究中来具有重要的意义。 本文对湖北清江洞穴石笋中正构烷烃碳同位素进行了研究,得出了3.8万年来该单体碳同位素值的变化信息。综合利用洞穴附近现代植被和洞顶土壤中正构烷烃的碳同位素值,采用“将今论古”的方法恢复该了地区植物类型(C_4和C_3)的变化,并与古季风进行了对比。 通过对洞穴附近现代植被的研究得出,(1)不同植物叶片中正构烷烃的主峰碳数存在差异,基本符合木本植物以C_(27)或C_(29)为主峰,草本植物以C_(31)或C_(33)为主峰,但也存在一些灌木以C_(31)为主峰,没有严格符合上述统计规律。(2)C_3和C_4植物叶片中的正构烷烃的碳同位素值具有较大的差异。叶片中除正构烷烃外,还存在丰富的其它类脂化合物,如脂肪酸、长链脂肪醇、长链脂肪酮和酯类化合物等。(3)不同植物,单位质量叶片中正构烷烃的量有较大的差别。同一植物中类脂物的分布和含量随季节变化,如正构烯烃,其含量和分布对环境温度存在较好的响应:即温度较高时,烯烃的含量相应的增加;温度较低时,烯烃的含量相应的较低。 对洞顶现代土壤的研究发现,(1)正构烷烃的碳同位素值在土壤层剖面中自上而下富集~(13)C,可能是由土壤微生物作用导致。长链正构烷烃C_(27)、C_(29)、C_(31)和C_(33)的单体碳同位素值的偏移量均在+3‰左右。(2)正构烷烃的碳同位素值指示洞顶土壤层5~10cm处存在一个特殊的层位,因在该层位正构烷烃的碳同位素值明显的正偏。同时,正构烷烃、正构脂肪酸、正构脂肪醇和α-脂肪酮的低碳数与高碳数比值也在该层位出现一个最大值,显示该层位微生物量相对较高,藿烯化合物(7β(H),21β(H)-hop-22(29)-ene)的含量在该层位最大也证实了该结论。 对洞穴石笋的研究发现,(1)不同提取方法得到的石笋中生物标志物存在明显的差异,本文采用了连续提取的方法进行分析,首先进行传统的索氏抽提,然后将抽提过的石笋进行酸消解提取。通过该方法得出索氏抽提能将所有的正构烷烃提取出来。一些具有特定生源意义的生物标志物如3-羟基脂肪酸是键合态存在的。3-羟基脂肪酸是革兰氏阴细菌的生物标志物,根据3-羟基脂肪酸主峰碳数的变化可知细菌种类的变化,根据含量可以计算革兰氏阴细菌的量。(2)利用尿素络合方法可以将索氏抽提的饱和烃组分进行分离,得到纯净的正构烷烃。长链正构烷烃C_(27)、C_(29)、C_(31)和C_(33)的单体碳同位素值在地质历史时期的变化,可能是环境变化,特别是植被类型变化引起的。 根据现代植被-洞顶土壤-新生成石笋这一石笋生长系统中长链正构烷烃的碳同位素值的变化,得到了体系中从土壤层到石笋正构烷烃碳同位素的分馏值(△T~(13)C),并得出当前气候态下体系中C_3和C_4植被的分布公式。 式中:δ~(13)C_(Sm)表示洞穴石笋中最新形成的石笋,δ~(13)C_3和δ~(13)C_4分别表示洞顶C_3植被和C_4植被中正构烷烃的单体值,△T~(13)C_3和△T~(13)C_4表示整个体系正构烷烃单体同位素值经过土壤中微生物作用后的偏正量,a和b分别表示表示C_3植被和C_4植被的百分比。实验中我们认为,△T~(13)C_3=△T~(13)C_4。 将今论古,用石笋中得到的地质历史时期的正构烷烃的碳同位素值δ~(13)C_(Sp)代替δ~(13)C_(Sm)得出该流域古植被在不同地质时期的分布存在明显的变化。在3.8万年以来C_4植被的相对量与季风强度存在相关系,在全新世以来C_4植被的相对量相对高值均出现在一些干旱的时期,如1.4kaB.P、6.0kaB.P、6.6kaB.P和8200 Event时。晚更新世时,在季风强度较低的时期如新仙女木(Younger Dryas)和Herench1事件,C_4植被的相对量相对较高,在Bolling/Allerod暖期的时候,C_4植被的相对量较低,36KaB.P时C_4植被相对量较37KaB.P时高。 本研究首次将单体碳同位素分析技术引入到石笋的研究,利用石笋中长链正构烷烃的碳同位素值,结合现代植被和土壤中正构烷烃的碳同位素值,对该流域的古植被进行了恢复,得到了3.8万年来一些气候态下C_3和C_4植被的相对变化,并将这种植被变化与古季风进行了分析。


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