中国东北干旱-半干旱地区湖泊沉积物木质素酚类化合物特征及其气候指示意义

木质素广泛分布于维管植物,经分解生成的酚类化合物可示踪有机质来源、评估木质素降解程度,进而用于反演古环境与古气候变化。采用合适的分析方法有效地分解木质素是推断母源植物类型、降解程度的技术基础,常规方法是木质素经碱(或酸)解后,利用气相色谱-质谱法(GC-MS)分析酚类单体化合物,但分解、提取过程复杂、易引入杂质。热裂解技术可在高温下快速分解有机质,裂解产物可通过GC-MS进行在线分析,具有用样量少、有机质提取比例高、重现性好、操作便捷的特点。本文选择地处亚洲夏季风影响区域的边缘的内蒙伊和沙日乌苏湖,采用热裂解GC-MS(Py-GC/MS)技术,对湖泊沉积物进行裂解分析,在对裂解温度(450℃、550℃和650℃)进行了优化的基础上,识别了21种酚类化合物,包括:4-甲基苯酚、2-乙基苯酚等9种烷基酚类(PHs),4-乙基-2-甲氧基苯酚、4-乙烯基-2,6-二甲氧基苯酚等9种烷基酚类(PHs)和12种甲氧基酚类(LGs)。结合沉积岩心样品AMS 14 C年龄的分析结果,6.7 ka以来沉积物中酚类化合物总量、PHs和LGs的变化趋势总体一致,呈现出6.7~4.0ka相对含量较高、4.0ka以来相对含量较低的特征。不同于PHs中邻(o-)-PHs、间(m-)-PHs、对(p-)-PHs的变化趋势与总量一致;但不同取代特征的LGs相对含量变化趋势存在差异,p-LGs在5.4ka前后就出现含量显著下降,3.8ka以来维持较低水平。根据微生物对木质素的“去甲基/去甲氧基”氧化反应途径,对位取代酚类化合物比值(p-PHs/p-LGs)可作为陆生高等植物降解指标,该值越大微生物降解作用越强。将p-PHs/p-LGs指标应用于伊和沙日乌苏沉积物样品结果显示,6.7ka以来p-PHs/p-LGs与正构烷烃单体碳同位素δ^(13) C_(27-33)变化趋势一致(R=-0.77),间接地指示了有效降水变化。即6.7ka以来气候整体转湿,区内陆生高等植物占据优势,充足的水分和有机质为微生物提供了适宜的生存环境和相对稳定的营养来源,降解作用整体呈增强趋势;6.3~5.5ka和4.1~3.6ka期间有效湿度降低,微生物对木质素的降解作用相对减弱。p-PHs/p-LGs指标对应了呼伦贝尔地区湿度变化特征,揭示了干旱-半干旱地区微生物降解与有效湿度变化的相关性,为探讨陆地生态系统对东亚季风北部边缘区气候变化的响应提供科学依据。

基于Py-GC/MS的沙漠湖泊直链脂肪族化合物分析及古气候应用初探

湖泊沉积物中直链脂肪族化合物(MCCs)对气候变化响应敏感,环境条件的变化可促使MCCs在游离态和结合态间发生转化,是古气候重建的重要生物标志物。以往研究中对样品前处理通常采用混合溶剂提取法得到MCCs游离态组分,而以化学键合、物理吸附等形式赋存的结合态组分无法通过溶剂提取,不能获取结合态组分特征对气候环境变化的指示信息。本文将热裂解这一有机质高效分解技术与气相色谱-质谱(GC-MS)联用,实现了对内蒙古伊和沙日乌苏湖泊沉积物有机质组成的精细刻画,并识别、分析了共计3类、71项结合态MCCs化合物。结果表明:热解温度是影响热裂解-气相色谱-质谱(Py-GC/MS)分析沉积物样品中结合态MCCs分布特征的主要因素,450℃以下热解能量较低导致结合态MCCs解析不充分,550℃和650℃下各类结合态MCCs(含正构烷烃、正构烯烃及α-正构脂肪酮)充分解析,可经GC-MS实现在线分离、识别;随着热解温度升高,裂解产物中MCCs平均链长趋于降低,过高的裂解能量影响了产物中MCCs化合物链长特征对气候变化指示的敏感性。经研究各类MCCs分布特征发现,550℃下正构烷烃平均链长特征与传统气候替代指标游离态正构烷烃单体碳同位素δ^(13)C_(27~33)具有较好的相关性(R=0.83)。结合态正构烷烃ACL_(25~31)指标响应了区域有效降水变化特征,识别了区域内5.6ka、3.9ka前后的干旱期,反映了东亚夏季风强度变化,对应了北半球中纬度有效降水变化。