沼泽沉积物中单体正构烷烃碳同位素研究

80年代末,国外研制出GC-C-IRMS碳同位素分析新技术,使碳同位素研究进入了分子水平,出现了生物标志化合物稳定碳同位素地球化学研究新领域.生物标志化合物碳同位素组成与生物先质及成岩演化的关系,是该研究领域的关键问题之一.国外已从生物体、现代沉积物和热模拟实验研究着手,对这一问题进行了一些研究.研究结果表明,沉积物中生物标志化合物碳同位素组成与生物先质碳同位素组成和成岩演化关系密切.例如,Rieley等研究了Ellesmere湖泊现代沉积物和湖周围C_3植物叶中单体正构烷烃碳同位素组成,发现两者具有成因联系.本文对我国甘南(甘肃省南部)现代沼泽沉积物泥炭和准噶尔盆地古代沼泽沉积物长焰煤样品中单体正构烷烃碳同位素进行了分析,研究了它们碳同位素组成与有机质输入源和成岩演化的关系.     

2002年华北沿海特大沙尘单体长链正构烷烃的碳同位素组成

利用气相色谱/质谱(GC/MS)和气相色谱/同位素比值质谱(GC/IRMS), 就2002年春季华北沿海青岛两次特大沙尘长链正构烷烃的单体碳同位素组成进行了分析和研究. 结果显示典型植物蜡源正构烷烃(C29和C31)单体碳同位素组成比典型人为源汽车尾气部分(C₂₁~C₂₃)明显偏轻. C₂₉非沙尘期碳同位素组成为－30.3‰ ~－31.9‰, 平均为－30.5‰; 特大沙尘期为－31.1‰ ~－31.5‰, 平均为－31.3‰. C₃₁非沙尘期碳同位素组成为－31.1‰ ~－33.0‰, 平均为－31.4‰; 特大沙尘期为－31.3‰ ~－32.6‰, 平均为－31.7‰. 研究区特大沙尘中的植物蜡主要来源于草本植物由长程输送而来, 本地源植物蜡主要来源于落叶植物和木本植物. 华北沿海特大沙尘期的植物蜡83.3%为C₃植物的贡献, 非沙尘期C₃植物对植物蜡的贡献可占80.0%, 表明现代气候环境下, 东亚沙尘向中国近海及西北太平洋输送的植物蜡主要源于C₃植物. 长链正构烷烃的分子和分子-同位素组成可作为东亚沙尘及西北太平洋沉积物中陆源有机质物源识别的有效指标.     

青藏高原西南部湖泊沉积正构烷烃及其单体δD的气候意义

对青藏高原西南部-南部3个不同气候区9个湖泊的表层沉积物正构烷烃及其单体氢同位素分布特征进行了分析,并与流域植被的正构烷烃和气候要素进行了对比.结果表明,湖泊表层沉积物的n-C23主要来自水生植物,n-C27~n-C33来自陆生高等植物.湖泊表层沉积物正构烷烃n-C27~n-C33平均碳链长度(ACL27~33)与年均降水量正相关.陆生植物来源的高碳链n-C29和n-C31氢同位素比值分布范围分别为-169‰~-214‰和-185‰~-226‰,与年均降水量反相关,但与大气降水的年均-D变化一致,且n-C31的-D值与生长季节(5~9月)大气降水平均-D值相关性较强(R2=0.74).水生植物来源的n-C23的-D值较陆生n-C31偏高(平均约27‰),体现了青藏高原西南部-南部干旱-半干旱地区湖水由于强蒸发作用引起的较大气降水富集-D值的特点.-n-C25~31/p(高碳链表观分馏)平均值为-95‰,较欧洲湿润地区明显偏高(-128‰),其中εn-C31/p约为-116‰(SD=9较恒定,进一步说明湖泊表层沉积物n-C31对于环境变化具有较好的指示作用.     

南沙海洋沉积单体长链正构烷烃成因的碳同位素证据

对南沙海洋现代沉积物中单体长链正构烷烃同位素进行了测定,研究了单体正构烷烃碳同位素组成特征及其成因问题,结果表明,它们的碳同位素组成较轻,具有混源成因的特征,经研究认为低纬度高等植物和微生物是它们的主要端元生物源,根据单体正构烷烃丰度和碳同位素组成,采用混合模型定量计算了两种端元生物源对单体构烷烃的贡献,所获得资料指示了两种生物源在不同样品中的贡献是不同的,趋势是随着埋深,微生物生物源贡献增大。     

湖北清江现代植物叶片正构烷烃和烯烃的季节性变化

利用气相色谱和气相色谱-质谱联用仪分析了湖北清江岩溶地区5种植物叶片类脂物的季节性变化特征. 随季节的变化, 同一植物叶片正构烷烃的碳数分布范围和主峰碳数不变, 但正构烷烃的碳优势指数(CPI)从5月到11月逐渐降低, 这种变化可能与植物叶片在枯萎过程中类脂物的变化有关, 活体叶片与相应植物落叶的比较也证实了这点. 这反映了在第四纪沉积物中正构烷烃CPI可能与腐殖化过程有关而可以指示与之相关的气候环境条件. 不同植物的正构烷烃含量差别较大, 对沉积物的输入贡献不一. 正构烯烃含量和种类明显随季节变化, 可能与环境温度变化有关. 8月份温度最高, 正构烯烃的种类最少.     

西藏纳木错湖芯正构烷烃及其反映的8.4 ka以来的环境变化

采用索氏抽提法提取纳木错NMLC-1孔湖芯沉积物中的正构烷烃, 利用GC/MS进行了测试. 在已经建立的深度-年代曲线基础上, 通过分析正构烷烃的组成与含量, 结合TOC, TN和CaCO₃等环境代用指标, 重建了纳木错湖区约8.4 ka以来的环境变化历史. 结果表明: 约8.4~6.7 ka BP期间, 环境较温暖, 降水呈增加趋势, 末期变冷干. 约6.7~2.9 ka BP期间可分为两个亚期, 早期温暖湿润, 至6.0 ka BP左右达到环境最适宜期; 晚期温度波动降低, 陆生植被和沉水植物退化, 以3.0 ka BP左右的冷事件结束. 约2.9 ka BP~现在, 冷暖交替, 1.4 ka BP左右开始趋于干燥, 600~400 a BP间的降温体现了小冰期特征.     

藏南地区降水量变化对陆源正构烷烃单体氢稳定同位素影响初探

在藏南羊卓雍错流域的沉错和宁金岗桑冰川分别钻取了浅湖芯和冰芯,对过去80年来湖芯中记录的陆源正构烷烃单体氢稳定同位素(δDwax)与冰芯氢稳定同位素(δDice)进行比较,发现二者具有较好的相关性(R2=0.41,P=0.047),显示了陆生植物叶蜡正构烷烃单体氢稳定同位素对大气降水氢稳定同位素的继承效应.但δDwax与δDice之间的分馏(εwax-ice)与冰芯积累量(降水量)呈现反相关关系(R2=0.65,P=0.0051),说明气候的干湿变化对δDwax有显著的影响.因此降水稳定同位素和降水量是影响δDwax的两个重要因素.     

中国东部表土总有机质碳同位素和长链正构烷烃碳同位素对比研究及其意义

中国东部较高空间分辨率表土总有机质(TOC)碳同位素, 以及从中抽提的来自陆生高等植物的具有明显奇偶优势的长链正构烷烃碳同位素, 具有一致的空间变化趋势和显著的正相关关系. 两者都在北纬31°~40°之间较为偏正, 而在该区域以北和以南都较为偏负, 这一结果与中国东部表土植硅体碳同位素研究结果是一致的, 共同指示了中国东部地区北纬31°~40°之间区域的水热组合条件较适合C₄植物的生长. 来自华北同一研究地点相同植被类型(草地)下的12个表土, 其总有机质碳同位素和长链正构烷烃碳同位素变化幅度都很小, 两者之间的差异也很稳定. 这些研究结果说明, 在中国东部地区, 表土TOC碳同位素和长链正构烷烃碳同位素可以同等有效的作为上覆植被中C₃/C₄植物比例的指示器. 同时, 中国东部表土两类碳同位素的对比表明, -22‰和-32‰可以作为纯C₄和纯C₃植被下表土长链正构烷烃碳同位素组成的端元值(C27, C29, C31加权平均值)而应用于估计历史时期C4植物的相对生物量贡献.     

长链正构烷烃主峰碳数作为判别草本和木本植物指标的讨论: 来自表土和现代植物的证据

对我国范围内上百个表土的长链正构烷烃研究结果进行了总结(其中62 个为本项研究所获得), 发现尽管上覆的现代植被类型具有很大差别, 但表土中高等植物来源的长链正构烷烃主要以n-C₂₉ 和n-C₃₁ 为主峰. 同时, 对文献中报道的超过300 种现代植物长链正构烷烃研究结果的统计表明, 无论木本植物、草本植物还是灌木植物, 其长链正构烷烃同样主要以n-C₂₉ 和n-C₃₁ 为主峰. 综合对现代植物以及表土研究结果的分析, 认为表土中长链正构烷烃分子分布特征与来源植被之间的关系受多种因素的影响, 较为复杂, 两者之间的关系很难用一种简单的模式来确定.     

正构烷烃分子化石与孢粉记录的指示意义对比: 以华南地区为例

以我国华南地区高分辨率湖相-泥炭交互沉积序列为例, 开展正构烷烃分子化石与孢粉记录的对比研究, 探讨和分析了它们之间的异同性及其可能原因. 结果表明, 分子化石与孢粉不能完全对应起来, 其难以像孢粉一样能鉴别出具有不同生态意义的生物科属, 主要记录原地植被的变化过程, 而孢粉反映的是区域性植被的平均信号. 分子化石在植被种属的明确解释上可能要部分依赖于孢粉, 反过来分子化石也有助于提高孢粉分析中科属种的鉴定能力. 分子化石对细节变化的敏感度要优越于孢粉, 其正构烷烃C₃₁/(C₂₇+C₂₉+C₃₁)等指标显著地捕捉到了H1, B/A, YD事件, 以及约9850~9585和8590~7920 cal a BP两次早全新世的干凉事件, 这些事件可与周边地区环境变化格局对应, 响应了区域环境变化和全球气候突变事件. 通过这一实例的对比研究, 说明分子化石与孢粉的相互结合, 可弥补二者之间的不足, 有效验证和提高恢复气候、植被演化的分辨率和准确性.     

青藏高原冰蚀湖沉积物正构烷烃记录的气候和环境变化信息: 以希门错为例

利用气相色谱-质谱联用仪从青藏高原东部典型冰蚀湖湖泊沉积物中检测出正构烷烃系列分子化石, 将其与湖区表层土壤及牛粪中正构烷烃的分布特征进行对比, 认为冰蚀湖湖泊沉积物中C₂₇~C₃₃ 正构烷烃主要来自流域内土壤生态系统中的高等植物, 且食草动物对高等植物的摄食消化过程并未显著改变C₂₇~C₃₃ 正构烷烃的分布特征. 在0~44 cm 的湖泊沉积物岩芯中,陆生高等植被来源的正构烷烃相对含量从底部到顶部总体上呈现下降趋势, 由此推测, 湖区高等植被在0~44 cm 沉积时段内有逐渐退化的趋势. 根据²¹⁰Pb 定年并结合已有的AMS ¹⁴C 年代,认为该沉积岩芯记录了希门错湖区过去近900 a 以来的气候和环境变化历史, 其正构烷烃指标(ACL_27~33, P_aq 以及P_wax)与区域温度记录具有一定的对应关系, 特别是记录了相对寒冷的小冰期气候事件(LIA). 说明冰蚀湖湖泊沉积物中正构烷烃即使分布模式不变, 其代用指标依然精细地记录了古气候、古环境变化信息.     

长白山-贝加尔湖断面水生植物正构烷烃及其氢同位素与环境水的分馏关系

开展了自长白山至贝加尔湖空间跨度约2000 km断面上代表性地点的水生植物正构烷烃及其单体氢同位素研究.结果表明,该区域大型水生植物正构烷烃具有明显的奇偶优势,以C23或C25为主峰,这两个链长的正构烷烃可以作为研究区水生植物来源的普适性特征标志物.同一植物来源的不同链长正构烷烃的单体氢同位素值相近,尤其是n-C21,n-C23,n-C25三者的氢同位素值相差很小.水生植物正构烷烃与环境水间的氢同位素分馏值稳定在?159‰左右,与欧洲等地区获得的结果有很好的一致性,表明正构烷烃单体氢同位素可以示踪水体的氢同位素组成.全球水生植物正构烷烃氢同位素数据综合分析显示,正构烷烃C23和C25氢同位素平均值是反演环境水体氢同位素组成的优选代用指标.本研究不仅获得了这一区域水生植物的分子标志物数据,同时对全面认识和理解正构烷烃氢同位素组成及其在古气候研究中的应用具有重要意义.     

好氧生物降解中烷烃单体稳定同位素分馏及其环境意义

通过气相色谱(GC-FID)监测了在好氧条件下微生物(石油降解菌GIM2.5和白腐菌Phanerochaete chrysosporium-1767)对正十二烷、正十五烷、正十六烷、姥姣烷、正十八烷以及正二十四烷烃等石油及其制品的常见组分以及原油样品的降解. 用色谱-同位素质谱(GC-IRMS)分析了降解过程中烷烃及原油中正烷烃组分(C₁₃ ~ C₂₅)的单体稳定碳、氢同位素组成. 结果发现, 在好氧微生物作用下, 上述烷烃的稳定碳 (δ ³C)、氢同位素(δ D)都较为稳定, 其同位素值变化基本上介于仪器的精确度以内, 尤其是nC₁₆以上正烷烃. 烷烃化合物δ ¹³C和δ D的稳定性和特定性可用于追索表生环境中石油类污染物的来源, 特别是当污染物风化严重, 常规的化学指纹技术难以明确判识时, 稳定同位素指纹(δ ¹³C和δ D)有望成为有效的环境污染源指示剂.     

中国东北样带(NECT)的C4植物分布及其与环境因子的相关性

以中国东北温带森林-草原样带作为研究平台,利用野外考察的样方数据,并参照已发表的C4植物名录,整理出在样带这个大区域内沿43.5°N左右的C4植物的分布,呈现出两低两高的趋势.同时利用野外的GPS定位数据以及已有的30余年气象数据库,提取出对应的环境因子值.采用逐步回归分析方法,找到在温带决定C4植物/C3植物分布比例的主导环境因子为年均温和2,9月降水量.而在样带草原区这一稍小一些的尺度上,决定C4植物/C3植物分布比例的环境因子主要为海拔高度和2月降水量.最后,从C4植物的起源等方面探讨了其在温带样带分布的一些机制.