植物葉蠟正構(gòu)烷烴分子分布特征與植被類型的關(guān)系

劉 虎，劉衛(wèi)國

doi：10.7515/JEE201503005

植物葉蠟正構(gòu)烷烴分子分布特征與植被類型的關(guān)系

劉 虎1，2，劉衛(wèi)國1

（1.中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點實驗室，西安 710061；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

正構(gòu)烷烴是自然界中廣泛分布的生物標(biāo)志化合物，其鏈長及主峰碳常被用來指示古氣候和古植被變化。我們測定了貢嘎山、太白山和黃土高原地區(qū)65個植物樣品葉蠟正構(gòu)烷烴的分子分布特征，并對1232個木本和草本植物（包括本實驗的65個樣品）的正構(gòu)烷烴比值進行統(tǒng)計。研究表明：木本和草本植物正構(gòu)烷烴中C29和C31含量基本均較高，其相對豐度變化很大，其中木本植物主峰碳為C27或C29的占61.9％，草本植物主峰碳為C31的占65.2％。三元相圖分析也表明，木本和草本植物C27、C29和C31的相對豐度重疊部分較大，而以C27、C29和C31為標(biāo)準(zhǔn)對木本和草本植物進行判別分析的準(zhǔn)確度為69.5％。研究結(jié)果表明C27、C29和C31主峰碳豐度不能作為區(qū)分木本和草本植物的有效指標(biāo)。同樣，利用C31/C29或C31/C27也不能夠區(qū)分木本和草本植物。我們發(fā)現(xiàn)以C33/（C33+C29）=0.30為標(biāo)準(zhǔn)對木本和草本植物進行判別分析的準(zhǔn)確度為81.5％，而以C33/ （C33+C27）=0.20為標(biāo)準(zhǔn)對灌木和草本植物進行判別分析的準(zhǔn)確度為85.7％，表明某些正構(gòu)烷烴比值可能具有區(qū)分木本和草本植物的潛力，但結(jié)合1232個木本和草本植物數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，正構(gòu)烷烴比值不能有效區(qū)分木本和草本植物。因此，應(yīng)謹(jǐn)慎利用正構(gòu)烷烴主峰碳及比值進行植被恢復(fù)，這可能為古氣候和古植被重建提供必要的參考。

植物葉蠟；正構(gòu)烷烴；植被類型；碳鏈長度；主峰碳

植物葉蠟在植物葉表皮合成，由一系列長鏈有機化合物組成，包括正構(gòu)烷烴、醇、醛、酯類和脂肪酸等（Jenks and Ashworth，1999），其主要作用是減少葉蠟表皮失水，保持葉面溫度和濕度，抵御病原體和昆蟲攻擊（Richardson et al，2005；Shepherd et al，2006）。其中，正構(gòu)烷烴是分子結(jié)構(gòu)最簡單的生物標(biāo)志化合物，通過長鏈脂肪酸脫羰基作用合成（Kunst and Samuels，2003），對氣候、環(huán)境變化較敏感（Xie et al，2000；Huang et al，2001；Ratnayake et al，2006；Sachse et al，2006；張杰和賈國東，2009），具有化合物穩(wěn)定、保存時限長、分布廣、提取和分析簡單等特點（Sachse et al，2006）。長鏈正構(gòu)烷烴分子組合特征是經(jīng)典的有機地球化學(xué)指標(biāo)，如主峰碳數(shù)Cmax、奇偶優(yōu)勢指數(shù)OEP（Odd Even Predom inance）、碳優(yōu)勢指數(shù)CPI（Carbon Predom inance Index）和平均碳鏈長度ACL（Average Chain Length）等（Cranwell，1973；Cranwell et al，1987；Simoneit et al，1991；Rommerskirchen et al，2003），可用來指示有機質(zhì)來源及演化（Cranwell，1973；Meyers，2003；Pancost and Boot，2004）、古氣候和古環(huán)境變化（Cranwell et al，1987；Ohkouchi et al，1997；Pancost and Boot，2004）等。

正構(gòu)烷烴的主峰碳分布特征可用來判斷木本、草本植物的輸入，前人有機地球化學(xué)研究結(jié)果表明：木本植物的正構(gòu)烷烴主要以C27或C29為主峰，而草本植物的正構(gòu)烷烴主要以C31為主峰（Cranwell，1973；Cranwell et al，1987；Meyers and Ishiwatari，1993）。Bojovi? et al（2012）通過對塞爾維亞195個黑松樣品進行分析，發(fā)現(xiàn)其正構(gòu)烷烴分布存在明顯的多樣性，表明正構(gòu)烷烴可以作為有效的植物分類學(xué)指標(biāo)。Nikolic et al（2013）也提出正構(gòu)烷烴分布特征可以用于植物分類。Maffei（1996a，1996b）通過對傘形科、十字花科和豆科及禾本科的研究認(rèn)為正構(gòu)烷烴分布特征作為植物分類指標(biāo)是有效的。

然而，一些結(jié)果也顯示正構(gòu)烷烴分布特征變化的意義不能簡單地做出解釋（Dodd and A fzal-Ra f i，2000；Bush and McInerney，2013），也即其分布特征是否具有植物分類學(xué)意義存在爭議。饒志國等（2011）對近來國內(nèi)外報道的總共334 種現(xiàn)代植物長鏈正構(gòu)烷烴分子主峰碳數(shù)進行統(tǒng)計表明，207 種現(xiàn)代草本植物中，124種植物正構(gòu)烷烴以C31為主峰，101 種木本植物中，以C31和C29為主峰的分別為35和31種。Bush and McInerney（2013）對芝加哥地區(qū)24種38株植物進行采樣分析，并對目前報道的2093種現(xiàn)代植物正構(gòu)烷烴數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)草本和木本植物正構(gòu)烷烴中C29和C31含量相對豐度變化很大，依靠C27、C29和C31鑒別草本和木本植物的準(zhǔn)確度為58％。Vogts et al（2009）通過對非洲熱帶雨林和草原的研究，發(fā)現(xiàn)木本和草本植物正構(gòu)烷烴分布特征差別很小。Carr et al（2014）在南非地區(qū)的研究也發(fā)現(xiàn)，一些木本和草本植物的正構(gòu)烷烴分布相互重疊，很難區(qū)分。

此外，正構(gòu)烷烴C31/C29、C31/（C31+C29）等比值變化用于反映陸源高等植物類型（木本和草本植物）輸入的變化：比值增加，木本向草本植物植物演化；比值減小，草本向木本植物植物過渡（Cranwell，1973，1984）。Schwark et al（2002）用C31/C29比值估計湖泊沉積物中木本和草本植物的貢獻。Schefuss et al（2003）和Rommerskirchen et al（2003）用C31/（C31+C29）比值對非洲南部植物類型轉(zhuǎn)換進行了分析。Zhang et al（2006）也根據(jù)C31/（C31+C29）分析了中國黃土高原旬邑和洛川地區(qū)植被類型的變化。但正構(gòu)烷烴比值能否作為古氣候重建指標(biāo)一直在討論，而且缺乏大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明正構(gòu)烷烴比值能作為區(qū)分木本和草本植物的有效指標(biāo)。

同時一些研究表明現(xiàn)代植物的正構(gòu)烷烴分布可能不僅受植被類型的影響，對環(huán)境條件變化也十分敏感。溫度、降雨、海拔等可能影響植物葉蠟正構(gòu)烷烴的組成（Guo et al，2014），不同環(huán)境條件下的植物會通過改變正構(gòu)烷烴的鏈長來適應(yīng)自然環(huán)境的變化（Dodd and Poveda，2003），且不同植物葉蠟正構(gòu)烷烴的分布對相同環(huán)境條件變化的響應(yīng)也不同（Guo et al，2014）。Sachse et al（2006）對歐洲南北大梯度闊葉樹葉子的研究認(rèn)為植物葉蠟在溫暖干燥環(huán)境比寒冷潮濕環(huán)境合成更長鏈的正構(gòu)烷烴。Dodd and A fzal-Ra f i（2000）對柏科植物研究表明植物正構(gòu)烷烴分子組成與環(huán)境條件密切相關(guān)。Li et al（2013）研究表明不同的環(huán)境條件及其相關(guān)的植物生理作用的差別可能導(dǎo)致植物正構(gòu)烷烴種內(nèi)分布變化較大。因此，雖然長鏈正構(gòu)烷烴對重建古氣候和古植被具有巨大潛力，但在將其作為古氣候和古植被指標(biāo)之前仍需要進一步認(rèn)識現(xiàn)代植物正構(gòu)烷烴種間及種內(nèi)的變化特征。

本研究通過對貢嘎山、太白山和黃土高原地區(qū)所采集的65個植物樣品（包括37個喬木、5個灌木和23個草本植物）的正構(gòu)烷烴組分進行測定，并對目前發(fā)表的1232個木本和草本數(shù)據(jù)（包含本研究的65個木本和草本數(shù)據(jù)）進行統(tǒng)計，以研究植物葉蠟正構(gòu)烷烴主峰碳及比值與植被類型的關(guān)系，為重建古氣候和古植被提供現(xiàn)代過程證據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地點與采樣

黃土高原（33°43' ～ 40°16'N，100°45' ～114°33'E）地勢西北高東南低，具有大陸性氣候特征，從東南向西北，依次為濕潤半濕潤暖溫帶、半濕潤半干旱溫帶及干旱半干旱溫帶氣候區(qū)。氣候較干旱，降水稀少，氣溫和降水均由東南向西北遞減，年平均氣溫2.2 ～15℃，年降水量150 ～700 mm。黃土高原主體由塬、梁、峁及其間的溝壑組成，分布在河南、內(nèi)蒙古、山西、陜西、甘肅、寧夏、青海7個省區(qū)。本研究在黃土高原地區(qū)采集的植物樣品分別來自涇川、靖邊、安塞、延安、甘泉、洛川、宜君、藍田、榆林和橫山縣，共采集5個灌木樣品及23個草本樣品。

太白山（33°49'～34°08'N，107°41'～107°52'E）位于陜西省境內(nèi)，跨眉縣、太白縣和周至縣三縣，年均溫 1～5℃，是暖溫帶第一高峰，最高海拔3767 m，年降水量約為1000 mm。太白山植被類型呈規(guī)律的垂直地帶性變化，海拔500～3800 m，從暖溫帶過渡到亞寒帶（Liu et al，2013）。本研究在太白山采集的植物樣品海拔高度分布在682～3217 m，共采集9個喬木樣品。

四川貢嘎山（29°20'～30°00'N，101°30'～102°10'E）地處青藏高原的東緣，在四川盆地向青藏高原過渡帶大雪山的中段，境內(nèi)海拔6000 m以上的山峰有45座，主峰海拔7556 m。氣候上，貢嘎山位于我國東部季風(fēng)區(qū)亞熱帶與青藏高原高寒區(qū)溫帶的過渡帶上，山體兩側(cè)氣候差異明顯，具有鮮明的垂直地帶性。本研究在貢嘎山采集的植物樣品海拔高度分布在511～3527 m，主要包括闊葉林帶、針闊混交林帶及針葉林帶，共采集28個喬木樣品。

1.2 樣品處理與測定

所有樣品在40℃烘箱內(nèi)烘干，取0.5 g樣品放入50 m L試管，加入二氯甲烷在30℃、60 Hz的條件下進行超聲萃取，每次萃取時間30 m in，萃取3次，合并萃取液離心后獲取上清液，將上清液在N2下吹干，用正己烷提取3次并轉(zhuǎn)入層析柱（100～200目），用4 m L正己烷淋洗硅膠柱提取正構(gòu)烷烴。整個實驗過程嚴(yán)格防止污染（所有使用試劑均為進口高效色譜級，層析硅膠活化24 h 后使用，玻璃器皿均利用馬弗爐450℃高溫灼燒4 h后使用，除去可能對正構(gòu)烷烴成分有影響的有機組分）。過柱后的正構(gòu)烷烴組分在N2下吹干，然后將正構(gòu)烷烴用正己烷轉(zhuǎn)移到內(nèi)插管，用甲苯定容到50 μL或100 μL，震蕩均勻后進行氣相色譜（GC）分析。為保證試驗流程的質(zhì)量，每組樣品附加一個空白試驗，同時每測5個樣品加一個標(biāo)準(zhǔn)對比，空白試驗中未發(fā)現(xiàn)文中所討論的有機組分。

氣相色譜分析在Agilent 6890A 氣相色譜儀（美國Agilent公司）上進行，色譜柱為HP-PLOT Q 毛細管柱（30 m×0.32 mm）。氦氣作為載氣，流量1.3 m L·m in-1，分流比為4：1，汽化室溫度310℃，進樣量1～2 μL，火焰離子檢測器（FID）檢測。升溫程序為：初始溫度40℃下保留1 m in，然后以10℃·m in-1升溫至150℃，再以6℃·min-1升溫至315℃，恒溫20 min。在完全相同的條件下對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) STD（由C21，C25，C27，C29，C31，C33混合而成）進行 GC 分析，通過對樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)保留時間的對比來確定樣品的烷烴碳數(shù)，然后對不同碳數(shù)峰面積采用自動積分來確定不同碳數(shù)正構(gòu)烷烴的相對豐度。實驗前處理和儀器測試在中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所穩(wěn)定同位素地球化學(xué)研究室進行。

圖1 采樣點地理分布圖Fig.1 Geographical distribution of sampling points

碳優(yōu)勢指數(shù)CPI和平均碳鏈長度ACL按照文獻Bush and M cInerney（2013）計算：

2 結(jié)果與討論

2.1 正構(gòu)烷烴主峰碳、CPI和ACL分析

對貢嘎山、太白山和黃土高原地區(qū)65個現(xiàn)代植物（喬木、灌木和草本）樣品的葉蠟正構(gòu)烷烴組分測定，分析不同植被類型正構(gòu)烷烴的分子分布特征。結(jié)果表明：42個木本樣品（37個喬木和5個灌木樣品）中26個樣品主峰碳為C27或C29，占61.9％，12個樣品主峰碳為C31，占28.6％，其中，21個喬木樣品主峰碳為C27或C29，占56.8％，而灌木樣品主峰碳全部為C27或C29；23個草本樣品中15個樣品主峰碳為C31，占65.2％，C29（21.7％）次之（圖2）。

圖2 木本和草本植物正構(gòu)烷烴主峰碳相對豐度Fig.2 Dom inant carbon abundance of n-alkanes in woody plants and grasses

在古氣候和古植被重建時，由于CPI是表征偶碳數(shù)分子與奇碳數(shù)分子相對變化的一個有機地球化學(xué)指標(biāo)，常被作為有效指標(biāo)指示古氣候與古植被變化。通常認(rèn)為CPI ＞1.0表示奇偶優(yōu)勢明顯，CPI＜1.0表示偶奇優(yōu)勢明顯（Kuhn et al，2010），目前研究表明陸生高等植物中正構(gòu)烷烴具有明顯的奇偶優(yōu)勢（Duan and Ma，2001），即正構(gòu)烷烴奇碳數(shù)豐度高于相鄰偶碳數(shù)豐度，因此，正構(gòu)烷烴CPI值被認(rèn)為可以指示沉積物有機質(zhì)是否來源于陸地高等植物（Simoneit et al，1991；Duan，2000）。

本研究所有植物樣品正構(gòu)烷烴均表現(xiàn)出明顯的奇偶優(yōu)勢，木本樣品正構(gòu)烷烴CPI值分布在1.4～55.6，平均值為12.4，81.0％的樣品CPI值大于5.0，其中喬木植物正構(gòu)烷烴CPI值分布在1.4～55.6，平均值為12.4，78.4％的樣品CPI值大于5.0，而灌木植物正構(gòu)烷烴CPI值分布在9.9～19.1，平均值為12.4，所有樣品CPI值均大于5.0；草本樣品正構(gòu)烷烴CPI值分布在3.5～17.0，平均值為11.6，所有樣品CPI值大于2.0，95.7％的樣品CPI值大于5.0（圖3 A）。這與現(xiàn)代植物正構(gòu)烷烴CPI 值一般大于5（Cranwell，1984）的觀點基本一致，但也表明并不是所有的植物葉蠟正構(gòu)烷烴CPI均大于5。

圖3 木本和草本植物正構(gòu)烷烴CPI和ACLFig.3 CPI and ACL of n-alkanes in woody plants and grasses

除了CPI，另外一個較為普遍用來表征正構(gòu)烷烴分子分布特征的參數(shù)是ACL。已有的研究認(rèn)為，植物中正構(gòu)烷烴ACL值與植物的生態(tài)類型及其生長地區(qū)環(huán)境有關(guān)（Cranwell，1973；Cranwell et al，1987；Rommerskirchen et al，2003）。由圖3B可知，本次測定的木本植物ACL分布范圍為26.5～31.0，平均值為29.1，其中喬木植物ACL分布范圍為26.5～31.0，平均值為29.1，與Bush and McInerney（2013）喬木ACL范圍（26.8～31.9）基本一致；灌木植物ACL分布范圍為27.6～29.5，平均值為28.8，略低于Vogts et al（2009）灌木ACL范圍（28.9～30.6），但與Feakins and Sessions（2010）灌木ACL值分布范圍（27.0～30.2）基本一致；草本的ACL平均值較高，其值為30.0，分布范圍是28.3～31.1，與Rommerskirchen et al（2006）草本植物ACL值分布范圍（28.9～32.2）基本一致。

2.2 正構(gòu)烷烴比值分析

正構(gòu)烷烴C31/C29和C31/C27比值通常用來反映生態(tài)系統(tǒng)中木本和草本植物的相對豐度，但對不同植被類型而言，C31/C27和C31/C29值變化較大（圖4A和圖4B），因此采用由此演化的C31/（C31+C27）、C31/（C31+C29）、C33/（C33+C27）和C33/（C33+C29）比值對木本和草本進行分析（圖4C-F）。

木本和草本植物的C31/（C31+C27）、C31/（C31+C29）和C33/（C33+C27）比值變化范圍均較大，且其數(shù)值重疊部分較大（圖4C～E），C33/（C33+C29）比值雖然也有較大的變化范圍，分別為0.00～0.89和0.02～0.86，平均值分別為0.13和0.37，但其重疊部分相對較?。▓D4F）。

由圖4C～F可知，灌木和草本植物C31/（C31+C27）比值基本重疊，變化范圍分別為0.12～0.82和0.48～0.97，平均值分別為0.55和0.77。而其他比值重疊部分相對較小，其中C31/（C31+C29）比值變化范圍分別為0.23～0.47和0.21～0.88，平均值分別為0.31和0.64；C33/（C33+C27）比值變化范圍分別為0.00～0.14和0.07～0.89，平均值分別為0.06和0.53；C33/（C33+C29）比值變化范圍分別為0.00～0.03和0.03～0.70，平均值分別為0.02和0.37。

2.3 正構(gòu)烷烴主峰碳判識木本和草本植物的可靠性討論

已有研究顯示，正構(gòu)烷烴以C27和C29為主峰的主要來源于木本植物，以C31為主峰的則主要來源于草本植物（Cranwell，1973；Cranwell et al，1987；Meyers and Ishiwatari，1993）。國內(nèi)外利用該手段開展了以黃土、湖泊等為地質(zhì)載體的大量研究（Cranwell，1973；Meyers and Ishiwatari，1993；王志遠等，2004；楊明生等，2006；張虎才等，2007），恢復(fù)和重建了地質(zhì)歷史時期植被類型的轉(zhuǎn)換。但本研究中，木本植物樣品（喬木和灌木）中主峰碳為C27或C29的僅占61.9％，而草本樣品中主峰碳為C31的僅占65.2％（圖2），表明主峰碳可能不能作為有效指標(biāo)進行古氣候與古植被恢復(fù)與重建。

圖4 本實驗樣品中木本和草本植物正構(gòu)烷烴比值Fig.4 Ratios of n-alkanes between woody plants and grasses according to experimental data here

利用木本和草本植物的主峰碳進行判別分析（表1），即以C29和C31，C27、C29和C31，C27、C29、C31和C33作為標(biāo)準(zhǔn)，判定為木本（草本）的植物表示假設(shè)不知道植物類型而根據(jù)正構(gòu)烷烴主峰碳判定該植物屬于木本（草本）植物，鑒定為木本（草本）的植物表示經(jīng)過鑒定確定該植物屬于木本（草本）植物，兩者對比確定判定準(zhǔn)確度，整數(shù)表示判定為木本（草本）的植物中真正的木本（草本）植物數(shù)目，百分?jǐn)?shù)表示判定為木本（草本）的植物中真正的木本（草本）植物比例。由表1B可知，以C27、C29和C31主峰碳為標(biāo)準(zhǔn)判別木本和草本植物的準(zhǔn)確度為69.5％。類似的，以C27和 C29主峰碳為標(biāo)準(zhǔn)及以C27、C29和C31、C33主峰碳為標(biāo)準(zhǔn)對木本和草本植物進行判別分析的準(zhǔn)確度分別為68.5％和70.5％（表1A和表1C）。表明依靠正構(gòu)烷烴主峰碳判別植被類型的準(zhǔn)確度較低，在古氣候與古植被重建時應(yīng)結(jié)合其他重建指標(biāo)。

此外，由于三元相圖能更直觀地反映主峰碳能否將木本和草本植物區(qū)分開，尤其對于3個或3個以上組分具有更好的區(qū)分效果，因此通過三元相圖，分別采用C27、C29和C33，C27、C29和C31，C29、C31和C33正構(gòu)烷烴的相對豐度對木本和草本植物進行區(qū)分（圖5A～C）。由圖5A～C可知，對木本和草本來說，不管用C27、C29和C33，C27、C29和C31，還是C29、C31和C33進行分類，其相對豐度均有較大部分重疊，表明依靠C27、C29和C31、C33主峰碳不能區(qū)分木本植物和草本植物，因此應(yīng)謹(jǐn)慎利用主峰碳進行古氣候與古植被重建與恢復(fù)。

究其原因，植物葉蠟正構(gòu)烷烴的分子分布特征可能不僅受植被類型的影響，環(huán)境條件的改變也可能改變正構(gòu)烷烴的分布特征。植物葉蠟是保護植物免受傷害的第一層障礙，因此葉蠟的組成物質(zhì)，包括正構(gòu)烷烴，在一定程度上受環(huán)境條件的控制（Dodd and Poveda，2003；Guo et al，2014），而化學(xué)分類研究（Medina et al，2006；Bingham et al，2010）和生物合成研究（Jetter et al，2006；Kunst et al，2006）也表明，遺傳控制在一定程度上也影響植物葉蠟正構(gòu)烷烴的分子分布特征。因此，難以準(zhǔn)確地區(qū)分正構(gòu)烷烴鏈長及主峰碳的變化是受植物類型的影響，還是受環(huán)境條件的影響，如溫度、干旱等。進一步的研究需要對現(xiàn)代植物進行全面的調(diào)查，系統(tǒng)研究植被類型及環(huán)境條件對植物正構(gòu)烷烴鏈長及主峰碳的影響，以更好地通過正烷烴分子分布特征重建古氣候和古植被。

表1 木本和草本植物判別分析結(jié)果Table 1 Results of discrim inant analysis between woody plants and grasses

圖5 木本和草本植物正構(gòu)烷烴相對豐度Fig.5 Abundance of n-alkanes in woody plants and grasses

2.4 正構(gòu)烷烴比值判識木本和草本植物的可靠性討論

正構(gòu)烷烴C31/C29、C31/（C31+C29）等比值變化用于反映陸源高等植物類型（木本和草本植物）輸入的變化，以此為基礎(chǔ)開展了許多研究（Schwark et al，2002；Rommerskirchen et al，2003；Schefuss et al，2003；Zhang et al，2006）。本研究也發(fā)現(xiàn)某些正構(gòu)烷烴比值對于木本和草本植物，尤其是灌木和草本植物，具有一定的區(qū)分效果。但正構(gòu)烷烴比值對于重建植被類型是否具有普遍適用性一直存在爭議，缺乏大尺度范圍內(nèi)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的驗證。

對于木本和草本植物，由圖4A～F可以看出，正構(gòu)烷烴比值中僅C31/C29和C33/（C33+C29）具備一定的區(qū)分效果，其他比值重疊部分均較大。而木本和草本植物C31/C29比值的變化范圍分別是0.00～10.89和0.27～7.58，中位數(shù)分別為0.69和1.78，表明其比值集中分布在1.00附近，實際區(qū)分木本和草本植物的效果也不好。C33/（C33+C29）比值變化范圍分別是0.00～0.89和0.02～0.86，中位數(shù)分別是0.07和0.41，平均值分別為0.13和0.37，分別向0.10和0.40附近集中，具有一定的區(qū)分效果。

而以C33/（C33+C29）=0.30比值作為標(biāo)準(zhǔn)進行判別分析，即以C33/（C33+C29）=0.30作為標(biāo)準(zhǔn)，判定為木本（草本）的植物表示假設(shè)不知道植物類型而C33/（C33+C29）＜0.30（C33/（C33+C29）＞=0.30）時判定該植物屬于木本（草本）植物，鑒定為木本（草本）的植物表示經(jīng)過鑒定確定該植物屬于木本（草本）植物，兩者對比確定判定準(zhǔn)確度，整數(shù)表示判定為木本（草本）的植物中真正的木本（草本）植物數(shù)目，百分?jǐn)?shù)表示判定為木本（草本）的植物中真正的木本（草本）植物比例。以C33/（C33+C29）=0.30比值作為標(biāo)準(zhǔn)進行判別分析的準(zhǔn)確度為81.5％（表1D），表明在一定程度上，C33/（C33+C29）能夠區(qū)分木本和草本植物。

但通過對1232個木本和草本植物正構(gòu)烷烴數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析（圖6A～F）發(fā)現(xiàn)：不管是C31/C27、C31/C29，還是C31/（C31+C27）、C31/（C31+C29）、C33/（C33+C27）以及C33/（C33+C29），其比值變化范圍都很大，中位數(shù)和平均值也都相差不大，重疊部分較多，表明正構(gòu)烷烴比值不能有效區(qū)分木本和草本植物。

圖6 統(tǒng)計數(shù)據(jù)中木本和草本植物正構(gòu)烷烴比值Fig.6 Ratios of n-alkanes between woody plants and grasses according to statistics

對于灌木和草本植物，由圖4A～F可以看出，除C31/C27和C31/（C31+C27）不能區(qū)分灌木和草本植物外，其他比值均在一定程度上具有區(qū)分效果。以C31/C29=0.50、C31/（C31+C29）=0.40、C33/（C33+C27）=0.20和C33/（C33+C29）=0.10為標(biāo)準(zhǔn)進行判別分析的準(zhǔn)確度分別為82.1％、82.1％、85.7％和82.1％（表2A～D），表明正構(gòu)烷烴比值具有區(qū)分灌木和草本植物的潛力。但通過對687個灌木和草本植物正構(gòu)烷烴比值的統(tǒng)計（圖6A～F）發(fā)現(xiàn)，其比值均有很大部分重疊，不能區(qū)分灌木和草本植物。

如前面所說，植物葉蠟正構(gòu)烷烴的分子分布特征可能不僅受植被類型的影響，環(huán)境條件的改變也可能改變正構(gòu)烷烴的分布特征，其比值變化是多種因素綜合作用的結(jié)果。本研究中的灌木和草本植物全部來自黃土高原，波動較小的環(huán)境條件可能導(dǎo)致其正構(gòu)烷烴鏈長的相對穩(wěn)定，灌木植物高碳數(shù)正構(gòu)烷烴含量相對草本植物來說基本均較低，從而與草本植物有較大差別，木本植物采自貢嘎山、太白山和黃土高原地區(qū)，較大的環(huán)境條件的改變可能影響正構(gòu)烷烴鏈長的變化，從而使其與草本植物較難區(qū)分開。Bush and M cInerney（2013）和Carr et al（2014）也發(fā)現(xiàn)木本和草本植物正構(gòu)烷烴鏈長的變化很大。因此，針對某個區(qū)域或某種特定環(huán)境，正構(gòu)烷烴比值可能具有區(qū)分木本和草本植物，以及灌木和草本植物的潛力，但從大尺度或全球范圍來看，正構(gòu)烷烴比值可能不能作為有效的指標(biāo)，使用正構(gòu)烷烴比值進行古氣候和古植被恢復(fù)及重建應(yīng)慎重。

表2 灌木和草本植物判別分析結(jié)果Table 2 Results of discriminant analysis between shrubs and grasses

3 結(jié)論

目前人們通過各種研究試圖將正構(gòu)烷烴主峰碳和比值與古氣候和古植被變化聯(lián)系起來，而目前古植被重建工作多是基于木本植物正構(gòu)烷烴主峰碳以C27和C29為主，草本植物的主峰碳以C31為主這一前提，但這是否具有普遍適用性值得討論。本研究通過對貢嘎山、太白山和黃土高原地區(qū)的木本和草本植物葉蠟中正構(gòu)烷烴的測定及分析發(fā)現(xiàn)：木本植物主峰碳為C27或C29的僅占61.9％，草本植物的主峰碳為C31的占65.2％，利用木本和草本植物主峰碳進行判別分析的準(zhǔn)確度不超過70.5％，而正構(gòu)烷烴主峰碳的三元相圖也均有較大部分重疊，表明僅依靠主峰碳C27、C29和C31不能有效區(qū)分木本和草本植物。此外，本研究表明某些正構(gòu)烷烴比值能在一定程度上區(qū)分木本和草本植物或灌木和草本植物，判別分析的準(zhǔn)確度可以超過80％，但基于大尺度范圍的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析表明正構(gòu)烷烴比值用于古氣候和古植被重建可能不具有普遍適用性。因此，應(yīng)謹(jǐn)慎使用正構(gòu)烷烴主峰碳及比值進行古植被和古氣候的恢復(fù)和重建，或者選擇與其他古環(huán)境重建指標(biāo)聯(lián)用。

致謝：感謝中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所王歡業(yè)和姚遠博士在實驗前處理和儀器測試過程中給予的幫助，感謝王政副研究員和曹蘊寧高級工程師在儀器測試過程中給予的幫助，感謝國家自然科學(xué)基金項目（41073018，41573005）的資助。

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Relationship of p lant leaf wax n-alkanes molecular distribution characteristics and vegetation types

LIU Hu1，2，LIU Wei-guo1
（1.State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology，Institute of Earth Environment，Chinese Academy of Sciences，Xi'an 710061，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

The biomarkers n-alkanes are ubiquitous in nature environment.Its chain length and dom inant carbon are commonly used to indicate the changes of paleoclimate and paleovegetation.Here we analyzed the distribution of plant leaf wax n-alkanes in 65 plant samples from the Gongga Mountain，Taibai Mountain and Chinese Loess Plateau in China and we also combined 1232 observations of grasses and woody plants，including the new data here，to exam ine the chain-length ratios of n-alkanes of different vegetation types.We found that：n-alkane distributions for grasses and woody plants showed high variabilities and only 61.9％ woody plants were dominated by C27or C29，while 65.2％ grasses were dominated by C31.The accuracy was about 69.5％ when C27，C29and C31were used as criterions to distinguish woody plants and grasses，and the large overlaps of ternary diagrams based on chain-length abundances also showed that it should be prudent to use n-alkane distributions as quantitative indicators.Similarly，C31/C29or C31/C27can't distinguish woody plants and grasses，either.Moreover，our results demonstrated that when C33/（C33+ C29）=0.30 or C33/（C33+ C27）=0.20were taken as criterions to differentiate woody plants or shrubs from grasses，the accuracies were 81.5％ and 85.7％，respectively，indicating that some chain-length ratios of n-alkanes could be used as effective indicators to some extent.However，results showed that the chain-length ratios of n-alkanes can't distinguish woody plants/shrubs from grasses effectively according to the statistics of 1232 observations of grasses and woody plants.Indeed，variations of n-alkane distributions may be affected not only by vegetation types，but also by local environmental conditions.Therefore，leaf wax n-alkane distributions of dom inant carbons and chainlength ratios should not be regarded as robust indicators for paleoclimate and paleovegetation reconstruction.

plant leaf wax；n-alkanes；vegetation types；chain length；dom inant carbon

Q948

A

1674-9901（2015）03-0168-12

2015-03-09

國家自然科學(xué)基金項目（41073018，41573005）

劉衛(wèi)國，E-mail：liuwg@loess.llqg.ac.cn