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古温度的定量重建是古环境/气候学研究的重要内容之一,不同领域的学者为此一直进行着不懈的探索。对于地球上两大表生生态系统——海洋和陆地来说,海洋的古温度重建研究比较多,而由于缺乏有效的定量化计算指标,陆相古温度定量重建一直难以进行。近年来,一些基于古/细菌的细胞膜类脂化合物——甘油二烷基甘油四醚(GDGTs: glycerol dialkyl glycerol tetraethers)的古温度指标得到了广泛的应用与发展。这类化合物按结构中烷基链的特征可以分为类异戊二烯GDGTs(isoGDGTs)和支链GDGTs(brGDGTs)。陆地载体中主要以brGDGTs为主,对应的环境替代性指标为CBT指数(cyclisation ratio of branchedtetraethers)和MBT指数(methylation index of branched tetraethers)。MBT/CBT是用来计算平均大气温度(MAT: mean air temperature)的,但因为brGDGTs的来源不明确,土壤相关指标在陆地湖泊中的应用受到了限制。本论文选取相对封闭的湖光岩玛珥湖为研究对象,重点对其水体和沉积物捕获器(trap)样品中brGDGTs进行月度定量研究。研究的主要目的在于探讨湖泊中brGDGTs的来源;揭示该环境中brGDGTs含量和分布的环境控制因素;建立该地区的温度校正公式并对沉积记录的温度进行重建。
通过对湖光岩玛珥湖周边土壤、水体颗粒物、trap和表层沉积物brGDGTs的分析,发现土壤样品中brGDGTs的组成与分布和湖泊样品存在明显差异,由此判断湖光岩玛珥湖中brGDGTs化合物主要是湖泊内源产生,因此基于全球土壤的温度计算式在湖光岩玛珥湖的应用受到限制。
对湖泊水体和trap进行为期一年按月采样的研究结果显示,水体和trap样品的brGDGTs含量/通量均是底层最高,表层最低,表明湖光岩玛珥湖中产生brGDGTs的细菌主要生存在湖泊的底层。从季节上看,冬季水体和trap样品brGDGTs含量最高,推测是由于华南地区冬季在冬季风等影响下湖泊水体不分层,湖泊初级生产力增高,使得产生brGDGTs的细菌繁殖引起的。因此,认为湖光岩玛珥湖中brGDGTs记录的可能是冬季的温度。另外,通过主成分分析(PCA)和冗余分析(RDA),也发现温度是湖光岩玛珥湖中brGDGTs含量与分布的主要环境制约因子。这些研究结果说明湖光岩玛珥湖中brGDGTs含量与分布主要受温度控制,brGDGTs相关指标在该湖泊中可以用来计算古温度。
综合研究湖光岩玛珥湖中brGDGTs组成与含量在不同深度水体和trap中的分布与环境因子之间的相关性,发现通过西伯利亚高压强度指数(SHI)可以校正冬季风对于brGDGTs分布的季节影响。因此,本研究通过对湖光岩大量样品的brGDGTs研究,建立该地区brGDGTs温度经验计算式:T=-13.748×logSHI+44.511×MBT+5.810(n=72,p≤0.0001,R2=0.83,SEE=2.3℃)。利用该算式计算湖泊表层沉积物的温度为23.3℃,和该地区年平均大气温度(23.2℃)相符合,表明本论文建立的温度计算式是可用的。
将建立的温度经验计算式应用于湖泊中的古温度重建研究,发现该地区1634~1689温度偏低,对应于小冰期第二阶段;1930-1970为低温阶段,和川西或尼泊尔地区利用树轮宽度计算的温度吻合;1986年以后均表现为显著升温,这和华南地区,甚至整个北半球具有相同的温度变化趋势。而利用其它经验公式计算的温度在此阶段呈现降温趋势,这和湖光岩地区实际气温是不相符的。推测可能是由于该时期湖光岩地区出现暖冬,冬季brGDGTs大量增殖引起的,而利用本文经SHI校正的公式则很好地避免了计算结果季节倾向性,能更准确的反映当地温度变化。