（海洋化学专业论文）多参数生物标志物法重建冰期间冰期日本海生态环境变化.pdf

l i l ll li ii i ii t li lti i i ll y 18 3 0 2 3 3 多参数生物标志物法重建冰期间冰期日本海 生态环境变化 学位论文完成日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 乃b 6 攀器 圣燃 j 独创声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：嘲矸 签字日期：乃o 年莎月步日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，并同意以下 事项： l 、学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。 2 、学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权清华大学“中 国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社 用于出版和编入c n k i 中国知识资源总库， 授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：张醉 签字日期：知届年稠o 日 日 之、 ，口 凑外 咚 釜 睁 茕 知 签 ： 师 期 导 日字签 多参数生物标志物法重建冰期间冰期日本海 生态环境变化 摘要 多参数生物标志物法作为一种新的地球化学指标，已被广泛应用于重建一些 海区的古生态环境，由于其具有来源明确、性质稳定等优点，利用沉积物中的多 参数生物标志物可以很好地重建浮游植物生产力和群落结构的变化。但是目前在 日本海的应用还比较薄弱。本文通过对日本海o d p7 9 7 沉积物柱状样( 3 8 6 2 0 n ， 1 3 4 5 4 0 e ) 进行生物标记物分析，重建了过去1 6 6k a 古海水表层温度、海洋初级 生产力、浮游植物群落结构的变化，从一个新的角度探讨日本海生态环境的变化。 利用长链烯酮不饱和度重建了1 6 6k a 来古海水表层温度( s s t ) ，结果显示 在冰期( m i s2 , - 4 、m i s6 ) 海水表层温度低，在间冰期( m i sl 、m i s5 ) 海水表层温 度高，且冰期间冰期温度波动幅度较大( 温度变化范围为3 8 2 1 6 c ) 。日本海 海水表层温度的变化主要是与东亚季风、对马暖流的流量、亚极地锋的位置变化 等因素密切相关。而在末次冰盛期( l g m ) 时期重建得到的u 毫海水表层温度，可 能是由于此时表层海水盐度降低、长链烯酮的含量过低，使u ；t s s t 的计算方程 出现偏差造成的。 对o d p7 9 7 沉积物柱状样生物标志物的研究发现，长链烯酮只在m i s5 期有 高值，而其他几种生物标志物在冰期和间冰期都存在高值，但海源生物标志物与 陆源生物标志物的比值存在明显的间冰期( m i s1 、m i s5 ) 高值，冰期( b t i s2 - - 4 、 b t i s6 ) 低值的现象，表明日本海海洋初级生产力冰期时低，间冰期时高，这与 前人的研究结果一致。冰期时随海平面降低，进入日本海的对马暖流流量减小， 日本海初级生产力水平低，但由于水柱分层，底层水缺氧，有机质得到较好保存， 导致生物标志物含量出现高值；而间冰期对马暖流流量增大，供给日本海充足的 营养盐，日本海初级生产力提高，导致生物标志物含量出现高值。 通过长链烯酮、菜子甾醇和甲藻甾醇相对百分含量的变化重建了日本海浮游 植物群落结构的变化，结果表明从冰期到间冰期颗石藻的竞争优势增大，硅藻、 甲藻的竞争优势减小，即冰期到间冰期日本海浮游植物群落结构由硅质生物( 硅 藻) 向钙质生物( 颗石藻) 转化。群落结构的这种变化趋势主要是由盐度控制的， 冰期时海平面低，低盐的东海沿岸流和陆源淡水相对对马暖流对日本海的贡献增 大，降低了日本海表层海水盐度，使颗石藻的贡献有低值：而间冰期高温高盐的 马暖流流量增大，颗石藻的竞争优势增大。群落结构的这种变化趋势与前人用微 体化石方法所得的结论不同，可能的原因是生源硅和生源钙微体化石方法在重建 群落结构时受到不同的溶解作用的控制。 关键词：生物标志物；日本海；海水表层温度；生产力；浮游植物；群落结构 i i m ulti bio m ark e rr e c o n s tru c tio no f g ia ciai in t er gia ciai e c oio gic aie n vir o n m e n tc h a n g e s int h ej a p a ns e a a san e wg e o c h e m i c a li n d e x ，m u l t i - b i o m a r k e r sh a v eb e e nw i d e l yu s e di n r e c o n s t r u c t i n gp a l e o - e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t si ns e v e r a lo p e no c e a n sa n dm a r g i n a l s e a s b e c a u s eb i o m a r k e r sa r ep r o d u c e db yo n l yf lf e wg r o u p so fo r g a n i s ma n dh a v e r e l a t i v e l ys t a b l ec h e m i c a lp r o p e r t i e s ，m u l t i - b i o m a r k e r si nm a r i n es e d i m e n t sc a n b e u s e dt or e c o n s t r u c tv a r i a t i o n so fp h y t o p l a n k t o np r o d u c t i v i t ya n dc o m m u n i t y s t r u c t u r e h o w e v e r , t h ea p p l i c a t i o no fm u l t i b i o m a r k e r si nt h ej a p a ns e ai ss t i l l l i m i t e d i no r d e rt of u r t h e rs t u d yt h ev a r i a t i o n so fe c o s y s t e ms t r u c t u r ei nt h ej a p a n s e a , t h i st h e s i sc a r r i e so u ta n a l y s e so fb i o m a r k e r si nc o r eo d p7 9 7 ( 3 8 6 2o n ， 13 4 5 4o e ) o ft h ej a p a ns e aa n dd i s c u s s e st h ev a r i a t i o n so fb i o m a r k e r - b a s e dr e c o r d s f o rt h el a s t16 6k a ：s e as u r f a c et e m p e r a t u r e ( s s t ) ，m a r i n ep r o d u c t i v i t ya n d p h y t o p l a n k t o nc o m m u n i t ys t r u c t u r e as e a - s u r f a c et e m p e r a t u r er e c o r dw a sr e c o n s t r u c t e df o rt h el a s t16 6k au s i n g a l k e n o n e 眦s a n l r a t i o nr a t i o s ( u 鼻) t h eu 鼻t e m p e r a t u r ew a sl o w e rd u r i n gt h eg l a c i a l p e r i o d s ( m i s2 - 4 ，m i s6 ) a n dh i g h e rd u r i n gt h ei n t e r g l a c i a lp e r i o d s ( m i s1a n dm i s 5 ) t h ea m p l i t u d eo ft e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o nw a sl a r g eb e t w e e ng l a c i a l a n d i n t e r g l a c i a lp e r i o d s ( s s to s c i l l a t e db e t w e e n3 8a n d2 1 5 ) t h eg l a c i a l i n t e r g l a c i a l s s tv a r i a t i o ni nt h ej a p a ns e ai sc o n s i d e r e dt ob ec l o s e l yr e l a t e dt oc h a n g e si nt h e e a s ta s i a nm o n s o o ns y s t e m ，t h ev o l u m et r a n s p o r to ft h et s u s h i m aw a r mc u r r e n t ( t w c ) a n dt h ep o s i t i o no ft h es u b - p o l a rf r o n t ( s p f ) h o w e v e r , u 刍s s th a s a n o m a l o u s l yh i g hv a l u e sd u r i n gt h el g m ，w h i c hc o u l db ec a u s e db yl o ws u r f a c e s a l i n i t ya f f e c t i n gt h eh a p t o p h y t er e s p o n s e st ot e m p e r a t u r ec h a n g e so rb yv e r yl o w a l k e n o n ec o n t e n t sa f f e c t i n gt h ea c c u r a t ec a l c u l a t i o no fu 导s s t b i o m a r k e rr e c o r d sf o ro d p7 9 7i n d i c a t ea l k e n o n ec o n t e n th a do b v i o u sh i g h v a l u e sd u r i n gm i s5c o m p a r e dw i t ho t h e rs t a g e s ，b u tt h ec o n t e n t so fb r a s s i c a s t e r o l a n dd i n o s t e r o lh a dh i g hv a l u e sd u r i n gb o t hg l a c i a lp e r i o d sa n di n t e r g l a c i a lp e r i o d s t h er a t i o so fm a r i n eb i o m a r k e r st ot e r r e s t r i a lb i o m a r k e r sw e r eh i g h e r d u r i n g i n t e r g l a c i a lp e r i o d s ( m i s1 ，m i s5 ) c o m p a r e dw i t hg l a c i a lp e r i o d s ( m i s2 - - 4 ，m i s6 ) ， w h i c hs u g g e s t sh i g h e rp r o d u c t i v i t yd u r i n gt h ei n t e r g l a c i a t i o n si nt h ej a p a ns e a t h e s e r e s u l t sw e r ec o n s i s t e n tw i t hp r e v i o u ss t u d i e s d u r i n gt h eg l a c i a lp e r i o d s ，t h ei n f l u xo f i i i t w cw a sd e c r e a s e da n dt h ep r o d u c t i v i t yw a sl o w a sas e a 。l e v e ld r o p s o m eh l g h v a l u e s0 fb i o m a r k e rc o n t e n tw e r er e l a t e dt ot h eb e t t e rp r e s e r v a t i o n o fo r g a n l cm a t t e r s d u et os t r o n gs t r a t i f i c a t i o na n db o t t o m w a t e ro x y g e n 。d e f i c i e n t d u r i n gt h ei n t e r g l a c l a l p e r i o d s ，h i g hs 协n d si n c r e a s e dt h e i n f l u xo ft h et w ca n dr e s u l t e di nh l g h e rp r i m a r y p r o d u c t i v i t ya n dh i g h v a l u e so fb i o m a r k e rc o n t e n t d i a t o m d i n o f l a g e l l a t ea n dc o c c o l i t h o p h o r i db i o m a r k e r c o n t e n tp e r c e n t a g e sc a n b eu s e da sp r o x i e so fp h y t o p l a n k t o nc o m m u n i t ys t r u c t u r e t h er e s u l t ss h o w t h a tt h e r e l a t i v ec o c c o l i t h o p h o r i d c o n t r i b u t i o ni n c r e a s e d a n dt h e r e l a t i v ed l a t o ma n d d i n o f l a g e l l a t ec o n t r i b u t i o n s d e c r e a s e dd u r i n gi n t e r g l a c i a l sc o m p a r e dw i t hg l a c l a i s n l es l l i r 觚ma d i a t o m d o m i n a t e dp h y t o p l a n k t o nc o m m u n i t yd u r i n gt h eg l a c i a t i o n t o ac o c c o l i t h o p h o r i d d o m i n a t e dc o m m u n i t yd u r i n gt h ei n t e r g l a c i a t i o nw a s n t r o i l e d b y s u r f a c es a l i n i t yc h a n g e s d u r i n gt h eg l a c i a lp e r i o d s ，b o t ht h ed e c r e a s e o ft h et w c i n n u x 锄di n c r e a s e d c o n t r i b u t i o no fl o ws a l i n i t y e a s tc h i n as e ac o a s t a lw a t e 髂 ( e c s c w ) a n d t e r r e s t r i a lf r e s h w a t e rr e s u l t e di nl o w e rs a l i n i t ye o n d i t i o n s 1 nt h ej a p a n s e a g l a c i a ll o w s a l i n i t y e n v i r o n m e n t su n f a v o r e dc o c c o l i t h o p h o 触c o m p e t l t i o n d u m gt h ei n t e r g l a c i a lp e r i o d s ，t h e i n c r e a s eo ft h et w ci n f l u xl e dt o e 1 1 1 a n c e d s e a w a t e rs a l i n i 锣a n d i n c r e a s e d c o n t r i b u t i o n o fc o c c o l i t h o p h o r l d s t h l s g l a c i a l i n t e 唱1 a c i a lp h y t o p l a n k t o nc o m m u n i t ys t r u c t u r e p a t t e r ni s i nc o n _ c r a s tw i m p r e v i o u ss n j d i e su s i n gm i c r o f o s s i l s m e t h o d o n ep o s s i b l ee x p l a n a t l o n i st h a tt h e b i o g e n i c s i l i c aa n db i o g e n i ec a r b o n a t e m i c r o f o s s i l sa r ec o n t r o l l e db yd i 髓m d i s s o l u t i o np r o c e s s e s ， w h i c ha f f e c t e dt h eu s eo ft h e i r r a t i o s鼬p h y t o p l a 撇0 n c o m m u n i t ys t r u c t u r ep r o x i e s k e y w 。r d s ：b io m a r k e r ：j a p a n s e a ：s e a s u r f a c et e m p e r a t u r e ( s s t ) ： p r o d u c t ivit y ；c o m m u n it ys t r u c t u r e 目录 0 前言1 l 文献综述3 1 1 生物标志物概念及其在古环境研究中的应用3 1 1 1 生物标志物与海洋初级生产力3 1 1 2 陆源生物标志物6 1 1 3 生物标志物与浮游植物群落结构8 1 1 4 海水表层温度1 l 1 2 日本海古环境研究1 3 2 区域地质和海洋环境1 6 2 。1 区域地质概况1 6 2 2 区域环流体系和水文特征1 7 3 材料与方法2 l 3 1 研究材料2 1 3 2 有机地化分析2 3 4 海水表层温度2 6 4 1o d p7 9 7 沉积物柱状样的u 嘉温度记录2 6 4 2 日本海l g m 时期的高u 。kv 呼小仉，五温度2 8 4 3 本章小结3 0 5 海洋初级生产力与浮游植物群落结构3 1 5 1 生物标志物与海洋初级生产力3 l 5 1 1 生物标志物含量及堆积速率的变化3 1 5 l2 生物标志物与古生产力3 9 5 2 浮游植物群落结构变化4 2 5 2 1 浮游植物群落结构的变化4 2 5 2 2 群落结构变化的控制因素4 5 5 3 与其他记录的对比4 7 5 4 本章小结5 2 6 结论5 3 参考文献5 5 致谢6 6 多参数生物标志物法重建冰期间冰期同本海生态环境变化 0 前言 工业革命以来受人类活动的影响，大气中c 0 2 的浓度正以空前的速度增长， c 0 2 等气体引起的“温室效应 已成为影响全球气候变化的一个不可忽视的因素。 估计n 2 1 世纪中叶，大气中的c 0 2 浓度将比工业化前增加约l 倍【1 1 。而海洋作为 一个非常大的碳库，可以吸收人类每年排入大气e p c 0 2 总量的3 0 q 0 2 1 0 所 以海洋在缓和二氧化碳温室效应方面的作用是不言而喻的，对于全球气候变暖趋 势的影响具有重要的意义【“】。海洋储有的碳主要以无机碳的碳酸盐( c 0 3 2 - ) 和碳 酸氢盐( h c 0 3 ) 的形式存在，海洋生态系统通过生物泵作用驱动大气c 0 2 进入海 洋，通过生物的光合作用，c 0 2 不断被转化成有机碳和生物碳酸盐并进一步由表 层向深层转移【4 1 。一般认为大洋表层浮游植物作为生物泵的重要环节，在改变冰 期旋回中大气c 0 2 含量的过程中扮演着关键角色，在全球碳循环中起着核心作用 【5 羽 。 海洋浮游植物含碳量小于陆地植被，但由于其生命周期短，循环迅速，约承 担着目前地球上光合作用的一半任务【7 】，它们通过光合作用吸收c 0 2 变成有机 碳，通过直接或间接的途径沉降到海底并最终埋藏于沉积物中，将大气中的碳 “泵 入到岩石圈。所以，海洋作为碳循环的重要储库，通过“生物泵 作用， 调节着二氧化碳在大气海洋之间的平衡【羽，对大气c 0 2 浓度和全球碳循环有重 要的调控作用。影响浮游植物“生物泵 效率的因素主要有两个：第一是营养盐 水平或结构变化导致的海洋初级生产力的变化。海洋浮游植物作为海洋中主要的 生产者，可以通过光合作用把海水中的c 0 2 转化为有机质，控制着“生物泵 的 效率，改变其调节碳循环的能力；第二是海洋浮游植物群落结构的变化，由于不 同的浮游植物在碳循环中起着不同的作用，硅藻只会通过光合作用吸收c 0 2 ，而 颗石藻除通过光合作用吸收c 0 ：外，还会通过钙化作用形成碳酸钙壳而向海洋和 大气放出c o 。因此即使在生产力不发生变化的前提下，浮游植物群落结构的改 变也可以影响海洋“生物泵”的效率。 鉴于海洋浮游植物在大洋碳储库及全球气候变化中的突出地位，了解地质年 代中海洋生态结构的演变，对深入理解碳循环的演变规律和机理，寻找气候的变 化规律及未来气候变化的准确预测有着重要的意义 6 1 。近些年来，海洋生态环境 多参数生物标忠物法重建冰期问冰期【i 本海生态环境变化 的重建研究，受到人们越来越多的关注，尤其是在古海洋学界受到了极大重视。 对于古海洋学研究而言，海洋古生态的化石鉴定是很困难的，因此寻求反映 海洋古生态变化的指标，成为古海洋学研究的重要内容。海洋沉积物能记录过去 环境变化的信息，所提供的古气候、古环境演变信息丰富、连续且时间尺度长， 是了解地质历史环境演变的钥匙。在对海洋沉积物的研究中，生物标志物作为一 种新的古海洋古环境研究手段，由于其具有来源明确，性质稳定，不易降解等 优点，在海洋古环境研究中受到越来越多的重视，在世界不同海域内已有很好的 应用【9 】o 日本海是亚欧大陆东部一个半封闭的边缘海，它通过几条浅且窄的海峡与周 围海域相连，同时受到开阔型大洋水体和沿岸水体的影响，具有比较高的沉积速 率，能够灵敏的反映海洋和陆地气候的变化。冰期间冰期海平面的变化会对日 本海的海洋环境产生重要影响，导致这一地区生态环境发生变化。通过保存在沉 积物中的古生物记录，可以重建日本海生态环境的变化。日本海冰期间冰期生 态环境的变化有很多不同于其它边缘海的特征，例如水柱的分层，海水表层盐度 降低等。对日本海古生态环境的演化还存在很多疑问，目前对日本海古生态结构 演化的研究多是采用微体化石的方法【1 0 j 1 1 ，而生物标志物方法在日本海的应用多 是利用长链烯酮的不饱和度来重建海水表层温度【1 2 乃】，而且对长时间尺度，高分 辨率岩芯所做的研究很少。本文将利用多参数生物标志物方法对日本海o d p7 9 7 岩芯的海水表层温度、海洋古生产力及群落结构的变化进行重建研究，从一个新 的角度探讨日本海古海洋环境及生态结构的变化及其对碳循环的影响。 2 多参数生物标志物法重建冰期间冰期日本海生态环境变化 1 文献综述 1 1 生物标志物概念及其在古环境研究中的应用 生物标志物( b i o m a r k e r ) 作为一类重要的地球化学新指标，是由特定生物产 生的化学性质稳定的一类有机分子化合物，生物体死亡后这类有机化合物在沉降 和埋藏过程中较为稳定，依然保存了原始生化组分的碳骨架，记载了特定的母源 信剧1 4 d5 1 。由于生物标志物具有母源的指示性及化学稳定性，其含量能够反映母 体的生产力状况【1 4 l ，同时多参数生物标志物法( 多个不同的生物标志物) 不仅可 以重建各自母源浮游植物的生产力状况，其生物标志物的比值还可以用于重建浮 游植物的群落结构，因此生物标志物这种新的地球化学指标在古海洋环境的演变 中显示出广阔的应用前景。 1 1 1 生物标志物与海洋初级生产力 目前，多个指标已被用于海洋古生产力的重建工作，例如：有机碳、生源碳 酸盐和生物硅( 蛋白石) 含量及其堆积速率、有孔虫的属种组合法【1 6 - ”1 、微体化石 壳体的c d c ai l 引、底栖有孔虫和放射虫的碳同位素等。近年来还发现一些微量元 素的含量也可用于古生产力的研究，如生物成因重晶石和钡等。虽然一些古生产 力重建指标已较为成熟，但如果仅用单种指标，所得的结论往往有一些局限性， 甚至错误【1 4 】。比如有机碳，虽然有机碳的含量是表层海水中生产力的直接标志 1 1 9 , 但海洋沉积物中的有机碳来源既有陆源输入的植物碎屑又有海洋生物产生的 有机体，利用有机碳反映边缘海初级生产力会存在较大偏差；同时有机碳在搬运 过程中及在水沉积物界面附近都极容易降解从而再循环到水体中，因此表层水 体中形成的有机碳只有极少部分被保存于沉积物t 9 j 。沉积物中生物成因的碳酸 钙的含量受上层水体中钙质生物生产力和溶解作用的控制【2 0 1 ，由于碳酸钙在海水 中的溶解，其应用局限于沉积环境处于碳酸盐补偿深度以浅的海域【2 i 】。 由于海洋沉积有机质记录了地质历史时期的海洋生态状况，因此对于了解海 洋生物地球化学过程及古海洋演变具有重要作用。而有机质在形成、沉降和埋藏 过程中受到很多因素的影响，因此研究古生产力时所面临的首要问题是如何选择 一个或一系列可靠而有效的替代指标来反演地质时期的海洋生产力状况。沉积物 中的生物标志物近年来常被用于重建海洋总的和单一浮游植物的古生产力，常用 多参数生物标志物法重建冰期问冰期【j 本海生态环境变化 的重建海洋古生产力的生物标志物有色素和类脂物【2 2 】。其中色素主要用于水体中 藻类生物量和群落组成的测定。使用高效液相色谱法( h p l c ) 可以辨别来自不同 浮游植物群的四五十种色素，从这些色素中可以获得浮游植物组成的信息。但是 沉积物中色素类物质容易降解，因此色素法主要限于近代沉积，而在长时间序列 的古生态重建中很少采用。叶绿素作为色素中的重要组成部分，普遍存在于各种 高等植物及各种藻类体中，而c h l o r i n s ( 绿素) 是叶绿素的降解产物，可以在环境 中保存较长时间。所以沉积物中绿素的含量及其积累速率( m a r ) 可以反映浮游植 物生产力的变化【2 3 1 。利用绿素重建海洋浮游植物总生产力的指标已在中国南海、 阿拉伯海、北大西洋等多个海域得到应用【律2 7 1 。 作为浮游植物细胞膜主要成分的类脂生物标志物由于其化学性质稳定，不易 降解，在地质体中能够保存比较完整的信息，是重建海洋古生产力的一个很好指 标。目前在古环境重建方面研究最多的类脂生物标志物包括甾醇类、烯酮类等。 下面将对菜子甾醇( b r a s s i c a s t e r 0 1 ) 、甲藻甾醇( d i n o s t e r 0 1 ) 、长链不饱和烯酮 ( a l k e n o n e ) 分别进行介绍。 甾醇的基本结构( 见表1 1 ) 主要由3 个六碳环( 其中有1 个带有羟基) 、1 个五 碳环及其支侧链组成。四环甾醇双键的存在与缺失，甲基在碳骨架的不同位置， c 1 7 位置支侧链的长度变化，以及其立体化学结构的差异产生了不同的甾醇化合 物【9 ，2 8 。2 1 。其中菜子甾醇主要来源于硅藻【9 ，3 3 1 ，虽然也有研究指出其它的浮游植 物，如颗石藻也可产生菜子甾醇【3 3 1 ，但菜子甾醇在硅藻中最为丰富。所以菜子甾 醇可以作为硅藻的生物标志物，来指示硅藻生产力的变化。甲藻甾醇主要是甲藻 细胞膜的成分，虽然有研究指出包括硅藻在内的其它少数的浮游植物也可以合成 极少量的甲藻甾醇【3 3 1 ，但主要还是由甲藻产生的，因此沉积物中甲藻甾醇的含量 可以指示甲藻的生产力变化。胆甾醇是浮游动物的生物标志物1 9 】，其含量可以指 示浮游动物的多少，由于海洋中的浮游动物需要通过摄取浮游植物来维持其生 长，因此，胆甾醇的含量也可以间接指示海洋初级生产力的变化。 c 3 7 c 3 9 直链烯酮( 结构式见表1 1 ) 是目前研究最多的一种海洋浮游植物生物 标志物【3 4 1 。c 3 7 c 3 9 直链烯酮是含3 7 3 9 个碳、2 4 个c = c 双键的长链甲基或 乙基烯酮化合物。和菜子甾醇可能有多种浮游植物产生不同，直链烯酮只来源于 颗石藻( h a p t o p h y t e s ) ，其中e m i l i a n i a 办珊劬f 和g e p h y r o c a p s ao c e a n i c a 是其最 4 多参数生物标志物法重建冰期间冰期口本海生态环境变化 为主要的来源t 3 5 。3 6 】。鉴于其来源的专属性，沉积物中直链烯酮的含量及其堆积速 率可以用来指示颗石藻生产力的变化【5 , 2 5 , 3 7 。 目前利用生物标志物来重建地质历史时期海洋初级生产力的变化受到越来 越多地重视，在边缘海已得到广泛应用。例女l ：i z i m m e r m a na n dc a n u e l ( 2 0 0 2 ) 对 c h e s a p e a k e 海湾近代沉积物样品的研究表明甲藻甾醇含量的增加与当地甲藻水 华事件存在很好的对应【3 8 】。i s h i w a t a r i 等对日本海两个沉积物岩芯的菜子甾醇、甲 藻甾醇进行分析，研究表明在新仙女木时期，菜子甾醇和甲藻甾醇的堆积速率明 显增大，表明了相对较高的生产力水平，在冰期和间冰期循环过程中，菜子甾醇 和甲藻甾醇堆积速率的变化说明硅藻和甲藻的生产力在冰期和间冰期不刚3 9 1 。用 生物标志物对南海生产力的研究已有较多报道，h e 等对南海北部m d 0 5 2 9 0 4 岩芯 的多参数生物标志物研究表明在末次冰期时由于增强的冬季风增大了南海的营 养盐含量，导致南海北部冰期时生产力水平高于全新世【4 0 l 。胡建芳对南海南沙海 区沉积物岩芯3 万年来长链不饱和烯酮含量的研究表明颗石藻的初级生产力在末 次冰期比全新世高，这主要是由于末次冰期东亚冬季风活动加强，导致上升流增 强以及冰期时陆源营养盐的输入增多造成的【1 4 l 。而z h a o 等的研究表明南海南部 海区冰期时颗石藻生产力与间冰期相比有轻微的增加，和南海北部相比没有明显 的冰期间冰期变化【4 1 1 。在短时间尺度上，h u 等对南海北部一高分辨率沉积记录 进行了分析，揭示了从1 9 2 5 年至0 2 0 0 0 年( 尤其是1 9 8 5 到2 0 0 0 年) 硅藻和甲藻生产力 的增加可能是由人类活动增加引起的南海北部沿岸水域富营养化导致的【4 2 】。 在今天的海洋里，主要的初级生产者为硅藻、颗石藻、甲藻和微型浮游生物 以及其他少量的生物体，这些生物也是白垩纪以来海洋中主要的初级生产者【4 3 】。 在本论文中，选取较为广泛应用的甾醇、烯酮类浮游植物生物标志物对日本海的 海洋初级生产力及浮游植物群落结构进行研究。选取的生物标志物及其母源信息 如表1 1 所示。 多参数生物标志物法重建冰期间冰期日本海生态环境变化 表l l 本文选用生物标志物的常用名、分子结构及母源信，息 9 , 3 3 , 4 4 】 化合物名称 常用名分子结构式 来源 2 4 m e t h y l c h o l e s t a - 5 ，2 2 e 菜子甾醇 d i e n - 3 p o l ( b r a s s i c a s t e r 0 1 ) 4 0 【，2 3 ，2 4 t r i m e t h y l 5 a c h 甲藻甾醇 o l e s t - 2 2 e e l l - 36 _ o l ( d i n o s t e r 0 1 ) 胆甾醇 c h o l e s t - 5 一e n 一3d - o l ( c h o l e s t e r 0 1 ) h o 硅藻 d i a t o m s 浮游动物 z o o p l a n k t o n h e p t a t r i a c o n t a - 8 e ，15 e ，2 2 直链烯酮 o 、 颗石藻 八小p 妒、 飞 八 e - t r i e n - 2 o n e ( c 3 7 ；3a l k e n o n e ) h e p t a t r i a c o n t a 15 e ，2 2 e 直链烯酮 p 一 j 【 办 a v 八m t r i e n 2 一o n e ( c 3 7 ；2a l k e n o n e ) h a p t o p h y t e s 颗石藻 固 1 1 2 陆源生物标志物 海洋沉积物中的有机质既有海源的，也有陆源的。众多学者对海洋有机质的 总体研究表明海洋中有机质主要是由海洋内部生物的初级生产力产生的，陆源物 质输入或许不到总输入的l ，但在陆架区等受陆地环境影响大的区域，陆源有 机质的贡献很重要【1 4 】。陆源有机质的输入主要是通过地表径流和风尘输入1 4 5 4 9 1 。 在沿海、近河口区域，主要是地表径流输入为主，而在开阔海洋环境，风尘输入 为主。陆源叶蜡生物标志物是陆地脉管植物叶蜡表皮的主要成分，主要起植物抵 6 圜噍一圈 多参数生物标志物法重建冰期间冰期口本海生态环境变化 制干燥和细菌侵犯的作用【5 0 1 ，可以提供陆地植被的信息。常用的陆源生物标志物 有长链正构烷烃、正构醇和正构烷基酸。陆源正构烷烃有奇碳优势，而正构醇和 烷基酸有偶碳优势【5 。 陆源高等植物产生的正构烷烃链长较长，一般为c 2 5 c 3 3 ，具有明显的奇偶 优势，通常以玎c 2 7 、玎c 2 9 和n c 3 l 为主峰【5 0 1 ，它们的相对含量可以反映陆源输入 的多少。由于不同植被类型所产生的正构烷烃有不同的主峰碳，木本植物以c 2 7 或c 2 9 正构烷烃为主峰，而草本植物以c 3 l 为主峰【5 2 - 5 引，因此正构烷烃的相对含量 还可以表示草本植物和木本植物的相对优势。来源于高等植物上表皮蜡质的长链 正构醇的链长为c z 2 c 3 2 ，具有强烈的奇偶优势，常以c 2 4 、c 2 6 为主峰，或以c 2 6 、 c 2 8 为主峰1 5 4 j ，因此长链正构醇的含量也可以指示陆源输入的多少。 因此利用这些陆源生物标志物的含量、组成及其同位素组成( 单体分子碳同 位素) 不仅可以辨别海洋沉积物有机质的来源，还可以反映源区的植被信息，进 而反推古温度、湿度及p c 0 2 【5 。近些年来，陆源生物标志物在古环境、古海洋 研究中的应用越来越广，已在很多区域有很好的应用，如z h a o 等【4 6 】利用多种陆 源指标恢复了非洲西北内陆在过去1 6 0k y r 里的古气候和古植被的信息，研究发现 在干冷气候的的冰期，具有高的尘埃输入通量及比较低的直链烷烃，这与当时其 来源地低的植被覆盖率相吻合。p e l e j e r o 5 5 l 的研究指出中国南海末次冰期时烷烃 的高含量是由于随海平面降低，河流输入增加造成的。贺娟等研究表明由于海平 面的变化，南海北部烷烃总量具有冰期高、间冰期低的趋势，而a c l 和c 3 l c 2 7 则指示冰期时烷烃源区植被中草本含量增加，而间冰期时草本含量降低【5 翻。 由于日本海是边缘海，沉积物中的海源有机质的含量会受到陆源冲淡效应的 影响，因此研究日本海冰期间冰期古生态的变化需要清楚日本海冰期间冰期陆 源物质贡献的多少。前人对日本海陆源物质的研究已有一些报道，如k h i m 等对 日本海沉积物中有机质的6n c 和61 5 n 的研究表明在冰期最大时陆源输入增多 1 5 7 1 。对o d p7 9 7 岩芯沉积物碎屑矿物组合的研究证明冰期时风尘碎屑的堆积速 率( m a r ) 有显著增大，在末次冰盛期( l g m ：1 9 2 2k a ) 比间冰期要高2 4 倍， 这主要是由于冰期时随海平面降低，陆架出露，陆源物质对日本海的影响增大造 成的【5 8 】。陆源生物标志物长链正构烷烃和长链正构醇可以很好的指示陆源物质的 多少，但目前用它们对日本海陆源物质所做的研究还很少。本文用陆源生物标志 7 多参数生物标志物法重建冰期问冰期 本海生态环境变化 物来指示冰期i f s j 冰期陆源物质输入的大小，同时使用海源生物标志物与陆源生 物标志物的比值来更好的反映同本海的海洋初级生产力状况。 1 1 3 生物标志物与浮游植物群落结构 自白垩纪以来，海洋中主要的初级生产者为硅藻、甲藻、颗石藻和微型浮游 生物以及其他少量的生物体【4 3 1 。这些生物体通过光合作用将无机碳转化为有机 碳，通过直接或者间接的途径沉降到海底，将大气圈中的碳“泵 入岩石圈。所 以，浮游植物通过“生物泵”作用调节着二氧化碳在大气一海洋之间的平衡，从 而对全球气候的变化产生影响。海洋初级生产力对“生物泵 的贡献已有很多研 究，但是由于硅藻类，颗石藻类等海洋初级生产者在碳循环中起着不同的作用， 即使在生产力不变的情况下，浮游植物群落结构的变化也会影响“生物泵 的效 率。浮游植物群落结构影响海洋“生物泵 的效率主要与两个生物过程有关：光 合作用与钙化作用。 光合作用：c 0 2 + h 2 0 - - ，c h 2 0 + 0 2 钙化作用：c a 2 + + 2 h c 0 3 _ c a c 0 3 + h 2 0 + c 0 2 t 其中，光合作用是生物体通过光合作用消耗c 0 2 ，生成有机质；钙化作用则 是生成碳酸钙，释放c 0 2 。硅藻类、颗石藻类是海洋初级生产力的主要代表，硅 藻是蛋白石( s i 0 2 n h 2 0 ) 骨骼，其生长过程中只会通过光合作用吸收c 0 2 ，生 成有机质；而颗石藻是方解石( c a c 0 3 ) 骨骼，其生长过程中除光合作用吸收 c 0 2 形成有机质以外，还通过钙化作用生成碳酸钙壳而放出c 0 2 。 因此，浮游植物群落结构的变化可以改变有机碳和无机碳( c a c 0 3 ) 向海洋沉 积物输送的比例，进而对“生物泵”吸收c 0 2 的能力产生影响口5 ，4 4 1 。硅藻、甲 藻生长是吸收c 0 2 ，而颗石藻生长在现代海洋环境中是放出c 0 2 。所以即使在生 产力不发生变化的前提下，浮游植物群落结构的变化也会影响海洋“生物泵”的 效率。因此重建地质历史时期海洋浮游植物的群落结构对于我们理解碳循环的变 化及气候变化机理，寻找气候的变化规律有着重要的意义。 目前，浮游植物群落结构的研究主要包括色素法、细胞计数法法和类脂生物 标志物法【3 6 , 5 9 l 。其中，色素法是研究现代海洋环境中浮游植物群落结构的一个很 好的方法，得到了广泛的应用。q i a i l 等f 6 0 1 利用色素分析法研究了墨西哥湾海水 中颗石藻，原核生物，硅藻和甲藻生物量的时空变化。l o c h h e a d 等【6 1 】在大西洋 8 多参数生物标；畚物法重建冰期间冰期