徐星娜 汪 勇 沈 吉 王 勇

(1.西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院 重慶 400715;2.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210008)

利用湖泊沉積，尤其是內(nèi)陸封閉湖泊的沉積記錄恢復(fù)古氣候演變是過去全球變化研究的重要內(nèi)容之一［1］，青海湖是我國最大的內(nèi)陸封閉微咸水湖，湖區(qū)處于東南季風(fēng)、西南季風(fēng)和西風(fēng)急流三者的交匯地帶，是利用湖泊沉積研究過去全球變化的理想地區(qū)。湖泊沉積物中的生物指標(biāo)是重建湖區(qū)古氣候環(huán)境最為詳盡的信息來源之一［2］。介形蟲廣泛分布于各類湖泊體系中，其個(gè)體生存和繁衍對(duì)湖泊環(huán)境，對(duì)水化學(xué)條件的變化極其敏感。介形蟲殼體的形態(tài)學(xué)特征及其與生長環(huán)境的關(guān)系已引起了有關(guān)學(xué)者的關(guān)注［3～5］，其中利用介殼體長定量恢復(fù)古鹽度為古氣候環(huán)境演變研究提供了新的思路。例如，青海湖介形蟲特異湖浪介(Limnocythere inopinata)和胖真星介(Eucypris inflata)已被用來恢復(fù)晚更新世以來青海湖地區(qū)湖泊水位和季風(fēng)降水的變化［6～8］，尹宇等［4］利用L.inopinata建立了青藏高原地區(qū)湖泊中介形蟲殼體體長與湖水鹽度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，張恩樓等［5］利用其定量恢復(fù)了青海湖近900年的古鹽度變化序列，并認(rèn)為L.inopinata殼體體長可以很好地重建湖水古鹽度。

然而，L.inopinata殼體是否也能揭示不同地質(zhì)歷史時(shí)期(如晚冰期以來)湖水鹽度的變化呢?要回答這一問題，需要對(duì)同一鉆孔展開多環(huán)境代用指標(biāo)研究，以驗(yàn)證L.inopinata殼體體長定量湖水古鹽度結(jié)果;同時(shí)，還要和前人研究結(jié)果作相互驗(yàn)證，而這又要求建立可靠的時(shí)間序列。青海湖湖水硬度高，其沉積物中碳酸鹽含量高達(dá)50%［9］，沉積物14C年代受湖泊硬水效應(yīng)影響較大，前人的研究表明沉積物中總有機(jī)碳14C年齡偏老約 700～1 500 a［10～12］。但是考慮到湖泊水文狀況和大氣14C濃度等因素的變化，湖泊硬水效應(yīng)隨著時(shí)間推移也應(yīng)該是不斷變化的。因此，有必要研究硬水效應(yīng)隨時(shí)間的變化性，并用其對(duì)沉積物14C年齡進(jìn)行校正。

本文旨在研究青海湖硬水效應(yīng)隨時(shí)間的變化性，用其對(duì)沉積物14C年代進(jìn)行校正，從而建立可靠的年代標(biāo)尺，在此基礎(chǔ)上，利用成年L.inopinata殼體體長定量重建了青海湖晚冰期以來湖水古鹽度序列，同時(shí)測定了介殼δ18O和沉積物紅度指標(biāo)，用以討論介形蟲體長定量恢復(fù)湖水古鹽度方法的可靠性。

圖1 青海湖位置及QH-2005鉆孔采樣點(diǎn)Fig.1 Location of Lake Qinghai and core site of QH-2005

1 研究區(qū)域概況

青海湖(99°36＇～100°47＇E，36°32＇～37°15＇N)地處青藏高原東北隅，是我國最大的內(nèi)陸封閉微咸水湖(圖1)。該湖海拔3 196 m，總面積約4 400 km2，蓄水量778×108m3，最大水深27.0 m，平均水深17.9 m。湖區(qū)屬高寒半干旱氣候，年均溫1.2℃，季節(jié)變化在-12.6℃～5℃之間。年均降水量336.6 mm，其中5～9月降水量占全年的85%以上。年均蒸發(fā)量950.0 mm，6～9月蒸發(fā)量約占年的60%以上［13］。湖水補(bǔ)給主要依賴地表徑流和湖面降水，入湖河流40余條，主要集中于西部和北部［13］。集水面積29 661.0 km2，補(bǔ)給系數(shù)5.83;年入湖地表徑流量17.67 ×108m3，年入湖地下徑流量 4.0 ×108m3，湖面降水量14.61×108m3，湖面蒸發(fā)量41.21×108m3。湖水呈弱堿性，pH值和鹽度分別為9.23和14.13 g/L，咸化趨勢明顯，屬氯化物鹽類鈉組Ⅱ型水［13］。

2 材料與方法

2.1 材料

2005年7月，在青海湖東南部湖盆24 m水深處用UWITEC型水上采樣平臺(tái)(奧地利產(chǎn))采得連續(xù)沉積柱狀巖芯475 cm(QH-2005)。QH-2005孔巖性:0～75 cm深度為淺灰色到深黑色粉砂(其中0～15 cm深度為層理狀深黑色，15～40 cm深度為灰白色，40～75 cm深度為深黑色)，含有豐富的L.inopinata殼體但E.inflata殼體稀少;75～250 cm深度為淺灰黑色細(xì)粉砂，含有豐富的 L.inopinata和 E.inflata殼體;250～390 cm深度為灰黑色粗粉砂，E.inflata殼體異常豐富但無L.inopinata殼體;390～475 cm深度主要為淺灰色粗粉砂(其中390～395 cm及412～417 cm深度為白云石層)，含有較少L.inopinata和E.inflata殼體。

對(duì)QH-2005巖芯以1 cm間距分樣，共獲得了475個(gè)沉積物樣品，密封于塑料袋中，4℃保存以備分析。此外，在青海湖、耳海以及沙柳河口(圖1)還用Kajak重力采樣器采集了3個(gè)表層沉積物樣品，用同樣方法保存。

2.2 方法

圖2 QH-2005巖芯年代—深度模型Fig.2 The age-depth model of Core QH-2005

青海湖QH-2005孔沉積巖芯年代序列是基于不同深度的4個(gè)總有機(jī)碳(BOC)樣品和2個(gè)木質(zhì)素樣品14C年代［14］建立的(圖2)，分別在日本東京大學(xué)和美國國家海洋科學(xué)AMS14C實(shí)驗(yàn)室(NOSAMS)測定。

從已分好的樣品中挑選4 g沉積物加入去離子水，用125 μm篩洗掉淤泥，之后轉(zhuǎn)移至玻璃皿中，在雙目顯微鏡下統(tǒng)計(jì)L.inopinata和E.inflata殼體的豐度。對(duì)于存在L.inopinata殼體的沉積物樣品，隨機(jī)挑選其成年殼體30個(gè)，用鏡頭標(biāo)尺分別測量這30個(gè)殼體體長，統(tǒng)計(jì)這30個(gè)體長的分布，去除異常值，取余下的平均值，最后共獲得了QH-2005孔280個(gè)層位以及3個(gè)現(xiàn)代水體(青海湖、耳海以及沙柳河口)L.inopinata殼體的體長數(shù)據(jù)(圖3)。

介殼δ18O測定盡量選取L.inopinata殼體，但對(duì)于不存在L.inopinata殼體的沉積物樣品，則挑選成年E.inflata殼體15個(gè)代替，共獲得了475個(gè)層位的介形蟲殼體樣品。將其用去離子水清洗干凈后，轉(zhuǎn)移至與 Finnigan Deltaplus型質(zhì)譜相連接的 Gas Bench上，與100%純磷酸在72℃條件下反應(yīng)1h后，將釋放的CO2在線進(jìn)行穩(wěn)定氧同位素的測定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果用δ/‰表示(相對(duì)于V—PDB標(biāo)準(zhǔn))，該方法的測試誤差小于0.1‰。本實(shí)驗(yàn)在中科院南京地理與湖泊研究所國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

圖3 QH-2005孔成年介形蟲L.inopinata殼體體長測量結(jié)果Fig.3 Measurement results of fossil L.inopinata body length in core QH-2005

此外，還對(duì)475個(gè)沉積物樣品進(jìn)行了紅度(%)指標(biāo)的測定，使用儀器為Perkin—Elmer Lambda 900型光譜儀，在南京大學(xué)地球科學(xué)系完成。

3 結(jié)果和討論

3.1 14C年代

QH-2005孔BOC樣品14C年代較木質(zhì)素樣品14C年代明顯偏老，系湖泊硬水效應(yīng)所致。來源于陸源木本植物的木質(zhì)素14C年代不受湖泊硬水效應(yīng)影響［14］，其所代表的絕對(duì)年齡，加之QH-2005孔59 cm深度處的年齡約為490～590 cal a BP(根據(jù)1.0～1.2 mm/a［15，16］的沉積速率算出，其對(duì)應(yīng)14C年齡約為 380～630 a BP)，利用這三個(gè)層位的絕對(duì)年代(14C年齡)，采用內(nèi)插平均值的辦法可以得到對(duì)應(yīng)于每個(gè)深度的絕對(duì)年齡，與相同層位BOC樣品14C年代(受硬水效應(yīng)影響)相減，即為相應(yīng)的硬水效應(yīng)?？梢?晚冰期以來，青海湖硬水效應(yīng)逐漸增大，由732年逐漸增至2475年(圖2A)，這不僅與前人的研究結(jié)果(約1000～2323 a BP)［10，11，17，18］較為吻合，而且凸顯了硬水效應(yīng)隨時(shí)間的變化性，以及利用其進(jìn)行老碳校正的必要性。故此，筆者對(duì)QH-2005孔BOC14C年齡作了硬水效應(yīng)校正，最后利用Calib5.1程序［19］將校正后的年代及木質(zhì)素年代轉(zhuǎn)化為日歷年齡(圖2B)。經(jīng)內(nèi)插和外推得出，QH-2005孔巖芯底部475 cm年齡為13，500 cal a BP，巖芯沉積速率為0.23～0.55 mm/a，平均為0.36 mm/a。

3.2 介形蟲殼體氧同位素

介形蟲殼體δ18O值的變化取決于殼體形成時(shí)的水體溫度和湖水δ18O值，其與水體溫度呈負(fù)相關(guān)，而與湖水δ18O呈正相關(guān)。根據(jù)前人的研究結(jié)果［6～8］表明，青海湖介殼δ18O變化主要反映了湖水δ18O的變化，可以用來反映季風(fēng)降雨的強(qiáng)度［8］，敏感響應(yīng)于氣候冷暖干濕的變化:季風(fēng)降水較弱，氣候較為冷干時(shí)，介殼δ18O值較高;而季風(fēng)降水加強(qiáng)，氣候較為暖濕時(shí)，介殼δ18O值較低。

QH-2005孔介殼(L.inopinata和E.inflata)δ18O在-3.54‰～2.71‰之間變化，平均值為 -0.51‰(圖4)。晚冰期，δ18O處于高值段但呈顯著降低趨勢，代表氣候整體上較為冷干，但開始趨于暖濕，湖泊水位逐漸上升;全新世早中期，δ18O迅速降低，處于全孔最低水平，指示氣候達(dá)到最為暖濕的適宜期，湖泊水位上升至空前;全新世晚期，δ18O呈階梯式富集趨勢，表明氣候逐漸轉(zhuǎn)為冷干，湖泊水位逐漸下降。

圖4 QH-2005孔介殼豐度(L.inopinata和E.inflata))、湖水古鹽度(基于L.inopinata殼體體長定量恢復(fù))、介殼 δ18O 以及沉積物紅度結(jié)果，其中，4、3、2、LIA 分別代表第4、3、2 次冰漂事件及小冰期［20］Fig.4 Multi-proxy results of ostracod species(L.inopinata and E.inflata)abundances，lake water paleo-salinity(transferred from ostracod body length)，ostracod oxygen isotope and redness percentage of Core QH-2005，and 4，3，2，LIA，respectively，represent ice-rafting event 4，3，2 and Little Ice Age［20］

3.3 沉積物紅度

沉積物紅度主要與鐵的氧化物含量相關(guān)，尤其是赤鐵礦和針鐵礦，通常從湖泊流域侵蝕而來并通過徑流搬運(yùn)至湖盆中［21，22］。較低的紅度值指示了源于流域物質(zhì)的減少，與色淺、紋理狀的沉積物相對(duì)應(yīng)，反之則指示了流域物質(zhì)的增加［23］。因此，沉積物紅度可間接反映湖泊流域降水及入湖徑流強(qiáng)度的變化。

QH-2005孔晚冰期以來沉積物紅度變化于22.81%～31.33%之間，階段性特征顯著(圖4):晚冰期紅度雖然較低，但增加趨勢明顯，表明湖泊入流加強(qiáng)，流域進(jìn)入湖泊物質(zhì)增多，與氣候暖濕化有關(guān);全新世早中期紅度上升至全孔最高水平，指示了湖泊入流很強(qiáng)，與季風(fēng)強(qiáng)度大為加強(qiáng)有關(guān);全新世晚期，紅度值逐漸降低，指示了入湖徑流減弱，與季風(fēng)衰退有關(guān)。

3.4 介形蟲(L.inopinata)體長

3.4.1 L.inopinata殼體體長定量重建湖水古鹽度

QH-2005孔介形蟲屬種單一，僅有E.inflata和L.inopinata兩種。E.inflata是喜鹽種，能忍受高鹽度的水體［24］;而 L.inopinata大多生活在淡水中，在少鹽-中鹽度水體中最為繁盛。一般認(rèn)為，僅此兩者共存可以指示富氯化鈉、堿性及整體偏高的鹽度水體環(huán)境［25］。有研究［4，26］表明，L.inopinata 是青藏高原湖泊中的優(yōu)勢種，殼體體長與其生存的水體鹽度具有較為密切的關(guān)系:當(dāng)用于形成殼體物質(zhì)的吸收率受限時(shí)(鹽度增加)，介形蟲的繁殖年齡將被推遲，故L.inopinata通過減小其個(gè)體大小來保證對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)度，從而造成了在高鹽度條件下成年介殼體長減小的一種生理強(qiáng)迫(physiological constraint)［4］。因此，介形蟲殼體體長越大指示了當(dāng)時(shí)湖泊環(huán)境鹽度越低，反之則鹽度越高。不僅如此，尹宇等［4］還研究了青藏高原地區(qū)50多個(gè)湖泊水體現(xiàn)生L.inopinata體長特征對(duì)水化學(xué)環(huán)境因子的響應(yīng)，建立了一個(gè)適用于青藏高原湖泊的古鹽度定量重建公式(公式1～3):

其中，x代表殼體平均體長(μm)，y代表電導(dǎo)率(ms/cm)，R2代表體長和電導(dǎo)率之間的相關(guān)系數(shù)。

QH-2005孔成年L.inopinata殼體體長變化于448.8～606.0 μm 之間，平均值為 542.5 μm，最大變幅為157.1 μm(圖3)。L.inopinata殼體體長在晚冰期時(shí)整體較低;全新世早中期L.inopinata殼體缺失;全新世晚期其殼體體長整體呈降低趨勢(圖4)。根據(jù)以上經(jīng)驗(yàn)公式將介殼體長數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為湖水電導(dǎo)率(ms/cm)，再根據(jù)張恩樓等［5］的經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)一步將湖水電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換為湖水鹽度(g/L)。由此便可定量恢復(fù)晚冰期和全新世晚期青海湖湖水古鹽度(圖4)，重建的古鹽度在11.54～17.61 g/L之間變化，平均值為14.00 g/L。同樣，用此方法定量反演了青海湖及其周圍水體現(xiàn)代湖水鹽度，其結(jié)果與實(shí)測值較為一致(表1)，大為印證了利用此種方法定量重建湖水古鹽度的可靠性。

表1 青海湖及其周邊水體L.inopinata介殼體長及其鹽度恢復(fù)結(jié)果Table 1 Comparison of in situ measured salinity with salinity transferred from ostracod body length

3.4.2 古鹽度定量結(jié)果與氣候演化模式的關(guān)系

關(guān)于青海湖晚冰期以來的氣候演化模式已有較多研究［6～8，10］，結(jié)果顯示:晚冰期青海湖地區(qū)氣候逐漸轉(zhuǎn)暖，季風(fēng)降水和湖區(qū)冰融水的增加導(dǎo)致湖水鹽度明顯降低;全新世早中期由于季風(fēng)加強(qiáng)，氣候轉(zhuǎn)為暖濕，湖泊水位抬升至較高水平，湖水鹽度大為降低;全新世晚期由于季風(fēng)衰退，湖泊水位逐漸下降，湖水鹽度逐漸升高。QH-2005孔介殼δ18O和沉積物紅度指標(biāo)所揭示的青海湖13，500 cal a BP以來的氣候變化，與上述氣候演化模式基本一致，在此不展開討論。本文主要通過比較湖水古鹽度定量結(jié)果與已有氣候演化模式間的關(guān)系，探討利用L.inopinata殼體長度定量恢復(fù)湖水古鹽度的可靠性。

在較長時(shí)間尺度上，成年L.inopinata殼體體長所恢復(fù)的湖水古鹽度與介殼δ18O和沉積物紅度指標(biāo)具有很好的一致性。晚冰期時(shí)，湖水古鹽度定量結(jié)果呈急劇波動(dòng)下降趨勢，與此時(shí)氣候轉(zhuǎn)暖、季風(fēng)降水/冰融水增多有關(guān);與之相對(duì)應(yīng)，介殼δ18O值顯著下降(稀釋效應(yīng))，沉積物紅度顯著上升(湖泊入流增加)，也都指示了氣候的暖濕化。全新世晚期，定量重建的湖水古鹽度整體上呈顯著上升趨勢，與季風(fēng)退化和氣候冷干化所引起的湖泊水位下降有關(guān);相應(yīng)地，此時(shí)介殼δ18O值增加趨勢顯著，沉積物紅度呈明顯下降趨勢，分別與蒸發(fā)富集和湖泊入流減少有關(guān)，都指示了季風(fēng)的減弱和氣候趨于冷干。

在千/百年較短的時(shí)間尺度上，Bond等［20］最早根據(jù)北大西洋沉積記錄揭示出全新世8次千/百年尺度冰川碎屑漂移事件(又稱冰筏事件)，表明全新世氣候同樣也包含了一系列明顯和短暫的氣候突變事件。QH-2005孔紅度和介殼δ18O曲線較好地揭示了4次冰筏事件(即第4、3、2次冰筏事件和小冰期事件)(圖4)，但湖水古鹽度定量結(jié)果所揭示的快速變化與之并不吻合?？梢?，殼體體長所恢復(fù)的古鹽度并不能很好地反映這些氣候突變事件，這與L.inopinata殼體體長的影響因素較為復(fù)雜有關(guān)。Yin等［3］曾提出鹽度和溫度以及它們之間潛在的相互作用都可能對(duì)介形蟲形態(tài)上的變異性產(chǎn)生重要影響。而事實(shí)上，諸如水體深度、離子組成等環(huán)境因素也都會(huì)影響L.inopinata的生長過程，進(jìn)而影響其殼體長短。

總體來看，L.inopinata殼體體長所定量恢復(fù)的青海湖湖水古鹽度，在較長時(shí)間尺度上與氣候演化模式基本一致，但在千/百年尺度上并不能很好地指示氣候突變，這與張恩樓等［5］的應(yīng)用結(jié)果不甚相符。因此筆者認(rèn)為，盡管青海湖L.inopinata殼體體長與湖水鹽度關(guān)系密切，在較長的時(shí)間尺度上湖水鹽度(有較大的變化)表現(xiàn)為L.inopinata殼體體長變化的一個(gè)重要影響因素，但并非是L.inopinata殼體體長變化的唯一決定性因素，因?yàn)樵谳^短的時(shí)間尺度上，湖水鹽度與L.inopinata殼體體長的關(guān)系并不明了。

4 結(jié)論

QH-2005孔的“深度—年代”模型是基于4個(gè)BOC14C年齡和2個(gè)木質(zhì)素14C年齡建立的，受湖泊硬水效應(yīng)影響，BOC樣品較木質(zhì)素樣品14C年齡明顯偏老，約變化于732～2 185 a之間，加之QH-2005孔59 cm深度BOC14C年齡亦偏老2 475年左右，可見，自晚冰期以來青海湖硬水效應(yīng)呈顯著且不斷變化的，由732年增至931年，再到2 185 a，到核爆前又增至2 475 a左右。這對(duì)認(rèn)識(shí)湖泊沉積物BOC14C年齡硬水效應(yīng)隨時(shí)間的變化性有重要的啟示意義，筆者借此初步對(duì)青海湖不同時(shí)期的硬水效應(yīng)進(jìn)行了相應(yīng)校正，當(dāng)然，要真正深入了解青海湖硬水效應(yīng)對(duì)沉積物年齡的影響，還需要在湖泊碳循環(huán)、古水文定量等方面做大量細(xì)致的工作。

QH-2005孔介殼δ18O和沉積物紅度指標(biāo)所揭示的青海湖13，500 cal a BP以來的氣候變化，與前人研究揭示的氣候演化模式較為一致，與此相應(yīng)，L.inopinata殼體體長所重建的湖水古鹽度只在較長時(shí)間尺度上(對(duì)應(yīng)湖水較大的鹽度變化)與氣候演化模式一致，而在千/百年較短的時(shí)間尺度上，并不能很好地指示氣候突變事件。筆者認(rèn)為，除湖水鹽度外諸如L.inopinata所寄生水體的溫度、深度、離子組成等一系列因素，都會(huì)影響L.inopinata生長，進(jìn)而影響其殼體長短。因此，在利用介形蟲殼體生態(tài)特征來反演環(huán)境變量時(shí)應(yīng)綜合考慮各方面因素，對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式的適用性還必須用培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。

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