研究简介:南极麦克默多干谷是地球上最大的无冰区域之一，这里的湖泊因常年被冰覆盖而形成独特的生态系统。乔伊斯湖是一个没有出水口的湖泊，其水源主要来自周围冰川的融水。由于湖面常年被冰覆盖，湖水的蒸发量极低，导致湖水水位随时间上升。这种水位变化记录了该地区水文变化的历史，对于理解南极对气候变化的敏感性至关重要。研究人员通过潜水员在乔伊斯湖底采集了完整的叠层石样本，并进行了原位测量。使用pH微电极测量微生物垫的pH剖面，通过X射线CT扫描和3D可视化技术分析叠层石的内部结构。对叠层石中的方解石进行了碳氧稳定同位素分析（δ¹³C和δ¹⁸O），以重建微生物活动和环境条件的变化。此外，还对湖水和融水样本进行了化学分析，以了解湖泊的水体化学特征。研究发现，乔伊斯湖中的叠层石在湖水水位上升期间形成，其最内侧（最古老）的方解石带显示出广泛的碳同位素变化范围（δ¹³C_calcite），这与局部溶解无机碳（DIC）中碳同位素（¹³C/¹²C）比率在光合作用影响下的变化相符。本研究揭示了乔伊斯湖叠层石的形成与环境变化之间的关系，还为理解极地湖泊生态系统对气候变化的响应提供了重要的科学依据。通过同位素趋势可约束极地融水绿洲的初级生产力，尤其在其他沉积学证据表明存在多年冰盖时。从一般δ¹³C_calcite值趋势解释环境变化需要考虑微生物活性的异质性尺度及湖体分层或混合的辅助证据，如δ¹⁸O_calcite。若缺乏对δ¹³C_calcite异质性及δ¹⁸O_calcite分层证据的详细调查，叠层石生长过程中δ¹³C_calcite值普遍升高的现象可能会被误解为光合作用速率提高和湖水位下降的证据，而非湖水位上升过程中因化学隔离导致的分层现象。

Unisense微电极系统的应用

应用Unisense Field DataLogger Mini系统，配备p50 pH微电极。pH微电极被用于测量乔伊斯湖底栖微生物垫中的pH剖面。潜水员在12米深处部署了微型操控器，使用pH微电极对微生物垫进行剖面测量。潜水员使用微型操控器以每0.5毫米的增量将电极从水体垂直推进至微生物垫中。电极记录微生物垫中pH随深度的变化。在2014年11月23–24日的一个昼夜周期中，pH在扩散边界层的一个点位上被连续测量。测试数据发现在12米深处的底栖微生物垫中，pH剖面在空间上存在显著变化。接近正午时，底栖PAR为7.1μmol photons m⁻²s⁻¹，水柱中环境pH为10.3。在藻垫与水体界面处pH升至10.5，在藻垫下0.5至2毫米处pH超过10.6，到藻垫下5毫米处，pH降至10.5以下。通过对测试数据分析发现，pH的变化与光照强度的变化密切相关。在光照强度较高的时段，pH值显著升高，这表明微生物垫中的光合作用在这些时段更为活跃，吸收了更多的碳酸氢根（HCO₃⁻），导致pH升高。在阴影遮蔽时，pH值降低，证实了光合作用对pH变化的直接影响。

实验结果

对南极麦克默多干谷乔伊斯湖中的叠层石进行详细的同位素分析和岩相学研究，揭示了湖泊环境变化及微生物活动的历史。乔伊斯湖的叠层石在湖水水位上升期间形成，其方解石记录了碳和氧同位素信息，反映了微生物在不同光照和水体化学条件下的活动变化。研究发现，最早的叠层石层（方解石第1区）中，δ¹³C_calcite值在单个叠层石内部及不同叠层石之间存在显著变化。这种变异性与靠近冰盖底部、光照异质环境中光合作用速率范围大的情况相符。随着时间推移，湖水水位上升导致光照变弱且更加均匀，形成密度分层的湖体结构，使水体间混合受限。这种环境变化导致第2区和第3区的方解石沉淀中，δ¹³C_calcite值逐步富集，变化幅度减小。这反映了光合作用对DIC库的长期改造，以及光照条件的逐渐减弱。氧同位素（δ¹⁸O_calcite）的变化也记录了湖泊水体的混合和分层过程。最内侧方解石带的δ¹⁸O_calcite值显著低于后续区域，这可能与冰盖下方流入的融水与盐湖水混合有关。随着湖水水位的持续上升，水体分层更加明显，导致不同深度的水体之间δ¹⁸O_H2O值差异增大。

图1、南极麦克默多干谷（a）含有多年冰盖湖泊，如乔伊斯湖（b）。乔伊斯湖紧邻泰勒冰川，由季节性融水溪流供水（c）（术语来自Green等，1988）。图中2010年湖泊轮廓显示水柱采样点及用于采集叠层石和微生物垫的潜水孔（DH）位置。

图2、乔伊斯湖23米深处分支柱状叠层石簇。浮标上的方格为1平方厘米。

图3、12.1米深微生物垫微电极调查及辐照度模型。a为2014年11月23-24日的微生物垫扩散边界层pH随昼夜变化曲线，叠加了该采样点的辐照度模型。11月24日实际辐照度因云层影响波动大于模型。b为2014年11月23日近太阳正午时两条微电极穿过微生物垫的pH剖面（白点与黑点）。

图4、22.1米深采样的叠层石2细节。a为采样时生长方向的叠层石及其下方砂层；b为冷冻干燥切片，方解石区用虚线分隔，标注c–d的近似位置；c为第1区块状与针状方解石薄片显微照片；d为第2区的层理结构；e为第3区的块状方解石。

图5、基于1947年和1961年航拍照片及1991年湖水位测量结果的叠层石生长环境解释。所有面板的导电率剖面来自2014年，假设深层盐水混合产生观测到的密度跃层（a），随后水位上升导致淡水层加厚（b）。低水位时气泡脱落可促使叠层石开始生长（a）。1961年水位上升降低了气泡生长及脱落，密度分层导致环境水体隔离（b）。1991年叠层石位于光照不足以维持净光合作用生长的深度（c）。

结论与展望

通过对南极麦克默多干谷乔伊斯湖中的叠层石进行详细的同位素分析和岩相学研究，揭示了湖泊环境变化及微生物活动的历史。乔伊斯湖的叠层石在湖水水位上升期间形成，其方解石记录了碳和氧同位素信息，反映了微生物在不同光照和水体化学条件下的活动变化。在南极麦克默多干谷常年冰覆盖的乔伊斯湖中，富含方解石的柱状层状叠岩在湖水水位上升引发的环境变化期间形成。这些层状叠岩中的方解石记录了碳和氧同位素信息，反映了微生物在不同光照环境和水体化学条件下的活动变化。在乔伊斯湖底采集了完整的叠层石样本，并进行了原位测量。使用pH微电极测量微生物垫的pH剖面，通过X射线CT扫描和3D可视化技术分析叠层石的内部结构。对叠层石中的方解石进行了碳氧稳定同位素分析（δ¹³C和δ¹⁸O），以重建微生物活动和环境条件的变化。Unisense微电极在本研究中发挥了重要作用，通过精确测量微生物垫中的pH剖面，提供了关于微生物光合作用活动和环境条件变化的详细数据。这些数据不仅验证了微生物垫在不同光照条件下的光合作用强度，还为解释叠层石中的同位素记录提供了重要的支持，帮助研究者重建了乔伊斯湖数十年来的环境变化和微生物活动历史。本研究揭示了乔伊斯湖叠层石的形成与环境变化之间的关系，还为理解极地湖泊生态系统对气候变化的响应提供了重要的科学依据。通过同位素趋势可约束极地融水绿洲的初级生产力，尤其在其他沉积学证据表明存在多年冰盖时。从一般δ¹³C_calcite值趋势解释环境变化需要考虑微生物活性的异质性尺度及湖体分层或混合的辅助证据，如δ¹⁸O_calcite。若缺乏对δ¹³C_calcite异质性及δ¹⁸O_calcite分层证据的详细调查，叠层石生长过程中δ¹³C_calcite值普遍升高的现象可能会被误解为光合作用速率提高和湖水位下降的证据，而非湖水位上升过程中因化学隔离导致的分层现象。