1. 标题

泥炭长链脂肪酮分布指示泥炭地古pH变化

The distribution of long-chain n-alkan-2-ones in peat can be used to infer past changes in pH

2. 成果信息

Yiming Zhang, Xianyu Huang, Ruicheng Wang, B. David A. Naafs. The distribution of long-chain n-alkan-2-ones in peat can be used to infer past changes in pH. Chemical Geology, 2020, in press. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2020.119622

资助项目：国家自然科学基金项目（41877317, 91951208）；中央高校科研专项经费（CUGCJ1703, CUGQY1902）.

3. 成果团队成员

黄咸雨（通讯作者），中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院，教授、博士生导师。研究方向：泥炭地碳动态与气候变化、叶蜡氢同位素古环境意义解译及古水文气候应用。xyhuang@cug.edu.cn.

张一鸣（第一作者），中国地质大学（武汉）地球科学学院在读博士生，目前正在英国布里斯托大学开展为期两年的联合培养。研究方向：泥炭地碳生物地球化学循环与气候变化。

王锐诚，中国地质大学（武汉）环境学院在读博士生。研究方向：泥炭微生物与环境变化。

B. David A. Naafs（共同通讯作者），英国布里斯托大学化学院与地球科学学院，讲师。研究方向：泥炭地碳循环，古气候重建。

4. 成果介绍

泥炭地储存了全球土壤有机碳库总量的30%，在调控大气温室气体浓度和碳汇功能等方面发挥着重要作用。不同类型的泥炭地具有明显的pH梯度差异（3-9），这种pH变化不仅是泥炭地类型和营养状态的指示剂，而且对于泥炭地碳储量和生物地球化学过程也有重要的影响。然而，目前能够定量重建泥炭古pH的指标还相对较少。α-正构脂肪酮是一类广泛存在于泥炭沉积物中的脂类生物标志物，其被认为主要来源于其他正烷基脂类沉积后的早期成岩转化，因此可能是沉积环境变化（如pH）的潜在指标。

本研究采集了位于中国的五个泥炭地的表层泥炭，分析了泥炭脂肪酮及其前体化合物（正构烷烃、脂肪酸）的分布和单体碳同位素组成（δ¹³C），探究了pH对脂肪酮来源的影响，建立了脂肪酮分布和泥炭pH之间的转换函数，并利用神农架大九湖泥炭地的2.6米泥炭钻孔重建了大九湖泥炭地13ka以来的古pH变化，同时结合大九湖泥炭地2016年至2018年的环境监测数据探讨了泥炭地pH变化的原因和机制。研究结果显示，伊春、哈泥、大九湖和十万古田四处酸性泥炭地的脂肪酮分布以C₂₇为主峰，而碱性的若尔盖泥炭地以C₂₃为主峰。通过对泥炭脂肪酮及其前体化合物（正构烷烃、脂肪酸）分布以及δ¹³C的比较，发现以C₂₇为主峰的脂肪酮更可能来源于C₂₇正构烷烃的微生物氧化，而以C₂₃为主峰的脂肪酮更可能来源于C₂₄脂肪酸的微生物氧化和脱羧。酸性和碱性泥炭地中脂肪酮来源的这种差异可以通过pH对烷基脂类保存和转化的影响进行解释。

基于这种机制建立了三个脂肪酮指标，三个指标与现代观测的泥炭pH值之间均存在显著相关性，并可以通过线性回归和对数回归模型建立转换函数（图1）。基于此，利用大九湖泥炭钻孔的脂肪酮指标重建了13ka以来的古pH变化。发现大九湖泥炭地从末次冰消期到早全新世从碱性转化为酸性，这种古pH变化得到了泥炭钻孔岩性、总有机碳含量、泥炭藓孢子变化，和大九湖泥炭地现代pH观测的印证。通过对比大九湖泥炭地的古pH变化和藿类通量指示的古水文变化，发现大九湖泥炭地的酸化与干旱有关（图2）。这种干旱导致的泥炭pH下降得到了大九湖泥炭地2016到2018年连续三年的环境监测的证实，在干旱时期泥炭pH下降主要是由于盆地内碱性汇水的减少，以及水位下降引发的一系列产酸反应的增强，包括硝化作用、硫的氧化、亚铁离子的氧化和水解，这些反应都释放氢离子（H⁺）酸化泥炭。

未来应继续加强不同泥炭地中脂肪酮分布和来源的研究，将脂肪酮古pH指标应用到更多不同区域的泥炭地中，有助于探讨泥炭地演化历史及其气候驱动。

图1 脂肪酮指标KET₂₃/KET₂₇、KET₂₃/FA₂₄、ACL_KET21-31与泥炭pH之间的相关关系和转换函数

图2 脂肪酮指标重建的13ka以来的古pH变化，与泥炭总有机碳含量、泥炭藓孢子、藿类通量指示的干湿古水文变化的对比