湖泊硅藻源C20高支链类异戊二烯(HBIs)的季节性变化特征及其对古气候研究的启示

本研究针对湖泊硅藻合成的高支链类异戊二烯(HBIs)氢同位素(δ2HHBI)作为古水文代用指标的季节性生产规律尚不明确的问题，通过在美国俄亥俄州布朗湖开展26个月的沉积物捕获器月度采样，结合δ2HHBI、δ13CHBI和湖水δ2Hlw等多参数分析，发现HBIs全年持续生成但秋季产量显著升高，ε2HHBI/lw分馏值64‰的波动范围揭示了硅藻群落变化对同位素效应的调控，为温带富营养化湖泊水文气候重建提供了关键季节校正框架。

　　

在古气候研究领域，科学家们一直致力于寻找可靠的地质指标来重建历史水文气候变化。湖泊沉积物中的有机分子化石如同自然界的"时间胶囊"，封存着过去气候环境的珍贵信息。其中，硅藻合成的C₂₀高支链类异戊二烯(HBIs)因其直接来源于湖水且保存良好，近年来被视为重建古湖水氢同位素(δ²H_lw)的理想指标。δ²H_lw值能够反映湖泊蒸发强度和水文平衡状态，是理解区域水文循环的关键参数。

然而，在将δ²H_HBI值广泛应用于古气候重建之前，有一个关键问题亟待解决：HBIs的生产是否存在季节性偏好？如果HBIs仅在特定季节生成，那么基于其同位素值重建的水文气候记录将存在季节性偏差，就像只通过秋天的天气来推断全年气候一样不准确。更复杂的是，不同硅藻群落可能具有不同的代谢途径和生物合成机制，这会导致同位素分馏值(ε²H_HBI/lw)的差异，进一步增加了结果解读的不确定性。

为了解开这些谜团，由Megan C. Corcoran领衔的研究团队在美国俄亥俄州东北部的布朗湖展开了一项长达26个月的精细观测研究。这项研究最近发表在《Geochemistry》上，为我们理解HBIs的季节性生产规律提供了前所未有的见解。

研究人员采用沉积物捕获器月度采样技术，在湖体不同深度(上层光带以下和近底水层)布设采样点，持续监测HBIs通量变化；运用气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术定量分析HBI浓度；通过气相色谱-同位素比值质谱(GC-IRMS)技术测定δ²H_HBI和δ¹³C_HBI值；采用激光光谱法分析湖水δ²H_lw和降水δ²H_precip值；结合元素分析仪测定沉积物总有机碳δ¹³C_OC、C/N比和有机碳百分比；使用水质多参数探头监测水温、pH和溶解氧垂直剖面。

^{3.1. HBI浓度}

研究结果显示，C₂₀ HBI在所有月份的沉积物捕获器样品中均被检测到，浓度范围在0.2-7.2 μg/g干沉积物之间。特别值得注意的是，HBI积累率在每年9-10月呈现显著峰值，2020年10月、2021年10月和2022年9月分别达到0.11、0.67和0.09 μg/天，表明HBIs虽然全年持续生产，但秋季产量明显高于其他季节。

^{3.2. HBIs碳同位素组成}

δ¹³C_HBI值在整个研究期间保持相对稳定，上层和下层沉积物捕获器的平均值分别为-33.7±0.6‰和-33.7±0.9‰，且无显著季节性差异。这一现象与δ¹³C_OC值显示的明显季节循环形成对比，后者在夏季表现出¹³C富集(-29.8±1.0‰)，冬季则¹³C贫化(-33.6±1.1‰)，进一步支持了HBIs主要在生产季节主导沉积物信号的结论。

^{3.3. HBIs氢同位素组成}

δ²H_HBI值变化范围较大，上层和下层捕获器分别为-184.4‰至-113.9‰和-182.0‰至-130.2‰。计算得到的ε²H_HBI/lw分馏值显示出高达64‰的波动范围(-163.5‰至-94.5‰)，且无明显季节性规律，表明分馏值的变化主要受δ²H_HBI值控制而非湖水δ²H_lw值变化驱动。

^{3.4. 湖水和降水同位素}

湖水δ²H_lw值呈现季节性变化，夏季相对富集²H(-28.0±4.9‰)，冬季相对贫化(-35.4±3.2‰)，但变幅小于10‰，远小于降水δ²H_precip值的季节性变幅(-101.4‰至-12.0‰)，表明布朗湖较长的水滞留时间有效地缓冲了降水同位素的季节性波动。

^{3.5. δ2H_HBI与δ2H_lw分馏}

ε²H_HBI/lw分馏值在月际和年际尺度上均呈现显著变化，2021年至2022年间年平均分馏值下降了15‰(上层)和9‰(下层)。这种变化与HBI浓度无相关性(R²=0.0003)，说明分馏值波动并非由生产量变化引起，更可能反映了合成HBIs的硅藻群落组成变化。

综合讨论表明，HBIs在布朗湖中全年持续生产，但秋季产量显著增加，这与湖泊秋季翻转期营养盐上涌促进硅藻勃发的生态过程一致。ε²H_HBI/lw分馏值的巨大波动范围揭示了不同硅藻群落可能采用不同的生物合成途径(甲羟戊酸途径MVA或甲基赤藓醇磷酸途径MEP)和代谢方式(自养、混养或异养)，导致同位素效应差异。表面沉积物的ε²H_HBI/lw值(-149.5‰)落在沉积物捕获器观测范围内，且与纽约阿迪朗达克地区10个湖泊的表层沉积物分馏值范围(-165.0‰至-104.4‰)高度一致，证实了δ²H_HBI值作为湖水氢同位素代用指标的跨区域适用性。

本研究首次系统揭示了温带富营养化湖泊中HBIs生产的季节性规律，对古水文气候重建具有重要指导意义。研究表明，尽管HBIs生产存在秋季偏好，但由于布朗湖较长的水滞留时间使湖水δ²H_lw值均一化，秋季δ²H_lw值与年平均値相近，因此δ²H_HBI值仍能反映年度平均湖水同位素组成。这一发现为类似水文特征的湖泊古气候研究提供了重要依据，同时强调在解读δ²H_HBI记录时必须考虑湖泊水滞留时间和硅藻群落变化对同位素分馏的影响。未来研究需要结合硅藻群落分类信息，进一步阐明不同物种HBI合成的同位素效应机制，从而提高古水文重建的准确性和分辨率。