过去5000 a以来抚仙湖沉积物有机质碳同位素的古环境指示意义*

刘 颖，孙惠玲**，周晓娟，段立曾，李华勇，张虎才

(1：云南师范大学旅游与地理科学学院，昆明 650500) (2：云南师范大学高原湖泊生态与全球变化重点实验室，昆明 650500)

过去5000 a以来抚仙湖沉积物有机质碳同位素的古环境指示意义*

刘 颖1,2，孙惠玲1,2**，周晓娟1,2，段立曾1,2，李华勇1,2，张虎才1,2

(1：云南师范大学旅游与地理科学学院，昆明 650500) (2：云南师范大学高原湖泊生态与全球变化重点实验室，昆明 650500)

通过测定抚仙湖沉积物全有机样品的稳定碳同位素组成(δ13Corg)、总氮、总有机碳含量指标并计算碳氮比值，对过去5000 a以来抚仙湖沉积物有机质来源、δ13Corg的影响因素及其所指示的古环境意义进行分析. 结果表明：在过去的5000 cal a BP里，抚仙湖沉积物有机质主要来源发生明显变化，沉积物有机质输入由内源水生生物和陆生C3植物共同输入(5000-2300 cal a BP阶段)转变为以内源沉水植物、浮游植物和藻类等输入为主(2000 cal a BP至今阶段)；有机质来源发生变化是造成抚仙湖沉积物δ13Corg值变化的主要原因；2000 cal a BP以来,陆源有机质输入的锐减与人类活动的影响密切相关;在2300-2000 cal a BP阶段，抚仙湖沉积物δ13Corg值的快速变化可能指示了抚仙湖流域的古环境在这一时期经历了快速变化的气候事件.

抚仙湖;稳定碳同位素;碳氮比值;有机质来源;古环境

湖泊沉积物能够完整记录地质历史时期区域气候、植被以及人类活动的演化轨迹[1]，是古环境、古气候变迁的良好载体，也是全球变化研究的重要地质档案. 由于湖泊沉积物中的有机质是外源陆生植物输入和内源水生植物输入的集合，从而能够间接指示历史时期湖泊及流域内的有机质贡献[2-7]、植被类型[7-8]和环境变迁[5,9-10]. 因此，1960s以来，湖泊沉积物全有机碳同位素(δ13Corg) 逐渐成为古环境变化研究中的一个重要指标[2-4,11]. 近些年来，诸多学者利用δ13Corg指标并结合氮、氢、锶、铅等同位素[12-14]、岩性特征[5-6,9,13]、孢粉含量[7,15-16]以及a纤维素碳同位素组成[15]等代用指标对我国末次冰期以来北方地区和南方地区的古环境变化进行了重建. 结果表明，δ13Corg指标除了受湖水化学性质(pH值、水的硬度等)[4,17]、湖泊有机生产力[5,18-19]、大气中CO2浓度[6,20]、流域水文特征[21]、沉积环境[21]以及沉积物的后期降解[22]等因素影响外, 主要受到有机质来源[10-11,23-24]及气候因素(主要是温度和降水)变化[25-27]的影响. 在用湖泊沉积物有机碳同位素解释某一地区古环境指示意义的时候，由于不同区域、不同湖泊系统对不同影响因子的响应差异，使得我们在利用湖泊沉积物δ13Corg指标解译古环境变迁时存在多解性[6]. 例如，Stuiver[4]对位于全球不同纬度的12个湖泊沉积物有机质13C值的变化特征进行统计后认为：湖泊有机质13C值随纬度的升高而降低. Nakai[28]对处于中低纬度的日本琵琶湖进行研究后认为有机质碳同位素变化与温度存在相关关系. 张恩楼等[29]对我国青海湖的研究也证实了这一观点. 刘强等[6-7]认为我国北方的湖泊有机质碳同位素受有效降水影响，可以反映有效湿度的变化. 吕厚远等[30]对青藏高原的C3、C4类植物的δ13C值进行研究后认为纬度和海拔对湖泊沉积物中的δ13C值有影响. 因此，在利用湖泊沉积物δ13Corg指标对某一区域的古环境气候意义进行解释时要结合其他指标共同解译.

位于我国西南地区的抚仙湖是典型的断陷型高原深水寡营养湖泊，广布的喀斯特地质环境使得流域范围内的生态环境极其脆弱，并且抚仙湖水位自2009年以来持续下降，加之周边大规模的商业开发，使得湖泊长期建立起来的环境平衡遭到急剧破坏. 科学地规划利用湖泊资源已成为迫在眉睫的一项任务，这就需要我们了解抚仙湖地质历史时期的生态环境变化过程. 目前抚仙湖已开展的研究工作主要集中于近现代或百年时间尺度[31-35]，缺乏长尺度的、高分辨率的研究工作. 本文试图在准确定年的基础之上，利用抚仙湖沉积物δ13Corg指标和有机质含量等指标对抚仙湖流域中晚全新世以来的古环境变化进行研究，为深入理解高原湖泊演变过程及基于全球变暖背景下湖泊演化趋势提供理论依据.

图1 抚仙湖地理位置和等深线图Fig.1 Location and bathymetry of Lake Fuxian

1 研究区域概况

抚仙湖(24°21′28″～24°38′00″N，102°49′12″～102°57′26″E)地处云贵高原东部，属珠江流域南盘江水系，是我国地壳断陷形成的第二深水湖泊. 湖面海拔1721 m，跨玉溪市的澄江、江川和华宁三县，南隔野牛大山与江川的星云湖相连，两湖相距2.1 km[36]. 湖泊面积211 km2，最大水深155 m，平均水深89.6 m，是典型的深水、断陷、高原湖泊. 抚仙湖流域属中亚热带低纬高原季风气候，受西南季风的影响显著，年平均气温约15.6℃，年降雨量800～1100 mm，雨季旱季分明[36]. 湖泊水源主要靠降雨和四周山间小溪汇集补给，一年最高水位多出现在9-12月，最低水位出现在5、6月份[37]. 由于抚仙湖是在岩石峡谷中发育而成的南北向断陷溶蚀湖泊，大部分的湖岸为陡峭的岩石，形如倒置葫芦状，两端大、中间小，北部宽而深，南部窄而浅，中呈喉扼形. 流域植被主要分为两大类：自然植被和人工植被. 其中自然植被又包括了半湿润常绿阔叶林、半湿润常绿阔叶灌丛、云南松林、华山松林、灌草丛；人工植被包括了水田栽培植被、旱地栽培植被、经济林等[38]. 抚仙湖的水生植物以沉水植物为主，水面基本无自然生长的大型挺水植物分布[39].

2 材料与方法

2.1 样品采集与处理

2013年8月，使用本实验室UWITEC 平台钻(奥地利)和可定位漂浮平台在抚仙湖深水区(西南侧水深约为85 m处，图1)进行湖泊岩芯钻取，获得短钻孔(FXH-6)，岩芯经校正后总长度为245 cm. 切割样品管之后对样品进行1 cm间隔分样，其中测定沉积物全有机样品的稳定碳同位素组成(δ13Corg)、总氮(TN)含量、总有机碳(TOC)含量指标的样品是2 cm间隔取样. FXH-6孔的年代测定通过AMS14C测年获得. 7个测年样品分别为3、56、99、149、203和244 cm处的6个全有机沉积物样品和1个现代沉水植物样品，由美国BETA实验室测定，14C结果采用Talma等[40]的计算方法，利用INTCAL 13曲线[41]进行日历年校正获得.

2.2 研究方法

所有样品均进行预处理：样品冷冻干燥后用玛瑙研钵研磨粉碎，然后用过量低浓度稀盐酸(10%)浸泡去除碳酸盐，再用去离子纯水洗至中性并低温烘干、研磨，最后过0.125 mm(120目)筛并装入锡箔纸袋备用. TOC、TN含量采用兰州大学化学化工学院EA1110元素分析仪测定. δ13Corg采用兰州大学西部环境教育部重点实验室的Flash EA 1112型元素分析仪(Thermo Electron，USA)与Delta Plus气体质谱仪(Thermo Finnigan，German) 联用测定，δ13Corg值的计算公式为[42]：

δ13C(‰)=[(13C/12C)sample/(13C/12C)standard-1]×1000‰(PDB)

(1)

3 结果分析

3.1 年代标尺的建立

抚仙湖测年样品中的6个湖泊沉积物全有机样品和1个现代沉水植物样品的测年结果如表1所示，基于课题组尚未发表的210Pb测年结果已知FXH-6岩芯钻孔3 cm处约为1950年，我们将3 cm处沉积物样品和湖泊内沉水植物样品进行AMS14C测年，其14C年龄分别为160和106.7 a BP，结果表明抚仙湖碳库效应几乎可以不计. 通过线性内插和外延的计算方法，抚仙湖FXH-6岩芯钻孔的年龄-深度关系如图2所示，平均沉积速率约为0.48 mm/a，岩芯最底部245 cm处的校正年龄约为5011±30 cal a BP.

表1 抚仙湖FXH-6岩芯AMS放射性碳年代测定

图2 抚仙湖FXH-6岩芯钻孔的年龄-深度关系Fig.2 The age-depth curve of core FXH-6 in Lake Fuxian

3.2 沉积物代用指标重建结果

抚仙湖岩芯钻孔样品TOC含量、δ13Corg值、C/N比值以及TN含量指标均表现出自5000 cal a BP以来逐渐减少的趋势(图3). 其中TOC含量在0.7%～6.0%之间变化(图3a)，平均值为2.8%；δ13Corg的变化范围为-28.3‰～-24.4‰(图3b)，平均值为-26.5‰；C/N比值的变化范围为8.2～15.3(图3c)，平均值为12.3；TN含量处于0.06%～0.44%之间(图3d)，平均值为0.21%. 由图3看出，抚仙湖沉积物上下两段样品各指标的数值相对比较稳定；而在中间300 a里变化大. 根据沉积物的变化可将沉积序列分为5000-2300 cal a BP、2300-2000 cal a BP和2000 cal a BP至今3个阶段. 每部分TOC含量、δ13Corg、C/N比值和TN含量的特征分别如下：

在5000-2300 cal a BP阶段，岩芯TOC含量变化范围为3.5%～6.0%，平均值为4.8%(图3a)，波动相对较大，但稳定在较高值；δ13Corg的变化范围为-28.3‰～-27.0‰，平均值为-27.7‰，其值处于相对稳定的状态(图3b)；C/N比值的范围在13.0～15.3之间，平均值为14.0(图3c)；TN值不稳定，但其值总体偏正，处于0.23%～0.44%之间，平均值为0.34%(图3d).

在2300-2000 cal a BP阶段的300 a时间里，各项指标在相对较短的时期内快速变化，总体上呈下降趋势. TOC含量自4.5%降低为1.0%，下降了3.5%(图3a)；δ13Corg由-27.3‰变化至-25.1‰，下降了2.2‰(图3b)；C/N由14.6急剧降低为9.0，变化了5.6(图3c)；TN含量由0.31%降低为0.09%，下降0.22%(图3d).

2000 cal a BP至今，TOC含量偏负，没有明显波动，其值处于0.7%～1.5%范围之内，平均值为1.0%(图3a)；δ13Corg在-26.8‰～-24.4‰之间波动，平均值为-25.4‰(图3b)；相对于5000-2300 cal a BP，该阶段C/N 比值较低，变化范围为8.2～12.7，平均值为10.3(图3c)；TN含量与TOC含量的波动相似，变化范围为0.06%～0.15%，平均值约为0.10%(图3d).

图3 抚仙湖沉积物中TOC含量(a)、δ13Corg(b)、C/N比值(c)和TN含量(d)的变化特征(阴影部分为2300-2000 cal a BP阶段)Fig.3 Characteristics of the sediment parameters in the Lake Fuxian: TOC content(a)， δ13Corg content(b)，C/N ratios (c) and TN content(d) (the shadow section represents 2300-2000 cal a BP)

4 讨论

4.1 抚仙湖沉积物有机质来源

沉积物中TOC含量是描述沉积物中有机质输入多少的基本参数[23]，而湖泊沉积物有机质的输入可分为外源陆生植物输入和内源水生生物输入[10]. 余俊清等[24]的研究表明，C/N比值可用于判断湖泊沉积物有机质是源于湖泊自生还是湖泊以外；通常湖泊自生植物的C/N比值仅为5～12，陆生植物的C/N比值约为20～30，甚至高达50. 抚仙湖沉积物的TOC含量(图3a)和C/N比值(图3c)在5000-2300 cal a BP阶段明显比2000 cal a BP至今阶段的值高，二者的变化趋势呈现自5000 cal a BP以来逐渐减少的趋势，尤其是在2300-2000 cal a BP阶段，TOC含量(图3a)和C/N比值(图3c)分别减少了3.5%和5.6. 这可能与陆生植被覆盖度降低、陆源有机质输入量减少有关，进而导致TOC含量减少了一半以上. 在5000-2300 cal a BP阶段，C/N比值几乎都大于12，说明湖泊沉积物有机质来源为内源水生植物和外源陆生植物混合输入模式；而在2000 cal a BP至今这一阶段，C/N平均值约为10，说明湖泊沉积物有机质来源以内源水生植物输入为主；表明2300-2000 cal a BP阶段的300 a里，湖泊沉积物有机质来源从内源水生植物和陆源的混合输入模式迅速转变成为内源水生植物输入占优势的模式，有机质的主要来源发生了巨大变化.

4.2 抚仙湖沉积物δ13Corg指标的影响因素

4.3 抚仙湖沉积物δ13Corg值指示的古环境意义

地处低纬亚热带地区的抚仙湖，其沉积物δ13Corg值(-28.3‰～-24.4‰)自5000 cal a BP以来呈现阶段性变正的趋势，δ13Corg平均值由5000-2300 cal a BP阶段的相对偏负(-27.7‰)转变为2000-0 cal a BP阶段的相对偏正(-25.4‰)，TOC含量和C/N比值结果也呈现快速减少的变化趋势. 在2300-2000 cal a BP阶段的300 a里抚仙湖沉积物各指标都发生了急剧变化. 沉积物有机质来源从内源水生植物和陆源C3植物混合输入模式向内源水生植物输入为主过渡，也间接说明在过去5000 cal a BP里抚仙湖流域内的陆生植被覆盖度明显降低. 通常，在中晚全新世阶段，不适宜陆生植物生长的干旱少雨气候和人类活动扰动是影响陆生植被覆盖度减少的两个主要因素. 那么，是什么原因造成了抚仙湖流域有机质输入的快速变化呢？目前西南地区已经有大量的中晚全新世以来的湖泊沉积孢粉重建记录，诸如星云湖[45]、云南青海火山湖[46]、天才湖[47]、泸沽湖[48]、哈里谷[49]和洱海[50]. 虽然年代误差的问题无法避免，但是上述湖泊的孢粉重建结果均指示各流域内晚全新世(时间节点分布在3500-2000 cal a BP之间)孢粉组合发生明显变化，针叶树、常绿和阔叶树孢粉含量迅速减少，而与人类活动相关的禾本科植物孢粉含量迅速增加. 说明晚全新世以来人类活动显著影响着流域内的地表植被. 抚仙湖与星云湖相邻，势必也会受到人类活动影响. 而且，位于抚仙湖西南岸的李家山遗址[51]，发掘出大量西汉至东汉时期的青铜器，也证明抚仙湖流域在约2000 a BP时期就已经受到了滇文化的影响，即，2000-0 cal a BP阶段，抚仙湖流域的陆源有机质来源锐减与人类活动密切相关. 而在2300-2000 cal a BP阶段δ13Corg和TOC含量指标的快速变化尚且难以判定是人类活动还是气候变化所致. 不过，课题组的另一温度重建结果(尚未发表)表明该阶段存在快速降温事件. 洱海沉积记录[52]也显示2200 a BP是气候变化的一个转折点. 因此，我们初步推断气候快速变化是造成2300-2000 cal a BP阶段抚仙湖沉积物陆源有机质来源锐减的主要原因.

5 结论

1)在过去的5000 cal a BP里，抚仙湖沉积物有机质主要来源发生明显变化. 在5000-2300 cal a BP阶段，抚仙湖沉积物中有机质由内源水生生物和陆生C3植物共同输入，二者所占比例相差不大；在2300-2000 cal a BP的300 a间抚仙湖沉积物有机质来源正发生快速变化，陆源输入量明显减少，致使在2000 cal a BP至今抚仙湖沉积物中有机质以内源输入的沉水植物、浮游植物和藻类为主.

2)有机质来源发生变化是造成抚仙湖沉积物δ13Corg值变化的主要因素，而大气CO2和温度对研究区湖泊沉积物的影响相对较小. 因此沉积物δ13Corg值的波动变化对抚仙湖沉积物有机质来源具指示意义.

3)5000 cal a BP以来，抚仙湖流域陆生植被覆盖度在2300 cal a BP 后逐渐减少. 其中，2300-2000 cal a BP阶段陆源有机质输入的锐减可能是因为经历了快速气候变化事件；而2000 cal a BP以来，陆生植被覆盖度的减少与人类活动的影响密切相关.

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Paleoenvironmental significance of organic carbon isotope in lacustrine sediments in Lake Fuxian during the past 5 ka

LIU Ying1,2, SUN Huiling1,2**, ZHOU Xiaojuan1,2, DUAN Lizeng1,2, LI Huayong1,2& ZHANG Hucai1,2

(1：CollegeofTourismandGeographyScience,YunnanNormalUniversity,Kunming650500,P.R.China) (2：KeyLaboratoryofPlateauLakeEcology&GlobalChange,YunnanNormalUniversity,Kunming650500,P.R.China)

We measured several indexes including the stable organic carbon isotope (δ13Corg), the total nitrogen content, the total organic carbon content and the ratio of carbon and nitrogen content of bulk sediments in Lake Fuxian to exploring the sources of organic matters in sediments and the paleoenvironmental significance of δ13Corgduring the last 5 ka. The results showed the organic matter inputs from both the terrestrial C3plants and the aquatic organisms as the main source to the lake sediments have greatly changed during the period of 5000-2300 cal a BP, and changed to the only aquatic input (submerged plants, phytoplankton and algae) since 2000 cal a BP. δ13Corgvalues of bulk sediments in Lake Fuxian were mainly affected by different organic matter inputs. Rapid changes of the δ13Corgvalues during the stage of 2300-2000 cal a BP may indicate that the paleoenvironment of Lake Fuxian basin has experienced a rapid climate event.

Lake Fuxian; stable carbon isotope; carbon and nitrogen ratio; organic matter source; palaeoenvironment

; E-mail: huilingsun07@hotmail.com.

*国家自然科学基金项目(41201203)、云南省高端人才引进项目(2010CI111)和湖泊沉积与环境变化云南省创新团队项目(2010CI)联合资助. 2016-08-09收稿; 2016-09-02收修改稿. 刘颖(1992～)，女，硕士研究生; E-mail: liuying18mail@163.com.