刘潇敏，何小亮

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安710065)

古气候环境重建已成为全球变化研究中的一个前沿课题，地质信息记录体和气候代用指标的选择，及其对气候变化的指代意义和敏感程度的研究成为了必不可少的前提条件。冰芯［1］、孢粉［2］、石笋［3］、黄土沉积［4］、湖泊沉积［5］等多种沉积载体已被用来重建过去环境演化序列，并取得了众多成果，在区域环境对比中扮演着重要角色。

随着现代检测技术的进步，越来越多的微生物类脂物被发现并被用作特定的环境替代指标。其中，来自于微生物细胞膜脂的甘油二烷基甘油四醚化合物(Glycerol Dialkyl Glycerol Tetraethers，GDGTs)近年来成为海洋沉积物和土壤中应用最为热门的重建古环境的类脂物标志物。海洋沉积物和土壤中的研究已证实位于微生物细胞膜上的GDGTs是细胞膜的基本骨架，对外界环境的变化，如温度、压力、pH等较为敏感，因此基于这类类脂物的参数是古环境重建的良好指标。尽管GDGTs化合物在海洋和土壤中的古环境重建中被较多的应用，但在泥炭地的研究却很少。已有研究发现，泥炭中的GDGTs化合物(包括古菌iGDGTs和细菌支链 bGDGTs)含量非常丰富，这为在泥炭中开展利用GDGTs化合物重建古气候的工作提供了可能和基础。

通过高效液相色谱质谱－质谱联用仪首次检测出不同结构和类型的GDGTs化合物，利用bGDGTs环境因子公式获得了若尔盖高原浅层泥炭记录的MAT、MAP等气候指标，对若尔盖浅层泥炭记录的气候环境信息进行分析，评价不同气候指标在泥炭沉积环境中的适用性，为探索泥炭GDGTs在气候变化中的应用提供有价值的信息。

1 采样及分析测试

1.1 样品采集

研究样品于2011年7月采自四川红原县高寒湿地若尔盖草原泥炭区，采样点坐标利用手持GPS测定，采样点坐标为32°46N，102°31E，海拔高度3 508 m。采样装置为不锈钢Wardenaar采样器，采取Core1、Core2两组泥炭柱，柱长均为50 cm，Core1和 Core2采样间距8 m。其中 Core1剖面0～3 cm，为深褐色泥炭，含较多未分解或部分分解的植物残体;3～10 cm，为褐色泥炭，植物残体完全分解;10～50 cm，为深褐色泥炭，植物残体部分分解;Core2剖面0～10 cm，为深褐色泥炭，含较多未分解或部分分解的植物残体;10～50 cm，为褐色泥炭，植物残体完全分解(图1)。Core1剖面和Core2剖面距离较近，但泥炭沉积颜色和所包含植物残体的分解程度差异较大，这可能是由于泥炭地特殊的沉积环境造成的。柱状泥炭样品采取完成后，裁切成1 cm长的小段，分别用锡箔纸包裹，再用医用纱布缠裹，按采样深度依次编号，投入随身携带的液氮罐中冷藏，并将采集完成的样品迅速运回实验室。

1.2 样品分析测试

样品处理过程包括:样品前处理，泥炭有机质的萃取，有机质的分离等步骤。采用高效液相色谱质谱－质谱联用仪进行类脂物GDGTs化合物的检测，检测在中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质教育部国家重点实验室进行。本次研究主要是GDGT化合物的定性分析，主要是依据相对保留时间和质谱解析。即利用特征碎片峰和分子离子峰提取目标化合物，根据保留时间和质量色谱图以及标准谱库进行定性确认、积分，根据标样的峰面积对各个化合物进行定量。

图1 若尔盖高原泥炭剖面地层(单位:cm)

2 bGDGTs系列指标的应用与评价

2.1 MBT、CBT 指标

Weijers［6］等通过全球不同地区土壤中bGDGTs的研究中发现，bGDGTs中的五元环与土壤pH，甲基与年平均大气温度(MAT)和土壤pH分别有紧密的关系。这种关系分别通过bGDGTs的环化指数(CBT，即Cyclisation ratio of Branched Tetraethers)和甲基化指数(MBT，即Methylation index of Branched Tetraethers)表示出来，分别表示bGDGTs中五元环的相对含量和甲基的相对含量，其公式如下:

公式中罗马数字代表bGDGTs结构的含量。利用(1)和(2)计算出Core1和Core2泥炭剖面CBT、MBT随深度的变化值。由于篇幅所限，此处不再详细罗列。

2.2 温度指标

现代检测技术发现，bGDGTs的上含有4～6个甲基，Weijers等通过全球不同地区土壤中bGDGTs的研究中发现，甲基化指数MBT与年平均大气温度MAT和pH值分别有紧密的关系，这种关系可以通过公式3表达:

土壤中细菌bGDGTs的MBT、CBT与大气平均温度MAT的关系在发现了后就被迅速运用到地质历史时期古温度的重建中去，并取得了很好的效果，展示了建立在bGDGTs基础上的指标在温度的重建中具有很大的应用潜力。但产bGDGTs的细菌生活在土壤中，所对应的环境温度是土壤温度，土壤温度和大气温度之间虽然具有良好的线性关系，但直接将MBT和CBT与大气平均温度进行比较显然会产生更大的偏差，导致其相关性系数(R2)降低。为更加精确证实bGDGTs的MBT与CBT作为“古温度计”的适用性，必须采用土壤的原位温度来校正公式3。Sinninghe等［7］选取了非洲乞力马扎罗山东南坡进行MBT、CBT用于陆地大气“温度计”可行性的研究，在海拔断面上，用Weijers所建立的公式3得到的年平均大气温度(MAT)比原位测量的温度稍高，随后他利用以往土壤原位测量所得到的年平均温度值和此海拔断面上的 MBT、CBT值，校正了公式3，得到

由于公式4的MAT采用的是土壤原位温度，从而使MBT、CBT与MAT三者线性关系的相关系数R2显著提高。本次实验根据公式4计算出若尔盖泥炭50 cm深度内Core1泥炭剖面的年大气平均温度 MAT为 －3.8℃ ～4.5℃;Core2剖面的MAT为0.1℃ ～5.1℃。而若尔盖气象站记录的45年间(1957～2001年)气温的变化范围为 －0.2℃ ～2.4℃［8］，计算年均气温与实测气温比较接近，可以认为利用公式4能够较为准确地进行若尔盖地区温度的计算。图2为若尔盖高原Core1和Core2泥炭剖面年大气平均温度MAT随深度的变化曲线。

图2 泥炭剖面MAT随深度的变化

从图2可以看出，Core1和Core2泥炭剖面年大气平均温度MAT随深度具有相似的变化趋势，曲线的阶段性较为明显。在泥炭剖面的中、下部，随着埋深的减小，MAT总体上呈减小趋势，Core1剖面的最小值 －3.8℃出现在11cm处，Core2剖面的最小值0.1℃出现在15 cm处;在达到最低温度后，MAT随埋深的减小整体上快速增长，在表层1 cm处达到最大值，这与近百年来中国的增温趋势基本一致。从整体上看，若尔盖高原MAT的变化范围较大，其原因可能为若尔盖高原地区位于四川西北部，青藏高原东部边缘，特殊的地理位置使其既受青藏高原环流系统的影响，又受东亚季风和印度季风的影响，致使若尔盖高原气候具有很强的地域性［9］，气温变化较为强烈。

2.3 降水指标

目前水文循环、干湿变迁等研究是气候研究的重点内容之一。同时，水文循环导致化学风化作用的变化，与全球系统的碳循环等生物地球化学过程关系更为密切。目前能够单独重建古降水量的指标很少，尽管石笋氧同位素主要受所在区的降水量控制，但研究者还是难以根据一个地点的石笋氧同位素值来定量估算过去的降水量。Hu等提出了基于同一水汽输送通道中两地石笋氧同位素的差值来定量计算过去降水量的新方法。除此之外，我们还需要寻找更多合适的指标来重建古降水条件。最近研究发现，中国区域内土壤中细菌bGDGTs的甲基化指数MBT与年平均降水量MAP有较好地线性关系，其表达式为:

利用(5)计算得到若尔盖Core1和Core2泥炭剖面50 cm深度记录的年平均降水量MAP的变化范围分别为439～800 mm和437～783 mm(图3)，若尔盖气象站记录的45年来(1957～2001年)当地年降水量的范围为428～873 mm。利用MBT与MAP的关系式计算得到的年降水量与实测值比较接近，但也存在有一定的误差，其原因可能是通过土壤调查建立的甲基化指数MBT与年平均降水量MAP的关系在泥炭沉积环境中应用的精度不高。由于泥炭地特殊的厌氧还原环境，在水位较高时，厌氧程度更高，不利于有机质的分解，形成的腐殖酸较少，泥炭pH更显碱性;水位较低时，表层干燥氧通量较大，有机质分解度高，形成腐殖酸较多，pH酸性更强。因此，可以将细菌bGDGTs重建的pH作为泥炭地水位高低的指标。要保持泥炭地较高的水位高程，每年必须有一定的降水量补给。根据pH与CBT的关系可知，CBT指标的主控因子是pH值，而pH可以指示泥炭地古水位的高低，因此，泥炭bGDGTs的环化指标CBT与年平均降水量MAP可能存在一定的关系。这种关系需要通过若尔盖高原区域泥炭的现代过程进行确定，以此建立适合本地区的更为准确的降水指标。

图3 泥炭剖面MAP随深度的变化

3 结语

根据若尔盖泥炭GDGTs化合物的实验测试成果，利用海洋、湖泊和土壤现代过程调查中建立的气候环境指标，对若尔盖浅层泥炭记录的气候信息进行了探讨，评价了不同气候指标在泥炭沉积环境中的适用性。

(1)利用MBT－CBT－MAT关系式计算得到的两泥炭剖面年大气温度平均值 MAT的范围为 －3.8℃ ～4.5℃ 和0.1℃ ～5.1℃，与当地气象记录的变化范围 －0.2℃ ～2.4℃较为接近;若尔盖高原泥炭年大气平均温度变化曲线具有较为明显的阶段性，气候具有很强的地域性特征。

(2)利用MBT－MAP关系式计算得到若尔盖泥炭两泥炭剖面年平均降水量MAP的变化范围分别为439～800 mm和437～783 mm，与当地气象记录的变化范围428～873 mm较为接近;泥炭地环化指数CBT与年平均降水量MAP可能存在一定的相关性。

利用bGDGTs建立的MAT、MAP等气候指标大体反映了若尔盖高原的气候环境信号，具有较强的可信度，这为探索自然情况下气候的变化提供了有价值的信息，说明泥炭沉积序列中GDGTs的相关指标在高分辨重建陆地环境的适用性和应用潜力。

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［2］夏玉梅.大小兴安岭高位泥炭孢粉记录及泥炭发育和演替过程研究［J］.地理科学.1996，16(4):337－344.

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