浙江天山感染料泥微生物特征及植被类型的变化

浙江天山感染料泥微生物特征及植被类型的变化

由于其信息丰富、时间序列长、分辨率高，污泥作为陆地生态环境变化的自然调整机制，具有广阔的应用前景。是研究第四纪以来气候变化的良好记录。在国外,19世纪中期人们就开始通过观察泥炭地层的发育状况和泥炭沉积中的生物遗存来推断过去气候状况,短短几十年内就涌现了大量喜人的成果。但在以往的研究中,主要侧重于泥炭同位素地球化学指标、总有机碳含量、孢粉、腐殖化度、植物大化石等恢复古降水、古季风演化、古温度特征,推测泥炭中植被的演替规律,而对于结合类脂物与有机碳同位素(δ13Corg)来研究泥炭中的微生物特征及其植被类型变化的相关报告则较少。类脂物是具有一定生物源指示意义的特殊有机物,它们在全球变化与环境演变研究中显示出了越来越重要的作用。有机质的δ13Corg值也可在一定条件下指示古植被的演变,δ13Corg值较高,C4植物含量较大,反映当时温度较高;而δ13Corg值较低则对应于较冷的时期。但δ13Corg值与类脂生物标志物有怎样的联系一直未能很好解决,其中一个主要原因是由于C3/C4植被分布特征与类脂生物标志物组成之间的关系缺乏足够的了解。对它们之间关系的研究有助于我们从分子级水平认识泥炭中微生物的贡献和古植被演化的规律,识别泥炭中微生物和植被类型对气候环境变化的响应过程。鉴于此,本人选取了中国东部季风区的典型区域浙江天目山为研究区,进行泥炭的高分辨率古环境研究。一方面,通过对类脂生物标志物并结合有机碳同位素进行对比分析,从分子级水平来认识泥炭微生物的分布特征。另一方面,挖掘泥炭中高分辨率的古植被信息,剖析微生物特征和植被变化对季风气候变化的生态响应,无疑对过去全球变化研究和人类的生存和可持续发展有着特殊而重要的意义。1样品采集和分析方法天目山位于浙江省西北部,地理坐标(30°29′58″N,119°26′27″E),沼泽区海拔高度1300~1500m,为典型的温暖湿润的季风气候区,冬暖夏凉,年平均气温14℃,7月份的平均气温为26℃。本区发育亚热带落叶常绿阔叶混交林,植物区系反映出古老性和多样性。在天目山最高峰龙王山附近挖掘人工剖面,剖面深100cm,自下而上依次出现灰黑色粘土、棕灰色沼泽淤泥、黑色泥炭沼泽土、棕黑色沼泽泥炭土和上部含植物根系的棕黑色沼泽土。在研究剖面系统采集了有机分析样品,样品间隔为4cm。把泥炭样品冻干后,磨至0.5mm以下。取0.5g粉末样品加入高纯度的进口三氯甲烷10mL,在超声波清洗器中抽提20min(一般超声3次)。总抽提物分别用正己烷、苯和甲醇作冲洗剂,将饱和烃、芳烃和非烃用层析柱法分离,并分别置于已衡重的细胞瓶中。将冷冻干燥后的组分送GC-MS(HP6890色谱-HP5973质谱联用仪)分析。色谱条件:HP-5MS石英毛细管柱(30m×0.25mm×0.25μm),始温70℃,升温速率3℃/min,终温280℃,终温稳定15min,进样口温度300℃,进样量1μL,载气为氦气。质谱条件:电子轰击源,电离能量70eV,GC与MS接口温度280℃。以2cm间隔采集有机碳同位素样品,同位素分析采用高温灼烧氧化法。制备的CO2在FinniganMAT251质谱仪上测定(测试误差小于±0.2‰,PDB标准)。所有测试均在中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。剖面的年代学确定主要根据尹茜等人在同一地区的测试结果,并结合我们在研究区另一剖面的年代学测试数据进行内差和外推获得。2碳源及碳源分布利用GC/MS从泥炭中检测出丰富的类脂生物标志物种类,包括正构烷烃、长链萜类、一元正脂肪酸、正脂肪醇等系列。由于烷烃与其他类型的有机质相比不容易被微生物所降解,它更能够敏感地记录有机质的来源信息,在一定程度上能够反映沉积物形成过程中微生物作用的强弱及其周围的植被类型变化情况。因此,本文只针对正构烷烃的分布特征进行探讨。正构烷烃广泛分布于植物和其他生物体中,不同生物源的正构烷烃具有不同的分布类型、碳数范围及主峰碳数。来源于藻类、菌类等低等生物的正构烷烃碳链较短(C13-21),通常以C17、C18或C19为主的单峰型分布,缺少高碳数(>C25)的正构烷烃,无明显的奇偶优势;陆生高等植物来源的正构烷烃碳链较长(C23-35),通常以C27、C29或C31为主峰的单峰型特征,具有显著的奇偶优势;而双峰型分布则被认为是混合来源。现代分子有机地球化学的研究还显示,正构烷烃C27、C29主要来源于木本植物,C31、C33则主要来源于草本植物,因此正构烷烃C27、C29和C31的相对丰度变化反映了木本和草本植物的相对变化关系。天目山泥炭剖面上,正构烷烃的碳数分布范围为C15—C33,C21以上高碳数分子相对含量较高,并具有明显的奇偶优势。部分泥炭样品中正构烷烃分子是以C29为主峰的单峰型分布,而大部分样品出现了以C17和C29为主峰的双峰型分布,但一般均以后峰为主峰,前峰为较弱的次主峰(图1)。平均链长值(ACL)发生了多次的变化(图2),具体表现为:深度100~68cm,ACL值在波动中上升;深度68~30cm,ACL值在波动中下降,且在深度38cm达到极小值;深度30~0cm,ACL值整体较高且变化相对平缓,在距离地面约9cm处出现了一次明显的波动。碳优势指数CPI位于4.76~8.77,平均值为6.49(见图2),且与(C15-21)/(C22-33)比值具有良好的对应关系,可以细分为3个阶段:深度100~68cm,(C15-21)/(C22-33)比值相对较低,CPI值逐渐升高;深度68~30cm,CPI值整体较低且变化明显,(C15-21)/(C22-33)比值处于高值区且波动剧烈;深度30~0cm,CPI值迅速降低,且在距离地面约9cm处又迅速回升。从有机碳同位素值上看,其在-26.51‰~-30.44‰波动,平均值为-28.49‰,自下而上有以下特征(见图2):在深度100~68cm,δ13Corg值比较稳定(大部分位于-29.00‰~-28.00‰);深度68~30cm为一高值区,在后期其值迅速降低;深度30~0cm,是一个明显的波动期,且在深度18cm和9cm出现了两个峰值。3正构烷烃和有机碳烷基的微生物特征和植物变化3.1深度和深度对生物和微生物的贡献天目山泥炭剖面上,正构烷烃的碳数分布特征表明大部分泥炭样品为混合来源,其中以C17为主峰的低碳数正构烷烃来源于菌藻类低等生物,具明显奇偶优势的高碳数(>C21)正构烷烃来源于高等维管植物的蜡。尽管泥炭剖面上高碳数正构烷烃以C29为主峰,但从(C15-21)/(C22-33)比值还是可以看出泥炭剖面的不同部位的微生物特征有所差异,可划分为三个明显的阶段:在深度100~68cm,较低的(C15-21)/(C22-33)比值和较高的CPI值反映了真菌、藻类、非光合作用的细菌等的贡献较弱,表明当时的环境条件更适合陆生高等植物的生长。深度68~30cm,CPI值整体较低且出现了较频繁的变化,(C15-21)/(C22-33)比值处于高值区且波动剧烈,反映了这一时期高等植物的相对比例有所降低,而菌藻类等微生物的贡献明显增加。(C15-21)/(C22-33)比值在深度68~30cm处于高值区,表明泥炭形成时的气候较温和,生长的动植物亦较多,它们的死体埋入地下或经微生物腐烂分解,增加了微生物的营养,构成了微生物生存所必要的条件,故而微生物特别是细菌能大量繁殖。在深度30~0cmCPI值有所下降,而(C15-21)/(C22-33)比值在泥炭剖面的上部较低,说明高等植物的比例有所增加,而细菌等微生物不太发育;在距离地面约9cm处出现了小规模的波动,可能暗示着真菌、藻类、非光合作用的细菌等的输入略有增多,表明当时的气候相对潮湿,为低等菌藻类的繁盛提供了一定的条件。CPI值在该泥炭剖面中随深度变化呈现出不同程度的波动(见图2),这种变化规律可能与微生物贡献密切相关。Huang等人对英国丘陵地区不同类型的现代土壤中正构烷烃的CPI值的研究表明,在土壤剖面上部深度25~10cm左右正构烷烃的CPI值较高,深度45~35cmCPI值减少到4~6。这种变化是由于土壤中微生物活动与化学降解作用十分活跃的结果。CPI值随深度加深迅速减少,可能与含长链且偶碳数占优势(或无奇偶优势)的生物源输入有关。同时,C15-21的短链正构烷烃的输入量(如真菌、藻类、非光合作用的细菌等)也会增加,所以表征高碳数与低碳数相对含量的(C15-21)/(C22-33)值也会随着泥炭剖面深度的加深而发生相应的变化。以往研究表明,种类繁多的泥炭有机物主要来源于各种植物碎屑与微生物。从正构烷烃质量色谱图中可以发现随着泥炭剖面的加深,低碳数的正构烷烃相对含量有明显上升的趋势,说明随着泥炭深度的变化不同来源的有机质的相对贡献量也是在变化的。大约在深度100~68cm,低碳数的正构烷烃相对含量相对较低;在泥炭剖面中部,低等菌藻类生物及各种微生物的贡献逐渐变大;而表层泥炭的有机质主要来源于高等植被。同时,前人的研究成果已经证实,随着土壤剖面深度的增加,微生物活动将会逐渐减弱。本次研究的泥炭剖面中微生物贡献的低碳数正构烷烃的相对含量随深度的加深有上升的趋势(见图2)。这说明了在泥炭剖面中的有机质来源于菌藻类的贡献相对增加,而来源于高等植被的贡献相对减少。而暖湿气候条件下,细菌、真菌等分解微生物活跃,可以很大程度下改造正构烷烃,使得高碳数部分相对减少。但在泥炭剖面的底部(深度100~68cm),不同链长的正构烷烃相对含量都逐渐减少,表明来源于高等植物和低等菌藻类的有机质的相对贡献量也是逐渐减少的。3.2泥炭土壤有机碳的分布特征泥炭剖面上类脂生物标志物高碳数(>C21)正构烷烃以C29为主峰,表明其植被类型以木本植物占优势,但还是可以看出泥炭剖面的不同部位的植被类型的相对变化,具有明显的三阶段式分布特征。在深度100~68cm,ACL值在波动中上升反映了草本植物逐渐取代木本植物并占优势的现象,某些样品甚至出现了草本与木本植物相当的植被类型,表明后期的环境条件更适合高等草本植物的生长。在深度68~30cm,ACL值逐渐降低,反映了这一时期木本植物的相对比例有所提高;ACL值在深度38cm处达到极小值,说明草本植物相对减少,而来源于木本植物的贡献显著增加。ACL在深度30~0cm处于高值区,反映了草本植物的比例有所增加,而来源于木本植物的输入相对减少;在距离地面约9cm处出现了小规模的波动,可能暗示着当时的气候相对温和湿润,为木本植物的发育提供了生存的空间。δ13Corg值与沉积物中有机质的来源密不可分。泥炭有机质是由分解的植物残体逐渐转化和积累起来的,而不同类型植被产生的有机质的碳同位素组成有显著差异,所以有机碳同位素值可以很好地指示植被的类型。本次研究的泥炭有机碳同位素值整体偏负(平均值为-28.49‰),主要指示了当地的植被类型主要为C3植物,说明当地的气候条件相对温和,为C3植物的大量繁殖提供了良好的条件。在100cm的泥炭剖面上δ13Corg的变化幅度为3.93‰,其变化幅度比中国桂林岩溶土壤δ13C值变化幅度(可达2‰)更加明显,这可能是由于不同区域水热条件与土壤性状存在差异的结果。在剖面下部(深度100~68cm),有机碳δ13Corg值在平均值附近波动且保持相对稳定,显示了当时草本和木本植物同时存在。在深度68~40cm,木本C3植被贡献的有所降低,而来源于草本C4植物的有机质贡献增加,使得有机碳同位素相对较高。深度40~30cm,δ13Corg值又迅速降低,表明随着环境温度的降低,木本C3植物又大量发育。在深度30~0cm,δ13Corg值出现了较高值,这可能是因为表层泥炭中有大量的植物碎屑,更为富集δ13Corg,微弱的微生物作用将会使泥炭中有机碳的值发生变化。在中国西南地区不同海拔的三个土壤剖面的研究中也发现,微生物在分解利用落叶等高等植物有机质的时候将优先富集13C,导致δ13C值在表层土壤中明显的升高,这与本次研究的作用机制可能相似。前人的研究已经证实,微生物在利用土壤中营养物质维持自身生理活动的时候将优先利用12C,从而导致土壤残余有机质中13C不断富集,所以在泥炭剖面中部和表层δ13Corg值明显偏重。本次研究的正构烷烃的ACL值与有机碳同位素值的变化具有很好的相关性,这可能是由于有机碳同位素值与类脂生物标志物变化主要受控于气候环境的制约。有意义的是,类脂生物标志物在剖面上的分布特征与岩性的变化有很好的对应性。如深度68cm为下部黑色泥炭沼泽土和上部棕黑色沼泽泥炭土的分界线(图3),该处也是全球气候发生变化的一个重要的关键界线。再如,深度30cm处CPI发生了明显的变化。有意义的是,正构烷烃发生的两次规律性变化的深度刚好对应的是全新世大暖期结束和小冰期。类脂生物标志物这种规律性变化可能与微生物的作用、植物属种的相互取代、气候变化有关。4气候环境的生态特征天目山泥炭剖面的有机碳同位素与类脂生物标志物呈现出一致的变化趋势,共同指示了泥炭微生物特征和植被类型的变化。在深度100~68cm,不同来源的有机质的相对贡献量都相对较少,微生物特征不明显;在相对较深层位的泥炭中(深度68~30cm),低等菌藻类生物及各种微生物的贡献逐渐变大;而表层泥炭的有机质主要来源于高等植被,微生物活动不强。有机碳同位素和类脂生物标志物详细记录了中全新世以来该区经历了几次明显的植被变化,很好地反映了4000aB.P.以来气候环境的演化过程。总的而言,可以划分为3个阶段(图3):(1)3200aB.P.之前,各指标都相对稳定,说明当时气候波动不大,且类脂生物标志物分布特征和有机碳同位素值揭示了该时期气候温和适度,晚期逐渐向降温、变干方向转化。孢粉组合同样显示,热带、亚热带植被含量减少,蕨类植物零星出现。施雅风等人的研究表明,4000~3000aB.P.为中全新世末气候波动的过渡时期,在东北金川泥炭、敦德冰心、格陵兰冰心、北美洞穴方解石碳氧同位素等均记录了这个过渡时期的特征。(2)3200~700aB.P.(30~68cm),从CPI、ACL和(C15-21)/(C22-33)比值可以看出,这一时期气候出现多次急剧的冷暖波动,主要表现为3200~2700aB.P.有机碳δ13Corg逐渐增加,而CPI值延续了前期的降低趋势,表明气候逐渐回升,环境不断好转;之后δ13Corg和正构烷烃分布均出现了几次峰值和谷值,指示了几次温暖与寒冷事件,如2700~2000aB.P.、1400~1000aB.P.的两次明显温暖期,前一次温暖期刚好对应春秋-秦的温暖期,后以暖期则与隋唐温暖期相对应。比较而言,2