陳倩倩，周戎星，潘玲陽，李定心

(1.安徽新華學(xué)院 土木與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230088；2.安徽新華學(xué)院 安全與環(huán)境評(píng)價(jià)研究所，安徽 合肥 230088)

歷史時(shí)期氣候與環(huán)境變化的研究是解決全球氣候變化和區(qū)域響應(yīng)問題中的重要環(huán)節(jié)。而湖泊沉積物則是揭示古氣候和古環(huán)境變化的最佳載體，它可以完整的記錄地質(zhì)歷史時(shí)期區(qū)域氣候、植被以及人類活動(dòng)的演化過程等信息[1-2]。尤其是那些封閉好，受到人類擾動(dòng)較小的高原和極地湖泊沉積物，對(duì)于區(qū)域乃至全球氣候變化的響應(yīng)十分靈敏，而且分辨率高，可以獲取千年、百年甚至十年尺度上的古環(huán)境事件，目前被廣泛應(yīng)用于全球氣候變化研究當(dāng)中[3-4]。湖泊浮游植物作為水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分對(duì)氣候變化反應(yīng)敏感，在生態(tài)監(jiān)測中發(fā)揮著重要的作用[5-7]。來源于浮游植物的沉積色素是用于恢復(fù)古氣候變化的重要指標(biāo)之一，生物殘?bào)w死亡以后，它們產(chǎn)生的色素還將長期存在,保留豐富的信息[8]，為我們研究過去的環(huán)境變化和污染歷史提供了可能。研究表明，根據(jù)湖泊沉積物中沉積色素的種類和含量可以恢復(fù)湖泊初級(jí)生產(chǎn)力[9-10]、可以指示湖泊古氣候變化[11]、湖泊營養(yǎng)狀況[12]、湖泊酸化[13]、紫外輻射歷史[14]、浮游植物群落變化歷史及人類活動(dòng)的影響等[5-6]。因此，可以通過分析湖泊和海洋沉積色素，結(jié)合其他指標(biāo)的分析結(jié)果，揭示區(qū)域氣候演化歷史及變化特征等。本文重點(diǎn)總結(jié)了沉積色素的基本性質(zhì)，探討了色素在湖泊和海洋沉積物中的應(yīng)用及研究進(jìn)展。

1 色素的種類和來源

色素是一類由于可以反射特定波長的可見光而產(chǎn)生顏色的一類化合物，植物體內(nèi)的色素不僅可以反射特定的光，而且可以吸收特定波長的光進(jìn)行光合作用，這類色素稱之為光合色素[16]。根據(jù)分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)可將色素分為三類：葉綠素，類胡蘿卜素及藻膽素[17]。葉綠素是光合作用發(fā)生的必要條件，葉綠素a存在于所有的浮游植物中，是湖泊和海洋初級(jí)生產(chǎn)力的良好指標(biāo)[17]。許多類胡蘿卜素都具有種類特異性，可以指示浮游藻類的種群，如葉綠素b只存在于水生綠藻和苔蘚(陸生)中，β-胡蘿卜素普遍存在于各類藻類當(dāng)中，α-胡蘿卜素則普遍存在于綠藻、硅藻、隱藻等水生藻類體內(nèi)，巖藻黃素來源于硅藻，角黃素、海膽酮等則來自于藍(lán)藻，別黃素則來自于隱藻等，水生浮游植物主要特征色素(見表1)[18]。而藻膽素與葉綠素和類胡蘿卜素不同，它是一類水溶性色素，僅存在于少數(shù)幾種藻類當(dāng)中，由于不易被常用的色素分析方法所檢測，因此應(yīng)用較少。

表1 浮游植物主要特征色素

2 沉積色素與湖泊初級(jí)生產(chǎn)力

色素存在于水生浮游植物當(dāng)中，可以作為浮游植物生物量的指標(biāo)，有研究表明影響沉積色素含量的主要因素是湖泊初級(jí)生產(chǎn)力[19]，因此，沉積色素與歷史時(shí)期湖泊區(qū)域生物量有關(guān)，其含量的增加可以指示浮游植物量的增加，表征湖泊生產(chǎn)力[20-22]。湖泊生產(chǎn)力的指標(biāo)比較多，常用的包括有機(jī)碳、有機(jī)氮、生物硅等，但是由于湖泊環(huán)境復(fù)雜，影響生產(chǎn)力的因素多變，使用這些指標(biāo)時(shí)會(huì)有一定的局限性，比如有機(jī)碳的來源復(fù)雜，不能準(zhǔn)確指示湖泊內(nèi)源藻類的輸入，而生物硅只能反映硅藻的生物量[23]。但是沉積色素，尤其是葉綠素a和β-胡蘿卜素存在于所有的藻類當(dāng)中，可以準(zhǔn)確的反映湖泊生產(chǎn)力的變化[24]。其他藻類的特征類胡蘿卜素還可以用來標(biāo)記不同浮游植物群落的生產(chǎn)力和湖泊營養(yǎng)狀況[17-18]。Schueller等[25]定量分析了新西蘭海灣四個(gè)沉積柱中的浮游植物色素，用葉綠素a和β-胡蘿卜素表征總藻類生物量，研究了該偏遠(yuǎn)地區(qū)浮游植物群落組成和初級(jí)生產(chǎn)力變化歷史，同時(shí)利用葉綠素a和光合色素比值作為指標(biāo)證明了浮游植物色素在南半球海灣生態(tài)系統(tǒng)中保存較好。對(duì)青藏高原湖泊沉積色素的研究發(fā)現(xiàn)，近一個(gè)世紀(jì)以來該地區(qū)湖泊初級(jí)生產(chǎn)力升高明顯，尤其是青海湖，在1800AD之前就曾經(jīng)出現(xiàn)過較高的色素含量，但是尚不能區(qū)分是氣候還是人類活動(dòng)作用導(dǎo)致的[26]。Reuss等[27]對(duì)瑞典北部亞北極地區(qū)的100個(gè)湖泊中沉積色素的研究發(fā)現(xiàn)，溶解性有機(jī)質(zhì)(DOC)是影響高緯度地區(qū)湖泊初級(jí)生產(chǎn)力的主要因素，而調(diào)節(jié)光合浮游植物群落的主要因素是湖泊深度、海拔、以及電導(dǎo)率。對(duì)波羅地海沉積物中的色素及其他生物地球化學(xué)指標(biāo)分析發(fā)現(xiàn)，1950AD以后總藻生物量顯著增加，并指出是人類活動(dòng)排放的含氮廢水促進(jìn)了湖泊生產(chǎn)力，尤其促進(jìn)了硅藻生物量的增加[28]。對(duì)北極新奧爾松地區(qū)湖泊沉積色素的研究重建了最近100 a以來的湖泊初級(jí)生產(chǎn)力演化過程，同時(shí)指出北極地區(qū)人類活動(dòng)的增強(qiáng)可能導(dǎo)致湖泊生產(chǎn)力水平增加[29]。Schueller等[25]利用北極湖泊沉積物中的葉黃素和硅藻黃素的比值指示高等植物(綠藻、高等植物、苔蘚)初級(jí)生產(chǎn)力在全新世的變化情況。對(duì)我國封閉湖泊程海沉積物中的沉積色素研究，重建了程海過去500 a的生產(chǎn)力變化歷史并分析了原因[30]。由此可見，沉積色素作為湖泊初級(jí)生產(chǎn)力的代用指標(biāo)顯示出了特有的優(yōu)勢。

3 沉積色素與湖泊的富營養(yǎng)化歷史

沉積物中的有機(jī)質(zhì)和色素可以作為湖泊富營養(yǎng)化水平的一種有效代用指標(biāo)。沉積色素尤其是葉綠素在富營養(yǎng)化湖泊中含量較高，相反在貧營養(yǎng)湖泊中色素含量較低[31-33]。因此，可以應(yīng)用沉積色素高分辨率地重建水體富營養(yǎng)化的歷史[34]。張含笑等[35]利用長潭水庫沉積色恢復(fù)了水庫的富營養(yǎng)化演化歷史，揭示了人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)長潭水庫藻類演替的影響和過程。在非洲南部Zeekoevlei湖泊的研究中，以玉米黃質(zhì)和β-胡蘿卜素的比值作為表征藍(lán)藻生物量的指標(biāo)，重建了近百年來由于人類活動(dòng)引起的大型植物和浮游生物的生物地球化學(xué)變化過程[36]。Schneider等[37]利用沉積色素高分辨率的重建了近百年來瑞士盧加諾湖的泊富營養(yǎng)化歷史，揭示了該湖自20世紀(jì)30年代以來的湖泊生產(chǎn)力和富營養(yǎng)化水平的變化特征。在法國的納雷湖(侏羅山脈)利用沉積色素和硅藻化石指標(biāo)，重建并分析了在氣候變化和人類活動(dòng)雙重驅(qū)動(dòng)因素的影響下，過去1 200 a湖泊營養(yǎng)狀況的演化歷史[38]。

沉積色素研究還可以很好的區(qū)分富營養(yǎng)化的不同階段。對(duì)國內(nèi)湖北良子湖沉積色素的研究揭示了過去一個(gè)世紀(jì)以來的湖泊富營養(yǎng)化歷史，并將其劃分為五個(gè)不同的時(shí)期:早期的貧營養(yǎng)時(shí)期，輕度富營養(yǎng)化時(shí)期，中度富營養(yǎng)化時(shí)期，富營養(yǎng)化時(shí)期以及當(dāng)前穩(wěn)定的富營養(yǎng)時(shí)期，并且證實(shí)了人類開墾土地和農(nóng)業(yè)肥料的流失是該湖泊水體富營養(yǎng)化的最主要成因[39]。云南程海近600 a沉積物中的色素和同位素含量隨著深度的變化顯示，該區(qū)域過去600 a經(jīng)歷了由貧營養(yǎng)到富營養(yǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的三個(gè)階段，指出該湖泊營養(yǎng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變主要是由于人類遷移及農(nóng)業(yè)施肥導(dǎo)致的[40]。因此，在控制富營養(yǎng)化和修復(fù)環(huán)境時(shí)，要充分了解水體營養(yǎng)水平及原因，視各區(qū)域的具體情況，采取措施降低富營養(yǎng)水平。

4 沉積色素與紫外輻射歷史

沉積色素中的偽枝藻色素(scytonemin)是藍(lán)藻體內(nèi)合成的一種屏蔽紫外輻射的脂溶性色素，其含量在一定程度上可以指示當(dāng)時(shí)紫外輻射強(qiáng)度[41]，通常采用偽枝藻色素與總類胡蘿卜素的比值來指示紫外輻射變化強(qiáng)度，以去除總浮游植物生物量的影響[42-43]。目前應(yīng)用該色素反演紫外輻射歷史的研究主要在兩極地區(qū)開展，如，在東南極地區(qū)利用湖泊沉積色素結(jié)合其他生物地球化學(xué)指標(biāo)，重建了過去2 000 a來該地區(qū)的紫外輻射變化歷史，并區(qū)分出四個(gè)明顯的紫外輻射高峰期，作者指出影響紫外輻射強(qiáng)度的可能因素主要有云量、大氣濁度、臭氧層厚度、湖冰等[14-15]。Hodgson[15,42]通過沉積色素恢復(fù)了南極地區(qū)末次間冰期—晚更新世—全新世間冰期的紫外輻射歷史，指出晚更新世末次冰期的紫外輻射強(qiáng)度較全新世間冰期高出三倍之多，同時(shí)指出平流層臭氧水平、云量、表面反射率等外在因素是造成高紫外輻射的可能原因。陳倩倩等[15,43]利用沉積色素重建了東南極羅斯海地區(qū)過去800 a來的紫外輻射記錄和整體光強(qiáng)度的變化歷史，揭示了過去800 a來東南極羅斯海地區(qū)至少經(jīng)歷了四次明顯的紫外輻射高峰期，而且從歷史記錄來看現(xiàn)代的紫外輻射強(qiáng)度最高。在北極地區(qū)，利用落基山脈湖泊沉積物中的沉積色素指標(biāo)重建了該地區(qū)過去200 a來的紫外輻射變化歷史，發(fā)現(xiàn)在1850—1900AD出現(xiàn)了一個(gè)紫外輻射高峰期，并指出干旱造成的湖中的溶解性有機(jī)質(zhì)(DOC)含量降低，是造成紫外輻射增強(qiáng)的可能因素[13]。綜上，目前關(guān)于紫外輻射記錄的研究僅在兩極地區(qū)開展了少數(shù)的研究，中低緯度地區(qū)以及高山高原地區(qū)尚未涉及，因此，該領(lǐng)域的研究工作還有待于深入開展下去。

5 沉積色素與氣候變化

沉積色素是一類對(duì)環(huán)境變化很敏感的化合物，在沉積過程中能夠保留歷史時(shí)期的環(huán)境信息，記錄當(dāng)時(shí)的氣候環(huán)境狀況和氣候條件，是研究古氣候?qū)W的重要指標(biāo)，得到眾多古氣候?qū)W家的關(guān)注。如，對(duì)波羅的海沉積物中葉綠素及其降解產(chǎn)物和β-胡蘿卜素的分析表明沉積色素不僅能夠指示初級(jí)生產(chǎn)力和藻類種群，還能夠反映沉積環(huán)境，尤其是水中氧環(huán)境和水動(dòng)力的變化，深層沉積色素的研究結(jié)果顯示氣候變化對(duì)藻類生長的影響可能比當(dāng)今人類活動(dòng)的影響更大[44]。對(duì)加拿大西部111個(gè)鹽湖沉積色素的研究顯示沉積色素能夠記錄水體鹽度和氣候變化的歷史[45]。Squier等[46]通過對(duì)東南極進(jìn)步湖沉積物中色素分布的研究找到了晚第四紀(jì)環(huán)境變化的證據(jù)，一系列色素組成與豐度的變化數(shù)據(jù)提供了在由間冰期過渡到冰期再到間冰期的過程中湖泊生態(tài)演化歷史的詳細(xì)證據(jù)。對(duì)東南極拉斯慢丘陵地區(qū)的湖泊沉積物中的各種指標(biāo)(包括硅藻、色素、同位素等地球化學(xué)指標(biāo))的研究發(fā)現(xiàn)了東南極拉斯慢地區(qū)冰川歷史和海平面變化的證據(jù)[47]。對(duì)埃塞俄比亞中北部?？撕练e物中的沉積色素及其他生物化學(xué)指標(biāo)分析重建了該湖泊晚第四紀(jì)以來的湖泊演化(水位)和氣候變化歷史[48]。通過對(duì)阿根廷拉古納波托克艾克瑪珥湖沉積物中的色素和DNA分析發(fā)現(xiàn)，不同的湖泊微生物組合與特定的氣候環(huán)境相關(guān)，可以指示研究區(qū)域的氣候和成巖作用歷史[49]。由此可見，沉積色素是古環(huán)境評(píng)估領(lǐng)域中較為有效的環(huán)境指標(biāo)，可以為湖泊演化歷史(包括湖泊浮游植物組成、生產(chǎn)力變化以及生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等)、冰川覆蓋歷史以及海平面變化等的研究提供詳細(xì)的證據(jù)[15]。

6 沉積色素指示浮游植物群落組成和豐度

浮游植物組成和豐度是評(píng)價(jià)水體質(zhì)量和水生生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的良好指標(biāo)。傳統(tǒng)的浮游植物群落組成和豐度是由顯微鏡檢查測定的，因此需要大量的時(shí)間和專業(yè)人員。沉積物中藻類來源的光合色素可以指示特定的生物來源，用以表征水域中浮游植物種群豐度及演替歷史，為研究水域的浮游植物群落提供準(zhǔn)確的信息。基于藻類色素化學(xué)分類分析軟件CHEMTAX(CHEMical TAXonomy)應(yīng)用程序被證明是一種有價(jià)值的海洋和湖泊浮游植物群落監(jiān)測工具，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋和淡水環(huán)境的研究當(dāng)中[50-53]。利用藻類色素化學(xué)分類法對(duì)愛沙尼亞南部的一個(gè)大型淺水富營養(yǎng)湖泊浮游植物群落組成動(dòng)態(tài)的研究結(jié)果表明色素結(jié)果與顯微鏡檢結(jié)果基本一致[53]。波羅地海水體顆粒物和表層沉積物中的沉積色素有效地指示了該水域浮游植物的季節(jié)性變化特征[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。國內(nèi)學(xué)者何學(xué)佳等[56]利用色素分析了廈門海域浮游植物的群落組成和種群豐度變化，指出該海域的優(yōu)勢種群主要是硅藻、定鞭金藻和甲藻。值得注意的是，色素生物標(biāo)志物的有效性受到自身和外部環(huán)境的影響，因此在應(yīng)用時(shí)必須綜合考慮研究區(qū)域的環(huán)境因素以及浮游植物自身的影響[57]。

7 結(jié) 語

綜上所述，沉積色素作為研究區(qū)域歷史環(huán)境的良好指標(biāo)，為研究古環(huán)境古生態(tài)的演化提供了重要的解決思路，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。但是，作為一種特殊的代用指標(biāo)，筆者認(rèn)為在應(yīng)用過程中應(yīng)該注意以下幾個(gè)問題：(1)色素在沉積的過程中容易受到自身及環(huán)境因素的影響而發(fā)生不同程度的降解。研究表明，含氧量、光照強(qiáng)度、溫度、細(xì)胞衰老、顆粒物的沉降速率是影響色素降解速率的主要因素，而且在表層沉積物中降解緩慢，在深層沉積物中降解則非常緩慢。因此，在應(yīng)用沉積色素重建古環(huán)境歷史的時(shí)候要充分考慮沉積色素降解的問題。(2)沉積色素的應(yīng)用前提需要依賴于準(zhǔn)確快速的沉積色素分析方法。目前沉積色素的分析方法多樣，主要包括紫外可見分光光度法、熒光法、薄層色譜法、高效液相色譜法、色譜質(zhì)譜聯(lián)用法等化學(xué)分析方法，還有利用近紅外光譜數(shù)據(jù)計(jì)算的物理方法等，各種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)?，F(xiàn)在應(yīng)用最多的是靈敏度高、分離效果好的高效液相色譜法對(duì)沉積色素進(jìn)行定量分析，但是該方法操作復(fù)雜，分析測試時(shí)間較長。因此，選擇快速、準(zhǔn)確、合適的分析方法是應(yīng)用沉積色素代用指標(biāo)開展古環(huán)境研究的前提。(3)色素廣泛存在于各種植物和藻類當(dāng)中，一些類胡蘿卜素只存在于特定的藻類種屬中，指向性比較單一。因此，在應(yīng)用的時(shí)候可以根據(jù)研究目的，利用多種替代性指標(biāo)和統(tǒng)計(jì)分析的方法與手段跟沉積色素指標(biāo)共同揭示古環(huán)境歷史。