环雷州半岛海底表层沉积物brGDGTs 组成分布特征及其环境意义

谭靖千，高 苑，ABARIKE Grace Awinmalsim，宋之光

（广东海洋大学化学与环境学院，广东 湛江 524088）

甘油二烷基甘油四醚(glycerol dialkyl glycerol tetraethers，GDGTs)是一类由微生物脂膜合成的四醚类化合物[1-2]；在微生物死亡后，这些具有稳定生物分子架构的化合物将长期稳定地保存于各种沉积载体中[3-5]。在分子生物地球化学领域，按GDGTs化学结构特征，将其分为两类GDGTs 化合物，一类是类异戊二烯甘油二烷基甘油四醚化合物（isoprenoid-GDGTs，isoGDGTs），主要源于海洋中的古菌类；另一类是支链甘油二烷基甘油四醚化合物（branched-GDGTs，brGDGTs），主要来源于各种陆地环境中的细菌[6-8]。brGDGTs 最早在泥炭环境中被检出，可能来源于异养兼性厌氧的土壤细菌[9-11]。但有研究表明，除土壤细菌来源外，brGDGTs 也可能来自水生环境中的细菌[12-15]。

前人研究表明，GDGTs 可用于建立具有环境指示意义的指标参数[16-19]。Hopmans 等[16]通过对全球海洋、土壤以及湖泊的沉积物样品分析，发现海洋沉积物以isoGDGTs 为主，土壤沉积物以brGDGTs为主，并提出使用相关brGDGTs 化合物比值（BIT）作为指示近海环境中陆源有机质输入指标。Weijers等[17]通过对全球土壤样品进行研究，发现brGDGTs含有的环戊烷数量与土壤pH 值显著相关，因而提出反映土壤pH 值的环化指数（CBT）；同时也发现brGDGTs 含有的甲基数量与年平均气温相关，提出了反映陆地大气年平均温度（MAT）的甲基化指数（MBT）和环化指数（CBT）比值指标（MBT/CBT），且该比值指标在不同区域的主控因素存在差异[18]。随着研究深入，Peterse 等[19]对MBT 进行修正，并利用修正后的MBT/CBT 比值重建物源区古气温。

尽管基于brGDGTs 化合物组成分布建立的各种指标在诸多沉积环境中都有运用，如湖泊环境、海洋环境以及陆地各类土壤[20-23]，但一些研究结果与实际情况存在偏差[22-24]。尽管BIT 和MBT/CBT等指标是以brGDGTs 来源于陆源土壤为前提构建，但随着越来越多的研究发现，河流与海洋中也存在能够产生brGDGTs 的细菌[25-27]，这使brGDGTs 相关指标在海洋沉积物中的应用变得复杂[28]。因此，BIT 指标和MBT/CBT 指标在河口海岸带和近海地区能否真实反映陆源有机质的输入以及陆地年均气温的地域性差异需作进一步深入研究。

环雷州半岛海域是海陆相互作用、陆源有机质输入和沉积作用都很强烈的海域，研究该海域brGDGTs 组成分布以及陆源与海洋自生brGDGTs的输入情况，进而探讨brGDGTs 其相关参数指标在海陆作用交互带的适用性，具有积极的理论与实际应用意义。笔者对环雷州半岛近海海域表层沉积物中GDGTs 化合物进行分析，研究brGDGTs 组成分布特征和主要来源，探讨BIT、MBT、CBT 等指标在该海域的适用性，以期为在近海海域利用brGDGTs指标分析物源、气温以及土壤pH 提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域和样品采集

雷州半岛地处中国大陆南部边陲，是中国第三大半岛，处于热带季风气候区，干湿季明显。半岛西临南海北部湾，东濒南海北部，南隔琼州海峡与海南省相望。半岛地势平缓，地带性土壤为砖红壤[29]。半岛上的河流主要有西溪河、英利河和通明河等，河流成放射状独流入海[30]。除雷州半岛上的河流以外，环雷州半岛近海海域有其他河流注入，在西北部海区，有南康江、名教河、营仔河、九州江等河流注入；在东北部海区，靠近南三岛附近海区有雷州青年运河和鉴江的汇入，受粤西沿岸流影响，珠江对该区也有输入[31]；在琼州海峡有南渡江流入[32]。半岛东、西部海区潮汐类型不同，东部海区主要为不规则半日潮，西部海区主要是规则全日潮，南部琼州海峡潮流由东向西[33]。

本研究海底表层沉积物样品于2017 年9 月广东海洋大学环雷州半岛近海海域综合科学考察期间使用不锈钢抓斗取样器获取。底泥样品提取到船甲板后，立即采取表层5 cm 厚泥样封装于无菌样品袋中、并放置于-20 ℃冰箱冷冻保存，航程完成后所有样品随冰箱运回实验室做进一步处理。根据环雷州半岛海岸带地形地貌特点，设定采样站位，大体沿垂直海岸线走向设置19 个采样断面，每个断面3 个站位。由于一些站点海底为沙质沉积物而没有采样分析，故一些断面样点不足3 个。共获取海底泥质沉积物样品41 个，各断面上的站位水深在8～ 50 m 间。环雷州半岛海域的采样站位分布见图1。

图1 雷州半岛近海海域主要河流分布及采样站点Fig.1 Distribution map of main rivers and sampling sites in offshore of Leizhou Peninsula

1.2 样品处理

运回实验室的底泥样品经冷冻干燥并研磨过孔径0.15 mm 筛备用。称取约50 g 粉末样品用二氯甲烷（DCM）和甲醇（Methanol）混合试剂（体积比9∶1）索氏抽提72 h 得到可溶有机质。萃取液经旋转蒸发仪浓缩后，通过硅胶柱进行可溶有机质族组分分离；分别用正己烷和正己烷/二氯甲烷（体积比3∶2）混合试剂淋洗硅胶柱得到非极性组分，再用甲醇淋洗硅胶柱得到极性组分。分离出的极性组分在氮气下吹干，用正己烷/异丙醇（体积比99∶1）混合试剂溶解后，经过孔径0.45 μm 的有机相滤膜过滤，滤液浓缩后用于检测GDGTs 化合物[34-35]。

1.3 GDGTs 化合物检测方法

GDGTs 化合物的检测在中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室进行。GDGTs 化合物分析检测使用仪器为配有大气压化学离子源(APCI)的安捷伦1200 系列高效液相色谱6410QQQ 三重四级杆质谱联用仪（HPLC-MS），色谱柱为Prevail Cyano (150 mm × 2.1 mm × 3 μm;Alltech Deerfield,IL,USA)，柱温保持在30 ℃，流速为0.2 mL/min。流动相采用梯度洗脱，初始流动相为体积分数99%的正己烷和体积分数1%的异丙醇，并通过程序在50 min 内将异丙醇的体积分数增加至 1.8%，最后再平衡至初始流动相比例。APCI-MS 条件设置为干燥N2流速6 L/min，温度200 ℃；喷雾器压力0.414 MPa，温度400 ℃；毛细管电压2 500 V，电晕电流5 μA；扫描模式采用单离子扫描（SIM），扫描离子质荷比m/z：1 022、1 020、1 018、1 036、1 034、1 032、1 050、1 048、1 046、1 292、744。利用C46GDGT 化合物（m/z=744）作为内标实现对GDGTs 化合物的半定量[34]。

1.4 brGDGTs 化合物比值参数计算方法

参考文献[36]，本研究采用以下方法计算brGDGTs 化合物的相关参数，具体参数和计算公式分别如下。

1）四甲基brGDGTs 环化指标TMR[37]：

2）陆源输入指数 BIT[16]（其中 C 代表Crenarchaeol）：

3）环化指数CBT 采用Weijers 等[17]提出的计算公式：

4）土壤pH 值计算根据Peterse 等[19]提出的公式：

式（4）R2=0.70，n=176。

5）甲基化指数MBT 计算采用Peterse 等[19]提出的公式：

6）年平均大气温度MAT 计算参照Weijers 等[17]提出的计算公式：

式（6）R2=0.77，n=114。

式1—3 与5 中，用I、II、III 代表化合物烷基链上带4、5、6 个甲基支链，用a、b、c 代表化合物烷基链上含0、1、2 个五元环，即Ia 为含有4 个甲基和0 个五元环的brGDGTs，以此类推。

2 结果与讨论

2.1 brGDGTs 化合物的组成特征

环雷州半岛海底表层沉积物中总共检测到7 种brGDGTs 化合物和6 种isoGDGTs 化合物，本文仅对前者的组成分布与物源环境意义进行讨论，后者将另文报道。所分析的41 个站点海底沉积物中brGDGTs 化合物的总质量分数范围在241.43～1265.52 pg/g（沉积物干质量）之间，平均为749.44 pg/g，总含量在不同站点变化较大，具有明显的区域分布特征。所有站点沉积物总brGDGTs 化合物组成平均丰度的分布模式显示brGDGTs 化合物以无环GDGT-Ia 化合物丰度最大，占brGDGTs 总丰度的27.92%～ 51.05%，平均占比为37.87%；其次是无环GDGT-IIa，占brGDGTs 的17.45%～ 29.41%，平均占比为 25.55%。而含环的 GDGT-Ib 占总brGDGTs 的10.55%～ 19.68%，平均占比为13.98%；其次是含环的GDGT-Ic，平均占比为10.95%。总体而言，无环brGDGTs 化合物的平均占比为69.32%，而含环brGDGTs 化合物的平均占比为30.68%。化合物GDGT-IIIb 和GDGT-IIIc 因含量低于检出限而未检出。

甲基数计算的不同brGDGTs 化合物相对比重显示，四甲基brGDGT-I 占比最大，占brGDGTs 的56.81%～ 70.75%，平均占比62.80%；其次是五甲基brGDGT-II，占brGDGTs 总丰度的36.27%～24.18%，平均占比31.30%。而六甲基brGDGT-III只占 5.09%，丰度最低。四甲基 brGDGT-I 比brGDGT-II 和brGDGT-III 的含量多，这与雷州半岛地处热带亚热带，年平均气温较高有关[17]。

环戊烷数计算的不同brGDGTs 化合物相对含量显示，其中无环brGDGT-a 占brGDGTs 总丰度的53.73%～ 77.10%，平均占比69.32%；单环brGDGT-b占brGDGTs 的14.87%～ 24.90%，平均占比18.20%；所占比例最小的是双环brGDGT-c，占brGDGTs 的7.76%～21.37%。

总体上，雷州半岛近海海域沉积物中brGDGTs 具有低甲基化和低环化的特征。这与中国其它边缘海沉积物brGDGTs 化合物组成分布基本一致[14,23,38-42]。

2.2 沉积物中brGDGTs 化合物分布特征

环雷州半岛近海海域沉积物中brGDGTs 化合物总含量区域分布显示（图2），半岛东部湛江湾外海区域和半岛西部的北部海区以及琼州海峡的西侧海区沉积物中brGDGTs 的含量相对较高，而这三个海域都位于受河流输入影响的区域（图1(A)）。在琼州海峡西侧存在高值区，由于海流经过琼州海峡后，海床变开阔，过水断面增大，海流速度减缓，有利于河流输入海峡的泥沙沉积[43]。在半岛东部和西北部高值海区也位于河口、沿岸区域。雷州半岛东、西部海域具有不同潮汐类型，此外海南岛北部河流南渡江输入可能对半岛西部海域brGDGTs 化合物组成丰度影响较大，因此，雷州半岛西部海域的brGDGTs 含量普遍高于东部海域，可能与河流搬运、海流活动等综合作用有关。

图2 环雷州半岛海底沉积物中brGDGTs 化合物总含量区域分布Fig.2 Regional distribution of total content of brGDGTs in seafloor sediments surrounding Leizhou Peninsula

含环brGDGTs 化合物含量区域分布显示（图3(F)），含环化合物主要分布半岛西北部海域，高值区集中在雷州半岛西北侧的港门镇附近海区。无环brGDGTs 主要化合物的区域分布显示（图3(E)），无环化合物主要分布在铁山港区下辖的营盘镇近海、半岛西南部以及半岛东部乾塘镇近海，表明环雷州半岛海域含环和无环brGDGTs的高值区分布存在差异，可能与brGDGTs 的输入来源有关[44]。

brGDGTs 化合物主要组分区域分布显示（图3(A、B、C、D)），无环GDGT-Ia 的高值区分布在东北部海区、琼州海峡西侧以及营盘镇近海；无环GDGT-IIa 的高值区分布在东北部海区、西南部海区以及营盘镇近海。含环GDGT-Ib 的高值区主要分布在岛西北侧的港门镇附近海区；含环GDGT-Ic 的高值区主要分布在西北部海区。显然，环雷州半岛近海海域无环GDGT-Ia、GDGT-IIa 及含环GDGT-Ib、GDGT-Ic 高值区分布存在差异。

图3 环雷州半岛近海沉积物中brGDGTs 主要组分含量区域分布Fig.3 Regional distribution of the main components of brGDGTs in the offshore sediments of Leizhou Peninsula

2.3 海底沉积物中brGDGTs 来源

海洋沉积物中brGDGTs 被认为主要源于陆地土壤细菌，经雨水冲刷并经河流和风力的搬运输入海洋[17,45]。另外，也有研究显示，还原性海水中的厌氧细菌也可产生brGDGTs 化合物[46-48]。Sinninghe Damsté[37]提出用四甲基brGDGTs 环化指标TMR（式1）来区分海底沉积物中brGDGTs 的来源，当TMR 的值大于0.7 时，指示brGDGTs 除陆源输入外，也有非陆源的输入；当指标值小于0.7 时，表示brGDGTs 主要来自陆源土壤。考虑到环雷州半岛海域沉积物中 brGDGTs 主要组分是四甲基GDGT-Ia，且沉积物中以四甲基brGDGT-I 占比最多，故可用TMR 指标区分brGDGTs 来源。环雷州半岛海底沉积物中brGDGTs 的TMR 在0.38～ 0.85间，图4(A)是其区域分布状态。TMR 超过0.7 的海域集中在半岛西北部，表明雷州半岛西北部海域海底沉积物中brGDGTs 不仅有土壤细菌成因的陆源输入，也有海水细菌自生来源的输入。除雷州半岛西北部海域外，环雷州半岛大部分海域站点沉积物中brGDGTs 的TMR 值小于0.7，表明除雷州半岛西北部海域外，环雷州半岛大部分海域海底沉积物brGDGTs 主要来自土壤细菌成因的陆源输入。

2.4 brGDGTs 化合物参数的指标适用性

Hopmans 等[16]建立了BIT 指标（式2），主要用来反映海洋、湖泊沉积物中来源于陆源有机质的相对输入量。Hopmans 对全球多个区域的海洋和湖泊沉积物、土壤和泥炭样品进行分析，发现BIT 值越高表示陆源有机质的贡献越大，土壤和泥炭的BIT 值接近1，而开阔的大洋沉积物的BIT 值接近0，在湖泊以及河口海岸带的沉积物中，BIT 值则在介于0～ 1 间。雷州半岛近海海域沉积物BIT 值的范围在0.13～ 0.49 间，平均值为0.28。BIT 高值区分布在东部海区南三岛近海、西北部海区以及琼州海峡西侧海区（图4(B)），与陆源无环brGDGTs 丰度较高区域大体一致（图3(E)），表明BIT 指标在本研究区域指示陆源有机质输入具有一定的指示意义。图4 显示，在雷州半岛近海东部海区和南部海区的BIT 高值区的TMR 值偏低，表明这两个海区 brGDGTs 主要来源于陆源土壤，水体自生brGDGTs 的干扰较弱，所以在东部海区和南部海区BIT 指标能够指示陆源有机质输入量。但在西北部海区的BIT 高值区与TMR 高值区在靠近雷州半岛港门镇的近岸区有重合，显示在西北部海区中靠近港门镇的近岸区有水体自生brGDGTs 的干扰，所以在雷州半岛近海西北部海区用BIT 指标指示陆源有机质输入量需要谨慎考虑。

图4 TMR 和BIT 指标的空间分布Fig.4 Spatial distribution of TMR and BIT indicators

TOC/TN 比值可以指示沉积物中有机质的来源，当TOC/TN 比值在8～ 12 之间时指示海陆混合来源[49]。环雷州半岛近海海域TOC/TN 比值范围在5.1～ 14.3 之间，平均值为9.1，显示雷州半岛近海海域沉积有机质具有海陆混源特征[50]。沉积物中有机稳定碳、氮同位素也可指示有机质来源特征。雷州半岛近海海域沉积有机质中δ15N 和δ13C 数值范围分别是3.35‰～ 6.98‰和 -22.47‰～ -19.18‰[50]，这与土壤有机氮同位素组成和海洋浮游植物有机碳同位素组成范围基本一致[51-52]，表明雷州半岛近海海域有机质为海陆混合来源。根据brGDGTs 相关化合物比值也显示雷州半岛近海海域具有海陆来源的输入，而沉积物中brGDGTs 化合物主要来自陆源输入。

CBT指标的应用前提是brGDGT来源于陆源土壤，基于环雷州半岛近海海域brGDGTs 主要来源于陆源土壤的分析，除雷州半岛西北海区外，研究区域沉积物中brGDGTs 化合物的CBT 指标可用来反演沉积物源区土壤pH 值。根据沉积物中brGDGTs化合物的CBT 指标（式3）计算，雷州半岛CBT-pH东部海区和南部海区的平均值分别为6.79 和6.77，西部海区的平均值为6.88（图5）。与东部海区相比，雷州半岛南部海区的CBT-pH 值略低，两值较接近。在北纬22°以南分布的土壤类型主要为砖红壤[53]，所以在雷州半岛东部海区和南部海区CBT-pH 值较接近。雷州半岛的土壤pH 介于4.08～ 7.58 间，平均值5.38，为酸性土壤[54]；海南岛的土壤pH 主要分布在3.50～ 7.50 间，平均值5.09[55-56]，海南岛北部有河流向琼州海峡输送陆源沉积物，雷州半岛南部海区海底沉积物的CBT-pH 值反演了两地pH 值，这可能是导致南部海区CBT-pH 平均值偏低的原因。

图5 CBT-pH 值空间分布Fig.5 CBT-pH spatial distribution diagram

图5 和图4(A)显示，在半岛西北部CBT-pH 高值区与TMR 高值区重合度较高，且除去西北部海区站点样品，西南部海区的CBT-pH 平均值为6.80，比西部海区的CBT-pH 平均值低，这表明半岛西部海区CBT-pH 平均值略高可能与半岛西北部海区水体自生brGDGTs 的输入有关。由于半岛南部海区有海南岛陆源brGDGTs 的输入，西部海区有水体自生brGDGTs 的输入，因此可在东部海区利用CBT 指标重建雷州半岛土壤的pH 值。本研究区域沉积物物源区土壤CBT-pH 值为6.58～ 6.94，该范围落在半岛土壤pH 范围内，所以在半岛东部海区CBT-pH具有一定的适用性。

前人研究认为，海洋沉积物样品的BIT 指标大于0.1 时，MBT/CBT 指标可用于重建陆源区年均气温MAT（式6）[57]。本研究海域沉积物中brGDGTs化合物BIT 指数分布范围在0.13～ 0.49 间，可以应用MBT/CBT 指标重建陆源区年平均气温。基于半岛西北部海区有水生brGDGTs 的输入和南部海区有河流输入海南岛陆源brGDGTs 的区域特征，利用位于东部海区各站点的沉积物重建半岛年平均气温。雷州半岛年平均气温在22.7～ 23.4 ℃间[58]，平均值约为23.3 ℃[59]，通过MBT/CBT 指标重建的物源区气温范围是17.5～ 23.4 ℃，该温度范围不全落在半岛年均气温范围内，有的数值偏低；重建的MAT 平均值是19.8 ℃，与半岛年平均气温相比，偏低3.5 ℃。造成MBT/CBT-MAT 出现偏差的原因可能是MBT/CBT 指标反演的是河流流域的温度[60]，在半岛东部海区，陆源输入较大的区域主要集中在东北部海区（图4(B)），对该区有贡献的河流集中在雷州半岛北部，鉴江流域平均气温范围是21～ 23 ℃，平均值约为22.8 ℃，与半岛平均气温相比，其气温偏低。受粤西沿岸流的影响，位于广东省中部沿海的珠江流域对该区也有贡献[31]，珠江流域平均气温在14～ 22 ℃间[61]，平均值约为19.36 ℃[62]。重建的MAT 平均值落在该范围内，且数值较为接近。因此，在利用MBT/CBT-MAT 公式对环雷州半岛沉积物进行源区年均气温重建时，需要进行公式的区域校正。

3 结论

1）环雷州半岛近海海域表层沉积物中brGDGTs 以低甲基数和低环戊烷数的化合物为主，其中以无环四甲基GDGT-Ia 的相对含量最高。雷州半岛西部海区沉积物brGDGTs 含量普遍高于东部海区，同时半岛东北部和西北部海区以及琼州海峡西侧海区为高丰度分布区。

2）环雷州半岛海域表层沉积物中TMR 分布范围为0.38～ 0.85，说明不同海区的brGDGTs 输入来源存在差异。其中在西北部海区不仅有陆源土壤输入的brGDGTs，还存在水体自生输入的brGDGTs，而其他海区的brGDGs 主要来自陆源输入。

3）除雷州半岛西北部外，研究海域陆源输入指数BIT 与无环brGDGTs 高值区分布基本一致，表明在本研究区BIT 指标对于陆源有机质的输入具有一定指示意义。环雷州半岛东部海区沉积物中brGDGTs 化合物的CBT 指标可以用来指示雷州半岛土壤pH，而用于指示年平均气温的MBT/CBT 指标，在使用时需考虑brGDGTs 的来源特征。