长链烯酮是一类含有37—39个碳原子组成的碳链，且带有2—4个碳碳双键的不饱和甲基或乙基酮的脂肪族化合物。在现代开阔大洋中，长链烯酮主要来源于Noelaerhabdaceae科的颗石藻，主要包含Emiliania huxleyi及Gephyrocapsa属^[1-3]。此外，其他非钙化的藻类如Isochrysis galbanan虽然也能产生长链烯酮，但它们主要分布在近岸沿海地区，不是开阔大洋中长链烯酮的重要来源^[4]。关于长链烯酮化合物的有机地球化学分析是古海洋学与古气候学研究的重要手段之一^[5-10]。例如，具有2—3个碳碳双键的长链烯酮，即C_37:2和C_37:3的生产及其相对含量与颗石藻生长的海水温度有关^[5,11]，因此基于C_37:2和C_37:3烯酮比值即长链烯酮不饱和度（${\rm{U}_K^{37}}$）可作为古温度指标，已被广泛应用于古海水表层温度（SST）的重建，特别是在第四纪时期^[12-14]。此外，C_37:2单体的碳同位素组成（δ¹³C_37:2）也被用于评估颗石藻光合作用过程中的碳同位素分馏程度（ε_p），假设CO₂进入细胞的方式为被动扩散（passive diffusion），那么可利用ε_p重建地质历史时期海水中CO₂浓度（[CO_2(aq)]）和大气二氧化碳分压（pCO₂）) ^[6,15-20]。利用烯酮碳同位素(δ¹³C_37:2)重建海水中CO₂浓度是基于颗石藻细胞在光合作用过程中碳运输和固定之间发生的同位素分馏效应（ɛ_p），而细胞体积、表面积及其他生理特性等因素会对同位素分馏效应产生影响。由于海水二氧化碳向颗石藻细胞内的扩散速度以及长链烯酮的ɛ_p与其细胞大小即体积与表面积之比（V:SA）有关^[19]，需要通过测量沉积物内颗石的大小来进一步修正ɛ_p。因此，确定产生C₃₇烯酮的颗石藻属种并探究颗石藻细胞大小与长链烯酮浓度之间的关系，对于准确地重建海水中CO₂浓度有重要作用。

由于E. huxleyi在地质记录中最早出现于晚更新世约29万年（0.29 Ma），而Gephyrocapsa属的繁盛只限于更新世约200多万年来（约2 Ma），那么在此之前长链烯酮的来源一直是许多研究者探索的问题。实际上，长链烯酮在地质沉积记录中的发现最早可追溯到白垩纪^[21-22]。基于始新世颗石藻与烯酮的持续共存，Marlowe等 ^[4]认为在更古老的海洋沉积物中长链烯酮的生产者同样是属于Noelaerhabdaceae科的颗石藻即Reticulofenestra属。此外，Bolton等 ^[10]根据沉积物中Reticulofenestra颗石的绝对丰度与C₃₇烯酮浓度的相关性分析同样表明，Reticulofenestra属是上新世晚期长链烯酮的主要生产者，但他们并未将其他种类的烯酮（如C₃₈）考虑在内。在此之后，Plancq等 ^[23]将颗石绝对丰度和相对丰度与C₃₇和C₃₈烯酮的丰度相比较，认为在渐新世晚期至中新世早期，长链烯酮的生产者主要为Noelaerhabdaceae科的Cyclicargolithus floridanus。

本文旨在通过对南海国际大洋发现计划（International Ocean Discovery Program, IODP）368航次U1501站的早中新世沉积物分析，寻求Noelaerhabdaceae科的颗石绝对丰度与C₃₇烯酮浓度之间的关系，进而找出南海早中新世长链烯酮的主要生产者。同时，在前人研究的基础上^[10,23]，评估颗石形态大小与烯酮浓度之间是否存在相应关系，为更好地应用长链烯酮重建海水中CO₂浓度提供基础。准确地重建地质历史时期大气中CO₂浓度，对于更好地理解气候演化机制和预测未来气候变化具有非常重要的意义。

1.   材料与方法

1.1   样品材料

本文研究材料来自IODP 368航次U1501站位（18°53.0923ʹN、115°45.9455ʹE），该站位位于南海北部陆架边缘隆起带处（图1a），水深约为2 846 m。IODP 368航次共有4个站位，分别是U1501、U1502、U1503和U1504，其中U1501站位的水深要比其他3个站位更浅，且位于现代碳酸盐补偿深度（CCD）以上^[24]，因此该站位保存有良好的碳酸盐沉积记录，可以使用稳定同位素技术进行详细的古气候研究。本研究选取了U1501站位C孔中26F-34F岩芯段（井深约194～235 m）共53个样品。根据Jian等 ^[25]的年龄模式，所选取样品界定为中新世18～22 Ma（图1b）。

图  1  国际大洋发现航次南海IODP U1501钻孔站位（a）以及年龄模式（b）

年龄模式根据Jian等^[25]改绘；U1501站年龄模式通过钙质超化石事件、浮游有孔虫事件、古地磁及Sr同位素年龄，建立深度、年龄回归公式确定。

Figure  1.  IODP Site U1501 in the South China Sea (a) and the age model (b)

The age model is modified according to Jian et al. ^[25] and is constructed based on the linear regression between depth and calcareous nannofossil, planktonic, paleo-magnetostratigraphy, and Sr isotope age.

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1.2   实验方法

1.2.1   长链烯酮含量分析

实验使用约40 g的沉积物样品，冻干后用于提取长链烯酮。在样品研磨后加入50 μL 的C₁₉-OH（20 ng/μL）作为内标，在室温下用二氯甲烷（DCM）∶甲醇（MeOH）=1∶1（V∶V）试剂提取总脂质（Total lipid extracts，TLEs）。提取好的总脂质提取物用氮吹浓缩，然后加入6%的氢氧化钾（KOH），在70℃水浴中碱水解。最后应用硅胶层析法将其分为3个组分，在此过程中依次使用10 mL正己烷、12 mL DCM、6 mL MeOH洗脱层析柱，洗脱出的第二组分包含长链烯酮。对含有长链烯酮的溶液用纯化的N₂吹干后加入衍生化试剂BSTFA，衍生化完成后溶于正己烷中进行上机测试。长链烯酮测试使用的是Thermo Trace GC 2000气相色谱仪，配有TG-5MS色谱柱（60 mm×0.32 mm×0.25 μm）、自动进样器和FID检测器。采用无分流方式进样，以氦气作为载流气，流速为1.2 mL/min。升温程序：初始温度为80 ℃，保持1 min，后以25 ℃/min的速度升温至230 ℃，再以4 ℃/min的速度升温至260 ℃，保持2 min，最后以2 ℃/min的速度升温至315 ℃，并保持35 min。利用正构烷烃标准物质和C₁₀—C₄₀正构烷烃混标出峰时间来确定长链烯酮的出峰时间，通过将长链烯酮的峰面积与C₁₉-OH内标峰面积对比计算得到长链烯酮的含量。长链烯酮的提取与测试均在同济大学海洋地质国家重点实验室完成。

1.2.2   Noelaerhabdaceae科颗石的分类

自1990年Marlowe等^[23]发表认为Reticulofenestra属是新生代长链烯酮的主要生产者以来，很多学者也纷纷认同了这一观点。但由于Reticulofenestra属的形态差异较大，因而Dictyococcites和Cyclicargolithus属通常也被归类为Reticulofenestra属^[4,19,26-29]，也有人认为Dictyococcites是Reticulofenestra的同义词^[30]，或者Dictyococcites被保留作为一个独立的属^[31]。Henderiks等^[26] 使用reticulofenestrids来统称Reticulofenestra和Dictyococcites；Aubry^[28] 将Reticulofenestra和Dictyococcites及Cyclicargolithus简单归类为Reticulofenestra属。这里使用Young等^[32]最新的分类方法，将早中中新世Noelaerhabdaceae科的颗石藻分为Reticulofenestra与Cyclicargolithus属，前者特征为颗石椭圆形，而后者主要为圆形与近圆形。

1.2.3   颗石藻化石定量分析

颗石藻化石定量分析薄片采用滴管法^[33]制作，具体步骤如下：① 样品烘干：称取1～2 g沉积物样品放入坩埚中，在60 ℃的烘箱中放置48 h后取出；② 样品称量：用精度为0.1 mg的电子天平称取约50 mg样品于烧杯中；③ 定容超声：在烧杯中用去离子水定容至80 mL，在超声波震荡仪器中放置30 s后取出，用玻璃棒搅拌均匀；④ 移液烘干：用移液枪吸取中部混合均匀的溶液350 μL，滴至大小为24 mm×24 mm的盖玻片上，使溶液均匀分布在盖玻片上而不溢出，将盖玻片放至35 ℃的加热板上烘干；⑤ 紫外线固定：烘干后的盖玻片用紫外线固化胶固定于载玻片上，用紫外线灯固定胶体制成样品玻片。将制作好的玻片在蔡司Axio偏光显微镜放大1 250倍的条件下观察并统计，每个样品至少统计300个颗石化石，并应用式(1)^[34]来计算颗石化石的绝对丰度：

式中，N表示每张薄片统计的化石个数，A表示盖玻片面积（mm²），V表示定容的体积（mL），f表示一个视域的面积（0.0252 mm²），n表示每张薄片观察的视域数，d表示移液体积（mL），w表示称取干样的质量（g），C_A为颗石化石的绝对含量（10⁵个/g）。

1.2.4   颗石藻形态参数测量

将制作好的薄片在偏光显微镜下放大1 250倍，使用8-bit黑白照相机拍照，分辨率为1361.96 pixels = 120 μm。使用Image J软件分别测量Reticulofenestra与Cyclicargolithus属颗石的长度。保证每个样品测量的颗石数量均超过100个，我们假设这100个测量值可以代表全部颗石，并认为测量值即为真实值，以加减一个标准差作为误差范围。研究发现，颗石藻细胞的大小与单个颗石的长度成比例^[26]。可以通过以下公式根据颗石长度计算出颗石藻的细胞直径^[26]：

式中，L代表颗石的长度，D_cell代表颗石藻细胞直径。

1.2.5   误差分析

对于统计好的颗石藻的绝对丰度，误差主要出现在样本抽样统计的过程中，因此以标准误差（SE = SD/$\sqrt n$，n表示统计的视域数，SD为不同视域统计数的标准差）来衡量绝对丰度的误差范围（95%的置信区间为 ± 1.96×SE）；而对于颗石藻直径大小来说，我们用标准差（SD）来体现样本的离散程度（±SD）。

2.   结果与讨论

2.1   南海U1501早中新世C₃₇烯酮浓度

气相色谱图（图2）显示在大部分样品中都存在两种C₃₇烯酮，分别是C_37:2和C_37:3，小部分样品中不存在C_37:3。C₃₇的烯酮只存在于碳碳双键时，表明当时海水温度较高，可能超过29 ºC ^[35]。整体来看，C₃₇烯酮浓度较低，每克沉积物中平均有0.113 μg烯酮。长链烯酮含量随地质年龄增大呈上升趋势（图3a），在图3中对比了C₃₇烯酮浓度与Noelaerhabdaceae科颗石的绝对丰度之间的关系。

图  2  U1501C沉积物柱状样典型样品中的烯酮

样品深度为205.36～205.41 m。

Figure  2.  U1501C alkenone in sediment columnar samples

The depth of the sample is 205.36～205.41 m beneath seafloor.

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2.2   南海U1501早中新世颗石丰度变化

南海U1501钻孔早中新世颗石藻的优势属种有Reticulofenestra spp.、Cyclicargolithus floridanus、Sphenolithus moriformus和Coccolithus pelagicus，占总颗石群落的80%～90%，颗石平均丰度为每克沉积物中有1.4×10⁵个颗石，其中Noelaerhabdaceae科的平均丰度为1.1×10⁵个颗石（图3d），占比可以达到78.6%。

图  3  南海IODP站位U1501C早中新世18～22 Ma的C₃₇长链烯酮含量（a），Cyclicargolithus属颗石丰度（b），Reticulofenestra属颗石丰度（c）以及总Noelaerhabdaceae颗石丰度（d）

灰色阴影部分代表颗石丰度统计的95%的置信区间（±1.96倍的标准误差）。

Figure  3.  Abundances of C₃₇ long-chain alkenone (a), Cyclicargolithus spp. (b), Reticulofenestra spp. (c), and total Noelaerhabdaceae coccoliths (d) in the marine sediments in at IODP Site U1501 in the South China Sea from 18 to 22 Ma in the Early Miocene

The grey shading indicates the 95% confidence interval of the coccolith counting (standard error of ±1.96 times).

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就Noelaerhabdaceae科的颗石来说，Reticulofenestra与总颗石含量变化较为一致（图3c、d），在18.5～19.4 Ma处含量较高；而Cyclicargolithus属颗石含量则随年龄增大呈上升趋势，这一变化趋势与烯酮浓度的变化趋势较为一致（图3a、b）。此外，沉积物中Reticulofenestra和Cyclicargolithus属的颗石丰度的变化趋于相反（图3b、c，表1），这一结果与Henderiks和Pagani ^[19]及Plancq等 ^[23]的结果是一致的。

表  1  颗石绝对丰度与烯酮浓度之间Pearson相关性分析结果

Table  1.  Pearson correlation analysis between the coccolith abundance and the alkenone concentration

	相关系数r	p值
Noelaerhabdaceae科颗石的总丰度	0.005 315	0.969 87
Cyclicargolithus属颗石丰度	0.443 09	0.000 892
Reticulofenestra颗石丰度	0.093 14	0.507 13

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2.3   南海U1501早中新世颗石长度及颗石藻细胞大小变化

对样品中的Reticulofenestra和Cyclicargolithus属的颗石长度进行了测量，从而估算出颗石藻的细胞直径（图4）。结果显示，Cyclicargolithus属的颗石藻细胞整体较大，平均细胞直径为5.44 ± 0.61 μm；而Reticulofenestra的细胞较小，平均细胞直径为3.71 ± 0.27 μm。从平均值的变化趋势来看，Reticulofenestra的细胞直径变化并无明显规律，但在显微镜下观察时可以发现早中新世早期Reticulofenestra较少，且体积较大，中新世中晚期数量逐渐增多且体积明显变小。而Cyclicargolithus则随地质年龄减小数量减少，但体积明显增大。

图  4  南海IODP U1501站早中新世颗石藻Reticulofenestra与Cyclicargolithus细胞直径变化

Figure  4.  Cell diameter of coccolithophore Reticulofenestra spp. and Cyclicargolithus spp. at IODP Site U1501C in the South China Sea in the Early Miocene

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2.4   南海U1501早中新世长链烯酮的来源

在保存良好的条件下烯酮浓度应与沉积物中产烯酮属种的颗石含量有关^[4,10,23]。相关的假设已被Plancq等 ^[23]和Bolton等 ^[10]用于验证新生代沉积物中烯酮的主要来源，但二者的研究结果却并不相同。Plancq等 ^[23]认为在20.5～25 Ma，烯酮的主要生产者为Cyclicargolithus floridanus，而在较年轻的沉积物中，大型Dictyococcites为主要贡献者，而Reticulofenestra的贡献则并不明显，这些结果挑战了之前Bolton等 ^[10]认为的Reticulofenestra是晚渐新世至早中新世烯酮主要生产者的说法。在此之后，Brassell ^[36]又提出Reticulofenestra是始新世至渐新世期间长链烯酮的主要生产者，Cyclicargolithus与Dictyococcites只起到辅助贡献作用。在这里，我们比较了颗石属种绝对丰度的主要趋势与烯酮浓度的变化关系（图3，表1），以查明早中新世长链烯酮含量与不同属种颗石丰度之间的关系。

根据表1的结果，可以看到C₃₇烯酮浓度与Cyclicargolithus属颗石绝对丰度之间的相关性系数为0.44（p＜0.01），两者之间具有较为良好的相关性，而Reticulofenestra属颗石的丰度与烯酮浓度相关性较弱（r=0.09，p=0.5）。另外，从图3中也可以明显观察出Cyclicargolithus属颗石含量随地质年龄增大呈上升趋势，这一变化趋势与总烯酮浓度的变化趋势也较为一致。长链烯酮浓度共存在5段上升期，前三段位于20 Ma以前，这一时段的烯酮浓度应该主要由Cyclicargolithus贡献，后两段位于20 Ma之后，结合颗石绝对丰度的变化趋势不难看出这一时段的烯酮浓度应有Reticulofenestra和Cyclicargolithus的共同作用。但总体来说，Cyclicargolithus属应为早中新世长链烯酮的主要贡献者，而Reticulofenestra则起到辅助的贡献作用。

颗石藻生产烯酮本质上是由于光合作用产生的有机质，因此混合层中烯酮浓度的高低实际上反映了颗石藻生产力的大小，但沉积物中烯酮的保存同时也与当时海床的沉积环境有关。例如，在低生产力的海区，底层海水含氧量较高，有机物质保存较差，从而降低了沉积物中长链烯酮的含量。那么沉积物中颗石与烯酮含量的相关性可能不高^[37]。与之相反，颗石藻勃发时，海水生产力也较高。在海底缺氧的条件下，沉积物中烯酮不易分解。那么颗石与烯酮的绝对丰度的相关性也较高^[1,5]。Marshall等 ^[38]也证实了颗石藻的生存环境、颗石溶解及有机质降解会影响烯酮浓度与颗石含量之间的关系。因此，沉积物中烯酮的保存同时受颗石藻生产力与有机质保存的共同影响。

在南海U1501站位，由于受水体和沉积物中降解作用的影响，也可能导致沉积记录中的烯酮浓度与颗石藻组合产生偏差。有研究表明，南海1501站位在早中新世T60构造运动（24～28 Ma）之后，表层生产力逐渐减弱，海水深度迅速加深，陆源稀释作用减弱而碳酸钙含量增多^[39]。因此，随着时间推移，烯酮浓度逐渐降低。南海自早中新世之后的沉积速率较高，颗石化石丰富且保存良好^[25]，且小型Reticulofenestra （＜3 mm）所占比例也较高（约46%），因此颗石藻在沉积时受到的降解作用较小。但早中中新世全球气候变冷事件显著增加了海水溶解氧的浓度^[40]，在早中新世期间深海氧化作用增强，有机物保存较差，因此烯酮浓度也偏低。沉积物中烯酮浓度的相对偏低可能导致低估了Cyclicargolithus对烯酮含量的贡献。

对于颗石长度的测量显示，Cyclicargolithus颗石藻细胞的直径显然要大于Reticulofenestra细胞的直径（图4）。我们认为正是由于更大的颗石藻细胞，从而使Cyclicargolithus对烯酮的贡献占据了主导地位。Reticulofenestra的大小变化一直是北大西洋晚中新世至晚上新世^[29,41]、印度洋中中新世至上新世^[27]及南大西洋始新世^[42]深海沉积颗石化石记录研究的焦点。这些研究均显示了颗石大小存在明显差异，但基本的形态特征差别不大。而细胞几何形态的变化在对过去CO₂浓度的估算过程中会产生很大的影响，因为在CO_2(aq)含量相近、生长速率较低的情况下，浮游植物细胞越大，其表面上的被动扩散的碳就越多^[43-44]。因此需要通过细胞几何形态对碳同位素分馏值进行校正，这样才能更加准确地估算过去CO₂浓度。事实上，进出细胞的二氧化碳通量与细胞表面积和生长速率成正比，这与碳相对于其碳生物量进入细胞的净运输量有关^[43]。因此，我们可以推测，在不受到CO₂限制的生长条件下，细胞表面积越大，其吸收的二氧化碳越多，那么产生的有机质及烯酮也就越多。Cyclicargolithus的细胞直径明显大于Reticulofenestra（图4），结合Cyclicargolithus对烯酮浓度的贡献，也可以印证细胞直径大的属种对烯酮浓度的贡献更高。

3.   结论

本研究通过对南海IODP U1501站早中新世沉积物开展颗石化石定量分析与烯酮含量分析，得出以下结论：Noelaerhabdaceae科中的Cyclicargolithus属应为早中新世长链烯酮的主要贡献者，而Reticulofenestra则起到辅助的贡献作用。此外，结合前人研究，还证实了细胞直径更大的颗石藻对于烯酮浓度的贡献作用也更大，这对于后续重建早中新世CO₂记录具有重要作用。今后有必要对ɛ_p、细胞体积与生长速率之间的关系做进一步研究，为更好地应用长链烯酮重建大气中CO₂浓度提供基础。

致谢：研究样品来自国际大洋发现计划（IODP）368航次。