莫未民

的的喀喀湖位于秘魯和玻利維亞兩國(guó)交界的科亞奧高原上，科學(xué)家最近發(fā)現(xiàn)該湖底的泥沙可以揭示氣候變化的過(guò)去和未來(lái)。

沿著的的喀喀湖，考古學(xué)者發(fā)現(xiàn)了玻利維亞早期的蒂瓦納科文明，該文明出現(xiàn)于公元3世紀(jì)，包括秘魯、玻利維亞和智利，后來(lái)發(fā)展成為印加文明。

在這些王國(guó)出現(xiàn)以前，的的喀喀湖經(jīng)歷了過(guò)山車(chē)式的氣候變化過(guò)程，強(qiáng)弱季風(fēng)交替影響著湖泊盆地地區(qū)，出現(xiàn)洪澇和干旱的輪流變換。伍德霍爾海洋研究所的古氣象研究專(zhuān)家，在湖底的泥沙中發(fā)現(xiàn)了湖水漲落的規(guī)律，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了該地區(qū)季風(fēng)變化的規(guī)律。研究人員將氣候變化與湖底泥沙中古代植物的樹(shù)蠟、氣溫變化聯(lián)系起來(lái)。

的的喀喀湖泊盆地也是揭示地球氣候變化與地貌改變關(guān)系的地方。植物吸收空氣中的溫室氣體二氧化碳，并將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，以形成植物的枝葉、根和莖。有一部分有機(jī)碳被保存在土壤和泥沙中，這些土壤和泥沙可能位于河流的洪泛區(qū)，或者是濕地湖泊中?？茖W(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，這些土壤和泥沙中的有機(jī)物碳含量是大氣中含量的3倍多。

地球的氣候變化，能夠改變陸地生態(tài)系統(tǒng)存儲(chǔ)有機(jī)碳的速度和方式。即使是存儲(chǔ)于土壤中的有機(jī)碳發(fā)生了一個(gè)很小的改變，也會(huì)對(duì)大氣中的二氧化碳造成大的變化，還會(huì)影響地球未來(lái)的氣候變化走向。

今天，當(dāng)人們正在擔(dān)心化石燃料的使用會(huì)導(dǎo)致大氣中二氧化碳增加的時(shí)候，研究碳在空氣、水和陸地的循環(huán)過(guò)程，能夠?qū)︻A(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化提供有價(jià)值的幫助。

這正是伍德霍爾海洋研究所科學(xué)家弗蘭斯·汀的研究課題，他正在的的喀喀湖底泥沙里存留的古代植物遺跡中尋找答案，這些古代植物可能是低矮的灌木殘枝，也可能是多節(jié)的腐木，研究的目標(biāo)是，跟蹤這些古代有機(jī)碳的蹤跡，發(fā)現(xiàn)碳存儲(chǔ)變化與氣候變化的關(guān)系。

的的喀喀湖

的的喀喀湖位于玻利維亞和秘魯之間，長(zhǎng)達(dá)200公里，最寬處80公里，最深處150米，位于科亞奧高原上，該高原位于安第斯山脈的東西分界處。

的的喀喀湖位于熱帶赤道地區(qū)，一年中大部分的降雨集中在夏季，這時(shí)南美季風(fēng)在赤道南部和亞熱帶的低洼地區(qū)盛行。由于周?chē)h(huán)山，的的喀喀湖盆地積聚來(lái)自季風(fēng)的降雨，這里有5條主要河流流入湖泊。

在大約2萬(wàn)年前的上一個(gè)冰川紀(jì)，的的喀喀湖是一個(gè)相對(duì)于今天來(lái)說(shuō)比較涼爽濕潤(rùn)的地方，濕度非常高，以至于的的喀喀湖的蓄水太多，經(jīng)常造成湖泊漫溢，漫溢的洪水淹沒(méi)了南部的阿爾蒂普拉諾高原，在那兒形成了很多淡水湖，現(xiàn)在這些地方都變成了鹽性平地。

當(dāng)?shù)厍驈谋o(jì)進(jìn)入間冰期，北半球高緯地區(qū)的氣溫并沒(méi)有上升，但是處于暖涼交換狀態(tài)，最后在1萬(wàn)年前處于穩(wěn)定的溫暖狀態(tài)。盡管的的喀喀湖在南半球，但湖區(qū)盆地的降雨變化與北半球類(lèi)似地區(qū)的變化相似，當(dāng)北半球是溫暖季節(jié)時(shí)，這里表現(xiàn)出少雨干旱。

碳與氣候

研究人員搞清楚的的喀喀湖地區(qū)過(guò)去的氣候變化情況后，就可以進(jìn)一步弄明白氣候變化是如何影響地面有機(jī)碳存儲(chǔ)的。的的喀喀湖盆地面積相對(duì)較小，陸地生態(tài)系統(tǒng)受外界影響小，這為研究古生物碳存儲(chǔ)提供了方便。

由于未來(lái)的地貌不好研究，因此，研究過(guò)去陸地生態(tài)系統(tǒng)如何對(duì)極端氣象事件進(jìn)行反應(yīng)，能夠?yàn)槿祟?lèi)提供有價(jià)值的參考。但是，這樣的研究并不是百分之百的準(zhǔn)確，因?yàn)槲磥?lái)氣候的變化不一定會(huì)重復(fù)過(guò)去發(fā)生的情景，但是，當(dāng)人們了解氣候與大陸有機(jī)碳存儲(chǔ)之間的重要關(guān)系后，對(duì)掌握未來(lái)氣候變化趨勢(shì)大有裨益。

一段時(shí)間內(nèi)，植物的有機(jī)碳進(jìn)入泥土和濕地后，微生物會(huì)將有機(jī)碳分解，并釋放出二氧化碳進(jìn)入大氣，然而，與此同時(shí)發(fā)生的土壤侵蝕和河流搬運(yùn)作用，卻似乎在與生物的降解作用進(jìn)行賽跑，因?yàn)橥寥赖那治g作用和河流搬運(yùn)要在生物發(fā)生完全降解之前，將生物有機(jī)碳搬運(yùn)到湖底的泥沙中進(jìn)行保存，以記錄氣候發(fā)生的變化。例如，氣候變化造成的颶風(fēng)和強(qiáng)降水，會(huì)導(dǎo)致洪水，能夠加快陸地有機(jī)碳進(jìn)入河流和海洋的速度，并被層積在那里。有機(jī)碳存儲(chǔ)到泥沙中的過(guò)程比較復(fù)雜，牽涉生態(tài)和物理過(guò)程較多，速度也不同，有機(jī)碳能夠在陸地的土壤、濕地和河流洪泛區(qū)任何一個(gè)地方存留，時(shí)間有可能是幾個(gè)星期，也可能是成千上萬(wàn)年。

在所有這些因素中，氣候?qū)@些變化過(guò)程的快慢起著重要作用。生物降解，不論是地面上的，還是地下的，都取決于濕度和降雨，降雨又能夠促進(jìn)地面侵蝕和河流搬運(yùn)作用，因此，氣候?qū)﹃懙刂参锎鎯?chǔ)有機(jī)碳影響明顯。

樹(shù)蠟線索

看起來(lái)似乎不可接受，生物界碳循環(huán)最好的例證卻存在于水下，因?yàn)橛袡C(jī)碳在土壤中很難被完好保存成千上萬(wàn)年，但是存積在的的喀喀湖底的分層泥沙卻能夠完好保存成千上萬(wàn)年。在這些分層的泥沙中存儲(chǔ)的有古代植物的完好標(biāo)本，標(biāo)本中含有來(lái)自陸地的有機(jī)碳。2001年，一個(gè)由“國(guó)際大陸鉆探項(xiàng)目”完成的泥沙樣本采集，在的的喀喀湖收集到的泥沙測(cè)管長(zhǎng)達(dá)100多米，這為研究該區(qū)域陸地有機(jī)碳的存儲(chǔ)變化提供了方便。

正如人們想象的那樣，泥沙樣本的分析有點(diǎn)復(fù)雜，泥沙樣本的每一段泥沙中都含有古代生物遺跡，包括水生組織、細(xì)菌、陸生植物，甚至是來(lái)自古代巖石的碳，研究人員首先要將來(lái)自陸地的有機(jī)碳與其他的碳分離開(kāi)來(lái)，科學(xué)家將注意力集中到一種被稱(chēng)為“生物標(biāo)記”的分子上，這種分子就像人類(lèi)的指紋一樣，通過(guò)對(duì)“生物標(biāo)記”的識(shí)別，科學(xué)家能夠區(qū)分哪些是來(lái)自陸地的有機(jī)碳，哪些是來(lái)自水中的，或者是來(lái)自巖石的。

研究人員關(guān)注一種長(zhǎng)鏈飽和脂肪酸，維管植物（含有纖維管的植物）會(huì)產(chǎn)生這種物質(zhì)，科學(xué)家稱(chēng)之為樹(shù)蠟，樹(shù)蠟分泌在植物的葉片上，使每種植物有特殊的氣息。每個(gè)活著的植物都能夠產(chǎn)生這種飽和植物酸，通常是由16～18個(gè)碳原子組成的鏈狀結(jié)構(gòu)，但是，陸地植物卻是唯一能夠制造出32～34個(gè)碳原子長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)的植物。陸地植物的有機(jī)碳可能呈現(xiàn)出不同的形式，長(zhǎng)鏈飽和脂肪酸能夠在新鮮的嫩葉或者土壤中古代植物遺跡中發(fā)現(xiàn)，這使得長(zhǎng)鏈飽和脂肪酸成為植物來(lái)源于陸地有機(jī)碳的良好代表。

陸地有機(jī)碳

當(dāng)研究人員將樹(shù)蠟從樣本中分離出來(lái)后，就能夠使用放射性碳元素衰變技術(shù)測(cè)定其年齡。這一技術(shù)利用了天然碳-14的衰變規(guī)律，在特殊情況下，科學(xué)家要搞清楚這些分子在沉入湖底以前暴露在陸地上的時(shí)間。為了搞清楚樹(shù)蠟存在于陸地上的時(shí)間，科學(xué)家需要將樹(shù)蠟的年齡與發(fā)現(xiàn)樹(shù)蠟的泥沙年齡進(jìn)行對(duì)比。

科學(xué)家還對(duì)氣候變化影響有機(jī)碳存儲(chǔ)于泥水中的快慢進(jìn)行判斷，這取決于有機(jī)碳通過(guò)植物進(jìn)入土壤、濕地和河流湖泊的速度，樣品可能非常古老，或者相對(duì)年輕，如果氣候變化增加或者減少存儲(chǔ)于泥沙中有機(jī)碳，就可以從較古老一些和較年輕一些的泥沙中找到答案。