北極黃河站鄰近湖泊沉積物有機碳同位素記錄及其氣候信息

何建華，余 雯，陳立奇，門 武

（1.廈門大學 海洋與環(huán)境學院，福建 廈門 361005；2.國家海洋局 第三海洋研究所，福建 廈門 361005；3.國家海洋局 海洋－大氣化學與全球變化重點實驗室，福建 廈門 361005）

隨著全球氣候變化研究的興起，尋找全球氣候變化研究的證據(jù)成為科學界研究的熱點問題［1－3］，其中以湖泊沉積物中有機碳同位素作為重要環(huán)境指標的研究課題得到地球科學界的普遍重視［4－6］。國內(nèi)外學者通過對湖泊沉積物中有機碳同位素的組成變化特征及其影響因素等多方面的綜合研究，建立了多種古氣候、古環(huán)境意義的解釋模式，在研究第四紀以來的古氣候環(huán)境變化方面取得諸多成果［7－10］。但是，湖泊沉積物有機碳同位素組成變化受很多因素的影響，如湖泊的水化學性質(zhì)、湖泊的營養(yǎng)化過程、大氣CO2濃度、沉積環(huán)境等。由于氣候系統(tǒng)的復雜性和地質(zhì)環(huán)境的多樣性，不同地區(qū)、不同類型的湖泊沉積物中有機碳同位素表征的古氣候環(huán)境意義通常并不相同［11－14］。

北極由于其對全球氣候變化的敏感和反饋作用而備受研究者的青睞，是全球氣候變化研究的重點區(qū)域之一［7－8］。黃河站是我國首座北極科學考察站，座落于挪威斯匹次卑爾根群島上，該群島是世界上保持原生自然的幾個島嶼之一，由大峽灣、冰川、冰磧巖、冰川河流、山和一個典型的苔原生態(tài)系統(tǒng)所包圍，其地形地貌、地層系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境的復雜多樣性，為海洋、大氣、冰川與海冰、生物生態(tài)、地質(zhì)、大地測量等學科的研究提供天然場所，被科學家們認為是天然實驗室。因此，研究北極湖泊沉積物中有機碳同位素的組成和分布對重建北極的古氣候環(huán)境，了解北極氣候變化的歷史情況具有重要的現(xiàn)實意義。

本研究擬對北極黃河站附近兩個湖泊的沉積速率和沉積物柱樣中δ13C的垂直分布進行分析，為了解過去北極氣候變化提供借鑒。

1 主要實驗材料

1.1 主要試劑

濃鹽酸、濃硝酸、氨水和鹽酸羥胺：均為分析純，廣東西隴化工股份有限公司生產(chǎn)。

1.2 主要儀器

7200-08型α譜儀：美國Canberra公司；FLASH1112元素分析儀：德國 Ther mo-Finnigan公司；85-2型恒溫磁力攪拌器：上海司樂儀器有限公司。

2 實驗方法

2.1 樣品采集與預(yù)處理

2007年7月和8月，在北極黃河站附近的兩個湖泊中采集了2個沉積物柱樣（1號柱樣：78°56.489′N，11°49.194′E；2 號 柱 樣：78°56.554′N，11°51.576′E），柱樣長度分別為18 c m和25 c m，采樣站位圖示于圖1。樣品采集上來后，密封平置后帶回實驗室。在實驗室按1 c m的間距分割樣品，50℃下烘干，用錫箔紙包裝后裝入密封袋，置于冰柜中冷凍保存，備用。

2.2 沉積速率的分析

采用國際上常用的測定210Pb第三代子體210Po的方法［15］進行沉積速率分析。將2.1節(jié)制備的樣品稱重后研細至0.25～0.84 mm（60～80目），定量加入示蹤劑209Po，分別經(jīng)濃硝酸和濃鹽酸消解后，用2 mol／L鹽酸浸取出溶液，然后通過自沉積將210Po沉積在銀片上制成測量源，最后在α譜儀上測量210Po的比活度［15］。

2.3 δ13 C的分析

用無機酸淋洗沉積物樣品以清除其中的無機碳，再于50℃下烘干48 h，然后置于干燥器中冷卻至室溫。采用元素分析儀對冷卻樣品進行碳同位素的測定［16］，元素分析－同位素比值質(zhì)譜（EA-IRMS）的工作條件為：柱長 3 m、柱溫50℃、載氣流速80 mL／min。碳同位素結(jié)果以δ13CPDB（‰）表示，其計算公式［16］為：δ13CPDB（‰）＝［（13C／12C）Sa／（13C／12C）St－1］×1 000‰

式中（13C／12C）Sa和（13C／12C）St分別為樣品和CO2參考標準氣的碳同位素比值。

圖1 采樣站位示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 沉積速率

沉積物中210Pb的來源有兩個：一是經(jīng)大氣沉降進入水體后沉積下來的過剩210Pb（210Pbex），另一個則是由沉積物中的226Ra衰變產(chǎn)生的210Pb（即本底值），其中210Pbex是總的210Pb與本底值之間的差值。將兩個柱樣中總210Pb和過剩210Pb（210Pbex）的比活度的自然對數(shù)值對校正深度作圖，并對衰減區(qū)中210Pbex比活度進行線性擬合，結(jié)果示于圖2。由圖2可以看出，兩個沉積物柱樣沒有受到擾動，從表層開始，210Pb放射性活度隨深度而減少，當達到一定深度后則進入了210Pb的本底區(qū)。根據(jù)圖中擬合直線的斜率［15］可計算出1號柱和2號柱的沉積速率分別為1.05 mm／a和0.91 mm／a，并由此可計算出2個柱樣的沉積年齡在200～300年間。

3.2 δ13 C垂直分布

分別選取了1號柱樣和2號柱樣中部分層位的樣品進行有機碳同位素分析，分析結(jié)果列于表1。

根據(jù)沉積速率可以計算出不同層位對應(yīng)的年代。以δ13C為橫坐標，沉積物深度和對應(yīng)的年代為縱坐標作圖，可以得到δ13C隨年份的變化趨勢，結(jié)果示于圖3。

表1結(jié)果顯示：1號柱樣中δ13C的變化范圍為－26.038‰～－24.882‰，平均－25.484‰；2號柱樣中δ13C的變化范圍為－25.385‰～－23.928‰，平均－25.068‰。從圖3可以看出，兩根柱樣中δ13C隨時間的變化趨勢基本一致，均呈現(xiàn)出“降低－增加－降低－增加－降低”的趨勢。

圖2 210 Pb比活度的垂直剖面

表1 不同深度沉積物中δ13 C含量

圖3 沉積物中有機碳同位素含量垂直分布圖（圖中虛線為δ13 C的總體變化趨勢線）

3.3 δ13 C指示古氣候的依據(jù)

湖泊沉積物中有機碳的主要來源有兩個：一個是內(nèi)源湖泊生物（如水生植物、浮游藻類等），另一個是來自湖區(qū)周圍隨湖水流入帶入的陸生植物。陸生植物按光合作用方式的不同可分為C3植物、C4植物和CA M植物。C4植物適應(yīng)干旱炎熱的氣候，C3植物適應(yīng)寒冷、水分充足的環(huán)境，CA M植物則一般生長在蒸發(fā)量很大的沙漠地區(qū)。而C3和C4植物因光合作用固碳方式的不同，使得在生化反應(yīng)過程中發(fā)生同位素分餾作用［17］，而當植物死亡后，其同位素特征將被固定在植物體內(nèi)，在分解、埋藏過程中，如未發(fā)生成巖作用，則該特征將保存在沉積物的有機質(zhì)中，因此，通過對沉積物有機質(zhì)的同位素特征研究，可獲得其母體（植物）生長期間的氣候環(huán)境信息。

Degens在總結(jié)現(xiàn)代海洋沉積物中有機質(zhì)的δ13C時指出，高緯度寒冷地區(qū)沉積物中有機質(zhì)具有較低的δ13C，而低緯度溫暖地區(qū)沉積物中的δ13C則較高［18］。通常情況下，一般C3植物具有較輕的碳同位素組成［19］，其δ13C為－34‰～－22‰，平均－27‰；C4植物則較重，δ13C值為－19‰～－9‰，平均－13‰。

采樣點湖泊的周邊環(huán)境中苔原植物是一種優(yōu)勢植物群落，因此可以判斷湖泊沉積物物種的有機質(zhì)來源于陸生植物，而從兩個柱樣中δ13C分布來看，δ13C分布區(qū)間在－26.038‰～－23.928‰，落在C3的δ13C分布范圍內(nèi)，此外，從總沉積物的表觀上看，并未發(fā)現(xiàn)明顯的成巖作用痕跡，因此，可以用C3的分布模式來討論該黃河站湖區(qū)的氣候特征。

3.4 過去300年間黃河站的氣候變化

從3.3節(jié)的討論可知，黃河站湖區(qū)沉積物中有機碳符合C3的特征，通常情況下C3植物中有機碳δ13C與氣溫成正比關(guān)系［16］。結(jié)合沉積物柱樣的年齡及δ13C含量的分析結(jié)果，大體可將過去300年間黃河站的氣候變化分為5個階段：A-B階段、B-C 階段、C-D 階 段、D-E 階 段、E-F階段。

1）A-B階段。沉積物中的δ13C含量隨時間逐漸變輕，表明該階段的氣溫開始逐漸降低。

2）B-C階段。沉積物中的δ13C含量隨時間逐漸變重，表明該階段的氣溫開始回暖。

3）C-D階段。沉積物中的δ13C含量隨時間又逐漸變輕，表明該階段的氣溫又開始逐漸降低。

4）D-E階段。該時間段內(nèi)，沉積物中的δ13C含量的變化趨勢與B-C階段類似，表明該階段的氣溫又開始逐漸升高。

5）E-F階段。隨著沉積物中δ13C含量逐漸變輕，呈現(xiàn)出與A-B階段和C-D階段類似變化趨勢，表明該階段的氣溫表現(xiàn)出降低的趨勢。

此外，從圖3還可以看出，兩個柱樣中δ13C含量隨時間延長呈降低趨勢，表明該區(qū)域的氣溫在過去300年間可能存在變冷的趨勢。

需要說明的是，由于陸地植物對氣候變化的響應(yīng)有一定的滯后性，而本研究中也受樣品量的限制，無法對樣品作更深入的分析，造成時間分辨率較低［20］。因此只能大體反映氣候的變化趨勢。

4 結(jié) 論

δ13C在指示湖泊沉積物所反映的氣候變化方面有一定的可信度，可以作為冷暖波動的代用指標之一。本研究中結(jié)合對北極黃河站附近兩個湖泊的沉積速率和沉積物柱樣中δ13C的垂直分布分析可以看出，黃河站區(qū)域的氣溫在過去300年間經(jīng)歷了“降低－升高－降低－升高－降低”這樣一個變化模式，且總體可能存在降低的趨勢，這與王國等［21］的研究結(jié)果相近，即過去400年來，北極的溫度并非保持一成不變或呈現(xiàn)單一變化趨勢，而是存在不同周期的升高和降低的過程。

有關(guān)北極氣溫更為具體的變化趨勢，尚需在后續(xù)的工作中進一步做分析研究，以便得出更準確的結(jié)論。

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