藏東南巴松錯200年沉積過程及其對硅藻記錄的影響

廖夢娜,金伊麗,李晨瑜,李 凱

浙江師范大學化學與生命科學學院, 金華 321004

青藏高原獨特的地形條件和氣候系統決定了該地區對氣候變化的敏感性和氣候在空間上的差異性[1-2]。喜馬拉雅山高聳的地勢、藏東南溝壑縱橫的地貌,以及印度夏季風帶來的豐沛水汽使得青藏高原東南部在夏季獲得大量降水,是該區域季風型冰川得以廣泛發育的重要條件[3]。由于冰川作用的影響,在藏東南地區形成了大量的冰川湖泊,這些湖泊以大氣降水和冰川融水共同補給[4]。冰川進退與氣溫密切相關,是氣候變化的間接體現[5]。然而,冰川融水對湖泊沉積過程的影響機制十分復雜,不僅與消融量有關,還與冰川的分布位置(如冰川前緣到達湖泊的距離)、冰川作用形成的碎屑物質等有關。湖泊沉積物粒度及相關參數是研究氣候和環境變化的重要指標,通過分析流域和湖泊特征可以用來反映一定歷史時期的湖泊狀態,進而推斷當時的氣候條件[6]。微體古生物學也是古氣候和古環境研究的重要手段,硅藻是其中常用指標之一[7]。高山湖泊生態系統受到一系列復雜過程的影響,包括氣候的直接影響以及經流域調節后的間接影響[8- 11]。盡管硅藻具有硅質殼體,能夠在沉積物中較好地保存[12],但化石硅藻在沉積物中的表現卻受到埋葬過程的影響。

為此,本研究提出兩個科學問題：影響藏東南地區冰川湖泊沉積過程的可能機制是什么？沉積硅藻對沉積過程如何響應？圍繞這兩個科學問題,本研究以位于西藏林芝地區的巴松錯為例,利用沉積物粒度組分、分選系數、總有機碳和總氮數據揭示過去200多年該湖泊的沉積過程。通過對比區域氣候重建結果并考慮湖泊形態特征,討論沉積過程變化的潛在機制。分析巴松錯硅藻數據,綜合比較區域其他硅藻記錄及沉積物理和化學指標,探討巴松錯沉積硅藻記錄對沉積過程的響應。

1 研究區概況

巴松錯(93°53′ 42″—94°1′ 48″ E,30°0′ 0″—30°2′ 55″ N,3476 m)位于青藏高原念青唐古拉山脈東南緣(圖1)。湖盆周圍山地海拔4500—5200 m,坡度較陡(45—55°),冰川廣布(圖1)。該湖泊為一開放的淡水湖,pH為7.2,鹽度為0.12 g/L[4]。湖泊主要由冰川融水補給。湖水從湖泊西側出口通過巴松河和尼澤曲并最終匯入雅魯藏布江。湖泊面積26 km2,流域面積1209 km2[4]。補給系數約為47。橫跨湖泊中部的沙脊將湖盆分為東西兩部,最大水深達120 m(圖1)。流域植被自下而上主要分布暗黑針葉林,灌叢和草甸斑塊。

圖1 研究區和采樣點地理位置及流域地貌和湖盆形態特征Fig.1 Locations of study area and coring site and characteristics of catchment landscape and lake morphometry

2 材料與方法

2012年10月,利用UWITEC采樣器在水深120 m處采集了4.82 m長的巖芯BSCW- 1(圖1)。前期研究結果顯示,整根巖芯上部90 cm理化指標(粒度、磁化率、TOC、TN)所指示的沉積過程變化最為明顯,并且這一段的硅藻濃度較高、保存較好,因此本研究僅對上部90 cm進行分析。

2.1 實驗室分析

沉積年代通過210Pb/137Cs定年法和放射性14C定年法共同確定。采用美國EG & GOrtec公司生產的高純鍺井型探測器(Ortec HPGe GWL)與Ortec 919型譜控制器和IBM微機構成的16k道多道分析器所組成的γ譜分析系統對30個不同層位的樣品進行210Pb、226Ra和137Cs測定。測試分析過程在中科院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室完成。在90 cm處獲得一片完整植物葉片,利用加速器質譜法(Accelerator Mass Spectrometry,AMS)對其進行放射性14C年代測定。分析過程由Beta實驗室完成,采用IntCal13[14]對常規14C年代進行校正。

以2 cm為間隔共獲得45個硅藻沉積樣品。根據標準方法進行硅藻前處理：取約0.3 g干樣放入50 mL離心管中,在60℃水浴條件下先后加入過量的10% HCl和30% H2O2以完全去除碳酸鹽和有機質[7]；在處理后的樣品中加入蒸餾水至45 mL,靜置48 h后倒掉上清液,如此重復3次以使溶液達到中性；利用振蕩器將清洗后的樣品均勻混合,用移液槍準確吸取100 μl溶液滴至蓋玻片上,待自然風干后制成永久樣片。硅藻的計數和鑒定過程在ZEIZZ Scope A1光學顯微鏡的油鏡下進行(放大倍數100×10)。沉積物表層樣品鑒定個數不少于500粒,其他樣品不少于300粒。硅藻鑒定參考Krammer和Lange-Bertalot(1986,1988,1991)[15- 18]及朱惠忠和陳嘉佑[19]。樣品中發現個體尺寸很小的小環藻(2.5—5 μm),通過掃描電鏡確定不屬于眼斑小環藻。由于目前沒有找到關于該種的圖譜,本文暫以小型小環藻(small-typeCyclotellaspecies)進行表述。

沉積物粒度樣品中加入30% H2O2和10% HCl去除有機質和碳酸鹽后,通過3次靜置(每次至少24 h)和蒸餾水清洗使溶液達到中性。測試前,每個樣品中加入10%六偏磷酸鈉((NaPO3)6)約10 mL并進行15 min超聲震蕩以使顆粒完全分散。采用Mastersizer- 2000激光粒度儀(Malvern Instruments Ltd., UK)進行粒度測試分析。樣品的分選系數通過公式S0= (Φ95-Φ5)/2進行計算。總有機碳(total organic carbon, TOC)和總氮(total nitrogen, TN)以4 cm間隔進行測試。樣品中加入10% HCl和30% H2O2去除碳酸鹽和有機質,采用意大利EuroVector公司生產的EA3000元素分析儀進行測試。測試分析過程在中科院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室完成。

2.2 數值分析

硅藻的統計分析基于硅藻的百分比含量。至少有一個樣品百分含量>1%的屬種才用以進行統計分析。采用Tilia Graph程序繪制硅藻百分比含量圖,并運用其自帶的聚類分析(constrained incremental sum of squares,CONISS)進行生物地層分帶。運用CANOCO 4.5中的排序分析評估硅藻組合及多樣性變化[20]。其中,應用降趨勢對應分析(Detrended Correspondence Analysis,DCA)估計樣品硅藻類型之間的關系以確定采用何種排序分析,利用降趨勢典型對應分析(Detrended Canonical Correspondence Analysis,DCCA),以時間作為限制變量,評估屬種組合在時間梯度上的變化[21]。應用R語言[22]vegan程序包[23]中的非度量多維標度(Nonmetric Multidimensional Scaling,nMDS)推算硅藻與其他沉積指標的總體變化過程,并采普氏分析和強制一致性檢驗(Procrustes test，Protest)對不同指標間的相似性和同步性進行評估。

3 結果

3.1 沉積巖芯137Cs和210Pb分布特征及年代

沉積物中的137Cs最主要來源于20世紀50年代初開始的大氣層核試驗,大氣核試驗的高峰年1963年以及1986年切爾諾貝利反應堆核泄漏事故產生了137Cs散落峰。137Cs比活度自下而上基本呈現先增后減的趨勢,最大峰值出現在9 cm處(圖2)。通過與巖芯上部紋層年代比較[24],137Cs最大峰值對應1986年。湖泊沉積物中210Pb(210Pbtot)主要由來自大氣散落的過剩210Pb(210Pbex)和沉積物自身產生的補給210Pb(210Pbsup)組成。210Pbsup可以通過測量226Ra獲得[25]。210Pbtot隨深度增加呈指數遞減,226Ra在底部20 cm較低,向上相對穩定(圖2)。210Pbtot和226Ra在約60 cm處達到平衡。210Pbex在59 cm以下出現負值,因此僅對上部59 cm進行210Pb年代推算。210Pbex隨深度不完全呈指數分布(圖2),不滿足恒定沉積通量(Constant Initial Concentration,CIC)模式的假設條件[26-27]。因此,本文采用恒定放射性通量(Constant Rate Supply,CRS)模式推算沉積年代。59 cm 以下年代通過90 cm處的AMS14C年代((184 ± 18) yr BP,144—216 cal. yr BP)及59 cm處的210Pb年代共同確定(圖2)。

圖2 137Cs、210Pbtot、210Pbex、226Rb比活度變化曲線及年代—深度模型Fig.2 Activity curves of 137Cs、210Pbtot、210Pbex、226Rb and the age-depth model

3.2 硅藻分析

本研究共鑒定到235種硅藻。優勢種為眼斑小環藻(Cyclotellaocellata),小型小環藻屬(small-typeCyclotellaspecies),極小曲殼藻(Achnanthesminutissima),平均百分含量分別為34%,24%及15%(圖3)。孟加拉曲殼藻(Achnanthesbiasolettiana)平均占5%。C.ocellata在青藏高原寡營養湖泊及一些樹線湖泊中廣泛分布[11, 28- 32]。90—50 cm(1770—1918年)以C.ocellata和small-typeCyclotella緩慢減少伴隨A.minutissima和A.biasolettiana緩慢增加為特征,之后出現與之相反的變化趨勢(圖3)。浮游種與底棲種豐度比值(P/B)大體反映了這一變化過程(圖3)。

圖3 過去200年主要沉積硅藻百分含量、浮游種與底棲種豐度比值(P/B)、多樣性指標(N2)及各排序分析得分(PCA 1和DCCA 1)Fig.3 Percentage abundance diagram of selected diatom species (with relative abundance ≥1% in at least one sediment sample), ratio of planktonic to benthic species abundances (P/B), N2 diversity and scores of ordination analyses (PCA axis 1 and DCCA axis 1) over the past 200 yearsCONISS：約束增量平方和 constrained incremental sum of squares

CONISS顯示低的總平方和(1.7),說明缺乏一級生物地層分帶。DCCA第一軸平均得分為0.4,下半部(90—50 cm)高于上半部(50—0 cm)(圖3)。多樣性指數N2較平穩,相對高值出現在90—50 cm。DCA顯示第一軸的梯度長度小于2個標準差(standard deviation,SD),因此選用線性模型—主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)對沉積硅藻進行排序分析[33]。從硅藻屬種在PCA前兩軸的分布情況來看,C.ocellata(CYCOCE),small-typeCyclotellaspecies(CYCSMA),A.minutissima(ACHMIN),A.biasolettiana(ACHBIA)是硅藻群落組合變化的主要貢獻因子(圖4,黑色實心三角形),與P/B反映的信號十分相似。

圖4 硅藻屬種在PCA前兩軸上的分布Fig.4 Distribution of diatom species along the first two axis of PCA CYCOCE：眼斑小環藻 Cyclotella ocellata；CYCPSE：小型小環藻 Small-type Cyclotella species；CYCTRI：三叉小環藻 Cyclotella tripartita；CYCSPP：小環藻 Cyclotella spp.；FRAARC：弧形脆桿藻 Fragilaria arcus；FRACAP：鈍脆桿藻 Fragilaria capucina；FRACON：連接脆桿藻 Fragilaria construence；FRAINC：隱匿脆桿藻 Fragilaria incognita；FRANAN：小針脆桿藻 Fragilaria nanana；FRAPIN：羽紋脆桿藻 Fragilaria pinnata；FRATEN：柔弱脆桿藻 Fragilaria tenera；FRAULN：肘狀舟形藻 Fragilaria ulna；FRASPP：脆桿藻 Fragilaria spp.；ACHMIN：極小曲殼藻 Achnanthes minutissima；ACHBIA：孟加拉曲殼藻 Achnanthes biasolettiana；ACHLEV：萊維迪曲殼藻 Achnanthes levanderi；ACHOBL：長橢圓曲殼藻 Achnanthes oblongella；ACHSUB：近原子形曲殼藻 Achnanthes subatomoides；ACHSPP：曲殼藻 Achnanthes spp.；CYMDEL：優美橋彎藻 Cymbella delicatula；CYMMIN：小橋彎藻 Cymbella minuta；CYMSIL：西里西亞橋彎藻Cymbella silesiaca；CYMSIN：彎曲橋彎藻 Cymbella sinuata；CYMSPP：橋彎藻 Cymbella spp.；AMPFOG：弗格迪納雙眉藻 Ampora fogediana；AMPPED：花柄雙眉藻 Ampora pediculus；DIAMES：中型等片藻 Diatoma mesodon；DIASPP：等片藻 Diatoma spp.；COCPLA：扁圓卵形藻 Cocconeis placentula；ANOVIT：透明異菱形藻 Anomoeoneis vitrea；AULALP：高山直鏈藻 Aulacoseira alpigena；DENSPP：細齒藻 Denticula spp.；GOMPAR：微小異極藻Gomphonema parvulum；GOMSPP：異極藻 Gomphonema spp.；NAVFES：秀麗舟形藻 Navicula festiva；NAVSPP：舟形藻 Navicula spp.；NITSPP：菱形藻 Nitzschia spp.；PINSPP：羽紋藻 Pinnularia spp.

3.3 粒度、TOC及TN

沉積物粒度分為4個組分(圖5)：粘土(< 4 μm)、細粉砂(4—16 μm)、粗粉砂(16—63 μm)、砂(> 63 μm)。自下而上粘土含量從平均6.4%持續增加到40%,粗粉砂含量正好相反,從平均30%下降到1.4%。細粉砂(砂)從底部的21.7%(52.6%)逐漸增加(減少)到50 cm的66%(< 1%),隨后保持這一水平。分選系數自底向上總體呈現逐漸降低的趨勢(圖5)。

TOC和TN的變化趨勢十分相似：從底部(TOC：0.135%,TN：0.004%)迅速增加到60 cm處(TOC：1.844%,TN：0.079%),60—52 cm表現為突然的下降,隨后保持相對穩定水平(圖5)。C/N的范圍為15.8—33.8,表現出與TOC和TN相反的趨勢。相對高的C/N出現在90—64 cm及12—0 cm(圖5)。

圖5 粒度組分、分選系數、TOC、TN及C/N變化曲線Fig.5 Variation curves of grain-size compositions, sorting coefficient, TOC, TN and C/NTOC：總有機碳 total organic carbon；TN：總氮 total nitrogen

4 討論

4.1 巴松錯過去200年水文變化

湖水的機械沉積物主要來源于河流。碎屑顆粒在水流中的搬運不僅與水的流動狀態有關,還與顆粒本身的特點(如大小、相對密度、形狀等)密切相關[34]。作用于碎屑顆粒上的力主要取決于顆粒大小和水流速度[34]。砂既易搬運也易沉積,而粘土和粉砂不易起動但持續搬運流速小,一旦起動則可長距離搬運。水流從河道進入湖泊時,流速從湖岸到湖心逐漸減小產生了機械分異,因此通常形成淺水區到深水區粒度逐漸減小的分布模式。因此,當入湖水流速度變化不大時,湖泊沉積粒度能夠反映水位的變化；當湖水位變化不大但入湖水流速度波動較大時,沉積粒徑則可以用于反映水流的流速或強度。分選系數能夠反映水流的機械分異作用[35, 36]。隨著搬運距離的增加,水流速度逐漸減小,密度、體積大的顆粒先沉積下來,并逐漸富集體積、密度相似的顆粒。因此,隨著距離的增加和流速的下降,分選系數逐漸減小。

BSCW- 1孔粒度數據顯示1770年左右的水流速度或強度最大,隨后迅速減小,到1830年左右開始穩定并且出現十分緩慢的下降趨勢。分選系數顯示自1770年以來沉積物的搬運距離逐漸增加。那么,是由于水位上升還是流域水文變化導致了湖心沉積物細化及分選系數降低呢？巴松錯是一個過水型湖泊,其水位相較于吞吐型或封閉型湖泊更為穩定。此外,巴松錯湖盆側壁十分陡峭(50—60°,圖1),水位劇烈上升才能使湖泊面積發生顯著擴張從而引起沉積粒度明顯細化。新普地區(距巴松錯約40 km)樹輪重建的夏季相對濕度(圖6)和米梅地區(距巴松錯約190 km)樹輪重建的夏季降水量(圖6)顯示,1770—1830年降水和相對濕度雖存在波動但總體變化不大且表現為緩慢下降的趨勢[37]。這樣的氣候條件并不支持水位急劇上升的假設,因此本研究認為巴松錯1770—1830年沉積物物理性質的變化主要由流域水文控制。

流域水文狀態受到氣候過程的影響。印度夏季風將大量水汽通過孟加拉灣輸送到青藏高原東南部地區,其高聳的地勢使得水汽在4500—5500 m海拔高度形成大面積溫帶季風型大陸冰川[3]。季節性冰川融水是藏東南地區湖泊最主要的補給來源[38],估計占總徑流量65%以上[39]。因此,冰川融水是該地區流域水文重要的組成部分。不僅如此,冰川的侵蝕作用強烈地改造地表并產生大量松散碎屑物,可以成為湖泊沉積物的重要來源[40-41]。冰蝕作用在冰川前進過程中普遍發生,當冰川融化時,部分碎屑物會隨冰川融水輸送到下游并在這一過程中不斷沉積[42-43]。念青唐古拉山脈冰川前緣地貌和沉積學證據表明,晚全新世最大冰進發生在17世紀中期到18世紀中期,由數次冰川擴張過程構成,當時的冰舌可延伸至海拔3200 m a.s.l左右[44]。巴松錯千年尺度的孢粉PCA1(圖6)指示過去200多年氣溫在波動中持續上升[45]。樹輪重建的林芝-波密地區八月平均最低氣溫表現為相似的變化過程[46]：1600—1800年為相對冷期(小冰期),此后總體表現為明顯的上升趨勢(圖6)。Liang等)[47]重建的1765年以來的夏季平均溫度與以上兩個溫度序列在變化幅度上具有較大差別,但仍顯示一定的上升趨勢(圖6)。據此推測,冰進過程產生大量冰磧物,這些松散沉積在氣溫開始回升、冰川大量融化過程中被冰川融水輸送到下游及湖泊中。隨著溫度持續上升,冰川不斷萎縮,冰川融水的運輸距離不斷增長,到達湖泊的水流速度、動力及攜砂能力減弱,沉積物粒徑及分選系數減小。

非氣候因素同樣影響湖泊及流域水文條件。青藏高原東南部地殼被走滑斷層和張扭斷層分割成不同空間尺度的構造塊體[48],是構造運動(如地震)頻發地區[49]。地震等突發型構造運動往往造成山體滑坡,如遇上雨季則可能發展成為泥石流[50]。泥石流作為一種重力流,具有很強的搬運能力,因此其沉積物粒徑往往很粗且分選很差。在距離巴松錯較近的LC6湖中就發現了可能發生在1940s晚期到1950s早期的崩塌或滑坡沉積物[51]。由于青藏高原缺少長期歷史地震記錄,目前無法證實BSCW- 1中90—80 cm埋深的砂層是否與地震活動有關,需詳細的地震剖面進行解譯。

圖6 巴松錯孢粉PC1得分[45]及周圍地區溫度[46-47]、降水和相對濕度[37]重建結果對比(虛線表示線性趨勢)Fig.6 Comparisons among PCA1 scores of pollen sample from Lake Basomtso[45] and reconstructed temperature[46-47], precipitation and relative humidity[37] from the neighboring regions (Dash lines represent linear trends)

湖泊沉積物中的C/N能夠用于判斷有機質的來源[52]。BSCW- 1孔的C/N范圍為15.5—33.8,說明主要為外源(陸源)輸入[52]。C/N從90 cm到65 cm顯著下降,說明這一時期外源輸入逐漸減少,佐證了流域水文動力減弱的推測。綜上所述,不論誘因是氣候變化還是構造運動,巴松錯過去200多年的水文條件發生了明顯變化,水流動力從1770年左右開始迅速減弱,1830年以來仍緩慢減弱但相對穩定。

4.2 巴松錯沉積過程對硅藻記錄的影響

生態閾值是生態系統質量、性質或現象等發生突變的點,它普遍存在于各種生態系統中[53]。Smol等[54]認為DCCA > 1 SD說明硅藻組合發生明顯變化。巴松錯過去200多年硅藻群落DCCA僅為0.47,說明組合變化較小,尚未達到其閾值,與青藏高原東南部的LC6湖和伍須海及東部的東格烏卡湖情況類似[29-30, 51]。Wischnewski等[29]認為相對穩定的硅藻組合可能是由于氣候和(或)營養輸入變化較小,流域土壤和植被較穩定,或地方性氣候的獨特性及氣候的負反饋機制等。在極地湖泊,硅藻組合(浮游種和底棲種相對豐度)變化能夠反映氣候導致的水體熱力學性質變化[55-56]。然而,巴松錯硅藻PC1及P/B的變化并不完全符合氣溫波動過程(圖6)。湖泊生境的變化是硅藻群落發生變化的重要因素。當水位變幅或水體擾動程度足以改變透光帶深度、水體熱力學性質、營養鹽濃度等時,硅藻組合可以產生明顯變化。BSCW- 1取自水深120 m湖心處且巴松錯湖盆形態特殊、區域氣候變率較小,因此本研究認為氣候的直接影響并不足以顯著改變湖泊生境繼而造成湖心處沉積硅藻組合發生明顯變化。

巴松錯是一個開放型湖泊,與其他水體具有密切聯系。青藏高原地區淺水環境及河流水系中的常見屬種包括A.minutissima,A.biasolettiana,Fragilariacapucina,Fragilariaconstruence,Fragilariapinnata,Cymbella,Amphora,Diatoma等[19]。硅藻自身幾乎沒有運動能力,從物理學角度可以認為是一種顆粒。因此,外源硅藻可以隨同水流被搬運并沉積到湖泊中。采樣點以上水體在過去200多年位于開闊湖區,沉積硅藻中的底棲種可來自湖岸淺水區和外源水體。A.minutissima是BSCW- 1孔中最主要的底棲種,個體纖細極易搬運。90—60 cm孔深的A.minutissima平均含量達20.6%,說明當來水量或水流動力較大,水流攜帶的和生長于湖岸淺水區的底棲硅藻被大量搬運到開闊水域并沉積下來。雖然硅藻和粒度樣品nMDS1得分及Procruste系數(r=0.494)顯示兩者具有中等相似程度,但1770—1901年(除1729年)較低的Procruste殘差(圖7)說明期間兩者具有較一致的波動過程。據此本研究認為,巴松錯水文條件是造成沉積硅藻組合變化的重要因素,在利用沉積硅藻進行氣候變化研究時應慎重考慮。

圖7 硅藻和粒度樣品nMDS1得分及普氏分析殘差Fig.7 nMDS1 scores of diatom and grain size samples and the residuals of Procrustes analysis

5 結論

巴松錯沉積記錄顯示過去200多年水文過程發生了顯著且快速的變化,主要出現在1770—1895年。沉積物粒徑從以砂和粗粉砂為主過渡到以細粉砂和粘土為主僅經歷了50—60年。在此期間,C/N指示的陸源有機質含量迅速減少與粒度反映的信息相似。巴松錯主要由冰川融水和降水補給。湖泊流域及周圍地區降水和相對濕度重建結果基本排除了降水導致流域水文條件顯著變化的可能性。氣候變暖前冰川向低海拔擴張,在氣候開始變暖時冰川前緣距離湖泊較近,此時大量冰川融水在到達湖泊時具有更強的動力,因此能夠輸送更多的碎屑物到達湖心。青藏高原東南部是地震較頻發地區,由于地震歷史記錄的限制,目前仍不能確定這一快速變化的沉積過程是否與之相關。本研究還發現,不僅沉積物理、化學指標能夠反映流域水文和湖泊沉積過程,沉積物硅藻組合也能做出響應。巴松錯過去200多年水位變化有限,浮游種和底棲種的相對豐度可以作為分析沉積過程的有效指標。因此,在利用硅藻對該地區進行古氣候和古環境解釋時,需考慮沉積過程的影響。