新疆巴里坤湖全新世湖泊沉積物穩(wěn)定氮同位素的氣候與環(huán)境意義研究

鐘 巍， 張 進， 尹煥玲， 薛積彬， 曹家元， 唐曉宏

(1.華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510631；2. 新疆大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，烏魯木齊 830046)

新疆巴里坤湖全新世湖泊沉積物穩(wěn)定氮同位素的氣候與環(huán)境意義研究

鐘 巍1*， 張 進2， 尹煥玲1， 薛積彬1， 曹家元1， 唐曉宏1

(1.華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510631；2. 新疆大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，烏魯木齊 830046)

選擇位于西風(fēng)環(huán)流顯著影響的新疆巴里坤湖作為研究對象，結(jié)合對位于湖心部位的人工開挖剖面的多指標(包括有機碳同位素(δ13C)、有機質(zhì)含量(OM)和碳氮比(C/N))的對比分析和驗證，發(fā)現(xiàn)該湖泊沉積物的δ15N記錄較好地響應(yīng)了過去9 400年以來氣候環(huán)境的變化，依據(jù)其波動變化特征劃分出以下階段：9 400～7 300 cal. a BP期間，氣候狀況較為干旱且不穩(wěn)定；7 300～5 900 cal. a BP期間，氣候相對濕潤；5 900～3 100 cal. a BP期間，氣候環(huán)境由濕轉(zhuǎn)干；3 100～1 100 cal. a BP期間，氣候特征由相對濕潤轉(zhuǎn)向干旱；但在1 100～0 cal. a BP期間偏高的δ15N值，可能受到了人類活動的影響．本研究表明，巴里坤湖沉積物δ15N記錄對于恢復(fù)研究區(qū)全新世氣候與環(huán)境變化的特征與歷史等方面具有較好的應(yīng)用潛力和前景．

巴里坤湖； 穩(wěn)定氮同位素； 全新世； 氣候指示意義

地球系統(tǒng)中的穩(wěn)定氮同位素變化幅度較大，但大多數(shù)含氮物質(zhì)的δ15N值集中于-10‰～20‰之間，而一些極端值的出現(xiàn)則可能是由于極端環(huán)境或環(huán)境突變造成的[1]．穩(wěn)定氮同位素有獨特的示蹤作用，對于表生地球化學(xué)環(huán)境變化的響應(yīng)非常敏感，可以用來示蹤有機質(zhì)和污染物的來源[2-9]，為氣候環(huán)境變化的研究提供了一條新的線索[10-12]，因此，δ15N在古氣候環(huán)境演變研究中日益得到普遍重視和廣泛應(yīng)用．然而，由于含氮物質(zhì)的多源性[13]、復(fù)雜的分餾機制[14]、無機氮輸入以及湖水的垂直混合等作用都會影響穩(wěn)定氮同位素的變化，這無疑增加了對δ15N記錄的環(huán)境指示意義解釋的困難性．迄今為止，在我國利用干旱區(qū)湖泊沉積物δ15N對古氣候環(huán)境演變歷史的研究是非常薄弱的．本研究選擇位于新疆東疆北部受西風(fēng)環(huán)流影響顯著的、前期已有很好研究基礎(chǔ)的巴里坤湖[15-26]為研究對象，重點針對該湖泊沉積物δ15N記錄的氣候環(huán)境指示意義進行探討．

1 研究區(qū)概況

巴里坤湖(43°36′～43°43′N，92°43′～92°51′E)(圖1)是巴里坤盆地中的一個封閉性高鹽度湖泊，湖內(nèi)浮游植物種類少，鹵蟲密度大，湖泊底質(zhì)大部分是結(jié)晶態(tài)茫硝．該湖泊平均海拔高度為1 580 m，流域面積約4 514 km2，現(xiàn)湖面面積不足90 km2，平均水深0.6 m．巴里坤盆地周圍被巴里坤山、莫欽烏拉山和海西山等山脈包圍．盆地西寬東窄，地勢東高西低，是水汽的天然入口．區(qū)內(nèi)河流主要發(fā)源于巴里坤山北坡和北山南坡，以冰川及融雪補給為主，年徑流量小，流程短促，為典型的溫帶大陸性氣候區(qū)，受西風(fēng)環(huán)流影響顯著．現(xiàn)代記錄的氣候資料顯示巴里坤盆地的氣候主要表現(xiàn)為暖干和冷濕的西風(fēng)型水熱組合模式[20](圖2)．

圖1 巴里坤湖區(qū)域氣候背景

圖2 巴里坤湖地區(qū)現(xiàn)代氣象要素變化曲線

2 材料與方法

2004年8月，在巴里坤湖中心位置開挖了一個250 cm深的人工剖面(命名為BLK-1剖面，43°42′N，92°50′E；圖3)，按照剖面底部20 cm段以3 cm間距和之上部分以1 cm間距連續(xù)取樣，共取得樣品236個．野外用塑料袋密封包裝后運回實驗室．有機碳和氮穩(wěn)定氮同位素測試的樣品先經(jīng)10%的稀鹽酸處理，以去除樣品中的碳酸鹽物質(zhì)，之后用蒸餾水洗滌至中性，低溫烘干后研磨樣品過500 μm篩后，取各約2 mg樣品用于有機碳和氮同位素的測定．測試采用熔封石英高溫燃燒法[27]．有機碳同位素在中國科學(xué)院蘭州地質(zhì)所氣體同位素國家重點實驗室測定，分析精度為0.1‰；氮同位素在西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院測定，氮同位素以δ表示，以大氣氮為參考標準，分析精度為0.2‰．總有機碳(TOC)和氮(TN)運用CE Model 440 元素分析儀測定．有機質(zhì)含量(OM)采用常規(guī)的重鉻酸鉀-硫酸氧化滴定法，測定誤差小于0.2%．

圖3 巴里坤湖BLK-1剖面位置

3 結(jié)果與分析

3.1 年代序列的建立

針對BLK-01剖面共采集了7個14C年代樣品，蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點實驗室進行了全有機質(zhì)年齡測定，采用半衰期5 568 a計算年代，結(jié)果見圖4和表1．應(yīng)用Calib 6.0程序進行年代校正，考慮了該湖泊的碳庫效應(yīng)(750 a)[21-22]，按沉積速率計算出該剖面底部年齡為9 400 cal. a BP(圖4)．

表1 巴里坤湖BLK-1剖面測年結(jié)果Table 1 Radiocarbon dating results of BLK-1 section in Balikun Lake

圖4 巴里坤湖BLK-1剖面沉積特征和年代-深度關(guān)系

3.2 δ15N的變化特征

BLK-1剖面中δ15N波動于6.0‰～22.9‰之間，變幅達16.8‰，平均值為12.0‰(圖5)．整體來看，剖面中δ15N波動劇烈，且階段性特征明顯：在250～196 cm段(9 400～7 300 cal. a BP)，δ15N在平均值以下劇烈波動；197～160 cm 段(7 300～5 900 cal. a BP)，δ15N總體保持相對高值，尤其是在191 cm 處(7 100 cal. a BP)達到全剖面的最高值22.9‰；159～86 cm段(5 900～3 100 cal. a BP)，δ15N變化劇烈，其值呈現(xiàn)出先高、后低、再高的變化過程；85～34 cm 段(3 100～1 100 cal. a BP)，δ15N在波動中下降；34 cm以上段(1 100～0 cal. a BP)，δ15N上升態(tài)勢明顯．

圖5 BLK-1剖面δ15N的變化曲線

4 討論

4.1 δ15N的氣候環(huán)境指示意義

穩(wěn)定氮同位素的影響因素主要有：第一，有機質(zhì)來源和湖泊生產(chǎn)率．一般來說，湖中浮游植物吸收湖水硝酸鹽使δ15N升高到8.0‰，陸生植物主要利用大氣中的氮氣，其δ15N平均值約1.0‰，人類活動等外源輸入的氮負荷使δ15N增大[28]．此外，初級生產(chǎn)力高的湖泊穩(wěn)定氮同位素分餾相對較弱，通常δ15N從貧營養(yǎng)湖泊到富營養(yǎng)湖泊逐漸增加[28-29]．第二，穩(wěn)定氮同位素分餾效應(yīng)．穩(wěn)定氮同位素主要有物理和化學(xué)兩種分餾效應(yīng)，物理分餾效應(yīng)與凍結(jié)融化、蒸發(fā)凝結(jié)、吸附擴散等有關(guān)．化學(xué)分餾效應(yīng)可以在無機的(氮溶解和氨揮發(fā)等)和生物化學(xué)反應(yīng)過程中(如固氮、同化、礦化、硝化和反硝化作用等)發(fā)生[30]，通常固氮以及硝化作用會使得15N貧化，而同化、礦化、反硝化和揮發(fā)作用則使得重氮易于富集．需要注意的是，這些影響過程在現(xiàn)實中對δ15N含量的影響是較為復(fù)雜的．第三，湖泊面積變化與湖水的垂直混合作用．一般當湖水水位高，湖泊分層穩(wěn)定，湖水缺氧，反硝化作用明顯，湖水垂直混合弱，浮游生物無選擇地吸收利用N，并同化和埋藏14N，使沉積物中δ15N值較高[31]．反之湖水水位低時δ15N下降．第四，人類活動的影響．化學(xué)合成氮肥、豆科作物以及化石燃料和廢水的排放等會提升δ15N水平．除此之外，大氣氮沉降、生物固氮和流域輸入等無機氮也會對沉積物δ15N有重要影響[31]．在上述因素的影響下，一般在濕潤期，隨著入湖的有機質(zhì)含量增多，湖泊生產(chǎn)力會提高，同時湖泊高水位會使得湖泊垂直交換減弱，湖中溶解無機氮(DIN)含量下降，在貧氧條件下生物的反硝化作用會占主導(dǎo)，這可以導(dǎo)致沉積物中較高的δ15N值；反之，在干旱環(huán)境下，湖泊周圍流域植被不發(fā)育，入湖的有機質(zhì)含量較少，湖泊生產(chǎn)力降低，同時干旱環(huán)境下增強的蒸發(fā)作用使得湖泊垂直混合作用加強，從而使湖中DIN含量上升，在這種相對富氧條件下生物的硝化作用將加強，致使沉積物中δ15N值降低．因此，δ15N的高值一般可以指示濕潤環(huán)境，而低值則反映干旱氣候環(huán)境．需要強調(diào)的是，由于不同區(qū)域有著不同的氣候環(huán)境背景，因此對δ15N的具體影響因素必須結(jié)合特定的區(qū)域背景以及綜合多氣候代用指標來進行分析．

一般來說，氣候溫暖濕潤時期，湖泊流域周邊和湖水中的生物生長旺盛，可以使較多的有機質(zhì)隨入湖水流進入湖泊．另外較高的湖泊水位可以導(dǎo)致湖水垂直交減弱，易于有機物質(zhì)的保存從而沉積物中有機質(zhì)含量較高，而干旱條件下則相反．δ13Corg和C/N值可用于指示有機質(zhì)的來源．陸生C3植物δ13Corg值較低，約-21.0‰～-35.0‰，均值為-28‰；C4植物δ13Corg為-9.0‰～-20.0‰，均值約-14.0‰．前期已有研究表明[26]，巴里坤湖地區(qū)偏重的有機碳同位素(δ13Corg)可以指示相對干旱環(huán)境條件，而偏輕的δ13Corg則是濕潤環(huán)境的體現(xiàn)．陸生植物C/N一般高于10，在水生植物中變化于4～10之間，而在高等植物中甚至能夠大于50．但是在某些浮游生物占主導(dǎo)的湖泊沉積物中也發(fā)現(xiàn)了C/N高于10、甚至可以大于20的現(xiàn)象[32]，究其原因主要有：一方面由于有機質(zhì)發(fā)生降解作用時N優(yōu)于C礦化，從而使C/N升高；另一方面可以由于藻類的吸收利用而使得水體中氮元素減少．而本文中高的C/N(均值為32.76)可能與此有關(guān)，但詳細原因仍有待深入研究．由圖5可見，BLK-1剖面中OM含量隨深度呈現(xiàn)顯著的降低趨勢，這說明OM受早期成巖過程中有機質(zhì)降解作用較明顯[33]．為了去除有機質(zhì)降解對OM的影響，我們對OM指標進行了去趨勢化處理(OMdetrended)，具體方法參見文獻[34]．

根據(jù)δ15N變化特征，可以將近9 400年來巴里坤湖氣候環(huán)境演化的歷史劃分為5個階段(圖6)，這種劃分方案得到了δ13Corg、OMdetrended和C/N指標的支持和驗證．

階段1(9 400～7 300 cal. a BP)：δ15N顯著偏負，大多都在平均值以下變化，這可能與湖泊水位下降、垂直混合作用加強、湖水中DIN含量上升和生物的硝化作用顯著有關(guān)．δ15N與δ13Corg呈現(xiàn)較為明顯的反相關(guān)關(guān)系，而與OMdetrended的波動特征基本一致．此時C/N<10，表明此時湖泊有機質(zhì)主要以內(nèi)源為主，δ13Corg變化幅度大并且明顯偏正，OMdetrended水平較低，且出現(xiàn)3次較大的波動，表明氣候狀況并不穩(wěn)定，上述都暗示了相對的干旱氣候條件．尤其值得注意的是，δ13Corg所呈現(xiàn)的高值脈沖現(xiàn)象，則有可能與由于風(fēng)沙活動而導(dǎo)致的外源有機質(zhì)的輸入有關(guān)．相關(guān)研究有待進一步開展．

圖6 巴里坤湖BLK-1剖面δ15N、δ13Corg、OMdetrended和C/N的變化曲線及各指標的平均值

Figure 6 Variations of δ15N，δ13Corg，OMdetrended, and C/N ratio and their mean values of BLK-1 section in Balikun Lake

階段2(7 300～5 900 cal. a BP)：δ15N保持相對較高的水平，可能與湖泊高水位、減弱的湖水垂直交換和生物的反硝化增強有關(guān)，暗示了此階段相對濕潤的氣候特征．其中，在7 300～6 400 cal. a BP期間，δ15N在平均值之上波動，C/N急劇升高，說明此時有機質(zhì)來源由內(nèi)生轉(zhuǎn)為外源輸入，而逐漸上升的OMdetrended和偏負的δ13Corg值，都指示此階段氣候相對濕潤．在7 100 cal. a BP前后，δ15N達到過程全剖面最高值22.9‰，OMdetrended也達到峰值，而δ13Corg卻降至全剖面最低值．多指標的變化共同指示了此時期顯著的濕潤特征．

階段3(5 900～3 100 cal. a BP)：雖然δ15N波動和緩，卻呈現(xiàn)出較為明顯的階段性變化特征．5 900～5 000 cal. a BP期間，δ15N平均值高于早全新世．相對較高的δ15N值指示此時期氣候較濕潤．而在5 000 cal. a BP前后，δ15N快速下降，暗示氣候快速轉(zhuǎn)干．之后，δ15N保持緩慢上升狀態(tài)，直到3 100 cal. a BP前后，δ15N達到全剖面次高值17.9‰．據(jù)此推斷，此階段氣候的濕潤程度較全新世早期高．δ15N記錄與δ13Corg、C/N和OMdetrended在此階段中有較好的對應(yīng)關(guān)系(圖5)，題目共同指示了氣候由濕潤轉(zhuǎn)干旱、再轉(zhuǎn)濕潤的變化過程．

階段4(3 100～1 100 cal. a BP)：δ15N值整體較高，結(jié)合呈上升趨勢的OMdetrended和偏負的δ13Corg值，反映了總體相對濕潤的氣候特征．較為顯著的濕潤期出現(xiàn)在3 100～2 100 cal. a BP期間．但在此階段后期中，δ15N在波動中下降，尤其在2 100～1 100 cal. a BP期間，δ15N降到平均值以下波動，這可能與風(fēng)力增強后導(dǎo)致的外源有機質(zhì)輸入增多有關(guān)．

階段5(1 100～0 cal. a BP)：雖然δ15N較高，并保持上升狀態(tài)，但是C/N處于低值，結(jié)合OMdetrended的下降趨勢和顯著偏正的δ13Corg值，它們都顯示出干旱的環(huán)境特征，這與前人的研究結(jié)果一致[17-24]．δ15N與其他指標的不一致性，可能表明與此期間增強的人類活動致使土壤以及湖泊中氮素發(fā)生改變有關(guān)．

通過上述對比分析，我們認為巴里坤湖沉積物δ15N記錄較好地響應(yīng)了全新世區(qū)域氣候的干濕變化，而多指標的對比和驗證表明我們對δ15N氣候指示意義的解譯是合理的，即：相對的偏正和偏負值的δ15N分別反映了較為濕潤和干旱的氣候特征．

4.2 區(qū)域氣候?qū)Ρ确治?/p>

鐘巍和韓淑媞[20]通過對巴里坤湖A孔剖面進行綜合分析，揭示出7 000 a BP前后為高溫濕潤期、5 000 a BP短暫冷期和2 310～1 200 a BP之后趨向干旱化期等氣候期．李志飛等[21]認為巴里坤湖地區(qū)8 700 cal. a BP以前的全新世早期，氣候干旱;8 700～2 400 cal. a BP，氣候較為濕潤;2 400 cal. a BP以來，氣候轉(zhuǎn)干．陶士臣等[22]認為巴里坤湖地區(qū)16 700～7 900 cal. a BP氣候干旱，中全新世(7 900～4 300 cal. a BP)氣候適宜，4 300～3 800 cal. a BP氣候變干，晚全新世(3 800～530 cal. a BP)有效濕度較高，530 cal. a BP以來氣候干旱．薛積彬和鐘巍[23-24]研究發(fā)現(xiàn)：巴里坤湖地區(qū)的全新世氣候環(huán)境變化大致經(jīng)歷了冷干(9 400～7 400 cal. a BP)——暖濕(7 400～5 900 cal. a BP)——暖干(5 900～3 100 cal. a BP)——涼濕(3 100～1 100 cal. a BP)——冷干(1 100～500 cal. a BP)——暖干(500 cal. a BP以來)的氣候變化過程．蔡穎等[25]也揭示了大致相同的氣候變化過程．由巴里坤湖所揭示的全新世氣候環(huán)境變化的特征與新疆其他地區(qū)湖泊沉積記錄的研究具有較好的一致性．南疆博斯騰湖的研究[35-36]表明，早全新世期間湖泊呈干涸狀態(tài)，7 000～5 000 a BP氣候暖濕，5 000～3 000 a BP氣候干旱，3 000～2 000 a BP濕潤，2 000 a BP以后氣候干旱，其中在3 300 cal. a BP和1 500 cal. a BP氣候濕潤程度較高，湖水水位高．北疆瑪納斯湖[37]研究表明，9 500～6 000 cal. a BP氣候偏干，中全新世早期氣候溫暖濕潤，晚期氣候轉(zhuǎn)干，晚全新世湖泊過渡到鹽化階段．北疆烏倫古湖的研究[38]表明，在全新世早期約9 990～7 720 cal. a BP氣候暖干，中全新世早期(7 630～5 250 cal. a BP)氣候暖濕，而中全新世后期(5 250～3 640 cal. a BP)湖面有所下降；3 300～1 000 cal. a BP氣候由冷干轉(zhuǎn)為溫濕．

對比表明，由湖泊沉積物δ15N記錄所記錄的巴里坤湖氣候環(huán)境變化過程(即早全新干旱，中、晚全新世相對濕潤)與上述湖泊的研究結(jié)果基本一致，也與亞洲中部干旱區(qū)全新世氣候變化的一般模式[35]相吻合．本研究表明，巴里坤湖泊沉積物δ15N記錄具有揭示氣候環(huán)境變化過程和特征的很好潛力．

5 結(jié)論

通過對巴里坤湖BLK-1剖面沉積物的δ15N進行分析，并結(jié)合δ13Corg、TOC、C/N氣候代用指標的對比和驗證，對δ15N記錄對過去氣候環(huán)境變化的指示意義進行了探討．研究表明，位于巴里坤湖沉積物δ15N記錄對于重建全新世氣候環(huán)境演變歷史具有良好的應(yīng)用潛力，它可以有效地指示區(qū)域干濕變化的特征與過程：其高值指示相對濕潤、低值指示相對干旱的氣候環(huán)境．但必須指出的是，由于影響湖泊沉積物有機質(zhì)穩(wěn)定氮同位素的因素眾多，使得穩(wěn)定氮同位素在古氣候環(huán)境指示意義的解釋中還存在多解性，這就要求我們在具體工作中要加強對研究區(qū)域現(xiàn)代沉積環(huán)境中穩(wěn)定氮同位素變化機制的認識和了解，同時結(jié)合多種生物、物理和地球化學(xué)等氣候指標的深入對比分析來進行更深入的研究．

致謝：常規(guī)14C測年由蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點實驗室完成，有機碳和氮同位素分別由中科院蘭州地質(zhì)研究所氣體地球化學(xué)國家重點實驗室和西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院同位素實驗室測定．對蘭州大學(xué)張成君教授和曹繼秀高級工程師，中科院蘭州地質(zhì)研究所楊輝博士和西南大學(xué)楊勛林教授、王建力教授的支持和幫助表示衷心的感謝．

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Keywords： Balikun Lake; stable nitrogen isotopes; Holocene; climatic implication

StudyontheClimaticandEnvironmentalImplicationofStableNitrogenIsotopesfromtheHoloceneLacustrineSedimentsinBalikunLakeinXinjiang

ZHONG Wei1*, ZHANG Jin2, YIN Huanling1, XUE Jibin1, CAO Jiayuan1, TANG Xiaohong1

(1.School of Geographical Sciences，South China Normal University，Guangzhou 510631，China;2.College of Resource and Environment Sciences, Xinjiang University, Urumqi 830046，China)

The significance of climatic implication of the sediments nitrogen isotopes from Balikun Lake, which is located in typically westerly-influenced northeastern Xinjiang, is studied in this paper. Values of δ15N values of a 250 cm-deep section which is located at the center of the lake, fluctuate from 6.0‰ to 22.9‰ with an average value of 12.0‰. Supported by multi-proxy records including bulk organic carbon isotopes (δ13Corg), organic matter content (OM), and the ratio of TOC and total nitrogen (C/N), higher δ15N values could reflect relatively wet conditions, whereas lower δ15N suggests relatively dry conditions is inferred. Based on the δ15N record, five climatic periods in the past 9 400 years could be identified, i.e., relatively dry conditions from 9 400 cal. a BP to 7 300 cal. a BP; relatively wet conditions between 7 300 cal. a BP and 5 900 cal. a BP; relatively dry period between 5 900 cal. a BP and 3 100 cal. a BP; a wetter period from 3 100 cal. a BP to 1 100 cal. a BP, and after 1 100 cal. a BP, strengthened human activity may exert strong influence on nitrogen isotopes. The results indicate that the nitrogen isotopes bear valuable potential to indicate past climatic changes in the westerly-influenced arid Xinjiang, NW China.

2013-09-18

國家自然科學(xué)基金項目(49761007)；新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點實驗室基金項目(XJDX0201-2008-02)；蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點實驗室開放基金

*通訊作者:鐘巍，教授，Email:dl06@scnu.edu.cn.

1000-5463(2013)06-0182-07

P426.61+2

A

10.6054/j.jscnun.2013.09.024

【中文責(zé)編：莊曉瓊 英文責(zé)編：肖菁】