青藏高原納木錯湖近150年來氣候變化的湖泊沉積記錄①

李 清 康世昌 張強弓 黃 杰 郭軍明 王 康 王建力

(1.西南大學地理科學學院 重慶 400715;2.中國科學院青藏高原環境變化與地表過程重點實驗室 北京 100085)

湖泊是連接大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的紐帶，湖泊沉積物對環境的記錄具有連續性、全面性和高分辨率的特點，是研究過去環境變化的重要手段之一［1］。青藏高原湖泊眾多，是地球上海拔最高、數量最多、面積最大的高原湖泊群［2］，而高原封閉半封閉湖泊是氣候和環境演化的敏感指示器，在恢復和重塑各種時間尺度(千年、百年、十年)的氣候和環境演化序列上，具有其他自然歷史記錄無法替代的優勢。近年來，利用青藏高原湖泊沉積記錄研究古氣候環境的演變正在迅速發展，研究范圍涉及高原的大部分地區，主要包括青海湖［3～7］，高原東部若爾蓋盆地［8-10］，西昆侖山—喀喇昆侖山地區［11～15］，羌塘高原［16～18］及藏南地區［19～25］等。但由于高原面積廣大且氣候影響因素復雜，使得高原面上不同區域之間的氣候變化特征不盡相同。而高原南部地區主要受西南季風的影響與其他地區的氣候特點差異較大，并且高原南部由于海拔較高，氣候環境惡劣，采樣困難等因素的制約，其研究的深度和廣度遠不如高原其他地區，因此對高原南部地區湖泊沉積記錄的古氣候變化研究具有重要意義。

從現有的研究看來，受制于沉積物采樣精度與定年數據的分辨率和可靠性，過去青藏高原湖泊沉積記錄的研究主要以中長時間尺度的研究為主，注重重大氣候變化事件和階段的氣候環境特征的重建和分析［26］，而短時間尺度高分辨的研究相對不足。近年來隨著210Pb，137Cs測年技術在湖泊沉積記錄中的應用和發展［27～30］，高分辨率的湖泊沉積(特別是近幾百年來)研究也開始得以突破［31～34］。為此，本研究根據青藏高原中南部納木錯湖泊沉積記錄，通過沉積物精確定年和環境代用指標的分析，重建研究區過去幾百年來氣候環境變化，彌補了高原南部地區短時間尺度氣候變化序列的缺乏，對拓展青藏高原地區過去氣候環境變化研究具有重要的科學價值。

1 研究區概況

納木錯湖(30°30' ～ 30°56'N，90°16' ～ 91°03'E)位于青藏高原中南部，屬于藏北南羌塘高原湖盆區，目前為封閉湖盆［2，20］。納木錯是喜馬拉雅構造運動拗陷而成，湖面海拔4 718 m，東西長78.16 km，南北寬24.19 km，面積為1 961.15 km2，已測到的最大水深為 95 m［35］(圖 1)。整個流域面積 10 600 km2，補給系數5.53［36］，湖水主要依賴地表徑流和湖面降水補給，總計有超過60條河流匯入湖泊［37］，這些河流大部分位于湖泊的西部和南部，而主要入湖河流為波曲、昂曲、測曲等。其南部是念青唐古拉山脈，平均海拔約5 500 m，眾多現代冰川發育且普遍面積較小，冰川融水流經短距離的山前地帶呈辮梳狀直接注入湖泊［38］。北側和西北側為高原內部起伏平緩的低山丘陵區，平均海拔約為5 000 m［21］。出露的基巖主要是前中生界變質巖、石灰巖、花崗巖和中新生界火山巖等［39］。湖區屬半濕潤向半干旱過渡型氣候，區域植被類型屬于高寒草原和荒漠草原［40］。湖水微咸偏堿，礦化度為 1.6～1.8 g/L，pH 值為 9.4～9.5，屬重碳酸鈉型水［2，41］。

圖1 納木錯湖等深線圖及湖芯NMC09位置示意圖(據王君波，2009)Fig.1 The isobath of Nam Co Lake and location of NMC09 Core

2 材料與方法

2.1 樣品采集及定年

本研究于2009年5月利用活塞采樣器在納木錯湖獲取一支長度約為20 cm的淺湖芯NMC09孔樣品。湖芯采樣點位于納木錯湖中部靠東北岸(圖1)，水深約60 m，湖盆底部坡度較緩。以黃色的粉砂和黏土為主。現場以0.5 cm間隔進行分樣，共獲得樣品40個，保存于塑封袋內運回實驗室冷藏。

為了高精度地從湖泊沉積物中提取環境信息，首先需要精確地測定沉積物的時序特征，從而建立湖泊沉積物所記錄的過去環境信息的年譜關系。本孔采用210Pb方法測定其沉積速率，湖泊沉積物年代測定在中國科學院青藏高原研究所環境變化與地表過程重點實驗室完成，所用分析儀器為美國EG＆G Ortec公司生產的高純鍺伽馬譜儀(HPGe，ORTEC-GWL)，每個樣品測量時間為40 000 s，測量之前將樣品置于封閉容器中進行兩周以上的放射性平衡。

2.2 環境代用指標

粒度分析用英國Malvern公司生產的Mastersizer 2000型激光粒度儀完成，測量之前對樣品進行去除有機質及碳酸鹽膠結的處理，儀器重復測量誤差小于3%;總有機碳(TOC)和無機碳(IC)分析利用日本島津公司 Shimadzu TOC-VCPH測量，分析誤差小于3%;微量元素含量利用美國Thermo-Elemental公司的X-7型電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)測定，儀器的相對標準偏差(RSD)/小于3%，實際分析誤差(含前處理環節)一般小于5%，以上測試在中國科學院青藏高原研究環境變化與地表過程重點實驗室完成。

3 結果分析

3.1 沉積物定年

本文對巖芯NMC09孔進行210Pb精確測年，其結果顯示過剩210Pb比活度(210Pbex)隨深度的變化呈現出明顯的指數衰減趨勢，至15 cm深度以下，210Pb總強度和226Ra強度平衡，過剩210Pb趨于零，不再具有定年意義。而利用210Pbex強度衰變規律計算沉積物年齡一般有 2 種模型［42，43］，CRS(Constant Rate of210Pb Supply，恒定補給速率)和CIC(Constant Initial Concentration，恒定初始濃度)兩種模式，其中CRS模型由于考慮了沉積物的壓實作用而受到廣泛使用。因此，本文利用CRS模型計算NMC09孔湖芯上部15 cm左右的沉積時段約為1850～2005年，共計155年，平均沉積速率約為0.12 cm/a。

圖2 納木錯NMC09湖芯210Pbex(a)和年代(b)—深度圖Fig.2 Variations of210Pbex and sedimentation rate in NMC09 Core of Nam Co Lake

3.2 總有機碳含量和粒度

3.2.1 結果分析

納木錯NMC09孔的總有機碳含量(TOC，%)總體偏低(≤3%)，以距頂部10 cm左右為臨界點，在此之下的TOC呈緩慢下降趨勢，而上半部則表現出明顯的抬升趨勢(圖3)。粒度主要由粉砂(4～64μm)組成，細顆粒(4～16 μm)約占50%以上，在整個細顆粒剖面中顆粒含量在11 cm左右有一定波動，而以上則變化較為平穩，且細粒物質(＜16 μm)在11 cm處出現陡增現象，至13.5 cm左右黏粒含量為剖面峰值(圖3)。相應地，粗顆粒含量在剖面中部(7.75 cm)含量偏低，平均粒徑(MZ)偏細。而7.75 cm以上平均粒徑開始變粗，對應粗顆粒(16～64 μm)物質含量的增加，其中在4.25 cm層位出現小峰值點，隨后則略有降低。大于64 μm的粗顆粒在整個剖面中含量變化沒有明顯的升高或降低趨勢，在10 cm以下波動較大，而以上則較為平緩。

圖3 納木錯NMC09孔沉積物TOC(%)和粒度特征Fig.3 The grain size and TOC(%)of NMC09 Core in Nam Co Lake

3.2.2 環境指示意義

總有機碳含量(TOC)反映了湖泊沉積物中有機碳的含量，代表湖泊生產力的大小和流域內植被的發育狀況，盡管受到內源、外源和沉積后分解等因素的影響，依然是恢復湖泊古氣候波動的重要指標之一［44］。作為處于寒冷氣候區的湖泊來說，氣溫應是影響生物生長的主導因素，有機碳的含量一定程度上可以反映氣溫的變化，即沉積物中總有機碳高值對應暖期，低值對應冷期［44］。對于湖泊沉積物而言，粒度的環境指示意義較為復雜，在不同的時間尺度內、不同的湖區環境、不同的湖泊補給條件以及不同的氣候條件下沉積物粒度受制于不同的影響因素。對于一個鉆孔點來講，湖泊沉積物粒度大小與流域物質來源和河流搬運能力有關，并間接地指示流域徑流補給情況［45］。NMC09孔位置距湖東北岸較近，但水深較大(60 m)，湖底坡降較大，入湖碎屑物質經短途搬運即可到達鉆孔點，其沉積物粒度的變化可以反映入湖河流水動力條件和水量變化，因此粒度的變化間接反映湖泊補給狀況(如降水量、冰雪融水等)，即粒度的增大反映降水量的增加或氣溫升高而造成的冰融水的增加。

圖4 納木錯NMC09孔TOC和平均粒度特征與班戈氣象站氣溫及降水變化對比(1957～2005年)Fig.4 Comparison of TOC and medium grain size of NMC09 Core and air temperature，precipitation in Banga station(from 1957 to 2005)

為了進一步明確TOC和粒度在該區域的氣候和環境意義，本文選擇與鄰近的氣象站資料建立對應關系進行驗證。納木錯湖處于青藏高原中南部，最為鄰近的氣象站點為班戈和當雄氣象站，其中班戈縣與納木錯同處羌塘高原地區，氣候特征較為接近，因此本研究選取班戈氣象站觀測資料來進行對比。氣溫和降水是最主要的氣候要素，因此將沉積環境序列TOC值與班戈氣象站近50年的年均溫資料進行對比發現，代表冷暖變化的TOC指標與氣溫變化的相關性較好，兩者整體上都呈現出一致的遞增趨勢，而且年均溫值分別在1963，1983年和1997年出現三次明顯的驟降(圖4)，TOC值也相應減小，與氣溫變化呈現較好的正相關關系(R2=0.70，圖5)。同時也體現出1910～1960年的50年間氣溫升高的特點，與中國物候現象也是一致的［46］。平均粒度是沉積物粒度分布中最主要的參數之一，而代表徑流量大小的粒度指標與降水量的有一定相關性，表明采樣點處沉積水動力條件很大程度上是受大氣降水補給的影響，它們均反映出了20世紀50年代末期至70年代初期的濕潤程度不斷增強以及90年代中后期以來的干旱狀況(圖4)，氣候變化的這種記錄在中國東部地區的文獻與器測資料記載中也有反映。通過相關性分析也發現(圖5)，平均粒徑與班戈氣象站年均降水量同樣呈現出正相關關系(R2=0.62)。因此，上述選取的氣候代用指標在本地區氣候環境恢復研究中具有明確的指示意義。

圖5 納木錯NMC09孔TOC與年均溫的相關關系(左)和平均粒徑與年降水量的相關關系(1957～2005年)Fig.5 The correlation of TOC values of NMC09 Core and average annual temperature(left)，and the correlation of medium grain size of NMC09 Core and annual precipitation(right)，(from 1957 to 2005)

湖泊沉積物中元素含量的變化受很多環境因素的影響，對環境變化的響應較為復雜，部分元素比值常被作為環境變化的代用指標。Sr/Ba的變化是基于它們的溶解能力與水體體積的關系，干旱地區的水體中，Sr在水中較強的溶解力決定其有較大的濃度變幅，而Ba2+的濃度卻較強地依賴于環境狀況的改變，水體體積減小常常引起濃度升高，導致Ba2+與結合形成BaSO4絮凝沉淀的機率增大，水中游離的Ba2+成分降低，結果造成沉積物中的Sr/Ba升高［11］。因此Sr/Ba的高值代表湖泊收縮，水體體積減小;反之當水體體積擴大時，Sr/Ba值降低。

3.3 近150年來納木錯湖區氣候變化特征及對比

根據納木錯湖沉積湖芯的沉積年代序列，綜合分析TOC、粒度及地球化學元素比值等多項環境代用指標，將該湖區近150年來的氣候變化過程大致分為以下幾個階段(圖6):

圖6 納木錯NMC09孔多種代用指標的對比分析Fig.6 Comparison of multi proxies in NMC09 Core

(1)A.D.1850～1900:該時段內TOC含量相對偏高，平均含量在2.26%左右，且呈現明顯的持續降低趨勢，在1900年左右達到本時段的最低值2.08%，表明該階段總體氣溫偏暖但開始出現溫度降低趨勢。而中值粒徑的變化與TOC略有不同，1850～1900年間出現粒徑增大趨勢，并在1870年左右達到最大值，代表該時期內降水量有所增加或是氣候溫暖使得冰川融水增多，隨后呈現的持續降低與TOC變化相似，表明氣溫和降水量都同步下降，植被發育較差，氣候持續進入較為干冷的時期。而該時段內的Sr/Ba比值變化平穩，沒有明顯指示氣候干濕變化的跡象，指示湖泊水體體積并沒發生太大改變，說明氣候變化的幅度對地球化學元素比值的影響不大。而該階段沉積速率總體上比較緩慢，可能是由于下部沉積物固結壓實作用而造成的，而其表現出的略有增長趨勢可能反映了地表徑流增大導致攜帶的物質也隨之增多。雖然該階段內地球化學元素變化趨勢與TOC、粒度變化有所不同，該時期氣候總的來說以偏暖濕為主，并表現出向冷干氣候轉化的特征。

(2)A.D.1900～1950:TOC含量偏低但后期開始出現迅速上升的趨勢，平均值為2.23%，而中值粒徑值同樣處于整個階段的谷底，均值為11.50 μm左右，與TOC變化比較類似，暗示該時段內水熱同步的氣候特征，只是TOC含量的最低值出現于1920年左右，而粒度的低值稍有滯后，出現在1940年左右。該階段氣溫和降水雖然整體上較低，但已開始表現出氣候回暖趨勢。Sr/Ba值變化在1920年之前保持穩定，而之后略有偏高，暗示水體體積稍有萎縮，與該階段內粒度低值所指示的環境意義基本吻合。而沉積速率的略微偏高則表明沉積物質增多可能是由于氣候回暖引起冰川融化而帶來了大量細顆粒物質在此沉積。綜合來講，該時期內氣候總體處于一個較為干冷的時期，但氣溫開始反彈，降水變化略有滯后，1920～1940年左右為氣候變化的轉折點，意味著小冰期的結束，氣候由干冷向暖濕開始轉變。

(3)A.D.1950～2005:TOC含量和中值粒徑值在該時期內存在一定的波動，TOC值表現為震蕩上升趨勢，TOC含量均值在2.69%左右，處于整個時段的最高值時期，表明氣溫急劇增加的過程與全球變暖的大背景一致。而中值粒徑也迅速增加至1980年左右的持續震蕩，然后略有偏低趨勢，其均值為11.97 μm左右，指示該地區80年代之前降水充沛，而后期粒度指標指示的水動力變化顯示地表流水略有減弱，但相對(2)階段而言，降水量仍有所增加。因此該時段內氣候已進入一個相對暖濕的時期，但氣溫的增加趨勢比降水更為強烈。Sr/Ba值與中值粒徑呈反向變化，先降低隨后趨于平緩，表明湖區水體體積先增加并一直保持較高水位，與近30年來遙感及水文資料所反映的納木錯湖泊水量增加情況基本一致［26］。沉積速率在該時段內最大，表現出冰消期開始地表流水開始活躍的特征，入湖徑流攜帶大量的物質沉積，約在80年代左右達到峰值，隨后有一定程度的降低，波動較為劇烈。據班戈氣象站近50年來的資料顯示，氣溫變化呈波動上升趨勢，而降水變化較為復雜，在1980～1995年之間降水量有所下降，但湖面并沒有出現萎縮狀態，極有可能是氣溫升高導致冰川消融加快并對入湖徑流進行補給，目前已有大量實測資料顯示全球變暖背景下冰川融水增加是引起近年來納木錯湖面迅速擴張的主要原因［26］。因此以上各環境指標的組合都反映了該時期氣候處于氣溫上升，但降水量保持基本穩定的暖濕階段，與現代器測資料記錄的信息基本相符。

4 小結

本文利用高原中南部納木錯湖所獲取的淺湖芯樣品NMC09孔，在210Pb精確定年和多種指標綜合分析的基礎上，結合鄰近臺站的氣象資料，明確湖芯中各種代用指標在當地的氣候指示意義，進而重建過去短時間尺度青藏高原中南部高分辨率氣候和環境變化歷史。納木錯湖泊沉積物中TOC、粒度和地球化學元素比值所獲得的信息綜合反映了湖區近150年來氣候干濕冷暖交替和湖面升降的特點，尤其是1920年以來，TOC值一直遞增至最大值，盡管其間也有冷波動，總體上表現出小冰期結束后氣候一直趨于相對變暖的趨勢。湖面高度在1950年之前保持相對穩定狀態，而隨后Sr/Ba比值開始降低，表明有水流不斷注入湖區使得湖面不斷上升，形成近150年來的最高湖面，而在此期間湖區內降水并沒有增多反而略有降低，暗示氣溫上升可能導致冰川消融加快使得湖水加深，與現代器測資料記錄的信息基本吻合。

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