第一作者简介 龚晓飞,男,1993年生,硕士研究生,第四纪地质学专业。E-mail: gongxf5@mail2.sysu.edu.cn。
草海位于黔滇交界,主要受印度夏季风的影响,其湖沼沉积物记录了中—晚第四纪的环境变化历史,是研究第四纪环境和季风演变的良好载体。本研究选取的南屯 NT03钻孔,岩心长 405 cm,在放射性碳同位素( AMS14C)测年基础上建立了年代序列,并进行了沉积物的色差值( L*)、烧失量( LOI550)、总有机碳( TOC)、碳氮比( C/N)和有机稳定碳同位素(
About the first author Gong Xiao-Fei,born in 1993,is a master degree candidate. He majors in Quaternary geology in School of Earth Sciences and Engineering,Sun Yat-sen University. E-mail: gongxf5@mail2.sysu.edu.cn.
Caohai Lake is located in the boundary area between Guizhou and Yunnan provinces where the climate is dominated by Indian summer monsoon(ISM). The continuous lacustrine bog sediments provide ideal material for revealing middle and late Quaternary environmental changes. In this paper,a core of 405 cm length(NT03)was studied. The age model was established based on 7 AMS14C ages covering the last 21 ka. Here we present the results of sediment chromatic aberration value(CIE-L*),loss on ignition at 550 ℃(LOI550),total organic carbon(TOC),C/N ratio and stable carbon isotope(
印度季风作为亚洲季风的重要组成部分, 从热带印度洋携带大量水汽输送至南亚内陆形成季风降水, 对区域水文循环和生态系统产生重要影响(Zhang et al., 2017), 前人对印度季风在不同时间尺度上的演化历史、驱动机制及其生态响应进行了研究(An et al., 2011; Chen et al., 2014; Deplazes et al., 2014; Cai et al., 2015; Zhang et al., 2017; 沈吉和肖霞云, 2018)。研究认为南北半球共同影响印度季风(An et al., 2011)。印度季风带来的降水与西印度洋海表温度关系密切, 并与海陆水文循环存在重要联系(Zhang et al., 2017)。前人丰富的湖泊多指标古环境研究成果为西南地区的环境变化研究提供了重要认识, 但由于受印度季风影响的亚热带地区地形复杂, 地势起伏较大, 且生物多样性丰富(韩冰等, 2008), 不同地区的生态系统对于气候变化的响应机制和过程是否一致, 需要空间覆盖更密集的古环境记录进行对比研究。地处中国贵州的草海湿地属于高原湖沼沉积体系, 其沉积序列记录了丰富的自晚更新世以来的环境演变信息(陈佩英等, 1993; 朱正杰等, 2010; 孔凡翠等, 2013)。但之前关于有机碳同位素的研究存在年代框架精度较低(陈佩英等, 1993)或时间跨度较短(朱正杰等, 2010)等问题。本研究在草海盆地东南边缘的南屯湖沼沉积中获取了钻孔岩心, 在加速器质谱放射性碳同位素(AMS14C)测年的框架下, 根据沉积物色差值(L* )、烧失量(LOI)、总有机碳(TOC)和有机稳定碳同位素(
草海盆地位于贵州省威宁彝族回族苗族自治县境内, 地处云贵高原, 该盆地受威宁弧形背斜控制, 为一山间盆地, 处于长江水系和珠江水系分水岭的古老夷平面之上(林树基和郑洪汉, 1987)。盆地内主要分布石炭系碳酸盐岩地层, 盆地周围主要为下二叠统。草海周围不发育地表河流, 也无远源河流汇入, 因此主要的水分来源是大气降水及其汇集形成的季节性溪流, 故湖泊水位主要受到降水影响。该地区主要受印度夏季风的影响, 属暖温带温凉气候类型, 年均降水量约为1000 mm, 主要集中在夏季, 冬、春季干旱少雨, 年均温10.5~11.3° C(Zhu et al., 2014)。盆地内第四系以湖沼相沉积为主, 其次也存在冲、洪积相和坡积相。湖沼相沉积主要分布于盆地中部草海湖区及附近谷地中, 主要由黏土和富有机质泥炭组成, 最大厚度可达85 m(林树基和郑洪汉, 1987)。文中所研究的NT03钻孔(26.8140° N, 104.3405° E, 2165 m)位于草海盆地的东南侧边缘(图1), 属于草海与簸箕湾之间的低洼地带。
现今草海盆地及其周边的植被面貌以半湿润常绿落叶阔叶植物为主, 其中最为主要的是以华山松(Pinus armandii)、云南松(P. yunnanensis)为代表的针叶林, 以及以常绿、落叶栎为代表的常绿落叶阔叶林, 海拔较高处分布有中旱生山地草坡(Zhu et al., 2011)。根据《贵州植被》(黄威廉等, 1988)中的划分, 草海地区的植被垂直分带如下: 海拔小于 2400 m为黄棕壤分布区, 是常绿阔叶和少量针叶树种分布带, 主要的树种有马尾松(Pinus massoniana)、滇黄栎(Cyclobalanopsis delavayi)、滇青冈(Cyclobalanopsis glaucoides)、云南樟(Cinnamomum glanduliferum)、红木荷(Schima wallichii)等; 2400~2700 m为黄壤分布区, 是落叶阔叶和部分针叶树种分布带, 主要的树种有刺柏(Juniperus formosana)、华山松、云南松等针叶树种, 白栎(Quercus fabri)、槲栎(Quercus aliena)、滇榛(Corylus yunnanensis)、滇杨(Populus yunnanensis)、云南柳(Salix cavaleriei)和蒙自桤木(Alnus mengtze)等落叶阔叶树种; 大于2700 m为草甸土分布区, 植被类型为高山灌丛和草甸, 灌丛植物主要有杜鹃花科和蔷薇科等, 草甸主要由禾草类、蒿草(Artemisia)和莎草科(Cyperaceae)等草本植物组成, 夹杂生长针叶树如冷杉(Abies spp.)和云杉(Picea spp.)。
本次采样使用俄罗斯手摇钻取得钻孔岩心长度为405 cm, 按 1 cm 间隔分样, 共获得405个样品。岩性描述如下(图 2-A):
0~50 cm为浅灰色耕作土, 含大量的植物根茎, 受到较多的人类扰动; 50~150 cm为灰黑色黏土, 夹薄层泥炭; 150~220 cm为黑色泥炭, 含腐木和植物碎屑; 220~310 cm为互层的灰色黏土和灰白色黏土, 同样含腐木和植物碎屑; 310~350 cm为黑色黏土, 夹薄层泥炭; 350~380 cm为灰色粉砂质黏土; 380~405 cm为含砾石的浅灰色粉砂质黏土, 砾石大小约为1 cm× 1 cm。
基于钻孔岩性, 在不同深度选取了7个测年样品, 材料主要为含有机质较多的黏土和植物碎屑(表 1), 分别寄送往美国Beta 实验室和西安加速器质谱中心进行加速器质谱放射性碳同位素(AMS 14C)测年, 并利用IntCal 13数据库(Reimer et al., 2013)将测年结果校正为日历年龄(表 1)。随后, 使用Bacon 2.2软件中内置的Bayesian模型建立钻孔的年龄— 深度模型(Blaauw and Christen, 2011)。
结果显示, 钻孔测年结果随深度变老, 未出现倒序现象, NT03钻孔底部年龄为20 915 cal a BP, 平均沉积速率约为1.94 cm/100 yr(图 2-B)。
本研究涉及的主要代用指标包括色差值(L* )、烧失量(LOI)、总有机碳(TOC)和全岩有机稳定碳同位素(δ 13Corg)等。沉积物颜色是最直观的视觉特征之一, 它包含着丰富的信息, 可在一定程度上反映沉积时的氧化— 还原条件, 是一种重塑古环境的有效参考指标(Nagao and Nakashima, 1992; 吴艳宏和李世杰, 2004; 曾砺锋等, 2018)。色差值测试选用日本Konica Minolta CR400/410型手持色度色差仪, 在中山大学地球科学与工程学院古环境实验室内对岩心表面以1 cm间隔(51.6 yr/样)进行测试, 3次测试取均值, 结果以CIE-L* a* b* 色彩空间表示。其中L* 代表明亮度, 变化于黑(0)和白(100)之间, 值越小表示沉积物中有机质含量越高, 沉积物颜色越深; 值越大表示碳酸盐含量越高, 颜色偏亮(吴艳宏和李世杰, 2004)。
沉积物中的有机质和碳酸盐是湖泊沼泽古生产力和区域气候环境特征的地质纪录, 与流域内岩石、气候、水文和生物等要素关系密切, 可指示湖泊沼泽沉积环境的演变历史(刘子亭等, 2006)。烧失量(Loss on Ignition, LOI)是指沉积物中有机质和无机质在一定高温条件下分解后损失的质量百分比, 实验证明550 ℃条件下的烧失量(表示为LOI550)与湖泊沉积物中的有机碳含量关系密切, 因此可用简便高效易得的烧失量值指示沉积物中的有机碳含量(Dean, 1974)。
在NT03钻孔以2 cm间隔(103 yr/样)连续取样, 每个样品重约1.5 g, 共获取207个样品进行烧失量(LOI550)分析, 实验在广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室进行, 利用马弗炉对样品进行焚烧, 焚烧时长为4 h(焚烧最佳时长据Heiri et al., 2001)。
沉积物中有机质及其稳定碳同位素的组成受物质来源的影响, 是区域气候环境和水体生产力等因素的综合反应。在NT03钻孔中共获取207个样品进行分析, 取样间隔为2 cm, 平均时间分辨率为103 yr/样。样品经过冻干、挑除明显植物碎屑和研磨后, 加入10% HCl静置反应24 h以去除碳酸盐等无机碳的影响, 随后洗酸至中性, 并冻干。预处理后的样品送至中山大学测试中心进行总有机碳(TOC)和总氮(TN)测试, 使用仪器为Elementar公司生产的Vario EL cube元素分析仪, 分析精度为0.1%; 而稳定碳同位素(
基于NT03孔的年代框架、岩性和各个指标(色差值L* 、LOI550、TOC、C/N、
阶段Ⅰ : 405~355 cm(20.9— 15.2 cal ka BP)。此段为钻孔底部沉积, 岩性为灰色粉砂质黏土, 含有磨圆度很差的砾石。在该阶段中, 色差值L* 较高, 平均值约为28.47, 波动区间为20.62~32.96。LOI550的波动区间为3.34%~7.47%(平均值为5.31%)。TOC的平均值较小, 为2.08%, 波动区间为1.20%~3.10%。C/N在18.33~30.80之间波动, 平均值为24.96, 基本大于20。该段内
阶段Ⅱ : 355~150 cm(15.2— 4.1 cal ka BP)。此段岩性为灰— 黑色黏土或黑色泥炭。根据各曲线的变化, 可将阶段Ⅱ 进一步划分为IIa、IIb和IIc等3个亚阶段。阶段IIa, 即355~315 cm(15.2~12.0 cal ka BP), 色差值L* 在1.54~23.83之间变化, 且逐步减小, 平均值为17.26, 并在319 cm(12.5 cal ka BP)处出现钻孔最小值1.54; LOI550的值在该亚阶段内稳步增大, 波动范围为13.11%~49.50%, 平均值为27.49%; TOC在330 cm(13.7 cal ka BP)达到全剖面最大值35.51%, 该亚段内的最小值和平均值分别为4.93%和14.40%; C/N的平均值为25.07, 波动区间为20.41~31.86, 在340 cm(14.3 cal ka BP)出现全剖面最大值;
阶段Ⅲ : 150~6 cm(4.1 cal ka BP以来)。此段岩性主要为灰色黏土, 偶见黑色泥炭夹层。在该段内各项指标均发生明显的增大或减小, 且变化频率和幅度均较大。色差值L* 的平均值为36.19, 波动区间为5.12~46.51, 于84 cm(0.9 cal ka BP)处出现全钻孔最大值46.51。LOI550在该阶段内始终处于低值(平均值为9.58%), 仅在85 cm(1.0 cal ka BP)处出现唯一高值29.35%, 最小值为5.87%。TOC在该段内同样处于低值, 仅在86~82 cm(1.1— 0.9 cal ka BP)之间出现3个相对较大值16.65%、15.35%和13.34%, 其平均值为3.12%, 最小值为0.91%。该段内C/N的平均值显著减小至12.90, 在5.94~24.85之间波动, 于130 cm(3.2 cal ka BP)处出现全钻孔最小值5.94。
总体来看, 在阶段Ⅰ 内, LOI550(有机碳)的值(含量)均接近或达到钻孔最低值, C/N值整体处于较高水平,
湖泊— 沼泽相沉积物中的有机质含量是反映沉积环境初级生产力的基本指标(Meyers and Lallier-vergé s, 1999)。草海属于流域面积相对较小的湖沼体系, 泥炭沉积的有机质来源主要是生长于湖泊周边浅水湿地及湖泊中的生物。由于草海处于印度季风区, 夏季风增强带来的大气降水可使草海水位上升, 湖沼面积增大。NT03钻孔位于湖沼的边缘区, 根据钻孔分析可以了解草海的水面变化。结果发现, NT03钻孔色差值L* 、LOI550和TOC等的变化趋势一致(图 3), 说明这些指标均能同时反映沉积物中的有机质含量, 从而指示湖泊边缘区的沉积环境, 进而反映区域气候条件。
研究发现, 末次盛冰期阶段(21— 15 cal ka BP), 沉积物中的有机质含量较低, TOC处于低值(< 5%), 沉积物岩性为粉砂质黏土, 含有磨圆度较差的砾石, 推测为冲积相沉积, 可能指示该时期草海水体面积较小, 湖水未淹没到钻孔位置, 与冰期阶段印度季风降雨减弱相吻合。有机碳含量变化曲线清晰显示, 有机碳含量的快速升高始于冰消期的15 ka BP, 其中在对应于B/A事件期的14.8— 12.5 cal ka BP达到峰值, 证明该变化与冰消期冰盖消融和全球回暖有关。西南地区的洞穴石笋(Yuan et al., 2004; Dykoski et al., 2005; Jiang et al., 2014)和湖泊(Yan and Wü nnemann, 2014; 郑茜等, 2014)记录均显示, 印度季风在B/A时期开始显著增强。季风降水增强的结果直接影响草海的湖面高度和水体面积, 使草海湖沼面积快速扩张。由于本钻孔位于草海边缘区, 该地点冰消期沉积物中的有机碳含量增加是湖泊边缘水域扩大导致湿地泥炭堆积和埋藏的结果。此外, 本研究还发现, 晚全新世在5.3~4.1 cal ka BP 是泥炭堆积的第2个峰值, 但在4.1 cal ka BP后, 有机质含量突然快速降低, 沉积物岩性由黑色泥炭变为灰色— 黄色黏土, 指示沉积环境转变为洪冲积相, 该变化的起始点在时间上与4.2 cal ka BP快速变冷事件十分接近, 随后的沉积环境与石笋指示的印度季风减弱有很大的相关性(Dykoski et al., 2005)。
因此, 草海边缘区NT03钻孔中有机碳的富集不仅指示不同时期沉积环境的演变, 同时也反映了印度季风强度变化对水体面积和生态系统的影响。沉积物有机碳在湖泊变浅过程中的湿地沉积泥炭化(沼泽泥炭沉积— 浅湖淤泥沉积— 沼泽泥炭沉积)也存在于亚热带地区其他沉积记录中, 如南岭地区的大湖湿地记录(Zhou et al., 2004; Zhong et al., 2010)也呈现与本钻孔相同的变化模式(图 4-A)。
上述研究结合岩性变化共同指示该钻孔序列包含了3个沉积环境演变阶段: (1)末次盛冰期晚期(21— 15 cal ka BP)的河流— 冲积相沉积阶段; (2)冰消期至早中全新世(15— 4 cal ka BP)沼泽— 湖泊— 沼泽相沉积阶段; (3)晚全新世(4 cal ka BP至今)洪、冲积相沉积阶段。由于钻孔位置位于草海古湖沼的边缘区, 可以总体反映近2万年以来草海湖沼面积经历的收缩→ 扩张→ 收缩的演变过程, 整个剖面的2个有机碳富集时期对应了全新世大湖期的开始和结束的浅水泥炭沼泽堆积时期。
C/N可用来判断有机质的来源, 一般认为水生浮游藻类的C/N值在4~10之间, 而纤维素含量较高的陆生高等植物的C/N值大于20(Meyers and Lallier-vergé s, 1999)。在草海NT03钻孔中, TOC和T/N变化趋势基本一致, 且C/N值在4 cal ka BP之前大于20(图 3), 指示沉积物中的有机质主要来源于陆生高等植物; 而在4 cal ka BP之后, C/N值一般在10~20之间(图 3), 指示混合的有机质来源。在有机碳同位素
大约始于15 cal ka BP 的冰消期过程中,
位于贵州草海湿地边缘的南屯NT03钻孔的多指标结果显示, 色度、总有机碳和有机碳同位素等指标反映出草海湿地水体面积和生态系统变化过程, 且与印度季风强弱变化有密切关系。末次盛冰期草海湖沼面积相对较小, 沉积物有机碳含量最低, 此时的
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