東海赤潮高發區沉積物柱狀樣中正構烷烴和脂肪醇的分布與來源①

李 鳳 劉亞娟 王江濤 賀行良

0 引言

東海是典型的大河影響下的邊緣海，接受了來自長江等河流的陸源有機碳輸入和近岸初級生產產生的海洋(自生的)有機碳［1］。目前，生物標志物作為一類新的地球化學指標，在不同的邊緣海系統中被大量應用［2～6］。但這些化合物在應用時存在一些問題，比如，浮游生物中豐富的硅藻、顆石藻及細菌輸入和細菌的改造作用，可以使高碳數正構烷烴不具有明顯的奇偶優勢，混淆其物源的指示意義［7］;在沉積物中甾醇化合物的差異不僅與生物來源有關，沉降過程中甾烯醇的細菌加氫還原作用也可以產生甾醇，因此，可能混淆甾醇的指示作用［8］，且陸架區因受高沉積速率、細胞產生量、早期成巖等諸多因素的影響，生物標志物在內陸架區保存機制尚不完全明確。所以，要在這一海區使用生物標志物反演生態變化，研究邊緣海沉積有機質來源，通常將兩種或兩種以上的生物標志物與能反映有機物總體特征的參數結合使用。本文以東海赤潮高發區為研究區域，通過對柱狀沉積物中δ13CTOC和生物標志物的研究，探討了有機質的來源、分布、遷移和轉化，豐富了對邊緣海有機地球化學過程的認識。

1 材料與方法

1．1 樣品采集與處理

圖1 采樣站位(底圖改繪自文獻［9］)Fig．1 Location map of the study area and sampling stations

沉積物柱狀樣用多管式重力采樣器取得，站位如圖1所示。樣品采得后，現場按密集型1cm間距分割成子樣，放入450℃灼燒過的鋁箔中包裹封裝，冷凍(－20℃)保存至實驗室分析。分析前，樣品經冷凍干燥后研磨過80～100目篩。部分樣品進行碳同位素分析，剩余樣品用于生物標志物的分析。

表1 沉積物柱狀樣基本信息Table 1 Information of four sediment cores

1．2 分析方法

1．2．1 穩定碳同位素分析

取各站位表、中、底三個層次的樣品，加入5%HCl，放置 12 h，然后 80℃水浴加熱 0．5～1 h，除去無機碳。用去離子水洗至 pH＞6，在105℃下烘干，稱重。用Flash EA1112型元素分析儀(EA)-MAT253同位素比值質譜聯用儀測定。EA:爐溫950℃;Con-FloⅢ氦氣壓力120 kPa，CO2壓力150 kPa;IRMS真空度為 2．6×10－8kPa，發射電流 1．5 mA。同位素結果的計算式如下:δ13CTOC(‰)=(R樣品/R標準－1)×1000，其中標準物質為國際標準物質PDB。

1．2．2 生物標志物分析

樣品冷凍干燥后，加入二氯甲烷/甲醇(V/V 3∶1)萃取液和C24D50、C19-OH組成的內標，超聲萃取4次得到總可萃取有機質。萃取液加活性銅片除硫后，在柔和氮氣下吹干，加入6%KOH/CH3OH溶液皂化12 h，再以正己烷萃取得到中性脂類物質。萃取液經氮吹富集后，用硅膠層析柱進行凈化，先用正己烷淋洗得到烷烴組分，再用甲醇/二氯甲烷(V/V 5∶95)淋洗得到醇組分。將烷烴組分吹干用正己烷定容后直接上機分析;對醇類組分需進行衍生化反應，加40 μL二氯甲烷和 40 μL BSTFA衍生化試劑加熱(70℃)，反應1 h，再上儀器分析。

GC-MS分析在 Agilent7890A/5975C型氣相色譜/質譜聯用儀(GC/MS)上完成，離子源為電子轟擊源(70 eV)，離子源溫度230℃，四級桿溫度150℃，色譜柱:DB-5MS彈性石英毛細管柱(30 m×0．25 mm×0．25 μm)，載氣:氮氣，流速:1．0 mL/min。無分流進樣1 μL，進樣口溫度300℃，具體升溫程序如下:

a．烷烴組分:初始溫度60℃保持1 min，以5℃/min升至310℃，終溫保持20 min。

b．醇組分:初始溫度80℃保持1 min，以25℃/min升至200℃，再以4℃/min升至300℃，終溫保持15 min。

化合物鑒定依據色譜保留時間和質譜圖與文獻報道和標準譜庫(美國NIST02L)中的譜圖相比較完成。空白樣分析在每一樣品分析前進行，以確保色譜柱無污染。化合物的量在假定內標與各化合物具有相同響應因子的前提下，根據所加內標和各化合物在總離子流圖上的響應值求的［9］。經重復測定，化合物分析的相對標準誤差在±5%內。由于有些樣品化合物含量很低，因此，對樣品進行了濃縮富集，所以沒有進行回收率的計算。

2 結果與討論

2．1 總有機碳同位素組成特征

各站位不同層次沉積物δ13CTOC分布如圖2所示，4 個泥質區的碳同位素組成在－22．7‰～ －24．5‰之間，平均值－23．4‰，閩浙沿岸泥質區站位較長江口泥質區δ13CTOC富集。按照文獻［9］的雙端元模型計算了陸源和海源的貢獻率，計算結果如表2。研究海區陸源有機碳的貢獻率在42%～62%之間，平均貢獻率為51%。就不同采樣站位而言，dc11站陸源有機碳最高，平均值為57%。其中表層有機碳由海洋自身貢獻占50%以上，隨著深度的增加，陸源有機碳的比例逐漸增多，達60%以上。閩浙沿岸泥質區表層沉積物中來自海洋浮游植物的有機碳輸入較多，中層和底層沉積物中陸源有機碳比例較表層來說有所上升。zb11站由δ13C指示的兩端元貢獻率基本各占一半，這與劉亞娟［10］測定的該站位C/N比指示的物質來源情況基本一致。按照站位由北向南，陸源有機碳的輸入逐漸減少，海源有機碳的輸入逐漸增加，這基本上反映了長江對該海域有機碳輸入的影響。

圖2 不同層次沉積物δ13CTOC值Fig．2 δ13CTOCvalues in sediments of different levels

表2 采樣站位不同層次兩端元模型計算結果Table 2 Sampling stations with different levels using a binary model calculation results

2．2 正構烷烴

2．2．1 正構烷烴的組成與分布

沉積物樣品中正構烷烴Cn的分布范圍為C14～C35，個別站位達到C38。典型的正構烷烴氣相色譜圖如圖3所示的zb11站19～20 cm樣品的色譜圖。正構烷烴分布多呈雙峰型群，前峰群鏈長在C14～C21，主碳峰為C18或 C19，后峰群碳數在 C25～C36之間，主峰碳為C29或C31，與前峰群相比后峰群奇碳優勢更加明顯。前峰群和后峰群的碳數奇偶優勢指數CPI1和CPI2如表2所示。各站位前峰群短鏈烷烴的CPI1在1．0左右，無明顯奇偶優勢，主要來源于海洋浮游藻類和細菌;后峰群長鏈烷烴的CPI2大多在2．0～5．0范圍內，有明顯的奇碳數優勢，主要以陸源輸入為主。

圖3 zb11站19～20 cm樣品正構烷烴氣相色譜圖Fig．3 The GC spectrum of n-alkanes in 19～20 cm sample of zb11 station

dc11 站 T-ALK 分布在 1．02～10．05 μg/g，平均含量為 6．24 μg/g;za3 站在 0．39～15．99 μg/g，平均值為4．31 μg/g;zb11 站含量在 1．19～7．86 μg/g 之間，平均含量 3．85 μg/g;zc17 站含量分布在 2．25～4．89 μg/g，平均含量3．63 μg/g。dc11站 T-ALK 含量最高，閩浙沿岸泥質區三個站位表層含量則出現由北向南依次遞減的趨勢。不同站位T-ALK含量垂直變化不同(圖4)，從整體上看，dc11站的垂直變化最為劇烈，由表層至7 cm呈增加的趨勢，最大值為9．44 μg/g，隨后又下降到 1．02 μg/g，然后又增加到 10．05 μg/g;za3站表層T-ALK含量最高，以后不斷減小，在15 cm處有一個最小值，但總體上表層以下含量較為穩定;zd11站隨深度增加，雖然有一些波動，但基本上呈現單向減小趨勢;zc17站T-ALK含量在四個站位中是最低的，總體趨勢也是不斷減小。對比四個站位，除dc11站外其余三個站位T-ALK在波動中隨深度增加均呈降低趨勢。這可能與沉積物本身粒徑有關。一般來說，粒度細的顆粒比較容易吸附有機質。za3站表層樣品粒徑明顯較下層細，含砂量較低，這可能是造成za3站表層烷烴含量偏高的原因。

圖4 采樣站位T-ALK含量的垂直變化Fig．4 Sampling station’s T-ALK content vertical variation

表3 采樣站位正構烷烴分子組成特征指數Table 3 Characteristic index of N-alkane molecule composition

2．2．2 正構烷烴指示的沉積有機質來源

應用特征指數可對正構烷烴的分子組合特征進行分析，從而反演沉積有機質的來源和沉積環境。計算結果如表3所示。

為消除粒度和沉積速率的影響，利用陸源正構烷烴與海源正構烷烴之比(ΣT/ΣM)可更準確的指示有機質的來源［11］。從表3中看出，ΣT/ΣM變化范圍在0．58～6．80 之間。dc11 站隨著深度的增加，ΣT/ΣM逐漸增大，za3站情況與之類似，說明在過去的幾十年中陸源有機質輸入的比例在逐漸降低，這與該地區赤潮頻發的現實情況是一致的;zb11站在＜10 cm的深度范圍內，ΣT/ΣM同樣是增大的，可能同樣是受到海洋初級生產力升高、浮游植物增加的影響;10 cm以下則表現出陸源輸入比例的增加;zc17站則沒有明顯變化，該站位的陸源輸入比例相對穩定。TAR也是評價陸源正構烷烴和海源正構烷烴相對貢獻的一個常用參數［12］。通過相關性分析發現，TAR與∑T/∑M 的相關性可達 r=0．87～0．98，兩者分布類似，指示意義一致。

正構烷烴特征指標Pmar－aq用于區分陸地維管植物、浮水植物以及海洋大型植物的不同輸入［13，14］。其中，當 Pmar－aq在 0．01～0．25 之間時代表了陸源輸入，在0．4～0．6之間則指示浮水植物的輸入，淡水及海洋大型植物輸入的正構烷烴Pmar－aq值則在0．6以上。各站位沉積物中正構烷烴的Pmar－aq平均值變化范圍在0．14～0．22之間，反映出東海赤潮高發區的正構烷烴的輸入以陸源為主，且僅在zb11站部分深層樣品中可以找到大型水生植物輸入的影響。

平均鏈長(ACL)可以用來指示沉積區陸源植被種類［13］。木本植物C29正構烷烴含量為最高，草本植物則多以C31為主峰。ACL值越大代表草本植被的輸入越多，減小則表示木本植被輸入的增加。各站位沉積物中正構烷烴的ACL變化范圍在29～30之間。其中za3站最高，為30．14。說明影響該海域的陸源輸入植被主要為草本植物。在柱狀樣分布中ACL也沒有發生明顯的變化，說明在沉積樣可追溯的年代中沒有發生植被的明顯改變。烷烴指數(AI)，可幫助判斷母質植被類型［13］。當AI≈0．5時可表示陸源沉積有機質中草本植被與木本植被在母質中所占比例相近，大于該值則說明草本植物的比例較大。從表2可知，草本植物輸入的比例大于木本植物。由ACL與AI兩者可共同確定影響赤潮高發區的陸源輸入主要以草本植被為主。

2．3 脂肪醇

2．3．1 直鏈烷醇和植醇對有機質輸入的指示

浮游植物中烷基醇以C16、C18為主;浮游動物中以C20烷基醇含量最高;水生大型植物則以C22或C24烷基醇占優勢，C24或C28烷基醇也可能來自于陸地高等植物或細菌。典型的直鏈烷基醇碳數分布如圖5所示za3站2～3 cm分布圖，各站位直鏈烷基醇前峰群以C16、C18為主碳峰，表明海洋輸入中以浮游植物為主;后峰群以 C24和 C28為主碳峰，C24、C26、C28烷基醇的含量最高，以高等植物或細菌的輸入為主。另外，∑n－C22+/∑n－C22－比值，在 dc11 站為 0．25～0．66，za3 站為 0．22～6．20，zb11 站為 0．37～0．83，zc17 站為0．19～2．85，均低于東海大陸架(∑n－C22+/∑n－C22－值=6．70)。這說明較之東海大陸架，采樣站位有更多的陸源烷基醇的輸入，這與脂肪酸的研究結果相吻合［10］。

圖5 za3站2～3 cm樣品直鏈烷基醇碳數分布圖Fig．5 The GC spectrum of n-fatty alcohol in 2～3 cm sample of za3 station

植醇是Chl－a的生物和生物化學水解作用產物，在不同的氧化還原環境下能進一步轉化為姥鮫烷和植烷。表層沉積物中，植醇/∑n-烷基醇在dc11、za3、zb11、zc17 站位分別為 0．24、0．36、0．43 和 0．21，與同一海區上層水體中4～5月間葉綠素分布趨勢一致，說明東海赤潮高發區植醇所經歷的生物和生物化學作用強度相似。同時，這也反映出調查海區葉綠素含量應該較東海大陸架高(植醇/∑n-烷基醇=0．03)［16］。

2．3．2 甾醇指示的物質來源

C27甾醇在浮游動物糞粒中含量較高，主要反映了海洋浮游動物的輸入;C29甾醇的主要生產者為陸源高等維管植物，其中24-乙基膽甾-5，22-二烯醇和24-乙基膽甾-5-烯醇是高等植物中甾醇的主要成分;C28甾醇沒有特異的專屬性，一般認為來源于湖泊藻類，也被用于海洋藻類的生態示蹤［15］。將 C27－C28－C29的百分比含量以三角圖表示，以直觀表示不同來源甾醇的貢獻。由圖6可知，四個站位不同沉積年代的樣品在三角圖上的數據點分布較為集中，所測樣品甾醇中，陸源C29甾醇貢獻率在50%左右;代表著湖泊、海洋等水生環境的C28、C27甾醇的總貢獻率也在50%左右，兩者間百分含量基本相當，與δ13C兩端元混合模型計算結果一致。另外，za3站位5～6 cm、9～12 cm樣品中來自水生環境的甾醇百分含量較高，占75%左右，說明在對應的沉積時期海洋藻類生長比較繁盛。

圖6 東海沉積物中C27、C28、C29甾醇的分布Fig．6 Distribution of C27，C28，C29sterols in sediments from the East China Sea sediments

2．3．3 甾醇對浮游植物群落結構的指示

甾醇為一系列以環戊烷多氫菲為基本結構的化合物，其雙鍵位置和側鏈甲基的位置使其與特定的物質來源有很好的對應性［16］。本文主要以甲藻甾醇(Dinosterol)代表甲藻，以菜籽甾醇(Brassicasterol)作為硅藻特征指示物，反演上層水體浮游植物的群落結構。由于這兩種特征生物標志物的降解速率相近，用菜籽甾醇與甲藻甾醇之間的比值(Brassicasterol/Dinosterol)可以用來指示過去一段時期中研究海區浮游植物種群結構的變化情況。

典型浮游植物生物標志物指示的硅藻與甲藻比例變化由圖7所示，在過去的一段歷史時期中，東海赤潮高發區硅藻/甲藻比例發生了改變。整體上，長江口與閩浙沿岸區域由甾醇指示的硅藻/甲藻比例變化并不相同。長江口dc11站10 cm以上層次硅藻在浮游植物群落中強度隨著埋藏深度的變淺而逐漸增大，10 cm以下硅藻/甲藻比例波動較大，主要表現在甲藻相對比例在13 cm達到高值后又在17 cm有低值后又降低。而閩浙沿岸三個站位中，一致性地呈現近年來該海域甲藻增加的趨勢。zc17站位甲藻的相對比例在0～17 cm整體上呈增加趨勢，17 cm以下層次中，隨著埋藏深度的變淺而增大，在25 cm有低值后又在27 cm有高值。兩泥質區硅藻/甲藻比例不同可能是因為長江口泥質區受陸源輸入的影響大，硅藻比例相對較高。這一變化與東海自上世紀八九十年代以來由于水體富營養化的日益加重所導致的赤潮由簡單的硅藻赤潮向硅藻甲藻赤潮交替發生的轉變相吻合。

圖7 浮游植物生物標志物指示的硅藻與甲藻比例的變化Fig．7 The phytoplankton biomarkers indicates the changing proportion of diatoms and dinoflagellates

同時，還利用沉積速率與za3站位位置接近的值s=0．86 cm/y［17］反演了二十世紀 70 年代以來硅/甲藻種群結構的變化。表層沉積物易受再懸浮等因素的影響，未納入計算，結果如圖8所示。

自上世紀以來，雖在某些年份硅藻比例有所上升，但總體趨勢上za3站甲藻的比例不斷增大。特別是以1980年為界，之前年份中硅甲藻比例較為穩定，且有硅藻比例增大的趨勢，1980年之后，甲藻比例增加的趨勢更較為明顯。其中2005年、2008年甲藻比例最高。可能與2004年、2005年東海赤潮面積大于其他年份［18］有關。

圖8 za3站甲藻和硅藻比例的變化Fig．8 The changing proportion of diatoms and dinoflagellates in za3 station

3 結論

(1)東海赤潮高發區陸源有機碳的貢獻率在50%～62%之間。隨著埋藏深度的增加，海源輸入的比例逐步降低。

(2)正構烷烴多以雙峰群分布，前峰群短鏈烷烴(C14～C21)無明顯的奇偶碳數優勢，主要來源于海洋浮游藻類和細菌;后峰群長鏈烷烴(C25～C36)具有奇碳數優勢，主要來源于陸地高等植物，且以草本植物為主。

(3)東海赤潮高發區沉積物中直鏈烷基醇主要來源于陸地高等植物。

(4)浮游植物生物標志物指示的硅藻與甲藻比例的變化說明由于水體富營養化的日益加重導致赤潮由簡單的硅藻赤潮向硅藻甲藻赤潮轉變。

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