黄土高原土壤GDGTs分布与湿度关系的机制和量化研究

The reconstruction of past changes in terrestrial temperature and hydrology is one of the major concerns in paleoclimatic studies. Recent field investigations of GDGTs-a new group of lipid biomarkers-in soils in different regions across the world showed that their distributions are sensitive to temperature and hydrological conditions, and thus GDGTs is a potential tool in tracing past changes in terrestrial climate. However, with the development of scientific studies and the requirement of quantitive paleoclimate reconstructions, the potential effect of soil moisture on GDGT temperature proxies, and if there are quantitive relationships between GDGT-based humidity proxies and hydrological conditions, have received more and more attention. For soils collected under natural climatic gradients, they involve complex factors that interacted, and consequently, it is difficult to effectively identify the effect of soil moisture on the distribution of GDGTs. In this study, we planned to perform in situ water control experiment in the field on the Loess Plateau to examine the response of GDGTs to soil moisture and the related mechanisms, including: (1) evaluating if soil moisture affects GDGT temperature proxies, and (2) quantifying the relationships between GDGT-based humidity proxies and hydrological conditions. This project can minimize the effect of other parameters on the distribution of GDGTs, and is expected to identify and quantify the relationships between soil moisture and GDGTs distributions, providing fundamental basis for the application of GDGTs as quantitative proxies for reconstructing past changes in terrestrial temperature and hydrology on the Loess Plateau.

如何重建过去陆地温度和水文变化是古气候研究关注的科学问题。目前全球不同区域野外土壤调查表明，新兴的生物标志化合物GDGTs能够较好的指示温度和水文条件，是重建过去陆地气候环境变化的潜在工具。然而，伴随着研究程度的深入和定量化重建的需要，古环境研究者们越来越关心湿度是否会影响GDGTs温度指标，以及GDGTs湿度指标与水文条件是否存在量化关系。对于自然环境梯度下的土壤样品，包含了复杂的影响因素，导致较难有效辨识湿度对GDGTs分布的影响程度。因此，本研究拟通过在黄土高原典型样地进行原位水分控制实验，来考查土壤GDGTs分布对湿度的响应和机制，包括：评价各GDGTs温度指标是否受湿度的影响，和量化GDGTs湿度指标与水文条件的关系。该研究能够较好的排除其它环境参数对GDGTs分布的影响，有望明确和量化湿度与GDGTs分布间的关系，为应用GDGTs定量重建黄土高原过去温度和水文演化提供基础依据。

由古菌或细菌产生的四醚膜脂化合物GDGTs具有定量示踪过去陆地气候环境变化的潜力。最近的野外调查研究显示，土壤brGDGTs组成除受传统上认为的温度和pH条件影响外，也可能受到土壤水分条件的制约。为评估GDGTs在我国黄土高原地区的古温度和古水文重建的潜力，首先本项目在黄土高原地区选取典型样地，通过设置不同样方进行多年人工浇水模拟不同降雨量，控制土壤水分梯度，探究了brGDGTs分布对土壤湿度的响应。通过控制条件实验，我们发现土壤brGDGTs能够在数年内响应降水条件的变化，但周转完全可能需要超过6年的时间。尽管由于土壤brGDGTs尚未完全周转，精确的量化结果还需后续的观察探究，我们的控制实验结果表明湿度/降水能够显著影响某些GDGTs温度指标，而基于brGDGTs的土壤湿度指标能够很好的响应模拟增雨量的变化。进一步对黄土高原天然表土GDGTs的研究也表明，BIT和Ri/b能够很好的指示土壤水含量和降水的变化。但对黄土-古土壤序列的GDGTs分析显示isoGDGTs的降解速率比brGDGTs的降解速率要快，二者降解速率的差异可能会影响BIT和Ri/b指标。因此，在黄土-古土壤中应用BIT和Ri/b湿度指标时需要慎重。我们还调查了包括黄土高原地区在内的我国大范围表土原位温度与brGDGTs分布的关系，建立了重建土壤温度的MASTsr方程，该指标能够较好的重建植被下垫面影响下的地表土壤温度变化。另外，对亚洲中纬度地区55个现代湖泊中古菌来源的四醚膜脂化合物分布的研究表明%cren和%OH-GDGTs作为湖面变化新指标具有广谱适用性，进一步拓展了微生物四醚膜脂化合物在全球变化研究领域的应用价值。本项目已发表论文三篇，研究成果将为应用GDGTs重建过去温度和水文演化提供基础依据。