李 清 康世昌 張強(qiáng)弓 黃 杰 郭軍明 王 康 王建力

(1.西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院 重慶 400715;2.中國(guó)科學(xué)院青藏高原環(huán)境變化與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100085)

湖泊是連接大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的紐帶，湖泊沉積物對(duì)環(huán)境的記錄具有連續(xù)性、全面性和高分辨率的特點(diǎn)，是研究過(guò)去環(huán)境變化的重要手段之一［1］。青藏高原湖泊眾多，是地球上海拔最高、數(shù)量最多、面積最大的高原湖泊群［2］，而高原封閉半封閉湖泊是氣候和環(huán)境演化的敏感指示器，在恢復(fù)和重塑各種時(shí)間尺度(千年、百年、十年)的氣候和環(huán)境演化序列上，具有其他自然歷史記錄無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，利用青藏高原湖泊沉積記錄研究古氣候環(huán)境的演變正在迅速發(fā)展，研究范圍涉及高原的大部分地區(qū)，主要包括青海湖［3～7］，高原東部若爾蓋盆地［8-10］，西昆侖山—喀喇昆侖山地區(qū)［11～15］，羌塘高原［16～18］及藏南地區(qū)［19～25］等。但由于高原面積廣大且氣候影響因素復(fù)雜，使得高原面上不同區(qū)域之間的氣候變化特征不盡相同。而高原南部地區(qū)主要受西南季風(fēng)的影響與其他地區(qū)的氣候特點(diǎn)差異較大，并且高原南部由于海拔較高，氣候環(huán)境惡劣，采樣困難等因素的制約，其研究的深度和廣度遠(yuǎn)不如高原其他地區(qū)，因此對(duì)高原南部地區(qū)湖泊沉積記錄的古氣候變化研究具有重要意義。

從現(xiàn)有的研究看來(lái)，受制于沉積物采樣精度與定年數(shù)據(jù)的分辨率和可靠性，過(guò)去青藏高原湖泊沉積記錄的研究主要以中長(zhǎng)時(shí)間尺度的研究為主，注重重大氣候變化事件和階段的氣候環(huán)境特征的重建和分析［26］，而短時(shí)間尺度高分辨的研究相對(duì)不足。近年來(lái)隨著210Pb，137Cs測(cè)年技術(shù)在湖泊沉積記錄中的應(yīng)用和發(fā)展［27～30］，高分辨率的湖泊沉積(特別是近幾百年來(lái))研究也開(kāi)始得以突破［31～34］。為此，本研究根據(jù)青藏高原中南部納木錯(cuò)湖泊沉積記錄，通過(guò)沉積物精確定年和環(huán)境代用指標(biāo)的分析，重建研究區(qū)過(guò)去幾百年來(lái)氣候環(huán)境變化，彌補(bǔ)了高原南部地區(qū)短時(shí)間尺度氣候變化序列的缺乏，對(duì)拓展青藏高原地區(qū)過(guò)去氣候環(huán)境變化研究具有重要的科學(xué)價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

納木錯(cuò)湖(30°30' ～ 30°56'N，90°16' ～ 91°03'E)位于青藏高原中南部，屬于藏北南羌塘高原湖盆區(qū)，目前為封閉湖盆［2，20］。納木錯(cuò)是喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)拗陷而成，湖面海拔4 718 m，東西長(zhǎng)78.16 km，南北寬24.19 km，面積為1 961.15 km2，已測(cè)到的最大水深為 95 m［35］(圖 1)。整個(gè)流域面積 10 600 km2，補(bǔ)給系數(shù)5.53［36］，湖水主要依賴(lài)地表徑流和湖面降水補(bǔ)給，總計(jì)有超過(guò)60條河流匯入湖泊［37］，這些河流大部分位于湖泊的西部和南部，而主要入湖河流為波曲、昂曲、測(cè)曲等。其南部是念青唐古拉山脈，平均海拔約5 500 m，眾多現(xiàn)代冰川發(fā)育且普遍面積較小，冰川融水流經(jīng)短距離的山前地帶呈辮梳狀直接注入湖泊［38］。北側(cè)和西北側(cè)為高原內(nèi)部起伏平緩的低山丘陵區(qū)，平均海拔約為5 000 m［21］。出露的基巖主要是前中生界變質(zhì)巖、石灰?guī)r、花崗巖和中新生界火山巖等［39］。湖區(qū)屬半濕潤(rùn)向半干旱過(guò)渡型氣候，區(qū)域植被類(lèi)型屬于高寒草原和荒漠草原［40］。湖水微咸偏堿，礦化度為 1.6～1.8 g/L，pH 值為 9.4～9.5，屬重碳酸鈉型水［2，41］。

圖1 納木錯(cuò)湖等深線圖及湖芯NMC09位置示意圖(據(jù)王君波，2009)Fig.1 The isobath of Nam Co Lake and location of NMC09 Core

2 材料與方法

2.1 樣品采集及定年

本研究于2009年5月利用活塞采樣器在納木錯(cuò)湖獲取一支長(zhǎng)度約為20 cm的淺湖芯NMC09孔樣品。湖芯采樣點(diǎn)位于納木錯(cuò)湖中部靠東北岸(圖1)，水深約60 m，湖盆底部坡度較緩。以黃色的粉砂和黏土為主?，F(xiàn)場(chǎng)以0.5 cm間隔進(jìn)行分樣，共獲得樣品40個(gè)，保存于塑封袋內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室冷藏。

為了高精度地從湖泊沉積物中提取環(huán)境信息，首先需要精確地測(cè)定沉積物的時(shí)序特征，從而建立湖泊沉積物所記錄的過(guò)去環(huán)境信息的年譜關(guān)系。本孔采用210Pb方法測(cè)定其沉積速率，湖泊沉積物年代測(cè)定在中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所環(huán)境變化與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，所用分析儀器為美國(guó)EG＆G Ortec公司生產(chǎn)的高純鍺伽馬譜儀(HPGe，ORTEC-GWL)，每個(gè)樣品測(cè)量時(shí)間為40 000 s，測(cè)量之前將樣品置于封閉容器中進(jìn)行兩周以上的放射性平衡。

2.2 環(huán)境代用指標(biāo)

粒度分析用英國(guó)Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000型激光粒度儀完成，測(cè)量之前對(duì)樣品進(jìn)行去除有機(jī)質(zhì)及碳酸鹽膠結(jié)的處理，儀器重復(fù)測(cè)量誤差小于3%;總有機(jī)碳(TOC)和無(wú)機(jī)碳(IC)分析利用日本島津公司 Shimadzu TOC-VCPH測(cè)量，分析誤差小于3%;微量元素含量利用美國(guó)Thermo-Elemental公司的X-7型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測(cè)定，儀器的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)/小于3%，實(shí)際分析誤差(含前處理環(huán)節(jié))一般小于5%，以上測(cè)試在中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究環(huán)境變化與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

3 結(jié)果分析

3.1 沉積物定年

本文對(duì)巖芯NMC09孔進(jìn)行210Pb精確測(cè)年，其結(jié)果顯示過(guò)剩210Pb比活度(210Pbex)隨深度的變化呈現(xiàn)出明顯的指數(shù)衰減趨勢(shì)，至15 cm深度以下，210Pb總強(qiáng)度和226Ra強(qiáng)度平衡，過(guò)剩210Pb趨于零，不再具有定年意義。而利用210Pbex強(qiáng)度衰變規(guī)律計(jì)算沉積物年齡一般有 2 種模型［42，43］，CRS(Constant Rate of210Pb Supply，恒定補(bǔ)給速率)和CIC(Constant Initial Concentration，恒定初始濃度)兩種模式，其中CRS模型由于考慮了沉積物的壓實(shí)作用而受到廣泛使用。因此，本文利用CRS模型計(jì)算NMC09孔湖芯上部15 cm左右的沉積時(shí)段約為1850～2005年，共計(jì)155年，平均沉積速率約為0.12 cm/a。

圖2 納木錯(cuò)NMC09湖芯210Pbex(a)和年代(b)—深度圖Fig.2 Variations of210Pbex and sedimentation rate in NMC09 Core of Nam Co Lake

3.2 總有機(jī)碳含量和粒度

3.2.1 結(jié)果分析

納木錯(cuò)NMC09孔的總有機(jī)碳含量(TOC，%)總體偏低(≤3%)，以距頂部10 cm左右為臨界點(diǎn)，在此之下的TOC呈緩慢下降趨勢(shì)，而上半部則表現(xiàn)出明顯的抬升趨勢(shì)(圖3)。粒度主要由粉砂(4～64μm)組成，細(xì)顆粒(4～16 μm)約占50%以上，在整個(gè)細(xì)顆粒剖面中顆粒含量在11 cm左右有一定波動(dòng)，而以上則變化較為平穩(wěn)，且細(xì)粒物質(zhì)(＜16 μm)在11 cm處出現(xiàn)陡增現(xiàn)象，至13.5 cm左右黏粒含量為剖面峰值(圖3)。相應(yīng)地，粗顆粒含量在剖面中部(7.75 cm)含量偏低，平均粒徑(MZ)偏細(xì)。而7.75 cm以上平均粒徑開(kāi)始變粗，對(duì)應(yīng)粗顆粒(16～64 μm)物質(zhì)含量的增加，其中在4.25 cm層位出現(xiàn)小峰值點(diǎn)，隨后則略有降低。大于64 μm的粗顆粒在整個(gè)剖面中含量變化沒(méi)有明顯的升高或降低趨勢(shì)，在10 cm以下波動(dòng)較大，而以上則較為平緩。

圖3 納木錯(cuò)NMC09孔沉積物TOC(%)和粒度特征Fig.3 The grain size and TOC(%)of NMC09 Core in Nam Co Lake

3.2.2 環(huán)境指示意義

總有機(jī)碳含量(TOC)反映了湖泊沉積物中有機(jī)碳的含量，代表湖泊生產(chǎn)力的大小和流域內(nèi)植被的發(fā)育狀況，盡管受到內(nèi)源、外源和沉積后分解等因素的影響，依然是恢復(fù)湖泊古氣候波動(dòng)的重要指標(biāo)之一［44］。作為處于寒冷氣候區(qū)的湖泊來(lái)說(shuō)，氣溫應(yīng)是影響生物生長(zhǎng)的主導(dǎo)因素，有機(jī)碳的含量一定程度上可以反映氣溫的變化，即沉積物中總有機(jī)碳高值對(duì)應(yīng)暖期，低值對(duì)應(yīng)冷期［44］。對(duì)于湖泊沉積物而言，粒度的環(huán)境指示意義較為復(fù)雜，在不同的時(shí)間尺度內(nèi)、不同的湖區(qū)環(huán)境、不同的湖泊補(bǔ)給條件以及不同的氣候條件下沉積物粒度受制于不同的影響因素。對(duì)于一個(gè)鉆孔點(diǎn)來(lái)講，湖泊沉積物粒度大小與流域物質(zhì)來(lái)源和河流搬運(yùn)能力有關(guān)，并間接地指示流域徑流補(bǔ)給情況［45］。NMC09孔位置距湖東北岸較近，但水深較大(60 m)，湖底坡降較大，入湖碎屑物質(zhì)經(jīng)短途搬運(yùn)即可到達(dá)鉆孔點(diǎn)，其沉積物粒度的變化可以反映入湖河流水動(dòng)力條件和水量變化，因此粒度的變化間接反映湖泊補(bǔ)給狀況(如降水量、冰雪融水等)，即粒度的增大反映降水量的增加或氣溫升高而造成的冰融水的增加。

圖4 納木錯(cuò)NMC09孔TOC和平均粒度特征與班戈氣象站氣溫及降水變化對(duì)比(1957～2005年)Fig.4 Comparison of TOC and medium grain size of NMC09 Core and air temperature，precipitation in Banga station(from 1957 to 2005)

為了進(jìn)一步明確TOC和粒度在該區(qū)域的氣候和環(huán)境意義，本文選擇與鄰近的氣象站資料建立對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證。納木錯(cuò)湖處于青藏高原中南部，最為鄰近的氣象站點(diǎn)為班戈和當(dāng)雄氣象站，其中班戈縣與納木錯(cuò)同處羌塘高原地區(qū)，氣候特征較為接近，因此本研究選取班戈氣象站觀測(cè)資料來(lái)進(jìn)行對(duì)比。氣溫和降水是最主要的氣候要素，因此將沉積環(huán)境序列TOC值與班戈氣象站近50年的年均溫資料進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，代表冷暖變化的TOC指標(biāo)與氣溫變化的相關(guān)性較好，兩者整體上都呈現(xiàn)出一致的遞增趨勢(shì)，而且年均溫值分別在1963，1983年和1997年出現(xiàn)三次明顯的驟降(圖4)，TOC值也相應(yīng)減小，與氣溫變化呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.70，圖5)。同時(shí)也體現(xiàn)出1910～1960年的50年間氣溫升高的特點(diǎn)，與中國(guó)物候現(xiàn)象也是一致的［46］。平均粒度是沉積物粒度分布中最主要的參數(shù)之一，而代表徑流量大小的粒度指標(biāo)與降水量的有一定相關(guān)性，表明采樣點(diǎn)處沉積水動(dòng)力條件很大程度上是受大氣降水補(bǔ)給的影響，它們均反映出了20世紀(jì)50年代末期至70年代初期的濕潤(rùn)程度不斷增強(qiáng)以及90年代中后期以來(lái)的干旱狀況(圖4)，氣候變化的這種記錄在中國(guó)東部地區(qū)的文獻(xiàn)與器測(cè)資料記載中也有反映。通過(guò)相關(guān)性分析也發(fā)現(xiàn)(圖5)，平均粒徑與班戈氣象站年均降水量同樣呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系(R2=0.62)。因此，上述選取的氣候代用指標(biāo)在本地區(qū)氣候環(huán)境恢復(fù)研究中具有明確的指示意義。

圖5 納木錯(cuò)NMC09孔TOC與年均溫的相關(guān)關(guān)系(左)和平均粒徑與年降水量的相關(guān)關(guān)系(1957～2005年)Fig.5 The correlation of TOC values of NMC09 Core and average annual temperature(left)，and the correlation of medium grain size of NMC09 Core and annual precipitation(right)，(from 1957 to 2005)

湖泊沉積物中元素含量的變化受很多環(huán)境因素的影響，對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)較為復(fù)雜，部分元素比值常被作為環(huán)境變化的代用指標(biāo)。Sr/Ba的變化是基于它們的溶解能力與水體體積的關(guān)系，干旱地區(qū)的水體中，Sr在水中較強(qiáng)的溶解力決定其有較大的濃度變幅，而B(niǎo)a2+的濃度卻較強(qiáng)地依賴(lài)于環(huán)境狀況的改變，水體體積減小常常引起濃度升高，導(dǎo)致Ba2+與結(jié)合形成BaSO4絮凝沉淀的機(jī)率增大，水中游離的Ba2+成分降低，結(jié)果造成沉積物中的Sr/Ba升高［11］。因此Sr/Ba的高值代表湖泊收縮，水體體積減小;反之當(dāng)水體體積擴(kuò)大時(shí)，Sr/Ba值降低。

3.3 近150年來(lái)納木錯(cuò)湖區(qū)氣候變化特征及對(duì)比

根據(jù)納木錯(cuò)湖沉積湖芯的沉積年代序列，綜合分析TOC、粒度及地球化學(xué)元素比值等多項(xiàng)環(huán)境代用指標(biāo)，將該湖區(qū)近150年來(lái)的氣候變化過(guò)程大致分為以下幾個(gè)階段(圖6):

圖6 納木錯(cuò)NMC09孔多種代用指標(biāo)的對(duì)比分析Fig.6 Comparison of multi proxies in NMC09 Core

(1)A.D.1850～1900:該時(shí)段內(nèi)TOC含量相對(duì)偏高，平均含量在2.26%左右，且呈現(xiàn)明顯的持續(xù)降低趨勢(shì)，在1900年左右達(dá)到本時(shí)段的最低值2.08%，表明該階段總體氣溫偏暖但開(kāi)始出現(xiàn)溫度降低趨勢(shì)。而中值粒徑的變化與TOC略有不同，1850～1900年間出現(xiàn)粒徑增大趨勢(shì)，并在1870年左右達(dá)到最大值，代表該時(shí)期內(nèi)降水量有所增加或是氣候溫暖使得冰川融水增多，隨后呈現(xiàn)的持續(xù)降低與TOC變化相似，表明氣溫和降水量都同步下降，植被發(fā)育較差，氣候持續(xù)進(jìn)入較為干冷的時(shí)期。而該時(shí)段內(nèi)的Sr/Ba比值變化平穩(wěn)，沒(méi)有明顯指示氣候干濕變化的跡象，指示湖泊水體體積并沒(méi)發(fā)生太大改變，說(shuō)明氣候變化的幅度對(duì)地球化學(xué)元素比值的影響不大。而該階段沉積速率總體上比較緩慢，可能是由于下部沉積物固結(jié)壓實(shí)作用而造成的，而其表現(xiàn)出的略有增長(zhǎng)趨勢(shì)可能反映了地表徑流增大導(dǎo)致攜帶的物質(zhì)也隨之增多。雖然該階段內(nèi)地球化學(xué)元素變化趨勢(shì)與TOC、粒度變化有所不同，該時(shí)期氣候總的來(lái)說(shuō)以偏暖濕為主，并表現(xiàn)出向冷干氣候轉(zhuǎn)化的特征。

(2)A.D.1900～1950:TOC含量偏低但后期開(kāi)始出現(xiàn)迅速上升的趨勢(shì)，平均值為2.23%，而中值粒徑值同樣處于整個(gè)階段的谷底，均值為11.50 μm左右，與TOC變化比較類(lèi)似，暗示該時(shí)段內(nèi)水熱同步的氣候特征，只是TOC含量的最低值出現(xiàn)于1920年左右，而粒度的低值稍有滯后，出現(xiàn)在1940年左右。該階段氣溫和降水雖然整體上較低，但已開(kāi)始表現(xiàn)出氣候回暖趨勢(shì)。Sr/Ba值變化在1920年之前保持穩(wěn)定，而之后略有偏高，暗示水體體積稍有萎縮，與該階段內(nèi)粒度低值所指示的環(huán)境意義基本吻合。而沉積速率的略微偏高則表明沉積物質(zhì)增多可能是由于氣候回暖引起冰川融化而帶來(lái)了大量細(xì)顆粒物質(zhì)在此沉積。綜合來(lái)講，該時(shí)期內(nèi)氣候總體處于一個(gè)較為干冷的時(shí)期，但氣溫開(kāi)始反彈，降水變化略有滯后，1920～1940年左右為氣候變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，意味著小冰期的結(jié)束，氣候由干冷向暖濕開(kāi)始轉(zhuǎn)變。

(3)A.D.1950～2005:TOC含量和中值粒徑值在該時(shí)期內(nèi)存在一定的波動(dòng)，TOC值表現(xiàn)為震蕩上升趨勢(shì)，TOC含量均值在2.69%左右，處于整個(gè)時(shí)段的最高值時(shí)期，表明氣溫急劇增加的過(guò)程與全球變暖的大背景一致。而中值粒徑也迅速增加至1980年左右的持續(xù)震蕩，然后略有偏低趨勢(shì)，其均值為11.97 μm左右，指示該地區(qū)80年代之前降水充沛，而后期粒度指標(biāo)指示的水動(dòng)力變化顯示地表流水略有減弱，但相對(duì)(2)階段而言，降水量仍有所增加。因此該時(shí)段內(nèi)氣候已進(jìn)入一個(gè)相對(duì)暖濕的時(shí)期，但氣溫的增加趨勢(shì)比降水更為強(qiáng)烈。Sr/Ba值與中值粒徑呈反向變化，先降低隨后趨于平緩，表明湖區(qū)水體體積先增加并一直保持較高水位，與近30年來(lái)遙感及水文資料所反映的納木錯(cuò)湖泊水量增加情況基本一致［26］。沉積速率在該時(shí)段內(nèi)最大，表現(xiàn)出冰消期開(kāi)始地表流水開(kāi)始活躍的特征，入湖徑流攜帶大量的物質(zhì)沉積，約在80年代左右達(dá)到峰值，隨后有一定程度的降低，波動(dòng)較為劇烈。據(jù)班戈氣象站近50年來(lái)的資料顯示，氣溫變化呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，而降水變化較為復(fù)雜，在1980～1995年之間降水量有所下降，但湖面并沒(méi)有出現(xiàn)萎縮狀態(tài)，極有可能是氣溫升高導(dǎo)致冰川消融加快并對(duì)入湖徑流進(jìn)行補(bǔ)給，目前已有大量實(shí)測(cè)資料顯示全球變暖背景下冰川融水增加是引起近年來(lái)納木錯(cuò)湖面迅速擴(kuò)張的主要原因［26］。因此以上各環(huán)境指標(biāo)的組合都反映了該時(shí)期氣候處于氣溫上升，但降水量保持基本穩(wěn)定的暖濕階段，與現(xiàn)代器測(cè)資料記錄的信息基本相符。

4 小結(jié)

本文利用高原中南部納木錯(cuò)湖所獲取的淺湖芯樣品NMC09孔，在210Pb精確定年和多種指標(biāo)綜合分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合鄰近臺(tái)站的氣象資料，明確湖芯中各種代用指標(biāo)在當(dāng)?shù)氐臍夂蛑甘疽饬x，進(jìn)而重建過(guò)去短時(shí)間尺度青藏高原中南部高分辨率氣候和環(huán)境變化歷史。納木錯(cuò)湖泊沉積物中TOC、粒度和地球化學(xué)元素比值所獲得的信息綜合反映了湖區(qū)近150年來(lái)氣候干濕冷暖交替和湖面升降的特點(diǎn)，尤其是1920年以來(lái)，TOC值一直遞增至最大值，盡管其間也有冷波動(dòng)，總體上表現(xiàn)出小冰期結(jié)束后氣候一直趨于相對(duì)變暖的趨勢(shì)。湖面高度在1950年之前保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，而隨后Sr/Ba比值開(kāi)始降低，表明有水流不斷注入湖區(qū)使得湖面不斷上升，形成近150年來(lái)的最高湖面，而在此期間湖區(qū)內(nèi)降水并沒(méi)有增多反而略有降低，暗示氣溫上升可能導(dǎo)致冰川消融加快使得湖水加深，與現(xiàn)代器測(cè)資料記錄的信息基本吻合。

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