中国南方海南省东寨港红树林湿地沉积物中300年人类活动影响的类固醇生物标志物记录

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：A 300-year anthropogenic record of sterol biomarkers in sediments from mangrove wetland, Dongzhai Harbor, Hainan Island, South China,

　　

高恩武|王建军|林希黄|王玉红|吴敏|徐立强|严秀华|韩世华|邱光亮|康曼宇|高淑姬

中国海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室海洋科学学院，海南570228

摘要

沉积生物标志物为了解历史时期人类活动对生态系统的影响提供了关键线索。本研究分析了从中国海南东寨港国家自然保护区（DHNNR）采集的88厘米沉积物岩芯中1718年至2018年的甾醇生物标志物高分辨率记录，以识别人类活动的信号和陆地有机物的来源。甾醇的垂直分布以及蒲公英醇、总有机碳（TOC）、总氮（TN）和稳定同位素（δ¹³C和δ¹⁵N）的变化揭示了红树林湿地的三阶段演变过程：19世纪50年代之前，红树林生态系统主要受气候影响；19世纪50年代至20世纪60年代期间，受气候和历史事件共同影响；此后则受到农业和社会经济发展的强烈影响。甾醇谱与历史社会经济变化的显著关联表明，红树林沉积物中的甾醇可以作为研究低纬度地区人类活动的敏感指标，并为适应性海岸湿地管理提供依据。

引言

沉积环境能够有效保存历史时期的生物标志物信息（Casta?eda和Schouten，2011；Eglinton和Calvin，1967；Gaines等人，2008）。甾醇作为真核生物细胞膜中的有机化合物（Volkman，2003）或微生物的代谢产物（Bull等人，2002），正成为重建过去环境条件的有价值生物标志物。甾醇对有机物和悬浮颗粒具有很强的亲和力（Duda等人，2021），并且可以在沉积物中保存数千年甚至更长时间（Volkman，1986）。在沉积物中常见的缺氧条件下，氧化和降解速率非常低，因此甾醇可以作为有机物质来源（Grimalt等人，1990；Leeming等人，2015；Standley等人，2000；Stark等人，2016）以及浮游植物群落结构（Volkman等人，1998）和环境污染（de Melo等人，2023；Duan等人，2017）的可靠指标。甾醇生物标志物对于估算特定生物来源的有机物质贡献至关重要（Leeming等人，1996），其组成和同位素特征可以反映有机物质的转化过程并提供环境信息（Li等人，2024）。

粪甾醇主要来源于动物甾醇。由于其在人类粪便中的比例较高（约60%（Leeming等人，1996）），粪甾醇/胆固醇和粪甾醇/(粪甾醇+胆固醇)等特征比值已被广泛用作城市污染（de Melo等人，2019；Mati? Bujagi?等人，2016）和重建历史人类及动物种群（Kaiser和Lerch，2022；Li等人，2024；Wang等人，2007）的分子指标。粪甾醇还被用于研究农业和城市化过程（He等人，2024）以及历史时期地质环境中的人类活动（D’Anjou等人，2012；Li等人，2024）。然而，迄今为止，粪甾醇作为人类活动指标的应用主要局限于高纬度或高海拔地区（D’Anjou等人，2012；He等人，2024；Li等人，2024），而在低纬度地区的应用仍然有限。

红树林湿地作为典型的低纬度生态系统，被誉为“地球的肾脏”，因为它们在沉积环境中过滤了多种物质（MacFarlane等人，2007；Tam和Wong，2000）。红树林复杂的根系有助于在缺氧、高盐度和高沉积速率的条件下捕获沉积物和颗粒物（Giri等人，2011）。这些物理和地球化学条件的结合为有机物的封存和保存提供了理想的环境。此外，红树林湿地是最具动态性的热带生态系统之一，陆地和海洋系统在这里交汇，形成了人类活动的热点（Duke等人，2007；Ewel等人，1998）。以往对红树林湿地沉积物的研究主要集中在环境问题上，包括重金属、有机污染物以及历史干扰对红树林生态系统造成的环境变化（Li等人，2024）。

在过去几百年里，中国经历了巨大的社会和经济变革。西方化运动、第二次世界大战、中国的“大寨农业学习”运动（Zhao，2016）、改革开放以及环境保护措施等许多社会变化可能在沉积环境中留下了痕迹（Jiang等人，2022）。本研究从中国南部的东寨港国家自然保护区采集了沉积物岩芯，以考察这一典型生态系统中的历史人类活动记录。分析了沉积物岩芯中与人类相关的生物标志物（包括粪甾醇、胆固醇和胆甾醇），以及与红树林相关的蒲公英醇和常见的植物甾醇（谷甾醇、豆甾醇和菜甾醇）。本研究旨在探索粪甾醇和其他人类活动指标在重建红树林周围历史人类活动方面的潜力，并评估它们对红树林生态系统的影响。

章节摘录

研究区域

东寨港（东经110°32′ – 110°37′，北纬19°51′ – 20°1′）位于海南岛的东北部。该地区属于热带季风气候，年平均气温为23.8°C。根据历史记录（Xu，2007）和钻探数据（Zhang等人，2012），东寨港形成于1605年，是由于琼台地震导致的地面沉降造成的。该区域面积约为56平方公里，低潮时平均水深约为1.2米

沉积物岩芯中TOC和TN的变化

总体而言，50厘米深度以下的沉积物中TOC浓度相对较低且稳定，平均为0.50% ± 0.17%（范围：0.20-0.93%）（图3a）。50厘米以上，TOC逐渐增加，50厘米至18厘米之间平均每年增加0.02%。从18厘米到表面，TOC的增加趋势更为明显，平均每年增加0.04%。在15厘米左右处有一个明显的过渡，将这一区间分为两个子阶段：较低的部分（18–15厘米）显示出

TOC、TN、δ¹³C和δ¹⁵N的空间分布特征

根据TOC和TN的变化，历史记录可以分为三个清晰阶段：第一阶段（50厘米以下），浓度最低且最稳定；第二阶段（18–50厘米），浓度相对较低且有所波动；第三阶段（0–18厘米），浓度迅速增加并达到最高值。这种分界在沉积物岩芯的照片中通过颜色变化也清晰可见。上层约18厘米的沉积物颜色较深，

结论

高分辨率的沉积物岩芯提供了DHNNR 300年的环境变化记录。研究区域内的粪甾醇浓度和诊断性甾醇比值受到多种粪便来源和保存过程的影响，因此不能简单地归因于未经处理的人类污水或直接的人类粪便输入。尽管如此，粪甾醇浓度与区域人口趋势之间的强正相关表明，粪甾醇对

CRediT作者贡献声明

王建军：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。高恩武：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、正式分析、数据管理、概念构思。高淑姬：撰写 – 审稿与编辑、正式分析。康曼宇：撰写 – 审稿与编辑、正式分析、概念构思。邱光亮：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督，

未引用的参考文献

广东省文化历史研究院，C.，1999；Li等人，2024；Li等人，2024；Li等人，2024；改革开放项目组C，2025；国家统计局农村社会经济调查部C，2019；国家林业和草原管理局C和国家公园管理局C，2022。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢李新毅、于碧薇和林慈福在本研究中的实验室工作协助。我们感谢Quan Xin博士和Su Jianzhong博士在地图制作方面的帮助。同时，我们也非常感谢Chen Yu博士对手稿讨论的杰出贡献。特别感谢Liu Jian'an博士在年代数据分析方面的宝贵贡献。我们还要感谢编辑和匿名审稿人的辛勤工作