黃河源區(qū)典型湖泊希門錯(cuò)沉積物的地球化學(xué)特征及其環(huán)境意義＊

沈德福， 李世杰， 姜永見(jiàn)

（1.寧德師范學(xué)院 旅游系，福建 寧德352100；2.中國(guó)科學(xué)院 南京地理與湖泊研究所，江蘇 南京210008）

近兩千年的氣候環(huán)境變化研究，是研究全球變化（PAGES）的一個(gè)重要時(shí)段，受到許多地學(xué)科學(xué)家的重視，通過(guò)對(duì)地質(zhì)記錄和器測(cè)資料進(jìn)行分析，了解該時(shí)段古氣候、古環(huán)境變化，進(jìn)而預(yù)測(cè)未來(lái)全球變化.有研究者根據(jù)物候資料與歷史資料恢復(fù)我國(guó)東部近5 000多年來(lái)的溫度變遷［1］.因湖泊沉積物可很好記錄歷史時(shí)期氣候波動(dòng)與流域環(huán)境變化過(guò)程的信息，常被用來(lái)分析近時(shí)期全球變化的氣候特征.很多專家的研究中利用樹(shù)輪、歷史文獻(xiàn)記錄等對(duì)中國(guó)不同區(qū)域近2 000年氣候與環(huán)境變化進(jìn)行深入研究，也利用湖泊沉積物進(jìn)行了大量分析［2－9，23］.

青藏高原的東北部是我國(guó)東南、西南季風(fēng)和西風(fēng)交匯帶，對(duì)全球以及地區(qū)氣候變化的響應(yīng)極為敏感，是我國(guó)古氣候及全球變化研究的理想地區(qū).該地區(qū)湖泊眾多，受到氣候與環(huán)境變化影響的自然要素的變化信息被很好地記錄在湖泊沉積剖面中，為分析地區(qū)氣候環(huán)境演替提供很好的數(shù)據(jù).以青藏高原東北部湖泊沉積物作為研究對(duì)象，通過(guò)采集和實(shí)驗(yàn)，分析該地區(qū)近1 000多年來(lái)的氣候變化，為全球氣候的演變規(guī)律提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 區(qū)域概況

黃河源區(qū)的希門錯(cuò)是半封閉的現(xiàn)代湖泊，其形態(tài)為冰川槽谷在冰后期被水充填而成，面積3.8 km2，流域面積大約50km2，湖面海拔高度為4 020m，流域內(nèi)最高峰的海拔為 5 369m.該地區(qū)的氣候具有顯著的高寒缺氧、氣溫低、光輻射強(qiáng)、晝夜溫差大等典型的高原大陸性氣候特點(diǎn).地勢(shì)高峻，易受北方和西北方的寒流影響，日照時(shí)間長(zhǎng)，降雨（雪）量較多，蒸發(fā)量大，多陣性大風(fēng)，年均氣溫零下4℃，周邊地區(qū)年平均降水量為306 mm左右.

2 樣品采集與實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品采集

2009年7月，利用重力采樣器在黃河源區(qū)的希門錯(cuò)采集沉積巖芯.在希門錯(cuò)水深35m處采集了47cm的沉積巖芯，采集點(diǎn)的地理位置是北緯33°22′41″，東經(jīng)101°06′22″將希門錯(cuò)上部20 cm沉積巖芯按0.5cm間隔連續(xù)取樣，在20cm以下的沉積物則按照1cm間隔連續(xù)取樣，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品的各種環(huán)境代用指標(biāo)分析.

圖1 希門錯(cuò)的沉積巖芯采集點(diǎn)Fig.1 The sediment collection point in Ximencuo

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

樣品年代分析在中科院貴陽(yáng)地球化學(xué)研究所進(jìn)行，沉積物的年代測(cè)定采用放射性同位素137Cs和210Pb的方法，實(shí)驗(yàn)用由美國(guó)EG ＆ G Ortec公司生產(chǎn)的由高純鍺井型探測(cè)器、Ortec919型譜控制器以及IBM微機(jī)構(gòu)成的16k道多道分析器所組成的γ譜分析系統(tǒng)進(jìn)行核素測(cè)定，在60Co 1.33MeV處，γ譜儀的測(cè)量系統(tǒng)能量分辨率為2.25keV，峰康比大于60∶1，相對(duì)探測(cè)效率為66%.137Cs的含量根據(jù)662keV射線的全峰面積求得；210Pbbex的比活度為210Pb與226Ra比活度的差值，210Pb的比活度由46.5keVγ射線譜峰面積求算，226Ra比活度根據(jù) HPh的譜峰面積（351.9keV）求算.137Cs和226Ra標(biāo)準(zhǔn)樣品由中國(guó)原子能研究院提供，210Pb標(biāo)準(zhǔn)樣品由英國(guó)利物浦大學(xué)做比對(duì)標(biāo)準(zhǔn).沉積物的化學(xué)元素分析在中科院南京地理與湖泊研究所的湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用HCl－HNO3－HF微波消化法和ICP－AES測(cè)定法，測(cè)試元素為Al、Fe、Ca等19種元素，沉積物元素的分析誤差小于±5%.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 沉積物年代分析

137Cs是核爆炸的裂變產(chǎn)物，以137Cs元素進(jìn)行的測(cè)年研究得到廣泛應(yīng)用，公認(rèn)的全球地表大氣沉降的137Cs有幾個(gè)峰值年，其中主要的一個(gè)是1963年，沉積物中的該峰值可作為近代沉積地層的對(duì)比與時(shí)間標(biāo)尺［10－12］.希門錯(cuò)的沉積巖芯用137Cs測(cè)年發(fā)現(xiàn)有2個(gè)明顯的峰值，位于巖芯的1.5cm和2.5cm深處，在4cm處含量已經(jīng)很低，結(jié)果表明137Cs核素時(shí)標(biāo)1986、1963年的峰值出現(xiàn)在1.5cm和2.5cm.根據(jù)137Cs峰值計(jì)算出希門錯(cuò)的沉積巖芯在0－1.5cm間的平均沉積速率為0.65mm／a，在0－2.5cm間的沉積巖芯平均沉積速率為0.56mm／a.為準(zhǔn)確推斷巖芯年代，又進(jìn)行了湖泊沉積物的210Pb放射性核素的測(cè)年分析，根據(jù)210Pb實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的指數(shù)變化特征，推斷該沉積環(huán)境是較為穩(wěn)定的，輸入湖泊的外源物質(zhì)的堆積速率也是基本穩(wěn)定的.

圖2 希門錯(cuò)沉積巖芯的137 Cs和210Pb剖面分布圖Fig.2 The 137 Cs and 210Pb profile in Ximencuo sediment core

希門錯(cuò)沉積巖芯使用210Pb的CRS模式推算沉積物柱芯年代，先計(jì)算出一定深度下各層沉積物中210Pb的累計(jì)總量（Bq／cm2），再利用137Cs的蓄積峰位置可以計(jì)算沉積物沉積速率.以該峰值的質(zhì)量深度比總的質(zhì)量深度，推算整個(gè)沉積巖芯的年代.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推斷希門錯(cuò)沉積物出現(xiàn)137Cs的兩個(gè)峰值，由此計(jì)算出平均沉積速率0.006 7g／（cm2·a），累 計(jì) 值 0.12Bq／cm2；210Pbex方法平均沉積速率0.006g／（cm2·a），累計(jì)值0.18Bq／cm2；整個(gè)希門錯(cuò)的質(zhì)量深度Z為11.5g／（cm2·a），由此可以推算希門錯(cuò)沉積巖芯的年代在1 720a左右.

圖3 希門錯(cuò)AMS14 C年代糾正分析Fig.3 The AMS14 C age correction in Ximencuo sediment core

為了確認(rèn)沉積巖芯的年代，采用AMS14C測(cè)量沉積巖芯的底部年代，實(shí)驗(yàn)由西安環(huán)境研究所完成，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和上述分析較為一致.如希門錯(cuò)AMS14C的 Age（a BP）為2472，誤差為35，經(jīng)OxCal作年代糾正分析，在其基礎(chǔ)上消除碳庫(kù)效應(yīng)年代.其底部推算年代為1 748a，和質(zhì)量深度計(jì)算年代非常接近.

3.2 希門錯(cuò)沉積巖芯的總有機(jī)碳（TOC）及碳同位素δ13C分析

從希門錯(cuò)沉積巖芯的有機(jī)物含量分布圖（圖4）可看出，沉積物中的TOC含量總體變化穩(wěn)定，在整個(gè)沉積過(guò)程中也有一些波動(dòng)：大約在32cm以下，TOC含量呈現(xiàn)緩慢下降；在32－18cm處保持緩慢增加的態(tài)勢(shì)，有所波動(dòng)；在18－3cm階段，其含量又逐步下降；在3－0cm，TOC整體呈現(xiàn)增加迅速態(tài)勢(shì).整個(gè)沉積巖心的TOC變化范圍在40～60g／kg之間.而TN與TOC的變化極為相似，二者基本同步.希門錯(cuò)的C／N比值位于10左右，波動(dòng)很小.表明內(nèi)源和外源有機(jī)物在湖泊有機(jī)物中各占一定的比例，周邊環(huán)境變化穩(wěn)定.TP在2cm以下呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，在2cm之上突然迅速增加，從1g／kg增加到3g／kg.δ13C顯示在－25‰～－23‰之間，表明其植物多為C3.δ13C在沉積巖心中存在一定的波動(dòng)，自下而上含量表現(xiàn)為升高－降低－升高－降低的特征，這種變化應(yīng)該與區(qū)域環(huán)境的氣候有很大關(guān)系.

圖4 希門錯(cuò)沉積巖芯的TOC、TN、TP和δ13 C分布Fig.4 The TOC，TN，TP andδ13 C analysis in Ximencuo sediment core

3.3 希門錯(cuò)沉積物地球化學(xué)元素分析

希門錯(cuò)地球化學(xué)元素在各沉積巖芯的含量見(jiàn)圖5，含量較大的元素為Al、K和Na等元素，含量較小的是Co、Be等元素，這些元素含量在整個(gè)階段的變化趨勢(shì)是減少的，在35cm左右有一個(gè)較大波動(dòng)，而P元素則在近些年呈現(xiàn)迅速增長(zhǎng).

圖5 希門錯(cuò)沉積巖芯的元素含量變化Fig.5 The changes of element contents in Ximencuo sediment core

聚類分析研究在湖泊沉積物物源、重金屬沉積等方面有廣泛的應(yīng)用［13－14］.從圖6可知希門錯(cuò)湖泊的19種元素分為四大類，第一類元素有4種，包括 Mn、P、Fe、Ca，第二類元素包含 Mg、V、Al、Cr、Ba；第三類元素 Pb、Zn、Be、Cu、K、Ni；第四類元素為Na、Ti、Sr和Co.

如果企業(yè)所屬成員受同種文化熏陶，則比較容易建立共同的企業(yè)文化，因?yàn)楸舜瞬淮嬖谖幕糸u和價(jià)值觀等各方面的差異，也不存在政治、經(jīng)濟(jì)、法律、制度、風(fēng)俗、習(xí)慣等方面的不同，企業(yè)的經(jīng)營(yíng)文化環(huán)境相對(duì)單純，也容易在管理模式、營(yíng)銷模式、經(jīng)營(yíng)模式等方面取得共識(shí).

第一類元素有 Mn、P、Fe、Ca四個(gè)元素.Mn、P元素的遷移性較弱，其中Mn元素是湖泊沉積物有機(jī)質(zhì)降解的主要氧化劑，它在沉積物的含量變化與有機(jī)物沉積環(huán)境極為相關(guān).而P沉積含量波動(dòng)受人類活動(dòng)影響極大，這個(gè)元素是反映區(qū)域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和人類活動(dòng)程度的主要指標(biāo)；Fe、Ca是常量元素，遷移性較強(qiáng)，活性中等，在降水量不多且氣候較冷的黃河源區(qū)，含量變化也較穩(wěn)定.四個(gè)元素在剖面上變化規(guī)律一致，在3.5cm以下含量比較穩(wěn)定，其含量在30－32cm之間有一些波動(dòng)，在3.5cm－0cm之間，這類元素含量呈現(xiàn)迅速增加，可能與氣候升高，人類活動(dòng)加強(qiáng)有關(guān).從元素之間比較來(lái)看，Mn、P的沉積含量比Fe、Ca更為穩(wěn)定，其含量在3.5cm以下階段保持不變，而Fe、Ca稍有波動(dòng)，并略有增加.

圖6 希門錯(cuò)沉積柱元素聚類分析Fig.6 The elements lustering analysis in Ximencuo sediment core

第二類元素為 Mg、V、Al、Cr、Ba，這些元素的地球化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是賦存在陸源碎屑礦物中的化學(xué)元素.在沉積物中的這些元素來(lái)源于流域侵蝕帶來(lái)的物質(zhì)，以及在水體中經(jīng)過(guò)物理、化學(xué)和生物過(guò)程產(chǎn)生的內(nèi)生沉淀，因而這些元素含量反映了外來(lái)沉積的影響和徑流的溶解能力，反映徑流的侵蝕能力.在剖面分布上看，這些元素仍保持含量相對(duì)穩(wěn)定但波動(dòng)較大，在20cm以下，這些元素含量呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，表示該階段降水量呈微增的態(tài)勢(shì)，元素含量在32cm處有一個(gè)低值，表明該時(shí)期降水量減少造成徑流侵蝕能力突然銳減；在20cm之上的沉積巖芯的元素含量整體呈波動(dòng)減少，表明自小冰期以來(lái)，希門錯(cuò)地區(qū)的降水呈現(xiàn)緩慢減少的趨勢(shì)，在3.5cm－0cm之間，這些元素的含量迅速減少，與區(qū)域的降水減少不無(wú)關(guān)聯(lián)，在20世紀(jì)變暖的階段，該地區(qū)趨向暖干態(tài)勢(shì).

第三類元素為Pb、Zn、Be、Cu、K、Ni等；Pb、Be、Cu、Ni等元素含量較少，活動(dòng)性居中；K是常量元素，性質(zhì)較為活潑.這些元素在沉積物埋藏期間，參與到沉積物和水界面之間以及未固結(jié)沉積物中各種物理、化學(xué)和生物過(guò)程，和徑流侵蝕的元素有著密切的關(guān)聯(lián)，具有波動(dòng)性.從垂直分布看，這些元素比第二類元素的波動(dòng)性更大，從沉積巖芯32cm、5cm處可以看出，這些元素含量突然銳減，可能與降水波動(dòng)使第二類元素減少帶來(lái)的.

第四類元素為Na、Ti、Sr和Co.其中，Na和Sr為活性元素，Na是常量元素，Na含量與湖泊水質(zhì)有著極大的關(guān)系，在水量增加的時(shí)候，它的含量會(huì)增加；Sr元素來(lái)自地下泉水的活動(dòng)，因而能指示區(qū)域泉水活動(dòng)情況，常隨著CaCO3在沉積物中富集.在垂直分布上，四個(gè)元素在3.5cm之下表現(xiàn)比較平穩(wěn)，在3.5cm之上呈下降趨勢(shì).

圖7 希門錯(cuò)沉積巖芯部分元素比值的垂向變化Fig.7 The vertical variation of elemental ratios inXimencuo sediment core

從圖7看出，Sr／Ca總體較低，反映水體鹽度較低；變幅較小，表明沉積巖芯的鹽度變化幅度不大，6cm以下Sr／Ca值較低，反映該時(shí)段湖水鹽度較低；6cm處突然增大，表明鹽度增高，可能因降水減少導(dǎo)致鹽度增大.Fe／Al值在3.5cm以下比較穩(wěn)定，比值較低，在3.5cm以上至表層逐漸增大，說(shuō)明流域環(huán)境向弱堿化方向變化.Fe／Mn的比值自底部到表面呈減少趨勢(shì)，表明水體環(huán)境從還原性向氧化性增強(qiáng)的趨勢(shì)過(guò)渡，指示湖泊沉積環(huán)境在水體較深處，然后逐漸變淺；比值較高表明環(huán)境的還原性較強(qiáng)，湖泊水深加大，湖泊面積擴(kuò)張，比值低指示環(huán)境的氧化性逐步增強(qiáng).Ca／K的比值較低，表明Ca元素的遷移隨著流水而淋失較大，指示氣候較溫暖；比值自下而上呈逐漸增大的趨勢(shì)，反映氣候逐步趨向暖干狀態(tài).

4 討 論

湖泊沉積物有機(jī)碳總量（TOC）來(lái)源有兩類——內(nèi)源和外源有機(jī)碳.外源有機(jī)碳是流域內(nèi)陸生植物和流域侵蝕的結(jié)果.內(nèi)源有機(jī)碳則受湖泊自身水生生物影響，通常在暖濕氣候時(shí)期，湖泊內(nèi)水生生物和流域陸地上植被茂盛，因而湖泊沉積物中的有機(jī)質(zhì)含量較高.對(duì)于地處寒冷氣候區(qū)的湖泊而言，氣溫成為影響生物生長(zhǎng)的主導(dǎo)因素，因而沉積物中TOC的高值常對(duì)應(yīng)暖期，低值對(duì)應(yīng)冷期［17］.

圖8 希門錯(cuò)沉積巖芯氣溫、TOC和δ13 C的相關(guān)性分析Fig.8 The analysis of temperature，TOC andδ13 C in Ximencuo sediment core

湖泊沉積物有機(jī)質(zhì)碳同位素δ13C是一種重要的環(huán)境代用指標(biāo)，許多分析湖泊沉積的研究顯示湖水pH、鹽度、溫度等波動(dòng)會(huì)引起δ13C的變化［18］，因而δ13C在解釋湖泊沉積環(huán)境變化中具有復(fù)雜性和多種可能性［19］，如Nakai在日本琵琶湖的分析中認(rèn)為暖期的δ13C偏高，冷期偏低，學(xué)者對(duì)我國(guó)東部地區(qū)湖泊如江蘇固城湖、吉林大布蘇湖等湖泊沉積物研究表明有機(jī)質(zhì)δ13C的高值表明氣候溫暖，低值對(duì)應(yīng)氣候寒冷［20］.而對(duì)青藏高原若爾蓋盆地、青海湖等的分析卻得出氣候較暖時(shí)δ13C偏負(fù)，而在氣候較冷時(shí)δ13C偏正，結(jié)論完全相反［21］.因此，有專家認(rèn)為青藏高原地區(qū)的湖泊沉積物δ13C波動(dòng)與寒冷環(huán)境的植被關(guān)系是：暖期偏低，冷期偏高［21－22］.

根據(jù) TOC、δ13C等變化特征，認(rèn)為希門錯(cuò)存在這樣幾個(gè)階段：32cm以下，時(shí)間大約在900AD之前，該階段δ13C呈上升趨勢(shì)，而TOC含量波動(dòng)下降，表明該階段為氣溫變冷階段；32－20cm之間（900－1300AD），δ13C表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，而 TOC含量波動(dòng)上升，這個(gè)變化表明該階段為氣溫變暖階段，與中世紀(jì)暖期相對(duì)應(yīng)；在20－3.5cm之間（1300－1900AD），δ13C 表 現(xiàn) 為 波 動(dòng) 上 升 趨 勢(shì)，而TOC含量下降，這個(gè)變化表明該階段為氣溫變冷階段，與小冰期較為吻合；3.5－0cm（大約1900AD至今），δ13C含量為下降趨勢(shì)，而TOC波動(dòng)上升，這個(gè)時(shí)期為20世紀(jì)暖期.

根據(jù)希門錯(cuò)的沉積巖芯化學(xué)元素含量及其比值在沉積巖芯上的變化，以沉積巖芯32cm、20cm、3.5cm為界從下至上劃分出四個(gè)階段，各階段的元素含量特征及湖泊環(huán)境變化如下：

在巖芯47－32cm階段，沉積巖芯中Ca、Sr、K元素含量低，而Fe、Mn、Al含量保持平穩(wěn)；Ca／K元素比值低；Fe／Al元素的比值也處于低值.表明該階段流域沉積物經(jīng)受的化學(xué)風(fēng)化作用較弱，易遷移的元素都未被淋濾，大都保留在沉積物中.而Fe的富集使Fe／Mn比值高，表明當(dāng)時(shí)為還原環(huán)境；Sr／Ca的值較低指示湖水鹽度較低.

在巖芯32－20cm階段：遷移能力較強(qiáng)的Ca、Sr、Zn、K元素含量增高，F(xiàn)e、Mn、Ti等元素含量穩(wěn)定，Ca／K和Fe／Al比值呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，表明此階段化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度有所增強(qiáng).Sr／Ca值逐步下降，反映水體鹽度變低，F(xiàn)e／Mn值降低指示當(dāng)時(shí)水體變淺.

在巖芯20－3.5cm 階段：Ca、Sr、Fe、Mn、Al、Ti等含量繼續(xù)增高，元素Zn變低，而Ca／K比值仍然較低，F(xiàn)e／Al比值低并穩(wěn)定，反映此階段流域風(fēng)化殼化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度仍然不高，一些易遷移的元素被水淋濾帶走，而Fe和Al的含量相對(duì)較高.Fe／Mn比值逐步降低，反映湖泊深度繼續(xù)變淺；Sr／Ca值由低逐步升高表明湖水鹽度在增大，降水減少.

巖芯3.5－0cm階段：遷移能力較強(qiáng)的Ca、K和Sr含量繼續(xù)降低，Zn稍有增加；遷移能力較弱的Fe、Mn呈增加態(tài)勢(shì)，而Al、Ti含量自下而上呈明顯下降趨勢(shì).Ca／K比值增高，F(xiàn)e／Al元素的比值也增高；表明湖泊流域的化學(xué)風(fēng)化作用增強(qiáng)，該階段流域風(fēng)化殼處于中高級(jí)階段（酸性硅鋁階段），這個(gè)階段和20世紀(jì)變暖時(shí)間相吻合.

5 結(jié) 論

（1）黃河源希門錯(cuò)沉積物由137Cs核素時(shí)標(biāo)1963年的峰值出現(xiàn)在2.5cm，根據(jù)平均沉積速率和質(zhì)量深度推算希門錯(cuò)47cm沉積巖芯的年代在1 720a左右.

（2）希門錯(cuò)沉積物47cm柱狀巖芯中有機(jī)質(zhì)和地球化學(xué)元素含量變化反映了此湖近1 150年的環(huán)境演化過(guò)程和特征，可分為四個(gè)階段：32cm以下（900AD之前），該階段為氣溫變冷階段，降水多；32－20cm 之間（900－1300AD），該階段為氣溫變暖階段，和中世紀(jì)暖期相對(duì)應(yīng)，降水減少；20－3.5cm之間（1300－1900AD），該階段為氣溫變冷階段，和小冰期較為吻合，降水較多且逐步減少；3.5－0cm（1900AD至今），這個(gè)時(shí)期為20世紀(jì)暖期，降水較少.

（3）磷元素沉積含量變化與自然及人類活動(dòng)關(guān)系密切，沉積巖芯3.5～0cm之間磷元素含量快速增加，表明希門錯(cuò)流域近20多年來(lái)人類活動(dòng)的影響不斷增強(qiáng).而之前磷元素沉積含量呈現(xiàn)穩(wěn)定低值，指示了該湖泊地區(qū)的磷元素自然背景.

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