藏东南巴松错200年沉积过程及其对硅藻记录的影响

廖梦娜,金伊丽,李晨瑜,李 凯

浙江师范大学化学与生命科学学院, 金华 321004

青藏高原独特的地形条件和气候系统决定了该地区对气候变化的敏感性和气候在空间上的差异性[1-2]。喜马拉雅山高耸的地势、藏东南沟壑纵横的地貌,以及印度夏季风带来的丰沛水汽使得青藏高原东南部在夏季获得大量降水,是该区域季风型冰川得以广泛发育的重要条件[3]。由于冰川作用的影响,在藏东南地区形成了大量的冰川湖泊,这些湖泊以大气降水和冰川融水共同补给[4]。冰川进退与气温密切相关,是气候变化的间接体现[5]。然而,冰川融水对湖泊沉积过程的影响机制十分复杂,不仅与消融量有关,还与冰川的分布位置(如冰川前缘到达湖泊的距离)、冰川作用形成的碎屑物质等有关。湖泊沉积物粒度及相关参数是研究气候和环境变化的重要指标,通过分析流域和湖泊特征可以用来反映一定历史时期的湖泊状态,进而推断当时的气候条件[6]。微体古生物学也是古气候和古环境研究的重要手段,硅藻是其中常用指标之一[7]。高山湖泊生态系统受到一系列复杂过程的影响,包括气候的直接影响以及经流域调节后的间接影响[8- 11]。尽管硅藻具有硅质壳体,能够在沉积物中较好地保存[12],但化石硅藻在沉积物中的表现却受到埋葬过程的影响。

为此,本研究提出两个科学问题：影响藏东南地区冰川湖泊沉积过程的可能机制是什么？沉积硅藻对沉积过程如何响应？围绕这两个科学问题,本研究以位于西藏林芝地区的巴松错为例,利用沉积物粒度组分、分选系数、总有机碳和总氮数据揭示过去200多年该湖泊的沉积过程。通过对比区域气候重建结果并考虑湖泊形态特征,讨论沉积过程变化的潜在机制。分析巴松错硅藻数据,综合比较区域其他硅藻记录及沉积物理和化学指标,探讨巴松错沉积硅藻记录对沉积过程的响应。

1 研究区概况

巴松错(93°53′ 42″—94°1′ 48″ E,30°0′ 0″—30°2′ 55″ N,3476 m)位于青藏高原念青唐古拉山脉东南缘(图1)。湖盆周围山地海拔4500—5200 m,坡度较陡(45—55°),冰川广布(图1)。该湖泊为一开放的淡水湖,pH为7.2,盐度为0.12 g/L[4]。湖泊主要由冰川融水补给。湖水从湖泊西侧出口通过巴松河和尼泽曲并最终汇入雅鲁藏布江。湖泊面积26 km2,流域面积1209 km2[4]。补给系数约为47。横跨湖泊中部的沙脊将湖盆分为东西两部,最大水深达120 m(图1)。流域植被自下而上主要分布暗黑针叶林,灌丛和草甸斑块。

图1 研究区和采样点地理位置及流域地貌和湖盆形态特征Fig.1 Locations of study area and coring site and characteristics of catchment landscape and lake morphometry

2 材料与方法

2012年10月,利用UWITEC采样器在水深120 m处采集了4.82 m长的岩芯BSCW- 1(图1)。前期研究结果显示,整根岩芯上部90 cm理化指标(粒度、磁化率、TOC、TN)所指示的沉积过程变化最为明显,并且这一段的硅藻浓度较高、保存较好,因此本研究仅对上部90 cm进行分析。

2.1 实验室分析

沉积年代通过210Pb/137Cs定年法和放射性14C定年法共同确定。采用美国EG & GOrtec公司生产的高纯锗井型探测器(Ortec HPGe GWL)与Ortec 919型谱控制器和IBM微机构成的16k道多道分析器所组成的γ谱分析系统对30个不同层位的样品进行210Pb、226Ra和137Cs测定。测试分析过程在中科院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室完成。在90 cm处获得一片完整植物叶片,利用加速器质谱法(Accelerator Mass Spectrometry,AMS)对其进行放射性14C年代测定。分析过程由Beta实验室完成,采用IntCal13[14]对常规14C年代进行校正。

以2 cm为间隔共获得45个硅藻沉积样品。根据标准方法进行硅藻前处理：取约0.3 g干样放入50 mL离心管中,在60℃水浴条件下先后加入过量的10% HCl和30% H2O2以完全去除碳酸盐和有机质[7]；在处理后的样品中加入蒸馏水至45 mL,静置48 h后倒掉上清液,如此重复3次以使溶液达到中性；利用振荡器将清洗后的样品均匀混合,用移液枪准确吸取100 μl溶液滴至盖玻片上,待自然风干后制成永久样片。硅藻的计数和鉴定过程在ZEIZZ Scope A1光学显微镜的油镜下进行(放大倍数100×10)。沉积物表层样品鉴定个数不少于500粒,其他样品不少于300粒。硅藻鉴定参考Krammer和Lange-Bertalot(1986,1988,1991)[15- 18]及朱惠忠和陈嘉佑[19]。样品中发现个体尺寸很小的小环藻(2.5—5 μm),通过扫描电镜确定不属于眼斑小环藻。由于目前没有找到关于该种的图谱,本文暂以小型小环藻(small-typeCyclotellaspecies)进行表述。

沉积物粒度样品中加入30% H2O2和10% HCl去除有机质和碳酸盐后,通过3次静置(每次至少24 h)和蒸馏水清洗使溶液达到中性。测试前,每个样品中加入10%六偏磷酸钠((NaPO3)6)约10 mL并进行15 min超声震荡以使颗粒完全分散。采用Mastersizer- 2000激光粒度仪(Malvern Instruments Ltd., UK)进行粒度测试分析。样品的分选系数通过公式S0= (Φ95-Φ5)/2进行计算。总有机碳(total organic carbon, TOC)和总氮(total nitrogen, TN)以4 cm间隔进行测试。样品中加入10% HCl和30% H2O2去除碳酸盐和有机质,采用意大利EuroVector公司生产的EA3000元素分析仪进行测试。测试分析过程在中科院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室完成。

2.2 数值分析

硅藻的统计分析基于硅藻的百分比含量。至少有一个样品百分含量>1%的属种才用以进行统计分析。采用Tilia Graph程序绘制硅藻百分比含量图,并运用其自带的聚类分析(constrained incremental sum of squares,CONISS)进行生物地层分带。运用CANOCO 4.5中的排序分析评估硅藻组合及多样性变化[20]。其中,应用降趋势对应分析(Detrended Correspondence Analysis,DCA)估计样品硅藻类型之间的关系以确定采用何种排序分析,利用降趋势典型对应分析(Detrended Canonical Correspondence Analysis,DCCA),以时间作为限制变量,评估属种组合在时间梯度上的变化[21]。应用R语言[22]vegan程序包[23]中的非度量多维标度(Nonmetric Multidimensional Scaling,nMDS)推算硅藻与其他沉积指标的总体变化过程,并采普氏分析和强制一致性检验(Procrustes test，Protest)对不同指标间的相似性和同步性进行评估。

3 结果

3.1 沉积岩芯137Cs和210Pb分布特征及年代

沉积物中的137Cs最主要来源于20世纪50年代初开始的大气层核试验,大气核试验的高峰年1963年以及1986年切尔诺贝利反应堆核泄漏事故产生了137Cs散落峰。137Cs比活度自下而上基本呈现先增后减的趋势,最大峰值出现在9 cm处(图2)。通过与岩芯上部纹层年代比较[24],137Cs最大峰值对应1986年。湖泊沉积物中210Pb(210Pbtot)主要由来自大气散落的过剩210Pb(210Pbex)和沉积物自身产生的补给210Pb(210Pbsup)组成。210Pbsup可以通过测量226Ra获得[25]。210Pbtot随深度增加呈指数递减,226Ra在底部20 cm较低,向上相对稳定(图2)。210Pbtot和226Ra在约60 cm处达到平衡。210Pbex在59 cm以下出现负值,因此仅对上部59 cm进行210Pb年代推算。210Pbex随深度不完全呈指数分布(图2),不满足恒定沉积通量(Constant Initial Concentration,CIC)模式的假设条件[26-27]。因此,本文采用恒定放射性通量(Constant Rate Supply,CRS)模式推算沉积年代。59 cm 以下年代通过90 cm处的AMS14C年代((184 ± 18) yr BP,144—216 cal. yr BP)及59 cm处的210Pb年代共同确定(图2)。

图2 137Cs、210Pbtot、210Pbex、226Rb比活度变化曲线及年代—深度模型Fig.2 Activity curves of 137Cs、210Pbtot、210Pbex、226Rb and the age-depth model

3.2 硅藻分析

本研究共鉴定到235种硅藻。优势种为眼斑小环藻(Cyclotellaocellata),小型小环藻属(small-typeCyclotellaspecies),极小曲壳藻(Achnanthesminutissima),平均百分含量分别为34%,24%及15%(图3)。孟加拉曲壳藻(Achnanthesbiasolettiana)平均占5%。C.ocellata在青藏高原寡营养湖泊及一些树线湖泊中广泛分布[11, 28- 32]。90—50 cm(1770—1918年)以C.ocellata和small-typeCyclotella缓慢减少伴随A.minutissima和A.biasolettiana缓慢增加为特征,之后出现与之相反的变化趋势(图3)。浮游种与底栖种丰度比值(P/B)大体反映了这一变化过程(图3)。

图3 过去200年主要沉积硅藻百分含量、浮游种与底栖种丰度比值(P/B)、多样性指标(N2)及各排序分析得分(PCA 1和DCCA 1)Fig.3 Percentage abundance diagram of selected diatom species (with relative abundance ≥1% in at least one sediment sample), ratio of planktonic to benthic species abundances (P/B), N2 diversity and scores of ordination analyses (PCA axis 1 and DCCA axis 1) over the past 200 yearsCONISS：约束增量平方和 constrained incremental sum of squares

CONISS显示低的总平方和(1.7),说明缺乏一级生物地层分带。DCCA第一轴平均得分为0.4,下半部(90—50 cm)高于上半部(50—0 cm)(图3)。多样性指数N2较平稳,相对高值出现在90—50 cm。DCA显示第一轴的梯度长度小于2个标准差(standard deviation,SD),因此选用线性模型—主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)对沉积硅藻进行排序分析[33]。从硅藻属种在PCA前两轴的分布情况来看,C.ocellata(CYCOCE),small-typeCyclotellaspecies(CYCSMA),A.minutissima(ACHMIN),A.biasolettiana(ACHBIA)是硅藻群落组合变化的主要贡献因子(图4,黑色实心三角形),与P/B反映的信号十分相似。

图4 硅藻属种在PCA前两轴上的分布Fig.4 Distribution of diatom species along the first two axis of PCA CYCOCE：眼斑小环藻 Cyclotella ocellata；CYCPSE：小型小环藻 Small-type Cyclotella species；CYCTRI：三叉小环藻 Cyclotella tripartita；CYCSPP：小环藻 Cyclotella spp.；FRAARC：弧形脆杆藻 Fragilaria arcus；FRACAP：钝脆杆藻 Fragilaria capucina；FRACON：连接脆杆藻 Fragilaria construence；FRAINC：隐匿脆杆藻 Fragilaria incognita；FRANAN：小针脆杆藻 Fragilaria nanana；FRAPIN：羽纹脆杆藻 Fragilaria pinnata；FRATEN：柔弱脆杆藻 Fragilaria tenera；FRAULN：肘状舟形藻 Fragilaria ulna；FRASPP：脆杆藻 Fragilaria spp.；ACHMIN：极小曲壳藻 Achnanthes minutissima；ACHBIA：孟加拉曲壳藻 Achnanthes biasolettiana；ACHLEV：莱维迪曲壳藻 Achnanthes levanderi；ACHOBL：长椭圆曲壳藻 Achnanthes oblongella；ACHSUB：近原子形曲壳藻 Achnanthes subatomoides；ACHSPP：曲壳藻 Achnanthes spp.；CYMDEL：优美桥弯藻 Cymbella delicatula；CYMMIN：小桥弯藻 Cymbella minuta；CYMSIL：西里西亚桥弯藻Cymbella silesiaca；CYMSIN：弯曲桥弯藻 Cymbella sinuata；CYMSPP：桥弯藻 Cymbella spp.；AMPFOG：弗格迪纳双眉藻 Ampora fogediana；AMPPED：花柄双眉藻 Ampora pediculus；DIAMES：中型等片藻 Diatoma mesodon；DIASPP：等片藻 Diatoma spp.；COCPLA：扁圆卵形藻 Cocconeis placentula；ANOVIT：透明异菱形藻 Anomoeoneis vitrea；AULALP：高山直链藻 Aulacoseira alpigena；DENSPP：细齿藻 Denticula spp.；GOMPAR：微小异极藻Gomphonema parvulum；GOMSPP：异极藻 Gomphonema spp.；NAVFES：秀丽舟形藻 Navicula festiva；NAVSPP：舟形藻 Navicula spp.；NITSPP：菱形藻 Nitzschia spp.；PINSPP：羽纹藻 Pinnularia spp.

3.3 粒度、TOC及TN

沉积物粒度分为4个组分(图5)：粘土(< 4 μm)、细粉砂(4—16 μm)、粗粉砂(16—63 μm)、砂(> 63 μm)。自下而上粘土含量从平均6.4%持续增加到40%,粗粉砂含量正好相反,从平均30%下降到1.4%。细粉砂(砂)从底部的21.7%(52.6%)逐渐增加(减少)到50 cm的66%(< 1%),随后保持这一水平。分选系数自底向上总体呈现逐渐降低的趋势(图5)。

TOC和TN的变化趋势十分相似：从底部(TOC：0.135%,TN：0.004%)迅速增加到60 cm处(TOC：1.844%,TN：0.079%),60—52 cm表现为突然的下降,随后保持相对稳定水平(图5)。C/N的范围为15.8—33.8,表现出与TOC和TN相反的趋势。相对高的C/N出现在90—64 cm及12—0 cm(图5)。

图5 粒度组分、分选系数、TOC、TN及C/N变化曲线Fig.5 Variation curves of grain-size compositions, sorting coefficient, TOC, TN and C/NTOC：总有机碳 total organic carbon；TN：总氮 total nitrogen

4 讨论

4.1 巴松错过去200年水文变化

湖水的机械沉积物主要来源于河流。碎屑颗粒在水流中的搬运不仅与水的流动状态有关,还与颗粒本身的特点(如大小、相对密度、形状等)密切相关[34]。作用于碎屑颗粒上的力主要取决于颗粒大小和水流速度[34]。砂既易搬运也易沉积,而粘土和粉砂不易起动但持续搬运流速小,一旦起动则可长距离搬运。水流从河道进入湖泊时,流速从湖岸到湖心逐渐减小产生了机械分异,因此通常形成浅水区到深水区粒度逐渐减小的分布模式。因此,当入湖水流速度变化不大时,湖泊沉积粒度能够反映水位的变化；当湖水位变化不大但入湖水流速度波动较大时,沉积粒径则可以用于反映水流的流速或强度。分选系数能够反映水流的机械分异作用[35, 36]。随着搬运距离的增加,水流速度逐渐减小,密度、体积大的颗粒先沉积下来,并逐渐富集体积、密度相似的颗粒。因此,随着距离的增加和流速的下降,分选系数逐渐减小。

BSCW- 1孔粒度数据显示1770年左右的水流速度或强度最大,随后迅速减小,到1830年左右开始稳定并且出现十分缓慢的下降趋势。分选系数显示自1770年以来沉积物的搬运距离逐渐增加。那么,是由于水位上升还是流域水文变化导致了湖心沉积物细化及分选系数降低呢？巴松错是一个过水型湖泊,其水位相较于吞吐型或封闭型湖泊更为稳定。此外,巴松错湖盆侧壁十分陡峭(50—60°,图1),水位剧烈上升才能使湖泊面积发生显著扩张从而引起沉积粒度明显细化。新普地区(距巴松错约40 km)树轮重建的夏季相对湿度(图6)和米梅地区(距巴松错约190 km)树轮重建的夏季降水量(图6)显示,1770—1830年降水和相对湿度虽存在波动但总体变化不大且表现为缓慢下降的趋势[37]。这样的气候条件并不支持水位急剧上升的假设,因此本研究认为巴松错1770—1830年沉积物物理性质的变化主要由流域水文控制。

流域水文状态受到气候过程的影响。印度夏季风将大量水汽通过孟加拉湾输送到青藏高原东南部地区,其高耸的地势使得水汽在4500—5500 m海拔高度形成大面积温带季风型大陆冰川[3]。季节性冰川融水是藏东南地区湖泊最主要的补给来源[38],估计占总径流量65%以上[39]。因此,冰川融水是该地区流域水文重要的组成部分。不仅如此,冰川的侵蚀作用强烈地改造地表并产生大量松散碎屑物,可以成为湖泊沉积物的重要来源[40-41]。冰蚀作用在冰川前进过程中普遍发生,当冰川融化时,部分碎屑物会随冰川融水输送到下游并在这一过程中不断沉积[42-43]。念青唐古拉山脉冰川前缘地貌和沉积学证据表明,晚全新世最大冰进发生在17世纪中期到18世纪中期,由数次冰川扩张过程构成,当时的冰舌可延伸至海拔3200 m a.s.l左右[44]。巴松错千年尺度的孢粉PCA1(图6)指示过去200多年气温在波动中持续上升[45]。树轮重建的林芝-波密地区八月平均最低气温表现为相似的变化过程[46]：1600—1800年为相对冷期(小冰期),此后总体表现为明显的上升趋势(图6)。Liang等)[47]重建的1765年以来的夏季平均温度与以上两个温度序列在变化幅度上具有较大差别,但仍显示一定的上升趋势(图6)。据此推测,冰进过程产生大量冰碛物,这些松散沉积在气温开始回升、冰川大量融化过程中被冰川融水输送到下游及湖泊中。随着温度持续上升,冰川不断萎缩,冰川融水的运输距离不断增长,到达湖泊的水流速度、动力及携砂能力减弱,沉积物粒径及分选系数减小。

非气候因素同样影响湖泊及流域水文条件。青藏高原东南部地壳被走滑断层和张扭断层分割成不同空间尺度的构造块体[48],是构造运动(如地震)频发地区[49]。地震等突发型构造运动往往造成山体滑坡,如遇上雨季则可能发展成为泥石流[50]。泥石流作为一种重力流,具有很强的搬运能力,因此其沉积物粒径往往很粗且分选很差。在距离巴松错较近的LC6湖中就发现了可能发生在1940s晚期到1950s早期的崩塌或滑坡沉积物[51]。由于青藏高原缺少长期历史地震记录,目前无法证实BSCW- 1中90—80 cm埋深的砂层是否与地震活动有关,需详细的地震剖面进行解译。

图6 巴松错孢粉PC1得分[45]及周围地区温度[46-47]、降水和相对湿度[37]重建结果对比(虚线表示线性趋势)Fig.6 Comparisons among PCA1 scores of pollen sample from Lake Basomtso[45] and reconstructed temperature[46-47], precipitation and relative humidity[37] from the neighboring regions (Dash lines represent linear trends)

湖泊沉积物中的C/N能够用于判断有机质的来源[52]。BSCW- 1孔的C/N范围为15.5—33.8,说明主要为外源(陆源)输入[52]。C/N从90 cm到65 cm显著下降,说明这一时期外源输入逐渐减少,佐证了流域水文动力减弱的推测。综上所述,不论诱因是气候变化还是构造运动,巴松错过去200多年的水文条件发生了明显变化,水流动力从1770年左右开始迅速减弱,1830年以来仍缓慢减弱但相对稳定。

4.2 巴松错沉积过程对硅藻记录的影响

生态阈值是生态系统质量、性质或现象等发生突变的点,它普遍存在于各种生态系统中[53]。Smol等[54]认为DCCA > 1 SD说明硅藻组合发生明显变化。巴松错过去200多年硅藻群落DCCA仅为0.47,说明组合变化较小,尚未达到其阈值,与青藏高原东南部的LC6湖和伍须海及东部的东格乌卡湖情况类似[29-30, 51]。Wischnewski等[29]认为相对稳定的硅藻组合可能是由于气候和(或)营养输入变化较小,流域土壤和植被较稳定,或地方性气候的独特性及气候的负反馈机制等。在极地湖泊,硅藻组合(浮游种和底栖种相对丰度)变化能够反映气候导致的水体热力学性质变化[55-56]。然而,巴松错硅藻PC1及P/B的变化并不完全符合气温波动过程(图6)。湖泊生境的变化是硅藻群落发生变化的重要因素。当水位变幅或水体扰动程度足以改变透光带深度、水体热力学性质、营养盐浓度等时,硅藻组合可以产生明显变化。BSCW- 1取自水深120 m湖心处且巴松错湖盆形态特殊、区域气候变率较小,因此本研究认为气候的直接影响并不足以显著改变湖泊生境继而造成湖心处沉积硅藻组合发生明显变化。

巴松错是一个开放型湖泊,与其他水体具有密切联系。青藏高原地区浅水环境及河流水系中的常见属种包括A.minutissima,A.biasolettiana,Fragilariacapucina,Fragilariaconstruence,Fragilariapinnata,Cymbella,Amphora,Diatoma等[19]。硅藻自身几乎没有运动能力,从物理学角度可以认为是一种颗粒。因此,外源硅藻可以随同水流被搬运并沉积到湖泊中。采样点以上水体在过去200多年位于开阔湖区,沉积硅藻中的底栖种可来自湖岸浅水区和外源水体。A.minutissima是BSCW- 1孔中最主要的底栖种,个体纤细极易搬运。90—60 cm孔深的A.minutissima平均含量达20.6%,说明当来水量或水流动力较大,水流携带的和生长于湖岸浅水区的底栖硅藻被大量搬运到开阔水域并沉积下来。虽然硅藻和粒度样品nMDS1得分及Procruste系数(r=0.494)显示两者具有中等相似程度,但1770—1901年(除1729年)较低的Procruste残差(图7)说明期间两者具有较一致的波动过程。据此本研究认为,巴松错水文条件是造成沉积硅藻组合变化的重要因素,在利用沉积硅藻进行气候变化研究时应慎重考虑。

图7 硅藻和粒度样品nMDS1得分及普氏分析残差Fig.7 nMDS1 scores of diatom and grain size samples and the residuals of Procrustes analysis

5 结论

巴松错沉积记录显示过去200多年水文过程发生了显著且快速的变化,主要出现在1770—1895年。沉积物粒径从以砂和粗粉砂为主过渡到以细粉砂和粘土为主仅经历了50—60年。在此期间,C/N指示的陆源有机质含量迅速减少与粒度反映的信息相似。巴松错主要由冰川融水和降水补给。湖泊流域及周围地区降水和相对湿度重建结果基本排除了降水导致流域水文条件显著变化的可能性。气候变暖前冰川向低海拔扩张,在气候开始变暖时冰川前缘距离湖泊较近,此时大量冰川融水在到达湖泊时具有更强的动力,因此能够输送更多的碎屑物到达湖心。青藏高原东南部是地震较频发地区,由于地震历史记录的限制,目前仍不能确定这一快速变化的沉积过程是否与之相关。本研究还发现,不仅沉积物理、化学指标能够反映流域水文和湖泊沉积过程,沉积物硅藻组合也能做出响应。巴松错过去200多年水位变化有限,浮游种和底栖种的相对丰度可以作为分析沉积过程的有效指标。因此,在利用硅藻对该地区进行古气候和古环境解释时,需考虑沉积过程的影响。