湖泊沉积色素在古环境研究中的应用

陈倩倩，周戎星，潘玲阳，李定心

(1.安徽新华学院 土木与环境工程学院，安徽 合肥 230088；2.安徽新华学院 安全与环境评价研究所，安徽 合肥 230088)

历史时期气候与环境变化的研究是解决全球气候变化和区域响应问题中的重要环节。而湖泊沉积物则是揭示古气候和古环境变化的最佳载体，它可以完整的记录地质历史时期区域气候、植被以及人类活动的演化过程等信息[1-2]。尤其是那些封闭好，受到人类扰动较小的高原和极地湖泊沉积物，对于区域乃至全球气候变化的响应十分灵敏，而且分辨率高，可以获取千年、百年甚至十年尺度上的古环境事件，目前被广泛应用于全球气候变化研究当中[3-4]。湖泊浮游植物作为水生态系统的重要组成部分对气候变化反应敏感，在生态监测中发挥着重要的作用[5-7]。来源于浮游植物的沉积色素是用于恢复古气候变化的重要指标之一，生物残体死亡以后，它们产生的色素还将长期存在,保留丰富的信息[8]，为我们研究过去的环境变化和污染历史提供了可能。研究表明，根据湖泊沉积物中沉积色素的种类和含量可以恢复湖泊初级生产力[9-10]、可以指示湖泊古气候变化[11]、湖泊营养状况[12]、湖泊酸化[13]、紫外辐射历史[14]、浮游植物群落变化历史及人类活动的影响等[5-6]。因此，可以通过分析湖泊和海洋沉积色素，结合其他指标的分析结果，揭示区域气候演化历史及变化特征等。本文重点总结了沉积色素的基本性质，探讨了色素在湖泊和海洋沉积物中的应用及研究进展。

1 色素的种类和来源

色素是一类由于可以反射特定波长的可见光而产生颜色的一类化合物，植物体内的色素不仅可以反射特定的光，而且可以吸收特定波长的光进行光合作用，这类色素称之为光合色素[16]。根据分子结构的特点可将色素分为三类：叶绿素，类胡萝卜素及藻胆素[17]。叶绿素是光合作用发生的必要条件，叶绿素a存在于所有的浮游植物中，是湖泊和海洋初级生产力的良好指标[17]。许多类胡萝卜素都具有种类特异性，可以指示浮游藻类的种群，如叶绿素b只存在于水生绿藻和苔藓(陆生)中，β-胡萝卜素普遍存在于各类藻类当中，α-胡萝卜素则普遍存在于绿藻、硅藻、隐藻等水生藻类体内，岩藻黄素来源于硅藻，角黄素、海胆酮等则来自于蓝藻，别黄素则来自于隐藻等，水生浮游植物主要特征色素(见表1)[18]。而藻胆素与叶绿素和类胡萝卜素不同，它是一类水溶性色素，仅存在于少数几种藻类当中，由于不易被常用的色素分析方法所检测，因此应用较少。

表1 浮游植物主要特征色素

2 沉积色素与湖泊初级生产力

色素存在于水生浮游植物当中，可以作为浮游植物生物量的指标，有研究表明影响沉积色素含量的主要因素是湖泊初级生产力[19]，因此，沉积色素与历史时期湖泊区域生物量有关，其含量的增加可以指示浮游植物量的增加，表征湖泊生产力[20-22]。湖泊生产力的指标比较多，常用的包括有机碳、有机氮、生物硅等，但是由于湖泊环境复杂，影响生产力的因素多变，使用这些指标时会有一定的局限性，比如有机碳的来源复杂，不能准确指示湖泊内源藻类的输入，而生物硅只能反映硅藻的生物量[23]。但是沉积色素，尤其是叶绿素a和β-胡萝卜素存在于所有的藻类当中，可以准确的反映湖泊生产力的变化[24]。其他藻类的特征类胡萝卜素还可以用来标记不同浮游植物群落的生产力和湖泊营养状况[17-18]。Schueller等[25]定量分析了新西兰海湾四个沉积柱中的浮游植物色素，用叶绿素a和β-胡萝卜素表征总藻类生物量，研究了该偏远地区浮游植物群落组成和初级生产力变化历史，同时利用叶绿素a和光合色素比值作为指标证明了浮游植物色素在南半球海湾生态系统中保存较好。对青藏高原湖泊沉积色素的研究发现，近一个世纪以来该地区湖泊初级生产力升高明显，尤其是青海湖，在1800AD之前就曾经出现过较高的色素含量，但是尚不能区分是气候还是人类活动作用导致的[26]。Reuss等[27]对瑞典北部亚北极地区的100个湖泊中沉积色素的研究发现，溶解性有机质(DOC)是影响高纬度地区湖泊初级生产力的主要因素，而调节光合浮游植物群落的主要因素是湖泊深度、海拔、以及电导率。对波罗地海沉积物中的色素及其他生物地球化学指标分析发现，1950AD以后总藻生物量显著增加，并指出是人类活动排放的含氮废水促进了湖泊生产力，尤其促进了硅藻生物量的增加[28]。对北极新奥尔松地区湖泊沉积色素的研究重建了最近100 a以来的湖泊初级生产力演化过程，同时指出北极地区人类活动的增强可能导致湖泊生产力水平增加[29]。Schueller等[25]利用北极湖泊沉积物中的叶黄素和硅藻黄素的比值指示高等植物(绿藻、高等植物、苔藓)初级生产力在全新世的变化情况。对我国封闭湖泊程海沉积物中的沉积色素研究，重建了程海过去500 a的生产力变化历史并分析了原因[30]。由此可见，沉积色素作为湖泊初级生产力的代用指标显示出了特有的优势。

3 沉积色素与湖泊的富营养化历史

沉积物中的有机质和色素可以作为湖泊富营养化水平的一种有效代用指标。沉积色素尤其是叶绿素在富营养化湖泊中含量较高，相反在贫营养湖泊中色素含量较低[31-33]。因此，可以应用沉积色素高分辨率地重建水体富营养化的历史[34]。张含笑等[35]利用长潭水库沉积色恢复了水库的富营养化演化历史，揭示了人类活动和气候变化对长潭水库藻类演替的影响和过程。在非洲南部Zeekoevlei湖泊的研究中，以玉米黄质和β-胡萝卜素的比值作为表征蓝藻生物量的指标，重建了近百年来由于人类活动引起的大型植物和浮游生物的生物地球化学变化过程[36]。Schneider等[37]利用沉积色素高分辨率的重建了近百年来瑞士卢加诺湖的泊富营养化历史，揭示了该湖自20世纪30年代以来的湖泊生产力和富营养化水平的变化特征。在法国的纳雷湖(侏罗山脉)利用沉积色素和硅藻化石指标，重建并分析了在气候变化和人类活动双重驱动因素的影响下，过去1 200 a湖泊营养状况的演化历史[38]。

沉积色素研究还可以很好的区分富营养化的不同阶段。对国内湖北良子湖沉积色素的研究揭示了过去一个世纪以来的湖泊富营养化历史，并将其划分为五个不同的时期:早期的贫营养时期，轻度富营养化时期，中度富营养化时期，富营养化时期以及当前稳定的富营养时期，并且证实了人类开垦土地和农业肥料的流失是该湖泊水体富营养化的最主要成因[39]。云南程海近600 a沉积物中的色素和同位素含量随着深度的变化显示，该区域过去600 a经历了由贫营养到富营养状态转化的三个阶段，指出该湖泊营养状态的转变主要是由于人类迁移及农业施肥导致的[40]。因此，在控制富营养化和修复环境时，要充分了解水体营养水平及原因，视各区域的具体情况，采取措施降低富营养水平。

4 沉积色素与紫外辐射历史

沉积色素中的伪枝藻色素(scytonemin)是蓝藻体内合成的一种屏蔽紫外辐射的脂溶性色素，其含量在一定程度上可以指示当时紫外辐射强度[41]，通常采用伪枝藻色素与总类胡萝卜素的比值来指示紫外辐射变化强度，以去除总浮游植物生物量的影响[42-43]。目前应用该色素反演紫外辐射历史的研究主要在两极地区开展，如，在东南极地区利用湖泊沉积色素结合其他生物地球化学指标，重建了过去2 000 a来该地区的紫外辐射变化历史，并区分出四个明显的紫外辐射高峰期，作者指出影响紫外辐射强度的可能因素主要有云量、大气浊度、臭氧层厚度、湖冰等[14-15]。Hodgson[15,42]通过沉积色素恢复了南极地区末次间冰期—晚更新世—全新世间冰期的紫外辐射历史，指出晚更新世末次冰期的紫外辐射强度较全新世间冰期高出三倍之多，同时指出平流层臭氧水平、云量、表面反射率等外在因素是造成高紫外辐射的可能原因。陈倩倩等[15,43]利用沉积色素重建了东南极罗斯海地区过去800 a来的紫外辐射记录和整体光强度的变化历史，揭示了过去800 a来东南极罗斯海地区至少经历了四次明显的紫外辐射高峰期，而且从历史记录来看现代的紫外辐射强度最高。在北极地区，利用落基山脉湖泊沉积物中的沉积色素指标重建了该地区过去200 a来的紫外辐射变化历史，发现在1850—1900AD出现了一个紫外辐射高峰期，并指出干旱造成的湖中的溶解性有机质(DOC)含量降低，是造成紫外辐射增强的可能因素[13]。综上，目前关于紫外辐射记录的研究仅在两极地区开展了少数的研究，中低纬度地区以及高山高原地区尚未涉及，因此，该领域的研究工作还有待于深入开展下去。

5 沉积色素与气候变化

沉积色素是一类对环境变化很敏感的化合物，在沉积过程中能够保留历史时期的环境信息，记录当时的气候环境状况和气候条件，是研究古气候学的重要指标，得到众多古气候学家的关注。如，对波罗的海沉积物中叶绿素及其降解产物和β-胡萝卜素的分析表明沉积色素不仅能够指示初级生产力和藻类种群，还能够反映沉积环境，尤其是水中氧环境和水动力的变化，深层沉积色素的研究结果显示气候变化对藻类生长的影响可能比当今人类活动的影响更大[44]。对加拿大西部111个盐湖沉积色素的研究显示沉积色素能够记录水体盐度和气候变化的历史[45]。Squier等[46]通过对东南极进步湖沉积物中色素分布的研究找到了晚第四纪环境变化的证据，一系列色素组成与丰度的变化数据提供了在由间冰期过渡到冰期再到间冰期的过程中湖泊生态演化历史的详细证据。对东南极拉斯慢丘陵地区的湖泊沉积物中的各种指标(包括硅藻、色素、同位素等地球化学指标)的研究发现了东南极拉斯慢地区冰川历史和海平面变化的证据[47]。对埃塞俄比亚中北部海克湖沉积物中的沉积色素及其他生物化学指标分析重建了该湖泊晚第四纪以来的湖泊演化(水位)和气候变化历史[48]。通过对阿根廷拉古纳波托克艾克玛珥湖沉积物中的色素和DNA分析发现，不同的湖泊微生物组合与特定的气候环境相关，可以指示研究区域的气候和成岩作用历史[49]。由此可见，沉积色素是古环境评估领域中较为有效的环境指标，可以为湖泊演化历史(包括湖泊浮游植物组成、生产力变化以及生态系统的结构等)、冰川覆盖历史以及海平面变化等的研究提供详细的证据[15]。

6 沉积色素指示浮游植物群落组成和丰度

浮游植物组成和丰度是评价水体质量和水生生态系统状态的良好指标。传统的浮游植物群落组成和丰度是由显微镜检查测定的，因此需要大量的时间和专业人员。沉积物中藻类来源的光合色素可以指示特定的生物来源，用以表征水域中浮游植物种群丰度及演替历史，为研究水域的浮游植物群落提供准确的信息。基于藻类色素化学分类分析软件CHEMTAX(CHEMical TAXonomy)应用程序被证明是一种有价值的海洋和湖泊浮游植物群落监测工具，已经广泛应用于海洋和淡水环境的研究当中[50-53]。利用藻类色素化学分类法对爱沙尼亚南部的一个大型浅水富营养湖泊浮游植物群落组成动态的研究结果表明色素结果与显微镜检结果基本一致[53]。波罗地海水体颗粒物和表层沉积物中的沉积色素有效地指示了该水域浮游植物的季节性变化特征[54]。Zhuang等[55]利用浮游植物的色素分布，揭示了西赤道太平洋暖池海域浮游植物群落的垂直分布信息。国内学者何学佳等[56]利用色素分析了厦门海域浮游植物的群落组成和种群丰度变化，指出该海域的优势种群主要是硅藻、定鞭金藻和甲藻。值得注意的是，色素生物标志物的有效性受到自身和外部环境的影响，因此在应用时必须综合考虑研究区域的环境因素以及浮游植物自身的影响[57]。

7 结 语

综上所述，沉积色素作为研究区域历史环境的良好指标，为研究古环境古生态的演化提供了重要的解决思路，具有非常广阔的应用前景。但是，作为一种特殊的代用指标，笔者认为在应用过程中应该注意以下几个问题：(1)色素在沉积的过程中容易受到自身及环境因素的影响而发生不同程度的降解。研究表明，含氧量、光照强度、温度、细胞衰老、颗粒物的沉降速率是影响色素降解速率的主要因素，而且在表层沉积物中降解缓慢，在深层沉积物中降解则非常缓慢。因此，在应用沉积色素重建古环境历史的时候要充分考虑沉积色素降解的问题。(2)沉积色素的应用前提需要依赖于准确快速的沉积色素分析方法。目前沉积色素的分析方法多样，主要包括紫外可见分光光度法、荧光法、薄层色谱法、高效液相色谱法、色谱质谱联用法等化学分析方法，还有利用近红外光谱数据计算的物理方法等，各种方法都有其优缺点。现在应用最多的是灵敏度高、分离效果好的高效液相色谱法对沉积色素进行定量分析，但是该方法操作复杂，分析测试时间较长。因此，选择快速、准确、合适的分析方法是应用沉积色素代用指标开展古环境研究的前提。(3)色素广泛存在于各种植物和藻类当中，一些类胡萝卜素只存在于特定的藻类种属中，指向性比较单一。因此，在应用的时候可以根据研究目的，利用多种替代性指标和统计分析的方法与手段跟沉积色素指标共同揭示古环境历史。