Stuiver^[1]于1975年首次讨论了影响湖泊沉积物总有机碳同位素组成的因素，并将总有机碳同位素应用于湖泊沉积环境和湖区气候变化的重建。近40年来，湖泊沉积物总有机碳同位素已被广泛应用于湖泊物质来源和古环境变化研究^[1~9]。总体而言，湖泊总有机碳同位素地球化学研究具有如下优点： 1)湖泊沉积物总有机碳同位素的测试相对简单、 可靠和高效； 2)湖泊总有机碳同位素可以用来研究湖泊的生物地球化学循环，包括有机质来源、 湖泊生产力和碳的埋藏转化； 3)总有机碳同位素组成可以用来综合评估湖泊的生物量以及与其来源的关系。由于湖泊碳源的多元化，湖泊总有机碳包括了复杂的碳库信息，影响了湖泊总有机质碳同位素地球化学在环境变化研究的应用。随着分析测试技术的发展，研究者将目光转至湖泊沉积物有机分子化合物(如，脂肪酸和长链烷烃等)的碳同位素组成研究，并在定量-半定量重建湖泊有机质来源以及与之相关的湖泊环境变化方面表现出巨大的潜力^[10~16]。

本文总结了近年来在青海湖及周边地区湖泊有机质来源及其内源生物量对沉积物有机碳同位素组成影响的研究结果。希望通过本文的介绍，能够引起更多研究者关注，在利用湖泊沉积物碳同位素组成进行古环境研究时，应充分考虑沉积物中有机质的来源，慎重解释有机碳同位素指示的环境/气候变化意义。

位于青藏高原东北部的青海湖，是中国最大的内陆封闭湖泊。因其位于东亚季风、 印度季风和西风急流三者汇聚的半干旱地区，对气候变化十分敏感，是研究古环境演化的理想地区之一^[17]。国内外很多学者利用青海湖岩芯，选择不同环境/气候代用指标，探讨青海湖的湖泊演化历史以及与之相关的气候环境变迁^[18~20]。

来自不同钻孔岩芯的有机碳同位素也被用于青海湖地区的古气候变化研究。有些研究者认为，青海湖沉积物有机质来源主要为陆生C₃植物，沉积物总有机碳含量及其碳同位素组成可被用来反演该区历史时期的温度变化^[18]； 有些研究中总有机碳同位素变化则被解释为与陆源C₃植物输入量有关的降水量变化^[19]； 基于青海湖沉积物有机质主要来自内源水生植物和陆生C₃植物的认识，Shen等^[20]利用沉积物总有机碳同位素变化探讨了青海湖末次盛冰期以来的初级生产力水平变化以及湖区陆生C₃植物对沉积物有机质的贡献。显然，因未明确青海湖沉积物有机质的来源，不同研究者对沉积物总有机碳同位素组成反映的环境/气候变化信息的解读存在差异。

为此，研究者系统开展了青海湖沉积物有机质来源的现代过程研究^[21]。有关青海湖的调查显示，青海湖湖底生长有大量的水生植物，刚毛藻(Cladophora)和眼子菜(Potamogeton)分别是深水区和湖岸浅水区的主要物种^{[21, 22]}。眼子菜等沉水植物主要存在于水深＜10m的区域，而>10m的深水环境中则以刚毛藻等大型藻类为主^[21]。碳同位素分析结果显示，刚毛藻具有偏负的有机碳同位素值(-33.6‰～-28.6‰)(图 1)，随水深增加其有机碳同位素值逐渐偏负，而沉水植物具有偏正的有机碳同位素组成(-17.8‰～-15.4‰)且随水深变化不大(图 1)。结合水深数据不难看出，当水深小于10m左右时，青海湖表层沉积物总有机碳同位素值介于沉水植物和刚毛藻的碳同位素值之间； 当水深大于10m时，沉积物总有机碳同位素值突然降低(图 1)。

图 1(Fig. 1)

图 1 青海湖表层沉积物刚毛藻及沉水植物的总有机碳同位素值随水深的变化[21] Fig. 1 The δ13Corg values of sediments，Cladophora and submerged plant changing along the water depth gradient in Lake Qinghai

这说明青海湖沉积物总有机碳同位素组成显著受控于与水深有关的水生植物类型的变化，当水生植物是沉积物有机质的主要来源的条件下，湖泊沉积物的碳同位素可能指示了随水深变化导致的水生生物类型的变化。也就是说，青海湖沉积物总有机碳同位素组成可以指示湖泊水深的变化，偏负的有机碳同位素值指示较高的湖泊水位^[21]。

在现代过程研究的基础上，研究者将总有机碳同位素组成用于反演全新世以来青海湖的水位变化^[21]。如图 2所示，青海湖沉积物岩芯1F孔(36°48′40.7″N，100°08′13.5″E) ^[17]，偏正的总有机碳同位素值(平均δ¹³C值约为-22.1‰)指示全新世早期湖泊水位较低，湖泊面积较小，沉积物有机质可能主要来自沉水植物的贡献； 同时，指示浅水环境的川蔓藻(Ruppia)种子的出现及其偏正的有机碳同位素值(-14.6‰～-9.7‰)，进一步证实早全新世青海湖生长有大量沉水植物，湖泊水位较低。在过去的研究中，研究者也曾通过川蔓藻种子的出现推断全新世早期青海湖水位较低^[23]，这与从有机碳同位素得出的结果相一致^[21]。青海湖晚全新世沉积物岩芯中总有机碳同位素值偏低(平均δ¹³C值约为-28.1‰)，而青海湖流域现生C₃植物的平均δ¹³C值约为-25.8‰左右^[21]，显然C₃植物的贡献无法完全解释沉积物中较低的总有机碳同位素值。而碳同位素值显著偏负的刚毛藻等水生藻类贡献量的增加恰恰可以解释这一现象，同时较低的总有机碳同位素值指示晚全新世以来青海湖水位较高，湖泊面积较大^[21]。由此可见，青海湖沉积物总有机质主要来自湖泊水生植物的贡献，其碳同位素组成主要受控于因水深变化而导致的水生植物类型的变化影响。

图 2(Fig. 2)

图 2 青海湖1F孔12ka以来的总有机碳同位素组成变化(绿色圆点代表川蔓藻种子出现的年代)[21] Fig. 2 The δ13C variation of sedimentary total organic matter that recorded by the 1F core covering about 12ka since the Early Holocene in Lake Qinghai. The symbol of green dots indicate the age of the 1F core at which the seeds of Ruppia indicating shallow water were present in Lake Qinghai[21]

在以往的研究中，长链单体化合物被视作湖泊外源信息的可靠载体，长链烷烃^[24~27]或长链脂肪酸^{[28, 29]}的碳同位素组成被作为陆地植物C₄/C₃比例的定量指标长期得到应用。据此，Thomas等^[29]认为青海湖总有机质和长链单体化合物的有机碳同位素组成主要记录了陆地植被变化信息，总有机碳和脂肪酸C₂₈碳同位素值的偏正可解释为陆地C₄植被的扩张，估算出全新世早期青海湖地区C₄植物的比例超过50％，并认为青海湖地区全新世早期C₄植被的扩张归因于该地区较强的太阳辐射以及夏季降水的增加。

然而，上述有关青海湖总有机碳同位素的研究结果证明^[21]，青海湖沉积物总有机质主要来自湖泊内源水生植物的贡献； 此外，有关青藏高原湖泊沉积物有机分子化合物及其碳同位素组成的研究显示，高原部分湖泊中水生植物对有机质的贡献量超过60％^[30]，水生植物除中等链长的组分外，还会产生大量长链单体化合物^{[30, 31]}。由此可见，Thomas等^[29]在解释青海湖总有机碳同位素和脂肪酸C₂₈碳同位素时可能忽视了水生植物的贡献，这样所得出的结论可能存在较大偏差甚至错误。

为进一步证明青海湖沉积物有机分子化合物来源，Liu等^[32]系统测定了青海湖及周边地区现代陆生植物、 水生植物和表层沉积物的长链烷烃含量和碳同位素特征。结果显示，青海湖现代沉水植物中C₂₇和C₂₉烷烃含量较高且具有与陆生C₄植物接近的碳同位素值(C₂₇和C₂₉的平均δ¹³C值分别为-22.6‰和-23.2‰)，沉水植物的C₂₇烷烃丰度高于陆地植物(图 3)，而沉水植物的C₃₁烷烃含量较低且碳同位素值偏正(平均δ¹³C值为-22.0‰)； 陆地植物的C₂₇和C₂₉烷烃含量较低，但其C₃₁烷烃的丰度占有绝对优势，且这些陆生植物的单体碳同位素值均小于-30.0‰^[32](图 3)； 同时，青海湖表层沉积物单体碳同位素的分布特征进一步佐证了内源生物的较大贡献^[32]。从水深小于10m的浅湖区到深湖区，主要来自陆地植物的沉积物δ¹³C_C31变化幅度很小，为-33.4‰～-31.1‰(图 4)，而浅水区的δ¹³C_C27均值-29.7‰，明显偏正于深水区均值-33.1‰^[32](图 4)。由于单一植物中C₂₇和C₃₁烷烃的碳同位素组成相近^[10]，如果C₂₇烷烃主要来自陆地，那么就不应该有明显的浅水区和深水区的差别。只有考虑到水生植物贡献的影响，才能对δ¹³C_C27值存在明显差异的现象做出合理解释。稳定且偏负的δ¹³C_C31值指示湖区陆地植被以C₃植物为主，这与青海湖现代植被分布情况一致^{[21, 33]}； 浅水区δ¹³C_C27值显著偏正^[32](图 4)，是由于具有较高δ¹³C值的沉水植物贡献量增加导致。因此，相对于具有稳定同位素组成的陆源C₃植物的输入，沉积物的δ¹³C_C27值可能主要记录了水生植物贡献量的相关信息^[32]。

图 3(Fig. 3)

图 3 青海湖不同植物正构烷烃C27、 C29和C31含量、 丰度及碳同位素分布[32]黄色，绿色和灰色分别代表陆地植物、 沉水植物和刚毛藻 Fig. 3 The concentration，relative abundance and δ13C values of long-chain alkanes in different plants from the Lake Qinghai catchment[32]. Yellow，green and gray indicates terrestrial plant，submerged plant and Cladophora

图 4(Fig. 4)

图 4 青海湖现代表层沉积物中不同长链单体分子化合物的碳同位素组成随水深变化[32] Fig. 4 δ13C values of alkane C27，C29 and C31 derived from surface sediments along the water depth gradient in Lake Qinghai[32]

简而言之，青海湖近岸沉积物中的C₂₇和C₂₉烷烃主要来源于浅水区沉水植物的贡献，而表层沉积物中的C₃₁烷烃主要来自陆生植物。因此，青海湖沉积物长链单体化合物C₃₁烷烃的碳同位素组成主要反映了源区陆地植物(C₃/C₄植物比例)的变化信息^[32]。在利用湖泊沉积物C₂₇和C₂₉烷烃的碳同位素组成示踪陆地植被组成时，如果忽视水生植物对沉积物中有机分子化合物碳同位素组成的贡献，就可能在陆地植物C₄/C₃定量重建中造成较大误差，甚至得出不真实的气候变化信息。

基于以上现代过程的研究结果，青海湖全新世以来沉积物钻孔中烷烃碳同位素组成可以得到更加合理的解释。稳定偏负的烷烃C₃₁碳同位素值(-31.4‰)^[32]，指示青海湖区全新世以来陆生植物主要以C₃植物为主，并未出现大规模的C₄植物扩张。这种现象也同样出现在青藏高原东南部的寇察湖地区^[34]，该湖沉积物中烷烃C₃₁的碳同位素值全新世以来均低于-30.0‰^[34]，指示全新世以来陆地植被主要以C₃植物为主。然而，青海湖钻孔岩芯中的烷烃C₂₇和C₂₉和脂肪酸C₂₈的碳同位素值在全新世早期显著偏正^{[29, 32]}(图 5)。如果忽视水生植物的贡献，按陆地C₄植被长链单体δ¹³C端元值-21.6‰^[32]和C₃植被端元值-33.0‰^{[29, 32]}计算，全新世钻孔岩芯中C₄植被的贡献量多达50％～80％。根据脂肪酸C₂₈碳同位素计算的结果，陆地C₄植被的贡献量在全新世早期超过了50％，这一结果被Thomas等^[29]解释为全新世早期青海湖乃至青藏高原陆地C₄植物的扩张。现代过程研究结果显示^[32]，青海湖流域C₄植物分布极少，相反湖泊浅水区生长有大量的沉水植物且产生碳同位素值偏正的烷烃C₂₇和C₂₉。沉水植物偏正的烷烃C₂₇和C₂₉碳同位素值恰恰很好地解释了青海湖早全新世钻孔岩芯中偏正的烷烃C₂₇和C₂₉碳同位素值^{[29, 32]}。显然，根据脂肪酸C₂₈碳同位素组成计算的C₄植物的贡献量存在很大的偏差，大大高估了C₄植物对湖泊有机质的贡献^[29]，偏正的脂肪酸C₂₈应该主要来自沉水植物的贡献。

图 5(Fig. 5)

图 5 青海湖钻孔岩芯中全新世以来不同组分有机分子化合物碳同位素值变化[29, 32](a)脂肪酸C28 (fatty acid C28)；(b)烷烃C27(alkane C27)；(c)烷烃C29(alkane C29)；(d)烷烃C31)alkane C31) Fig. 5 The comparison of δ13C records derived from the different alkanes and fatty acids during the Holocene in Lake Qinghai[29, 32]

图 6(Fig. 6)

图 6 东非Sacred Lake沉积物钻孔中烷烃的有机碳同位素记录改自Street-Perrott等[28] Fig. 6 The long-chain alkaneδ13C records in Sacred Lake，East Africa，modified from Street-Perrott et al.，1997[28]

由此可见，忽视内源生物贡献的影响，利用湖泊沉积物有机分子化合物碳同位素估算湖区植被变化时，C₄植被的比例可能被严重高估。例如，Street-Perrott等^[28]曾根据东非Sacred Lake沉积物钻孔中烷烃的有机碳同位素记录(图 6)，提出偏正的烷烃C₂₇碳同位素值指示了该地区末次冰盛期出现了大规模的C₄植被扩张，并认为低CO₂浓度是C₄植物扩展的重要诱因。然而，图 6显示该时段内沉积物烷烃C₃₁碳同位素值并未显示出显著变化，指示了该区陆地植被并未发生大面积的C₄植被扩张。结合青海湖的研究结果可见^{[21, 32]}，该研究中忽略了湖泊水生植物的影响，根据湖泊沉积物C₂₇烷烃碳同位素值过高估算了C₄植物的贡献量，进而高估了CO₂对C₄植被扩张的影响程度，获得了不可靠的气候及环境变化信息。

综上所述，湖泊内源贡献可能是青藏高原湖泊中的共性问题，但过去的研究往往忽略了这一重要方面。将总有机碳同位素或长链烷烃碳同位素单纯的解释为陆地植被信息，极可能会高估或低估湖泊源区陆地植被的比例，进而得到错误的环境变化信息。结合青海湖湖泊现代过程和岩芯钻孔的有机碳同位素研究，我们可以得到如下认识：1)单体化合物可以较为准确的记录不同物源的碳同位素信息。青海湖中，沉积物C₃₁烷烃主要来自陆地高等植物，其碳同位素变化主要反映了湖泊源区陆地植被类型的变化，具有定量重建陆地植被组成的潜力； 2)沉积物中C₂₇烷烃主要来自湖泊内生沉水植物的贡献，其碳同位素变化主要反映了湖泊沉水植物生物量的变化； 3)总有机碳同位素组成的变化主要受沉水植物生物量变化的影响； 4)沉水植物的分布和生物量主要受水深变化控制，湖泊沉积物总有机碳或C₂₇烷烃碳同位素值的变化可能反映了湖泊水深变化。由此可见，在利用湖泊沉积物有机碳同位素重建湖泊环境和湖区气候变化时，充分考虑湖泊内源生物的贡献量十分必要，这样得到的重建结果才比较合理可靠。

致谢: 感谢审稿专家建设性的修改意见。