可可西里古湖泊沉积物有机碳δ13C变化特征及其影响因素

田庆春杨太保石培宏

（1.山西师范大学地理科学学院 山西临汾 041000；2.兰州大学资源环境学院冰川与生态地理研究所 兰州 730000；3.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 兰州 730000）



可可西里古湖泊沉积物有机碳δ13C变化特征及其影响因素

田庆春1杨太保2石培宏3

（1.山西师范大学地理科学学院 山西临汾 041000；2.兰州大学资源环境学院冰川与生态地理研究所 兰州 730000；3.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 兰州 730000）

摘 要文章选择青藏高原腹地可可西里边缘地区古湖泊为研究对象，通过对湖泊沉积物有机碳、氮和粒度等分析，对中更新世以来BDQ06孔湖泊沉积物有机碳同位素的波动特征及其影响因素进行了分析。结果表明：湖泊沉积物有机质以湖泊自生植物为主，有机碳同位素的大小主要指示挺水植物与沉水植物的比例，进而指示湖泊水体大小的变化。沉积物C/N值较低时；碳同位素偏重阶段，湖泊沉积物以沉水植物为主，植物主要利用水中溶解的CO2进行光合作用，因此有机碳同位素偏正，指示湖泊水体较大，环境条件较好；碳同位素偏负阶段，湖泊沉积物以挺水植物和浮游生物为主，植物主要利用大气中CO2作为碳源，类似于C3植物，碳同位素偏轻，指示湖泊水体较小，气候偏干。其中在岩芯的部分层位有机碳δ13C曲线出现几个明显偏低的位置，对应的C/N＞10，说明此时段有大量陆源高等植物进入湖泊，并不是由挺水植物和浮游植物所造成的。

关键词可可西里地区 湖泊沉积 有机碳δ13C 影响因素

湖泊沉积物有机碳同位素在60年代就开始用于解释古气候古环境［1-2］。但是关于有机碳同位素与古气候古环境之间的关系尚未形成统一的认识，更多的研究主要集中在温度与有机碳δ13C之间的关系，但不同地区的湖泊沉积物有机碳δ13C与温度之间却存在正反两种不同的相关性［3-4］。然而影响湖泊沉积物有机碳δ13C值变化的因素除温度外，还受到有机质来源、大气CO2浓度、湖水化学性质、光照条件等因素的影响［3］，甚至沉积条件也会影响到有机碳δ13C的值［5-6］。从而造成有机碳δ13C在解释陆地湖相沉积记录的古环境演化上表现出多解性、复杂性及混乱性［7-8］。国内外学者已提出了多种模式解释有机碳δ13C与古气候的关系［3］。因此，对于一个特定地区的湖泊来说，不能简单套用其它地区的模式来解释有机碳δ13C与气候之间的关系。

青藏高原的形成和隆升对全球气候和环境变化产生了重要的影响和作用，一直以来都是国内外地理学研究的热点之一［9-10］，普遍认为青藏高原是气候变化的敏感区。胡东生等［11］认为对青藏高原腹地资料的研究有助于对进一步探索青藏高原的科学奥秘提供新的信息。本文将可可西里地区作为研究区，对该区古湖泊钻孔（BDQ06孔）沉积物有机碳δ13C进行分析，同时结合沉积物其它环境代用指标：粒度、总有机碳（TOC）及碳氮比（C/N）等进行综合分析，从而探讨湖相沉积物有机碳δ13C的气候意义，同时对影响该区湖相沉积有机碳δ13C变化的因素进行分析。这对于利用高原湖泊沉积物有机碳δ13C恢复古气候演变有重要意义。

1 研究区概况

可可西里地处青藏高原腹地，其范围主要包括昆仑山以南，乌兰乌拉山以北，向东达青藏公路，西抵省界，中部为山地与宽谷盆地相间分布。研究区主要分布第四纪晚更新世冲积、洪积和冰水堆积砂砾石层，零星分布一些大湖退缩后残留的小湖［12］。该地区面积约达8.2×105km，海拔高度约在4 800～5 000 m。大气含氧量仅为海平面含氧量的60％左右，约170 g/ m3，年均气温变化在0.0°C～2.0°C，年降水量变化在100～150 mm。现代植被以典型的高寒草原为主。

我们于2006年8月在可可西里东部边缘的古湖泊（35°13′05″N，93°55′52.2″E）获得了一段长106m的高取芯率（90％以上）沉积岩芯BDQ06。钻孔位置距离青藏公路大约30 km（图1）。在野外将取出岩芯用塑料布密封，运回实验室后对岩芯按2 cm间距分样，以备后续实验分析。岩芯深度均为校正到钻孔的地层深度，0～5 m为湖泊切穿后沉积的砂砾石层，5～106 m岩性主要为浅绿色湖相沉积，其中夹杂部分较薄的氧化色层段。

图1　BDQ06孔位置示意图Fig.1 Location of Core BDQ06

2 实验方法

样品干燥后进行环境代用指标的测试：粒度和总有机碳的测试以10 cm为间距，有机碳同位素和C/N值按20～50 cm不等间隔取样，同时按照10～20 cm间距进行古地磁测试。

粒度分析在兰州大学西部环境教育部重点实验室利用Mastersizer2000激光粒度仪（英国Malvern Instruments公司生产）完成。首先取一定量样品进行前处理，除去样品中的有机质与碳酸盐，分别用10％ 的H2O2和10％的HCl。然后加入蒸馏水静置24小时，抽去表面清液，加分散剂，超声震荡5 min后加入仪器测试。

总有机碳（TOC）的测试在兰州大学西部环境教育部重点实验室完成，采用重铬酸钾容量法—外加热法分析［13］。

有机碳同位素测试在中科院兰州地质所完成，首先取研磨至80目的样品3～5 g置于烧杯内，加入80 mL稀HCl（浓度为15％），经过多次搅拌以除去样品中的碳酸盐，静置24小时后用蒸馏水冲洗反应完全的样品至中性，然后将样品烘干（60℃以下）、研磨过120目筛。将处理好的样品放入石英舟内，置于800℃真空系统下通氧气燃烧8～10 min进行CO2的制备，CO2气体通过酒精液氮和纯液氮冷阱进行纯化收集。最后将纯化收集好的CO2气体送入同位素质谱仪（仪器型号为MAT-252）进行碳同位素测定，结果以PDB为标准，测试误差＜0.2‰。C/N值测试在兰州大学化学化工学院完成。由德国 Elementar公司生产的Vairo EL元素分析仪测试完成，标准偏差≤0.1％绝对误差。

3 年代确定

BDQ06孔年代框架以磁性地层学为基础（图2）。通过线性内插与外推，建立BDQ06孔的年代框架（图3）。

4 分析与结果

湖泊沉积物有机质主要来自内源水生植物和湖区周围的陆生植物两个部分，其中水生植物主要有沉水植物、挺水植物和浮游藻类等［15-16］。不同来源的有机质其碳δ13C值差别较大，其值的大小与气候环境的关系密切。陆源植物的有机碳δ13C值取决于流域的植被类型。陆源植物根据其各自的生理特点分为三种类型：C3、C4及CAM植物。C3植物主要生活在温度较低、日照不强并且较为湿润的地区［17］，有机碳同位素偏轻，δ13C值为-21‰～-33‰，平均值为-27‰左右［2］；C4植物主要分布于日照充足干旱炎热的地区［16］，有机碳同位素偏重，δ13C值为-10‰～-21‰［18-19］；CAM植物主要是一些耐旱植物，像仙人掌之类的植物，这些植物的光合作用可以在极度干旱条件下进行。其有机碳δ13C值波动幅度较大，约为-10‰～-30‰［20］。

湖泊内源有机质主要为沉水植物、挺水植物和浮游植物。沉水植物光合作用所需CO2主要来自水中溶解的CO2，其碳同位素偏重，变化范围为-12‰～-20‰［21］，平均值约为-15‰。而其它两种水生植物主要利用大气CO2作为碳源，有机碳同位素偏轻，通常可比大气CO2偏轻20‰～30‰，部分可低至-35.5‰。这是以大气二氧化碳作为碳源的植物常见固碳方式［22］。根据对沉积物有机碳研究表明，水生植物C/N值较低，波动范围约5～12之间，一般小于10。而陆源植物的C/N值较高，通常能达到20～30，部分可以高达45～50；因此可以通过C/N值的大小来辅助判断湖相沉积物有机质的来源［2，23］。王建林等［24］利用青藏高原67个采样点0～40 cm表层土样，得出C/N值在高山草原土壤为22.89±11.83，而其他高山、山地的灌丛草甸、草原、半荒漠及荒漠带的平均C/N值为19.47±9.63；高原东北边高寒草甸土壤研究结果也得出C/N值整体大于10［25］，由此可以看出青藏高原地区陆源植被有机碳氮比值较高。而通过对整个岩芯分析发现C/N值整体较低，只有在几个部位大于10（图4），大部分集中在4～8之间，少数2～4，这与张成君等［6］对可可西里湖泊表层沉积物研究结果一致，属于硅藻和其他藻类。Yu和Kerry［26］通过对青海湖底部有机碳和氮研究认为有机碳和氮随深度同步变化呈明显的正相关，湖泊沉积物源于湖泊自产，而BDQ06孔有机碳、氮表现出明显的正相关（R2=0.65）。由此可以判断湖泊沉积物有机质主要来自湖泊的内源水生植物。前人研究认为地处干旱—半干旱区的湖泊，湖区陆源植被不发育，湖泊沉积物中有机质主要来自于湖泊的水生植物，陆生植物较少，有机碳δ13C值的大小能反映各种水生植物比例，进而能指示湖区气候环境的演化。当湖泊处于高水位期时，沉水植物较为发育，因此在湖泊沉积物中沉水植物所占的比例较大，使有机碳同位素值偏重；反之，在湖泊低水位期，挺水植物和浮游植物发育，在湖泊沉积物中挺水植物和浮游植物占较大比重，导致沉积物有机碳δ13C值偏轻［20，27］。因此通过有机碳同位素值的大小可以判断沉积物中不同来源有机质所占比重，进一步可以反映出湖泊水位的高低以及湖区气候的干湿情况，这种情况下可以与沉积物粒度进行相互对比验证［28］。

图2　BDQ06孔磁性地层与标准磁极性柱［14］对比Fig.2 Comparison of BDQ06 coremagnetostratigraphy with standard polarity column

图3　BDQ06孔深度与年代关系曲线Fig.3 Curve of depth and time correlation in Core BDQ06

根据BDQ06孔沉积物总有机碳、碳氮比、有机碳同位素变化及沉积物粒度的变化特征，将中更新世以来可可西里BDQ06孔沉积物有机碳同位素波动特征（图4）及影响因素讨论如下：

图4　BDQ06孔岩性特征与环境指标变化曲线Fig.4 Lithological features and curves of environmental proxies in Core BDQ06

阶段5（929～660 ka）：本阶段有机碳同位素偏重，C/N值整体小于10，说明沉水植物比较发育，同时黏土含量（＜4μm）出现几个较高的峰值，说明此时湖泊水体较大。总有机碳含量也出现两个明显的峰值，说明此时环境条件较好。研究发现高寒地区的湖泊，生物的生长主要受到温度的控制，因而在一定程度上沉积物中有机质含量的多少能指示气温的变化，总有机碳含量高对应于暖期，反之为冷期［22，29］。甘孜黄土记录显示600 ka前青藏高原相对较湿，后期变干［30］。黄土记录也显示此时环境条件较好，夏季风较为稳定，S8-S6古土壤发育程度要比S19-S14要好［31］。而此时西南非洲大陆碳同位素记录显示气候较为湿润［32-33］。

在9 470 cm、9 026 cm及8 300 cm处黏土含量（＜4μm）为峰值指示湖泊水体较大，但此时的有机碳同位素偏负值，对应总有机碳含量出现两个较大且持续时间较长的峰值，相应的C/N为高值段，指示沉积物中有陆生植物进入。调查结果表明，青藏高原的中北部地区，海拔高度超过3 500m的植被类型主要是以C3植物为主的高山草甸［34］，这些较低碳同位素的陆生植物进入可能导致沉积物有机碳δ13C出现低值。因此在这几个层位有机碳δ13C值表现出明显的低值。总的来说本阶段湖泊水体较大，气候条件较好，陆源植被发育，因此造成有机碳δ13C值并未因水位上升沉水植物增加而增大，反而出现降低的趋势。主要是由于该段沉积物中陆源高等植物输入量比较多。

阶段4（660～460 ka）：本阶段开始有机碳同位素稍偏负，并逐渐增大，C/N值低于10，只有在后期出现两个小的峰值，较低的C/N值指示湖泊沉积物有机碳主要来自湖泊的水生植物，本阶段总有机碳含量与上一阶段相比有明显的降低，持续时间也比较短，只有在后期出现小峰，黏土含量（＜4μm）与上一阶段相比要小，说明早期湖泊水体较小，后期湖泊水体呈逐渐增大的趋势。后半段有机碳同位素偏轻，C/N值出现小的峰值，说明沉积物有机质的来源有陆生植物的进入，总体来说本段气候组合表现出温湿冷干的特征，环境条件要比前一阶段稍差一些，与甘孜黄土记录相同［30］。其他记录也显示此阶段环境条件较差，黄土记录显示此时冬季风极其强盛，沙漠大规模扩张［35］。毛乌素沙漠记录也表现出同样的结果［36］。丁仲礼等［37］认为青藏高原的隆升可能是造成这次冬季风加强、沙漠扩张的主要原因。

阶段3（460～360 ka）：本阶段开始有机碳含量为低值，后段略有增大，但整体上来说为低值。C/N值整体上小于10，说明陆生植物不太发育，有机碳δ13C值表现出低值，说明湖泊沉积物以挺水植物和浮游生物为主，指示湖泊水体较小，黏土含量（＜4μm）也为低值，同样也指示湖泊水体不是太大；总体来说此阶段湖泊水体较小、气候稍干。青藏高原东南部的若尔盖盆地记录显示 480～160 ka环境转变为趋冷趋干［38］；苏北盆地兴化1孔孢粉和磁化率曲线反映此段气候偏冷［39］。本阶段气候变得趋冷趋干可能与青藏高原构造隆升的累计效应有关［40-44］。

阶段2（360～160 ka）：本阶段环境指标的波动幅度较大，总有机碳出现几个较大的峰值，但持续时间不长，而与总有机碳峰值相对应的C/N值较高，说明这些时段出现短暂的高温期，本段气候波动较为频繁；黏土含量（＜4μm）波动频繁，呈增大趋势，指示湖水波动增大。有机碳同位素呈现出偏重的趋势，其中几个明显的低值与C/N的高值相对应，说明沉积物中可能有陆源植物的进入，总体来说本阶段气候表现出暖湿冷干的特征，但波动频繁、幅度较大。可能与此时高原隆升放大效应有关［45］，青藏高原东南部的若尔盖盆地沉积物记录也显示此时环境波动较为强烈、幅度较大［38，46］。

阶段1（160～5 ka）：本阶段各环境指标的波动都较小，总有机碳出现几个小的峰值，C/N值小于10，说明该阶段湖区的陆生植物不太发育，环境较差；有机碳δ13C值的波动也较为频繁，在120～80 ka段同位素值偏负，同时黏土含量（＜4μm）为高值，说明此时湖泊水体较大，对应于MIS5的暖湿气候。在40 ka左右有机碳同位素偏负，黏土含量（＜4μm）出现一个小的峰值，说明湖泊水体出现过短暂增大，C/N值较小，有机质以挺水植物和浮游生物为主。三宝洞石笋氧同位素记录显示在MIS3阶段夏季风强度要明显增强［47-48］。施雅风等［49］研究结果显示MIS3阶段青藏高原出现特强夏季风。1万年以来总有机碳、黏土含量（＜4μm）都呈现出增大的趋势，显示温度升高及湖泊水体增大，可能与进入全新世气候暖湿程度增加有关。

5 结论

通过分析可以看出湖泊沉积物有机碳δ13C可以指示环境的变化，并能和其它环境指标相互印证，地处青藏高原腹地的可可西里地区，气候寒冷干燥，陆源植被不太发育，因此湖泊沉积物有机质主要来自湖泊自生植物，有机碳δ13C波动幅度能指示湖泊水位的大小，主要得到以下几点认识：

（1）湖泊沉积物有机C/N值整体较低，只有部分层位出现几个高值，说明湖泊沉积物有机质主要来源于湖泊自生生物。

（2）沉积物C/N值较低的时段，有机碳δ13C波动幅度较大，于-30.2‰～25.2‰之间，湖泊沉积物以湖泊自生植物为主，碳同位素偏重阶段，湖泊沉积物以沉水植物为主。植物主要利用水中溶解的CO2进行光合作用，因此有机碳同位素偏正。碳同位素偏负阶段，湖泊沉积物以挺水植物和浮游生物为主。

（3）沉积物C/N比值较高的时段，有机碳δ13C明显偏负，可能是由于该段陆源高等植物输入量较高所致。

致谢感谢青海师范大学鄂崇毅老师参与野外采样工作，感谢兰州地质研究所杨辉老师、刘艳老师在同位素测试过程中提供的帮助，感谢编辑和审稿专家提出的意见和建议！

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Variation Characteristics and Influencing Factors of Organic Carbon Isotope from Palaeolake Sediments in Hoh Xil Area

TIAN QingChun1YANG TaiBao2SHIPeiHong3
（1.College of Geographical Science，Shanxi Normal University，Linfen，Shanxi 041000，China；2.Institute of Glaciology and Ecogeography，College of Earth and Environmental Sciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China；3.Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Institute，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China）

Abstract：A multiproxy record，including grain size，organic carbon and nitrogen，and the stable isotope compositions of organic carbon（δ13C）obtained from Core BDQ06 in themarginal Hoh Xil area，Tibet Plateau，provided evidence for climate change sincemid-Pleistocene.The influencing factors and variation characteristics of organic carbon isotopewere reviewed.The organic carbon content is controlled by autophyte from lake.The variation of organic carbon isotope ismainly related to the ratio of emergent plant to submerged plant，indicating fluctuation of lake level.Variations of theδ13C can be used to estimate various sources of organicmatter in the aquatic environment.The higherδ13C values and lower C/N ratios show the dominance of the submerged plant in the lake，and may reflect higher lake level and more moderate climate.The lowerδ13C values is attributed to contributor of emergent aquatic plant and planktont，which used atmospheric CO2for photosynthesis，indicating lower lake level and drier climate.Additionally，in certain phases，lowerδ13C values corresponding to the C/N ratios ofmore than 10 may be related to the input of terrestrial higher plant.

Key words：Hoh Xil area；lake sediments；stable isotope compositions of organic carbon（δ13C）；influencing factors

第一作者简介田庆春 男 1982年出生 博士研究生 讲师 湖泊沉积与环境演变 E-mail：tianqch2006@126.com

中图分类号P932

文献标识码A

文章编号：1000-0550（2016）02-0260-08

doi：10.14027/j.cnki.cjxb.2016.02.005

收稿日期：2015-04-09；收修改稿日期：2015-05-19

基金项目：国家自然科学基金项目（40871057）［Foundation：National Natural Science Foundation of China，No.40871057］