中国科学院海洋研究所机构知识库

反演过去气候环境变化是预测未来气候环境变化趋势并制定应对策略的基础，而探寻灵敏可靠的气候环境代用指标是重建长时间尺度下气候环境变化历史的重要前提。微生物细胞膜中的类脂物能够灵敏地响应外界环境的变化，具有来源明确、在地质载体中结构稳定等特点，是进行气候环境历史重建的有力工具。作为西太平洋重要的边缘海，黄东海的气候环境变化具有典型性，探究其气候环境演变进程对深入认识海陆相互作用、全球气候变化及人类活动与海洋生态环境之间的关系具有重要意义。海洋沉积物是记录环境变化历史和重大气候事件的重要载体之一，而黄东海内大范围分布的泥质区恰恰使其成为研究气候环境变化的理想场所。本论文基于对黄东海颗粒物、表层沉积物及柱状沉积物中3-羟基脂肪酸（3-OH-FAs）和支链甘油二烷基甘油四醚（brGDGTs）类脂生物标志物的研究，系统探析了中国东部边缘海中类脂生物标志物的分布和来源特征，探讨了类脂生物标志物对海水温度和pH的指示作用，获得的主要研究结论和认识如下：

1. 基于对夏季长江口及东海内陆架海域颗粒物3-OH-FAs和brGDGTs分布、来源及其与海水温度和pH的响应关系的探析，首次提出了用于指示海水温度的基于正构C₁₄ 3-OH-FAs比例的RNT₁₄新指标。发现东海内陆架海域颗粒物3-OH-FAs以海洋原位生产为主，海水温度对其有重要影响，而海水pH的影响较小。长江口内颗粒物brGDGTs主要来自于陆源输入，记录了长江下游年均大气温度和土壤pH；长江口外颗粒物brGDGTs具有海陆混合来源，无法准确反映土壤或海洋的环境信息。底层颗粒物可能是表层沉积物3-OH-FAs的重要来源，但不同层次颗粒物对沉积物brGDGTs的贡献难以区分。此外，由于颗粒物与表层沉积物所对应的时间尺度不同，基于表层沉积物3-OH-FAs或brGDGTs的温度和pH指标范围与颗粒物均不相同。

颗粒物与土壤3-OH-FAs在组成特征上存在明显区别，前者反异构组分相对含量较高而长链组分相对含量较低，表明海洋原位生产对颗粒物3-OH-FAs具有重要贡献。原位海水温度是控制颗粒物3-OH-FAs分布的重要因素，细胞膜中熔点较高的正构组分的相对含量随温度降低而减少，海水温度与颗粒物3-OH-FAs之间的响应关系可由RNT₁₄（nC₁₄/C₁₄）指标反映。但是，由于研究区域海水呈弱碱性且pH变化范围极小，3-OH-FAs生产者可能对pH的变化不敏感，海水pH并非控制颗粒物3-OH-FAs分布的主要因素。

长江口内颗粒物brGDGTs的∑Ⅲa/Ⅱa和#Rings_tetra值较低，且甲基化特征和环化特征与土壤brGDGTs接近，说明陆源输入对长江口内颗粒物brGDGTs具有重要贡献。利用年均大气温度及土壤pH校正公式，长江口内颗粒物brGDGTs所反演的温度和pH与长江下游年均大气温度和土壤pH范围相符。海洋原位自生brGDGTs在长江口外颗粒物站位贡献较高，但∑Ⅲa/Ⅱa和#Rings_tetra指标仍指示其具有海陆混合来源，且部分颗粒物brGDGTs组成与土壤相近，陆源输入的影响不可忽视。长江口外颗粒物brGDGTs与陆地或海洋环境因子之间均不存在响应关系，这可能是海陆brGDGTs信号混合的结果，也可能是因为采样区域有限且海水温度/pH变化范围较小，从而导致brGDGTs生产者对温度/pH变化的响应不敏感。

在与颗粒物相对应的表层沉积物中，3-OH-FAs的组成特征与土壤不同，主要来自于原位自生颗粒物3-OH-FAs的沉降。底层颗粒物中反异构3-OH-FAs的相对含量与对应站位表层沉积物相近，均高于表层颗粒物，且不饱和C₁₈ 3-OH-FAs仅在底层颗粒物与表层沉积物中检出，说明底层3-OH-FAs的生产对沉积3-OH-FAs更为重要。表层沉积物brGDGTs具有海陆混合来源，其组成与颗粒物brGDGTs相似，但不同层次颗粒物的贡献难以区分。基于表层沉积物3-OH-FAs或brGDGTs的温度和pH指标范围与颗粒物均不相同，这可能是因为颗粒物与表层沉积物所对应的时间尺度不同，后者累积了较长时间尺度内的温度和pH信号。

2. 通过研究表层沉积物中3-OH-FAs和brGDGTs与水层环境信息以及季节变化的关系，首次构建了指示暖季底层海水温度的基于3-OH-FAs的新指标RAI₁₅。同时，构建了基于3-OH-FAs的现存指标RIN及基于brGDGTs的现存指标MBT'_6Me的区域性校正公式，可指示和反演暖季底层海水pH和年均表层海水温度。发现黄东海表层沉积物3-OH-FAs主要来自于暖季底层海水的原位自生输入，其组成可指示暖季底层海水温度和pH的变化；而表层沉积物brGDGTs主要来自于表层海水原位自生输入且不存在季节性差异，其组成可指示年均表层海水温度变化，但对海水pH的变化并不敏感。

表层沉积物3-OH-FAs主要来自于海洋原位自生，与土壤3-OH-FAs相比反异构组分相对含量较高而长链组分相对含量较低。基于3-OH-FAs的温度指标与年均底层海水温度之间的相关性高于表层海水温度，且与暖季底层海水温度之间的相关性高于冷季，表明海洋3-OH-FAs的生产主要存在于暖季底层海水之中。与现存指标相比，反异构与异构C₁₅组分相对含量之比（RAI₁₅）与暖季底层海水温度之间具有更好的响应关系。此外，基于3-OH-FAs的pH指标与暖季底层海水pH之间也均存在显著相关性。利用温度指标RAI₁₅和pH指标RIN，本研究建立了适用于黄东海暖季底层海水温度和pH的区域性校正公式。

表层沉积物brGDGTs主要来自于海洋原位自生，与土壤brGDGTs相比甲基化和环化程度较高的组分相对含量较高。与5-甲基brGDGTs的甲基化指标相比，6-甲基异构体的甲基化指标，即MBT'_6Me，能够更好地反映海水温度的变化。BrGDGTs温度指标与年均表层海水温度之间的相关性高于底层海水温度，且与不同季节表层海水温度之间的相关性相近，表明海洋brGDGTs的生产主要存在于表层海水之中且无季节性差异。此外，通过最佳子集回归法，研究建立了不同结构brGDGTs相对含量与年均表层海水温度之间的定量响应关系式。基于brGDGTs的pH指标与年均表层海水pH之间均具有显著相关性，但其响应关系与细胞膜脂调整机制相矛盾。由于海水pH变化范围极窄，brGDGTs的微生物生产者对海水pH的微小变化可能并不敏感，brGDGTs的分布主要受温度调控。

3. 基于柱状沉积物3-OH-FAs的RAI₁₅指标重建了研究站点（122.45°E，30.90°N）暖季底层海水温度，发现其底层温度自1966至2019年间整体呈升高趋势，与实际观测资料记载的温度一致，表明新指标RAI₁₅重建暖季底层海水温度的可靠性。同时基于RIN指标重建了东海暖季底层海水pH的演变过程，发现在1966 ~ 2019年间底层海水pH整体呈升高趋势，但在2003 ~ 2012年间快速降低，近海沉积物的再悬浮可能缓解了底层海水pH的降低。柱状沉积物brGDGTs受陆源输入影响较大，其IR_IIa'指标具有重建长江下游土壤pH的潜力。

柱状沉积物3-OH-FAs以海洋原位自生为主要来源，受陆源输入影响较小。基于本文所建立的黄东海暖季底层海水温度校正公式，RAI₁₅所反演的温度与实际温度相近且其升温趋势也与实际温度一致，表明基于3-OH-FAs的RAI₁₅指标是极具潜力的暖季底层海水温度代用指标。基于本文所建立的黄东海暖季底层海水pH校正公式，RIN指标所反演的pH稍高于实际海水pH，自1966至2019年变化较小且整体呈升高趋势。这可能是因为该站位沉积物再悬浮强烈，大量硅酸盐和碳酸盐矿物的溶解消耗了海水中的二氧化碳，从而导致海洋酸化现象不明显。

柱状沉积物brGDGTs中有相当一部分来自于陆源输入，其所记录的温度和pH信息可能来自于陆地环境。基于MBT/CBT所重建的温度与长江下游MAAT不符且整体呈降温趋势，但特定阶段温度值或变化趋势与实际MAAT较为相近，可能还需建立区域性校正公式以提高温度重建的准确性。基于IR_IIa'所重建的pH与长江下游土壤的pH范围相符且呈逐渐降低趋势，说明IR_IIa'是利用近岸海洋沉积物重建土壤pH的潜在指标。