祁連山周邊內(nèi)流區(qū)人類活動對表層沉積物的影響

關(guān)鍵詞 祁連山；內(nèi)流區(qū)；表層沉積物；人類活動影響區(qū)

0 引言

表層沉積物是現(xiàn)代過程的產(chǎn)物，對現(xiàn)代環(huán)境具有一定的指示意義，而現(xiàn)代環(huán)境的變化又是研究過去氣候變化的基礎(chǔ)，從現(xiàn)代環(huán)境演變過程推斷過去環(huán)境變化規(guī)律是表層沉積物研究的重點內(nèi)容。在表層沉積物的研究中，通過分析沉積物代用指標(biāo)來反映沉積物的物質(zhì)來源、形成機制、流域生態(tài)環(huán)境以及氣候變化等信息，已經(jīng)逐漸成為環(huán)境變化研究中的重要手段之一[1?8]。Contreras et al.[9]討論了南美南部湖泊表層沉積物中有機地化指標(biāo)與氣候要素之間的關(guān)系，確定了指標(biāo)所反映的氣候梯度（溫度和降水），Blagodatskaya et al.[10]在黃土高原古土壤δ13Corg植被歷史重建過程中提出需要先評估微生物和外部有機質(zhì)影響；王國安[11]研究我國西北地區(qū)表層沉積物和植被δ13Corg 時發(fā)現(xiàn)表層沉積物δ13Corg 值比植被δ13C值偏正2.2‰；饒志國等[12]發(fā)現(xiàn)黃土有機質(zhì)主要來源于當(dāng)?shù)刂脖唬渫凰仄╨t;1.7‰）?？傮w來說，植物轉(zhuǎn)為土壤過程中同位素分餾很小，表層沉積物δ13Corg可以推測歷史各時期的植被變化，還原古環(huán)境演化過程[12]。

工業(yè)革命以來，人類活動對環(huán)境的影響已擴展到整個地球系統(tǒng)，引發(fā)了全球變暖、水資源匱乏、森林覆蓋減少、沙塵暴頻發(fā)等一系列全球性環(huán)境問題[13?17]。人類活動受全新世氣候變化強烈影響，人類在適應(yīng)環(huán)境變化的同時也給周邊環(huán)境造成了一定程度的影響[18]。多項研究證實全新世各種類型的沉積物中存在人類活動痕跡，其古環(huán)境代用指標(biāo)可以指示人類活動，如湖泊沉積物粒度[19]、孢粉[20?21]、黃土沉積物磁化率（MS）和粒度[22?23]、冰芯同位素[24]、石筍碳氧同位素[25?26]、表層沉積物有機地化指標(biāo)[27?30]，但對人類活動影響沉積物的作用時間和作用方式看法不一。

祁連山位于我國東部季風(fēng)區(qū)、青藏高原區(qū)和西北干旱區(qū)的交匯地帶，是我國西北部重要的生態(tài)安全屏障。由于深居內(nèi)陸，遠離海洋，具有相對獨立的地理環(huán)境，祁連山內(nèi)流河地區(qū)是氣候變化和人類活動的敏感區(qū)。人類活動是否會對祁連山地區(qū)表層沉積物代用指標(biāo)產(chǎn)生影響，是我們以后利用指標(biāo)反演該地區(qū)氣候變化時需要考慮的問題。然而，目前我國祁連山周邊地區(qū)現(xiàn)代表層沉積物研究相對匱乏，特別是其碳酸鹽碳氧同位素組成和現(xiàn)代沉積過程的研究。綜上所述，為明確沉積地層中古環(huán)境代用指標(biāo)所包含的人類活動信息，以祁連山及周邊地區(qū)表層沉積物為主要研究對象，分析并討論了現(xiàn)代表層沉積物與環(huán)境要素之間的關(guān)系以及人類活動對表層沉積物的影響，進一步明確代用指標(biāo)的現(xiàn)代環(huán)境指示意義，從而為后續(xù)利用沉積地層中古環(huán)境代用指標(biāo)反演過去氣候變化提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

位于青藏高原北緣的祁連山是由眾多近似平行山脈組成的呈東西走向的巨大山體，東接秦嶺，西連阿爾金山。以青海湖和哈拉湖為界線，可以將祁連山地區(qū)分成東、中、西三段，東段由大通河谷地、青海湖盆地、湟水谷地和拉脊山、大通山—達坂山、冷龍嶺三列較為平行的山脈共同組成；西段由哈拉湖和疏勒河上游谷地以西的山地組成；其余為中段。由于氣候單元上屬于青藏高原高寒區(qū)和西北干旱區(qū)交錯帶，大氣環(huán)流上地處東亞季風(fēng)與西風(fēng)區(qū)交匯區(qū)，因此祁連山受季風(fēng)—西風(fēng)協(xié)同作用影響明顯。東段山地受季風(fēng)、西風(fēng)影響較大，氣候較為溫暖濕潤；中段地區(qū)地域遼闊，冰川發(fā)育較多，有眾多高山草甸；西段山地干旱寒冷，受干燥剝蝕作用植被覆蓋度低，還發(fā)育雅丹地貌。

1.2 樣品采集與實驗方法

1.2.1 樣品采集

為獲取足夠的表層沉積物數(shù)據(jù)，本研究組于2017年、2019年、2020年分別在祁連山及周邊地區(qū)進行了三次樣品采樣，共采集表層沉積物樣品456個。第一次在祁連山周邊的四個內(nèi)流河流域—石羊河流域、石油河流域、豐樂河流域和布哈河流域共采集表層沉積物樣品129個，采樣點位于河漫灘或河谷中，距離河流水平距離30～1 000 m，植被以草甸或混合植被為主；第二次在祁連山地區(qū)進行了為期半個月的采樣，共采集表層沉積物樣品317個，采樣點周圍地貌為山前坡地、山前平原，植被類型一般為草地或草甸，部分采樣點為混合植被類型，參考我國DEM數(shù)據(jù)分別于祁連山南麓和北麓兩條線路進行樣品采集，并在沿線采樣的基礎(chǔ)上，在合適的區(qū)域設(shè)計了多條從流域上游地區(qū)到流域下游地區(qū)的采樣路線，以涵蓋祁連山地區(qū)；第三次在金塔縣附近進行補充采樣，采集表層沉積物樣品20個。以5～10 km為間隔進行采樣工作，樣品采集時需刮除表面2～3 cm的雜質(zhì)，采集露出的新鮮土壤，采樣深度為0～10 cm，采樣點如圖1所示。為分析人類活動對表層沉積物古環(huán)境代用指標(biāo)的影響，將區(qū)域內(nèi)耕地和建設(shè)用地作為祁連山及周邊地區(qū)的人類活動影響區(qū)。其他區(qū)域主要為林地、草地、灌叢、濕地、水體、裸地和冰川/積雪，人類活動影響較小，將其視為其他地區(qū)。

1.2.2 實驗方法

表層沉積物TOC、TN數(shù)據(jù)在蘭州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院分析測試中心測定。C/N數(shù)據(jù)則根據(jù)測得的實驗數(shù)據(jù)，利用TOC/TN進行計算得到。具體實驗步驟如下：（1）稱取適量樣品置于瑪瑙研缽中研磨，過150目的網(wǎng)篩；（2）稱取上述樣品0.5 g置于離心管，并加入10 mL稀鹽酸（1 mol/L）搖晃混勻；（3）水域震蕩3 h（60 ℃），隨后靜置18 h；（4）待反應(yīng)完全后，將離心管置于離心機中離心5 min（4 000 rad/min）；（5）將離心管內(nèi)上層清液倒出，并加入40 mL去離子水，震蕩約30 min后再進行離心，重復(fù)多次上述操作，直到上層清液pH 呈中性；（6）將上述樣品放入恒溫箱（60 ℃），低溫烘干24 h；（7）稱取步驟（1）處理后的20 μg樣品，使用Vario EL cube元素分析儀測定。最終樣品實際的TOC、TN含量用以下公式進行計算：

式中：M0為樣品元素的實際百分含量（%），M 為樣品中所測元素值（%），G0和G 分別為處理前、后樣品的重量（g）。

表層沉積物δ13Corg 數(shù)據(jù)使用Finnigan-MAT 253Plus同位素質(zhì)譜儀進行測定。具體實驗步驟如下：（1）稱取適量樣品放入研缽中進行研磨，并過200目的網(wǎng)篩；（2）稱取上述處理好的樣品0.2 g置于離心管，加入適量1 mol/L的稀鹽酸，再用去離子水反復(fù)攪拌、洗滌，并靜置一段時間，保證上層清液接近中性；（3）將處理后的樣品放入60 ℃恒溫箱進行24 h 烘干。沉積物等樣品采用B2151、B2153兩種國際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，標(biāo)樣的分析精度可達0.2‰。標(biāo)樣B2151，推薦值δ13CVPDB（‰）=-28.85，標(biāo)樣B2153，推薦值δ13CVPDB（‰）=-22.88。

表層沉積物δ13Ccarb、δ18O數(shù)據(jù)使用Finnigan-MAT253 Plus同位素質(zhì)譜儀測試，計算結(jié)果以VPDB為標(biāo)準(zhǔn)。采用色譜柱（熔硅毛細管柱：規(guī)格為Poraplot Q，25 m×0.32 mm）溫度為70 ℃。具體實驗步驟如下：（1）稱量適量樣品進行研磨，并過200目網(wǎng)篩以去除砂石、樹根等雜質(zhì)；（2）稱取100 μg樣品放至12 mL的反應(yīng)瓶中；（3）使用流速達100 mL/min的高純度氦氣（99.999%），每次樣品均需排空處理600 s；（4）向處理后的樣品中加入0.2 mL的無水H3PO4（100%），并將反應(yīng)瓶置于72 ℃的加熱盤；（5）待完全反應(yīng)后，氣體需要通過熔硅毛細管柱（70 ℃），從而提取CO2；（6）最后利用穩(wěn)定氣體同位素質(zhì)譜儀測量生成的CO2，精度均高于0.1‰。使用GBW04405（δ13CVPDB=0.57‰，δ18OVPDB=-8.49‰）作為校正標(biāo)樣，GBW04416（δ13CVPDB=1.61‰，δ18OVPDB=-11.59‰）作為質(zhì)控樣，每20個樣品加入一組標(biāo)樣，每10個樣品添加一個平行樣，5組標(biāo)樣的測試結(jié)果的δ18O和δ13C測試精度均高于0.2‰。

2 結(jié)果與分析

本研究組共采集祁連山及周邊地區(qū)表層沉積物樣品456個，選取456個樣品進行了TOC、TN和C/N測試，288個樣品進行了δ13Corg、δ13Ccarb和δ18O測試。本文將總研究區(qū)劃分為人類活動影響區(qū)和其他地區(qū)，不同區(qū)域內(nèi)表層沉積物TN、TOC、C/N、δ13Corg、δ13Ccarb和δ18O的頻率分布如圖2所示?？傃芯繀^(qū)和其他地區(qū)表層沉積物古環(huán)境代用指標(biāo)的頻率分布較為相似，TOC和TN變化幅度較大，整體偏小，C/N多集中在10～20，δ13Corg多介于-25‰～-23‰，δ13Ccarb、δ18O基本在-2‰～0 和-8‰～-4‰（圖2）。在人類活動影響區(qū)TOC和TN在數(shù)值小的區(qū)域頻率分布明顯增大。C/N在10附近頻率明顯減小，其他區(qū)間變化不大，δ13Corg、δ13Ccarb 和δ18O數(shù)值則略偏大。人類活動影響區(qū)TN、TOC含量平均值分別為0.08%，1.21%，低于其他地區(qū)和總研究區(qū)的平均值，δ13Corg、δ13Ccarb和δ18O的平均值較其他地區(qū)和總研究區(qū)偏大（表1）。

TOC是指示沉積物中總有機質(zhì)含量多少的重要指標(biāo)[31]。表層沉積物TOC含量的多少不僅取決于植被類型，還受植物殘體凋落和分解作用的影響[32]。祁連山地區(qū)表層沉積物TOC平均值為1.57%（表1），遠低于我國第二次土壤普查的平均值[33]。研究區(qū)土壤類型多為土壤肥力較低的草甸土、沼澤土和鹽堿土等，導(dǎo)致植被生產(chǎn)力整體較弱，TOC含量較小。

表層沉積物C/N是判別區(qū)域內(nèi)有機質(zhì)來源的有效手段[3]。一般情況下，有機質(zhì)主要為外源物質(zhì)時，陸生植物有機質(zhì)內(nèi)蛋白質(zhì)含量較低，纖維素含量較高，所以C/N變化范圍為14～23，或者更高；有機質(zhì)以內(nèi)源物質(zhì)為主時則與之相反，一般C/Nlt;10[34]。研究區(qū)表層沉積物C/N變化范圍大多位于陸生高等植物C/N的分布區(qū)間（圖3），表明該區(qū)域表層沉積物有機質(zhì)主要來自外源物質(zhì)，反映了祁連山地區(qū)陸生植物的生產(chǎn)力狀況。前人研究指出中國土壤C/N的平均值為10～12[33]，而高寒地區(qū)表層沉積物C/N的平均值為17.4[36]。經(jīng)計算研究區(qū)表層沉積物C/N的均值為15.83，高于全國土壤平均水平，接近高寒地區(qū)表層沉積物的C/N值，表明表層沉積物中微生物分解礦化作用偏慢，土壤中有效態(tài)氮素會被消耗，這可能與祁連山區(qū)域的地理位置、氣候變化等多種因素有關(guān)。

為進一步探討研究區(qū)主要陸生植物類型，分析了δ13Corg的變化情況（圖3）。不同植物的光合作用路徑不同，導(dǎo)致碳同位素存在差異，因此δ13Corg可以用來指示植被類型和初級生產(chǎn)力狀況[4]。陸生C3 植物δ13Corg 介于-34‰～-23‰，集中在-27‰ 附近；陸生C4 植物δ13Corg 介于-19‰～-9‰，集中在-13‰ 附近（表2）。研究區(qū)表層沉積物δ13Corg集中在陸生C3植物的變化區(qū)間內(nèi)（圖3），證明該區(qū)域主要植被類型為C3植物。該結(jié)果與野外采樣的實際情況一致，符合西北干旱區(qū)現(xiàn)代植被特征。

通常認為控制土壤碳酸鹽形成的主要因素是降水和溫度[39?40]，但在實際應(yīng)用中δ18O的指示意義仍存在爭議。對δ18O的分餾機制研究發(fā)現(xiàn)，土壤碳酸鹽含量會隨著溫度和蒸發(fā)的增加而富集，從而致使δ18O偏正[41]。表層沉積物δ13Ccarb多來自土壤吸收的大氣CO2和土壤生物過程，已有研究證明鹽堿土可以吸碳，且在祁連山地區(qū)表層存在碳酸鹽富集現(xiàn)象[42?44]。自然因素和人類活動共同作用可能是導(dǎo)致人類活動影響區(qū)δ13Ccarb、δ18O數(shù)值偏大的原因。

本文使用回歸分析探究表層沉積物代用指標(biāo)和空間因素（海拔，經(jīng)緯度）的關(guān)系。其他地區(qū)表層沉積物TN、TOC與海拔呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，陰影部分表示95%置信區(qū)間（圖4a，c），C/N與海拔呈極顯著負相關(guān)關(guān)系（圖4e）。人類活動影響區(qū)TN、TOC與海拔呈正相關(guān)，但比其他地區(qū)顯著性較弱（圖4b，d），C/N與海拔呈較弱的正相關(guān)關(guān)系（圖4f）。其他地區(qū)表層沉積物δ13Corg、δ18O、δ13Ccarb與海拔呈較為顯著的負相關(guān)關(guān)系（p均lt;0.01；圖4g，i，k），其中δ13Ccarb與海拔為極顯著負相關(guān)關(guān)系（圖4g），表現(xiàn)為隨著海拔高度的增加，同位素逐漸變重。人類活動影響區(qū)中δ13Corg、δ18O、δ13Ccarb與海拔之間的相關(guān)性不明顯，且數(shù)據(jù)多集中在海拔2 000 m以下（pgt;0.1；圖4h，j，l）。通過分析代用指標(biāo)在不同海拔范圍內(nèi)與海拔的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，在3 200 m以上區(qū)域，TN、TOC與海拔呈負相關(guān)關(guān)系（圖5a～d），可能是高海拔地區(qū)植被生長條件因海拔越高，溫度降低而受到影響。海拔3 500 m以下，表層沉積物δ13Corg隨海拔升高而逐漸偏輕；而海拔3 500 m以上，隨海拔升高而逐漸偏重（圖5e，f）其他地區(qū)表層沉積物TN、TOC與緯度呈極顯著負相關(guān)關(guān)系（圖6a，c），C/N與緯度呈較顯著的正相關(guān)關(guān)系（圖6e）。人類活動影響區(qū)TN、TOC和C/N與緯度的相關(guān)性減弱（圖6b，d，f）。其他地區(qū)表層沉積物δ13Corg和δ13Ccarb與緯度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系（圖6j，k），δ18O與緯度的相關(guān)性較弱（圖6i）。人類活動影響區(qū)δ13Corg、δ18O與緯度的相關(guān)性很?。▓D6h，j），δ13Ccarb與緯度呈較顯著的正相關(guān)關(guān)系（圖6l）。

其他地區(qū)表層沉積物TN、TOC與經(jīng)度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（圖7a，c），C/N與經(jīng)度呈顯著負相關(guān)關(guān)系（圖7e）。人類活動影響區(qū)TN、TOC與經(jīng)度的相關(guān)性較其他地區(qū)減弱（圖7b，d），C/N與經(jīng)度呈負相關(guān)關(guān)系（圖7f）。其他地區(qū)表層沉積物δ13Corg，δ13Ccarb與經(jīng)度呈顯著負相關(guān)關(guān)系（圖7g，k），δ18O和經(jīng)度的負相關(guān)關(guān)系相對較弱（圖7i）。人類活動影響區(qū)δ13Corg和δ18O與經(jīng)度的相關(guān)性較弱（圖7h，j），δ13Ccarb與經(jīng)度呈顯著負相關(guān)關(guān)系（圖7l）。

3 討論

3.1 表層沉積物古環(huán)境代用指標(biāo)與空間因素的關(guān)系

海拔高低會通過影響植被生產(chǎn)力的大小和土壤類型改變表層沉積物TOC和TN含量[45?46]。北美洲半干旱區(qū)[47]、南美洲亞馬孫森林[48]和我國祁連山[49]等地均發(fā)現(xiàn)了土壤有機碳含量隨海拔的升高而增大；在美國亞利桑那州荒漠草原[50]、非洲肯尼亞東茂森林[51]和我國南方的星云湖[52]、鄱陽湖[53]等地均證實了土壤TN含量隨海拔升高而增加，與研究區(qū)TN、TOC的變化特征類似（圖4a，c）。當(dāng)海拔上升到一定高度后，TN、TOC與海拔的正相關(guān)關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)樨撓嚓P(guān)關(guān)系，相關(guān)性減弱（圖5a～d）。高海拔地區(qū)土壤成土母質(zhì)中含有大量的較粗殘積物，養(yǎng)分含量不高，同時溫度降低影響了植物的生長和土壤氮素的輸出。因此土壤TN、TOC含量下降，我國內(nèi)蒙古黃花甸子流域和甘南草地土壤TN也發(fā)現(xiàn)類似的情況[53?54]。表層沉積物C/N主要代表了土壤的氮礦化能力[55]，C/N低值表示有機質(zhì)礦化過程快，土壤環(huán)境有利于微生物進行有機質(zhì)分解，土壤有效氮含量高。C/N隨海拔的增大而減?。▓D4e），表明海拔越高土壤有機質(zhì)氮礦化能力越大。

祁連山及周邊地區(qū)表層沉積物δ13Corg的變化與青藏高原表土有機質(zhì)δ13Corg研究結(jié)果類似[56]。表層沉積物δ13Corg與植物δ13Corg密切相關(guān)，研究區(qū)植物類型分布狀況顯示，海拔3 500 m以下，森林、灌叢、草甸等在不同海拔區(qū)域內(nèi)均有分布，多為C3植物，以禾本科為主的C4植物則多存在于低海拔地區(qū)或者干旱區(qū)域[57]。海拔3 500 m以下δ13Corg隨海拔的升高而逐漸變輕的原因可能與C4、CAM植物減少，C3植物所占比例增大有關(guān)（圖5e）[58]。海拔3 500 m以上，研究區(qū)C3植物占絕對優(yōu)勢，海拔升高而有機碳同位素逐漸變重，可能是低大氣壓力背景下葉片吸收利用大氣CO2效率下降（圖5f）[59?60]。除此之外，海拔變化能夠影響溫度、降水和光強等多種因素，對植物光合作用產(chǎn)生影響，祁連山區(qū)域光照強度足夠滿足植物的需要量[61?62]，溫度和降水可能是影響植物光合作用的決定因素。

由于受到氣候因子的驅(qū)動，表層沉積物代用指標(biāo)與經(jīng)緯度關(guān)系密切[63]。祁連山區(qū)域由北向南土壤類型從砂黃土向黏黃土轉(zhuǎn)變，土壤有機質(zhì)和微生物量快速增加，有利于有機質(zhì)吸收和土壤內(nèi)氮素釋放。研究區(qū)表層沉積物TN、TOC含量沿經(jīng)度表現(xiàn)為東高西低，沿緯度表現(xiàn)為南高北低（圖6a，c、圖7a，c），這在我國土壤有機質(zhì)的地帶性規(guī)律研究中均得到了證實[64?66]。我國青藏高原東部有一夏季風(fēng)水汽輸送通道，來自太平洋的水汽可以到達，水汽輸送距離的遠近造成研究區(qū)東西兩地存在水分差異[67]。已有研究證明祁連山植被與降水的空間分布格局類似，并指出了水分對植被的重要性[68]。表層沉積物δ13Corg變化受植物碳同位素影響，能夠反映C3/C4植物的相對豐度。C4植物豐度受控于溫度大小，溫度越高，C4植被狀況越好[63]。研究結(jié)果顯示表層沉積物δ13Corg隨緯度降低而偏負（圖6g），可能由于研究區(qū)位于干旱半干旱區(qū)，主要控制因子為降水量并非溫度。祁連山地區(qū)水汽以緯向輸送為主，越向西水汽越少[69]。C4植物隨年降水量的增多而逐漸減少，東西兩段水分差異導(dǎo)致C4植物生物量表現(xiàn)為東少西多的分布格局。此外，降水的空間分布差異也與祁連山地形等因素有關(guān)[70]。碳酸鹽δ18O多反映干濕變化，降水越多δ18O偏負。δ13Ccarb的變化原因與δ18O變化類似，越向西蒸發(fā)強度越大，地表碳酸鹽析出，δ13Ccarb偏正。

3.2 表層沉積物古環(huán)境代用指標(biāo)與氣候因素的關(guān)系

為了進一步明確現(xiàn)代表層沉積物古環(huán)境代用指標(biāo)與氣候因子之間的關(guān)系，分析不同代用指標(biāo)中所包含的人類活動信息，為識別過去人類活動提供依據(jù)。對表層沉積物代用指標(biāo)與年均降水量（MeanAnnual Precipitation，MAP）和年平均溫度（MeanAnnual Temperature，MAT）做了線性相關(guān)分析，現(xiàn)代氣候參數(shù)（即MAT和MAP）來自國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心的中國區(qū)域地面氣象要素驅(qū)動數(shù)據(jù)集（1979—2018年），該數(shù)據(jù)集包括近地面氣溫、近地面氣壓、近地面空氣比濕、近地面全風(fēng)速、地面向下短波輻射、地面向下長波輻射、地面降水率共7個要素，時間分辨率為3 h，水平空間分辨率為0.1°[71]。結(jié)果表明，其他地區(qū)TN、TOC與MAP呈顯著正相關(guān)關(guān)系（圖8a，c），與MAT呈顯著負相關(guān)關(guān)系（圖8b，d），且TN、TOC與MAP的相關(guān)性高于MAT。

TN、TOC與MAP、MAT均呈極顯著相關(guān)關(guān)系（plt;0.000 1），MAP的改變會引起土壤含水量和透氣性變化，從而影響土壤TOC分解和有機質(zhì)降解。土壤中含水量較大會使TOC礦化作用減慢，表層枯枝落葉更易腐爛，從而轉(zhuǎn)化成有機質(zhì)保存在土壤內(nèi)，進而導(dǎo)致TOC含量增加。溫度對表層沉積物TOC和TN的影響相對復(fù)雜，溫度升高會加快有機質(zhì)分解，促進生物生產(chǎn)，有利于增加表層沉積物中TOC和TN含量。

TN、TOC 含量和溫度、降水呈顯著的相關(guān)關(guān)系（圖8）。我國西北祁連山中段代表性土壤研究表明，影響土壤TOC含量的主要因子是歸一化植被指數(shù)（NDVI）和年均降水量[72]；陜西黃土臺塬表層土壤TOC密度與溫度和降水的關(guān)系分別表現(xiàn)為lt;0.001和lt;0.05的顯著相關(guān)[73]。TN、TOC與MAP的相關(guān)性高于MAT，表明研究區(qū)降水對TOC和TN的影響大于溫度（圖8a～d）。楊新宇等[74]在青藏高原高寒草甸土壤中進行了人工模擬實驗，通過改變溫度和降水證明了該地區(qū)土壤總體格局變化受降水量影響，而非溫度[74]；Rui et al.[75]研究發(fā)現(xiàn)5～15 cm土壤TOC含量不因溫度改變而發(fā)生變化。以上實驗結(jié)果與本文結(jié)果相一致。表層沉積物δ13Corg、δ18O和δ13Ccarb與MAT和MAP的一元線性回歸分析回歸結(jié)果顯示：其他地區(qū)表層沉積物δ13Corg、δ18O和δ13Ccarb均與MAT呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與MAP 呈顯著負相關(guān)關(guān)系（plt;0.01），且代用指標(biāo)與MAT的相關(guān)系數(shù)（圖8g，i，k）均低于與MAP的相關(guān)系數(shù)（圖8h，j，l）。

為整體論證環(huán)境因素對代用指標(biāo)的影響，對影響代用指標(biāo)的環(huán)境因素（海拔、MAT、MAP）進行主成分分析，分析哪些因素對代用指標(biāo)的影響更大，為了減少人類活動的影響，選取其他地區(qū)樣品的環(huán)境要素進行分析。主成分分析表明（圖9a），PC1（第一主成分）占初始信息的98.1%，而PC2（第二主成分）僅占1.9%，因此PC1可以很好地表示初始信息。此外，海拔與PC1之間的相關(guān)性高達0.992，這意味著海拔可以最好地表示PC1，從而表示研究區(qū)表土代用指標(biāo)的初始信息。海拔和氣候因素負荷也表明（圖9b），在代用指標(biāo)中起主導(dǎo)作用的是海拔，其次是降水。結(jié)合代用指標(biāo)與環(huán)境因素的相關(guān)性分析，認為MAP是控制研究區(qū)表土的代用指標(biāo)的主要因素，主要受海拔影響。

Zhao et al. [76]指出在古環(huán)境和古生態(tài)重建中，生物指標(biāo)比物理指標(biāo)對氣候變化更敏感，沉積物的有機碳同位素組成（δ13Corg）可以提供更高的分辨率記錄。本研究將δ13Corg 數(shù)據(jù)劃分為兩組，認為小于-23‰的代表純C3植物，大于-23‰代表C3和C4混合植物，并分別與MAT和MAP進行相關(guān)性分析，討論δ13Corg對氣候因素的敏感性。在大于-23‰的數(shù)據(jù)中，表層沉積物δ13Corg與MAT存在較顯著的負相關(guān)關(guān)系（圖10a），與MAP 存在較弱的正相關(guān)關(guān)系（圖10b），且與MAT的相關(guān)性高于與MAP的相關(guān)性。其原因可能是位于季風(fēng)邊緣區(qū)的祁連山地區(qū)受西風(fēng)季風(fēng)協(xié)同作用影響，溫度和降水的耦合變化造成該區(qū)域δ13Corg與MAT之間呈較為顯著的正相關(guān)關(guān)系。在小于-23‰的數(shù)據(jù)中，表層沉積物δ13Corg與MAT表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系（圖10c），與MAP呈顯著負相關(guān)關(guān)系（圖9d），且δ13Corg與MAP的相關(guān)性略大于與MAT的相關(guān)性，這與前人在青藏高原東北緣石羊河流域表層土壤的δ13Corg的研究結(jié)果一致[76]。δ13Corg值在大于-23‰時與MAP和MAT的相關(guān)性同減弱也證明不同物種陸生植物受到氣候影響的差異性，因此在利用δ13Corg進行降水和溫度需要注意范圍的選擇，以C3植物為主要來源的沉積物（δ13Corg小于-23‰）可用于降水的定量重建，當(dāng)以C3、C4混合植物的δ13Corg進行重建氣候時，可能無法準(zhǔn)確表達重建的降水；δ13Corg對溫度的相關(guān)性相對于降水較低，這可能是由于溫度對植物和土壤δ13Corg有正面和負面的雙重作用。因此，若要利用δ13Corg對溫度進行重建，需要把握好溫度的閾值，進行具體分析。

3.3 表層沉積物古環(huán)境代用指標(biāo)與人類活動的關(guān)系

人類活動影響區(qū)TN、TOC、C/N、δ13Corg、δ18O 和δ13Ccarb分布離散程度明顯增大，與空間因素和氣候因子之間的相關(guān)性較其他地區(qū)明顯降低（圖4，6～8）。武志杰[77]通過分析人類生產(chǎn)活動對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響認為，人類活動的方式、程度，持續(xù)的時間通過影響土壤、水文、植被等自然要素，對土壤肥力和土壤生態(tài)系統(tǒng)基本生物生產(chǎn)能力產(chǎn)生重要的影響，打破自然界平衡。根據(jù)從是否維持土壤肥力或土壤生態(tài)系統(tǒng)基本生物生產(chǎn)能力的標(biāo)準(zhǔn)來看，人類生產(chǎn)活動對土壤生態(tài)系統(tǒng)有消極影響和積極影響兩個方面的作用，最終表現(xiàn)為土壤環(huán)境代用指標(biāo)的變化。韋應(yīng)莉等[78]證明人類過度放牧?xí)雇寥鲤B(yǎng)分下降有機質(zhì)減少，造成土壤TOC、C/N和δ13Corg含量下降。鄭曼迪[30]研究發(fā)現(xiàn)，土壤一旦被耕作農(nóng)用之后，耕作的增加導(dǎo)致土壤侵蝕進而使得土壤有機質(zhì)含量減少，表層沉積物TOC和TN含量減小。此外，不恰當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)灌溉方式如漫灌會使得大量多余水分進入灌區(qū)地下，導(dǎo)致地下水位上升引起系統(tǒng)次生鹽漬化發(fā)展，地表碳酸鹽富集δ13Ccarb、δ18O數(shù)值偏正[79]。另一方面，人類活動也會對土壤產(chǎn)生積極的影響，集約耕作、流域治理、水土保持、植被恢復(fù)等都可以恢復(fù)土壤的肥力。Zhu et al.[80]通過研究黃土高原自然植被恢復(fù)過程發(fā)現(xiàn)，植被的恢復(fù)會改善土壤的可蝕性，迅速增加土壤的TOC和TN含量。王增麗[81]通過研究秸稈還田對土壤的改良效果，發(fā)現(xiàn)秸稈粉碎氨化措施可以顯著提高土壤TN含量。李東坡等[82]發(fā)現(xiàn)利用有機農(nóng)業(yè)施肥方式可以使土壤微生物量，C、N含量成倍數(shù)增加?？傮w來看，經(jīng)過長期耕種土地的土壤有機質(zhì)和代用指標(biāo)很大程度上受諸如耕作、輪作、施肥等農(nóng)業(yè)措施的影響。

14C測量證實，早在7 000年前，我國就開始了農(nóng)業(yè)利用[83]，根據(jù)生產(chǎn)方式的不同，可以將中國農(nóng)業(yè)發(fā)展劃分為原始農(nóng)業(yè)階段、傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)階段、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)階段。自新石器時代以來，刀耕火種技術(shù)被廣泛用于將森林轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田和牧場[84]。Wang et al.[85]通過內(nèi)蒙古岱海湖沉積物巖心中的黑碳重建了中國北部全新世期間發(fā)生火災(zāi)的高分辨率歷史，發(fā)現(xiàn)中國北方約8 000年和3 000年前火災(zāi)頻率的增加是因為早期農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)和人類土地利用的擴大。這種早期農(nóng)業(yè)和廣泛的土地利用模式不僅改變了表面景觀，對植被覆蓋下的土壤有機質(zhì)也產(chǎn)生了深遠的影響。何翔宇等[86]通過研究河南仰韶村文化遺址發(fā)現(xiàn)，與自然剖面相比，文化剖面土壤在古人類活動干擾下，各理化性質(zhì)變異系數(shù)大，數(shù)值差異明顯，反映古人類活動在一定程度上阻礙了土壤的發(fā)育。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)階段，鐵農(nóng)具的出現(xiàn)使得土壤表面變得平滑和壓實，在促進集約化鋤耕農(nóng)業(yè)形成的同時，也導(dǎo)致了坡面上的地表徑流和土壤侵蝕[87]。從西漢時起黃土高原等北方地區(qū)農(nóng)業(yè)開墾引起的水土流失已經(jīng)較為明顯，黃河泥沙含量高的特點已經(jīng)出現(xiàn)[88]。桑廣書[89]發(fā)現(xiàn)歷史時期以來，黃土高原土壤侵蝕強度日趨增強，現(xiàn)代侵蝕強度較全新世早、中期人類影響較微弱情況下的侵蝕強度大41%～45%，主要原因是植被受到破壞?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)時期，新墾耕地迅速增長的同時，城市擴展對耕地的占用不斷增加，化肥、農(nóng)藥和機械等的投入使得對耕地的利用強度達到前所未有的程度[90]。周濤等[91]發(fā)現(xiàn)耕地土壤與非耕地土壤有機碳儲量之間存在顯著差異，土地利用的改變在總體上導(dǎo)致了土壤碳的釋放。秦景秀等[92]通過分析氣候變化和人類活動對干旱區(qū)植被生產(chǎn)力的影響發(fā)現(xiàn)，人類活動在植被的恢復(fù)和退化中起主導(dǎo)作用。祁連山周邊內(nèi)流河區(qū)域是氣候變化和人類活動的敏感區(qū)，出山徑流是下游綠洲農(nóng)業(yè)的主要來源。漢代收復(fù)河西走廊，便在祁連山中下游綠洲區(qū)域進行屯墾，農(nóng)業(yè)發(fā)展和人類文明演化有緊密的關(guān)系。李并成[93]總結(jié)了漢唐時期10塊沙漠化的古綠洲，認為綠洲沙漠化的原因是人類活動和氣候共同導(dǎo)致的植被破壞和水土流失。關(guān)于現(xiàn)代植被的研究顯示，降水增加使得祁連山及周邊地區(qū)植被覆蓋率有所增加，但受人類活動干擾較大的河谷和部分山區(qū)其植被明顯減少，地表侵蝕能力增強，有機質(zhì)輸入變少[94]。

祁連山下游地區(qū)受強烈蒸發(fā)作用影響，土壤鹽漬化程度加重[95]，且大量人類活動對原有的土地利用方式產(chǎn)生了影響，現(xiàn)多是以灌溉農(nóng)業(yè)為主的耕作農(nóng)田，農(nóng)耕土壤內(nèi)含有大量肥料物質(zhì)，造成了TN含量向人為需要的狀態(tài)下發(fā)展[96]?？偟膩碚f，隨著科學(xué)技術(shù)的進步和農(nóng)業(yè)水平的提高，從原始農(nóng)業(yè)階段到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)階段，農(nóng)業(yè)區(qū)域的面積不斷擴展，農(nóng)業(yè)土地利用強度的不斷增大，人類活動也已經(jīng)從影響土壤表面植被到直接影響土壤理化性質(zhì)，導(dǎo)致了森林破壞、水域濕地等自然景觀的退縮和消失、土地退化和土壤侵蝕的加劇、動植物數(shù)量減少以至滅絕等一系列環(huán)境問題。所以，人類活動不可避免地會影響土壤代用指標(biāo)，導(dǎo)致人類活動影響區(qū)表層沉積物代用指標(biāo)的變化較其他地區(qū)存在顯著差異，在一定程度上改變了其環(huán)境指示意義。

4 結(jié)論

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)其他地區(qū)和人類活動影響區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，對祁連山及周邊地區(qū)456個表層沉積物中TN、TOC、C/N、δ13Corg、δ18O和δ13Ccarb指標(biāo)進行了綜合分析，利用相關(guān)性分析法和主成分分析法對代用指標(biāo)與海拔、溫度、降水等不同要素之間的關(guān)系進行了討論，分析影響代用指標(biāo)變化的主要因素，探究人類活動對古環(huán)境代用指標(biāo)指示意義的影響，取得以下認識。

（1） 結(jié)合相關(guān)性分析和主成分分析，其他地區(qū)表層沉積物TN、TOC、C/N和δ13Corg指標(biāo)與MAT、MAP存在相關(guān)性，其中與MAP相關(guān)性最強，δ13Ccarb和δ18O與MAT和MAP相關(guān)性較強，表明表層沉積物對降水的敏感性大于溫度。該地區(qū)沉積物古環(huán)境代用指標(biāo)用于重建區(qū)域古氣候時可以用來指示降水，若用來指示溫度時，還需仔細鑒別。

（2） 人類活動影響區(qū)古環(huán)境代用指標(biāo)波動幅度較大，相關(guān)性較其他地區(qū)明顯減弱，可能因為人類活動加劇，用水量增大，土地利用方式改變，森林植被遭到破壞，造成水土流失、土壤鹽漬化等一系列問題，影響了代用指標(biāo)的變化。因此，在人類活動較強的地區(qū)利用表層沉積物重建氣候要素時需要考慮該地區(qū)人類活動影響強度。