研究簡介:南極麥克默多干谷是地球上最大的無冰區域之一，這里的湖泊因常年被冰覆蓋而形成獨特的生態系統。喬伊斯湖是一個沒有出水口的湖泊，其水源主要來自周圍冰川的融水。由于湖面常年被冰覆蓋，湖水的蒸發量極低，導致湖水水位隨時間上升。這種水位變化記錄了該地區水文變化的歷史，對于理解南極對氣候變化的敏感性至關重要。研究人員通過潛水員在喬伊斯湖底采集了完整的疊層石樣本，并進行了原位測量。使用pH微電極測量微生物墊的pH剖面，通過X射線CT掃描和3D可視化技術分析疊層石的內部結構。對疊層石中的方解石進行了碳氧穩定同位素分析（δ13C和δ1?O），以重建微生物活動和環境條件的變化。此外，還對湖水和融水樣本進行了化學分析，以了解湖泊的水體化學特征。研究發現，喬伊斯湖中的疊層石在湖水水位上升期間形成，其最內側（最古老）的方解石帶顯示出廣泛的碳同位素變化范圍（δ13C_calcite），這與局部溶解無機碳（DIC）中碳同位素（13C/12C）比率在光合作用影響下的變化相符。本研究揭示了喬伊斯湖疊層石的形成與環境變化之間的關系，還為理解極地湖泊生態系統對氣候變化的響應提供了重要的科學依據。通過同位素趨勢可約束極地融水綠洲的初級生產力，尤其在其他沉積學證據表明存在多年冰蓋時。從一般δ13C_calcite值趨勢解釋環境變化需要考慮微生物活性的異質性尺度及湖體分層或混合的輔助證據，如δ1?O_calcite。若缺乏對δ13C_calcite異質性及δ1?O_calcite分層證據的詳細調查，疊層石生長過程中δ13C_calcite值普遍升高的現象可能會被誤解為光合作用速率提高和湖水位下降的證據，而非湖水位上升過程中因化學隔離導致的分層現象。

Unisense微電極系統的應用

應用Unisense Field DataLogger Mini系統，配備p50 pH微電極。pH微電極被用于測量喬伊斯湖底棲微生物墊中的pH剖面。潛水員在12米深處部署了微型操控器，使用pH微電極對微生物墊進行剖面測量。潛水員使用微型操控器以每0.5毫米的增量將電極從水體垂直推進至微生物墊中。電極記錄微生物墊中pH隨深度的變化。在2014年11月23–24日的一個晝夜周期中，pH在擴散邊界層的一個點位上被連續測量。測試數據發現在12米深處的底棲微生物墊中，pH剖面在空間上存在顯著變化。接近正午時，底棲PAR為7.1μmol photons m?2s?1，水柱中環境pH為10.3。在藻墊與水體界面處pH升至10.5，在藻墊下0.5至2毫米處pH超過10.6，到藻墊下5毫米處，pH降至10.5以下。通過對測試數據分析發現，pH的變化與光照強度的變化密切相關。在光照強度較高的時段，pH值顯著升高，這表明微生物墊中的光合作用在這些時段更為活躍，吸收了更多的碳酸氫根（HCO??），導致pH升高。在陰影遮蔽時，pH值降低，證實了光合作用對pH變化的直接影響。

實驗結果

對南極麥克默多干谷喬伊斯湖中的疊層石進行詳細的同位素分析和巖相學研究，揭示了湖泊環境變化及微生物活動的歷史。喬伊斯湖的疊層石在湖水水位上升期間形成，其方解石記錄了碳和氧同位素信息，反映了微生物在不同光照和水體化學條件下的活動變化。研究發現，最早的疊層石層（方解石第1區）中，δ13C_calcite值在單個疊層石內部及不同疊層石之間存在顯著變化。這種變異性與靠近冰蓋底部、光照異質環境中光合作用速率范圍大的情況相符。隨著時間推移，湖水水位上升導致光照變弱且更加均勻，形成密度分層的湖體結構，使水體間混合受限。這種環境變化導致第2區和第3區的方解石沉淀中，δ13C_calcite值逐步富集，變化幅度減小。這反映了光合作用對DIC庫的長期改造，以及光照條件的逐漸減弱。氧同位素（δ1?O_calcite）的變化也記錄了湖泊水體的混合和分層過程。最內側方解石帶的δ1?O_calcite值顯著低于后續區域，這可能與冰蓋下方流入的融水與鹽湖水混合有關。隨著湖水水位的持續上升，水體分層更加明顯，導致不同深度的水體之間δ1?O_H2O值差異增大。

圖1、南極麥克默多干谷（a）含有多年冰蓋湖泊，如喬伊斯湖（b）。喬伊斯湖緊鄰泰勒冰川，由季節性融水溪流供水（c）（術語來自Green等，1988）。圖中2010年湖泊輪廓顯示水柱采樣點及用于采集疊層石和微生物墊的潛水孔（DH）位置。

圖2、喬伊斯湖23米深處分支柱狀疊層石簇。浮標上的方格為1平方厘米。

圖3、12.1米深微生物墊微電極調查及輻照度模型。a為2014年11月23-24日的微生物墊擴散邊界層pH隨晝夜變化曲線，疊加了該采樣點的輻照度模型。11月24日實際輻照度因云層影響波動大于模型。b為2014年11月23日近太陽正午時兩條微電極穿過微生物墊的pH剖面（白點與黑點）。

圖4、22.1米深采樣的疊層石2細節。a為采樣時生長方向的疊層石及其下方砂層；b為冷凍干燥切片，方解石區用虛線分隔，標注c–d的近似位置；c為第1區塊狀與針狀方解石薄片顯微照片；d為第2區的層理結構；e為第3區的塊狀方解石。

圖5、基于1947年和1961年航拍照片及1991年湖水位測量結果的疊層石生長環境解釋。所有面板的導電率剖面來自2014年，假設深層鹽水混合產生觀測到的密度躍層（a），隨后水位上升導致淡水層加厚（b）。低水位時氣泡脫落可促使疊層石開始生長（a）。1961年水位上升降低了氣泡生長及脫落，密度分層導致環境水體隔離（b）。1991年疊層石位于光照不足以維持凈光合作用生長的深度（c）。

結論與展望

通過對南極麥克默多干谷喬伊斯湖中的疊層石進行詳細的同位素分析和巖相學研究，揭示了湖泊環境變化及微生物活動的歷史。喬伊斯湖的疊層石在湖水水位上升期間形成，其方解石記錄了碳和氧同位素信息，反映了微生物在不同光照和水體化學條件下的活動變化。在南極麥克默多干谷常年冰覆蓋的喬伊斯湖中，富含方解石的柱狀層狀疊巖在湖水水位上升引發的環境變化期間形成。這些層狀疊巖中的方解石記錄了碳和氧同位素信息，反映了微生物在不同光照環境和水體化學條件下的活動變化。在喬伊斯湖底采集了完整的疊層石樣本，并進行了原位測量。使用pH微電極測量微生物墊的pH剖面，通過X射線CT掃描和3D可視化技術分析疊層石的內部結構。對疊層石中的方解石進行了碳氧穩定同位素分析（δ13C和δ1?O），以重建微生物活動和環境條件的變化。Unisense微電極在本研究中發揮了重要作用，通過精確測量微生物墊中的pH剖面，提供了關于微生物光合作用活動和環境條件變化的詳細數據。這些數據不僅驗證了微生物墊在不同光照條件下的光合作用強度，還為解釋疊層石中的同位素記錄提供了重要的支持，幫助研究者重建了喬伊斯湖數十年來的環境變化和微生物活動歷史。本研究揭示了喬伊斯湖疊層石的形成與環境變化之間的關系，還為理解極地湖泊生態系統對氣候變化的響應提供了重要的科學依據。通過同位素趨勢可約束極地融水綠洲的初級生產力，尤其在其他沉積學證據表明存在多年冰蓋時。從一般δ13C_calcite值趨勢解釋環境變化需要考慮微生物活性的異質性尺度及湖體分層或混合的輔助證據，如δ1?O_calcite。若缺乏對δ13C_calcite異質性及δ1?O_calcite分層證據的詳細調查，疊層石生長過程中δ13C_calcite值普遍升高的現象可能會被誤解為光合作用速率提高和湖水位下降的證據，而非湖水位上升過程中因化學隔離導致的分層現象。