巢湖碳氮地球化學沉積記錄揭示全新世以來的環境演化

吳 立,李晨晨,馬春梅,管后春,王心源,張廣勝,路曙光,李肖雪,胡曉思,周迎秋,張紅梅

1 安徽師范大學地理與旅游學院江淮流域地表過程與區域響應安徽省重點實驗室,蕪湖 241002 2 中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室,南京 210008 3 中國科學院地球環境研究所黃土與第四紀地質國家重點實驗室,西安 710061 4 南京大學地理與海洋科學學院,南京 210023 5 安徽省地質調查院,合肥 230001 6 中國科學院遙感與數字地球研究所數字地球重點實驗室,北京 100094 7 皖西學院環境與旅游學系,六安 237012

巢湖(31°25′—31°43′N,117°16′—117°51′E)地處中國東部長江下游安徽段北岸的江淮地區中部,中國地理南北分界的秦嶺—淮河線附近,氣候主要受到東亞季風的影響[1—4]。其北亞熱帶和暖溫帶濕潤季風氣候過渡地帶的地理位置、僅有唯一出水通道裕溪河與長江相連的半封閉湖泊環境以及較穩定的沉積使得巢湖湖泊沉積物較好的保存和記錄了全新世以來的生態環境變化信息[5—8]。巢湖在20世紀60年代開始就受到關注和調研[9],許多學者從富營養化與污染[1, 9—12]、水生態[13—15]、湖岸崩塌與岸線變遷[16—18]、水土流失與淤積[19—20]及古環境演變[1—3, 5—8, 21—24]等多方面進行研究。較早的屬安徽省地質調查院楊則東等[25]對巢湖流域第四紀地層的研究以及吳躍東等[26]的環境地質調查。但囿于當時科學技術條件,測年數據很少,剖面年代劃分單純依靠巖性變化,達不到高分辨率研究要求,特別是對全新世氣候事件與環境變化信息關注較少。此后,學者們相繼從粒度[22, 24, 27—28]、環境磁學[29]、孢粉[5, 21, 30]、炭屑[7]、植硅體[6, 31]、化學元素[8, 23, 32—34]等方面采用湖泊沉積分析了區域環境變遷,主要是對晚全新世和近2000年來的環境變化與人類活動因素作了較多研究,更多研究集中在近代以來巢湖的富營養化沉積記錄方面[35],較少有研究關注到早中全新世氣候事件的辨識與古環境信息碳氮地球化學記錄方面的細致探討,同時對區域氣候環境變化內在驅動機制的討論亦鮮有涉及。

湖泊沉積物碳、氮地球化學特征是湖泊流域及湖泊內部碳、氮地球化學循環的真實反映,特別是湖泊沉積物碳、氮穩定同位素分析已成為熱點之一[36—44]。首先,湖泊沉積物中碳、氮元素來源于湖泊流域,碳、氮元素的組成關系直接取決于物源的變化;第二,由于碳、氮自身化學性質及二者之間或與其它元素間的相互作用,沉積物碳、氮地球化學特征會隨環境的變化而發生變化,這樣就可以揭示湖泊環境演化過程及其與區域氣候變化的關系,進一步探討氣候事件與全球變化的內在聯系[36]。如Sowiński等[37]基于紋層計數、AMS14C測年和火山灰年代學方法,利用高分辨率的TOC、TN、C/N、δ13Corg等地球化學指標和孢粉等沉積記錄探討了波蘭北部Trzechowskie古湖Aller?d晚期向新仙女木過渡時期的氣候環境變化,發現流域在該時段水位下降,侵蝕加劇,植被對于環境氣候的響應較湖泊沉積和生物群變化延遲了20年;Chawchai等[38]通過對Kumphawapi湖沉積物的TOC、C/N和其它相關元素的綜合分析,恢復了泰國東北部全新世以來古環境和古氣候變化。Vyse等[39]則通過對俄羅斯楚科奇半島北極圈內Ilirney冰湖巖芯的TC、TN、TOC、粒度、常/微量元素、礦物學等數據的綜合分析,重建了51.8 ka BP以來區域古環境演變,進一步闡明了沉積地球化學指標在湖泊動力學分析中的價值,同時為新仙女木事件在該地區的響應提供了新的證據。Stuiver和Braziunas[40]對分布于世界不同緯度的晚更新世以來湖沼相沉積物中δ13Corg值分析證實,基本上暖期對應于δ13Corg高值,冷期則對應于低值,國內不同湖泊的統計分析也得到相類似的研究結果[36],如Ma等[41]對我國西北Ebinur湖中世紀暖期和小冰期氣候湖泊沉積記錄的研究也發現較高的δ13Corg值階段與中世紀暖期相對應。氮同位素在地球化學循環過程中的分餾機制較為復雜[36],因此在具體應用于古環境和古氣候重建時,往往綜合使用δ15N和δ13Corg等指標相互補充和印證。如Aniceto等[42]對亞馬遜河上游Quistococha湖沉積物的δ15N、δ13C、TOC、TN等記錄以及水文變化等數據做了全面系統的綜合分析,揭示出全新世以來該湖泊經歷了兩種不同的沉積相,兩種沉積序列的碳積累量先后受到亞馬遜河水動力和季風變化的影響;Jia等[43]通過對湖光巖瑪珥湖巖芯TOC、δ13Corg、δ15N和δ13Cwax等指標的綜合分析,重建并探討了東亞季風系統的變化模式,并將研究結果與其他同時期的記錄進行對比,發現其相位變化與熱帶太平洋緯向溫度狀態有關;Gayantha等[44]則對斯里蘭卡西海岸Bolgoda湖沉積物粒度、常量和微量元素、C、N含量以及穩定C、N同位素等指標記錄的研究發現,該地區全新世晚期氣候變化受到西南季風影響,這一結果與印度西部和南部等地區的古氣候記錄有很大的重疊。

本文通過分析巢湖湖泊沉積物的TOC、TN、δ13Corg、δ15N等地球化學記錄,結合粒度參數,揭示這些代用指標的環境指示意義以及全新世以來巢湖地區的氣候與生態環境變化,以彌補該區域缺失長期過去氣候事件記錄與碳氮地球化學代用指標研究的不足,并結合區域氣候對比探討研究區全新世以來氣候環境變化的可能驅動機制,為未來全球變暖背景下長江下游地區氣候變化及應對策略研究、巢湖治理與生態保護提供基礎理論參考。

1 研究區概況和樣品采集

1.1 研究區簡介

巢湖位于安徽省中部江淮地區(圖1),在合肥市包河區以南,東達巢湖市主城區,西至肥西縣下派河,南岸以廬江縣和巢湖市散兵—槐林一線為界。年平均氣溫為16.1℃,多年平均年降水量980 mm左右,屬于北亞熱帶和暖溫帶濕潤性季風氣候過渡地帶,主要受東亞季風影響;降雨主要集中在每年的5—8月,占年降水總量的51%[4]。巢湖地區現代植被是北亞熱帶常綠—落葉闊葉混交林夾少數耐寒常綠闊葉林,但受人類活動影響許多地方原生植被已成為人工林、次生林及灌叢草類[4]。按照正常水位8 m計,湖水面積764.46 km2,匯水面積9153 km2,最大水深7.3 m,平均水深2.35 m?，F有35條大小河流呈向心狀分布于湖泊周圍,裕溪河是僅有的一條通江流出水道,其余河流均注入巢湖,水量主要受到大氣降水、蒸發和地下水以及長江來水頂托的控制。

圖1 巢湖的地理位置及CH—1鉆孔取樣點圖Fig.1 Geographic location of Chaohu Lake and the CH—1 coring site

1.2 樣品采集

2006年4月至2018年7月,作者對巢湖湖區進行了十余次野外調研與湖泊沉積巖芯系列鉆孔采樣,其中,在西湖區31°33′44.60"N,117°23′39.40"E位置水深3 m處用荷蘭Eijkelkamp公司產Beeker型沉積物采樣器獲得4.9 m連續沉積巖芯(編號CH—1,采樣時間2006年5月,取芯率98%,圖1),巖性為青灰色淤泥,其中深度0—25 cm以細粉砂為主,25—151 cm以中粉砂為主偶夾數層細粉砂,151—490 cm為細粉砂偶夾極細粉砂層,屬湖泊相沉積。整個巖芯以2 cm/樣進行分樣,共得到樣品245個。

圖2 巢湖CH—1湖泊沉積巖芯AMS14C年代的樹輪校正與線性回歸校正Fig.2 Calibration and linear regression correction for AMS14C dating results of CH—1 lacustrine sediment core in the Chaohu Lake

2 實驗方法

2.1 AMS14C年代分析

由于整個CH—1湖相巖芯都為較純凈的青灰色中粉砂、細粉砂并夾少量極細粉砂,未見明顯包含物及植物殘體,故選擇7個湖泊沉積物全樣進行AMS14C年代測試,由中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室制樣,而后北京大學核物理與核技術國家重點實驗室完成測試。測年結果除第一個數據(深度0.87 m處)外,其它6個數據的線性關系很好。考慮到整個巖芯未見沉積間斷痕跡,推測下部6個數據14C年代受到“碳庫效應”影響[36],因此,對巖芯深度1.27 m以下的6個年代數據依次進行CALIB 7.0.4樹輪校正[45—46]和線性回歸校正[47](表1和圖2)。校正后7個日歷年代序列與深度有很好的線性關系(R2=0.978),使用外推內插法計算出巖芯其它深度的年代。

表1 巢湖CH—1湖泊沉積巖芯AMS14C測年數據及年代校正

2.2 碳氮地球化學與粒度分析

將樣品烘干,研磨過80目篩;取一定量樣品,加入5%稀鹽酸多次攪拌,不斷加入稀鹽酸直至反應完全,浸泡一晝夜;用中性去離子水洗至中性(pH=7),烘干后研磨過150目篩;根據樣品中總有機碳(約10 mg)和總氮的含量(預先根據不同地層沉積物性狀測定了若干不同層位的控制樣)稱取一定量的被測樣品在錫紙緊密包裹下送入氧化爐中,由AS200型自動進樣器在Elementar Analyzer—Vario EL III元素分析儀上直接測出TOC和TN的百分含量,絕對誤差小于0.1%,TOC/TN比值(C/N值)根據質量比乘以1.167計算而得。送入EA元素分析儀燃燒后產生的CO2或N2氣體經連續流裝置Conflo III送入DELTA PLUS ADVANTAGE同位素質譜儀,分別以高純CO2或N2氣體作為參考標準測定碳或氮同位素的比值,分析精度優于0.2‰,結果以VPDB標準表示(圖3)。粒度分析使用英國Malvern公司產Mastersizer 2000激光粒度儀(圖3)。上述環境代用指標的測定均在中國科學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。

3 結果與分析

巢湖CH—1湖泊沉積物巖芯的TOC變化范圍為0.21%—1.12%,平均值為0.41%;TN的變化范圍為0.025%—0.160%,平均值為0.055%。TOC與TN之間存在較好的相關性(R2=0.795,圖4),這也說明沉積物TN主要來源于有機質,而黏土顆粒結合的氨態氮含量可以忽略不計[48—49]。總體上,TOC與TN均呈現由早全新世到晚全新世逐漸下降、至近兩千年來又上升的趨勢。早全新世階段(10100—8200 cal a BP),TOC和TN處于相對較高水平,平均值分別為0.45%和0.058%;8200 cal a BP之后開始在波動中下降,中全新世期間(8200—4200 cal a BP)的TOC和TN平均值分別為0.38%和0.058%;至晚全新世TOC和TN進一步下降(4200—2000 cal a BP階段平均值分別為0.35%和0.040%),然而,近兩千年來TOC與TN的平均值分別高達0.49%和0.061%,已超過了早全新世階段的平均水平。此外,從早全新世至2000 cal a BP,TN含量在7300—5800 cal a BP出現高值段,平均值為0.066%。

圖4 巢湖湖泊沉積物TOC與TN的相關關系及C/N值與δ13Corg值關系分布范圍Fig.4 Correlation between TOC and TN; distinctive source combination of C/N ratios and δ13Corg values in the Holocene sediments of Chaohu LakeC/N:總有機碳與總氮比值 Ratio of total organic carbon to total nitrogen

巢湖CH—1孔湖泊沉積物δ13Corg在-25.4‰—-21.6‰之間變化。早全新世(10100—8200 cal a BP)δ13Corg在波動中逐漸升高,平均值為-23.3‰;但值得注意的是,在9300 cal a BP、8900 cal a BP、8200 cal a BP左右出現了三次相對低值,最低值達-24.1‰。中全新世(8200—4200 cal a BP)δ13Corg較高,但總體呈不斷下降的趨勢,平均值為-22.6‰。至晚全新世,δ13Corg于4200—2000 cal a BP階段處于相對較低水平,平均值為-23.4‰;然而到2000 cal a BP后則又回升至較高水平,平均值為-23.2‰。

巢湖CH—1孔湖泊沉積物的δ15N值變化在0.2‰到5.6‰之間,平均值為2.8‰。早全新世(10100—8200 cal a BP)δ15N值偏高,平均值為3.3‰。中全新世(8200—4200 cal a BP)的δ15N值下降較明顯,平均值為2.5‰;與TN在7300—5800 cal a BP之間出現高值段相對應,δ15N值出現整個全新世最低值(最低值為0.2‰,平均值為2.1‰),遠低于早全新世平均水平。晚全新世以來(4200 cal a BP至今),δ15N值在4200—2000 cal a BP期間較低,但比中全新世水平略高,平均為2.5‰;2000 cal a BP之后,δ15N值先是下降到很低水平而后又波動上升至全新世以來最高水平(最高值為5.6‰),平均值為3.7‰。

巢湖湖泊沉積物粒度組成的粒級劃分按照Udden—Went worth標準分為黏土(<4 μm)、粉砂(4—64 μm)和砂(>64 μm)三個級別,反映了沉積物粒度各粒級的百分比含量變化。整個CH—1巖芯中黏土含量變化在10.46%—39.73%之間,平均值為24.91%;粉砂含量在60.19%—89.54%之間波動,平均值為74.81%;砂含量0%—7.10%,平均值為0.28%。全新世巢湖沉積物的黏土含量從早期到晚期總體上呈現逐漸降低的趨勢,早期(10100—8200 cal a BP)平均為32.55%,中期(8200—4200 cal a BP)為29.51%,至晚全新世前期(4200—2000 cal a BP)降至最低,平均為14.95%,但2000 cal a BP以來又有所升高,平均值為18.15%;粉砂含量則從早期至晚期逐漸升高,2000 cal a BP后又有所下降,但這一時期砂的含量達到全剖面最高,平均達0.83%,且波動劇烈。

4 討論

4.1 巢湖湖泊沉積物中TOC、TN和C/N值的環境指示意義

湖泊沉積物中TOC與TN的比值(C/N)可以綜合反映沉積物中內、外源物質來源的相對比例,這是因為與陸生植物相比,湖泊中的內生植物更富含纖維素,藻類植物等更富含氨基酸[36, 50—52]。已有研究認為,陸生高等植物C/N值最高,一般可達14—23,通常為20—30,甚至高達45—50;而水生植物C/N值一般僅為4—12,多數小于10,其中浮游動物一般為6.3,浮游植物平均為6左右,湖泊浮游生物平均為6—7[49,53—56]。巢湖全新世湖泊沉積物C/N值分布在3.99—31.19之間,平均值為8.87,可以推斷沉積物中有機質可能為水生、陸源混合來源,且以水生來源為主導。

4.2 巢湖湖泊沉積物中δ13Corg的環境指示意義

對湖泊沉積物而言,有機碳同位素(δ13Corg)變化與有機質來源密切相關,主要有兩個方面:一是來自內源的水生生物(如浮游生物、挺水植物和沉水植物);二是來自外源由入湖水流或降水徑流帶入的陸源植物碎屑[36,58,65]。前述結果分析的數據同樣表明,巢湖湖泊沉積物中的有機質主要為陸源植物碎屑及水生植物混合來源。陸生C3類植物光合作用途徑為Calvin循環,其δ13Corg值分布范圍為-37‰—-24‰;C4類植物為Hatch-Slack循環,δ13Corg值變化范圍為-19‰—-9‰;而CAM類δ13Corg值范圍較大,為-30‰—-10‰[36,66—68]。湖沼水生植物δ13Corg值分布范圍則較寬,為-50‰—-11‰[55,69—70],這與湖水水生植物種類、代謝方式、水化學性質以及碳在氣—水界面的CO2—HCO3-循環有關[71],其中,以藻類為代表的湖泊內源生物其δ13Corg值偏高,平均為-22‰—-18‰[56]。根據不同物質來源的δ13Corg值與C/N值的變化關系亦顯示(圖4),CH—1巖芯沉積物的C/N值多數分布在典型的水生藻類C/N值(4—10)范圍內,但是δ13Corg值卻高于一般的湖泊沉積物數值(一般低于-25‰),說明陸源物質的輸入也是不容忽視的[54,72]。

根據2010年遙感圖像解譯結果[15],現代巢湖流域的植被覆蓋類型主要為北亞熱帶常綠闊葉—落葉闊葉混交林夾少數耐寒常綠闊葉林、次生林及灌木叢、草地等。Wu等[7]對巢湖孢粉記錄研究的結果顯示,巢湖流域木本植物花粉含量在早—中全新世的大部分時段都高于60%,而晚全新世雖然有所降低,也未低于30%。上述結果表明,全新世以來巢湖流域相對較濕的氣候一直有利于C3植物生長,而不利于C4植物競爭[49,58,73—75]。除200 cal a BP以來人類的大規模開發活動改變了原始自然植被外,巢湖流域C3植被占絕對主導,因而全新世巢湖湖泊沉積陸源物質的δ13Corg值變化應該不是很大;但是,考慮到湖泊生產力變化,以及水生藻類與陸地C3植物不同的δ13Corg值,陸源物質輸入量的變化還是會導致巢湖湖泊沉積物δ13Corg值的變化,前述CH—1巖芯C/N值與δ13Corg值關系分布范圍亦說明了這一點(圖4)。

C/N值在整個全新世的多數時段均未出現大的波動或明顯變化趨勢,說明巢湖沉積物中有機質的陸生來源與湖泊自生有機質來源比例相對穩定,且水生來源比例高于陸生來源。δ13Corg值變化主要受巢湖湖泊自生有機質控制,反映了湖泊生產力的變化。氣候偏暖濕條件下,降雨量大,以溶解或懸浮細顆粒形式輸入湖泊的營養物質增多,促進水生植物(如藻類)繁盛,湖泊初級生產力提高,沉積物中δ13Corg值偏高;反之,氣候偏冷干條件下,輸入湖泊的營養物質減少,湖泊初級生產力低,則沉積物中δ13Corg值偏低。

4.3 巢湖湖泊沉積物中δ15N的環境指示意義

影響湖泊沉積物氮同位素的因素很多[36]。具體就巢湖而言,陸生植物與水生植物的比例是一個主要因素。陸生C3植物的δ15N值偏低,平均值約為1‰,而水生植物主要利用溶解無機氮(DIN)使其δ15N值分布在7‰—10‰之間,如水生藻類δ15N值平均約為8‰[55,69,76—79]。此外,外源輸入中氮負荷的增加(如農業施肥及城市污染物輸入)也可導致δ15N值的升高[36,72]。因此,δ15N值的降低一般情況下可以反映陸源氮營養輸入的增多。當降雨充沛時,陸源氮(低δ15N值)以溶解或懸浮形式進入湖泊,從而降低湖泊氮庫δ15N值[80];而相對干旱時期,陸源氮向湖泊的遷移大幅減少[81],對湖泊氮庫δ15N值的影響也較小。然而,當δ15N值下降至接近0‰時,則指示固氮藍藻大量出現,這是因為當湖泊水生植物大量生長導致氮素營養受限制時,固氮藍藻可以迅速繁殖,并逐漸占據優勢[82],從而改變湖泊氮庫δ15N值;而其在固定大氣氮過程中引起的同位素分餾極小,故δ15N值與大氣氮同位素值(0±2‰)接近[82—83];因而當湖泊中固氮藍藻大量繁殖時,將形成沉積物低δ15N值。同時,固氮藍藻作為湖泊氮庫氮源,可以直接導致沉積物含氮量增多[58]。Talbot和Johannessen[84]對西非加納Bosumtwi湖的研究就發現固氮藍藻大量生長導致沉積物δ15N值一般低至1‰—3‰。從整個CH—1巖芯沉積物δ15N的平均值及變化曲線來看(圖3),存在7300—5800 cal a BP(δ15N值0.2‰—4.2‰,平均2.0‰)、4300—3800 cal a BP(δ15N值0.4‰—2.9‰,平均1.5‰)和1600—1100 cal a BP(δ15N值0.8‰—1.1‰,平均1.0‰)三個湖泊中固氮藍藻相對繁盛的時段。

4.4 巢湖湖泊沉積物中粒度的環境指示意義

沉積物的粒度組成與搬運營力、搬運距離和水動力條件有關,是重建古濕度與古水位的重要指標之一。就半封閉湖泊巢湖這種大型地表水體而言其沉積物源主要是陸源碎屑物?？紤]巢湖湖泊沉積物的采樣位置,從長時間尺度來看[36],當湖水位較高時,采樣點離湖岸距離變遠,陸源顆粒必須經過長距離搬運才能到達采樣點,因而沉積物中粗顆粒物質較少,導致平均粒徑減小,沉積物具有較好的分選性;故細粒沉積物指示湖泊擴張、湖水較深的濕潤氣候。當湖泊水位降低時,采樣點離湖岸距離變短,陸源顆粒未經長距離搬運就開始在采樣點沉降,沉積物分選差,粗顆粒物質增多,導致平均粒徑變大;故粗粒沉積物指示湖泊收縮、湖水較淺的干旱氣候。

4.5 巢湖湖泊沉積記錄的全新世環境變化過程

根據以上環境代用參數的討論,巢湖湖泊沉積記錄的全新世環境變化過程可以分為4個時期:

早全新世時期(10100—8200 cal a BP)以相對較高的TOC和TN、在波動中逐漸升高的δ13Corg值、高δ15N值、高黏土(<4 μm)含量為特征(圖3),指示總體上溫暖較濕的氣候環境。這與前人研究揭示的早全新世是東亞夏季風持續增強的時期相一致[58,85]。巢湖地區向暖濕變化的氣候趨勢和湖面擴張特征明顯,這也得到了周邊及鄰近區域資料的驗證。這一時期龍感湖、固城湖、南漪湖等地區均表現為溫暖較濕和湖面擴張的特征[86—88];與巢湖處在同緯度的湖北神農架大九湖泥炭孢粉及地球化學記錄、山寶洞石筍δ18O記錄也反映出早全新世的波動升溫過程和季風降水的持續增加[89—90]。

溫暖濕潤的氣候條件下,陸源植被生長茂盛,因而以碎屑形式向湖泊搬運的陸源物質減少[91];而以溶解或懸浮形式進入湖泊的物質增多,導致湖泊營養(如N,P等)增加,同時溫濕條件也適宜水生植物的繁殖,湖泊初級生產力得以大幅提升。早全新世巢湖湖泊沉積序列中逐漸升高的δ13Corg值可能反映了湖泊生產力不斷提高這一過程,Lücke等[92]對德國Holzmaar湖的研究結果與此相一致;Nakai[93]和Saurer &Sigenthaler[94]也分別指出在湖泊沉積記錄中,有機質含量與δ13Corg值有較好的正相關性。那么,該時段巢湖湖泊沉積物升高的δ13Corg值是否也有可能是陸源C4植被輸入比例升高導致的呢?從該時段湖泊沉積物的C/N值(分布在7.17—15.76之間,平均為9.08)來看也是可能的。同時,高黏土(<4 μm)含量反映采樣點此時離岸較遠,指示當時巢湖湖泊已經具有較高水位,這也使得具有低δ15N值的陸源氮帶入采樣點減少,湖泊氮庫δ15N值相對偏高。但是,該時期不同顆粒粒徑粒度曲線波動很大且十分頻繁,砂含量出現兩次峰值,說明該階段湖水位仍不穩定,水動力條件較強。朱誠等[95]對江蘇乃至長江三角洲新石器時代海面變化的研究表明,全新世最大海侵應發生在全新世初至9200—7800 cal a BP之間。據此認為該時段巢湖受到高海面波動和長江頂托的影響較大,湖面變化漲縮明顯,巢湖構造盆地可能因古杭埠河排水不暢,不能很好的與長江貫通而在此時形成統一的古巢湖。

中全新世時期(8200—4200 cal a BP),TOC、TN、δ13Corg值和黏土(<4 μm)含量總體上較高但呈波動降低趨勢,粉砂(4—64 μm)含量升高,δ15N值總體較低但變化幅度較大。巢湖湖泊沉積的孢粉記錄表明整個中全新世流域內植被主要是落葉闊葉、常綠闊葉混交林,但落葉闊葉屬種含量(主要是落葉櫟類)逐步升高,而常綠闊葉屬種含量總體波動降低,其中栲/石櫟屬含量降低明顯[7]。上述說明該時期氣候環境總體上溫暖濕潤,但逐漸向涼干轉變,對應著季風的減弱,8100 cal a BP、5900 cal a BP、4200 cal a BP等氣候事件在粒度、δ13Corg和δ15N等環境代用指標變化中均有明顯的表現。

值得注意的是,7300—5800 cal a BP和4300—3800 cal a BP時間段δ15N出現極低值,平均值均低于1‰,最低值接近于0‰(圖3),與此相對應的是TN值相對出現高值段,這一現象可能指示了湖泊中固氮藍藻的相對繁盛。固氮藻類適宜生長于水體較穩定,垂直混合程度低,季節差異小的環境中[83]。前述Talbot和Johannessen[84]對西非加納Bosumtwi湖沉積物的氮同位素分析也表明δ15N低值(接近0‰)能夠指示固氮藍藻的繁盛,并反映水體的穩定及溫暖濕潤、風速弱的氣候條件。許多證據表明,7500—7000 cal a BP也是一個東亞夏季風強度明顯減弱的時期,該氣候事件在全球及中國多個地區都有明顯的反映[96]。因而7300—5800 cal a BP和4300—3800 cal a BP水體可能趨于穩定,且冬夏差異減小,為固氮藍藻的繁盛創造了條件,從而形成沉積物低δ15N和高TN的現象。

晚全新世前期(4200—2000 cal a BP),環境代用指標以低TOC、低TN、低δ13Corg值、低黏土(<4 μm)含量和較高的δ15N值、高粉砂(4—64 μm)含量為特征,說明進入晚全新世之后,氣候環境已經全面向冷干趨勢轉變,湖泊生產力總體下降,特別是TOC和TN含量為全剖面最低階段,表明沉積物中有機質積累相對較少,對應著季風最弱的時期。

晚全新世后期(2000 cal a BP至今)為受流域人類活動影響較大的時段。TOC和TN較高且變幅大,沉積物中的黏土(<4 μm)含量重新波動升高,各環境代用指標的變化與已有重建的該區域大尺度氣候變化背景不符[85]。2000 cal a BP大致對應著兩漢時期,經過數百年統一王朝的鞏固、開拓與發展,靠近中原腹地的長江中下游地區人口迅速增加,尤為明顯的是,曾經尚處于蠻荒淮夷之地的江淮地區得到了開發,至漢末三國還開始廣泛屯田[97]。1700—1200 cal a BP(即250—750 AD)明顯的低δ15N值階段就可能與魏晉以來直至隋唐時期區域規模的燒荒開田有關,以陸生C3植物(δ15N值偏低,平均值約為1‰)為主的森林木本植物等大量燃燒,其釋放出的陸源低δ15N的氮經大氣沉降(粉塵沉降、氣溶膠沉降、大氣降水等)輸入湖泊[55, 58, 69, 77]。相似的例子如非洲的Malawi湖,其每年接受大氣輸入N占總N輸入的72%,因主要氮源為人類農業燒荒所釋放,故其湖泊氮同位素組成降低[98]。Pang和Nriagu[76]的研究也發現有機質主要為陸源來源的湖泊沉積物δ15N(3.7‰)比主要來源為水生來源的沉積物(δ15N=4.9‰)要負。人類農業活動的干擾導致森林樹木大量減少,巢湖湖泊沉積的孢粉記錄就揭示出流域原先存留下來的落葉闊葉、常綠闊葉混交林迅速被破壞,演替成以禾本科為主的草地,且炭屑濃度也迅速增加,反映這一時期人類活動(主要表現在砍伐、火燒森林及農業種植等方面)的強烈影響[7]。歷史地理資料也佐證了兩晉南北朝至唐宋時期長江下游地區森林的大面積縮小[95]。由于C4植物比例升高,湖泊沉積物δ13Corg值在1700—1200 cal a BP時段大幅偏高。1000 cal a BP至今外源輸入的營養元素負荷增加已經比較嚴重的影響了湖泊沉積物各環境代用指標的變化。

根據碳氮地球化學及粒度指標建立的巢湖地區全新世環境變化與該時段北半球30oN夏季太陽輻射量變化及其他高分辨率沉積記錄具有很大相似性[7, 89—90, 99—101](圖5),這可能指示太陽輻射是巢湖地區全新世期間氣候演化的主要驅動力之一。早—中全新世期間北半球太陽輻射強,相應的東亞季風強,氣候偏暖濕,表現為較高的湖泊生產力。這主要體現在沉積物中較高的TOC、TN、δ13Corg值和黏土(<4 μm)含量方面。7300—5800 cal a BP和4300—3800 cal a BP時間段的低δ15N和高TN值可能指示了固氮藍藻的相對繁盛,分別對應著7500—7000 cal a BP和4200—4000 cal a BP氣候事件時期夏季風強度的減弱。此后到2000 cal a BP,TOC、TN、δ13Corg值、黏土(<4 μm)含量降低,δ15N值和粉砂(4—64 μm)含量升高,說明氣候逐漸向冷干轉變,對應著東亞季風的減弱。全新世逐漸減弱的30°N夏季太陽輻射是導致季風減弱的主要因素,上述這些討論都表明巢湖湖泊沉積物TOC、TN、δ13Corg和δ15N可以很好地揭示全新世氣候環境變化。

圖5 巢湖CH—1孔湖泊沉積記錄與其他高分辨率氣候記錄對比Fig.5 Contrast of sedimentary records of the CH—1 core in the Chaohu Lake and other high-resolution climatic records圖中黃色條帶代表三次明顯的氣候事件期

5 結論

綜上,巢湖CH—1孔湖泊沉積物的TOC、TN以及δ13Corg和δ15N記錄很好指示了全新世以來湖區初級生產力的變化,進而反映了流域的古氣候與生態環境演化過程,即早全新世時期(10100—8200 cal a BP)初級生產力較高,氣候溫暖較濕;中全新世時期(8200—4200 cal a BP)初級生產力由較高水平開始逐漸降低,氣候由溫暖濕潤逐漸向涼干方向發展;晚全新世前期(4200—2000 cal a BP)初級生產力繼續降低,反映氣候環境進一步向冷干轉變;而晚全新世后期(2000 cal a BP至今)湖泊生態環境受人類活動的影響逐漸增強。

7300—5800 cal a BP和4300—3800 cal a BP時間段的低δ15N和高TN值可能指示了固氮藍藻的相對繁盛,分別對應著7500—7000 cal a BP和4200—4000 cal a BP氣候事件時期夏季風強度的減弱。全新世以來逐漸減弱的30oN夏季太陽輻射是導致季風減弱的主要因素,而巢湖湖泊沉積物碳氮地球化學記錄(TOC、TN、δ13Corg和δ15N)以及粒度參數可以很好地揭示該時期區域全新世氣候和環境演變。