何建華，余 雯，陳立奇，門 武

（1.廈門大學(xué) 海洋與環(huán)境學(xué)院，福建 廈門 361005；2.國家海洋局 第三海洋研究所，福建 廈門 361005；3.國家海洋局 海洋－大氣化學(xué)與全球變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361005）

隨著全球氣候變化研究的興起，尋找全球氣候變化研究的證據(jù)成為科學(xué)界研究的熱點(diǎn)問題［1－3］，其中以湖泊沉積物中有機(jī)碳同位素作為重要環(huán)境指標(biāo)的研究課題得到地球科學(xué)界的普遍重視［4－6］。國內(nèi)外學(xué)者通過對湖泊沉積物中有機(jī)碳同位素的組成變化特征及其影響因素等多方面的綜合研究，建立了多種古氣候、古環(huán)境意義的解釋模式，在研究第四紀(jì)以來的古氣候環(huán)境變化方面取得諸多成果［7－10］。但是，湖泊沉積物有機(jī)碳同位素組成變化受很多因素的影響，如湖泊的水化學(xué)性質(zhì)、湖泊的營養(yǎng)化過程、大氣CO2濃度、沉積環(huán)境等。由于氣候系統(tǒng)的復(fù)雜性和地質(zhì)環(huán)境的多樣性，不同地區(qū)、不同類型的湖泊沉積物中有機(jī)碳同位素表征的古氣候環(huán)境意義通常并不相同［11－14］。

北極由于其對全球氣候變化的敏感和反饋?zhàn)饔枚鴤涫苎芯空叩那嗖A，是全球氣候變化研究的重點(diǎn)區(qū)域之一［7－8］。黃河站是我國首座北極科學(xué)考察站，座落于挪威斯匹次卑爾根群島上，該群島是世界上保持原生自然的幾個島嶼之一，由大峽灣、冰川、冰磧巖、冰川河流、山和一個典型的苔原生態(tài)系統(tǒng)所包圍，其地形地貌、地層系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境的復(fù)雜多樣性，為海洋、大氣、冰川與海冰、生物生態(tài)、地質(zhì)、大地測量等學(xué)科的研究提供天然場所，被科學(xué)家們認(rèn)為是天然實(shí)驗(yàn)室。因此，研究北極湖泊沉積物中有機(jī)碳同位素的組成和分布對重建北極的古氣候環(huán)境，了解北極氣候變化的歷史情況具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本研究擬對北極黃河站附近兩個湖泊的沉積速率和沉積物柱樣中δ13C的垂直分布進(jìn)行分析，為了解過去北極氣候變化提供借鑒。

1 主要實(shí)驗(yàn)材料

1.1 主要試劑

濃鹽酸、濃硝酸、氨水和鹽酸羥胺：均為分析純，廣東西隴化工股份有限公司生產(chǎn)。

1.2 主要儀器

7200-08型α譜儀：美國Canberra公司；FLASH1112元素分析儀：德國 Ther mo-Finnigan公司；85-2型恒溫磁力攪拌器：上海司樂儀器有限公司。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品采集與預(yù)處理

2007年7月和8月，在北極黃河站附近的兩個湖泊中采集了2個沉積物柱樣（1號柱樣：78°56.489′N，11°49.194′E；2 號 柱 樣：78°56.554′N，11°51.576′E），柱樣長度分別為18 c m和25 c m，采樣站位圖示于圖1。樣品采集上來后，密封平置后帶回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室按1 c m的間距分割樣品，50℃下烘干，用錫箔紙包裝后裝入密封袋，置于冰柜中冷凍保存，備用。

2.2 沉積速率的分析

采用國際上常用的測定210Pb第三代子體210Po的方法［15］進(jìn)行沉積速率分析。將2.1節(jié)制備的樣品稱重后研細(xì)至0.25～0.84 mm（60～80目），定量加入示蹤劑209Po，分別經(jīng)濃硝酸和濃鹽酸消解后，用2 mol／L鹽酸浸取出溶液，然后通過自沉積將210Po沉積在銀片上制成測量源，最后在α譜儀上測量210Po的比活度［15］。

2.3 δ13 C的分析

用無機(jī)酸淋洗沉積物樣品以清除其中的無機(jī)碳，再于50℃下烘干48 h，然后置于干燥器中冷卻至室溫。采用元素分析儀對冷卻樣品進(jìn)行碳同位素的測定［16］，元素分析－同位素比值質(zhì)譜（EA-IRMS）的工作條件為：柱長 3 m、柱溫50℃、載氣流速80 mL／min。碳同位素結(jié)果以δ13CPDB（‰）表示，其計算公式［16］為：δ13CPDB（‰）＝［（13C／12C）Sa／（13C／12C）St－1］×1 000‰

式中（13C／12C）Sa和（13C／12C）St分別為樣品和CO2參考標(biāo)準(zhǔn)氣的碳同位素比值。

圖1 采樣站位示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 沉積速率

沉積物中210Pb的來源有兩個：一是經(jīng)大氣沉降進(jìn)入水體后沉積下來的過剩210Pb（210Pbex），另一個則是由沉積物中的226Ra衰變產(chǎn)生的210Pb（即本底值），其中210Pbex是總的210Pb與本底值之間的差值。將兩個柱樣中總210Pb和過剩210Pb（210Pbex）的比活度的自然對數(shù)值對校正深度作圖，并對衰減區(qū)中210Pbex比活度進(jìn)行線性擬合，結(jié)果示于圖2。由圖2可以看出，兩個沉積物柱樣沒有受到擾動，從表層開始，210Pb放射性活度隨深度而減少，當(dāng)達(dá)到一定深度后則進(jìn)入了210Pb的本底區(qū)。根據(jù)圖中擬合直線的斜率［15］可計算出1號柱和2號柱的沉積速率分別為1.05 mm／a和0.91 mm／a，并由此可計算出2個柱樣的沉積年齡在200～300年間。

3.2 δ13 C垂直分布

分別選取了1號柱樣和2號柱樣中部分層位的樣品進(jìn)行有機(jī)碳同位素分析，分析結(jié)果列于表1。

根據(jù)沉積速率可以計算出不同層位對應(yīng)的年代。以δ13C為橫坐標(biāo)，沉積物深度和對應(yīng)的年代為縱坐標(biāo)作圖，可以得到δ13C隨年份的變化趨勢，結(jié)果示于圖3。

表1結(jié)果顯示：1號柱樣中δ13C的變化范圍為－26.038‰～－24.882‰，平均－25.484‰；2號柱樣中δ13C的變化范圍為－25.385‰～－23.928‰，平均－25.068‰。從圖3可以看出，兩根柱樣中δ13C隨時間的變化趨勢基本一致，均呈現(xiàn)出“降低－增加－降低－增加－降低”的趨勢。

圖2 210 Pb比活度的垂直剖面

表1 不同深度沉積物中δ13 C含量

圖3 沉積物中有機(jī)碳同位素含量垂直分布圖（圖中虛線為δ13 C的總體變化趨勢線）

3.3 δ13 C指示古氣候的依據(jù)

湖泊沉積物中有機(jī)碳的主要來源有兩個：一個是內(nèi)源湖泊生物（如水生植物、浮游藻類等），另一個是來自湖區(qū)周圍隨湖水流入帶入的陸生植物。陸生植物按光合作用方式的不同可分為C3植物、C4植物和CA M植物。C4植物適應(yīng)干旱炎熱的氣候，C3植物適應(yīng)寒冷、水分充足的環(huán)境，CA M植物則一般生長在蒸發(fā)量很大的沙漠地區(qū)。而C3和C4植物因光合作用固碳方式的不同，使得在生化反應(yīng)過程中發(fā)生同位素分餾作用［17］，而當(dāng)植物死亡后，其同位素特征將被固定在植物體內(nèi)，在分解、埋藏過程中，如未發(fā)生成巖作用，則該特征將保存在沉積物的有機(jī)質(zhì)中，因此，通過對沉積物有機(jī)質(zhì)的同位素特征研究，可獲得其母體（植物）生長期間的氣候環(huán)境信息。

Degens在總結(jié)現(xiàn)代海洋沉積物中有機(jī)質(zhì)的δ13C時指出，高緯度寒冷地區(qū)沉積物中有機(jī)質(zhì)具有較低的δ13C，而低緯度溫暖地區(qū)沉積物中的δ13C則較高［18］。通常情況下，一般C3植物具有較輕的碳同位素組成［19］，其δ13C為－34‰～－22‰，平均－27‰；C4植物則較重，δ13C值為－19‰～－9‰，平均－13‰。

采樣點(diǎn)湖泊的周邊環(huán)境中苔原植物是一種優(yōu)勢植物群落，因此可以判斷湖泊沉積物物種的有機(jī)質(zhì)來源于陸生植物，而從兩個柱樣中δ13C分布來看，δ13C分布區(qū)間在－26.038‰～－23.928‰，落在C3的δ13C分布范圍內(nèi)，此外，從總沉積物的表觀上看，并未發(fā)現(xiàn)明顯的成巖作用痕跡，因此，可以用C3的分布模式來討論該黃河站湖區(qū)的氣候特征。

3.4 過去300年間黃河站的氣候變化

從3.3節(jié)的討論可知，黃河站湖區(qū)沉積物中有機(jī)碳符合C3的特征，通常情況下C3植物中有機(jī)碳δ13C與氣溫成正比關(guān)系［16］。結(jié)合沉積物柱樣的年齡及δ13C含量的分析結(jié)果，大體可將過去300年間黃河站的氣候變化分為5個階段：A-B階段、B-C 階段、C-D 階 段、D-E 階 段、E-F階段。

1）A-B階段。沉積物中的δ13C含量隨時間逐漸變輕，表明該階段的氣溫開始逐漸降低。

2）B-C階段。沉積物中的δ13C含量隨時間逐漸變重，表明該階段的氣溫開始回暖。

3）C-D階段。沉積物中的δ13C含量隨時間又逐漸變輕，表明該階段的氣溫又開始逐漸降低。

4）D-E階段。該時間段內(nèi)，沉積物中的δ13C含量的變化趨勢與B-C階段類似，表明該階段的氣溫又開始逐漸升高。

5）E-F階段。隨著沉積物中δ13C含量逐漸變輕，呈現(xiàn)出與A-B階段和C-D階段類似變化趨勢，表明該階段的氣溫表現(xiàn)出降低的趨勢。

此外，從圖3還可以看出，兩個柱樣中δ13C含量隨時間延長呈降低趨勢，表明該區(qū)域的氣溫在過去300年間可能存在變冷的趨勢。

需要說明的是，由于陸地植物對氣候變化的響應(yīng)有一定的滯后性，而本研究中也受樣品量的限制，無法對樣品作更深入的分析，造成時間分辨率較低［20］。因此只能大體反映氣候的變化趨勢。

4 結(jié) 論

δ13C在指示湖泊沉積物所反映的氣候變化方面有一定的可信度，可以作為冷暖波動的代用指標(biāo)之一。本研究中結(jié)合對北極黃河站附近兩個湖泊的沉積速率和沉積物柱樣中δ13C的垂直分布分析可以看出，黃河站區(qū)域的氣溫在過去300年間經(jīng)歷了“降低－升高－降低－升高－降低”這樣一個變化模式，且總體可能存在降低的趨勢，這與王國等［21］的研究結(jié)果相近，即過去400年來，北極的溫度并非保持一成不變或呈現(xiàn)單一變化趨勢，而是存在不同周期的升高和降低的過程。

有關(guān)北極氣溫更為具體的變化趨勢，尚需在后續(xù)的工作中進(jìn)一步做分析研究，以便得出更準(zhǔn)確的結(jié)論。

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