李 清 康世昌 张强弓 黄 杰 郭军明 王 康 王建力
(1.西南大学地理科学学院 重庆 400715;2.中国科学院青藏高原环境变化与地表过程重点实验室 北京 100085)
湖泊是连接大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的纽带,湖泊沉积物对环境的记录具有连续性、全面性和高分辨率的特点,是研究过去环境变化的重要手段之一[1]。青藏高原湖泊众多,是地球上海拔最高、数量最多、面积最大的高原湖泊群[2],而高原封闭半封闭湖泊是气候和环境演化的敏感指示器,在恢复和重塑各种时间尺度(千年、百年、十年)的气候和环境演化序列上,具有其他自然历史记录无法替代的优势。近年来,利用青藏高原湖泊沉积记录研究古气候环境的演变正在迅速发展,研究范围涉及高原的大部分地区,主要包括青海湖[3~7],高原东部若尔盖盆地[8-10],西昆仑山—喀喇昆仑山地区[11~15],羌塘高原[16~18]及藏南地区[19~25]等。但由于高原面积广大且气候影响因素复杂,使得高原面上不同区域之间的气候变化特征不尽相同。而高原南部地区主要受西南季风的影响与其他地区的气候特点差异较大,并且高原南部由于海拔较高,气候环境恶劣,采样困难等因素的制约,其研究的深度和广度远不如高原其他地区,因此对高原南部地区湖泊沉积记录的古气候变化研究具有重要意义。
从现有的研究看来,受制于沉积物采样精度与定年数据的分辨率和可靠性,过去青藏高原湖泊沉积记录的研究主要以中长时间尺度的研究为主,注重重大气候变化事件和阶段的气候环境特征的重建和分析[26],而短时间尺度高分辨的研究相对不足。近年来随着210Pb,137Cs测年技术在湖泊沉积记录中的应用和发展[27~30],高分辨率的湖泊沉积(特别是近几百年来)研究也开始得以突破[31~34]。为此,本研究根据青藏高原中南部纳木错湖泊沉积记录,通过沉积物精确定年和环境代用指标的分析,重建研究区过去几百年来气候环境变化,弥补了高原南部地区短时间尺度气候变化序列的缺乏,对拓展青藏高原地区过去气候环境变化研究具有重要的科学价值。
纳木错湖(30°30' ~ 30°56'N,90°16' ~ 91°03'E)位于青藏高原中南部,属于藏北南羌塘高原湖盆区,目前为封闭湖盆[2,20]。纳木错是喜马拉雅构造运动拗陷而成,湖面海拔4 718 m,东西长78.16 km,南北宽24.19 km,面积为1 961.15 km2,已测到的最大水深为 95 m[35](图 1)。整个流域面积 10 600 km2,补给系数5.53[36],湖水主要依赖地表径流和湖面降水补给,总计有超过60条河流汇入湖泊[37],这些河流大部分位于湖泊的西部和南部,而主要入湖河流为波曲、昂曲、测曲等。其南部是念青唐古拉山脉,平均海拔约5 500 m,众多现代冰川发育且普遍面积较小,冰川融水流经短距离的山前地带呈辫梳状直接注入湖泊[38]。北侧和西北侧为高原内部起伏平缓的低山丘陵区,平均海拔约为5 000 m[21]。出露的基岩主要是前中生界变质岩、石灰岩、花岗岩和中新生界火山岩等[39]。湖区属半湿润向半干旱过渡型气候,区域植被类型属于高寒草原和荒漠草原[40]。湖水微咸偏碱,矿化度为 1.6~1.8 g/L,pH 值为 9.4~9.5,属重碳酸钠型水[2,41]。
图1 纳木错湖等深线图及湖芯NMC09位置示意图(据王君波,2009)Fig.1 The isobath of Nam Co Lake and location of NMC09 Core
本研究于2009年5月利用活塞采样器在纳木错湖获取一支长度约为20 cm的浅湖芯NMC09孔样品。湖芯采样点位于纳木错湖中部靠东北岸(图1),水深约60 m,湖盆底部坡度较缓。以黄色的粉砂和黏土为主。现场以0.5 cm间隔进行分样,共获得样品40个,保存于塑封袋内运回实验室冷藏。
为了高精度地从湖泊沉积物中提取环境信息,首先需要精确地测定沉积物的时序特征,从而建立湖泊沉积物所记录的过去环境信息的年谱关系。本孔采用210Pb方法测定其沉积速率,湖泊沉积物年代测定在中国科学院青藏高原研究所环境变化与地表过程重点实验室完成,所用分析仪器为美国EG&G Ortec公司生产的高纯锗伽马谱仪(HPGe,ORTEC-GWL),每个样品测量时间为40 000 s,测量之前将样品置于封闭容器中进行两周以上的放射性平衡。
粒度分析用英国Malvern公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度仪完成,测量之前对样品进行去除有机质及碳酸盐胶结的处理,仪器重复测量误差小于3%;总有机碳(TOC)和无机碳(IC)分析利用日本岛津公司 Shimadzu TOC-VCPH测量,分析误差小于3%;微量元素含量利用美国Thermo-Elemental公司的X-7型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定,仪器的相对标准偏差(RSD)/小于3%,实际分析误差(含前处理环节)一般小于5%,以上测试在中国科学院青藏高原研究环境变化与地表过程重点实验室完成。
本文对岩芯NMC09孔进行210Pb精确测年,其结果显示过剩210Pb比活度(210Pbex)随深度的变化呈现出明显的指数衰减趋势,至15 cm深度以下,210Pb总强度和226Ra强度平衡,过剩210Pb趋于零,不再具有定年意义。而利用210Pbex强度衰变规律计算沉积物年龄一般有 2 种模型[42,43],CRS(Constant Rate of210Pb Supply,恒定补给速率)和CIC(Constant Initial Concentration,恒定初始浓度)两种模式,其中CRS模型由于考虑了沉积物的压实作用而受到广泛使用。因此,本文利用CRS模型计算NMC09孔湖芯上部15 cm左右的沉积时段约为1850~2005年,共计155年,平均沉积速率约为0.12 cm/a。
图2 纳木错NMC09湖芯210Pbex(a)和年代(b)—深度图Fig.2 Variations of210Pbex and sedimentation rate in NMC09 Core of Nam Co Lake
3.2.1 结果分析
纳木错NMC09孔的总有机碳含量(TOC,%)总体偏低(≤3%),以距顶部10 cm左右为临界点,在此之下的TOC呈缓慢下降趋势,而上半部则表现出明显的抬升趋势(图3)。粒度主要由粉砂(4~64μm)组成,细颗粒(4~16 μm)约占50%以上,在整个细颗粒剖面中颗粒含量在11 cm左右有一定波动,而以上则变化较为平稳,且细粒物质(<16 μm)在11 cm处出现陡增现象,至13.5 cm左右黏粒含量为剖面峰值(图3)。相应地,粗颗粒含量在剖面中部(7.75 cm)含量偏低,平均粒径(MZ)偏细。而7.75 cm以上平均粒径开始变粗,对应粗颗粒(16~64 μm)物质含量的增加,其中在4.25 cm层位出现小峰值点,随后则略有降低。大于64 μm的粗颗粒在整个剖面中含量变化没有明显的升高或降低趋势,在10 cm以下波动较大,而以上则较为平缓。
图3 纳木错NMC09孔沉积物TOC(%)和粒度特征Fig.3 The grain size and TOC(%)of NMC09 Core in Nam Co Lake
3.2.2 环境指示意义
总有机碳含量(TOC)反映了湖泊沉积物中有机碳的含量,代表湖泊生产力的大小和流域内植被的发育状况,尽管受到内源、外源和沉积后分解等因素的影响,依然是恢复湖泊古气候波动的重要指标之一[44]。作为处于寒冷气候区的湖泊来说,气温应是影响生物生长的主导因素,有机碳的含量一定程度上可以反映气温的变化,即沉积物中总有机碳高值对应暖期,低值对应冷期[44]。对于湖泊沉积物而言,粒度的环境指示意义较为复杂,在不同的时间尺度内、不同的湖区环境、不同的湖泊补给条件以及不同的气候条件下沉积物粒度受制于不同的影响因素。对于一个钻孔点来讲,湖泊沉积物粒度大小与流域物质来源和河流搬运能力有关,并间接地指示流域径流补给情况[45]。NMC09孔位置距湖东北岸较近,但水深较大(60 m),湖底坡降较大,入湖碎屑物质经短途搬运即可到达钻孔点,其沉积物粒度的变化可以反映入湖河流水动力条件和水量变化,因此粒度的变化间接反映湖泊补给状况(如降水量、冰雪融水等),即粒度的增大反映降水量的增加或气温升高而造成的冰融水的增加。
图4 纳木错NMC09孔TOC和平均粒度特征与班戈气象站气温及降水变化对比(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)
为了进一步明确TOC和粒度在该区域的气候和环境意义,本文选择与邻近的气象站资料建立对应关系进行验证。纳木错湖处于青藏高原中南部,最为邻近的气象站点为班戈和当雄气象站,其中班戈县与纳木错同处羌塘高原地区,气候特征较为接近,因此本研究选取班戈气象站观测资料来进行对比。气温和降水是最主要的气候要素,因此将沉积环境序列TOC值与班戈气象站近50年的年均温资料进行对比发现,代表冷暖变化的TOC指标与气温变化的相关性较好,两者整体上都呈现出一致的递增趋势,而且年均温值分别在1963,1983年和1997年出现三次明显的骤降(图4),TOC值也相应减小,与气温变化呈现较好的正相关关系(R2=0.70,图5)。同时也体现出1910~1960年的50年间气温升高的特点,与中国物候现象也是一致的[46]。平均粒度是沉积物粒度分布中最主要的参数之一,而代表径流量大小的粒度指标与降水量的有一定相关性,表明采样点处沉积水动力条件很大程度上是受大气降水补给的影响,它们均反映出了20世纪50年代末期至70年代初期的湿润程度不断增强以及90年代中后期以来的干旱状况(图4),气候变化的这种记录在中国东部地区的文献与器测资料记载中也有反映。通过相关性分析也发现(图5),平均粒径与班戈气象站年均降水量同样呈现出正相关关系(R2=0.62)。因此,上述选取的气候代用指标在本地区气候环境恢复研究中具有明确的指示意义。
图5 纳木错NMC09孔TOC与年均温的相关关系(左)和平均粒径与年降水量的相关关系(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)
湖泊沉积物中元素含量的变化受很多环境因素的影响,对环境变化的响应较为复杂,部分元素比值常被作为环境变化的代用指标。Sr/Ba的变化是基于它们的溶解能力与水体体积的关系,干旱地区的水体中,Sr在水中较强的溶解力决定其有较大的浓度变幅,而Ba2+的浓度却较强地依赖于环境状况的改变,水体体积减小常常引起浓度升高,导致Ba2+与结合形成BaSO4絮凝沉淀的机率增大,水中游离的Ba2+成分降低,结果造成沉积物中的Sr/Ba升高[11]。因此Sr/Ba的高值代表湖泊收缩,水体体积减小;反之当水体体积扩大时,Sr/Ba值降低。
根据纳木错湖沉积湖芯的沉积年代序列,综合分析TOC、粒度及地球化学元素比值等多项环境代用指标,将该湖区近150年来的气候变化过程大致分为以下几个阶段(图6):
图6 纳木错NMC09孔多种代用指标的对比分析Fig.6 Comparison of multi proxies in NMC09 Core
(1)A.D.1850~1900:该时段内TOC含量相对偏高,平均含量在2.26%左右,且呈现明显的持续降低趋势,在1900年左右达到本时段的最低值2.08%,表明该阶段总体气温偏暖但开始出现温度降低趋势。而中值粒径的变化与TOC略有不同,1850~1900年间出现粒径增大趋势,并在1870年左右达到最大值,代表该时期内降水量有所增加或是气候温暖使得冰川融水增多,随后呈现的持续降低与TOC变化相似,表明气温和降水量都同步下降,植被发育较差,气候持续进入较为干冷的时期。而该时段内的Sr/Ba比值变化平稳,没有明显指示气候干湿变化的迹象,指示湖泊水体体积并没发生太大改变,说明气候变化的幅度对地球化学元素比值的影响不大。而该阶段沉积速率总体上比较缓慢,可能是由于下部沉积物固结压实作用而造成的,而其表现出的略有增长趋势可能反映了地表径流增大导致携带的物质也随之增多。虽然该阶段内地球化学元素变化趋势与TOC、粒度变化有所不同,该时期气候总的来说以偏暖湿为主,并表现出向冷干气候转化的特征。
(2)A.D.1900~1950:TOC含量偏低但后期开始出现迅速上升的趋势,平均值为2.23%,而中值粒径值同样处于整个阶段的谷底,均值为11.50 μm左右,与TOC变化比较类似,暗示该时段内水热同步的气候特征,只是TOC含量的最低值出现于1920年左右,而粒度的低值稍有滞后,出现在1940年左右。该阶段气温和降水虽然整体上较低,但已开始表现出气候回暖趋势。Sr/Ba值变化在1920年之前保持稳定,而之后略有偏高,暗示水体体积稍有萎缩,与该阶段内粒度低值所指示的环境意义基本吻合。而沉积速率的略微偏高则表明沉积物质增多可能是由于气候回暖引起冰川融化而带来了大量细颗粒物质在此沉积。综合来讲,该时期内气候总体处于一个较为干冷的时期,但气温开始反弹,降水变化略有滞后,1920~1940年左右为气候变化的转折点,意味着小冰期的结束,气候由干冷向暖湿开始转变。
(3)A.D.1950~2005:TOC含量和中值粒径值在该时期内存在一定的波动,TOC值表现为震荡上升趋势,TOC含量均值在2.69%左右,处于整个时段的最高值时期,表明气温急剧增加的过程与全球变暖的大背景一致。而中值粒径也迅速增加至1980年左右的持续震荡,然后略有偏低趋势,其均值为11.97 μm左右,指示该地区80年代之前降水充沛,而后期粒度指标指示的水动力变化显示地表流水略有减弱,但相对(2)阶段而言,降水量仍有所增加。因此该时段内气候已进入一个相对暖湿的时期,但气温的增加趋势比降水更为强烈。Sr/Ba值与中值粒径呈反向变化,先降低随后趋于平缓,表明湖区水体体积先增加并一直保持较高水位,与近30年来遥感及水文资料所反映的纳木错湖泊水量增加情况基本一致[26]。沉积速率在该时段内最大,表现出冰消期开始地表流水开始活跃的特征,入湖径流携带大量的物质沉积,约在80年代左右达到峰值,随后有一定程度的降低,波动较为剧烈。据班戈气象站近50年来的资料显示,气温变化呈波动上升趋势,而降水变化较为复杂,在1980~1995年之间降水量有所下降,但湖面并没有出现萎缩状态,极有可能是气温升高导致冰川消融加快并对入湖径流进行补给,目前已有大量实测资料显示全球变暖背景下冰川融水增加是引起近年来纳木错湖面迅速扩张的主要原因[26]。因此以上各环境指标的组合都反映了该时期气候处于气温上升,但降水量保持基本稳定的暖湿阶段,与现代器测资料记录的信息基本相符。
本文利用高原中南部纳木错湖所获取的浅湖芯样品NMC09孔,在210Pb精确定年和多种指标综合分析的基础上,结合邻近台站的气象资料,明确湖芯中各种代用指标在当地的气候指示意义,进而重建过去短时间尺度青藏高原中南部高分辨率气候和环境变化历史。纳木错湖泊沉积物中TOC、粒度和地球化学元素比值所获得的信息综合反映了湖区近150年来气候干湿冷暖交替和湖面升降的特点,尤其是1920年以来,TOC值一直递增至最大值,尽管其间也有冷波动,总体上表现出小冰期结束后气候一直趋于相对变暖的趋势。湖面高度在1950年之前保持相对稳定状态,而随后Sr/Ba比值开始降低,表明有水流不断注入湖区使得湖面不断上升,形成近150年来的最高湖面,而在此期间湖区内降水并没有增多反而略有降低,暗示气温上升可能导致冰川消融加快使得湖水加深,与现代器测资料记录的信息基本吻合。
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